La Física de un físico reflexiona sobre la naturaleza de la realidad
Edward Witten en su oficina en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey. Crédito de la imagen: JEAN SWEEP / QUANTA MAGAZINE
Entre los teóricos de BRILLANTE enclaustrados en el tranquilo campus de madera del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, Edward Witten se destaca como una especie de sumo sacerdote. El único físico que ha ganado la Medalla Fields, primer premio de matemáticas, Witten también es conocido por descubrir la teoría M, el principal candidato para una "teoría de todo" física unificada. El genio de un genio, Witten es alto y rectangular, con brumoso ojos y un aire de estar solo un cuarto sintonizados con la realidad hasta que alguien lo aleja de pensamientos más abstractos.
Durante una visita de este otoño, vi a Witten en el césped central del Instituto y solicité una entrevista; en su voz rápida y alta, dijo que no podía prometerme que podría responder mis preguntas, pero que lo intentaría. Más tarde, cuando lo crucé por los senderos de piedra, a menudo no parecía verme.
Las luminarias de la física desde Albert Einstein, que vivió sus días en el mismo refugio intelectual, han buscado unificar la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza encontrando una teoría cuántica más fundamental para reemplazar la imagen aproximada de Einstein de la gravedad como curvas en la geometría del espacio hora. La teoría M, que Witten propuso en 1995, podría ofrecer esta descripción más profunda, pero solo se conocen algunos aspectos de la teoría. La teoría M incorpora dentro de una única estructura matemática las cinco versiones de la teoría de cuerdas, que convierte a los elementos de la naturaleza en minúsculas cuerdas vibratorias. Estas cinco teorías de cuerdas se conectan entre sí a través de "dualidades" o equivalencias matemáticas. En los últimos 30 años, Witten y otros han aprendido que las teorías de cuerdas también son matemáticamente duales a teorías cuánticas de campos: descripciones de partículas que se mueven a través de campos electromagnéticos y otros que sirven como lenguaje del "Modelo Estándar" reinante de la física de partículas. Si bien es mejor conocido como teórico de cuerdas, Witten ha descubierto muchas nuevas teorías cuánticas de campo y ha explorado cómo están conectadas todas estas descripciones diferentes. Sus conocimientos físicos han llevado una y otra vez a profundos descubrimientos matemáticos.
Los investigadores estudian minuciosamente su trabajo y esperan que se interese por ellos. Pero a pesar de toda su influencia académica, Witten, que tiene 66 años, a menudo no difunde sus opiniones sobre las implicaciones de los descubrimientos teóricos modernos. Incluso sus colegas cercanos con entusiasmo sugirieron preguntas que querían que le hiciera.
Cuando llegué a su oficina a la hora señalada en un verano veraniego el mes pasado, Witten no estaba allí. Su puerta estaba entreabierta. Los papeles cubrían su mesa de café y su escritorio, no pilas, sino inundaciones: texto orientado en todas direcciones, algunas páginas cerca de derramarse en el piso. (Los documentos de investigación se pierden en la vorágine cuando termina con ellos, explicó más tarde, y de vez en cuando arroja los montones de distancia.) Dos niñas sonrieron desde una foto enmarcada en un estante; las obras de arte de los niños decoraban las paredes, una celebrando el día de los abuelos. Cuando Witten llegó minutos después, hablamos durante una hora y media sobre el significado de las dualidades en física y matemática, las perspectivas actuales de la teoría M, lo que está leyendo, lo que está buscando y la naturaleza de la realidad. La entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
Los físicos están hablando más que nunca sobre dualidades, pero los has estado estudiando durante décadas. ¿Por qué te interesa el tema?
La gente sigue encontrando nuevas facetas de dualidades. Las dualidades son interesantes porque responden con frecuencia a preguntas que, de otro modo, estarían fuera de su alcance. Por ejemplo, es posible que haya pasado años analizando una teoría cuántica y que comprenda lo que sucede cuando los efectos cuánticos son pequeños, pero los libros de texto no le dicen lo que usted hace si los efectos cuánticos son grandes; generalmente estás en problemas si quieres saber eso. Frecuentemente las dualidades responden a tales preguntas. Le dan otra descripción, y las preguntas que puede responder en una descripción son diferentes a las preguntas que puede responder en una descripción diferente.
¿Cuáles son algunas de estas facetas recién descubiertas de las dualidades?
Es abierto porque hay muchos tipos diferentes de dualidades. Hay dualidades entre una teoría de gauge (una teoría, como la teoría cuántica de campos, que respeta ciertas simetrías) y otra teoría gauge, o entre una teoría de cuerdas para acoplamiento débil (que describe cadenas que se mueven casi independientemente una de la otra) y una cadena teoría para el acoplamiento fuerte. Luego está la dualidad AdS / CFT, entre una teoría de gauge y una descripción gravitacional. Esa dualidad fue descubierta hace 20 años, y es sorprendente en qué medida sigue siendo fructífera. Y eso es en gran parte porque hace unos 10 años, se introdujeron nuevas ideas que lo rejuvenecieron. La gente tenía nuevos conocimientos acerca de la entropía en la teoría de campos cuánticos, la historia completa sobre "esto de qubit".
Esa es la idea de que el espacio-tiempo y todo lo que contiene emerge como un holograma de información almacenada en los estados cuánticos enredados de las partículas.
Sí. Luego hay dualidades en matemáticas, que a veces se pueden interpretar físicamente como consecuencias de dualidades entre dos teorías cuánticas de campo. Hay tantas maneras en que estas cosas están interconectadas que cualquier declaración simple que intento hacer sobre la marcha, tan pronto como lo digo me doy cuenta de que no capturó toda la realidad. Tienes que imaginar una red de relaciones diferentes, donde la misma física tiene diferentes descripciones, revelando diferentes propiedades. En el caso más simple, solo hay dos descripciones importantes, y eso podría ser suficiente. Si me preguntas sobre un ejemplo más complicado, podría haber muchos, muchos diferentes.
Dada esta red de relaciones y la cuestión de lo difícil que es caracterizar toda la dualidad, ¿cree que esto refleja una falta de comprensión de la estructura, o es que estamos viendo la estructura, solo que es muy complicado?
No estoy seguro de lo que deberíamos esperar. Tradicionalmente, la teoría de campos cuánticos se construyó comenzando con la imagen clásica (de un campo uniforme) y luego cuantificándola. Ahora hemos aprendido que hay muchas cosas que suceden que esa descripción no hace justicia. Y la misma teoría cuántica puede provenir de diferentes teorías clásicas. Ahora, Nati Seiberg (un físico teórico que trabaja en el pasillo) posiblemente le dirá que tiene fe en que hay una mejor formulación de la teoría cuántica de campos que no conocemos y que aclararía todo. No estoy seguro de cuánto deberías esperar que exista. Eso sería un sueño, pero podría ser demasiado para esperar; Realmente no lo sé
Hay otro hecho curioso que tal vez desee considerar, que es que la teoría cuántica de campos es muy central para la física, y en realidad también es claramente muy importante para las matemáticas. Pero es extremadamente difícil para los matemáticos estudiar; la forma en que los físicos la definen es muy difícil para los matemáticos seguir con una teoría rigurosa. Eso es extremadamente extraño, que el mundo se basa tanto en una estructura matemática que es tan difícil.
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
¿Cuál ves como la relación entre matemática y física?
Prefiero no darte una respuesta cósmica sino comentar dónde estamos ahora. La física en la teoría de campos cuánticos y la teoría de cuerdas de alguna manera tiene muchos secretos matemáticos, que no sabemos cómo extraer de manera sistemática. Los físicos pueden inventar cosas que sorprenden a los matemáticos. Debido a que es difícil describir matemáticamente en la formulación conocida, las cosas que aprendes sobre la teoría de campos cuánticos tienes que aprender de la física.
Me cuesta creer que haya una nueva formulación que sea universal. Creo que es demasiado esperar. Podría señalar teorías donde el enfoque estándar realmente parece inadecuado, por lo que al menos para esas clases de teorías cuánticas de campo, se podría esperar una nueva formulación. Pero realmente no puedo imaginar lo que sería.
No puedes imaginarlo en absoluto?
No, no puedo. Tradicionalmente se pensaba que la teoría del campo cuántico interactuante no podía existir por encima de cuatro dimensiones, y estaba el hecho interesante de que esa es la dimensión en la que vivimos. Pero uno de los vástagos de las dualidades de cuerdas de la década de 1990 fue que se descubrió que las teorías de campo existen en realidad en cinco y seis dimensiones. Y es sorprendente lo mucho que se sabe sobre sus propiedades.
He oído hablar de la teoría misteriosa (2,0), una teoría de campo cuántico que describe partículas en seis dimensiones, que es dual a la teoría M que describe cadenas y gravedad en el espacio AdS de siete dimensiones. ¿Esta (2,0) teoría juega un papel importante en la red de dualidades?
Sí, ese es el pináculo. En términos de teoría cuántica de campos convencional sin gravedad, no hay nada parecido a ella por encima de seis dimensiones. A partir de la (2.0) existencia de la teoría y las propiedades principales, se puede deducir una cantidad increíble de lo que sucede en las dimensiones inferiores. Una cantidad enorme de dualidades importantes en cuatro dimensiones y menos se siguen de esta teoría de seis dimensiones y sus propiedades. Sin embargo, mientras que lo que sabemos sobre la teoría cuántica de campos normalmente proviene de la cuantificación de una teoría de campo clásica, no existe un punto de partida clásico razonable de la teoría (2,0). La teoría (2,0) tiene propiedades (como combinaciones de simetrías) que parecen imposibles cuando escuchas por primera vez sobre ellas. Entonces puedes preguntar por qué existen las dualidades, pero también puedes preguntar por qué hay una teoría 6-D con tales y tales propiedades. Esto me parece una reformulación más fundamental.
A veces, las dualidades hacen que sea difícil mantener una idea de lo que es real en el mundo, dado que existen formas radicalmente diferentes de describir un solo sistema. ¿Cómo describirías lo que es real o fundamental?
¿Qué aspecto de lo que realmente te interesa? ¿Qué significa que existimos? ¿O cómo encajamos en nuestras descripciones matemáticas?
Ultimamente.
Bueno, una cosa que te diré es que, en general, cuando tienes dualidades, las cosas que son fáciles de ver en una descripción pueden ser difíciles de ver en la otra descripción. Entonces, usted y yo, por ejemplo, somos bastante simples de describir en el enfoque habitual de la física desarrollado por Newton y sus sucesores. Pero si hay una descripción dual radicalmente diferente del mundo real, tal vez algunas cosas de las que los físicos se preocupan serían más claras, pero la doble descripción podría ser una en la que la vida cotidiana sería difícil de describir.
¿Qué dirías sobre la perspectiva de una idea aún más optimista de que podría haber una única descripción de gravedad cuántica que realmente te ayude en todos los casos en el mundo real?
Bueno, desafortunadamente, incluso si es correcto, no puedo garantizar que sea útil. Parte de lo que hace que sea difícil ayudar es que la descripción que tenemos ahora, aunque no sea completa, explica mucho. Por lo tanto, es un poco difícil de decir, incluso si tuviera una descripción realmente mejor o una descripción más completa, ya sea que lo ayude en la práctica.
¿Estás hablando de la teoría M?
La teoría M es el candidato para la mejor descripción.
Usted propuso la teoría M hace 22 años. ¿Cuáles son sus perspectivas hoy?
Personalmente, pensé que era extremadamente claro que existía hace 22 años, pero el nivel de confianza debe ser mucho mayor hoy porque AdS / CFT nos ha dado definiciones precisas, al menos en las geometrías espacio-temporales de AdS. Creo que nuestra comprensión de lo que es, sin embargo, todavía es muy confusa. AdS / CFT y lo que venga de ahí es la nueva perspectiva principal en comparación con hace 22 años, pero creo que es perfectamente posible que AdS / CFT sea solo una cara de una historia multifacética. Puede haber otras facetas igualmente importantes.
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
¿Qué es un ejemplo de otra cosa que podríamos necesitar?
Tal vez una descripción masiva de las propiedades cuánticas del espacio-tiempo en sí, en lugar de una descripción de frontera holográfica. No ha habido mucho progreso en mucho tiempo para obtener una mejor descripción general. Y creo que eso podría deberse a que la respuesta es de un tipo diferente al que estamos acostumbrados. Esa sería mi suposición.
¿Estás dispuesto a especular sobre cómo sería diferente?
Realmente dudo que pueda decir algo útil. Supongo que sospecho que hay una capa extra de abstracción en comparación con lo que estamos acostumbrados. Tiendo a pensar que no hay una descripción cuántica precisa del espacio-tiempo, excepto en los tipos de situaciones en las que sabemos que las hay, como en el espacio AdS. Tiendo a pensar, de lo contrario, las cosas son un poco más oscuras que una descripción cuántica exacta. Pero no puedo decir nada útil.
La otra noche estaba leyendo un viejo ensayo del físico de Princeton del siglo XX John Wheeler. Él era un visionario, sin duda. Si tomas literalmente lo que dice, es irremediablemente vago. Y, por lo tanto, si hubiera leído este ensayo hace 30 años, que podría haber hecho, lo habría rechazado por ser tan vago que no podría trabajar en él, incluso si estaba en el camino correcto.
Te refieres a Information, Physics, Quantum, el ensayo de Wheeler de 1989 que plantea la idea de que el universo físico surge de la información, a la que denominó "de un bocado". ¿Por qué lo leías?
Estoy tratando de aprender acerca de lo que la gente está tratando de decir con la frase "qubit". Wheeler habló sobre "it from bit", pero debes recordar que este ensayo fue escrito probablemente antes de que se acuñara el término "qubit". y ciertamente antes estaba en amplia vigencia. Al leerlo, realmente creo que estaba hablando de qubits, no de bits, por lo que "it from qubit" es en realidad una traducción moderna.
No espere que pueda decirle algo útil al respecto, sobre si tenía razón. Cuando yo era un estudiante graduado principiante, tuvieron una serie de conferencias de los profesores sobre los nuevos estudiantes sobre investigación teórica, y una de las personas que dieron tal conferencia fue Wheeler. Dibujó una imagen en la pizarra del universo visualizada como un ojo mirándose a sí mismo. No tenía idea de lo que estaba hablando. En retrospectiva, es obvio que estaba explicando qué significaba hablar de mecánica cuántica cuando el observador es parte del sistema cuántico. Me imagino que hay algo que no entendemos sobre eso.
Observar un sistema cuántico lo cambia irreversiblemente, creando una distinción entre el pasado y el futuro. Entonces, el problema del observador parece estar relacionado con la cuestión del tiempo, que tampoco entendemos. Con la dualidad AdS / CFT, hemos aprendido que las nuevas dimensiones espaciales pueden aparecer como un holograma a partir de información cuántica en el límite. ¿Crees que el tiempo también es emergente, que surge de una descripción completa intemporal?
Tiendo a suponer que el espacio-tiempo y todo lo que contiene son en cierto sentido emergentes. Por cierto, seguramente encontrará que eso es lo que Wheeler esperaba en su ensayo. Como leerás, pensó que el continuo era incorrecto tanto en física como en matemáticas. No creía que la descripción microscópica del espacio-tiempo de una persona usara un continuo de ningún tipo, ni un continuo de espacio ni un continuo de tiempo, ni siquiera un continuo de números reales. En el espacio y el tiempo, simpatizo con eso. En cuanto a los números reales, debo alegar ignorancia o agnosticismo. Es algo de lo que me pregunto, pero traté de imaginar lo que podría significar no usar el continuo de números reales, y el único lógico con el que intenté discutirlo no me ayudó.
¿Consideras que Wheeler es un héroe?
Yo no lo llamaría héroe, necesariamente, no. Realmente solo me llamó la atención lo que quiso decir con "it from bit" y con lo que estaba diciendo. Definitivamente tenía ideas visionarias, pero estaban demasiado adelantadas a su tiempo. Creo que fui más paciente al leer un ensayo vago pero inspirador de lo que podría haber sido hace 20 años. También obtuvo aproximadamente 100 referencias que suenan interesantes en ese ensayo. Si decides leerlos todos, tendrías que pasar semanas haciéndolo. Podría decidir mirar algunos de ellos.
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
¿Por qué tienes más paciencia ahora?
Creo que cuando era más joven siempre pensé que lo siguiente que hice podría ser lo mejor de mi vida. Pero en este momento de la vida estoy menos persuadido de eso. Si pierdo un poco de tiempo leyendo el ensayo de alguien, no parece tan malo.
¿Alguna vez te distraes de la física y las matemáticas?
Mi pasatiempo favorito es el tenis. Soy un jugador de tenis muy promedio pero entusiasta.
En contraste con Wheeler, parece que su estilo de trabajo es llegar a las ideas a través de los cálculos, en lugar de perseguir una visión vaga.
En mi carrera, solo he podido dar pequeños saltos. Saltos relativamente pequeños. De lo que Wheeler estaba hablando fue un salto enorme. Y dice al comienzo del ensayo que no tiene idea de si esto llevará 10, 100 o 1,000 años.
Y él estaba hablando acerca de cómo la física surge de la información.
Sí. La forma en que lo expresa es más amplio: quiere explicar el significado de la existencia. Por eso pensé que me preguntabas si quería explicar el significado de la existencia.
Ya veo. ¿Tiene alguna hipótesis?
No. Él solo habla de cosas que no debes hacer y de cosas que debes hacer para tratar de llegar a una descripción más fundamental de la física.
¿Tienes alguna idea sobre el significado de la existencia?
No. (Lo dice riendo)
Corrección: este artículo fue actualizado el 29 de noviembre de 2017, para aclarar que la teoría M es el principal candidato para una teoría unificada de todo. Se han propuesto otras ideas que también pretenden unificar las fuerzas fundamentales.
Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al cubrir los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.
With a little help from Google Translate for Business:
Edward Witten en su oficina en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey. Crédito de la imagen: JEAN SWEEP / QUANTA MAGAZINE
Entre los teóricos de BRILLANTE enclaustrados en el tranquilo campus de madera del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, Edward Witten se destaca como una especie de sumo sacerdote. El único físico que ha ganado la Medalla Fields, primer premio de matemáticas, Witten también es conocido por descubrir la teoría M, el principal candidato para una "teoría de todo" física unificada. El genio de un genio, Witten es alto y rectangular, con brumoso ojos y un aire de estar solo un cuarto sintonizados con la realidad hasta que alguien lo aleja de pensamientos más abstractos.
Durante una visita de este otoño, vi a Witten en el césped central del Instituto y solicité una entrevista; en su voz rápida y alta, dijo que no podía prometerme que podría responder mis preguntas, pero que lo intentaría. Más tarde, cuando lo crucé por los senderos de piedra, a menudo no parecía verme.
Las luminarias de la física desde Albert Einstein, que vivió sus días en el mismo refugio intelectual, han buscado unificar la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza encontrando una teoría cuántica más fundamental para reemplazar la imagen aproximada de Einstein de la gravedad como curvas en la geometría del espacio hora. La teoría M, que Witten propuso en 1995, podría ofrecer esta descripción más profunda, pero solo se conocen algunos aspectos de la teoría. La teoría M incorpora dentro de una única estructura matemática las cinco versiones de la teoría de cuerdas, que convierte a los elementos de la naturaleza en minúsculas cuerdas vibratorias. Estas cinco teorías de cuerdas se conectan entre sí a través de "dualidades" o equivalencias matemáticas. En los últimos 30 años, Witten y otros han aprendido que las teorías de cuerdas también son matemáticamente duales a teorías cuánticas de campos: descripciones de partículas que se mueven a través de campos electromagnéticos y otros que sirven como lenguaje del "Modelo Estándar" reinante de la física de partículas. Si bien es mejor conocido como teórico de cuerdas, Witten ha descubierto muchas nuevas teorías cuánticas de campo y ha explorado cómo están conectadas todas estas descripciones diferentes. Sus conocimientos físicos han llevado una y otra vez a profundos descubrimientos matemáticos.
Los investigadores estudian minuciosamente su trabajo y esperan que se interese por ellos. Pero a pesar de toda su influencia académica, Witten, que tiene 66 años, a menudo no difunde sus opiniones sobre las implicaciones de los descubrimientos teóricos modernos. Incluso sus colegas cercanos con entusiasmo sugirieron preguntas que querían que le hiciera.
Cuando llegué a su oficina a la hora señalada en un verano veraniego el mes pasado, Witten no estaba allí. Su puerta estaba entreabierta. Los papeles cubrían su mesa de café y su escritorio, no pilas, sino inundaciones: texto orientado en todas direcciones, algunas páginas cerca de derramarse en el piso. (Los documentos de investigación se pierden en la vorágine cuando termina con ellos, explicó más tarde, y de vez en cuando arroja los montones de distancia.) Dos niñas sonrieron desde una foto enmarcada en un estante; las obras de arte de los niños decoraban las paredes, una celebrando el día de los abuelos. Cuando Witten llegó minutos después, hablamos durante una hora y media sobre el significado de las dualidades en física y matemática, las perspectivas actuales de la teoría M, lo que está leyendo, lo que está buscando y la naturaleza de la realidad. La entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
Los físicos están hablando más que nunca sobre dualidades, pero los has estado estudiando durante décadas. ¿Por qué te interesa el tema?
La gente sigue encontrando nuevas facetas de dualidades. Las dualidades son interesantes porque responden con frecuencia a preguntas que, de otro modo, estarían fuera de su alcance. Por ejemplo, es posible que haya pasado años analizando una teoría cuántica y que comprenda lo que sucede cuando los efectos cuánticos son pequeños, pero los libros de texto no le dicen lo que usted hace si los efectos cuánticos son grandes; generalmente estás en problemas si quieres saber eso. Frecuentemente las dualidades responden a tales preguntas. Le dan otra descripción, y las preguntas que puede responder en una descripción son diferentes a las preguntas que puede responder en una descripción diferente.
¿Cuáles son algunas de estas facetas recién descubiertas de las dualidades?
Es abierto porque hay muchos tipos diferentes de dualidades. Hay dualidades entre una teoría de gauge (una teoría, como la teoría cuántica de campos, que respeta ciertas simetrías) y otra teoría gauge, o entre una teoría de cuerdas para acoplamiento débil (que describe cadenas que se mueven casi independientemente una de la otra) y una cadena teoría para el acoplamiento fuerte. Luego está la dualidad AdS / CFT, entre una teoría de gauge y una descripción gravitacional. Esa dualidad fue descubierta hace 20 años, y es sorprendente en qué medida sigue siendo fructífera. Y eso es en gran parte porque hace unos 10 años, se introdujeron nuevas ideas que lo rejuvenecieron. La gente tenía nuevos conocimientos acerca de la entropía en la teoría de campos cuánticos, la historia completa sobre "esto de qubit".
La dualidad AdS / CFT conecta una teoría de la gravedad en una región espacio-temporal llamada espacio anti-De Sitter (que se curva de forma diferente a nuestro universo) a una teoría cuántica de campo equivalente que describe el límite libre de gravedad de esa región. Todo lo que hay que saber sobre el espacio AdS, a menudo llamado "bulk" ya que es la región de mayor dimensión, está codificado, como en un holograma, en interacciones cuánticas entre partículas en el límite de dimensión inferior. Por lo tanto, AdS / CFT proporciona a los físicos una comprensión "holográfica" de la naturaleza cuántica de la gravedad.
Esa es la idea de que el espacio-tiempo y todo lo que contiene emerge como un holograma de información almacenada en los estados cuánticos enredados de las partículas.
Sí. Luego hay dualidades en matemáticas, que a veces se pueden interpretar físicamente como consecuencias de dualidades entre dos teorías cuánticas de campo. Hay tantas maneras en que estas cosas están interconectadas que cualquier declaración simple que intento hacer sobre la marcha, tan pronto como lo digo me doy cuenta de que no capturó toda la realidad. Tienes que imaginar una red de relaciones diferentes, donde la misma física tiene diferentes descripciones, revelando diferentes propiedades. En el caso más simple, solo hay dos descripciones importantes, y eso podría ser suficiente. Si me preguntas sobre un ejemplo más complicado, podría haber muchos, muchos diferentes.
Dada esta red de relaciones y la cuestión de lo difícil que es caracterizar toda la dualidad, ¿cree que esto refleja una falta de comprensión de la estructura, o es que estamos viendo la estructura, solo que es muy complicado?
No estoy seguro de lo que deberíamos esperar. Tradicionalmente, la teoría de campos cuánticos se construyó comenzando con la imagen clásica (de un campo uniforme) y luego cuantificándola. Ahora hemos aprendido que hay muchas cosas que suceden que esa descripción no hace justicia. Y la misma teoría cuántica puede provenir de diferentes teorías clásicas. Ahora, Nati Seiberg (un físico teórico que trabaja en el pasillo) posiblemente le dirá que tiene fe en que hay una mejor formulación de la teoría cuántica de campos que no conocemos y que aclararía todo. No estoy seguro de cuánto deberías esperar que exista. Eso sería un sueño, pero podría ser demasiado para esperar; Realmente no lo sé
Hay otro hecho curioso que tal vez desee considerar, que es que la teoría cuántica de campos es muy central para la física, y en realidad también es claramente muy importante para las matemáticas. Pero es extremadamente difícil para los matemáticos estudiar; la forma en que los físicos la definen es muy difícil para los matemáticos seguir con una teoría rigurosa. Eso es extremadamente extraño, que el mundo se basa tanto en una estructura matemática que es tan difícil.
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
¿Cuál ves como la relación entre matemática y física?
Prefiero no darte una respuesta cósmica sino comentar dónde estamos ahora. La física en la teoría de campos cuánticos y la teoría de cuerdas de alguna manera tiene muchos secretos matemáticos, que no sabemos cómo extraer de manera sistemática. Los físicos pueden inventar cosas que sorprenden a los matemáticos. Debido a que es difícil describir matemáticamente en la formulación conocida, las cosas que aprendes sobre la teoría de campos cuánticos tienes que aprender de la física.
Me cuesta creer que haya una nueva formulación que sea universal. Creo que es demasiado esperar. Podría señalar teorías donde el enfoque estándar realmente parece inadecuado, por lo que al menos para esas clases de teorías cuánticas de campo, se podría esperar una nueva formulación. Pero realmente no puedo imaginar lo que sería.
No puedes imaginarlo en absoluto?
No, no puedo. Tradicionalmente se pensaba que la teoría del campo cuántico interactuante no podía existir por encima de cuatro dimensiones, y estaba el hecho interesante de que esa es la dimensión en la que vivimos. Pero uno de los vástagos de las dualidades de cuerdas de la década de 1990 fue que se descubrió que las teorías de campo existen en realidad en cinco y seis dimensiones. Y es sorprendente lo mucho que se sabe sobre sus propiedades.
He oído hablar de la teoría misteriosa (2,0), una teoría de campo cuántico que describe partículas en seis dimensiones, que es dual a la teoría M que describe cadenas y gravedad en el espacio AdS de siete dimensiones. ¿Esta (2,0) teoría juega un papel importante en la red de dualidades?
Sí, ese es el pináculo. En términos de teoría cuántica de campos convencional sin gravedad, no hay nada parecido a ella por encima de seis dimensiones. A partir de la (2.0) existencia de la teoría y las propiedades principales, se puede deducir una cantidad increíble de lo que sucede en las dimensiones inferiores. Una cantidad enorme de dualidades importantes en cuatro dimensiones y menos se siguen de esta teoría de seis dimensiones y sus propiedades. Sin embargo, mientras que lo que sabemos sobre la teoría cuántica de campos normalmente proviene de la cuantificación de una teoría de campo clásica, no existe un punto de partida clásico razonable de la teoría (2,0). La teoría (2,0) tiene propiedades (como combinaciones de simetrías) que parecen imposibles cuando escuchas por primera vez sobre ellas. Entonces puedes preguntar por qué existen las dualidades, pero también puedes preguntar por qué hay una teoría 6-D con tales y tales propiedades. Esto me parece una reformulación más fundamental.
A veces, las dualidades hacen que sea difícil mantener una idea de lo que es real en el mundo, dado que existen formas radicalmente diferentes de describir un solo sistema. ¿Cómo describirías lo que es real o fundamental?
¿Qué aspecto de lo que realmente te interesa? ¿Qué significa que existimos? ¿O cómo encajamos en nuestras descripciones matemáticas?
Ultimamente.
Bueno, una cosa que te diré es que, en general, cuando tienes dualidades, las cosas que son fáciles de ver en una descripción pueden ser difíciles de ver en la otra descripción. Entonces, usted y yo, por ejemplo, somos bastante simples de describir en el enfoque habitual de la física desarrollado por Newton y sus sucesores. Pero si hay una descripción dual radicalmente diferente del mundo real, tal vez algunas cosas de las que los físicos se preocupan serían más claras, pero la doble descripción podría ser una en la que la vida cotidiana sería difícil de describir.
¿Qué dirías sobre la perspectiva de una idea aún más optimista de que podría haber una única descripción de gravedad cuántica que realmente te ayude en todos los casos en el mundo real?
Bueno, desafortunadamente, incluso si es correcto, no puedo garantizar que sea útil. Parte de lo que hace que sea difícil ayudar es que la descripción que tenemos ahora, aunque no sea completa, explica mucho. Por lo tanto, es un poco difícil de decir, incluso si tuviera una descripción realmente mejor o una descripción más completa, ya sea que lo ayude en la práctica.
¿Estás hablando de la teoría M?
La teoría M es el candidato para la mejor descripción.
Usted propuso la teoría M hace 22 años. ¿Cuáles son sus perspectivas hoy?
Personalmente, pensé que era extremadamente claro que existía hace 22 años, pero el nivel de confianza debe ser mucho mayor hoy porque AdS / CFT nos ha dado definiciones precisas, al menos en las geometrías espacio-temporales de AdS. Creo que nuestra comprensión de lo que es, sin embargo, todavía es muy confusa. AdS / CFT y lo que venga de ahí es la nueva perspectiva principal en comparación con hace 22 años, pero creo que es perfectamente posible que AdS / CFT sea solo una cara de una historia multifacética. Puede haber otras facetas igualmente importantes.
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
¿Qué es un ejemplo de otra cosa que podríamos necesitar?
Tal vez una descripción masiva de las propiedades cuánticas del espacio-tiempo en sí, en lugar de una descripción de frontera holográfica. No ha habido mucho progreso en mucho tiempo para obtener una mejor descripción general. Y creo que eso podría deberse a que la respuesta es de un tipo diferente al que estamos acostumbrados. Esa sería mi suposición.
¿Estás dispuesto a especular sobre cómo sería diferente?
Realmente dudo que pueda decir algo útil. Supongo que sospecho que hay una capa extra de abstracción en comparación con lo que estamos acostumbrados. Tiendo a pensar que no hay una descripción cuántica precisa del espacio-tiempo, excepto en los tipos de situaciones en las que sabemos que las hay, como en el espacio AdS. Tiendo a pensar, de lo contrario, las cosas son un poco más oscuras que una descripción cuántica exacta. Pero no puedo decir nada útil.
La otra noche estaba leyendo un viejo ensayo del físico de Princeton del siglo XX John Wheeler. Él era un visionario, sin duda. Si tomas literalmente lo que dice, es irremediablemente vago. Y, por lo tanto, si hubiera leído este ensayo hace 30 años, que podría haber hecho, lo habría rechazado por ser tan vago que no podría trabajar en él, incluso si estaba en el camino correcto.
Te refieres a Information, Physics, Quantum, el ensayo de Wheeler de 1989 que plantea la idea de que el universo físico surge de la información, a la que denominó "de un bocado". ¿Por qué lo leías?
Estoy tratando de aprender acerca de lo que la gente está tratando de decir con la frase "qubit". Wheeler habló sobre "it from bit", pero debes recordar que este ensayo fue escrito probablemente antes de que se acuñara el término "qubit". y ciertamente antes estaba en amplia vigencia. Al leerlo, realmente creo que estaba hablando de qubits, no de bits, por lo que "it from qubit" es en realidad una traducción moderna.
No espere que pueda decirle algo útil al respecto, sobre si tenía razón. Cuando yo era un estudiante graduado principiante, tuvieron una serie de conferencias de los profesores sobre los nuevos estudiantes sobre investigación teórica, y una de las personas que dieron tal conferencia fue Wheeler. Dibujó una imagen en la pizarra del universo visualizada como un ojo mirándose a sí mismo. No tenía idea de lo que estaba hablando. En retrospectiva, es obvio que estaba explicando qué significaba hablar de mecánica cuántica cuando el observador es parte del sistema cuántico. Me imagino que hay algo que no entendemos sobre eso.
Observar un sistema cuántico lo cambia irreversiblemente, creando una distinción entre el pasado y el futuro. Entonces, el problema del observador parece estar relacionado con la cuestión del tiempo, que tampoco entendemos. Con la dualidad AdS / CFT, hemos aprendido que las nuevas dimensiones espaciales pueden aparecer como un holograma a partir de información cuántica en el límite. ¿Crees que el tiempo también es emergente, que surge de una descripción completa intemporal?
Tiendo a suponer que el espacio-tiempo y todo lo que contiene son en cierto sentido emergentes. Por cierto, seguramente encontrará que eso es lo que Wheeler esperaba en su ensayo. Como leerás, pensó que el continuo era incorrecto tanto en física como en matemáticas. No creía que la descripción microscópica del espacio-tiempo de una persona usara un continuo de ningún tipo, ni un continuo de espacio ni un continuo de tiempo, ni siquiera un continuo de números reales. En el espacio y el tiempo, simpatizo con eso. En cuanto a los números reales, debo alegar ignorancia o agnosticismo. Es algo de lo que me pregunto, pero traté de imaginar lo que podría significar no usar el continuo de números reales, y el único lógico con el que intenté discutirlo no me ayudó.
¿Consideras que Wheeler es un héroe?
Yo no lo llamaría héroe, necesariamente, no. Realmente solo me llamó la atención lo que quiso decir con "it from bit" y con lo que estaba diciendo. Definitivamente tenía ideas visionarias, pero estaban demasiado adelantadas a su tiempo. Creo que fui más paciente al leer un ensayo vago pero inspirador de lo que podría haber sido hace 20 años. También obtuvo aproximadamente 100 referencias que suenan interesantes en ese ensayo. Si decides leerlos todos, tendrías que pasar semanas haciéndolo. Podría decidir mirar algunos de ellos.
Crédito de la imagen: JEAN SWEEP/QUANTA MAGAZINE
¿Por qué tienes más paciencia ahora?
Creo que cuando era más joven siempre pensé que lo siguiente que hice podría ser lo mejor de mi vida. Pero en este momento de la vida estoy menos persuadido de eso. Si pierdo un poco de tiempo leyendo el ensayo de alguien, no parece tan malo.
¿Alguna vez te distraes de la física y las matemáticas?
Mi pasatiempo favorito es el tenis. Soy un jugador de tenis muy promedio pero entusiasta.
En contraste con Wheeler, parece que su estilo de trabajo es llegar a las ideas a través de los cálculos, en lugar de perseguir una visión vaga.
En mi carrera, solo he podido dar pequeños saltos. Saltos relativamente pequeños. De lo que Wheeler estaba hablando fue un salto enorme. Y dice al comienzo del ensayo que no tiene idea de si esto llevará 10, 100 o 1,000 años.
Y él estaba hablando acerca de cómo la física surge de la información.
Sí. La forma en que lo expresa es más amplio: quiere explicar el significado de la existencia. Por eso pensé que me preguntabas si quería explicar el significado de la existencia.
Ya veo. ¿Tiene alguna hipótesis?
No. Él solo habla de cosas que no debes hacer y de cosas que debes hacer para tratar de llegar a una descripción más fundamental de la física.
¿Tienes alguna idea sobre el significado de la existencia?
No. (Lo dice riendo)
Corrección: este artículo fue actualizado el 29 de noviembre de 2017, para aclarar que la teoría M es el principal candidato para una teoría unificada de todo. Se han propuesto otras ideas que también pretenden unificar las fuerzas fundamentales.
Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al cubrir los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.
With a little help from Google Translate for Business: