La teoría de cuerdas es una rama de la física teórica que estudia la dinámica de la interacción de objetos no como partículas puntuales [1] , sino como objetos unidimensionales extendidos, las llamadas cuerdas cuánticas [2] . La teoría de cuerdas combina las ideas de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad , por lo tanto, sobre su base, quizás, se construya la futura teoría de la gravedad cuántica [3] [4] .
La teoría de cuerdas se basa en la hipótesis [5] de que todas las partículas elementales y sus interacciones fundamentales surgen como resultado de vibraciones e interacciones de cuerdas cuánticas ultramicroscópicas en escalas del orden de la longitud de Planck de 10 −35 m [2] . Este enfoque, por un lado, evita dificultades de la teoría cuántica de campos como la renormalización [6] y, por otro lado, conduce a una mirada más profunda a la estructura de la materia y el espacio-tiempo [6] . La teoría cuántica de cuerdas surgió a principios de la década de 1970 como resultado de la comprensión de las fórmulas de Gabriele Veneziano [7] asociadas con modelos de cuerdas de la estructura de los hadrones . La mitad de la década de 1980 y la mitad de la década de 1990 estuvieron marcadas por el rápido desarrollo de la teoría de cuerdas, se esperaba que en un futuro próximo, sobre la base de la teoría de cuerdas, se desarrollara la llamada " teoría unificada " o " teoría del todo " [4 ] se formularía , la búsqueda por la que Einstein dedicó sin éxito décadas [ 8 ] . Pero, a pesar del rigor matemático y la integridad de la teoría, aún no se han encontrado opciones para la confirmación experimental de la teoría de cuerdas [2] . Originada para describir la física de hadrones, pero no del todo adecuada para esto, la teoría resultó ser una especie de experimento en el vacío.
Uno de los principales problemas al intentar describir el procedimiento para reducir teorías de cuerdas de dimensión 26 o 10 [9] a física de bajas energías de dimensión 4 radica en la gran cantidad de opciones para compactaciones de dimensiones extra a variedades de Calabi-Yau y a orbifolds , que probablemente son casos especiales limitantes de espacios Calabi-Yau [10] . El gran número de posibles soluciones desde finales de los 70 y principios de los 80 ha creado un problema conocido como el " problema del paisaje " [11] , lo que hace que algunos científicos se cuestionen si la teoría de cuerdas merece un estatus científico [12] .
A pesar de estas dificultades, el desarrollo de la teoría de cuerdas estimuló el desarrollo de formalismos matemáticos, principalmente geometría algebraica y diferencial , topología , y también permitió una comprensión más profunda de la estructura de las teorías de la gravedad cuántica que la precedieron [2] . El desarrollo de la teoría de cuerdas continúa, y existe la esperanza [2] de que los elementos faltantes de las teorías de cuerdas y los fenómenos correspondientes se encuentren en un futuro cercano, incluso como resultado de los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones [13] .
Si hubiera un mecanismo explícito para extrapolar cuerdas a la física de baja energía, entonces la teoría de cuerdas nos presentaría todas las partículas fundamentales y sus interacciones en forma de restricciones en los espectros de excitación de objetos unidimensionales no locales . De esta manera, fue posible caracterizar la materia y la propiedad de la materia, que se presta a la aproximación. Las dimensiones características de las cuerdas compactadas son extremadamente pequeñas, del orden de 10 −33 cm (del orden de la longitud de Planck ) [a] , por lo que son inaccesibles a la observación experimental [2] . Similar a las vibraciones de las cuerdas de los instrumentos musicales, los componentes espectrales de las cuerdas son posibles solo para ciertas frecuencias (amplitudes cuánticas). Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía acumulada en tal oscilación [14] , y, de acuerdo con la fórmula E=mc² , mayor es la masa de la partícula, en cuyo papel la cuerda oscilante se manifiesta en el observado mundo. El parámetro, análogo a la frecuencia de un oscilador, para una cuerda es el cuadrado de la masa [15] .
Las teorías cuánticas de cuerdas coherentes y autoconsistentes solo son posibles en espacios de dimensiones superiores (mayores de cuatro, dada la dimensión asociada con el tiempo). En este sentido, en la física de cuerdas, la cuestión de la dimensión del espacio-tiempo está abierta [16] . El hecho de que no se observen dimensiones espaciales adicionales en el mundo macroscópico (directamente observable) se explica en las teorías de cuerdas por uno de dos posibles mecanismos: la compactación de estas dimensiones, torciendo a tamaños del orden de la longitud de Planck , o la localización de todas las partículas del universo multidimensional ( multiverso ) en una hoja de mundo de cuatro dimensiones, que es la parte observable del multiverso. Se supone que las dimensiones superiores pueden manifestarse en las interacciones de partículas elementales a altas energías , pero hasta el momento no hay indicaciones experimentales de tales manifestaciones.
Al construir la teoría de cuerdas, se hace una distinción entre el enfoque de cuantificación primaria y secundaria . Este último opera con el concepto de un campo de cuerdas, un funcional en el espacio de bucles , similar a la teoría cuántica de campos . En el formalismo de la cuantificación primaria, los métodos matemáticos describen el movimiento de una cadena de prueba en campos de cadenas externos, mientras que no se excluye la interacción entre cadenas, incluida la descomposición y unificación de cadenas. El enfoque de cuantización primaria conecta la teoría de cuerdas con la teoría de campo habitual en la superficie del mundo [4] .
Las teorías de cuerdas más realistas incluyen la supersimetría como elemento obligatorio , por lo que dichas teorías se denominan supercuerdas [17] . El conjunto de partículas y las interacciones entre ellas, observadas a energías relativamente bajas, reproducen prácticamente la estructura del Modelo Estándar en física de partículas elementales, y muchas propiedades del Modelo Estándar reciben una elegante explicación en el marco de las teorías de supercuerdas. Sin embargo, todavía no existen principios por los cuales uno podría explicar ciertas limitaciones de las teorías de cuerdas para obtener algún tipo de modelo estándar [18] .
A mediados de la década de 1980, Michael Green y John Schwartz llegaron a la conclusión de que la supersimetría , que es el elemento central de la teoría de cuerdas, puede incluirse en ella no de una, sino de dos formas: la primera es la supersimetría de la superficie del mundo. de la cadena [4] , la segunda es la supersimetría espacio -temporal [19] . Básicamente, estas formas de introducir la supersimetría conectan los métodos de la teoría conforme de campos con los métodos estándar de la teoría cuántica de campos [20] [21] . Las características técnicas de la implementación de estas formas de introducir la supersimetría llevaron a la aparición de cinco teorías de supercuerdas diferentes: tipo I, tipos IIA y IIB, y dos teorías de cuerdas heteróticas [22] . El aumento resultante de interés en la teoría de cuerdas se ha denominado la "primera revolución de supercuerdas". Todos estos modelos están formulados en un espacio-tiempo de 10 dimensiones, pero difieren en el espectro de cuerdas y en los grupos de simetría de calibre . Introducido en la década de 1970 y desarrollado en la década de 1980, la construcción de la supergravedad de 11 dimensiones [23] , así como las inusuales dualidades topológicas de las variables de fase en la teoría de cuerdas a mediados de la década de 1990, condujeron a la "segunda revolución de supercuerdas". Resultó que todas estas teorías están, de hecho, estrechamente relacionadas entre sí debido a ciertas dualidades [24] . Se ha sugerido que las cinco teorías son casos límite diferentes de una sola teoría fundamental, llamada teoría M. Actualmente, se encuentra en marcha la búsqueda de un lenguaje matemático apropiado para la formulación de esta teoría [18] .
En 1968, los físicos Gabriel Veneziano y Mahiko Suzuki descubrieron que la fórmula que derivó Leonhard Euler en el siglo XVIII describía la dispersión de dos partículas elementales. Los físicos posteriores Yoichiro Nambu , Holger Nielsen y Leonard Susskind , se dieron cuenta de que esta fórmula representaba la interacción de dos cuerdas. Desde entonces, esta clase de ecuaciones de la física teórica ha sido denominada teoría de cuerdas [25] .
Las cuerdas como objetos fundamentales se introdujeron originalmente en la física de partículas elementales para explicar las características estructurales de los hadrones , en particular de los piones .
En la década de 1960 , se descubrió una relación entre el espín del hadrón y su masa ( trama de Chu-Frauci ) [26] [27] . Esta observación condujo a la creación de la teoría Regge , en la que los diferentes hadrones se consideraban no como partículas elementales, sino como diversas manifestaciones de un solo objeto extenso: el reggeon . En los años siguientes, a través de los esfuerzos de Gabriele Veneziano , Yoichiro Nambu , Holger Beh Nielsen y Leonard Susskind , se derivó una fórmula para la dispersión de reggeons y se dio una interpretación de cuerdas de los fenómenos que ocurren durante esto.
En 1968, Gabriele Veneziano y Mahiko Suzuki , mientras intentaban analizar el proceso de colisión de pi-mesones ( piones ), descubrieron que la amplitud de la dispersión de pares de piones de alta energía se describe con mucha precisión mediante una de las funciones beta introducidas por Leonhard Euler . en 1730 . Más tarde se encontró que la amplitud de la dispersión de par de piones se puede expandir en una serie infinita , cuyo comienzo coincide con la fórmula de Veneziano-Suzuki [28] .
En 1970, Yoichiro Nambu , Tetsuo Goto , Holger Beh Nielsen y Leonard Susskind propusieron la idea de que la interacción entre piones en colisión surge del hecho de que estos piones están conectados por un "hilo oscilante infinitamente delgado". Suponiendo que este "hilo" obedece a las leyes de la mecánica cuántica , dedujeron una fórmula que coincide con la fórmula Veneziano-Suzuki. Así, han aparecido modelos en los que las partículas elementales se representan como cuerdas unidimensionales que vibran en determinadas notas ( frecuencias ) [28] .
Con el advenimiento de la era de la cromodinámica cuántica , la comunidad científica perdió interés en la teoría de cuerdas en la física de hadrones hasta la década de 1980 [2] .
En 1974 quedó claro que las teorías de cuerdas basadas en las fórmulas de Veneziano se realizan en dimensiones espaciales mayores a 4: el modelo de Veneziano y el modelo de Shapiro-Virasoro (SV) en la dimensión 26, y el modelo de Ramon-Nevio-Schwarz (RNS) en 10 , y todos ellos predicen taquiones [29] . La velocidad de los taquiones supera la velocidad de la luz en el vacío , y por tanto su existencia contradice el principio de causalidad , que, a su vez, se vulnera en el microcosmos. Por lo tanto, no hay pruebas convincentes (en primer lugar, experimentales) de la existencia del taquión, así como refutaciones lógicamente invulnerables [30] . Por el momento se considera más preferible no utilizar la idea de taquiones en la construcción de teorías físicas. La solución del problema de los taquiones se basa en el trabajo sobre la supersimetría global espacio-temporal (independiente de las coordenadas) de Wess y Zumino (1974) [31] . En 1977 Gliozzi, Sherky Olive (proyección GSO) introdujeron una proyección especial para variables de cuerdas en el modelo RNS, que eliminó el taquión y esencialmente dio una cuerda supersimétrica [32] . En 1981, Green y Schwartz lograron describir la proyección de la OSG en términos de supersimetría D-dimensional y un poco más tarde introdujeron el principio de eliminación de anomalías en las teorías de cuerdas [33] .
En 1974, John Schwartz y Joel Sherk , así como de forma independiente Tamiaki Yoneya , al estudiar las propiedades de algunas vibraciones de cuerdas , descubrieron que se corresponden exactamente con las propiedades de una partícula hipotética: un cuanto del campo gravitatorio , que se llama gravitón . 34] . Schwartz y Sherk argumentaron que la teoría de cuerdas fracasó inicialmente porque los físicos subestimaron su alcance [18] . Sobre la base de este modelo, se creó la teoría de cuerdas bosónicas [4] , que sigue siendo la primera versión de la teoría de cuerdas que se enseña a los estudiantes [35] . Esta teoría se formula en términos de la acción de Polyakov , que se puede utilizar para predecir el movimiento de una cuerda en el espacio y el tiempo. El procedimiento para cuantificar la acción de Polyakov lleva al hecho de que la cuerda puede vibrar de varias formas, y cada forma de vibración genera una partícula elemental separada. La masa de una partícula y las características de su interacción están determinadas por la forma en que vibra la cuerda, o una especie de “nota” que se extrae de la cuerda. La gama así obtenida se denomina espectro de masas de la teoría de cuerdas.
Los modelos originales incluían tanto hilos abiertos, es decir, hilos con dos extremos libres, como cerrados, es decir, bucles. Estos dos tipos de cuerdas se comportan de manera diferente y generan dos espectros diferentes. No todas las teorías de cuerdas modernas usan ambos tipos, algunas se las arreglan solo con cuerdas cerradas.
La teoría de cuerdas bosónica no está exenta de problemas. En primer lugar, la teoría tiene una inestabilidad fundamental que sugiere la desintegración del propio espacio-tiempo. Además, como sugiere su nombre, el espectro de partículas se limita solo a los bosones . A pesar de que los bosones son un ingrediente importante en el universo, el Universo no solo está compuesto por ellos. También predice una partícula inexistente con un cuadrado negativo de masa: un taquión [15] . La investigación sobre cómo se pueden incluir los fermiones en el espectro de la teoría de cuerdas condujo al concepto de supersimetría , la teoría de la relación entre bosones y fermiones, que ahora tiene un significado independiente. Las teorías que incluyen vibraciones fermiónicas de cuerdas se denominan teorías de supercuerdas [36] .
En 1984-1986, los físicos se dieron cuenta de que la teoría de cuerdas podía describir todas las partículas elementales y las interacciones entre ellas, y cientos de científicos comenzaron a trabajar en la teoría de cuerdas como la idea más prometedora para unificar las teorías físicas.
La primera revolución de las supercuerdas fue el descubrimiento en 1984 por Michael Green y John Schwartz del fenómeno de la contracción anómala en la teoría de cuerdas de tipo I. El mecanismo de esta contracción se denomina mecanismo de Green-Schwartz . Otros descubrimientos significativos, como el descubrimiento de la cadena heterótica , se realizaron en 1985 [18] .
A mediados de la década de 1990, Edward Witten , Joseph Polchinski y otros físicos encontraron evidencia sólida de que las diversas teorías de supercuerdas eran varios casos límite de la teoría M de 11 dimensiones aún sin desarrollar . Este descubrimiento marcó la segunda revolución de las supercuerdas .
Los estudios recientes de la teoría de cuerdas (más precisamente, la teoría M) involucran D- branas , objetos de alta dimensión cuya existencia se deriva de la inclusión en la teoría abierta de cuerdas [18] . En 1997, Juan Maldacena descubrió la relación entre la teoría de cuerdas y una teoría de norma denominada teoría supersimétrica de Yang-Mills N=4 [4] . Esta relación, denominada correspondencia AdS/CFT (una abreviatura de los términos espacio anti de Sitter y teoría del campo conforme ), ha atraído un gran interés por parte de la comunidad de cuerdas y ahora se está estudiando activamente [37] . Esta "correspondencia AdS/CFT" es una implementación concreta del principio holográfico , que tiene implicaciones de gran alcance para los agujeros negros , la localidad y la información en física, y la naturaleza de la interacción gravitacional .
En 2003, el desarrollo del panorama de la teoría de cuerdas , lo que significa que la teoría de cuerdas tiene un número exponencialmente grande de falsos vacíos no equivalentes [38] [39] [40] , dio lugar a un debate sobre lo que la teoría de cuerdas puede predecir y cómo puede cambiar la cosmología de cuerdas (ver más abajo para más detalles ).
En 2020, científicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) pudieron confirmar la falacia de algunas variantes de la teoría de cuerdas que predecían la existencia de hipotéticas partículas de axión con ciertas características (al mismo tiempo, los científicos no excluyen la posibilidad de que el axión- como partículas con valores de convertibilidad más bajos que permanecen inaccesibles a los métodos de observación modernos) [41] .
Entre las muchas propiedades de la teoría de cuerdas, las tres siguientes son especialmente importantes:
Tipo de | Número de dimensiones del espacio-tiempo |
Característica |
---|---|---|
bosónico | 26 | Describe sólo bosones , no fermiones ; cuerdas tanto abiertas como cerradas; principal desventaja: una partícula con una masa imaginaria que se mueve a una velocidad mayor que la velocidad de la luz - taquión |
yo | diez | Incluye supersimetría ; cuerdas tanto abiertas como cerradas; sin taquiones ; simetría de grupo - SO(32) |
IIA | diez | Incluye supersimetría ; las cuerdas solo están cerradas; sin taquiones ; los fermiones sin masa no son quirales |
IIB | diez | Incluye supersimetría ; las cuerdas solo están cerradas; sin taquiones ; Los fermiones sin masa son quirales. |
HO | diez | Incluye supersimetría ; las cuerdas solo están cerradas; sin taquiones ; teoría heterótica: las cuerdas que vibran en el sentido de las agujas del reloj son diferentes de las cuerdas que vibran en el sentido contrario a las agujas del reloj; simetría de grupo - SO(32) |
ÉL | diez | Incluye supersimetría ; las cuerdas solo están cerradas; sin taquiones ; teoría heterótica: las cuerdas que vibran en el sentido de las agujas del reloj son diferentes de las cuerdas que vibran en el sentido contrario a las agujas del reloj; simetría de grupo - E 8 × E 8 |
A pesar de que la comprensión de los detalles de las teorías de supercuerdas requiere una formación matemática seria, algunas propiedades cualitativas de las cuerdas cuánticas pueden entenderse a un nivel intuitivo. Así, las cuerdas cuánticas, como las cuerdas ordinarias, tienen elasticidad , que se considera el parámetro fundamental de la teoría. La elasticidad de una cuerda cuántica está estrechamente relacionada con su tamaño. Considere una cuerda cerrada a la que no se le aplican fuerzas. La elasticidad de la cuerda tenderá a tirar de ella en un bucle más pequeño hasta el tamaño de un punto. Sin embargo, esto violaría uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica , el principio de incertidumbre de Heisenberg . El tamaño característico de un bucle de cuerda se obtiene como resultado del equilibrio entre la fuerza elástica, que acorta la cuerda, y el efecto de incertidumbre, que estira la cuerda.
Debido a la longitud de la cuerda, se resuelve el problema de las divergencias ultravioleta en la teoría cuántica de campos y, en consecuencia, todo el procedimiento de regularización y renormalización deja de ser un truco matemático y adquiere significado físico. De hecho, en la teoría cuántica de campos, las amplitudes de interacción infinitas resultan del hecho de que dos partículas pueden acercarse entre sí arbitrariamente cerca. En la teoría de cuerdas, esto ya no es posible: las cuerdas que están demasiado juntas se fusionan en una cuerda [6] .
A mediados de la década de 1980, se descubrió que la supersimetría , que es la pieza central de la teoría de cuerdas [42] , puede incorporarse no de una, sino de cinco maneras diferentes, lo que lleva a cinco teorías diferentes: tipo I, tipos IIA y IIB. y dos teorías de cuerdas heteróticas. Se puede suponer que solo uno de ellos podría reclamar el papel de una "teoría del todo", además, una que, a bajas energías y compactada en seis dimensiones adicionales, sería consistente con las observaciones reales. Quedaron preguntas abiertas sobre qué teoría es más adecuada y qué hacer con las otras cuatro teorías [18] Pág. 126 .
Durante la segunda revolución de supercuerdas , se demostró que tal representación es incorrecta: las cinco teorías de supercuerdas están estrechamente relacionadas entre sí, siendo diferentes casos límite de una sola teoría fundamental de 11 dimensiones (teoría M ) [18] [c] .
Las cinco teorías de supercuerdas están relacionadas entre sí por transformaciones denominadas dualidades [43] . Si dos teorías están interconectadas por una transformación de dualidad (transformación dual), esto significa que cada fenómeno y cualidad de una teoría en algún caso límite tiene su análogo en otra teoría, y también hay una especie de "diccionario" de traducción de una teoría. a otro [44] .
Es decir, las dualidades también conectan cantidades que se consideraban diferentes o incluso mutuamente excluyentes. Escalas grandes y pequeñas, constantes de acoplamiento fuertes y débiles: estas cantidades siempre se han considerado límites bastante claros en el comportamiento de los sistemas físicos, tanto en la teoría clásica de campos como en la teoría cuántica . Las cuerdas, sin embargo, pueden cerrar la brecha entre lo grande y lo pequeño, lo fuerte y lo débil.
T-dualidadLa dualidad T está relacionada con la simetría en la teoría de cuerdas, aplicable a las teorías de cuerdas de tipo IIA y IIB y dos teorías de cuerdas heteróticas. Las transformaciones de dualidad T operan en espacios en los que al menos un dominio tiene la topología de un círculo. Con esta transformación, el radio R de esta región cambia a 1/ R , y los estados de cuerda “heridos” [d] cambian a estados de cuerda de alto momento en la teoría dual. Por lo tanto, al cambiar los modos de impulso y los modos helicoidales de la cuerda, se puede cambiar entre escalas grandes y pequeñas [45] .
En otras palabras, la conexión de la teoría tipo IIA con la teoría tipo IIB significa que se pueden compactar en un círculo, y luego, al cambiar los modos helicoidal y de momento, y por lo tanto las escalas, se puede ver que las teorías han cambiado. lugares. Lo mismo es cierto para las dos teorías heteróticas [46] .
S-dualidadLa dualidad S (dualidad fuerte-débil) es la equivalencia de dos teorías cuánticas de campos , la teoría de cuerdas y la teoría M. La transformación S-dualidad reemplaza los estados físicos y el vacío con la constante de acoplamiento [47] g de una teoría por los estados físicos y el vacío con la constante de acoplamiento 1 / g de otra, la teoría dual primera. Esto permite utilizar la teoría de la perturbación , que es válida para teorías con una constante de acoplamiento g mucho menor que 1, en relación con teorías duales con una constante de acoplamiento g mucho mayor que 1 [46] . Las teorías de supercuerdas están relacionadas por S-dualidad de la siguiente manera: una teoría de supercuerdas de tipo I es S-dual con respecto a una teoría heterótica SO(32), y una teoría de tipo IIB es S-dual consigo misma.
U-dualidadU-dualidad es una simetría que conecta las transformaciones de S-dualidad y T-dualidad; se encuentra con mayor frecuencia en el contexto de los llamados grupos de simetría dual U en la teoría M , definidos en espacios topológicos específicos . La dualidad U es la unión en estos espacios de la dualidad S y la dualidad T, que, como puede verse en la brana D , no conmutan entre sí [48] .
Una predicción intrigante de la teoría de cuerdas es la multidimensionalidad del universo . Ni las teorías de Maxwell ni las de Einstein dan tal predicción, ya que asumen un número determinado de dimensiones ( hay cuatro en la teoría de la relatividad ). El primero en añadir una quinta dimensión a las cuatro de Einstein fue el matemático alemán Theodor Kaluza ( 1919 ) [49] . La justificación de la inobservabilidad de la quinta dimensión (su compacidad) fue propuesta por el físico sueco Oscar Klein en 1926 [50] .
El requisito de que la teoría de cuerdas sea consistente con la invariancia relativista (invariancia de Lorentz ) impone requisitos estrictos sobre la dimensión del espacio-tiempo en el que se formula. La teoría de las cuerdas bosónicas solo se puede construir en un espacio-tiempo de 26 dimensiones, y las teorías de supercuerdas, en 10 dimensiones [16] .
Dado que, según la teoría especial de la relatividad , existimos en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones [51] [52] , es necesario explicar por qué las dimensiones adicionales restantes son inobservables. La teoría de cuerdas tiene dos de estos mecanismos a su disposición.
CompactaciónEl primero de ellos consiste en la compactación de 6 o 7 dimensiones adicionales, es decir, su cierre sobre sí mismos a distancias tan pequeñas que no pueden ser detectadas en los experimentos. La descomposición en seis dimensiones de los modelos se logra utilizando espacios de Calabi-Yau .
La analogía clásica utilizada al considerar el espacio multidimensional es la manguera de jardín [53] . Si se ve desde una distancia suficientemente distante, la manguera parecerá tener una sola dimensión, la longitud. Pero si te acercas a él, se revela su segunda dimensión: el círculo. El verdadero movimiento de una hormiga que se arrastra sobre la superficie de una manguera es bidimensional, pero desde la distancia nos parecerá unidimensional. Una dimensión adicional solo es visible desde una distancia relativamente cercana, por lo que las dimensiones adicionales del espacio Calabi-Yau solo son visibles desde una distancia extremadamente cercana, es decir, son prácticamente indetectables.
LocalizaciónOtra opción, la localización, es que las dimensiones adicionales no sean tan pequeñas, sin embargo, por varias razones, todas las partículas de nuestro mundo están localizadas en una hoja de cuatro dimensiones en un universo multidimensional ( multiverso ) y no pueden salir de él. Esta hoja de cuatro dimensiones ( brana ) es la parte observable del multiverso. Dado que nosotros, como toda nuestra tecnología, constamos de partículas ordinarias, en principio somos incapaces de mirar hacia afuera.
La única forma de detectar la presencia de dimensiones extra es la gravedad . La gravedad, al ser el resultado de la curvatura del espacio-tiempo, no está localizada en la brana y, por lo tanto, los gravitones y los agujeros negros microscópicos pueden salir. En el mundo observable, tal proceso parecerá una desaparición repentina de la energía y el impulso que se llevan estos objetos.
La teoría de cuerdas necesita verificación experimental, pero ninguna de las versiones de la teoría ofrece predicciones inequívocas que puedan probarse en un experimento crítico . Por lo tanto, la teoría de cuerdas aún se encuentra en su "etapa rudimentaria": tiene muchas características matemáticas atractivas y puede volverse extremadamente importante para comprender el funcionamiento del universo, pero se requiere un mayor desarrollo para aceptarla o rechazarla. Dado que es probable que la teoría de cuerdas no sea comprobable en el futuro previsible debido a las limitaciones tecnológicas, algunos científicos cuestionan si la teoría merece el estatus de teoría científica, ya que, en su opinión, no es refutable en el sentido popperiano [12] [54 ] ] [55 ] .
Por supuesto, esto en sí mismo no es una razón para creer que la teoría de cuerdas está equivocada. A menudo, las nuevas construcciones teóricas pasan por una etapa de incertidumbre antes de ser reconocidas o rechazadas sobre la base de la comparación con los resultados de los experimentos (ver, por ejemplo, las ecuaciones de Maxwell [56] ). Por tanto, en el caso de la teoría de cuerdas, se requiere o bien el desarrollo de la propia teoría, es decir, los métodos de cálculo y deducción de conclusiones, o bien el desarrollo de la ciencia experimental para estudiar cantidades previamente inaccesibles.
En 2003, se encontró [57] que hay muchas formas de reducir las teorías de supercuerdas de 10 dimensiones a una teoría de campo efectivo de 4 dimensiones. La propia teoría de cuerdas no proporcionó un criterio para determinar cuál de los posibles caminos de reducción era preferible. Cada una de las variantes de reducción de la teoría de 10 dimensiones genera su propio mundo de 4 dimensiones, que puede parecerse o no al mundo observado. El conjunto completo de realizaciones posibles del mundo de baja energía de la teoría de supercuerdas original se llama el paisaje de la teoría .
Resulta que la cantidad de tales opciones es realmente enorme. Se cree que su número es de al menos 10.100 , más probablemente, unos 10.500 ; es posible que haya un número infinito de ellos [58] .
Durante 2005, se sugirió repetidamente [59] que el progreso en esta dirección puede estar asociado con la inclusión del principio antrópico en este cuadro [60] : una persona existe en tal Universo en el que su existencia es posible.
Desde un punto de vista matemático, otro problema es que, al igual que la teoría cuántica de campos , gran parte de la teoría de cuerdas todavía se formula perturbativamente (en términos de teoría de perturbaciones ) [61] . A pesar de que los métodos no perturbativos han hecho un progreso significativo en los últimos años, todavía no existe una formulación no perturbativa completa de la teoría.
Como resultado de experimentos para detectar la "granularidad" ( grado de cuantización ) del espacio, que consistía en medir el grado de polarización de la radiación gamma procedente de fuentes distantes y potentes, resultó que en la radiación del estallido de rayos gamma GRB041219A , cuya fuente se encuentra a una distancia de 300 millones de años luz , la granularidad del espacio no se manifiesta hasta tamaños de 10 −48 m, que es 10 14 veces menor que la longitud de Planck [e] . Este resultado, aparentemente, nos obligará a reconsiderar los parámetros externos de las teorías de cuerdas [62] [63] [64] .
En 1996 , los teóricos de cuerdas Andrew Strominger y Kamran Wafa , basándose en resultados anteriores de Susskind y Sen , publicaron La naturaleza microscópica de Bekenstein y la entropía de Hawking . En este trabajo, Strominger y Vafa pudieron usar la teoría de cuerdas para encontrar los componentes microscópicos de cierta clase de agujeros negros [65] y también para calcular con precisión las contribuciones de estos componentes a la entropía. El trabajo se basó en la aplicación de un nuevo método, en parte más allá del alcance de la teoría de perturbaciones , que se utilizó en la década de 1980 y principios de la de 1990. El resultado del trabajo coincidió exactamente con las predicciones de Bekenstein y Hawking, realizadas más de veinte años antes.
Strominger y Vafa contrarrestaron los procesos reales de formación de agujeros negros con un enfoque constructivo [2] . La conclusión es que cambiaron el punto de vista sobre la formación de agujeros negros, demostrando que pueden construirse ensamblando minuciosamente en un mecanismo el conjunto exacto de branas descubiertas durante la segunda revolución de las supercuerdas .
Strominger y Vafa pudieron calcular el número de permutaciones de los componentes microscópicos de un agujero negro que dejan sin cambios las características observables comunes, como la masa y la carga . Entonces, la entropía de este estado, por definición, es igual al logaritmo del número resultante: el número de posibles microestados del sistema termodinámico . Luego compararon el resultado con el área del horizonte de sucesos del agujero negro (esta área es proporcional a la entropía del agujero negro, como predijeron Bekenstein y Hawking basándose en el entendimiento clásico [2] ) y encontraron un acuerdo perfecto [66]. ] . Al menos para la clase de agujeros negros extremos, Strominger y Vafa pudieron encontrar una aplicación de la teoría de cuerdas al análisis de componentes microscópicos y el cálculo exacto de la entropía correspondiente.
Este descubrimiento demostró ser 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 los resultados experimentales, por ejemplo, con los resultados de las mediciones de las masas de los quarks o los electrones . La teoría de cuerdas, sin embargo, proporciona la primera justificación fundamental para una propiedad de los agujeros negros descubierta hace mucho tiempo, cuya imposibilidad de explicar obstaculizó 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 la década de 1980, admitió en una entrevista en 1997 que “cuando los teóricos de cuerdas hablan de agujeros negros, hablan de fenómenos casi observables, y esto es impresionante”. » [18] .
La cosmología de cuerdas es un campo relativamente nuevo y de rápido desarrollo de la física teórica , en el que se están haciendo intentos de utilizar las ecuaciones de la teoría de cuerdas para resolver algunos de los problemas que surgieron en la teoría cosmológica temprana . Este enfoque fue utilizado por primera vez por Gabriele Veneziano [67] , quien mostró cómo el modelo inflacionario del Universo puede derivarse de la teoría de supercuerdas. La cosmología inflacionaria asume la existencia de algún campo escalar que induce la expansión inflacionaria. En la cosmología de cuerdas, en cambio, se introduce el llamado campo de dilatón [68] [69] , cuyos cuantos , a diferencia, por ejemplo, del campo electromagnético , no carecen de masa , por lo que la influencia de este campo es significativa sólo a distancias del orden del tamaño de las partículas elementales o en una etapa temprana de desarrollo Universo [70] .
Hay tres puntos principales en los 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, se deduce de la teoría de cuerdas que el universo debería tener un tamaño mínimo permisible. Esta conclusión cambia la idea de la estructura del Universo directamente en el momento del Big Bang , para el cual el modelo estándar resulta ser el tamaño cero del Universo. En segundo lugar, la noción de T-dualidad , 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 [71] . En tercer lugar, el número de dimensiones del espacio-tiempo en la teoría de cuerdas es más de cuatro, por lo que la cosmología debe describir la evolución de todas estas dimensiones. En general, la peculiaridad de la teoría de cuerdas es que en ella, aparentemente, la geometría espacio-temporal no es fundamental, sino que aparece en la teoría a grandes escalas o con acoplamiento débil [72] .
A pesar del hecho de que el campo de las acciones básicas en la teoría de cuerdas es inaccesible para el estudio experimental directo [73] [74] , una serie de predicciones indirectas de la teoría de cuerdas todavía pueden probarse en experimentos [75] [76] [77] [78 ] .
Primero, la presencia de supersimetría es obligatoria . Se espera que lanzado el 10 de septiembre de 2008 , pero puesto en servicio completamente [f] en 2010, el Gran Colisionador de Hadrones podrá descubrir algunas partículas supersimétricas [g] .
En segundo lugar, en modelos con la localización del universo observable en el multiverso , cambia la ley de la gravedad de los cuerpos a pequeñas distancias. En la actualidad se están realizando una serie de experimentos que ponen a prueba la ley de la gravitación universal con gran precisión a distancias de centésimas de milímetro [79] . Encontrar una desviación de esta ley sería un argumento clave a favor de las teorías supersimétricas.
La falta de datos experimentales que confirmaran la teoría de la supersimetría provocó la aparición de críticos de esta teoría incluso entre los antiguos entusiastas de la supersimetría. Entonces, el teórico Mikhail Shifman publicó un artículo crítico en octubre de 2012. En el artículo, escribió directamente que la teoría de la supersimetría no tiene perspectivas, que debe abandonarse por el bien de las nuevas ideas y por el bien de una nueva generación de físicos teóricos (para que no se conviertan en una generación perdida).
En tercer lugar, en los mismos modelos, la gravedad puede volverse muy fuerte ya a escalas de energía del orden de varios TeV , lo que permite probarla en el Gran Colisionador de Hadrones. Actualmente, hay un estudio activo de los procesos de nacimiento de gravitones y agujeros negros microscópicos en tales versiones de la teoría.
Finalmente, algunas versiones de la teoría de cuerdas también conducen a predicciones astrofísicas observacionales. Las supercuerdas ( cuerdas cósmicas ), las cuerdas D u otros objetos de cuerda estirados a dimensiones intergalácticas tienen un fuerte campo gravitatorio y pueden actuar como lentes gravitacionales . Además, las cuerdas en movimiento deberían crear ondas gravitacionales que, en principio, pueden detectarse [80] en experimentos como LIGO y VIRGO . También pueden crear pequeñas irregularidades en el CMB , que pueden detectarse en futuros experimentos [18] .
![]() | |
---|---|
En catálogos bibliográficos |
teorías de la gravedad | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
modelo estándar | Física más allá del|
---|---|
Evidencia | |
teorías | |
supersimetría | |
gravedad cuántica | |
Experimentos |
|