Pregunte a Ethan: ¿Qué tan cerca estamos de una teoría de todo?
La idea de que las fuerzas, las partículas y las interacciones que hoy vemos son manifestaciones de una única teoría general es muy atractiva, requiriendo dimensiones adicionales y muchas nuevas partículas e interacciones. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons user Rogilbert
Por Ethan Siegel, para Forbes Julio 08 de 2017
Las opiniones expresadas por los colaboradores de Forbes como Ethan Siegel son propias del autor
Desde mucho antes de Einstein, fue el sueño de aquellos que estudian el Universo encontrar una ecuación única para gobernar tantos fenómenos como sea posible. En lugar de tener una ley separada para cada una de las propiedades físicas del Universo, podríamos unificar estas leyes en un marco único y general. Todas las leyes de carga eléctrica, magnetismo, corrientes eléctricas, inducción y más fueron unificadas en un solo marco por James Clerk Maxwell a mediados del siglo XIX. Desde entonces, los físicos han soñado con una Teoría de Todo: una ecuación única que gobierna todas las leyes del Universo. ¿Qué progreso hemos hecho? Esa es la pregunta de Paul Harding, que quiere saber:
Sí, hemos progresado, pero aún no hemos llegado. No sólo eso, pero ni siquiera es una certeza de que incluso hay una teoría de todo.
Las fuerzas electromagnéticas, débiles, fuertes y gravitacionales son las cuatro fuerzas fundamentales que se sabe que existen en este Universo. Crédito de la imagen: Maharishi University of Management
Las leyes de la naturaleza, tal como las hemos descubierto hasta ahora, pueden dividirse en cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza de la gravedad, gobernada por la Relatividad General, y las tres fuerzas cuánticas que gobiernan las partículas y sus interacciones, la fuerza nuclear fuerte, La fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. Los primeros intentos de una teoría unificada de todo ocurrieron poco después de la publicación de la Relatividad General, antes de entender que había leyes fundamentales para gobernar las fuerzas nucleares. Estas ideas, conocidas como teorías de Kaluza-Klein, trataron de unificar la gravitación con el electromagnetismo.
La idea de unificar la gravitación con el electromagnetismo se remonta a principios de la década de 1920, y la obra de Theodr Kaluza y Oskar Klein. Crédito de la imagen: SLAC National Accelerator Laboratory
Al agregar una dimensión espacial adicional a la Relatividad General de Einstein, una quinta dimensión global (además del estándar de tres espacios y una vez) dio lugar a la gravedad de Einstein, el electromagnetismo de Maxwell y un nuevo campo escalar adicional. La dimensión adicional tendría que ser lo suficientemente pequeña como para evitar interferir con las leyes de la gravedad, y los detalles eran tales que el campo escalar adicional necesitaba no tener efectos perceptibles sobre el Universo. Puesto que no había manera de formular una teoría cuántica de la gravedad con esto, el descubrimiento de la física cuántica y de las fuerzas nucleares -que este intento de unificación no podía explicar- hizo que esta situación se desvirtuara.
Los quarks, antiquarks y gluones del modelo estándar tienen una carga de color, además de todas las otras propiedades como masa y carga eléctrica. El Modelo Estándar puede ser escrito como una ecuación única, pero todas las fuerzas dentro no están unificadas. Crédito de la imagen: E. Siegel
Sin embargo, las fuertes y débiles fuerzas nucleares llevaron a la formulación del Modelo Estándar en 1968, que trajo las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas bajo el mismo paraguas general. Las partículas y sus interacciones fueron tenidas en cuenta, y una serie de nuevas predicciones se hicieron, incluyendo una gran sobre la unificación. A altas energías de alrededor de 100 GeV (la energía requerida para acelerar un solo electrón a un potencial de 100 mil millones de voltios), una simetría unificadora de las fuerzas electromagnéticas y débiles sería restaurada. Se predijo que existían nuevos bosones masivos, y con el descubrimiento de los bosones W y Z en 1983, se confirmó esta predicción. Las cuatro fuerzas fundamentales se redujeron a tres.
La idea de la unificación sostiene que las tres fuerzas del Modelo Estándar, y tal vez incluso la gravedad en las energías superiores, se unen en un solo marco. Crédito de la imagen: © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
La unificación ya era una idea interesante, pero los modelos despegaron. La gente asumió que en las energías más altas todavía, la fuerza fuerte se unificaría con el electroweak; De ahí surgió la idea de las Teorías de la Gran Unificación (GUT). Algunos asumieron que incluso a energías aún más altas, tal vez alrededor de la escala de Planck, la fuerza gravitacional se unificaría también; Esta es una de las principales motivaciones para la teoría de cuerdas. Lo que es muy interesante sobre estas ideas, sin embargo, es que si quieres tener unificación, necesitas restaurar las simetrías en las energías más altas. Y si el Universo tiene simetrías a altas energías que se rompen hoy, eso se traduce en algo observable: nuevas partículas y nuevas interacciones.
Las partículas del Modelo Estándar y sus contrapartes supersimétricas. Este espectro de partículas es una consecuencia inevitable de unificar las cuatro fuerzas fundamentales en el contexto de la teoría de cuerdas. Crédito de la imagen: Claire David
Entonces, ¿qué nuevas partículas e interacciones se predice? Esto depende de la variante de las teorías de unificación que vaya para, pero incluyen:
[●]Partículas pesadas, neutras, de materia oscura,
[●]Partículas supersimétricas de pareja,
[●]Monopolos magnéticos,
[●]Pesado, cargado, bosones escalares,
[●]Múltiples partículas parecidas a Higgs,
[●]Y partículas que median la decaimiento del protón.
Aunque podemos estar seguros, a partir de observaciones indirectas, de que hay algún origen en la materia oscura de nuestro Universo, ninguna de estas partículas o decaimientos previstos se han observado.
En 1982, un experimento bajo la dirección de Blas Cabrera, uno con ocho vueltas de alambre, detectó un cambio de flujo de ocho magnetones: indicaciones de un monopolo magnético. Desafortunadamente, nadie estuvo presente en el momento de la detección, y nadie ha reproducido nunca este resultado ni encontrado un segundo monopolo. Crédito de la imagen: Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378–1381
Esto es una pena, en muchos aspectos, porque hemos buscado, y duro. En 1982, uno de los experimentos en busca de monopolos magnéticos registró un único resultado positivo, generando muchos copos que intentaron descubrir un gran número de otros. Desafortunadamente, ese resultado positivo fue anómalo, y nadie lo ha replicado jamás. También en la década de 1980, la gente comenzó a construir tanques gigantes de agua y otros núcleos atómicos, buscando evidencia de desintegración de protones. Mientras que los tanques eventualmente terminaron siendo repurposed como detectores de neutrinos, no se ha observado que un solo protón decae. La vida útil del protón está ahora limitada a ser mayor de 1035 años: unos 25 órdenes de magnitud mayor que la edad del Universo.
El tanque lleno de agua en Super Kamiokande, que ha establecido los límites más estrictos en la vida del protón. En años posteriores, los detectores establecidos de esta manera han hecho destacados observatorios de neutrinos, pero aún no han detectado una sola decaimiento de protones.
Esto también es muy malo, porque Gran Unificación ofrece un camino limpio y elegante para generar la asimetría materia / antimateria en el Universo. En tiempos muy tempranos, el Universo está lo suficientemente caliente como para producir pares de materia y antimateria de todas las partículas que pueden existir. En la mayoría de los GUTs, dos de esas partículas que existen son los bosones superheavy X-y-Y, que se cargan, y contienen los acoplamientos del quark y del lepton. Se espera que haya una asimetría en la forma en que las versiones de materia y las versiones de antimateria se deterioran, y pueden dar lugar a una sobrante presencia de materia sobre la antimateria, incluso si inicialmente no hubiera ninguna. Lamentablemente, una vez más, todavía tenemos que encontrar alguna evidencia positiva para tales partículas y / o interacciones.
Una colección igualmente simétrica de materia y antimateria (de X e Y, y anti-X y anti-Y) bosones podría, con las propiedades de GUT derecho, dar lugar a la asimetría materia / antimateria que encontramos en nuestro Universo de hoy. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Algunos físicos sostienen que el Universo debe tener estas simetrías, y la evidencia debe simplemente estar en energías demasiado altas para que incluso el LHC pueda sondear. Pero otros están llegando a una posibilidad más incómoda: tal vez la naturaleza no se unifica. Tal vez no existe una Gran Teoría Unificada que describa nuestra realidad física; Tal vez una teoría cuántica de la gravedad no se unifica con las otras fuerzas; Quizás los problemas de la baryogénesis y la materia oscura tienen otras soluciones que no están arraigadas en estas ideas. Después de todo, el árbitro último de lo que es el Universo no son nuestras ideas al respecto, sino más bien los resultados de experimentos y observaciones. Sólo podemos preguntarle al Universo cómo es; Depende de nosotros escuchar lo que nos dice y salir de ahí.
El Modelo Estándar Lagrangiano es una ecuación única que encapsula las partículas y las interacciones del Modelo Estándar. Tiene cinco partes independientes: los gluones (1), los bosones débiles (2), la interacción de la materia con la fuerza débil y el campo de Higgs (3), las partículas fantasmas que restan las redundancias de Higgs-campo (4) Fadeev-Popov fantasmas, que afectan a los despidos de interacción débil (5). Neutrino masas no están incluidos. Crédito de la imagen: Thomas Gutierrez, who insists there is one 'sign error' in this equation
Aunque podemos escribir el Modelo Estándar como una sola ecuación, no es realmente una entidad unificada en el sentido de que hay múltiples, independientes, términos independientes para gobernar diferentes componentes del Universo. Las diversas partes del Modelo Estándar no interactúan entre sí, ya que la carga de color no afecta a las fuerzas electromagnéticas o débiles, y hay preguntas sin respuesta sobre por qué las interacciones que deberían ocurrir, como la violación CP en la fuerza fuerte, no T
Cuando se restablecen las simetrías (en la parte superior del potencial), se produce la unificación. Sin embargo, la ruptura de simetrías, en la parte inferior de la colina, corresponde al Universo que tenemos hoy, con nuevas especies de partículas masivas. Crédito de la imagen: Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Nature Physics 7, 2–3 (2011)
Es la esperanza de muchos que la unificación tiene la respuesta a estas preguntas, y resolverá muchos de los problemas abiertos y rompecabezas en la física de hoy. Sin embargo, cualquier tipo de simetrías adicionales - las simetrías que se restauran a altas energías pero se rompen hoy - conducen a nuevas partículas, nuevas interacciones y nuevas reglas físicas que el Universo juega. Hemos intentado hacer ingeniería inversa en algunas predicciones usando las reglas que necesitamos para que las cosas funcionen, pero las partículas y unificaciones que esperábamos encontrar nunca se materializaron. La unificación no le ayudará a derivar propiedades emergentes como la química, la biología, la geología o la conciencia, pero nos ayudará a entender mejor el origen de dónde vino todo y cómo.
La historia cósmica de todo el universo conocido demuestra que debemos el origen de toda la materia dentro de ella, y toda la luz, en última instancia, hasta el final de la inflación y el comienzo del Big Bang Caliente. Crédito de la imagen: E. Siegel / ESA and the Planck Collaboration
Por supuesto, existe la otra posibilidad: que el Universo simplemente no se unifica. Que las múltiples leyes y reglas diferentes que tenemos están ahí por una razón: estas simetrías que hemos inventado son simplemente nuestras propias invenciones matemáticas, y no descriptivas del universo físico. Para cada teoría física elegante, hermosa y convincente que existe, hay una teoría física igualmente elegante, hermosa y convincente que está equivocada. En estos asuntos, como en todas las cuestiones científicas, corresponde a la humanidad formular las preguntas correctas. Pero depende del Universo decirnos las respuestas. Sea lo que sea, ese es el Universo que tenemos. Depende de nosotros averiguar qué significan esas respuestas.
Envíe en su Interrogante a Ask Ethan en startswithabang arroba gmail punto com!
With a little help from Google Translate for Business
Comenzó con un estallido
El Universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
La idea de que las fuerzas, las partículas y las interacciones que hoy vemos son manifestaciones de una única teoría general es muy atractiva, requiriendo dimensiones adicionales y muchas nuevas partículas e interacciones. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons user Rogilbert
Por Ethan Siegel, para Forbes Julio 08 de 2017
Las opiniones expresadas por los colaboradores de Forbes como Ethan Siegel son propias del autor
Desde mucho antes de Einstein, fue el sueño de aquellos que estudian el Universo encontrar una ecuación única para gobernar tantos fenómenos como sea posible. En lugar de tener una ley separada para cada una de las propiedades físicas del Universo, podríamos unificar estas leyes en un marco único y general. Todas las leyes de carga eléctrica, magnetismo, corrientes eléctricas, inducción y más fueron unificadas en un solo marco por James Clerk Maxwell a mediados del siglo XIX. Desde entonces, los físicos han soñado con una Teoría de Todo: una ecuación única que gobierna todas las leyes del Universo. ¿Qué progreso hemos hecho? Esa es la pregunta de Paul Harding, que quiere saber:
¿Ha progresado la ciencia con respecto a la Gran Teoría Unificada ya la Teoría de Todo? ¿Y podría usted elaborar en qué significaría si encontramos una ecuación unificada?
Sí, hemos progresado, pero aún no hemos llegado. No sólo eso, pero ni siquiera es una certeza de que incluso hay una teoría de todo.
Las fuerzas electromagnéticas, débiles, fuertes y gravitacionales son las cuatro fuerzas fundamentales que se sabe que existen en este Universo. Crédito de la imagen: Maharishi University of Management
Las leyes de la naturaleza, tal como las hemos descubierto hasta ahora, pueden dividirse en cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza de la gravedad, gobernada por la Relatividad General, y las tres fuerzas cuánticas que gobiernan las partículas y sus interacciones, la fuerza nuclear fuerte, La fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. Los primeros intentos de una teoría unificada de todo ocurrieron poco después de la publicación de la Relatividad General, antes de entender que había leyes fundamentales para gobernar las fuerzas nucleares. Estas ideas, conocidas como teorías de Kaluza-Klein, trataron de unificar la gravitación con el electromagnetismo.
La idea de unificar la gravitación con el electromagnetismo se remonta a principios de la década de 1920, y la obra de Theodr Kaluza y Oskar Klein. Crédito de la imagen: SLAC National Accelerator Laboratory
Al agregar una dimensión espacial adicional a la Relatividad General de Einstein, una quinta dimensión global (además del estándar de tres espacios y una vez) dio lugar a la gravedad de Einstein, el electromagnetismo de Maxwell y un nuevo campo escalar adicional. La dimensión adicional tendría que ser lo suficientemente pequeña como para evitar interferir con las leyes de la gravedad, y los detalles eran tales que el campo escalar adicional necesitaba no tener efectos perceptibles sobre el Universo. Puesto que no había manera de formular una teoría cuántica de la gravedad con esto, el descubrimiento de la física cuántica y de las fuerzas nucleares -que este intento de unificación no podía explicar- hizo que esta situación se desvirtuara.
Los quarks, antiquarks y gluones del modelo estándar tienen una carga de color, además de todas las otras propiedades como masa y carga eléctrica. El Modelo Estándar puede ser escrito como una ecuación única, pero todas las fuerzas dentro no están unificadas. Crédito de la imagen: E. Siegel
Sin embargo, las fuertes y débiles fuerzas nucleares llevaron a la formulación del Modelo Estándar en 1968, que trajo las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas bajo el mismo paraguas general. Las partículas y sus interacciones fueron tenidas en cuenta, y una serie de nuevas predicciones se hicieron, incluyendo una gran sobre la unificación. A altas energías de alrededor de 100 GeV (la energía requerida para acelerar un solo electrón a un potencial de 100 mil millones de voltios), una simetría unificadora de las fuerzas electromagnéticas y débiles sería restaurada. Se predijo que existían nuevos bosones masivos, y con el descubrimiento de los bosones W y Z en 1983, se confirmó esta predicción. Las cuatro fuerzas fundamentales se redujeron a tres.
La idea de la unificación sostiene que las tres fuerzas del Modelo Estándar, y tal vez incluso la gravedad en las energías superiores, se unen en un solo marco. Crédito de la imagen: © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
La unificación ya era una idea interesante, pero los modelos despegaron. La gente asumió que en las energías más altas todavía, la fuerza fuerte se unificaría con el electroweak; De ahí surgió la idea de las Teorías de la Gran Unificación (GUT). Algunos asumieron que incluso a energías aún más altas, tal vez alrededor de la escala de Planck, la fuerza gravitacional se unificaría también; Esta es una de las principales motivaciones para la teoría de cuerdas. Lo que es muy interesante sobre estas ideas, sin embargo, es que si quieres tener unificación, necesitas restaurar las simetrías en las energías más altas. Y si el Universo tiene simetrías a altas energías que se rompen hoy, eso se traduce en algo observable: nuevas partículas y nuevas interacciones.
Las partículas del Modelo Estándar y sus contrapartes supersimétricas. Este espectro de partículas es una consecuencia inevitable de unificar las cuatro fuerzas fundamentales en el contexto de la teoría de cuerdas. Crédito de la imagen: Claire David
Entonces, ¿qué nuevas partículas e interacciones se predice? Esto depende de la variante de las teorías de unificación que vaya para, pero incluyen:
[●]Partículas pesadas, neutras, de materia oscura,
[●]Partículas supersimétricas de pareja,
[●]Monopolos magnéticos,
[●]Pesado, cargado, bosones escalares,
[●]Múltiples partículas parecidas a Higgs,
[●]Y partículas que median la decaimiento del protón.
Aunque podemos estar seguros, a partir de observaciones indirectas, de que hay algún origen en la materia oscura de nuestro Universo, ninguna de estas partículas o decaimientos previstos se han observado.
En 1982, un experimento bajo la dirección de Blas Cabrera, uno con ocho vueltas de alambre, detectó un cambio de flujo de ocho magnetones: indicaciones de un monopolo magnético. Desafortunadamente, nadie estuvo presente en el momento de la detección, y nadie ha reproducido nunca este resultado ni encontrado un segundo monopolo. Crédito de la imagen: Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378–1381
Esto es una pena, en muchos aspectos, porque hemos buscado, y duro. En 1982, uno de los experimentos en busca de monopolos magnéticos registró un único resultado positivo, generando muchos copos que intentaron descubrir un gran número de otros. Desafortunadamente, ese resultado positivo fue anómalo, y nadie lo ha replicado jamás. También en la década de 1980, la gente comenzó a construir tanques gigantes de agua y otros núcleos atómicos, buscando evidencia de desintegración de protones. Mientras que los tanques eventualmente terminaron siendo repurposed como detectores de neutrinos, no se ha observado que un solo protón decae. La vida útil del protón está ahora limitada a ser mayor de 1035 años: unos 25 órdenes de magnitud mayor que la edad del Universo.
El tanque lleno de agua en Super Kamiokande, que ha establecido los límites más estrictos en la vida del protón. En años posteriores, los detectores establecidos de esta manera han hecho destacados observatorios de neutrinos, pero aún no han detectado una sola decaimiento de protones.
Esto también es muy malo, porque Gran Unificación ofrece un camino limpio y elegante para generar la asimetría materia / antimateria en el Universo. En tiempos muy tempranos, el Universo está lo suficientemente caliente como para producir pares de materia y antimateria de todas las partículas que pueden existir. En la mayoría de los GUTs, dos de esas partículas que existen son los bosones superheavy X-y-Y, que se cargan, y contienen los acoplamientos del quark y del lepton. Se espera que haya una asimetría en la forma en que las versiones de materia y las versiones de antimateria se deterioran, y pueden dar lugar a una sobrante presencia de materia sobre la antimateria, incluso si inicialmente no hubiera ninguna. Lamentablemente, una vez más, todavía tenemos que encontrar alguna evidencia positiva para tales partículas y / o interacciones.
Una colección igualmente simétrica de materia y antimateria (de X e Y, y anti-X y anti-Y) bosones podría, con las propiedades de GUT derecho, dar lugar a la asimetría materia / antimateria que encontramos en nuestro Universo de hoy. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Algunos físicos sostienen que el Universo debe tener estas simetrías, y la evidencia debe simplemente estar en energías demasiado altas para que incluso el LHC pueda sondear. Pero otros están llegando a una posibilidad más incómoda: tal vez la naturaleza no se unifica. Tal vez no existe una Gran Teoría Unificada que describa nuestra realidad física; Tal vez una teoría cuántica de la gravedad no se unifica con las otras fuerzas; Quizás los problemas de la baryogénesis y la materia oscura tienen otras soluciones que no están arraigadas en estas ideas. Después de todo, el árbitro último de lo que es el Universo no son nuestras ideas al respecto, sino más bien los resultados de experimentos y observaciones. Sólo podemos preguntarle al Universo cómo es; Depende de nosotros escuchar lo que nos dice y salir de ahí.
El Modelo Estándar Lagrangiano es una ecuación única que encapsula las partículas y las interacciones del Modelo Estándar. Tiene cinco partes independientes: los gluones (1), los bosones débiles (2), la interacción de la materia con la fuerza débil y el campo de Higgs (3), las partículas fantasmas que restan las redundancias de Higgs-campo (4) Fadeev-Popov fantasmas, que afectan a los despidos de interacción débil (5). Neutrino masas no están incluidos. Crédito de la imagen: Thomas Gutierrez, who insists there is one 'sign error' in this equation
Aunque podemos escribir el Modelo Estándar como una sola ecuación, no es realmente una entidad unificada en el sentido de que hay múltiples, independientes, términos independientes para gobernar diferentes componentes del Universo. Las diversas partes del Modelo Estándar no interactúan entre sí, ya que la carga de color no afecta a las fuerzas electromagnéticas o débiles, y hay preguntas sin respuesta sobre por qué las interacciones que deberían ocurrir, como la violación CP en la fuerza fuerte, no T
Cuando se restablecen las simetrías (en la parte superior del potencial), se produce la unificación. Sin embargo, la ruptura de simetrías, en la parte inferior de la colina, corresponde al Universo que tenemos hoy, con nuevas especies de partículas masivas. Crédito de la imagen: Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Nature Physics 7, 2–3 (2011)
Es la esperanza de muchos que la unificación tiene la respuesta a estas preguntas, y resolverá muchos de los problemas abiertos y rompecabezas en la física de hoy. Sin embargo, cualquier tipo de simetrías adicionales - las simetrías que se restauran a altas energías pero se rompen hoy - conducen a nuevas partículas, nuevas interacciones y nuevas reglas físicas que el Universo juega. Hemos intentado hacer ingeniería inversa en algunas predicciones usando las reglas que necesitamos para que las cosas funcionen, pero las partículas y unificaciones que esperábamos encontrar nunca se materializaron. La unificación no le ayudará a derivar propiedades emergentes como la química, la biología, la geología o la conciencia, pero nos ayudará a entender mejor el origen de dónde vino todo y cómo.
La historia cósmica de todo el universo conocido demuestra que debemos el origen de toda la materia dentro de ella, y toda la luz, en última instancia, hasta el final de la inflación y el comienzo del Big Bang Caliente. Crédito de la imagen: E. Siegel / ESA and the Planck Collaboration
Por supuesto, existe la otra posibilidad: que el Universo simplemente no se unifica. Que las múltiples leyes y reglas diferentes que tenemos están ahí por una razón: estas simetrías que hemos inventado son simplemente nuestras propias invenciones matemáticas, y no descriptivas del universo físico. Para cada teoría física elegante, hermosa y convincente que existe, hay una teoría física igualmente elegante, hermosa y convincente que está equivocada. En estos asuntos, como en todas las cuestiones científicas, corresponde a la humanidad formular las preguntas correctas. Pero depende del Universo decirnos las respuestas. Sea lo que sea, ese es el Universo que tenemos. Depende de nosotros averiguar qué significan esas respuestas.
Envíe en su Interrogante a Ask Ethan en startswithabang arroba gmail punto com!
With a little help from Google Translate for Business