Los físicos están acostumbrados a trabajar con partículas: la teoría se ha elaborado, los experimentos convergen. Los reactores nucleares y las bombas atómicas se calculan utilizando partículas. Con una advertencia: la gravedad no se tiene en cuenta en todos los cálculos.
La gravedad es la atracción de los cuerpos. Cuando hablamos de gravedad, imaginamos la gravedad. El teléfono cae de sus manos al asfalto bajo la influencia de la gravedad. En el espacio, la Luna es atraída por la Tierra y la Tierra por el Sol. Todo en el mundo se atrae entre sí, pero para sentir esto se necesitan objetos muy pesados. Sentimos la gravedad de la Tierra, que es 7,5 × 10 22 veces más pesada que una persona, y no notamos la gravedad de un rascacielos, que es 4 × 10 6 veces más pesada.
7,5×10 22 = 75.000.000.000.000.000.000.000
4×10 6 = 4.000.000
La gravedad se describe en la teoría general de la relatividad de Einstein. En teoría, los objetos masivos curvan el espacio. Para entenderlo, ve a un parque infantil y coloca una piedra pesada sobre el trampolín. Aparecerá un cráter en la goma del trampolín. Si pones una pequeña bola en el trampolín, rodará por el embudo hacia la piedra. Así es como los planetas forman un embudo en el espacio y nosotros, como bolas, caemos sobre ellos.
Planetas tan masivos que doblan el espacio
Para describir todo al nivel de partículas elementales, no se necesita la gravedad. En comparación con otras fuerzas, la gravedad es tan pequeña que simplemente fue descartada de los cálculos cuánticos. La fuerza de gravedad de la Tierra es 10 38 veces menor que la fuerza que sostienen las partículas del núcleo atómico. Esto es cierto para casi todo el universo.
10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
El único lugar donde la gravedad es tan fuerte como otras fuerzas es dentro de un agujero negro. Se trata de un embudo gigante en el que la gravedad pliega el espacio mismo y atrae todo lo que hay cerca. Incluso la luz vuela hacia un agujero negro y nunca regresa.
Para trabajar con la gravedad como con otras partículas, los físicos idearon un cuanto de gravedad: el gravitón. Hicimos cálculos, pero no cuadraron. Los cálculos mostraron que la energía del gravitón crece hasta el infinito. Pero esto no debería suceder.
Los físicos primero inventan y luego buscan. El bosón de Higgs fue inventado 50 años antes de su descubrimiento.
Los problemas con las divergencias en los cálculos desaparecieron cuando el gravitón no se consideró como una partícula, sino como una cuerda. Las cuerdas tienen una longitud y energía finitas, por lo que la energía del gravitón sólo puede crecer hasta un cierto límite. Así, los científicos disponen de una herramienta de trabajo con la que estudian los agujeros negros.
Los avances en el estudio de los agujeros negros nos ayudan a comprender cómo surgió el universo. Según la teoría del Big Bang, el mundo creció desde un punto microscópico. En los primeros momentos de la vida, el universo era muy denso: todas las estrellas y planetas modernos se reunían en un pequeño volumen. La gravedad era tan poderosa como otras fuerzas, por lo que conocer los efectos de la gravedad es importante para comprender el universo primitivo.
El éxito en la descripción de la gravedad cuántica es un paso hacia la creación de una teoría que describirá todo en el mundo. Tal teoría explicará cómo nació el universo, qué está sucediendo en él ahora y cuál será su fin.
Por supuesto, las cuerdas del universo no se parecen en nada a las que imaginamos. En la teoría de cuerdas, son hilos de energía vibrantes increíblemente pequeños. Estos hilos se parecen más a pequeñas “bandas elásticas” que pueden retorcerse, estirarse y comprimirse de muchas formas. Todo esto, sin embargo, no significa que sea imposible "tocar" la sinfonía del Universo con ellos, porque, según los teóricos de cuerdas, todo lo que existe está formado por estos "hilos".
Contradicción física
En la segunda mitad del siglo XIX, a los físicos les parecía que ya no se podía descubrir nada serio en su ciencia. La física clásica creía que no quedaban problemas graves en él y que toda la estructura del mundo parecía una máquina perfectamente regulada y predecible. El problema, como de costumbre, se debió a una tontería: una de las pequeñas "nubes" que aún permanecían en el claro y comprensible cielo de la ciencia. Es decir, al calcular la energía de radiación de un cuerpo absolutamente negro (un cuerpo hipotético que, a cualquier temperatura, absorbe completamente la radiación que incide sobre él, independientemente de la longitud de onda - NS).
Los cálculos mostraron que la energía de radiación total de cualquier cuerpo absolutamente negro debería ser infinitamente grande. Para alejarse de un absurdo tan obvio, el científico alemán Max Planck propuso en 1900 que la luz visible, los rayos X y otras ondas electromagnéticas sólo pueden ser emitidas por ciertas porciones discretas de energía, a las que llamó cuantos. Con su ayuda fue posible resolver el particular problema de un cuerpo absolutamente negro. Sin embargo, las consecuencias de la hipótesis cuántica para el determinismo aún no se habían comprendido. Hasta que, en 1926, otro científico alemán, Werner Heisenberg, formuló el famoso principio de incertidumbre.
Su esencia se reduce al hecho de que, contrariamente a todas las afirmaciones anteriores, la naturaleza limita nuestra capacidad de predecir el futuro basándose en leyes físicas. Por supuesto, estamos hablando del futuro y el presente de las partículas subatómicas. Resultó que se comportan de manera completamente diferente a como lo hacen cualquier cosa en el macrocosmos que nos rodea. A nivel subatómico, la estructura del espacio se vuelve desigual y caótica. El mundo de las partículas diminutas es tan turbulento e incomprensible que desafía el sentido común. El espacio y el tiempo están tan retorcidos y entrelazados que no existen conceptos ordinarios de izquierda y derecha, arriba y abajo, o incluso antes y después.
No hay forma de decir con seguridad en qué punto del espacio se encuentra actualmente una partícula en particular y cuál es su momento angular. Sólo existe una cierta probabilidad de encontrar una partícula en muchas regiones del espacio-tiempo. Las partículas a nivel subatómico parecen estar “manchadas” por todo el espacio. No sólo eso, sino que el “estado” de las partículas en sí no está definido: en algunos casos se comportan como ondas, en otros exhiben propiedades de partículas. Esto es lo que los físicos llaman la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.
Niveles de la estructura del mundo: 1. Nivel macroscópico - materia 2. Nivel molecular 3. Nivel atómico - protones, neutrones y electrones 4. Nivel subatómico - electrón 5. Nivel subatómico - quarks 6. Nivel de cuerda /©Bruno P. Ramos
En la Teoría General de la Relatividad, como en un estado con leyes opuestas, la situación es fundamentalmente diferente. El espacio parece ser como un trampolín: una tela suave que los objetos con masa pueden doblar y estirar. Crean deformaciones en el espacio-tiempo, lo que experimentamos como gravedad. No hace falta decir que la armoniosa, correcta y predecible Teoría General de la Relatividad está en un conflicto insoluble con el “matón excéntrico”: la mecánica cuántica y, como resultado, el macromundo no puede “hacer las paces” con el micromundo. Aquí es donde la teoría de cuerdas viene al rescate.
Universo 2D. Gráfico poliedro E8 /©John Stembridge/Proyecto Atlas de Grupos de Mentiras
Teoría del Todo
La teoría de cuerdas encarna el sueño de todos los físicos de unificar las dos, fundamentalmente contradictorias, la relatividad general y la mecánica cuántica, un sueño que persiguió al mayor "gitano y vagabundo" Albert Einstein hasta el final de sus días.
Muchos científicos creen que todo, desde la exquisita danza de las galaxias hasta la loca danza de las partículas subatómicas, puede explicarse en última instancia mediante un solo principio físico fundamental. Quizás incluso una única ley que una todos los tipos de energía, partículas e interacciones en alguna fórmula elegante.
La relatividad general describe una de las fuerzas más famosas del Universo: la gravedad. La mecánica cuántica describe otras tres fuerzas: la fuerza nuclear fuerte, que une protones y neutrones en los átomos, el electromagnetismo y la fuerza débil, que interviene en la desintegración radiactiva. Cualquier evento en el universo, desde la ionización de un átomo hasta el nacimiento de una estrella, se describe por las interacciones de la materia a través de estas cuatro fuerzas.
Con la ayuda de las matemáticas más complejas, fue posible demostrar que las interacciones electromagnéticas y débiles tienen una naturaleza común, combinándolas en una sola interacción electrodébil. Posteriormente se les añadió una fuerte interacción nuclear, pero la gravedad no los une de ninguna manera. La teoría de cuerdas es uno de los candidatos más serios para conectar las cuatro fuerzas y, por lo tanto, abarcar todos los fenómenos del Universo; no en vano también se la llama la "Teoría del Todo".
Al principio había un mito.
Hasta ahora, no todos los físicos están entusiasmados con la teoría de cuerdas. Y en los albores de su aparición, parecía infinitamente lejos de la realidad. Su mismo nacimiento es una leyenda.
A finales de la década de 1960, un joven físico teórico italiano, Gabriele Veneziano, buscaba ecuaciones que pudieran explicar la fuerza nuclear fuerte, el “pegamento” extremadamente poderoso que mantiene unidos los núcleos de los átomos, uniendo protones y neutrones. Según la leyenda, un día tropezó accidentalmente con un libro polvoriento sobre la historia de las matemáticas, en el que encontró una función escrita hace doscientos años por primera vez por el matemático suizo Leonhard Euler. Imaginemos la sorpresa de Veneziano cuando descubrió que la función de Euler, considerada durante mucho tiempo nada más que una curiosidad matemática, describía esta fuerte interacción.
¿Cómo fue realmente? La fórmula probablemente fue el resultado de muchos años de trabajo de Veneziano, y el azar sólo ayudó a dar el primer paso hacia el descubrimiento de la teoría de cuerdas. La función de Euler, que explicaba milagrosamente la fuerza fuerte, ha encontrado nueva vida.
Finalmente, llamó la atención del joven físico teórico estadounidense Leonard Susskind, quien vio que, en primer lugar, la fórmula describía partículas que no tenían estructura interna y podían vibrar. Estas partículas se comportaron de tal manera que no podían ser simplemente partículas puntuales. Susskind lo entendió: la fórmula describe un hilo que es como una banda elástica. No sólo podía estirarse y contraerse, sino también oscilar y retorcerse. Después de describir su descubrimiento, Susskind introdujo la idea revolucionaria de las cuerdas.
Desafortunadamente, la inmensa mayoría de sus colegas acogieron la teoría con mucha frialdad.
Modelo estandar
En aquel momento, la ciencia convencional representaba las partículas como puntos y no como cuerdas. Durante años, los físicos han estudiado el comportamiento de las partículas subatómicas colisionándolas a altas velocidades y estudiando las consecuencias de estas colisiones. Resultó que el Universo es mucho más rico de lo que uno podría imaginar. Fue una auténtica “explosión demográfica” de partículas elementales. Los estudiantes de física corrieron por los pasillos gritando que habían descubierto una nueva partícula; ni siquiera había suficientes letras para designarlas. Pero, por desgracia, en el "hospital de maternidad" de nuevas partículas, los científicos nunca pudieron encontrar la respuesta a la pregunta: ¿por qué hay tantas y de dónde vienen?
Esto llevó a los físicos a hacer una predicción inusual y sorprendente: se dieron cuenta de que las fuerzas que actúan en la naturaleza también podrían explicarse en términos de partículas. Es decir, hay partículas de materia y hay partículas que llevan interacciones. Por ejemplo, un fotón es una partícula de luz. Cuantas más partículas portadoras (los mismos fotones que intercambian las partículas de materia) más brillante será la luz. Los científicos predijeron que este intercambio particular de partículas portadoras no es más que lo que percibimos como fuerza. Esto fue confirmado por experimentos. Así fue como los físicos lograron acercarse al sueño de Einstein de unir fuerzas.
Interacciones entre varias partículas en el Modelo Estándar /
Los científicos creen que si avanzamos hasta justo después del Big Bang, cuando el Universo estaba billones de grados más caliente, las partículas que transportan el electromagnetismo y la fuerza débil se volverán indistinguibles y se combinarán en una sola fuerza llamada fuerza electrodébil. Y si retrocedemos aún más en el tiempo, la interacción electrodébil se combinaría con la fuerte en una “superfuerza” total.
Aunque todo esto aún está por demostrarse, la mecánica cuántica de repente explicó cómo interactúan tres de las cuatro fuerzas a nivel subatómico. Y lo explicó de manera hermosa y consistente. Esta imagen coherente de interacciones finalmente se conoció como el Modelo Estándar. Pero, por desgracia, esta teoría perfecta tenía un gran problema: no incluía la fuerza de nivel macro más famosa: la gravedad.
Gravitón
Para la teoría de cuerdas, que aún no había tenido tiempo de “florecer”, ha llegado el “otoño” y contenía demasiados problemas desde su mismo nacimiento; Por ejemplo, los cálculos de la teoría predijeron la existencia de partículas que, como pronto se demostró, no existen. Este es el llamado taquión, una partícula que se mueve en el vacío más rápido que la luz. Entre otras cosas, resultó que la teoría requiere hasta 10 dimensiones. No es sorprendente que esto haya resultado muy confuso para los físicos, ya que obviamente es más grande de lo que vemos.
En 1973, sólo unos pocos físicos jóvenes seguían lidiando con los misterios de la teoría de cuerdas. Uno de ellos fue el físico teórico estadounidense John Schwartz. Durante cuatro años, Schwartz intentó domar las ecuaciones rebeldes, pero fue en vano. Entre otros problemas, una de estas ecuaciones persistía en describir una partícula misteriosa que no tenía masa y no había sido observada en la naturaleza.
El científico ya había decidido abandonar su desastroso negocio, y entonces se dio cuenta: ¿tal vez las ecuaciones de la teoría de cuerdas también describen la gravedad? Sin embargo, esto implicó una revisión de las dimensiones de los principales “héroes” de la teoría: las cuerdas. Al suponer que las cuerdas son miles de millones y miles de millones de veces más pequeñas que un átomo, los “cordones” convirtieron la desventaja de la teoría en una ventaja. La misteriosa partícula de la que John Schwartz había intentado con tanta insistencia deshacerse ahora actuaba como un gravitón, una partícula que se había buscado durante mucho tiempo y que permitiría transferir la gravedad al nivel cuántico. Así es como la teoría de cuerdas completó el rompecabezas de la gravedad, que faltaba en el modelo estándar. Pero, por desgracia, incluso ante este descubrimiento la comunidad científica no reaccionó de ninguna manera. La teoría de cuerdas permaneció al borde de la supervivencia. Pero eso no detuvo a Schwartz. Sólo un científico quiso unirse a su búsqueda, dispuesto a arriesgar su carrera por unos hilos misteriosos: Michael Green.
Muñecas subatómicas para anidar
A pesar de todo, a principios de los años 1980, la teoría de cuerdas todavía tenía contradicciones insolubles, llamadas anomalías en la ciencia. Schwartz y Green se propusieron eliminarlos. Y sus esfuerzos no fueron en vano: los científicos lograron eliminar algunas de las contradicciones de la teoría. Imagínense el asombro de estos dos, ya acostumbrados a que su teoría fuera ignorada, cuando la reacción de la comunidad científica hizo estallar el mundo científico. En menos de un año, el número de teóricos de cuerdas ha aumentado a cientos de personas. Fue entonces cuando la teoría de cuerdas recibió el título de Teoría del Todo. La nueva teoría parecía capaz de describir todos los componentes del universo. Y estos son los componentes.
Cada átomo, como sabemos, está formado por partículas aún más pequeñas: electrones, que giran alrededor de un núcleo formado por protones y neutrones. Los protones y neutrones, a su vez, están formados por partículas aún más pequeñas: los quarks. Pero la teoría de cuerdas dice que no termina con los quarks. Los quarks están formados por pequeñas hebras de energía que se retuercen y parecen cuerdas. Cada una de estas cuerdas es inimaginablemente pequeña.
Tan pequeño que si un átomo se agrandara hasta el tamaño del sistema solar, la cuerda sería del tamaño de un árbol. Así como las diferentes vibraciones de una cuerda de violonchelo crean lo que escuchamos, así como diferentes notas musicales, diferentes formas (modos) de vibración de una cuerda dan a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, etc. ¿Sabes en qué se diferencian, relativamente hablando, los protones en la punta de tu uña del gravitón aún no descubierto? Sólo por el conjunto de diminutas cuerdas que las componen y la forma en que esas cuerdas vibran.
Por supuesto, todo esto es más que sorprendente. Desde la época de la Antigua Grecia, los físicos se han acostumbrado al hecho de que todo en este mundo está formado por algo así como bolas, partículas diminutas. Y así, al no haber tenido tiempo de acostumbrarse al comportamiento ilógico de estas bolas, que se deriva de la mecánica cuántica, se les pide que abandonen por completo el paradigma y operen con una especie de trozos de espagueti...
Quinta Dimensión
Aunque muchos científicos consideran que la teoría de cuerdas es un triunfo de las matemáticas, aún persisten algunos problemas, en particular la falta de posibilidad de probarla experimentalmente en un futuro próximo. Ningún instrumento en el mundo, ni existente ni capaz de aparecer en el futuro, es capaz de “ver” las cuerdas. Por eso, algunos científicos, por cierto, incluso se preguntan: ¿es la teoría de cuerdas una teoría de la física o de la filosofía?... Es cierto que no es necesario en absoluto ver las cuerdas "con tus propios ojos". Demostrar la teoría de cuerdas requiere, más bien, algo más (lo que parece ciencia ficción): la confirmación de la existencia de dimensiones adicionales del espacio.
¿De qué se trata? Todos estamos acostumbrados a las tres dimensiones del espacio y al tiempo. Pero la teoría de cuerdas predice la presencia de otras dimensiones extra. Pero comencemos en orden.
De hecho, la idea de la existencia de otras dimensiones surgió hace casi cien años. Se le ocurrió en 1919 al entonces desconocido matemático alemán Theodor Kaluza. Sugirió la posibilidad de otra dimensión en nuestro Universo que no vemos. Albert Einstein se enteró de esta idea y al principio le gustó mucho. Más tarde, sin embargo, dudó de su exactitud y retrasó la publicación de Kaluza durante dos años enteros. Al final, sin embargo, el artículo se publicó y la dimensión adicional se convirtió en una especie de pasatiempo para el genio de la física.
Como sabes, Einstein demostró que la gravedad no es más que una deformación de las dimensiones espacio-temporales. Kaluza sugirió que el electromagnetismo también podría ser ondas. ¿Por qué no lo vemos? Kaluza encontró la respuesta a esta pregunta: las ondas del electromagnetismo pueden existir en una dimensión adicional oculta. ¿Pero donde esta?
La respuesta a esta pregunta la dio el físico sueco Oskar Klein, quien sugirió que la quinta dimensión de Kaluza está plegada miles de millones de veces más fuerte que el tamaño de un átomo, razón por la cual no podemos verla. La idea de esta pequeña dimensión que nos rodea está en el corazón de la teoría de cuerdas.
Una de las formas propuestas de dimensiones retorcidas adicionales. Dentro de cada una de estas formas, vibra y se mueve una cuerda, el componente principal del Universo. Cada forma es de seis dimensiones, según el número de seis dimensiones adicionales /
Diez dimensiones
Pero, de hecho, las ecuaciones de la teoría de cuerdas no requieren ni siquiera una, sino seis dimensiones adicionales (en total, de las cuatro que conocemos, hay exactamente 10). Todos ellos tienen una forma compleja muy retorcida y curvada. Y todo es inimaginablemente pequeño.
¿Cómo pueden estas pequeñas medidas influir en nuestro gran mundo? Según la teoría de cuerdas, esto es decisivo: para ella la forma lo determina todo. Cuando presionas diferentes teclas en un saxofón, obtienes diferentes sonidos. Esto sucede porque cuando presionas una tecla o combinación de teclas en particular, cambias la forma del espacio en el instrumento musical por donde circula el aire. Gracias a esto nacen diferentes sonidos.
La teoría de cuerdas sugiere que dimensiones adicionales del espacio, curvas y retorcidas, se manifiestan de manera similar. Las formas de estas dimensiones adicionales son complejas y variadas, y cada una hace que la cuerda ubicada dentro de dichas dimensiones vibre de manera diferente precisamente debido a sus formas. Después de todo, si suponemos, por ejemplo, que una cuerda vibra dentro de una jarra y la otra dentro de un cuerno de poste curvo, serán vibraciones completamente diferentes. Sin embargo, si uno cree en la teoría de cuerdas, en realidad las formas de las dimensiones adicionales parecen mucho más complejas que una jarra.
como funciona el mundo
La ciencia hoy conoce un conjunto de números que son las constantes fundamentales del Universo. Son ellos quienes determinan las propiedades y características de todo lo que nos rodea. Entre tales constantes se encuentran, por ejemplo, la carga de un electrón, la constante gravitacional, la velocidad de la luz en el vacío... Y si cambiamos estos números aunque sea un número insignificante de veces, las consecuencias serán catastróficas. Supongamos que aumentamos la fuerza de la interacción electromagnética. ¿Qué pasó? De repente podemos descubrir que los iones comienzan a repelerse entre sí con más fuerza y que la fusión nuclear, que hace que las estrellas brillen e irradien calor, falle repentinamente. Todas las estrellas se apagarán.
Pero ¿qué tiene que ver la teoría de cuerdas con sus dimensiones adicionales? El caso es que, según él, son las dimensiones adicionales las que determinan el valor exacto de las constantes fundamentales. Algunas formas de medición hacen que una cuerda vibre de cierta manera y produzca lo que vemos como un fotón. En otras formas, las cuerdas vibran de manera diferente y producen un electrón. En verdad, Dios está en las “pequeñas cosas”: son estas pequeñas formas las que determinan todas las constantes fundamentales de este mundo.
Teoría de supercuerdas
A mediados de la década de 1980, la teoría de cuerdas adquirió una apariencia grandiosa y ordenada, pero dentro del monumento reinaba la confusión. En tan sólo unos años han surgido hasta cinco versiones de la teoría de cuerdas. Y aunque cada una de ellas está construida sobre cuerdas y dimensiones adicionales (las cinco versiones se combinan en la teoría general de supercuerdas - NS), estas versiones divergieron significativamente en los detalles.
Entonces, en algunas versiones las cuerdas tenían extremos abiertos, en otras parecían anillos. Y en algunas versiones, la teoría incluso requería no 10, sino hasta 26 dimensiones. La paradoja es que las cinco versiones actuales pueden considerarse igualmente ciertas. ¿Pero cuál describe realmente nuestro Universo? Éste es otro misterio de la teoría de cuerdas. Por eso muchos físicos han vuelto a abandonar la teoría “loca”.
Pero el principal problema de las cuerdas, como ya se ha dicho, es la imposibilidad (al menos por ahora) de demostrar experimentalmente su presencia.
Algunos científicos, sin embargo, todavía dicen que la próxima generación de aceleradores tiene una posibilidad mínima, pero aún así, de probar la hipótesis de dimensiones adicionales. Aunque la mayoría, por supuesto, está segura de que si esto es posible, lamentablemente no sucederá muy pronto, al menos en décadas, como máximo, ni siquiera en cien años.
La teoría de la relatividad presenta el universo como “plano”, pero la mecánica cuántica afirma que a nivel micro hay un movimiento infinito que curva el espacio. La teoría de cuerdas combina estas ideas y presenta las micropartículas como consecuencia de la unión de las cuerdas unidimensionales más delgadas, que tendrán la apariencia de micropartículas puntuales y, por tanto, no podrán observarse experimentalmente.
Esta hipótesis nos permite imaginar las partículas elementales que componen un átomo a partir de fibras ultramicroscópicas llamadas cuerdas.
Todas las propiedades de las partículas elementales se explican por la vibración resonante de las fibras que las forman. Estas fibras pueden vibrar de infinitas formas. Esta teoría implica combinar las ideas de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Pero debido a la presencia de muchos problemas para confirmar los pensamientos subyacentes, la mayoría de los científicos modernos creen que las ideas propuestas no son más que la profanación más común o, en otras palabras, la teoría de cuerdas para tontos, es decir, para personas que son completamente ignorante de la ciencia y la estructura del mundo circundante.
Propiedades de las fibras ultramicroscópicas.
Para comprender su esencia, puedes imaginar las cuerdas de los instrumentos musicales: pueden vibrar, doblarse y curvarse. Lo mismo ocurre con estos hilos que, emitiendo determinadas vibraciones, interactúan entre sí, se pliegan en bucles y forman partículas más grandes (electrones, quarks), cuya masa depende de la frecuencia de vibración de las fibras y de su tensión: estos Los indicadores determinan la energía de las cuerdas. Cuanto mayor es la energía emitida, mayor es la masa de la partícula elemental.
Teoría inflacionaria y cuerdas.
Según la hipótesis de la inflación, el Universo se creó debido a la expansión del microespacio, del tamaño de una cuerda (longitud de Planck). A medida que esta área aumentó, las llamadas fibras ultramicroscópicas se estiraron y ahora su longitud es proporcional al tamaño del Universo. Interactúan entre sí de la misma manera y producen las mismas vibraciones y vibraciones. Se parece al efecto que producen las lentes gravitacionales, distorsionando los rayos de luz de galaxias distantes. Y las vibraciones longitudinales generan radiación gravitacional.
Inconsistencia matemática y otros problemas.
Se considera que uno de los problemas es la inconsistencia matemática de la teoría: los físicos que la estudian carecen de fórmulas para llevarla a su forma completa. Y la segunda es que esta teoría cree que hay 10 dimensiones, pero sentimos solo 4: alto, ancho, largo y tiempo. Los científicos sugieren que los 6 restantes se encuentran en un estado retorcido, cuya presencia no se siente en tiempo real. Además, el problema no es la posibilidad de confirmación experimental de esta teoría, pero tampoco nadie puede refutarla.
¿Alguna vez has pensado que el Universo es como un violonchelo? Así es, ella no vino. Porque el Universo no es como un violonchelo. Pero eso no significa que no tenga cuerdas. Hablemos hoy de teoría de cuerdas.
Por supuesto, las cuerdas del universo no se parecen en nada a las que imaginamos. En la teoría de cuerdas, son hilos de energía vibrantes increíblemente pequeños. Estos hilos se parecen más a pequeñas “bandas elásticas” que pueden retorcerse, estirarse y comprimirse de muchas formas. Todo esto, sin embargo, no significa que sea imposible "tocar" la sinfonía del Universo con ellos, porque, según los teóricos de cuerdas, todo lo que existe está formado por estos "hilos".
Contradicción física
En la segunda mitad del siglo XIX, a los físicos les parecía que ya no se podía descubrir nada serio en su ciencia. La física clásica creía que no quedaban problemas graves en él y que toda la estructura del mundo parecía una máquina perfectamente regulada y predecible. El problema, como de costumbre, se debió a una tontería: una de las pequeñas "nubes" que aún permanecían en el claro y comprensible cielo de la ciencia. Es decir, al calcular la energía de radiación de un cuerpo absolutamente negro (un cuerpo hipotético que, a cualquier temperatura, absorbe completamente la radiación que incide sobre él, independientemente de la longitud de onda - NS).
Los cálculos mostraron que la energía de radiación total de cualquier cuerpo absolutamente negro debería ser infinitamente grande. Para alejarse de un absurdo tan obvio, el científico alemán Max Planck propuso en 1900 que la luz visible, los rayos X y otras ondas electromagnéticas sólo pueden ser emitidas por ciertas porciones discretas de energía, a las que llamó cuantos. Con su ayuda fue posible resolver el particular problema de un cuerpo absolutamente negro. Sin embargo, las consecuencias de la hipótesis cuántica para el determinismo aún no se habían comprendido. Hasta que, en 1926, otro científico alemán, Werner Heisenberg, formuló el famoso principio de incertidumbre.
Su esencia se reduce al hecho de que, contrariamente a todas las afirmaciones anteriores, la naturaleza limita nuestra capacidad de predecir el futuro basándose en leyes físicas. Por supuesto, estamos hablando del futuro y el presente de las partículas subatómicas. Resultó que se comportan de manera completamente diferente a como lo hacen cualquier cosa en el macrocosmos que nos rodea. A nivel subatómico, la estructura del espacio se vuelve desigual y caótica. El mundo de las partículas diminutas es tan turbulento e incomprensible que desafía el sentido común. El espacio y el tiempo están tan retorcidos y entrelazados que no existen conceptos ordinarios de izquierda y derecha, arriba y abajo, o incluso antes y después.
No hay forma de decir con seguridad en qué punto del espacio se encuentra actualmente una partícula en particular y cuál es su momento angular. Sólo existe una cierta probabilidad de encontrar una partícula en muchas regiones del espacio-tiempo. Las partículas a nivel subatómico parecen estar “manchadas” por todo el espacio. No sólo eso, sino que el “estado” de las partículas en sí no está definido: en algunos casos se comportan como ondas, en otros exhiben propiedades de partículas. Esto es lo que los físicos llaman la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.
Niveles de la estructura del mundo: 1. Nivel macroscópico - materia 2. Nivel molecular 3. Nivel atómico - protones, neutrones y electrones 4. Nivel subatómico - electrón 5. Nivel subatómico - quarks 6. Nivel de cuerda
En la Teoría General de la Relatividad, como en un estado con leyes opuestas, la situación es fundamentalmente diferente. El espacio parece ser como un trampolín: una tela suave que los objetos con masa pueden doblar y estirar. Crean deformaciones en el espacio-tiempo, lo que experimentamos como gravedad. No hace falta decir que la armoniosa, correcta y predecible Teoría General de la Relatividad está en un conflicto insoluble con el “matón excéntrico”: la mecánica cuántica y, como resultado, el macromundo no puede “hacer las paces” con el micromundo. Aquí es donde la teoría de cuerdas viene al rescate.
Universo 2D. Gráfico poliedro E8 Teoría del todo
La teoría de cuerdas encarna el sueño de todos los físicos de unificar las dos, fundamentalmente contradictorias, la relatividad general y la mecánica cuántica, un sueño que persiguió al mayor "gitano y vagabundo" Albert Einstein hasta el final de sus días.
Muchos científicos creen que todo, desde la exquisita danza de las galaxias hasta la loca danza de las partículas subatómicas, puede explicarse en última instancia mediante un solo principio físico fundamental. Quizás incluso una única ley que una todos los tipos de energía, partículas e interacciones en alguna fórmula elegante.
La relatividad general describe una de las fuerzas más famosas del Universo: la gravedad. La mecánica cuántica describe otras tres fuerzas: la fuerza nuclear fuerte, que une protones y neutrones en los átomos, el electromagnetismo y la fuerza débil, que interviene en la desintegración radiactiva. Cualquier evento en el universo, desde la ionización de un átomo hasta el nacimiento de una estrella, se describe por las interacciones de la materia a través de estas cuatro fuerzas.
Con la ayuda de las matemáticas más complejas, fue posible demostrar que las interacciones electromagnéticas y débiles tienen una naturaleza común, combinándolas en una sola interacción electrodébil. Posteriormente se les añadió una fuerte interacción nuclear, pero la gravedad no los une de ninguna manera. La teoría de cuerdas es uno de los candidatos más serios para conectar las cuatro fuerzas y, por lo tanto, abarcar todos los fenómenos del Universo; no en vano también se la llama la "Teoría del Todo".
Al principio había un mito.
Hasta ahora, no todos los físicos están entusiasmados con la teoría de cuerdas. Y en los albores de su aparición, parecía infinitamente lejos de la realidad. Su mismo nacimiento es una leyenda.
Gráfica de la función beta de Euler con argumentos reales
A finales de la década de 1960, un joven físico teórico italiano, Gabriele Veneziano, buscaba ecuaciones que pudieran explicar la fuerza nuclear fuerte, el “pegamento” extremadamente poderoso que mantiene unidos los núcleos de los átomos, uniendo protones y neutrones. Según la leyenda, un día tropezó accidentalmente con un libro polvoriento sobre la historia de las matemáticas, en el que encontró una función escrita hace doscientos años por primera vez por el matemático suizo Leonhard Euler. Imaginemos la sorpresa de Veneziano cuando descubrió que la función de Euler, considerada durante mucho tiempo nada más que una curiosidad matemática, describía esta fuerte interacción.
¿Cómo fue realmente? La fórmula probablemente fue el resultado de muchos años de trabajo de Veneziano, y el azar sólo ayudó a dar el primer paso hacia el descubrimiento de la teoría de cuerdas. La función de Euler, que explicaba milagrosamente la fuerza fuerte, ha encontrado nueva vida.
Finalmente, llamó la atención del joven físico teórico estadounidense Leonard Susskind, quien vio que, en primer lugar, la fórmula describía partículas que no tenían estructura interna y podían vibrar. Estas partículas se comportaron de tal manera que no podían ser simplemente partículas puntuales. Susskind lo entendió: la fórmula describe un hilo que es como una banda elástica. No sólo podía estirarse y contraerse, sino también oscilar y retorcerse. Después de describir su descubrimiento, Susskind introdujo la idea revolucionaria de las cuerdas.
Desafortunadamente, la inmensa mayoría de sus colegas acogieron la teoría con mucha frialdad.
Modelo estandar
En aquel momento, la ciencia convencional representaba las partículas como puntos y no como cuerdas. Durante años, los físicos han estudiado el comportamiento de las partículas subatómicas colisionándolas a altas velocidades y estudiando las consecuencias de estas colisiones. Resultó que el Universo es mucho más rico de lo que uno podría imaginar. Fue una auténtica “explosión demográfica” de partículas elementales. Los estudiantes de física corrieron por los pasillos gritando que habían descubierto una nueva partícula; ni siquiera había suficientes letras para designarlas. Pero, por desgracia, en el "hospital de maternidad" de nuevas partículas, los científicos nunca pudieron encontrar la respuesta a la pregunta: ¿por qué hay tantas y de dónde vienen?
Esto llevó a los físicos a hacer una predicción inusual y sorprendente: se dieron cuenta de que las fuerzas que actúan en la naturaleza también podrían explicarse en términos de partículas. Es decir, hay partículas de materia y hay partículas que llevan interacciones. Por ejemplo, un fotón es una partícula de luz. Cuantas más partículas portadoras (los mismos fotones que intercambian las partículas de materia) más brillante será la luz. Los científicos predijeron que este intercambio particular de partículas portadoras no es más que lo que percibimos como fuerza. Esto fue confirmado por experimentos. Así fue como los físicos lograron acercarse al sueño de Einstein de unir fuerzas.
Los científicos creen que si avanzamos hasta justo después del Big Bang, cuando el Universo estaba billones de grados más caliente, las partículas que transportan el electromagnetismo y la fuerza débil se volverán indistinguibles y se combinarán en una sola fuerza llamada fuerza electrodébil. Y si retrocedemos aún más en el tiempo, la interacción electrodébil se combinaría con la fuerte en una “superfuerza” total.
Aunque todo esto aún está por demostrarse, la mecánica cuántica de repente explicó cómo interactúan tres de las cuatro fuerzas a nivel subatómico. Y lo explicó de manera hermosa y consistente. Esta imagen coherente de interacciones finalmente se conoció como el Modelo Estándar. Pero, por desgracia, esta teoría perfecta tenía un gran problema: no incluía la fuerza de nivel macro más famosa: la gravedad.
Interacciones entre diferentes partículas en el Modelo Estándar
Gravitón
Para la teoría de cuerdas, que aún no había tenido tiempo de “florecer”, ha llegado el “otoño” y contenía demasiados problemas desde su mismo nacimiento; Por ejemplo, los cálculos de la teoría predijeron la existencia de partículas que, como pronto se demostró, no existen. Este es el llamado taquión, una partícula que se mueve en el vacío más rápido que la luz. Entre otras cosas, resultó que la teoría requiere hasta 10 dimensiones. No es sorprendente que esto haya resultado muy confuso para los físicos, ya que obviamente es más grande de lo que vemos.
En 1973, sólo unos pocos físicos jóvenes seguían lidiando con los misterios de la teoría de cuerdas. Uno de ellos fue el físico teórico estadounidense John Schwartz. Durante cuatro años, Schwartz intentó domar las ecuaciones rebeldes, pero fue en vano. Entre otros problemas, una de estas ecuaciones persistía en describir una partícula misteriosa que no tenía masa y no había sido observada en la naturaleza.
El científico ya había decidido abandonar su desastroso negocio, y entonces se dio cuenta: ¿tal vez las ecuaciones de la teoría de cuerdas también describen la gravedad? Sin embargo, esto implicó una revisión de las dimensiones de los principales “héroes” de la teoría: las cuerdas. Al suponer que las cuerdas son miles de millones y miles de millones de veces más pequeñas que un átomo, los “cordones” convirtieron la desventaja de la teoría en una ventaja. La misteriosa partícula de la que John Schwartz había intentado con tanta insistencia deshacerse ahora actuaba como un gravitón, una partícula que se había buscado durante mucho tiempo y que permitiría transferir la gravedad al nivel cuántico. Así es como la teoría de cuerdas completó el rompecabezas de la gravedad, que faltaba en el modelo estándar. Pero, por desgracia, incluso ante este descubrimiento la comunidad científica no reaccionó de ninguna manera. La teoría de cuerdas permaneció al borde de la supervivencia. Pero eso no detuvo a Schwartz. Sólo un científico quiso unirse a su búsqueda, dispuesto a arriesgar su carrera por unos hilos misteriosos: Michael Green.
Muñecas subatómicas para anidar
A pesar de todo, a principios de los años 1980, la teoría de cuerdas todavía tenía contradicciones insolubles, llamadas anomalías en la ciencia. Schwartz y Green se propusieron eliminarlos. Y sus esfuerzos no fueron en vano: los científicos lograron eliminar algunas de las contradicciones de la teoría. Imagínense el asombro de estos dos, ya acostumbrados a que su teoría fuera ignorada, cuando la reacción de la comunidad científica hizo estallar el mundo científico. En menos de un año, el número de teóricos de cuerdas ha aumentado a cientos de personas. Fue entonces cuando la teoría de cuerdas recibió el título de Teoría del Todo. La nueva teoría parecía capaz de describir todos los componentes del universo. Y estos son los componentes.
Cada átomo, como sabemos, está formado por partículas aún más pequeñas: electrones, que giran alrededor de un núcleo formado por protones y neutrones. Los protones y neutrones, a su vez, están formados por partículas aún más pequeñas: los quarks. Pero la teoría de cuerdas dice que no termina con los quarks. Los quarks están formados por pequeñas hebras de energía que se retuercen y parecen cuerdas. Cada una de estas cuerdas es inimaginablemente pequeña.
Tan pequeño que si un átomo se agrandara hasta el tamaño del sistema solar, la cuerda sería del tamaño de un árbol. Así como las diferentes vibraciones de una cuerda de violonchelo crean lo que escuchamos, así como diferentes notas musicales, diferentes formas (modos) de vibración de una cuerda dan a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, etc. ¿Sabes en qué se diferencian, relativamente hablando, los protones en la punta de tu uña del gravitón aún no descubierto? Sólo por el conjunto de diminutas cuerdas que las componen y la forma en que esas cuerdas vibran.
Por supuesto, todo esto es más que sorprendente. Desde la época de la Antigua Grecia, los físicos se han acostumbrado al hecho de que todo en este mundo está formado por algo así como bolas, partículas diminutas. Y así, al no haber tenido tiempo de acostumbrarse al comportamiento ilógico de estas bolas, que se deriva de la mecánica cuántica, se les pide que abandonen por completo el paradigma y operen con una especie de trozos de espagueti...
Quinta Dimensión
Aunque muchos científicos consideran que la teoría de cuerdas es un triunfo de las matemáticas, aún persisten algunos problemas, en particular la falta de posibilidad de probarla experimentalmente en un futuro próximo. Ningún instrumento en el mundo, ni existente ni capaz de aparecer en el futuro, es capaz de “ver” las cuerdas. Por eso, algunos científicos, por cierto, incluso se preguntan: ¿es la teoría de cuerdas una teoría de la física o de la filosofía?... Es cierto que no es necesario en absoluto ver las cuerdas "con tus propios ojos". Demostrar la teoría de cuerdas requiere, más bien, algo más (lo que parece ciencia ficción): la confirmación de la existencia de dimensiones adicionales del espacio.
¿De qué se trata? Todos estamos acostumbrados a las tres dimensiones del espacio y al tiempo. Pero la teoría de cuerdas predice la presencia de otras dimensiones extra. Pero comencemos en orden.
De hecho, la idea de la existencia de otras dimensiones surgió hace casi cien años. Se le ocurrió en 1919 al entonces desconocido matemático alemán Theodor Kaluza. Sugirió la posibilidad de otra dimensión en nuestro Universo que no vemos. Albert Einstein se enteró de esta idea y al principio le gustó mucho. Más tarde, sin embargo, dudó de su exactitud y retrasó la publicación de Kaluza durante dos años enteros. Al final, sin embargo, el artículo se publicó y la dimensión adicional se convirtió en una especie de pasatiempo para el genio de la física.
Como sabes, Einstein demostró que la gravedad no es más que una deformación de las dimensiones espacio-temporales. Kaluza sugirió que el electromagnetismo también podría ser ondas. ¿Por qué no lo vemos? Kaluza encontró la respuesta a esta pregunta: las ondas del electromagnetismo pueden existir en una dimensión adicional oculta. ¿Pero donde esta?
La respuesta a esta pregunta la dio el físico sueco Oskar Klein, quien sugirió que la quinta dimensión de Kaluza está plegada miles de millones de veces más fuerte que el tamaño de un átomo, razón por la cual no podemos verla. La idea de esta pequeña dimensión que nos rodea está en el corazón de la teoría de cuerdas.
Una de las formas propuestas de dimensiones retorcidas adicionales. Dentro de cada una de estas formas, vibra y se mueve una cuerda, el componente principal del Universo. Cada forma es de seis dimensiones, según el número de seis dimensiones adicionales.
Diez dimensiones
Pero, de hecho, las ecuaciones de la teoría de cuerdas no requieren ni siquiera una, sino seis dimensiones adicionales (en total, de las cuatro que conocemos, hay exactamente 10). Todos ellos tienen una forma compleja muy retorcida y curvada. Y todo es inimaginablemente pequeño.
¿Cómo pueden estas pequeñas medidas influir en nuestro gran mundo? Según la teoría de cuerdas, esto es decisivo: para ella la forma lo determina todo. Cuando presionas diferentes teclas en un saxofón, obtienes diferentes sonidos. Esto sucede porque cuando presionas una tecla o combinación de teclas en particular, cambias la forma del espacio en el instrumento musical por donde circula el aire. Gracias a esto nacen diferentes sonidos.
La teoría de cuerdas sugiere que dimensiones adicionales del espacio, curvas y retorcidas, se manifiestan de manera similar. Las formas de estas dimensiones adicionales son complejas y variadas, y cada una hace que la cuerda ubicada dentro de dichas dimensiones vibre de manera diferente precisamente debido a sus formas. Después de todo, si suponemos, por ejemplo, que una cuerda vibra dentro de una jarra y la otra dentro de un cuerno de poste curvo, serán vibraciones completamente diferentes. Sin embargo, si uno cree en la teoría de cuerdas, en realidad las formas de las dimensiones adicionales parecen mucho más complejas que una jarra.
como funciona el mundo
La ciencia hoy conoce un conjunto de números que son las constantes fundamentales del Universo. Son ellos quienes determinan las propiedades y características de todo lo que nos rodea. Entre tales constantes se encuentran, por ejemplo, la carga de un electrón, la constante gravitacional, la velocidad de la luz en el vacío... Y si cambiamos estos números aunque sea un número insignificante de veces, las consecuencias serán catastróficas. Supongamos que aumentamos la fuerza de la interacción electromagnética. ¿Qué pasó? De repente podemos descubrir que los iones comienzan a repelerse entre sí con más fuerza y que la fusión nuclear, que hace que las estrellas brillen e irradien calor, falle repentinamente. Todas las estrellas se apagarán.
Pero ¿qué tiene que ver la teoría de cuerdas con sus dimensiones adicionales? El caso es que, según él, son las dimensiones adicionales las que determinan el valor exacto de las constantes fundamentales. Algunas formas de medición hacen que una cuerda vibre de cierta manera y produzca lo que vemos como un fotón. En otras formas, las cuerdas vibran de manera diferente y producen un electrón. En verdad, Dios está en las “pequeñas cosas”: son estas pequeñas formas las que determinan todas las constantes fundamentales de este mundo.
Teoría de supercuerdas
A mediados de la década de 1980, la teoría de cuerdas adquirió una apariencia grandiosa y ordenada, pero dentro del monumento reinaba la confusión. En tan sólo unos años han surgido hasta cinco versiones de la teoría de cuerdas. Y aunque cada una de ellas está construida sobre cuerdas y dimensiones adicionales (las cinco versiones se combinan en la teoría general de supercuerdas - NS), estas versiones divergieron significativamente en los detalles.
Entonces, en algunas versiones las cuerdas tenían extremos abiertos, en otras parecían anillos. Y en algunas versiones, la teoría incluso requería no 10, sino hasta 26 dimensiones. La paradoja es que las cinco versiones actuales pueden considerarse igualmente ciertas. ¿Pero cuál describe realmente nuestro Universo? Éste es otro misterio de la teoría de cuerdas. Por eso muchos físicos han vuelto a abandonar la teoría “loca”.
Pero el principal problema de las cuerdas, como ya se ha dicho, es la imposibilidad (al menos por ahora) de demostrar experimentalmente su presencia.
Algunos científicos, sin embargo, todavía dicen que la próxima generación de aceleradores tiene una posibilidad mínima, pero aún así, de probar la hipótesis de dimensiones adicionales. Aunque la mayoría, por supuesto, está segura de que si esto es posible, lamentablemente no sucederá muy pronto, al menos en décadas, como máximo, ni siquiera en cien años.
Actualmente se considera que varias versiones de la teoría de cuerdas son los principales contendientes por el título de una teoría integral y universal que explique la naturaleza de todo. Y esta es una especie de Santo Grial de los físicos teóricos involucrados en la teoría de las partículas elementales y la cosmología. La teoría universal (también la teoría de todo lo que existe) contiene sólo unas pocas ecuaciones que combinan todo el conocimiento humano sobre la naturaleza de las interacciones y las propiedades de los elementos fundamentales de la materia a partir de los cuales se construye el Universo.
Hoy en día, la teoría de cuerdas se ha combinado con el concepto de supersimetría, dando como resultado el nacimiento de la teoría de supercuerdas, y hoy este es el máximo que se ha logrado en términos de unificar la teoría de las cuatro interacciones básicas (fuerzas que actúan en la naturaleza). La propia teoría de la supersimetría ya está construida sobre la base de un concepto moderno a priori, según el cual cualquier interacción remota (de campo) se debe al intercambio de partículas portadoras de interacción del tipo correspondiente entre partículas que interactúan (ver Modelo estándar). Para mayor claridad, las partículas que interactúan pueden considerarse los "ladrillos" del universo, y las partículas portadoras pueden considerarse cemento.
La teoría de cuerdas es una rama de la física matemática que estudia la dinámica no de partículas puntuales, como la mayoría de las ramas de la física, sino de objetos extendidos unidimensionales, es decir. instrumentos de cuerda
Dentro del modelo estándar, los quarks actúan como bloques de construcción, y los bosones de calibre, que estos quarks intercambian entre sí, actúan como portadores de interacción. La teoría de la supersimetría va aún más lejos y afirma que los quarks y los leptones en sí no son fundamentales: todos consisten en estructuras (bloques de construcción) de materia aún más pesadas y no descubiertas experimentalmente, mantenidas unidas por un "cemento" aún más fuerte de partículas de superenergía. -portadores de interacciones que los quarks compuestos de hadrones y bosones.
Naturalmente, ninguna de las predicciones de la teoría de la supersimetría ha sido probada todavía en condiciones de laboratorio; sin embargo, los hipotéticos componentes ocultos del mundo material ya tienen nombres, por ejemplo, selektron (compañero supersimétrico del electrón), squark, etc. La existencia de estas partículas, sin embargo, teorías de este tipo se predicen sin ambigüedades.
Sin embargo, la imagen del Universo que ofrecen estas teorías es bastante fácil de visualizar. En una escala de aproximadamente 10E-35 m, es decir, 20 órdenes de magnitud menor que el diámetro del mismo protón, que incluye tres quarks unidos, la estructura de la materia difiere de lo que estamos acostumbrados incluso al nivel de las partículas elementales. . A distancias tan pequeñas (y con energías de interacción tan altas que es inimaginable), la materia se convierte en una serie de ondas estacionarias de campo, similares a las excitadas en las cuerdas de los instrumentos musicales. Al igual que en una cuerda de guitarra, en dicha cuerda, además del tono fundamental, se pueden excitar muchos sobretonos o armónicos. Cada armónico tiene su propio estado energético. Según el principio de la relatividad (ver Teoría de la Relatividad), la energía y la masa son equivalentes, lo que significa que cuanto mayor es la frecuencia de la vibración de la onda armónica de la cuerda, mayor es su energía y mayor es la masa de la partícula observada.
Sin embargo, si es bastante fácil visualizar una onda estacionaria en una cuerda de guitarra, las ondas estacionarias propuestas por la teoría de supercuerdas son difíciles de visualizar; el hecho es que las vibraciones de las supercuerdas ocurren en un espacio que tiene 11 dimensiones. Estamos acostumbrados al espacio de cuatro dimensiones, que contiene tres dimensiones espaciales y una temporal (izquierda-derecha, arriba-abajo, adelante-atrás, pasado-futuro). En el espacio de supercuerdas, las cosas son mucho más complicadas (ver cuadro). Los físicos teóricos evitan el resbaladizo problema de las dimensiones espaciales "extra" argumentando que están "ocultas" (o, en términos científicos, "compactadas") y, por lo tanto, no se observan en energías ordinarias.
Más recientemente, la teoría de cuerdas se ha desarrollado aún más en forma de la teoría de membranas multidimensionales: en esencia, son las mismas cuerdas, pero planas. Como bromeó casualmente uno de sus autores, las membranas se diferencian de las cuerdas aproximadamente de la misma manera que los fideos se diferencian de los fideos.
Quizás esto sea todo lo que pueda decirse brevemente sobre una de las teorías que, no sin razón, hoy pretende ser la teoría universal de la Gran Unificación de todas las interacciones de fuerzas. Por desgracia, esta teoría no está exenta de pecado. En primer lugar, aún no se ha llevado a una forma matemática estricta debido a la insuficiencia del aparato matemático para ponerlo en una correspondencia interna estricta. Han pasado 20 años desde que nació esta teoría y nadie ha podido armonizar consistentemente algunos de sus aspectos y versiones con otros. Lo que es aún más desagradable es que ninguno de los teóricos que proponen la teoría de cuerdas (y especialmente las supercuerdas) ha propuesto todavía un solo experimento en el que estas teorías pudieran probarse en el laboratorio. Por desgracia, me temo que hasta que hagan esto, todo su trabajo seguirá siendo un extraño juego de fantasía y ejercicios para comprender el conocimiento esotérico fuera de la corriente principal de las ciencias naturales.
Estudiando las propiedades de los agujeros negros
En 1996, los teóricos de cuerdas Andrew Strominger y Kumrun Vafa se basaron en resultados anteriores de Susskind y Sen para publicar "La naturaleza microscópica de Bekenstein y la entropía de Hawking". En este trabajo, Strominger y Vafa pudieron utilizar la teoría de cuerdas para encontrar los componentes microscópicos de una determinada clase de agujeros negros y calcular con precisión las contribuciones de entropía de estos componentes. El trabajo se basó en un nuevo método que iba en parte más allá de la teoría de la perturbación utilizada en los años 1980 y principios de los 1990. El resultado del trabajo coincidió exactamente con las predicciones de Bekenstein y Hawking, realizadas más de veinte años antes.
Strominger y Vafa opusieron un enfoque constructivo a los procesos reales de formación de agujeros negros. Cambiaron la visión de la formación de los agujeros negros, demostrando que pueden construirse ensamblando minuciosamente en un solo mecanismo el conjunto exacto de branas descubierto durante la segunda revolución de las supercuerdas.
Con todos los controles de la estructura microscópica de un agujero negro en la mano, Strominger y Vafa pudieron calcular el número de permutaciones de los componentes microscópicos de un agujero negro que dejarían sin cambios las características observables generales, como la masa y la carga. Luego compararon el número resultante con el área del horizonte de sucesos del agujero negro (la entropía predicha por Bekenstein y Hawking) y encontraron una concordancia perfecta. Al menos para la clase de agujeros negros extremos, Strominger y Vafa pudieron encontrar una aplicación de la teoría de cuerdas para analizar componentes microscópicos y calcular con precisión la entropía correspondiente. El problema que habían enfrentado los físicos durante un cuarto de siglo había sido resuelto.
Para muchos teóricos, este descubrimiento fue un argumento importante y convincente en apoyo de la teoría de cuerdas. El desarrollo de la teoría de cuerdas es todavía demasiado tosco para una comparación directa y precisa con resultados experimentales, por ejemplo, con mediciones de la masa de un quark o un electrón. La teoría de cuerdas, sin embargo, proporciona la primera explicación fundamental para una propiedad de los agujeros negros descubierta hace mucho tiempo, cuya imposibilidad de explicar ha paralizado durante muchos años la investigación de los físicos que trabajan con teorías tradicionales. Incluso Sheldon Glashow, premio Nobel de Física y acérrimo opositor de la teoría de cuerdas en los años 1980, admitió en una entrevista en 1997 que “cuando los teóricos de cuerdas hablan de agujeros negros, están hablando casi de fenómenos observables, y eso es impresionante”.
Cosmología de cuerdas
Hay tres formas principales en que la teoría de cuerdas modifica el modelo cosmológico estándar. En primer lugar, en el espíritu de la investigación moderna, que aclara cada vez más la situación, de la teoría de cuerdas se deduce que el Universo debe tener un tamaño mínimo aceptable. Esta conclusión cambia la comprensión de la estructura del Universo inmediatamente en el momento del Big Bang, para el cual el modelo estándar arroja un tamaño cero del Universo. En segundo lugar, el concepto de dualidad T, es decir, la dualidad de radios pequeños y grandes (en su estrecha relación con la existencia de un tamaño mínimo) en la teoría de cuerdas, también es importante en cosmología. En tercer lugar, el número de dimensiones espacio-temporales en la teoría de cuerdas es más de cuatro, por lo que la cosmología debe describir la evolución de todas estas dimensiones.
Modelo de Brandenberg y Vafa
A finales de los años 1980. Robert Brandenberger y Kumrun Vafa han dado los primeros pasos importantes hacia la comprensión de cómo la teoría de cuerdas cambiará las implicaciones del modelo estándar de cosmología. Llegaron a dos conclusiones importantes. Primero, a medida que regresamos al Big Bang, la temperatura continúa aumentando hasta que el tamaño del Universo en todas las direcciones se vuelve igual a la longitud de Planck. En este punto la temperatura alcanzará su máximo y comenzará a descender. A nivel intuitivo no es difícil entender el por qué de este fenómeno. Supongamos por simplicidad (siguiendo a Brandenberger y Vafa) que todas las dimensiones espaciales del Universo son cíclicas. A medida que retrocedemos en el tiempo, el radio de cada círculo se reduce y la temperatura del universo aumenta. A partir de la teoría de cuerdas, sabemos que contraer los radios primero hasta la longitud de Planck y luego por debajo de ella es físicamente equivalente a reducir los radios a la longitud de Planck, seguido de su posterior aumento. Dado que la temperatura cae durante la expansión del Universo, los intentos fallidos de comprimir el Universo a tamaños más pequeños que la longitud de Planck conducirán al cese del crecimiento de la temperatura y a su posterior disminución.
Como resultado, Brandenberger y Vafa llegaron a la siguiente imagen cosmológica: primero, todas las dimensiones espaciales en la teoría de cuerdas están estrechamente plegadas hasta un tamaño mínimo del orden de la longitud de Planck. La temperatura y la energía son altas, pero no infinitas: las paradojas del punto de partida de tamaño cero en la teoría de cuerdas están resueltas. En el momento inicial de la existencia del Universo, todas las dimensiones espaciales de la teoría de cuerdas son completamente iguales y completamente simétricas: todas están acurrucadas en una masa multidimensional de dimensiones de Planck. Además, según Brandenberger y Vafa, el Universo pasa por la primera etapa de reducción de simetría, cuando en el momento de Planck se seleccionan tres dimensiones espaciales para su posterior expansión, y el resto conserva su tamaño original de Planck. Estas tres dimensiones se identifican luego con las dimensiones del escenario cosmológico inflacionario y, a través del proceso de evolución, toman la forma que ahora se observa.
Modelo Veneziano y Gasperini
Desde los trabajos de Brandenberger y Vafa, los físicos han avanzado continuamente hacia la comprensión de la cosmología de cuerdas. Entre los que lideran esta investigación se encuentran Gabriele Veneziano y su colega Maurizio Gasperini de la Universidad de Turín. Estos científicos presentaron su propia versión de la cosmología de cuerdas, que en algunos lugares es similar al escenario descrito anteriormente, pero en otros es fundamentalmente diferente. Al igual que Brandenberger y Vafa, para descartar la temperatura infinita y la densidad de energía que surgen en los modelos estándar e inflacionario, se basaron en la existencia de una longitud mínima en la teoría de cuerdas. Sin embargo, en lugar de concluir que, debido a esta propiedad, el Universo nace de un bulto de dimensiones de Planck, Gasperini y Veneziano sugirieron que existió un universo prehistórico que surgió mucho antes del momento llamado punto cero, y que dio origen a este “embrión” cósmico de dimensiones de Planck.
El estado inicial del Universo en este escenario y en el modelo del Big Bang son muy diferentes. Según Gasperini y Veneziano, el Universo no era una bola de dimensiones caliente y fuertemente retorcida, sino que era frío y tenía una extensión infinita. Luego, como se desprende de las ecuaciones de la teoría de cuerdas, la inestabilidad invadió el Universo y todos sus puntos comenzaron, como en la era de la inflación según Guth, a dispersarse rápidamente hacia los lados.
Gasperini y Veneziano demostraron que debido a esto el espacio se volvió cada vez más curvo y como resultado hubo un fuerte salto en la temperatura y la densidad de energía. Pasó un poco de tiempo y la región tridimensional de dimensiones milimétricas dentro de estas interminables extensiones se transformó en un punto cálido y denso, idéntico al punto que se forma durante la expansión inflacionaria según Guth. Luego todo transcurrió según el escenario estándar de la cosmología del Big Bang y la mancha en expansión se convirtió en el Universo observable.
Dado que la era anterior al Big Bang estaba experimentando su propia expansión inflacionaria, la solución de Guth a la paradoja del horizonte se integra automáticamente en este escenario cosmológico. Como dijo Veneziano (en una entrevista de 1998), “la teoría de cuerdas nos entrega una versión de la cosmología inflacionaria en bandeja de plata”.
El estudio de la cosmología de cuerdas se está convirtiendo rápidamente en un área de investigación activa y productiva. Por ejemplo, el escenario de la evolución antes del Big Bang ha sido objeto de acalorados debates más de una vez, y su lugar en la formulación cosmológica futura está lejos de ser obvio. Sin embargo, no hay duda de que esta formulación cosmológica se basará firmemente en la comprensión de los físicos de los resultados descubiertos durante la segunda revolución de las supercuerdas. Por ejemplo, las consecuencias cosmológicas de la existencia de membranas multidimensionales aún no están claras. En otras palabras, ¿cómo cambiará la idea de los primeros momentos de la existencia del Universo como resultado del análisis de la teoría M completa? Esta cuestión está siendo investigada intensamente.
