Teoría de cuerdas y supercuerdas. ¿Qué es la teoría de cuerdas? Breve y claramente para principiantes

¿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 maneras. 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 rápidamente 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”; contenía demasiados problemas desde su 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 ampliara al 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, las diferentes notas musicales, los diferentes modos (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 desprende 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 lo tanto, algunos científicos, por cierto, incluso se preguntan: ¿la teoría de cuerdas es una teoría de la física o de la filosofía?... Es cierto que ver las cuerdas "con tus propios ojos" no es en absoluto necesario. 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 y emitan 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 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 volvieron 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 componentes hipotéticos ocultos del mundo material ya tienen nombres, por ejemplo, el electrón (el compañero supersimétrico del electrón), el squark, etc. La existencia de estas partículas, sin embargo, se teoriza y se predice 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 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 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 bloque 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 futura formulación cosmológica 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.

Este ya es el cuarto tema. También se pide a los voluntarios que no olviden qué temas expresaron su deseo de cubrir, o tal vez alguien acaba de elegir un tema de la lista. Soy responsable de repostear y promocionar en las redes sociales. Y ahora nuestro tema: “teoría de cuerdas”

Probablemente hayas oído que la teoría científica más popular de nuestro tiempo, la teoría de cuerdas, implica la existencia de muchas más dimensiones de las que nos dice el sentido común.

El mayor problema para los físicos teóricos es cómo combinar todas las interacciones fundamentales (gravitatorias, electromagnéticas, débiles y fuertes) en una sola teoría. La teoría de las supercuerdas pretende ser la teoría del todo.

¡Pero resultó que el número más conveniente de dimensiones necesarias para que esta teoría funcione es hasta diez (nueve de las cuales son espaciales y una es temporal)! Si hay más o menos dimensiones, las ecuaciones matemáticas dan resultados irracionales que llegan al infinito: una singularidad.

La siguiente etapa en el desarrollo de la teoría de supercuerdas, la teoría M, ya cuenta con once dimensiones. Y otra versión, la teoría F, las doce. Y esto no es ninguna complicación. La teoría F describe un espacio de 12 dimensiones con ecuaciones más simples que la teoría M describe un espacio de 11 dimensiones.

Por supuesto, la física teórica no se llama teórica en vano. Todos sus logros existen hasta ahora sólo en el papel. Entonces, para explicar por qué sólo podemos movernos en el espacio tridimensional, los científicos comenzaron a hablar de cómo las desafortunadas dimensiones restantes tenían que reducirse a esferas compactas a nivel cuántico. Para ser precisos, no en esferas, sino en espacios de Calabi-Yau. Se trata de figuras tridimensionales, dentro de las cuales se encuentra su propio mundo con su propia dimensión. Una proyección bidimensional de dicha variedad se parece a esto:

Sí, esto parece un poco descabellado. Pero quizás esto sea precisamente lo que explica por qué el mundo cuántico es tan diferente del que percibimos.

Retrocedamos un poco en la historia.

En 1968, un joven físico teórico, Gabriele Veneziano, estaba estudiando minuciosamente las muchas características observadas experimentalmente de la fuerza nuclear fuerte. Veneziano, que entonces trabajaba en el CERN, el Laboratorio Europeo de Aceleradores en Ginebra, Suiza, trabajó en este problema durante varios años hasta que un día tuvo una idea brillante. Para su sorpresa, se dio cuenta de que una fórmula matemática exótica, inventada unos doscientos años antes por el famoso matemático suizo Leonhard Euler con fines puramente matemáticos -la llamada función beta de Euler- parecía capaz de describir de un solo golpe todas las numerosas Propiedades de las partículas involucradas en la interacción nuclear fuerte. La propiedad observada por Veneziano proporcionó una poderosa descripción matemática de muchas características de la interacción fuerte; provocó una avalancha de trabajos en los que la función beta y sus diversas generalizaciones se utilizaron para describir las grandes cantidades de datos acumulados a partir del estudio de las colisiones de partículas en todo el mundo. Sin embargo, en cierto sentido, la observación de Veneziano fue incompleta. Como una fórmula de memoria utilizada por un estudiante que no comprende su significado o significado, la función beta de Euler funcionó, pero nadie entendió por qué. Era una fórmula que requería explicación.

Gabriele Veneziano

Esto cambió en 1970, cuando Yoichiro Nambu de la Universidad de Chicago, Holger Nielsen del Instituto Niels Bohr y Leonard Susskind de la Universidad de Stanford pudieron descubrir el significado físico detrás de la fórmula de Euler. Estos físicos demostraron que cuando las partículas elementales se representan mediante pequeñas cuerdas unidimensionales que vibran, la fuerte interacción de estas partículas se describe exactamente mediante la función de Euler. Si los segmentos de cuerda fueran lo suficientemente pequeños, razonaron estos investigadores, todavía aparecerían como partículas puntuales y, por lo tanto, no contradirían las observaciones experimentales. Aunque esta teoría era simple e intuitivamente atractiva, pronto se demostró que la descripción de la fuerza fuerte en las cuerdas era errónea. A principios de los años 1970. Los físicos de altas energías han podido profundizar en el mundo subatómico y han demostrado que varias predicciones de modelos basados ​​en cuerdas están en conflicto directo con los resultados de observación. Al mismo tiempo, hubo un desarrollo paralelo de la teoría cuántica de campos (cromodinámica cuántica), que utilizaba un modelo puntual de partículas. El éxito de esta teoría al describir la interacción fuerte llevó al abandono de la teoría de cuerdas.
La mayoría de los físicos de partículas creían que la teoría de cuerdas había sido arrojada a la basura para siempre, pero varios investigadores se mantuvieron fieles a ella. Schwartz, por ejemplo, consideró que “la estructura matemática de la teoría de cuerdas es tan hermosa y tiene tantas propiedades sorprendentes que seguramente debe apuntar a algo más profundo” 2). Uno de los problemas que tuvieron los físicos con la teoría de cuerdas fue que parecía ofrecer demasiadas opciones, lo que resultaba confuso. Algunas configuraciones de cuerdas vibrantes en esta teoría tenían propiedades que se parecían a las propiedades de los gluones, lo que dio motivos para considerarla verdaderamente una teoría de la interacción fuerte. Sin embargo, además contenía partículas portadoras de interacción adicionales que no tenían nada que ver con las manifestaciones experimentales de la interacción fuerte. En 1974, Schwartz y Joel Scherk, de la École Technique Supérieure de Francia, hicieron una propuesta audaz que convirtió esta aparente desventaja en una ventaja. Después de estudiar los extraños modos de vibración de las cuerdas, que recuerdan a las partículas portadoras, se dieron cuenta de que estas propiedades coinciden sorprendentemente con las supuestas propiedades de la partícula hipotética portadora de interacción gravitacional: el gravitón. Aunque estas "partículas minúsculas" de interacción gravitacional aún no se han detectado, los teóricos pueden predecir con confianza algunas de las propiedades fundamentales que deberían tener estas partículas. Sherk y Schwartz descubrieron que estas características se cumplen exactamente para algunos modos de vibración. Basándose en esto, sugirieron que el primer advenimiento de la teoría de cuerdas fracasó porque los físicos limitaron demasiado su alcance. Sherk y Schwartz anunciaron que la teoría de cuerdas no es sólo una teoría de la fuerza fuerte, sino una teoría cuántica que, entre otras cosas, incluye la gravedad).

La comunidad física reaccionó a esta sugerencia con gran reserva. De hecho, según las memorias de Schwartz, “nuestro trabajo fue ignorado por todos” 4). Los caminos del progreso ya estaban llenos de numerosos intentos fallidos de combinar la gravedad y la mecánica cuántica. La teoría de cuerdas había fracasado en su intento inicial de describir la fuerza fuerte, y a muchos les parecía inútil intentar utilizarla para lograr objetivos aún mayores. Estudios posteriores, más detallados, a finales de los años setenta y principios de los ochenta. demostró que la teoría de cuerdas y la mecánica cuántica tienen sus propias contradicciones, aunque menores. Parecía que la fuerza gravitacional podía resistir nuevamente el intento de integrarla en una descripción del universo a nivel microscópico.
Eso fue hasta 1984. En un artículo histórico que resumía más de una década de intensa investigación que había sido en gran medida ignorada o rechazada por la mayoría de los físicos, Green y Schwartz establecieron que se podía permitir la pequeña inconsistencia con la teoría cuántica que plagaba la teoría de cuerdas. Además, demostraron que la teoría resultante era lo suficientemente amplia como para abarcar los cuatro tipos de fuerzas y todos los tipos de materia. La noticia de este resultado se extendió por toda la comunidad física, y cientos de físicos de partículas dejaron de trabajar en sus proyectos para participar en un asalto que parecía ser la batalla teórica final de un asalto que duró siglos a los cimientos más profundos del universo.
El éxito de Green y Schwartz finalmente llegó incluso a los estudiantes de posgrado de primer año, y la tristeza anterior fue reemplazada por una emocionante sensación de participación en un punto de inflexión en la historia de la física. Muchos de nosotros nos quedamos despiertos hasta altas horas de la noche, estudiando minuciosamente los voluminosos tomos de física teórica y matemáticas abstractas que son esenciales para comprender la teoría de cuerdas.

Si les creemos a los científicos, entonces nosotros mismos y todo lo que nos rodea estamos formados por un número infinito de estos misteriosos microobjetos plegados.
Período de 1984 a 1986 ahora conocida como "la primera revolución en la teoría de supercuerdas". Durante este período, físicos de todo el mundo escribieron más de mil artículos sobre teoría de cuerdas. Estos trabajos demostraron de manera concluyente que las muchas propiedades del modelo estándar, descubiertas a través de décadas de minuciosas investigaciones, fluyen naturalmente del magnífico sistema de la teoría de cuerdas. Como señaló Michael Green: “El momento en que te introduces en la teoría de cuerdas y te das cuenta de que casi todos los avances más importantes en física del último siglo han fluido (y han fluido con tanta elegancia) desde un punto de partida tan simple, se demuestra claramente el increíble poder de la teoría de cuerdas. esta teoría.”5 Además, para muchas de estas propiedades, como veremos más adelante, la teoría de cuerdas proporciona una descripción mucho más completa y satisfactoria que el modelo estándar. Estos logros convencieron a muchos físicos de que la teoría de cuerdas podría cumplir sus promesas y convertirse en la teoría unificadora definitiva.

Proyección bidimensional de una variedad Calabi-Yau tridimensional. Esta proyección da una idea de cuán complejas son las dimensiones adicionales.

Sin embargo, en este camino, los físicos que trabajaban en la teoría de cuerdas tropezaron una y otra vez con serios obstáculos. En física teórica, a menudo tenemos que lidiar con ecuaciones que son demasiado complejas para entender o difíciles de resolver. Por lo general, en tal situación, los físicos no se dan por vencidos e intentan obtener una solución aproximada a estas ecuaciones. La situación en la teoría de cuerdas es mucho más complicada. Incluso la derivación de las ecuaciones resultó ser tan compleja que hasta ahora sólo se ha obtenido una forma aproximada de las mismas. Por tanto, los físicos que trabajan en la teoría de cuerdas se encuentran en una situación en la que tienen que buscar soluciones aproximadas para aproximar ecuaciones. Después de varios años de sorprendentes avances durante la primera revolución de las supercuerdas, los físicos se encontraron con el hecho de que las ecuaciones aproximadas utilizadas no podían responder correctamente a una serie de preguntas importantes, lo que obstaculizaba el desarrollo de la investigación. Sin ideas concretas para ir más allá de estos métodos aproximados, muchos físicos que trabajaban en el campo de la teoría de cuerdas experimentaron una creciente sensación de frustración y regresaron a sus investigaciones anteriores. Para los que se quedaron, finales de los 80 y principios de los 90. Fueron un período de prueba.

La belleza y el poder potencial de la teoría de cuerdas atraían a los investigadores como un tesoro dorado encerrado en una caja fuerte, visible sólo a través de una pequeña mirilla, pero nadie tenía la llave que desataría estas fuerzas latentes. El largo período de “sequedad” se vio interrumpido de vez en cuando por descubrimientos importantes, pero para todos estaba claro que se necesitaban nuevos métodos que fueran más allá de las soluciones aproximadas ya conocidas.

El punto muerto terminó con una impresionante charla pronunciada por Edward Witten en 1995 en una conferencia sobre teoría de cuerdas en la Universidad del Sur de California, una charla que dejó atónita a una sala repleta de los principales físicos del mundo. En él, reveló un plan para la siguiente etapa de investigación, marcando así el comienzo de la "segunda revolución en la teoría de supercuerdas". Los teóricos de cuerdas ahora están trabajando enérgicamente en nuevos métodos que prometen superar los obstáculos que encuentran.

Para la popularización generalizada del ST, la humanidad debería erigir un monumento al profesor Brian Greene de la Universidad de Columbia. Su libro de 1999 “El universo elegante. Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de la teoría definitiva” se convirtió en un éxito de ventas y ganó un premio Pulitzer. El trabajo del científico formó la base de una miniserie de divulgación científica con el propio autor como presentador; un fragmento de la misma se puede ver al final del material (foto Amy Sussman/Universidad de Columbia).

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Ahora intentemos comprender al menos un poco la esencia de esta teoría.

Comenzar de nuevo. La dimensión cero es un punto. Ella no tiene talla. No hay ningún lugar adonde moverse, no se necesitan coordenadas para indicar la ubicación en dicha dimensión.

Coloquemos un segundo al lado del primer punto y dibujemos una línea a través de ellos. Aquí está la primera dimensión. Un objeto unidimensional tiene un tamaño: largo, pero no ancho ni profundidad. El movimiento dentro del espacio unidimensional es muy limitado, porque no se puede evitar un obstáculo que surge en el camino. Para determinar la ubicación en este segmento, solo necesita una coordenada.

Pongamos un punto al lado del segmento. Para que quepan ambos objetos, necesitaremos un espacio bidimensional con largo y ancho, es decir, área, pero sin profundidad, es decir, volumen. La ubicación de cualquier punto en este campo está determinada por dos coordenadas.

La tercera dimensión surge cuando añadimos un tercer eje de coordenadas a este sistema. Para nosotros, residentes del universo tridimensional, es muy fácil imaginar esto.

Intentemos imaginar cómo ven el mundo los habitantes del espacio bidimensional. Por ejemplo, estos dos hombres:

Cada uno de ellos verá a su compañero así:

Y en esta situación:

Nuestros héroes se verán así:

Es el cambio de punto de vista lo que permite a nuestros héroes juzgarse entre sí como objetos bidimensionales y no como segmentos unidimensionales.

Ahora imaginemos que cierto objeto volumétrico se mueve en la tercera dimensión, que cruza este mundo bidimensional. Para un observador externo, este movimiento se expresará en un cambio en las proyecciones bidimensionales del objeto en el avión, como el brócoli en una máquina de resonancia magnética:

¡Pero para un habitante de nuestra Planilandia tal imagen es incomprensible! Ni siquiera puede imaginarla. Para él, cada una de las proyecciones bidimensionales será vista como un segmento unidimensional con una longitud misteriosamente variable, que aparece en un lugar impredecible y también desaparece de manera impredecible. Los intentos de calcular la longitud y el lugar de origen de tales objetos utilizando las leyes de la física del espacio bidimensional están condenados al fracaso.

Nosotros, habitantes del mundo tridimensional, vemos todo como bidimensional. Sólo mover un objeto en el espacio nos permite sentir su volumen. También veremos cualquier objeto multidimensional como bidimensional, pero cambiará de maneras sorprendentes dependiendo de nuestra relación con él o del tiempo.

Desde este punto de vista es interesante pensar, por ejemplo, en la gravedad. Probablemente todo el mundo haya visto imágenes como esta:

Generalmente representan cómo la gravedad dobla el espacio-tiempo. Se dobla... ¿dónde? Exactamente no en ninguna de las dimensiones que nos son familiares. ¿Y qué pasa con el túnel cuántico, es decir, la capacidad de una partícula de desaparecer en un lugar y aparecer en otro completamente diferente, y detrás de un obstáculo a través del cual en nuestras realidades no podría penetrar sin hacer un agujero? ¿Qué pasa con los agujeros negros? ¿Qué pasaría si todos estos y otros misterios de la ciencia moderna se explicaran por el hecho de que la geometría del espacio no es en absoluto la misma que estamos acostumbrados a percibir?

El reloj está corriendo

El tiempo añade otra coordenada a nuestro Universo. Para que se lleve a cabo una fiesta es necesario saber no solo en qué bar se llevará a cabo, sino también la hora exacta de este evento.

Según nuestra percepción, el tiempo no es tanto una línea recta como un rayo. Es decir, tiene un punto de partida y el movimiento se realiza en una sola dirección: del pasado al futuro. Además, sólo el presente es real. Ni el pasado ni el futuro existen, como tampoco existen los desayunos y las cenas desde el punto de vista de un oficinista durante la pausa del almuerzo.

Pero la teoría de la relatividad no está de acuerdo con esto. Desde su punto de vista, el tiempo es una dimensión en toda regla. Todos los eventos que han existido, existen y existirán son igualmente reales, como lo es la playa del mar, independientemente de dónde exactamente nos tomaron por sorpresa los sueños del sonido de las olas. Nuestra percepción es algo así como un foco que ilumina un determinado segmento en una línea recta de tiempo. La humanidad en su cuarta dimensión se parece a esto:

Pero sólo vemos una proyección, una porción de esta dimensión en cada momento individual del tiempo. Sí, sí, como el brócoli en una máquina de resonancia magnética.

Hasta ahora todas las teorías trabajaban con una gran cantidad de dimensiones espaciales, y la temporal siempre era la única. Pero, ¿por qué el espacio permite múltiples dimensiones, pero sólo una vez? Hasta que los científicos puedan responder a esta pregunta, la hipótesis de dos o más espacios temporales parecerá muy atractiva para todos los filósofos y escritores de ciencia ficción. Y los físicos también, ¿y qué? Por ejemplo, el astrofísico estadounidense Itzhak Bars ve la raíz de todos los problemas con la Teoría del Todo en la segunda dimensión temporal que se pasa por alto. Como ejercicio mental, intentemos imaginar un mundo con dos tiempos.

Cada dimensión existe por separado. Esto se expresa en el hecho de que si cambiamos las coordenadas de un objeto en una dimensión, las coordenadas en otras pueden permanecer sin cambios. Entonces, si te mueves a lo largo de un eje de tiempo que cruza otro en ángulo recto, entonces en el punto de intersección el tiempo se detendrá. En la práctica se verá así:

Todo lo que Neo tuvo que hacer fue colocar su eje de tiempo unidimensional perpendicular al eje de tiempo de las balas. Una simple bagatela, estarás de acuerdo. En realidad, todo es mucho más complicado.

El tiempo exacto en un universo con dos dimensiones temporales estará determinado por dos valores. ¿Es difícil imaginar un evento bidimensional? Es decir, ¿uno que se extiende simultáneamente a lo largo de dos ejes de tiempo? Es probable que un mundo así requiera especialistas en mapear el tiempo, del mismo modo que los cartógrafos mapean la superficie bidimensional del globo.

¿Qué más distingue el espacio bidimensional del unidimensional? La capacidad de sortear un obstáculo, por ejemplo. Esto está completamente más allá de los límites de nuestra mente. Un residente de un mundo unidimensional no puede imaginar lo que es doblar una esquina. ¿Y qué es esto? ¿Un ángulo en el tiempo? Además, en el espacio bidimensional puedes viajar hacia adelante, hacia atrás o incluso en diagonal. No tengo idea de lo que es pasar el tiempo en diagonal. Sin mencionar el hecho de que el tiempo es la base de muchas leyes físicas, y es imposible imaginar cómo cambiará la física del Universo con la llegada de otra dimensión temporal. ¡Pero es tan emocionante pensar en ello!

Enciclopedia muy grande.

Otras dimensiones aún no se han descubierto y existen sólo en modelos matemáticos. Pero puedes intentar imaginarlos así.

Como descubrimos anteriormente, vemos una proyección tridimensional de la cuarta dimensión (tiempo) del Universo. En otras palabras, cada momento de la existencia de nuestro mundo es un punto (similar a la dimensión cero) en el período de tiempo desde el Big Bang hasta el Fin del Mundo.

Aquellos que habéis leído sobre viajes en el tiempo sabéis el importante papel que juega en ellos la curvatura del continuo espacio-tiempo. Esta es la quinta dimensión: es en ella donde el espacio-tiempo de cuatro dimensiones se "dobla" para acercar dos puntos de esta línea. Sin esto, el viaje entre estos puntos sería demasiado largo o incluso imposible. En términos generales, la quinta dimensión es similar a la segunda: mueve la línea "unidimensional" del espacio-tiempo a un plano "bidimensional" con todo lo que implica en forma de capacidad de doblar una esquina.

Un poco antes, nuestros lectores de mentalidad particularmente filosófica probablemente pensaron en la posibilidad del libre albedrío en condiciones en las que el futuro ya existe, pero aún no se conoce. La ciencia responde a esta pregunta de esta manera: probabilidades. El futuro no es un palo, sino toda una escoba de escenarios posibles. Descubriremos cuál se hará realidad cuando lleguemos allí.

Cada una de las probabilidades existe en forma de un segmento "unidimensional" en el "plano" de la quinta dimensión. ¿Cuál es la forma más rápida de saltar de un segmento a otro? Así es, dobla este avión como si fuera una hoja de papel. ¿Dónde debería doblarlo? Y nuevamente correctamente: en la sexta dimensión, que le da "volumen" a toda esta compleja estructura. Y, así, lo convierte, como el espacio tridimensional, “terminado”, en un nuevo punto.

La séptima dimensión es una nueva línea recta, que consta de "puntos" de seis dimensiones. ¿Qué otro punto hay en esta línea? Todo un conjunto infinito de opciones para el desarrollo de eventos en otro universo, formado no como resultado del Big Bang, sino en otras condiciones y operando de acuerdo con otras leyes. Es decir, la séptima dimensión son cuentas de mundos paralelos. La octava dimensión reúne estas "líneas rectas" en un "plano". Y el noveno se puede comparar con un libro que contiene todas las “hojas” de la octava dimensión. Ésta es la totalidad de todas las historias de todos los universos con todas las leyes de la física y todas las condiciones iniciales. Punto de nuevo.

Aquí llegamos al límite. Para imaginar la décima dimensión, necesitamos una línea recta. ¿Y qué otro punto podría haber en esta línea si la novena dimensión ya abarca todo lo que se puede imaginar, e incluso lo imposible de imaginar? Resulta que la novena dimensión no es sólo otro punto de partida, sino el final, al menos para nuestra imaginación.

La teoría de cuerdas afirma que es en la décima dimensión donde vibran las cuerdas: las partículas básicas que lo componen todo. Si la décima dimensión contiene todos los universos y todas las posibilidades, entonces las cuerdas existen en todas partes y en todo momento. Es decir, cada cuerda existe tanto en nuestro universo como en cualquier otro. En cualquier momento. Inmediatamente. Genial, ¿eh?

Físico, especialista en teoría de cuerdas. Es conocido por su trabajo sobre simetría especular, relacionada con la topología de las correspondientes variedades de Calabi-Yau. Conocido por una amplia audiencia como autor de libros de divulgación científica. Su Universo Elegante fue nominado al Premio Pulitzer.

En septiembre de 2013, Brian Greene llegó a Moscú por invitación del Museo Politécnico. Famoso físico, teórico de cuerdas y profesor de la Universidad de Columbia, es conocido por el público en general principalmente como divulgador de la ciencia y autor del libro "El universo elegante". Lenta.ru habló con Brian Greene sobre la teoría de cuerdas y las dificultades recientes que ha enfrentado la teoría, así como sobre la gravedad cuántica, el amplituedro y el control social.

Literatura en ruso: Kaku M., Thompson J.T. “Más allá de Einstein: Supercuerdas y la búsqueda de la teoría final” y qué era El artículo original está en el sitio web. InfoGlaz.rf Enlace al artículo del que se hizo esta copia:

En la escuela aprendimos que la materia está formada por átomos y los átomos están formados por núcleos alrededor de los cuales giran los electrones. Los planetas giran alrededor del sol de forma muy parecida, por lo que nos resulta fácil imaginarlo. Luego, el átomo se dividió en partículas elementales y se hizo más difícil imaginar la estructura del universo. A escala de partículas se aplican leyes diferentes y no siempre es posible encontrar una analogía con la vida. La física se ha vuelto abstracta y confusa.

Pero el siguiente paso de la física teórica devolvió la sensación de realidad. La teoría de cuerdas describió el mundo en términos que nuevamente son imaginables y, por lo tanto, más fáciles de entender y recordar.

El tema todavía no es fácil, así que vayamos en orden. Primero, averigüemos cuál es la teoría y luego intentemos comprender por qué se inventó. Y de postre, un poco de historia; la teoría de cuerdas tiene una historia corta, pero con dos revoluciones.

El universo está formado por hilos vibrantes de energía.

Antes de la teoría de cuerdas, las partículas elementales se consideraban puntos: formas adimensionales con ciertas propiedades. La teoría de cuerdas los describe como hilos de energía que tienen una dimensión: la longitud. Estos hilos unidimensionales se llaman cuerdas cuánticas.

Física teórica

Física teórica
describe el mundo utilizando las matemáticas, en contraposición a la física experimental. El primer físico teórico fue Isaac Newton (1642-1727)

El núcleo de un átomo con electrones, partículas elementales y cuerdas cuánticas a través de los ojos de un artista. Fragmento del documental "Universo Elegante"

Las cuerdas cuánticas son muy pequeñas, su longitud es de unos 10 -33 cm, cien millones de billones de veces más pequeñas que los protones que chocan en el Gran Colisionador de Hadrones. Experimentos de este tipo con cuerdas requerirían construir un acelerador del tamaño de una galaxia. Aún no hemos encontrado una manera de detectar cuerdas, pero gracias a las matemáticas podemos adivinar algunas de sus propiedades.

Las cuerdas cuánticas están abiertas y cerradas.. Los extremos abiertos quedan libres, mientras que los extremos cerrados se cierran entre sí formando bucles. Las cuerdas se “abren” y “cierran” constantemente, se conectan con otras cuerdas y se dividen en otras más pequeñas.

Las cuerdas cuánticas se estiran. La tensión en el espacio se produce debido a la diferencia de energía: para cuerdas cerradas entre los extremos cerrados, para cuerdas abiertas, entre los extremos de las cuerdas y el vacío. Los físicos llaman a este vacío caras bidimensionales o branas, de la palabra membrana.

centímetros: el tamaño más pequeño posible de un objeto en el universo. Se llama longitud de Planck.

Estamos hechos de cuerdas cuánticas

Las cuerdas cuánticas vibran. Se trata de vibraciones similares a las vibraciones de las cuerdas de una balalaika, con ondas uniformes y todo un número de mínimos y máximos. Cuando vibra, una cuerda cuántica no produce sonido; en la escala de las partículas elementales no hay nada a qué transmitir las vibraciones del sonido. Él mismo se convierte en una partícula: vibra a una frecuencia: un quark, a otra, un gluón, a una tercera, un fotón. Por lo tanto, una cuerda cuántica es un único elemento constructivo, un "ladrillo" del universo.

El universo suele representarse como espacio y estrellas, pero también es nuestro planeta, tú y yo, el texto en la pantalla y las bayas del bosque.

Diagrama de vibraciones de cuerdas. A cualquier frecuencia, todas las ondas son iguales, su número es entero: uno, dos y tres.

Región de Moscú, 2016. Hay muchas fresas, sólo que más mosquitos. También están hechos de cuerdas.

Y el espacio está ahí afuera en alguna parte. volvamos al espacio

Entonces, en el centro del universo hay cuerdas cuánticas, hilos de energía unidimensionales que vibran, cambian de tamaño y forma e intercambian energía con otras cuerdas. Pero eso no es todo.

Las cuerdas cuánticas se mueven por el espacio. Y el espacio en la escala de cuerdas es la parte más interesante de la teoría.

Las cuerdas cuánticas se mueven en 11 dimensiones

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Todo empezó con Albert Einstein. Sus descubrimientos demostraron que el tiempo es relativo y lo unieron con el espacio en un único continuo espacio-tiempo. El trabajo de Einstein explicó la gravedad, el movimiento de los planetas y la formación de agujeros negros. Además, inspiraron a sus contemporáneos a realizar nuevos descubrimientos.

Einstein publicó las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad en 1915-16, y ya en 1919, el matemático polaco Theodor Kaluza intentó aplicar sus cálculos a la teoría del campo electromagnético. Pero surgió la pregunta: si la gravedad einsteniana dobla las cuatro dimensiones del espacio-tiempo, ¿qué doblan las fuerzas electromagnéticas? La fe en Einstein era fuerte y Kaluza no tenía dudas de que sus ecuaciones describirían el electromagnetismo. En cambio, propuso que las fuerzas electromagnéticas estaban doblando una quinta dimensión adicional. A Einstein le gustó la idea, pero la teoría no fue probada mediante experimentos y quedó olvidada hasta la década de 1960.

Alberto Einstein (1879-1955)

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Albert Einstein
(1879-1955)

Las primeras ecuaciones de la teoría de cuerdas produjeron resultados extraños. En ellos aparecieron taquiones, partículas con masa negativa que se movían más rápido que la velocidad de la luz. Aquí es donde resultó útil la idea de Kaluza sobre la multidimensionalidad del universo. Es cierto que cinco dimensiones no eran suficientes, como tampoco eran suficientes seis, siete o diez. ¡Las matemáticas de la primera teoría de cuerdas sólo tenían sentido si nuestro universo tuviera 26 dimensiones! Las teorías posteriores tenían suficientes diez, pero en la moderna hay once: diez espaciales y temporales.

Pero si es así, ¿por qué no vemos las siete dimensiones adicionales? La respuesta es sencilla: son demasiado pequeños. Desde la distancia, un objeto tridimensional parecerá plano: una tubería de agua aparecerá como una cinta y un globo aparecerá como un círculo. Incluso si pudiéramos ver objetos en otras dimensiones, no consideraríamos su multidimensionalidad. Los científicos llaman a este efecto. compactación.

Las dimensiones adicionales se pliegan en formas imperceptiblemente pequeñas de espacio-tiempo: se llaman espacios de Calabi-Yau. Desde lejos parece plano.

Sólo podemos representar siete dimensiones adicionales en forma de modelos matemáticos. Son fantasías que se basan en las propiedades del espacio y el tiempo que conocemos. Al agregar una tercera dimensión, el mundo se vuelve tridimensional y podemos sortear el obstáculo. Quizás, usando el mismo principio, sea correcto agregar las siete dimensiones restantes, y luego, usándolas, puedes recorrer el espacio-tiempo y llegar a cualquier punto de cualquier universo en cualquier momento.

mediciones en el universo según la primera versión de la teoría de cuerdas: la bosónica. Ahora se considera irrelevante.

Una línea tiene una sola dimensión: la longitud.

Un globo es tridimensional y tiene una tercera dimensión: la altura. Pero para un hombre bidimensional parece una línea.

Así como un hombre bidimensional no puede imaginar la multidimensionalidad, tampoco podemos imaginar todas las dimensiones del universo.

Según este modelo, las cuerdas cuánticas viajan siempre y a todas partes, lo que significa que las mismas cuerdas codifican las propiedades de todos los universos posibles desde su nacimiento hasta el fin de los tiempos. Desafortunadamente, nuestro globo está plano. Nuestro mundo es sólo una proyección cuatridimensional de un universo de once dimensiones en las escalas visibles del espacio-tiempo, y no podemos seguir las cuerdas.

Algún día veremos el Big Bang

Algún día calcularemos la frecuencia de las vibraciones de las cuerdas y la organización de dimensiones adicionales en nuestro universo. Luego aprenderemos absolutamente todo al respecto y podremos ver el Big Bang o volar a Alfa Centauri. Pero por ahora esto es imposible: no hay pistas sobre en qué confiar en los cálculos y solo se pueden encontrar los números necesarios mediante la fuerza bruta. Los matemáticos han calculado que habrá 10.500 opciones para seleccionar. La teoría ha llegado a un callejón sin salida.

Sin embargo, la teoría de cuerdas todavía es capaz de explicar la naturaleza del universo. Para ello, debe conectar todas las demás teorías, convertirse en la teoría del todo.

La teoría de cuerdas se convertirá en la teoría del todo. Tal vez

En la segunda mitad del siglo XX, los físicos confirmaron una serie de teorías fundamentales sobre la naturaleza del universo. Parecía que un poco más y lo entenderíamos todo. Sin embargo, el problema principal aún no se ha resuelto: las teorías funcionan muy bien individualmente, pero no ofrecen una visión global.

Hay dos teorías principales: la teoría de la relatividad y la teoría cuántica de campos.

Opciones para organizar 11 dimensiones en espacios Calabi-Yau: suficientes para todos los universos posibles. A modo de comparación, el número de átomos en la parte observable del universo es de aproximadamente 10 80

Hay suficientes opciones para organizar los espacios Calabi-Yau para todos los universos posibles. A modo de comparación, el número de átomos en el universo observable es de aproximadamente 10 80.

Teoría de la relatividad
describió la interacción gravitacional entre planetas y estrellas y explicó el fenómeno de los agujeros negros. Esta es la física de un mundo visual y lógico.

Modelo de interacción gravitacional de la Tierra y la Luna en el espacio-tiempo einsteniano

Teoría cuántica de campos
determinó los tipos de partículas elementales y describió 3 tipos de interacción entre ellas: fuerte, débil y electromagnética. Esta es la física del caos.

El mundo cuántico a través de los ojos de un artista. Vídeo del sitio web de MiShorts

La teoría cuántica de campos con masa añadida para los neutrinos se llama Modelo estandar. Ésta es la teoría básica de la estructura del universo a nivel cuántico. La mayoría de las predicciones de la teoría se confirman en experimentos.

El modelo estándar divide todas las partículas en fermiones y bosones. Los fermiones forman la materia; este grupo incluye todas las partículas observables, como el quark y el electrón. Los bosones son las fuerzas responsables de la interacción de fermiones, como el fotón y el gluón. Ya se conocen dos docenas de partículas y los científicos continúan descubriendo otras nuevas.

Es lógico suponer que la interacción gravitacional también la transmite su bosón. Aún no lo han encontrado, pero describieron sus propiedades y le dieron un nombre. gravitón.

Pero es imposible unir las teorías. Según el modelo estándar, las partículas elementales son puntos adimensionales que interactúan a distancias cero. Si se aplica esta regla al gravitón, las ecuaciones dan resultados infinitos, lo que les quita sentido. Ésta es sólo una de las contradicciones, pero ilustra bien lo lejos que está una física de otra.

Por lo tanto, los científicos están buscando una teoría alternativa que pueda combinar todas las teorías en una sola. Esta teoría se llamó teoría del campo unificado o teoría de todo.

Fermiones
Forman todo tipo de materia excepto la materia oscura.

bosones
transferir energía entre fermiones

La teoría de cuerdas podría unir al mundo científico

La teoría de cuerdas en este papel parece más atractiva que otras, ya que resuelve inmediatamente la contradicción principal. Las cuerdas cuánticas vibran de modo que la distancia entre ellas es mayor que cero, y se evitan resultados de cálculo imposibles para el gravitón. Y el propio gravitón encaja bien en el concepto de cuerdas.

Pero la teoría de cuerdas no ha sido probada mediante experimentos; sus logros permanecen en el papel. Aún más sorprendente es el hecho de que no haya sido abandonado en 40 años: su potencial es tan grande. Para entender por qué sucede esto, miremos hacia atrás y veamos cómo se desarrolló.

La teoría de cuerdas ha pasado por dos revoluciones

Gabriele Veneziano
(nacido en 1942)

Al principio, la teoría de cuerdas no se consideraba en absoluto un candidato para la unificación de la física. Fue descubierto por accidente. En 1968, el joven físico teórico Gabriele Veneziano estudió las interacciones fuertes dentro del núcleo atómico. Inesperadamente, descubrió que estaban bien descritas por la función beta de Euler, un conjunto de ecuaciones que el matemático suizo Leonhard Euler había compilado 200 años antes. Esto era extraño: en aquellos días el átomo se consideraba indivisible y el trabajo de Euler resolvía problemas exclusivamente matemáticos. Nadie entendió por qué funcionaban las ecuaciones, pero se utilizaron activamente.

El significado físico de la función beta de Euler quedó aclarado dos años después. Tres físicos, Yoichiro Nambu, Holger Nielsen y Leonard Susskind, sugirieron que las partículas elementales podrían no ser puntos, sino cuerdas vibrantes unidimensionales. La fuerte interacción de tales objetos se describe idealmente mediante las ecuaciones de Euler. La primera versión de la teoría de cuerdas se llamó bosónica, ya que describía la naturaleza de las cuerdas de los bosones responsables de las interacciones de la materia y no se refería a los fermiones que la componen.

La teoría era cruda. Se trataba de taquiones y las principales predicciones contradecían los resultados experimentales. Y aunque fue posible deshacerse de los taquiones utilizando la multidimensionalidad de Kaluza, la teoría de cuerdas no echó raíces.

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holger Nielsen
• Leonard Susskind
• Juan Schwartz
• miguel verde
• Eduardo Witten

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holger Nielsen
• Leonard Susskind
• Juan Schwartz
• miguel verde
• Eduardo Witten

Pero la teoría todavía tiene seguidores leales. En 1971, Pierre Ramon añadió los fermiones a la teoría de cuerdas, reduciendo el número de dimensiones de 26 a diez. Esto marcó el comienzo teoría de la supersimetría.

Decía que cada fermión tiene su propio bosón, lo que significa que la materia y la energía son simétricas. No importa que el universo observable sea asimétrico, dijo Ramón, hay condiciones bajo las cuales todavía se observa simetría. Y si, según la teoría de cuerdas, los fermiones y los bosones están codificados por los mismos objetos, entonces, en estas condiciones, la materia se puede convertir en energía y viceversa. Esta propiedad de las cuerdas se llamó supersimetría, y la teoría de cuerdas misma se llamó teoría de supercuerdas.

En 1974, John Schwartz y Joel Sherk descubrieron que algunas de las propiedades de las cuerdas coincidían notablemente con las propiedades del supuesto portador de la gravedad, el gravitón. A partir de ese momento, la teoría empezó a pretender seriamente ser generalizadora.

Las dimensiones del espacio-tiempo estaban en la primera teoría de supercuerdas.

"La estructura matemática de la teoría de cuerdas es tan hermosa y tiene tantas propiedades asombrosas que seguramente debe apuntar a algo más profundo".

La primera revolución de las supercuerdas sucedió en 1984. John Schwartz y Michael Green presentaron un modelo matemático que demostraba que muchas de las contradicciones entre la teoría de cuerdas y el modelo estándar podían resolverse. Las nuevas ecuaciones también relacionaron la teoría con todos los tipos de materia y energía. El mundo científico estaba dominado por la fiebre: los físicos abandonaron sus investigaciones y se dedicaron al estudio de las cuerdas.

Entre 1984 y 1986 se escribieron más de mil artículos sobre teoría de cuerdas. Demostraron que muchas de las disposiciones del modelo estándar y de la teoría de la gravedad, que se habían ido reconstruyendo a lo largo de los años, se derivan naturalmente de la física de cuerdas. La investigación ha convencido a los científicos de que una teoría unificadora está a la vuelta de la esquina.

"El momento en el que te introducen en la teoría de cuerdas y te das cuenta de que casi todos los avances más importantes en física del último siglo han fluido (y han fluido con tanta elegancia) desde un punto de partida tan simple, se demuestra claramente el increíble poder de esta teoría".

Pero la teoría de cuerdas no tenía prisa por revelar sus secretos. En lugar de problemas resueltos, surgieron otros nuevos. Los científicos han descubierto que no existe una, sino cinco teorías de supercuerdas. Las cuerdas que contenían tenían diferentes tipos de supersimetría y no había forma de entender qué teoría era la correcta.

Los métodos matemáticos tenían sus límites. Los físicos están acostumbrados a ecuaciones complejas que no dan resultados precisos, pero para la teoría de cuerdas no fue posible escribir ni siquiera ecuaciones precisas. Y los resultados aproximados de ecuaciones aproximadas no proporcionaron respuestas. Quedó claro que se necesitaban nuevas matemáticas para estudiar la teoría, pero nadie sabía qué tipo de matemáticas serían. El ardor de los científicos ha disminuido.

Segunda revolución de las supercuerdas tronó en 1995. El estancamiento llegó a su fin con la charla de Edward Witten en la Conferencia de Teoría de Cuerdas en el sur de California. Witten demostró que las cinco teorías son casos especiales de una teoría más general de supercuerdas, en la que no hay diez dimensiones, sino once. Witten llamó a la teoría unificadora Teoría M, o Madre de todas las teorías, de la palabra inglesa Mother.

Pero había algo más que era más importante. La teoría M de Witten describió tan bien el efecto de la gravedad en la teoría de supercuerdas que se la llamó teoría supersimétrica de la gravedad, o teoría de la supergravedad. Esto animó a los científicos y las revistas científicas volvieron a llenarse de publicaciones sobre física de cuerdas.

Medidas espacio-temporales en la teoría moderna de supercuerdas.

“La teoría de cuerdas es una parte de la física del siglo XXI que accidentalmente terminó en el siglo XX. Pueden pasar décadas, o incluso siglos, antes de que se desarrolle y comprenda plenamente".

Los ecos de esta revolución todavía se pueden escuchar hoy. Pero a pesar de todos los esfuerzos de los científicos, la teoría de cuerdas tiene más preguntas que respuestas. La ciencia moderna intenta construir modelos de un universo multidimensional y estudia las dimensiones como membranas del espacio. Se llaman branas. ¿Recuerdas el vacío con hilos abiertos extendidos a través de ellas? Se supone que las propias cuerdas pueden resultar bidimensionales o tridimensionales. Incluso hablan de una nueva teoría fundamental de 12 dimensiones: la teoría F, el padre de todas las teorías, de la palabra padre. La historia de la teoría de cuerdas está lejos de terminar.

La teoría de cuerdas aún no ha sido demostrada, pero tampoco ha sido refutada.

El principal problema de la teoría es la falta de evidencia directa. Sí, de esto se derivan otras teorías, los científicos suman 2 y 2, y resulta 4. Pero esto no significa que el cuatro esté formado por dos. Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones aún no han descubierto la supersimetría, lo que confirmaría la base estructural unificada del universo y favorecería a los partidarios de la física de cuerdas. Pero tampoco hay desmentidos. Por lo tanto, las elegantes matemáticas de la teoría de cuerdas continúan excitando las mentes de los científicos, prometiendo soluciones a todos los misterios del universo.

Cuando se habla de teoría de cuerdas no se puede dejar de mencionar a Brian Greene, profesor de la Universidad de Columbia e incansable divulgador de la teoría. Green da conferencias y aparece en televisión. En 2000, su libro “Universo Elegante. Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de la teoría definitiva" fue finalista del Premio Pulitzer. En 2011, se interpretó a sí mismo en el episodio 83 de The Big Bang Theory. En 2013, visitó el Instituto Politécnico de Moscú y concedió una entrevista a Lenta-ru.

Si no quieres convertirte en un experto en teoría de cuerdas, pero quieres entender en qué tipo de mundo vives, recuerda esta hoja de trucos:

1. El universo está formado por hilos de energía (cuerdas cuánticas) que vibran como las cuerdas de un instrumento musical. Diferentes frecuencias de vibración convierten las cuerdas en diferentes partículas.
2. Los extremos de las cuerdas pueden estar libres o cerrarse entre sí formando bucles. Las cuerdas están constantemente cerrándose, abriéndose e intercambiando energía con otras cuerdas.
3. Las cuerdas cuánticas existen en el universo de 11 dimensiones. Las 7 dimensiones adicionales están plegadas en formas elusivamente pequeñas de espacio-tiempo, por lo que no las vemos. Esto se llama compactación dimensional.
4. Si supiéramos exactamente cómo se pliegan las dimensiones de nuestro universo, podríamos viajar en el tiempo y a otras estrellas. Pero esto todavía no es posible: hay demasiadas opciones por recorrer. Habría suficientes para todos los universos posibles.
5. La teoría de cuerdas puede unir todas las teorías físicas y revelarnos los secretos del universo; existen todos los requisitos previos para ello. Pero aún no hay pruebas.
6. Otros descubrimientos de la ciencia moderna se derivan lógicamente de la teoría de cuerdas. Desafortunadamente, esto no prueba nada.
7. La teoría de cuerdas ha sobrevivido a dos revoluciones de supercuerdas y a muchos años de olvido. Algunos científicos lo consideran ciencia ficción, otros creen que las nuevas tecnologías ayudarán a demostrarlo.
8. Lo más importante: si planeas contarles a tus amigos sobre la teoría de cuerdas, asegúrate de que no haya ningún físico entre ellos; ahorrarás tiempo y nervios. Y te parecerás a Brian Greene en el Politécnico:

La teoría de supercuerdas, en el lenguaje popular, imagina el universo como una colección de hebras vibrantes de energía: cuerdas. Son la base de la naturaleza. La hipótesis también describe otros elementos: las branas. Toda la materia de nuestro mundo se compone de vibraciones de cuerdas y branas. Una consecuencia natural de la teoría es la descripción de la gravedad. Por eso los científicos creen que contiene la clave para unificar la gravedad con otras fuerzas.

El concepto está evolucionando.

La teoría del campo unificado, la teoría de las supercuerdas, es puramente matemática. Como todos los conceptos de la física, se basa en ecuaciones que pueden interpretarse de determinadas maneras.

Hoy nadie sabe exactamente cuál será la versión final de esta teoría. Los científicos tienen una idea bastante vaga de sus elementos generales, pero nadie ha ideado todavía una ecuación final que cubra todas las teorías de supercuerdas, y aún no ha sido posible confirmarla experimentalmente (aunque también se ha demostrado refutado). Los físicos han creado versiones simplificadas de la ecuación, pero hasta ahora no describe completamente nuestro universo.

Teoría de supercuerdas para principiantes.

La hipótesis se basa en cinco ideas clave.

1. La teoría de supercuerdas predice que todos los objetos de nuestro mundo están compuestos de hilos vibrantes y membranas de energía.
2. Intenta combinar la relatividad general (gravedad) con la física cuántica.
3. La teoría de supercuerdas nos permitirá unificar todas las fuerzas fundamentales del universo.
4. Esta hipótesis predice una nueva conexión, la supersimetría, entre dos tipos de partículas fundamentalmente diferentes, bosones y fermiones.
5. El concepto describe una serie de dimensiones adicionales del Universo, normalmente no observables.

Cuerdas y branas

Cuando surgió la teoría en la década de 1970, los hilos de energía que contenía se consideraban objetos unidimensionales: cuerdas. La palabra "unidimensional" significa que la cuerda tiene solo una dimensión, la longitud, a diferencia de, por ejemplo, un cuadrado, que tiene longitud y altura.

La teoría divide estas supercuerdas en dos tipos: cerradas y abiertas. Una cuerda abierta tiene extremos que no se tocan, mientras que una cuerda cerrada es un bucle sin extremos abiertos. Como resultado, se encontró que estas cadenas, llamadas cadenas de tipo 1, están sujetas a 5 tipos principales de interacciones.

Las interacciones se basan en la capacidad de la cuerda para conectar y separar sus extremos. Dado que los extremos de las cuerdas abiertas pueden combinarse para formar cuerdas en bucle, es imposible construir una teoría de supercuerdas que no incluya cuerdas en bucle.

Esto resultó ser importante porque las cuerdas cerradas tienen propiedades que los físicos creen que podrían describir la gravedad. En otras palabras, los científicos se dieron cuenta de que en lugar de explicar las partículas de materia, la teoría de supercuerdas podía describir su comportamiento y su gravedad.

Con el paso de los años, se descubrió que, además de las cuerdas, la teoría también necesitaba otros elementos. Se pueden considerar como láminas o branas. Las cuerdas se pueden unir a uno o ambos lados.

Gravedad cuántica

La física moderna tiene dos leyes científicas básicas: la relatividad general (GTR) y la cuántica. Representan campos de la ciencia completamente diferentes. La física cuántica estudia las partículas naturales más pequeñas y la relatividad general, por regla general, describe la naturaleza a escala de planetas, galaxias y el universo en su conjunto. Las hipótesis que intentan unificarlas se denominan teorías de la gravedad cuántica. El más prometedor de ellos hoy es el instrumento de cuerda.

Los hilos cerrados corresponden al comportamiento de la gravedad. En particular, tienen las propiedades de un gravitón, una partícula que transfiere la gravedad entre objetos.

Unir fuerzas

La teoría de cuerdas intenta combinar las cuatro fuerzas (fuerza electromagnética, fuerzas nucleares fuertes y débiles y gravedad) en una sola. En nuestro mundo se manifiestan como cuatro fenómenos diferentes, pero los teóricos de cuerdas creen que en el Universo primitivo, cuando había niveles de energía increíblemente altos, todas estas fuerzas se describen mediante cuerdas que interactúan entre sí.

Supersimetría

Todas las partículas del universo se pueden dividir en dos tipos: bosones y fermiones. La teoría de cuerdas predice que existe una relación entre ellas llamada supersimetría. En supersimetría, por cada bosón debe haber un fermión y por cada fermión un bosón. Desafortunadamente, la existencia de tales partículas no ha sido confirmada experimentalmente.

La supersimetría es una relación matemática entre elementos de ecuaciones físicas. Fue descubierta en otra rama de la física y su aplicación llevó a que a mediados de la década de 1970 se la rebautizara como teoría de cuerdas supersimétrica (o teoría de supercuerdas, en el lenguaje popular).

Uno de los beneficios de la supersimetría es que simplifica enormemente las ecuaciones al eliminar algunas variables. Sin supersimetría, las ecuaciones conducen a contradicciones físicas como valores infinitos e imaginarios.

Dado que los científicos no han observado las partículas predichas por la supersimetría, sigue siendo una hipótesis. Muchos físicos creen que la razón de esto es la necesidad de una cantidad significativa de energía, que está relacionada con la masa mediante la famosa ecuación de Einstein E = mc 2. Es posible que estas partículas hayan existido en el universo primitivo, pero a medida que se enfrió y la energía se extendió después del Big Bang, estas partículas se movieron a niveles de energía más bajos.

En otras palabras, las cuerdas, que vibraban como partículas de alta energía, perdieron energía, convirtiéndolas en elementos de menor vibración.

Los científicos esperan que las observaciones astronómicas o los experimentos con aceleradores de partículas confirmen la teoría identificando algunos de los elementos supersimétricos de mayor energía.

Dimensiones adicionales

Otra implicación matemática de la teoría de cuerdas es que tiene sentido en un mundo con más de tres dimensiones. Actualmente hay dos explicaciones para esto:

1. Las dimensiones adicionales (seis de ellas) se han colapsado o, en la terminología de la teoría de cuerdas, se han compactado en tamaños increíblemente pequeños que nunca serán percibidos.
2. Estamos atrapados en una brana tridimensional y otras dimensiones se extienden más allá de ella y son inaccesibles para nosotros.

Un área importante de investigación entre los teóricos es el modelado matemático de cómo estas coordenadas adicionales podrían relacionarse con las nuestras. Los últimos resultados predicen que los científicos pronto podrán detectar estas dimensiones adicionales (si existen) en próximos experimentos, ya que pueden ser más grandes de lo esperado anteriormente.

Entendiendo el objetivo

El objetivo que persiguen los científicos al estudiar las supercuerdas es una "teoría del todo", es decir, una hipótesis física unificada que describa toda la realidad física en un nivel fundamental. Si tiene éxito, podría aclarar muchas preguntas sobre la estructura de nuestro universo.

Explicando la materia y la masa

Una de las principales tareas de la investigación moderna es encontrar soluciones para partículas reales.

La teoría de cuerdas comenzó como un concepto que describía partículas como los hadrones mediante varios estados vibratorios superiores de una cuerda. En la mayoría de las formulaciones modernas, la materia observada en nuestro universo es el resultado de las vibraciones de menor energía de cuerdas y branas. Las vibraciones más altas generan partículas de alta energía que actualmente no existen en nuestro mundo.

La masa de estos es una manifestación de cómo las cuerdas y las branas están envueltas en dimensiones adicionales compactadas. Por ejemplo, en el caso simplificado de estar doblado en forma de rosquilla, llamado toroide por matemáticos y físicos, la cuerda puede enrollarse alrededor de esta forma de dos maneras:

• bucle corto a través del medio del toro;
• un bucle largo alrededor de toda la circunferencia exterior del toroide.

Un bucle corto será una partícula ligera y un bucle largo será una partícula pesada. Cuando las cuerdas se enrollan alrededor de dimensiones compactadas en forma de toro, se forman nuevos elementos con diferentes masas.

La teoría de supercuerdas explica de forma breve, clara, sencilla y elegante la transición de longitud a masa. Las dimensiones plegadas aquí son mucho más complejas que las de un toroide, pero en principio funcionan de la misma manera.

Incluso es posible, aunque sea difícil de imaginar, que la cuerda enrolle el toroide en dos direcciones al mismo tiempo, dando como resultado una partícula diferente con diferente masa. Las branas también pueden abarcar dimensiones adicionales, creando aún más posibilidades.

Definición de espacio y tiempo.

En muchas versiones de la teoría de supercuerdas, las mediciones colapsan, haciéndolas inobservables con el nivel actual de tecnología.

Actualmente no está claro si la teoría de cuerdas puede explicar la naturaleza fundamental del espacio y el tiempo más de lo que lo hizo Einstein. En él, las medidas son un trasfondo para la interacción de las cuerdas y no tienen un significado real independiente.

Se propusieron explicaciones, no completamente desarrolladas, sobre la representación del espacio-tiempo como un derivado de la suma total de todas las interacciones de cuerdas.

Este enfoque no se corresponde con las ideas de algunos físicos, lo que provocó críticas a la hipótesis. La teoría competitiva utiliza la cuantificación del espacio y el tiempo como punto de partida. Algunos creen que al final resultará ser simplemente un enfoque diferente de la misma hipótesis básica.

Cuantización de gravedad

El principal logro de esta hipótesis, si se confirma, será la teoría cuántica de la gravedad. La descripción actual de la Relatividad General no concuerda con la física cuántica. Esto último, al imponer restricciones al comportamiento de las partículas pequeñas, genera contradicciones al intentar explorar el Universo a escalas extremadamente pequeñas.

Unificación de fuerzas

Actualmente, los físicos conocen cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, las interacciones electromagnéticas y las nucleares débiles y fuertes. De la teoría de cuerdas se deduce que todos alguna vez fueron manifestaciones de uno.

Según esta hipótesis, a medida que el universo primitivo se enfrió después del big bang, esta interacción única comenzó a fragmentarse en otras diferentes que operan en la actualidad.

Los experimentos de alta energía algún día nos permitirán descubrir la unificación de estas fuerzas, aunque tales experimentos están mucho más allá del desarrollo tecnológico actual.

Cinco opciones

Desde la revolución de las supercuerdas de 1984, el desarrollo ha avanzado a un ritmo febril. Como resultado, en lugar de un concepto, obtuvimos cinco, llamados tipo I, IIA, IIB, HO, HE, cada uno de los cuales describía casi completamente nuestro mundo, pero no completamente.

Los físicos, analizando versiones de la teoría de cuerdas con la esperanza de encontrar una fórmula universal verdadera, han creado cinco versiones diferentes y autosuficientes. Algunas de sus propiedades reflejaban la realidad física del mundo, otras no correspondían a la realidad.

Teoría M

En una conferencia celebrada en 1995, el físico Edward Witten propuso una solución audaz al problema de las cinco hipótesis. Basados ​​en la dualidad recién descubierta, todos se convirtieron en casos especiales de un único concepto global, llamado teoría M de supercuerdas por Witten. Uno de sus conceptos clave fueron las branas (abreviatura de membrana), objetos fundamentales con más de una dimensión. Aunque el autor no propuso una versión completa, que todavía no existe, la teoría M de supercuerdas consta brevemente de las siguientes características:

• 11 dimensiones (10 espaciales más 1 dimensión temporal);
• dualidades que conducen a cinco teorías que explican una misma realidad física;
• Las branas son cuerdas con más de una dimensión.

Consecuencias

Como resultado, en lugar de una, surgieron 10.500 soluciones. Para algunos físicos esto provocó una crisis, mientras que otros aceptaron el principio antrópico, que explica las propiedades del universo por nuestra presencia en él. Queda por ver si los teóricos encontrarán otra manera de navegar la teoría de supercuerdas.

Algunas interpretaciones sugieren que nuestro mundo no es el único. Las versiones más radicales permiten la existencia de una infinidad de universos, algunos de los cuales contienen copias exactas del nuestro.

La teoría de Einstein predice la existencia de un espacio colapsado llamado agujero de gusano o puente Einstein-Rosen. En este caso, dos zonas distantes están conectadas por un corto pasaje. La teoría de supercuerdas permite no sólo esto, sino también la conexión de puntos distantes de mundos paralelos. Incluso es posible realizar la transición entre universos con diferentes leyes físicas. Sin embargo, es probable que la teoría cuántica de la gravedad haga imposible su existencia.

Muchos físicos creen que el principio holográfico, cuando toda la información contenida en un volumen de espacio corresponde a la información registrada en su superficie, permitirá una comprensión más profunda del concepto de hilos de energía.

Algunos creen que la teoría de supercuerdas permite múltiples dimensiones de tiempo, lo que podría llevar a viajar a través de ellas.

Además, la hipótesis ofrece una alternativa al modelo del Big Bang, en el que nuestro universo fue creado por la colisión de dos branas y pasa por ciclos repetidos de creación y destrucción.

El destino final del universo siempre ha ocupado a los físicos, y la versión final de la teoría de cuerdas ayudará a determinar la densidad de la materia y la constante cosmológica. Conociendo estos valores, los cosmólogos podrán determinar si el universo se reducirá hasta explotar, para que todo vuelva a empezar.

Nadie sabe a qué podría conducir hasta que se desarrolle y pruebe. Einstein, al escribir la ecuación E=mc 2, no asumió que conduciría a la aparición de armas nucleares. Los creadores de la física cuántica no sabían que ésta se convertiría en la base para la creación de láseres y transistores. Y aunque aún no se sabe a qué conducirá un concepto tan puramente teórico, la historia indica que sin duda resultará en algo extraordinario.

Puede leer más sobre esta hipótesis en el libro de Andrew Zimmerman, Superstring Theory for Dummies.