La teoría general de la relatividad de Albert Einstein proporcionó a los físicos tanto una mejor comprensión de la gravedad como nuevas preguntas sin respuesta. Si bien fue innovador, no pudo describir la gravedad como una teoría cuántica consistente, o una que describa con éxito todas las fuerzas de la naturaleza. Hasta el día de hoy, el sueño de Einstein de vincular la gravedad con el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil en un solo marco aún no se ha realizado.
Más tarde, dos científicos propusieron una idea en la que la gravedad y el electromagnetismo podrían surgir del mismo enfoque teórico, pero solo con dimensiones adicionales en las ecuaciones. Si bien su teoría era demasiado simple para describir completamente el universo, su idea de la "compactación" de las dimensiones finalmente se convirtió en la base de la investigación de la teoría de cuerdas.
Los físicos de Penn han publicado un artículo con soluciones de teoría de cuerdas de "cuatrillones" que describen un universo hipotético con las mismas partículas y fuerzas fundamentales que el nuestro. Penn Today se reunió con los coautores Mirjam Cvetic, Ling Lin y Muyang Liu para obtener más información sobre el significado de estas soluciones, cómo los físicos usan cuerdas diminutas para explicar los fenómenos físicos y cómo progresará el campo de la física teórica en el futuro.
¿Qué es, en términos generales, la teoría de cuerdas y cómo surgió esta teoría?
Cvetic: Al comprender cómo funciona la naturaleza, queremos comprender el origen de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Y en este contexto explicamos la física de partículas en términos de fenómenos mecánicos cuánticos. La física de partículas elementales es consistente con la mecánica cuántica, pero también tenemos la teoría de la gravedad que queremos describir en términos de fenómenos cuánticos, y ahí es donde las cosas se ponen difíciles.
Lin: Es como si las personas que inventaron la gravedad tuvieran un lenguaje diferente al de las personas que inventaron la mecánica cuántica.
Cvetic: Esa es la principal motivación de la teoría de cuerdas: originalmente pensada como una descripción de la fuerza nuclear fuerte, la gente se dio cuenta de que permite una descripción cuántica de la gravedad. La forma en que identificamos las partículas cuánticas en la teoría de cuerdas, incluidas las partículas cuánticas de gravedad, es mediante vibraciones, excitaciones de cuerdas diminutas. La teoría de cuerdas como una teoría cuántica consistente no vive en tres dimensiones espaciales/una vez, sino en 10 dimensiones. Así que estamos lidiando con la idea de compactar seis dimensiones adicionales, es decir, reducirlas a tamaños pequeños. Si bien no podemos observarlas, estas dimensiones aún pueden ser probadas por las cuerdas microscópicas y afectar su comportamiento.
Pero aquí hay un subproducto: la reducción de dimensiones adicionales nos permite comenzar a describir la física de partículas. Observamos no solo la partícula cuántica de la gravedad sino también la partícula cuántica de, digamos, las interacciones electromagnéticas, que llamamos fotón.
De alguna manera dices, "Oh, Dios, dimensiones extra, eso es un problema", pero estas dimensiones extra también producen naturalmente tipos de interacciones en cuatro dimensiones además de la gravedad, que no pedimos al principio. Dependiendo de las formas geométricas de las dimensiones adicionales, podemos identificar estas interacciones con otras fuerzas de la naturaleza, como el electromagnetismo y las fuerzas nucleares.
En nuestra comprensión actual, estas fuerzas están descritas por el llamado modelo estándar de física de partículas, pero esto no incluye la gravedad. Y ahí es donde la teoría de cuerdas se convierte en un interesante campo de investigación.
¿Cuáles son los desafíos de finalmente realizar el sueño de Einstein de unificar las otras fuerzas con la gravedad?
Lin: Si piensas en la música, es como si alguien hubiera inventado la notación, pero lo que en realidad observamos en un experimento es una pieza en particular. El problema es que no tenemos un buen sistema que nos permita anotar lo que observamos en los experimentos, o, para usar la misma analogía, lo que escuchamos en una sala de conciertos, usando el sistema que tenemos.
Es como si nuestra partitura pudiera distinguir entre pasos de medio tono, pero hay otra música que tiene incrementos de entonación más finos. Entonces, nuestra partitura actual nunca podrá capturar eso y, si hay una pieza en particular que tiene este tipo de cambios, ¿cómo capturamos estas cosas?
La teoría de cuerdas está tratando de proponer un nuevo sistema para escribir música, un nuevo sistema para escribir teorías de la gravedad cuántica. Pero no es solo un sistema para escribir lo que sabemos de nuestro mundo porque ni siquiera sabemos todas las características que vale la pena escribir.
Tenemos algunas sugerencias sobre qué características específicas debe proporcionar nuestro sistema, y ??lo que estamos tratando de hacer es explorar cosas más técnicas, como si este tipo de herramientas matemáticas realmente nos ayuden a capturar las características del modelo estándar.
Su artículo se basó en métodos de la rama de la teoría F de la teoría de cuerdas. ¿Cuáles son los beneficios de este enfoque y qué significa realmente tener un cuatrillón de soluciones?
Cvetic: Lo hermoso de este régimen de la teoría de cuerdas es que podemos describir sus propiedades en términos de geometría: la forma de este espacio compacto adicional, cuán singular es, cómo determina las propiedades de las partículas en tres dimensiones espaciales/una dimensión temporal. . Entonces, para ciertas propiedades, en particular para sacar las partículas del modelo estándar, el poder de la geometría nos ayudó a descubrir ejemplos en los que podemos combinarlo con la música del modelo estándar.
Lin: Los cuatrillones de soluciones están relacionados con la cuestión de qué tan especial es nuestro universo, el modelo estándar y los fenómenos de física de partículas que observamos, en lo que llamamos el paisaje de cuerdas. Desde la perspectiva de la física de partículas, la gente piensa que, si cambio ciertos parámetros del modelo estándar, nuestro mundo sería muy diferente, por lo que es especial en algún sentido.
En la teoría de cuerdas tenemos esta buena característica de que todo viene en números discretos, por lo que podemos contar cuántas soluciones hay. Lo que mostramos es que, sí, el modelo estándar es especial, pero dentro de la teoría de cuerdas tiene el potencial de realizarse de muchas maneras diferentes.
¿Cuáles son los desafíos de su trabajo y hacia dónde se dirige ahora?
Cvetic: Por coherencia, las construcciones de la teoría de cuerdas se basan en algo llamado supersimetría. Incluimos la supersimetría porque es una herramienta técnica que necesitamos para derivar estas propiedades, pero se puede romper a grandes energías. Este es un tema importante porque a la gente le gustaría hacer coincidir, en todos los detalles, nuestras construcciones con restricciones experimentales en las que no observamos supersimetría a bajas energías, por lo que se nos pedirá que abordemos esas cosas con más detalle.
Lin: Ese es uno de los problemas conceptuales de la teoría de cuerdas. Si alguien construye un nuevo detector y encuentra estas partículas adicionales, asociadas con la supersimetría, a energías más altas que las que estamos alcanzando actualmente en los experimentos, eso sería un avance en el lado experimental que podría ayudarnos mucho. Por otro lado, no observar la supersimetría en un futuro cercano no significa que la teoría de cuerdas esté equivocada. Simplemente significa que necesitamos desarrollar nuevos marcos y métodos para mejorar nuestro conjunto de herramientas.
En términos de qué hacer con estos cuatrillones de ejemplos, estos no son solo algo para poner en un museo, sino que en realidad puede usar estos ejemplos para probar nuevos marcos conceptuales y métodos computacionales en la teoría de cuerdas. Alguien más quizás tenga algunas ideas, por ejemplo, cómo romper la supersimetría, y ahora que tenemos este enorme conjunto para explorar estas ideas, y es tan grande que incluso podrías pensar en usar técnicas de big data.
Es como si produjeras un montón de autos e, incluso si los aplastas contra una pared para probar si las bolsas de aire funcionan, todavía son útiles.
¿Qué sigue emocionándote e inspirándote sobre esta área de investigación?
Cvetic: Creo que uno de los puntos fuertes del esfuerzo de Penn es que hacemos preguntas desde la teoría que son relevantes para nuestros colegas en física experimental de alta energía. Entonces, por un lado, las preguntas que estamos haciendo están relacionadas con cosas que los experimentadores de alta energía están probando en colisionadores, y por otro lado, estamos usando técnicas de teoría de cuerdas formal que nos vinculan estrechamente con nuestros colegas del departamento de matemáticas.
Lin: Lo que encuentro interesante sobre lo que hacemos, y más ampliamente lo que proporciona la teoría de cuerdas, es la idea de descripciones duales para los mismos fenómenos que de repente hace que ciertos aspectos sean mucho más fáciles de comprender. Ha habido este tipo de ideas flotando en la física teórica, pero es la teoría de cuerdas la que ha hecho que esta noción de dualidades esté mucho más presente. Estas ideas han influido, por ejemplo, en trabajos sobre materia condensada que no tienen conexión inmediata con la teoría de cuerdas.
Y si uno piensa desde la perspectiva del matemático, lo que también es muy intrigante es que, de repente, después de siglos en los que los matemáticos proporcionaron herramientas a los físicos, ahora estamos en una etapa en la que podemos usar nuestra intuición para decirles a los matemáticos qué hacer. Eso no tiene precedentes en la historia de la ciencia, que la física ahora guíe a las matemáticas.
Liu: Esta interacción entre la física y las matemáticas me resulta particularmente fascinante en la teoría F. El poderoso diccionario entre conceptos de física teórica fundamental y bellas matemáticas abstractas nos permite traducir muchas preguntas exigentes que intrigan a los físicos en preguntas solucionables en geometría. Por el contrario, nuestra intuición física puede descubrir nuevos teoremas que son difíciles de probar en circunstancias puramente matemáticas.
Cvetic: Creo que la teoría F es increíble. Pero entender en un nivel más profundo es como descubrir algo más allá de la gravedad cuántica o más allá de la teoría de cuerdas. Creo que, específicamente, el importante papel de la geometría en la teoría de cuerdas y, más en general, en la física teórica, ha llevado a un tremendo progreso conceptual, y puede que solo estemos rascando la punta del iceberg de algunas de estas ideas fundamentales.
Mirjam Cvetic es profesora Fay R. y Eugene L. Langberg en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania.
Ling Lin es investigadora postdoctoral en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania.
Muyang Liu es estudiante de posgrado en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania.
¿Qué es la teoría de cuerdas en términos simples?
La teoría de cuerdas propone que los constituyentes fundamentales del universo son "cuerdas" unidimensionales en lugar de partículas puntuales. Lo que percibimos como partículas son en realidad vibraciones en bucles de cuerda, cada uno con su propia frecuencia característica.
¿Se ha probado la teoría de cuerdas?
Los físicos aún tienen que producir evidencia empírica para la teoría de cuerdas, que se inventó hace más de 40 años, la teoría del espacio de bucles o cualquier otra teoría unificada. Ni siquiera tienen buenas ideas para obtener pruebas.
¿Qué son las 5 teorías de cuerdas?
Como referencia, en caso de que tenga curiosidad, los nombres de las cinco teorías de cuerdas son: Tipo 1, Tipo IIA, Tipo IIB, SO(32) heterótico y E8xE8 heterótico. Obviamente, no todas podían ser descripciones correctas de la naturaleza, pero ¿cuál era la teoría de cuerdas 'real' y cuáles eran las falsas?
¿Se acepta la teoría de cuerdas?
El debate de la teoría de cuerdas
Aunque la teoría ha estado en desarrollo durante casi 40 años, todavía no es un paradigma físico universalmente aceptado.