Esta es la razón por la cual los físicos piensan que la teoría de cuerdas podría ser nuestra "teoría de todo"
Forbes
La idea de que en lugar de partículas de 0 dimensiones, sus cadenas de 1 dimensión que conforman fundamentalmente el Universo es el núcleo de la teoría de cuerdas. (usuario de flickr Trailfan)
Por Ethan Siegel, para Forbes Mayo 31 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas.
Es una de las ideas más brillantes, controvertidas y no probadas en toda la física: la teoría de cuerdas. En el corazón de la teoría de cuerdas está el hilo de una idea que recorre la física desde hace siglos, que en un nivel fundamental, todas las diferentes fuerzas, partículas, interacciones y manifestaciones de la realidad están unidas como parte del mismo marco. En lugar de cuatro fuerzas fundamentales independientes -fuertes, electromagnéticas, débiles y gravitacionales- existe una teoría unificada que las abarca a todas.
En muchos aspectos, la teoría de cuerdas es el mejor candidato para una teoría cuántica de la gravitación, que simplemente se une en las escalas de mayor energía. Aunque no hay evidencia experimental para ello, existen razones teóricas convincentes para pensar que podría ser cierto. En 2015, el principal teórico de cuerdas vivientes, Ed Witten, escribió un artículo sobre lo que todo físico debería saber sobre la teoría de cuerdas. Esto es lo que eso significa, incluso si no eres un físico.
La diferencia entre las interacciones estándar de la teoría de campo cuántica (L), para las partículas puntuales y las interacciones de la teoría de cuerdas (R), para las cadenas cerradas. (Usuario de Wikimedia Commons Kurochka)
Cuando se trata de las leyes de la naturaleza, es notable la cantidad de similitudes que existen entre los fenómenos aparentemente no relacionados. La estructura matemática subyacente a ellos es a menudo análoga, y ocasionalmente incluso idéntica. La forma en que dos cuerpos masivos gravitan, de acuerdo con las leyes de Newton, es casi idéntica a la forma en que las partículas cargadas eléctricamente atraen o repelen. La forma en que oscila un péndulo es completamente análoga a la forma en que una masa en un resorte se mueve hacia adelante y hacia atrás, o la forma en que un planeta orbita una estrella. Las ondas gravitacionales, las ondas de agua y las ondas de luz comparten características notablemente similares, a pesar de que provienen de orígenes físicos fundamentalmente diferentes. Y en la misma línea, aunque la mayoría no se da cuenta, la teoría cuántica de una sola partícula y cómo abordaría una teoría cuántica de la gravedad son análogamente similares.
Un diagrama de Feynman que representa la dispersión electrón-electrón, que requiere sumar todas las historias posibles de las interacciones partícula-partícula. (Dmitri Fedorov)
La forma en que funciona la teoría cuántica de campos es que tomas una partícula y realizas una "suma sobre historias" matemática. No se puede simplemente calcular dónde estaba la partícula y dónde está y cómo llegó allí, ya que hay una incertidumbre cuántica inherente y fundamental para la naturaleza. En cambio, se suman todas las formas posibles en que podría haber llegado a su estado actual (la parte de "historia pasada"
, adecuadamente ponderadas de forma probabilística, y luego se puede calcular el estado cuántico de una sola partícula.
Si quieres trabajar con gravitación en lugar de partículas cuánticas, tienes que cambiar la historia un poco. Debido a que la Relatividad General de Einstein no se ocupa de las partículas, sino de la curvatura del espacio-tiempo, no promedia todas las historias posibles de una partícula. En lugar de eso, promedia en cambio todas las geometrías de espacio-tiempo posibles.
La gravedad, gobernada por Einstein, y todo lo demás (interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas), gobernadas por la física cuántica, son las dos reglas independientes que se sabe que gobiernan todo en nuestro Universo. (SLAC National Accelerator Laboratory)
Trabajar en tres dimensiones espaciales es muy difícil, y cuando un problema de física es desafiante, a menudo intentamos y resolvemos primero una versión más simple. Si bajamos a una dimensión, las cosas se vuelven muy simples. Las únicas superficies unidimensionales posibles son una cuerda abierta, donde hay dos extremos separados, sin unir, o una cuerda cerrada, donde los dos extremos se unen para formar un bucle. Además, la curvatura espacial, tan complicada en tres dimensiones, se vuelve trivial. Entonces, lo que nos queda, si queremos agregar en la materia, es un conjunto de campos escalares (al igual que ciertos tipos de partículas) y la constante cosmológica (que actúa como un término de masa): una hermosa analogía.
Los grados adicionales de libertad que una partícula obtiene al estar en múltiples dimensiones no juegan un papel importante; siempre que pueda definir un vector de momento, esa es la dimensión principal que importa. En una dimensión, por lo tanto, la gravedad cuántica se ve como una partícula cuántica libre en cualquier cantidad arbitraria de dimensiones.
Un gráfico con vértices trivalentes es un componente clave para construir la integral de trayectoria relevante para la gravedad cuántica 1-D. (Phys. Today 68, 11, 38 (2015))
El siguiente paso es incorporar interacciones y pasar de una partícula libre sin amplitudes de dispersión o secciones transversales a una que pueda desempeñar un papel físico, acoplado al Universo. Los gráficos, como el anterior, nos permiten describir el concepto físico de acción en la gravedad cuántica. Si escribimos todas las combinaciones posibles de tales gráficos y los sumamos, aplicando las mismas leyes, como la conservación del impulso que siempre aplicamos, podemos completar la analogía. La gravedad cuántica en una dimensión es muy parecida a una partícula individual que interactúa en cualquier cantidad de dimensiones.
La probabilidad de encontrar una partícula cuántica en cualquier ubicación particular nunca es del 100%; la probabilidad se extiende tanto en el espacio como en el tiempo. (Usuario de Wikimedia Commons Maschen)
El siguiente paso sería pasar de una dimensión espacial a 3 + 1 dimensiones: donde el Universo tiene tres dimensiones espaciales y una dimensión de tiempo. Pero esta "actualización" teórica de la gravedad puede ser muy desafiante. En cambio, podría haber un mejor enfoque, si elegimos trabajar en la dirección opuesta.
En lugar de calcular cómo se comporta una sola partícula (una entidad de dimensión cero) en cualquier cantidad de dimensiones, tal vez podríamos calcular cómo se comporta una cadena, ya sea abierta o cerrada (una entidad unidimensional). Y luego, a partir de eso, podemos buscar analogías a una teoría más completa de la gravedad cuántica en un número más realista de dimensiones.
Los diagramas de Feynman (arriba) están basados en partículas puntuales y sus interacciones. Convertirlos en sus análogos de teoría de cuerdas (abajo) da lugar a superficies que pueden tener una curvatura no trivial. (Phys. Today 68, 11, 38 (2015))
En lugar de puntos e interacciones, inmediatamente comenzaríamos a trabajar con superficies, membranas, etc. Una vez que tenga una superficie verdadera y multidimensional, esa superficie puede curvarse de formas no triviales. Comienzas a obtener un comportamiento muy interesante; comportamiento que podría estar en la raíz de la curvatura del espacio-tiempo que experimentamos en nuestro Universo como Relatividad General.
Mientras que la gravedad cuántica 1D nos dio la teoría del campo cuántico para las partículas en un espaciotiempo posiblemente curvo, no describió la gravitación en sí misma. ¿La pieza sutil del rompecabezas que faltaba? No hubo correspondencia entre los operadores, o las funciones que representan las fuerzas y propiedades mecánicas cuánticas, y los estados, o cómo las partículas y sus propiedades evolucionan con el tiempo. Esta correspondencia de "operador-estado" era un ingrediente necesario, pero faltante.
Pero si pasamos de partículas puntuales a entidades similares a cadenas, esa correspondencia aparece.
La deformación de la métrica de espacio-tiempo se puede representar mediante la fluctuación (etiquetada como 'p'), y si la aplica a los análogos de cadena, describe una fluctuación de espacio-tiempo y corresponde a un estado cuántico de la cadena. (Phys. Today 68, 11, 38 (2015))
Tan pronto como actualice partículas a cadenas, hay una correspondencia real entre el operador y el estado. Una fluctuación en la métrica espaciotemporal (es decir, un operador) representa automáticamente un estado en la descripción mecánica cuántica de las propiedades de una cadena. Entonces puedes obtener una teoría cuántica de la gravedad en el espacio-tiempo de la teoría de cuerdas.
Pero eso no es todo lo que obtienes: también obtienes la gravedad cuántica unificada con las otras partículas y fuerzas en el espacio-tiempo, las que corresponden a los otros operadores en la teoría de campo de la cuerda. También está el operador que describe las fluctuaciones de la geometría del espacio-tiempo y los otros estados cuánticos de la cadena. La noticia más importante sobre la teoría de cuerdas es que puede proporcionarle una teoría cuántica de la gravedad de trabajo.
Brian Greene presentando la Teoría de Cuerdas. (NASA / Goddard / Wade Sisler)
Eso no significa que sea una conclusión inevitable, sin embargo, que la teoría de cuerdas es el camino hacia la gravedad cuántica. La gran esperanza de la teoría de cuerdas es que estas analogías se mantendrán en todas las escalas, y que habrá un mapeo inequívoco, uno a uno, de la imagen de cuerda en el Universo que observamos a nuestro alrededor.
En este momento, hay solo unos pocos conjuntos de dimensiones en los que la imagen cadena / supercuerda es auto consistente, y la más prometedora no nos da la gravedad cuatridimensional de Einstein que describe nuestro Universo. En cambio, encontramos una teoría de la gravedad 10-dimensional de Brans-Dicke. Para recuperar la gravedad de nuestro Universo, debe "deshacerse" de seis dimensiones y tomar el parámetro de acoplamiento Brans-Dicke, ω, hasta el infinito.
Si ha oído hablar del término compactación en el contexto de la teoría de cuerdas, esa es la palabra que agita la mano para reconocer que debemos resolver estos acertijos. En este momento, muchas personas asumen que existe una solución completa y convincente a la necesidad de la compactación. Pero cómo obtienes la gravedad de Einstein y las dimensiones 3 + 1 de la teoría de 10 dimensiones de Brans-Dicke sigue siendo un desafío abierto para la teoría de cuerdas.
Una proyección bidimensional de una variedad Calabi-Yau, un método popular para compactar las dimensiones extra e indeseadas de la teoría de cuerdas. (Almuerzo de usuario de Wikimedia Commons)
La teoría de cuerdas ofrece un camino a la gravedad cuántica, que pocas alternativas realmente pueden igualar. Si tomamos las decisiones juiciosas de que "las matemáticas funcionan de esta manera", podemos obtener de ellas tanto la Relatividad general como el Modelo estándar. Es la única idea, hasta la fecha, que nos da esto, y es por eso que se persigue tan apasionadamente. No importa si promocionas los éxitos o fracasos de la teoría de cuerdas, o cómo te sientes acerca de su falta de predicciones verificables, sin duda seguirá siendo una de las áreas más activas de la investigación teórica de la física. En su núcleo, la teoría de cuerdas se destaca como la idea principal de los sueños de muchos físicos de una teoría fundamental.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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Comenzó con una explosión. . .
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
La idea de que en lugar de partículas de 0 dimensiones, sus cadenas de 1 dimensión que conforman fundamentalmente el Universo es el núcleo de la teoría de cuerdas. (usuario de flickr Trailfan)
Por Ethan Siegel, para Forbes Mayo 31 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas.
Es una de las ideas más brillantes, controvertidas y no probadas en toda la física: la teoría de cuerdas. En el corazón de la teoría de cuerdas está el hilo de una idea que recorre la física desde hace siglos, que en un nivel fundamental, todas las diferentes fuerzas, partículas, interacciones y manifestaciones de la realidad están unidas como parte del mismo marco. En lugar de cuatro fuerzas fundamentales independientes -fuertes, electromagnéticas, débiles y gravitacionales- existe una teoría unificada que las abarca a todas.
En muchos aspectos, la teoría de cuerdas es el mejor candidato para una teoría cuántica de la gravitación, que simplemente se une en las escalas de mayor energía. Aunque no hay evidencia experimental para ello, existen razones teóricas convincentes para pensar que podría ser cierto. En 2015, el principal teórico de cuerdas vivientes, Ed Witten, escribió un artículo sobre lo que todo físico debería saber sobre la teoría de cuerdas. Esto es lo que eso significa, incluso si no eres un físico.
La diferencia entre las interacciones estándar de la teoría de campo cuántica (L), para las partículas puntuales y las interacciones de la teoría de cuerdas (R), para las cadenas cerradas. (Usuario de Wikimedia Commons Kurochka)
Cuando se trata de las leyes de la naturaleza, es notable la cantidad de similitudes que existen entre los fenómenos aparentemente no relacionados. La estructura matemática subyacente a ellos es a menudo análoga, y ocasionalmente incluso idéntica. La forma en que dos cuerpos masivos gravitan, de acuerdo con las leyes de Newton, es casi idéntica a la forma en que las partículas cargadas eléctricamente atraen o repelen. La forma en que oscila un péndulo es completamente análoga a la forma en que una masa en un resorte se mueve hacia adelante y hacia atrás, o la forma en que un planeta orbita una estrella. Las ondas gravitacionales, las ondas de agua y las ondas de luz comparten características notablemente similares, a pesar de que provienen de orígenes físicos fundamentalmente diferentes. Y en la misma línea, aunque la mayoría no se da cuenta, la teoría cuántica de una sola partícula y cómo abordaría una teoría cuántica de la gravedad son análogamente similares.
Un diagrama de Feynman que representa la dispersión electrón-electrón, que requiere sumar todas las historias posibles de las interacciones partícula-partícula. (Dmitri Fedorov)
La forma en que funciona la teoría cuántica de campos es que tomas una partícula y realizas una "suma sobre historias" matemática. No se puede simplemente calcular dónde estaba la partícula y dónde está y cómo llegó allí, ya que hay una incertidumbre cuántica inherente y fundamental para la naturaleza. En cambio, se suman todas las formas posibles en que podría haber llegado a su estado actual (la parte de "historia pasada"
, adecuadamente ponderadas de forma probabilística, y luego se puede calcular el estado cuántico de una sola partícula.
Si quieres trabajar con gravitación en lugar de partículas cuánticas, tienes que cambiar la historia un poco. Debido a que la Relatividad General de Einstein no se ocupa de las partículas, sino de la curvatura del espacio-tiempo, no promedia todas las historias posibles de una partícula. En lugar de eso, promedia en cambio todas las geometrías de espacio-tiempo posibles.
La gravedad, gobernada por Einstein, y todo lo demás (interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas), gobernadas por la física cuántica, son las dos reglas independientes que se sabe que gobiernan todo en nuestro Universo. (SLAC National Accelerator Laboratory)
Trabajar en tres dimensiones espaciales es muy difícil, y cuando un problema de física es desafiante, a menudo intentamos y resolvemos primero una versión más simple. Si bajamos a una dimensión, las cosas se vuelven muy simples. Las únicas superficies unidimensionales posibles son una cuerda abierta, donde hay dos extremos separados, sin unir, o una cuerda cerrada, donde los dos extremos se unen para formar un bucle. Además, la curvatura espacial, tan complicada en tres dimensiones, se vuelve trivial. Entonces, lo que nos queda, si queremos agregar en la materia, es un conjunto de campos escalares (al igual que ciertos tipos de partículas) y la constante cosmológica (que actúa como un término de masa): una hermosa analogía.
Los grados adicionales de libertad que una partícula obtiene al estar en múltiples dimensiones no juegan un papel importante; siempre que pueda definir un vector de momento, esa es la dimensión principal que importa. En una dimensión, por lo tanto, la gravedad cuántica se ve como una partícula cuántica libre en cualquier cantidad arbitraria de dimensiones.
Un gráfico con vértices trivalentes es un componente clave para construir la integral de trayectoria relevante para la gravedad cuántica 1-D. (Phys. Today 68, 11, 38 (2015))
El siguiente paso es incorporar interacciones y pasar de una partícula libre sin amplitudes de dispersión o secciones transversales a una que pueda desempeñar un papel físico, acoplado al Universo. Los gráficos, como el anterior, nos permiten describir el concepto físico de acción en la gravedad cuántica. Si escribimos todas las combinaciones posibles de tales gráficos y los sumamos, aplicando las mismas leyes, como la conservación del impulso que siempre aplicamos, podemos completar la analogía. La gravedad cuántica en una dimensión es muy parecida a una partícula individual que interactúa en cualquier cantidad de dimensiones.
La probabilidad de encontrar una partícula cuántica en cualquier ubicación particular nunca es del 100%; la probabilidad se extiende tanto en el espacio como en el tiempo. (Usuario de Wikimedia Commons Maschen)
El siguiente paso sería pasar de una dimensión espacial a 3 + 1 dimensiones: donde el Universo tiene tres dimensiones espaciales y una dimensión de tiempo. Pero esta "actualización" teórica de la gravedad puede ser muy desafiante. En cambio, podría haber un mejor enfoque, si elegimos trabajar en la dirección opuesta.
En lugar de calcular cómo se comporta una sola partícula (una entidad de dimensión cero) en cualquier cantidad de dimensiones, tal vez podríamos calcular cómo se comporta una cadena, ya sea abierta o cerrada (una entidad unidimensional). Y luego, a partir de eso, podemos buscar analogías a una teoría más completa de la gravedad cuántica en un número más realista de dimensiones.
Los diagramas de Feynman (arriba) están basados en partículas puntuales y sus interacciones. Convertirlos en sus análogos de teoría de cuerdas (abajo) da lugar a superficies que pueden tener una curvatura no trivial. (Phys. Today 68, 11, 38 (2015))
En lugar de puntos e interacciones, inmediatamente comenzaríamos a trabajar con superficies, membranas, etc. Una vez que tenga una superficie verdadera y multidimensional, esa superficie puede curvarse de formas no triviales. Comienzas a obtener un comportamiento muy interesante; comportamiento que podría estar en la raíz de la curvatura del espacio-tiempo que experimentamos en nuestro Universo como Relatividad General.
Mientras que la gravedad cuántica 1D nos dio la teoría del campo cuántico para las partículas en un espaciotiempo posiblemente curvo, no describió la gravitación en sí misma. ¿La pieza sutil del rompecabezas que faltaba? No hubo correspondencia entre los operadores, o las funciones que representan las fuerzas y propiedades mecánicas cuánticas, y los estados, o cómo las partículas y sus propiedades evolucionan con el tiempo. Esta correspondencia de "operador-estado" era un ingrediente necesario, pero faltante.
Pero si pasamos de partículas puntuales a entidades similares a cadenas, esa correspondencia aparece.
La deformación de la métrica de espacio-tiempo se puede representar mediante la fluctuación (etiquetada como 'p'), y si la aplica a los análogos de cadena, describe una fluctuación de espacio-tiempo y corresponde a un estado cuántico de la cadena. (Phys. Today 68, 11, 38 (2015))
Tan pronto como actualice partículas a cadenas, hay una correspondencia real entre el operador y el estado. Una fluctuación en la métrica espaciotemporal (es decir, un operador) representa automáticamente un estado en la descripción mecánica cuántica de las propiedades de una cadena. Entonces puedes obtener una teoría cuántica de la gravedad en el espacio-tiempo de la teoría de cuerdas.
Pero eso no es todo lo que obtienes: también obtienes la gravedad cuántica unificada con las otras partículas y fuerzas en el espacio-tiempo, las que corresponden a los otros operadores en la teoría de campo de la cuerda. También está el operador que describe las fluctuaciones de la geometría del espacio-tiempo y los otros estados cuánticos de la cadena. La noticia más importante sobre la teoría de cuerdas es que puede proporcionarle una teoría cuántica de la gravedad de trabajo.
Brian Greene presentando la Teoría de Cuerdas. (NASA / Goddard / Wade Sisler)
Eso no significa que sea una conclusión inevitable, sin embargo, que la teoría de cuerdas es el camino hacia la gravedad cuántica. La gran esperanza de la teoría de cuerdas es que estas analogías se mantendrán en todas las escalas, y que habrá un mapeo inequívoco, uno a uno, de la imagen de cuerda en el Universo que observamos a nuestro alrededor.
En este momento, hay solo unos pocos conjuntos de dimensiones en los que la imagen cadena / supercuerda es auto consistente, y la más prometedora no nos da la gravedad cuatridimensional de Einstein que describe nuestro Universo. En cambio, encontramos una teoría de la gravedad 10-dimensional de Brans-Dicke. Para recuperar la gravedad de nuestro Universo, debe "deshacerse" de seis dimensiones y tomar el parámetro de acoplamiento Brans-Dicke, ω, hasta el infinito.
Si ha oído hablar del término compactación en el contexto de la teoría de cuerdas, esa es la palabra que agita la mano para reconocer que debemos resolver estos acertijos. En este momento, muchas personas asumen que existe una solución completa y convincente a la necesidad de la compactación. Pero cómo obtienes la gravedad de Einstein y las dimensiones 3 + 1 de la teoría de 10 dimensiones de Brans-Dicke sigue siendo un desafío abierto para la teoría de cuerdas.
Una proyección bidimensional de una variedad Calabi-Yau, un método popular para compactar las dimensiones extra e indeseadas de la teoría de cuerdas. (Almuerzo de usuario de Wikimedia Commons)
La teoría de cuerdas ofrece un camino a la gravedad cuántica, que pocas alternativas realmente pueden igualar. Si tomamos las decisiones juiciosas de que "las matemáticas funcionan de esta manera", podemos obtener de ellas tanto la Relatividad general como el Modelo estándar. Es la única idea, hasta la fecha, que nos da esto, y es por eso que se persigue tan apasionadamente. No importa si promocionas los éxitos o fracasos de la teoría de cuerdas, o cómo te sientes acerca de su falta de predicciones verificables, sin duda seguirá siendo una de las áreas más activas de la investigación teórica de la física. En su núcleo, la teoría de cuerdas se destaca como la idea principal de los sueños de muchos físicos de una teoría fundamental.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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