¿Cuándo apareció la teoría de cuerdas? Brevemente sobre la teoría de cuerdas.

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:

Se conocen más de 470 millones de cifras de este tipo. Actualmente se está calculando cuál de ellos corresponde a nuestra realidad. No es fácil ser físico teórico.

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 alta energía 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. Pero 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 manera asombrosa 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 curva 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 a la hora 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 se "dobla" el espacio-tiempo de cuatro dimensiones 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.

Nuestros lectores particularmente filosóficos probablemente pensaron un poco antes sobre 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 dado. 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:

Por supuesto, las cuerdas del universo no se parecen en nada a las que imaginamos. En la teoría de cuerdas, son hilos de energía vibrantes increíblemente pequeños. Estos hilos se parecen más a pequeñas “bandas elásticas” que pueden retorcerse, estirarse y comprimirse de muchas formas. Todo esto, sin embargo, no significa que sea imposible "tocar" la sinfonía del Universo con ellos, porque, según los teóricos de cuerdas, todo lo que existe está formado por estos "hilos".

Contradicción física

En la segunda mitad del siglo XIX, a los físicos les parecía que ya no se podía descubrir nada serio en su ciencia. La física clásica creía que no quedaban problemas graves en él y que toda la estructura del mundo parecía una máquina perfectamente regulada y predecible. El problema, como de costumbre, se debió a una tontería: una de las pequeñas "nubes" que aún permanecían en el cielo claro y comprensible 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 otras cosas 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 certeza en qué punto del espacio se encuentra actualmente una partícula en particular y cuál es su momento angular. Sólo existe una cierta probabilidad de encontrar una partícula en muchas regiones del espacio-tiempo. Las partículas a nivel subatómico parecen estar “manchadas” por todo el espacio. No sólo eso, sino que el “estado” de las partículas en sí no está definido: en algunos casos se comportan como ondas, en otros exhiben propiedades de partículas. Esto es lo que los físicos llaman la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.

Niveles de la estructura del mundo: 1. Nivel macroscópico - materia 2. Nivel molecular 3. Nivel atómico - protones, neutrones y electrones 4. Nivel subatómico - electrón 5. Nivel subatómico - quarks 6. Nivel de cuerda / ©Bruno P. Ramos

En la Teoría General de la Relatividad, como en un estado con leyes opuestas, la situación es fundamentalmente diferente. El espacio parece ser como un trampolín: una tela suave que los objetos con masa pueden doblar y estirar. Crean deformaciones en el espacio-tiempo, lo que experimentamos como gravedad. No hace falta decir que la armoniosa, correcta y predecible Teoría General de la Relatividad está en un conflicto insoluble con el “matón excéntrico”: la mecánica cuántica y, como resultado, el macromundo no puede “hacer las paces” con el micromundo. Aquí es donde la teoría de cuerdas viene al rescate.

Universo 2D. Gráfico de poliedro E8 / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Teoría del Todo

La teoría de cuerdas encarna el sueño de todos los físicos de unificar 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.

Gráfica de la función beta de Euler con argumentos reales / ©Flickr

Hasta ahora, no todos los físicos están entusiasmados con la teoría de cuerdas. Y en los albores de su aparición, parecía infinitamente lejos de la realidad. Su mismo nacimiento es una leyenda.

A finales de la década de 1960, un joven físico teórico italiano, Gabriele Veneziano, buscaba ecuaciones que pudieran explicar la fuerza nuclear fuerte, el “pegamento” extremadamente poderoso que mantiene unidos los núcleos de los átomos, uniendo protones y neutrones. Según la leyenda, un día tropezó accidentalmente con un libro polvoriento sobre la historia de las matemáticas, en el que encontró una función escrita hace doscientos años por primera vez por el matemático suizo Leonhard Euler. Imaginemos la sorpresa de Veneziano cuando descubrió que la función de Euler, considerada durante mucho tiempo nada más que una curiosidad matemática, describía esta fuerte interacción.

¿Cómo fue realmente? La fórmula probablemente fue el resultado de muchos años de trabajo de Veneziano, y el azar sólo ayudó a dar el primer paso hacia el descubrimiento de la teoría de cuerdas. La función de Euler, que explicaba milagrosamente la fuerza fuerte, ha encontrado nueva vida.

Finalmente, llamó la atención del joven físico teórico estadounidense Leonard Susskind, quien vio que, en primer lugar, la fórmula describía partículas que no tenían estructura interna y podían vibrar. Estas partículas se comportaron de tal manera que no podían ser simplemente partículas puntuales. Susskind lo entendió: la fórmula describe un hilo que es como una banda elástica. No sólo podía estirarse y contraerse, sino también oscilar y retorcerse. Después de describir su descubrimiento, Susskind introdujo la idea revolucionaria de las cuerdas.

Desafortunadamente, la inmensa mayoría de sus colegas acogieron la teoría con mucha frialdad.

Modelo estandar

En aquel momento, la ciencia convencional representaba las partículas como puntos y no como cuerdas. Durante años, los físicos han estudiado el comportamiento de las partículas subatómicas colisionándolas a altas velocidades y estudiando las consecuencias de estas colisiones. Resultó que el Universo es mucho más rico de lo que uno podría imaginar. Fue una auténtica “explosión demográfica” de partículas elementales. Los estudiantes de física corrieron por los pasillos gritando que habían descubierto una nueva partícula; ni siquiera había suficientes letras para designarlas.

Pero, lamentablemente, en el "hospital de maternidad" de nuevas partículas, los científicos nunca pudieron encontrar la respuesta a la pregunta: ¿por qué hay tantas y de dónde vienen?

Esto llevó a los físicos a hacer una predicción inusual y sorprendente: se dieron cuenta de que las fuerzas que actúan en la naturaleza también podrían explicarse en términos de partículas. Es decir, hay partículas de materia y hay partículas que llevan interacciones. Por ejemplo, un fotón es una partícula de luz. Cuantas más partículas portadoras (los mismos fotones que intercambian las partículas de materia) más brillante será la luz. Los científicos predijeron que este intercambio particular de partículas portadoras no es más que lo que percibimos como fuerza. Esto fue confirmado por experimentos. Así fue como los físicos lograron acercarse al sueño de Einstein de unir fuerzas.

Interacciones entre diferentes partículas en el Modelo Estándar / ©Wikimedia Commons

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.

© Wikimedia Commons

Gravitón

Para la teoría de cuerdas, que aún no había tenido tiempo de “florecer”, ha llegado el “otoño” y contenía demasiados problemas desde su mismo nacimiento; Por ejemplo, los cálculos de la teoría predijeron la existencia de partículas que, como pronto se demostró, no existen. Este es el llamado taquión, una partícula que se mueve en el vacío más rápido que la luz. Entre otras cosas, resultó que la teoría requiere hasta 10 dimensiones. No es sorprendente que esto haya resultado muy confuso para los físicos, ya que obviamente es más grande de lo que vemos.

En 1973, sólo unos pocos físicos jóvenes seguían lidiando con los misterios de la teoría de cuerdas. Uno de ellos fue el físico teórico estadounidense John Schwartz. Durante cuatro años, Schwartz intentó domar las ecuaciones rebeldes, pero fue en vano. Entre otros problemas, una de estas ecuaciones persistía en describir una partícula misteriosa que no tenía masa y no había sido observada en la naturaleza.

El científico ya había decidido abandonar su desastroso negocio, y entonces se dio cuenta: ¿tal vez las ecuaciones de la teoría de cuerdas también describen la gravedad? Sin embargo, esto implicó una revisión de las dimensiones de los principales “héroes” de la teoría: las cuerdas. Al suponer que las cuerdas son miles de millones y miles de millones de veces más pequeñas que un átomo, los “cordones” convirtieron la desventaja de la teoría en una ventaja. La misteriosa partícula de la que John Schwartz había intentado con tanta insistencia deshacerse ahora actuaba como un gravitón, una partícula que se había buscado durante mucho tiempo y que permitiría transferir la gravedad al nivel cuántico. Así es como la teoría de cuerdas completó el rompecabezas de la gravedad, que faltaba en el modelo estándar. Pero, por desgracia, incluso ante este descubrimiento la comunidad científica no reaccionó de ninguna manera. La teoría de cuerdas permaneció al borde de la supervivencia. Pero eso no detuvo a Schwartz. Sólo un científico quiso unirse a su búsqueda, dispuesto a arriesgar su carrera por unos hilos misteriosos: Michael Green.

El físico teórico estadounidense John Schwartz y Michael Green

©Instituto de Tecnología de California/elementy.ru

¿Qué razones hay para pensar que la gravedad obedece a las leyes de la mecánica cuántica? Por el descubrimiento de estos “fundamentos” se otorgó el Premio Nobel de Física en 2011. Consistía en que la expansión del Universo no se frena, como se pensaba, sino que, por el contrario, se acelera. Esta aceleración se explica por la acción de una "antigravedad" especial, que de alguna manera es característica del vacío del espacio. Por otro lado, a nivel cuántico, nada absolutamente "vacío" puede estar: en el vacío, las partículas subatómicas aparecen constantemente y desaparecen inmediatamente. Se cree que este "parpadeo" de partículas es responsable de la existencia de energía oscura "antigravedad" que llena el espacio vacío.

En un momento, fue Albert Einstein, quien hasta el final de su vida nunca aceptó los principios paradójicos de la mecánica cuántica (que él mismo predijo), sugirió la existencia de esta forma de energía. Siguiendo la tradición de la filosofía griega clásica, Aristóteles, con su creencia en la eternidad del mundo, Einstein se negó a creer lo que predecía su propia teoría, es decir, que el universo tuvo un comienzo. Para “perpetuar” el universo, Einstein incluso introdujo una determinada constante cosmológica en su teoría y así describió la energía del espacio vacío. Afortunadamente, después de unos años quedó claro que el Universo no es una forma congelada, sino que se está expandiendo. Entonces Einstein abandonó la constante cosmológica, calificándola de "el mayor error de cálculo de su vida".

Hoy la ciencia sabe que la energía oscura todavía existe, aunque su densidad es mucho menor de lo que supuso Einstein (el problema de la densidad de la energía oscura, por cierto, es uno de los mayores misterios de la física moderna). Pero por pequeño que sea el valor de la constante cosmológica, basta con comprobar que existen efectos cuánticos en la gravedad.

Muñecas subatómicas para anidar

A pesar de todo, a principios de la década de 1980, la teoría de cuerdas todavía tenía contradicciones intratables, 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, así como diferentes notas musicales, diferentes formas (modos) de vibración de una cuerda dan a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, etc. ¿Sabes en qué se diferencian, relativamente hablando, los protones en la punta de tu uña del gravitón aún no descubierto? Sólo por el conjunto de diminutas cuerdas que las componen y la forma en que esas cuerdas vibran.

Por supuesto, todo esto es más que sorprendente. Desde la época de la Antigua Grecia, los físicos se han acostumbrado al hecho de que todo en este mundo está formado por algo así como bolas, partículas diminutas. Y así, al no haber tenido tiempo de acostumbrarse al comportamiento ilógico de estas bolas, que se deriva de la mecánica cuántica, se les pide que abandonen por completo el paradigma y operen con una especie de trozos de espagueti...

Quinta Dimensión

Aunque muchos científicos consideran que la teoría de cuerdas es un triunfo de las matemáticas, aún persisten algunos problemas, en particular la falta de posibilidad de probarla experimentalmente en un futuro próximo. Ningún instrumento en el mundo, ni existente ni capaz de aparecer en el futuro, es capaz de “ver” las cuerdas. Por eso, algunos científicos, por cierto, incluso se preguntan: ¿es la teoría de cuerdas una teoría de la física o de la filosofía?... Es cierto que no es necesario en absoluto ver las cuerdas "con tus propios ojos". Demostrar la teoría de cuerdas requiere, más bien, algo más (lo que parece ciencia ficción): la confirmación de la existencia de dimensiones adicionales del espacio.

¿De qué se trata? Todos estamos acostumbrados a las tres dimensiones del espacio y al tiempo. Pero la teoría de cuerdas predice la presencia de otras dimensiones extra. Pero comencemos en orden.

De hecho, la idea de la existencia de otras dimensiones surgió hace casi cien años. Se le ocurrió en 1919 al entonces desconocido matemático alemán Theodor Kaluza. Sugirió la posibilidad de otra dimensión en nuestro Universo que no vemos. Albert Einstein se enteró de esta idea y al principio le gustó mucho. Más tarde, sin embargo, dudó de su exactitud y retrasó la publicación de Kaluza durante dos años enteros. Al final, sin embargo, el artículo se publicó y la dimensión adicional se convirtió en una especie de pasatiempo para el genio de la física.

Como sabes, Einstein demostró que la gravedad no es más que una deformación de las dimensiones espacio-temporales. Kaluza sugirió que el electromagnetismo también podría ser ondas. ¿Por qué no lo vemos? Kaluza encontró la respuesta a esta pregunta: las ondas del electromagnetismo pueden existir en una dimensión adicional oculta. ¿Pero donde esta?

La respuesta a esta pregunta la dio el físico sueco Oskar Klein, quien sugirió que la quinta dimensión de Kaluza está plegada miles de millones de veces más fuerte que el tamaño de un átomo, razón por la cual no podemos verla. La idea de esta pequeña dimensión que nos rodea está en el corazón de la teoría de cuerdas.

Una de las formas propuestas de dimensiones retorcidas adicionales. Dentro de cada una de estas formas, vibra y se mueve una cuerda, el componente principal del Universo. Cada forma tiene seis dimensiones, según el número de seis dimensiones adicionales / ©Wikimedia Commons

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 encontrar 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 los detalles.

Entonces, en algunas versiones las cuerdas tenían extremos abiertos, en otras parecían anillos. Y en algunas versiones, la teoría incluso requería no 10, sino hasta 26 dimensiones. La paradoja es que las cinco versiones actuales pueden considerarse igualmente ciertas. ¿Pero cuál describe realmente nuestro Universo? Éste es otro misterio de la teoría de cuerdas. Por eso muchos físicos han vuelto a abandonar la teoría “loca”.

Pero el principal problema de las cuerdas, como ya se ha dicho, es la imposibilidad (al menos por ahora) de demostrar experimentalmente su presencia.

Algunos científicos, sin embargo, todavía dicen que la próxima generación de aceleradores tiene una posibilidad mínima, pero aún así, de probar la hipótesis de dimensiones adicionales. Aunque la mayoría, por supuesto, está segura de que si esto es posible, lamentablemente no sucederá muy pronto, al menos en décadas, como máximo, ni siquiera en cien años.

Teoría de supercuerdas

Brevemente sobre la teoría de supercuerdas

¡Esta teoría parece tan descabellada que es muy posible que sea correcta!

Actualmente se consideran varias versiones de la teoría de cuerdas como los principales contendientes por el título de una teoría integral y universal que explique la naturaleza de todo lo que existe. Y esta es una especie de Santo Grial de los físicos teóricos involucrados en la teoría de las partículas elementales y la cosmología. Teoría universal (también conocida como teoría de todo) 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 supersimetría, como resultado de lo cual nació teoría de supercuerdas, y hasta la fecha este es el máximo que se ha logrado en términos de unificar la teoría de las cuatro interacciones principales (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) es causada por el intercambio de partículas portadoras de interacción del tipo correspondiente entre partículas que interactúan (modelo estándar). Para mayor claridad, las partículas que interactúan pueden considerarse los "ladrillos" del universo, y las partículas portadoras pueden considerarse cemento.

Dentro del modelo estándar, los quarks actúan como bloques de construcción y los portadores de interacción actúan como bosones de calibre, que estos quarks intercambian entre sí. 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 en la composición de hadrones y bosones. Naturalmente, ninguna de las predicciones de la teoría de la supersimetría ha sido probada todavía en condiciones de laboratorio, pero los hipotéticos componentes ocultos del mundo material ya tienen nombres, por ejemplo, selectrón(compañero supersimétrico del electrón), cuadriculado etc. Sin embargo, teorías de este tipo predicen sin ambigüedades la existencia de estas partículas.

Sin embargo, la imagen del Universo que ofrecen estas teorías es bastante fácil de visualizar. En una escala de aproximadamente 10 a 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 una cuerda de guitarra, dicha cuerda puede excitar, además del tono principal, muchos matices o Armónicos Cada armónico tiene su propio estado energético. De acuerdo a principio de relatividad(Teoría de la relatividad), la energía y la masa son equivalentes, lo que significa que cuanto mayor es la frecuencia de vibración de la onda armónica de la cuerda, mayor es su energía y mayor es la masa de la partícula observada.

Sin embargo, si es bastante fácil visualizar una onda estacionaria en una cuerda de guitarra, las ondas estacionarias propuestas por la teoría de las 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 la forma teoría de las 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 conciliar 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 hasta ahora 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.

Introducción a las supercuerdas

traducción de Sergei Pavlyuchenko

La teoría de cuerdas es una de las teorías más apasionantes y profundas de la física teórica moderna. Desafortunadamente, esto sigue siendo algo bastante difícil de entender y sólo puede entenderse desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos. El conocimiento de matemáticas como teoría de grupos, geometría diferencial, etc. no perjudicará la comprensión. Por tanto, para la mayoría sigue siendo una “cosa en sí misma”.

Esta introducción pretende ser una introducción concisa y "legible" a los conceptos básicos de la teoría de cuerdas para aquellos interesados. Desafortunadamente, tendremos que pagar rigor y exhaustividad por la accesibilidad de la presentación. Esperamos que le brinde respuestas a las preguntas más simples sobre la teoría de cuerdas y que quede imbuido de la belleza de este campo de la ciencia.

La teoría de cuerdas es un campo de conocimiento que se desarrolla dinámicamente hasta el día de hoy; cada día trae algo nuevo sobre ella. Todavía no sabemos con certeza si la teoría de cuerdas describe nuestro Universo y en qué medida. Pero ella sabe perfectamente describirlo, como se puede ver en esta reseña.

La versión original está en http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

¿Por qué la teoría de cuerdas?

Aunque el Modelo Estándar describe la mayoría de los fenómenos que podemos observar utilizando los aceleradores modernos, muchas preguntas sobre la Naturaleza siguen sin respuesta. El objetivo de la física teórica moderna es precisamente unificar las descripciones del Universo. Históricamente, este camino ha tenido bastante éxito. Por ejemplo, la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein combinó la electricidad y el magnetismo en la fuerza electromagnética. El trabajo de Glashow, Weinberg y Salam, ganador del Premio Nobel en 1979, demostró que las fuerzas electromagnética y débil pueden combinarse en la fuerza electrodébil. Además, hay muchas razones para creer que todas las fuerzas dentro del Modelo Estándar eventualmente se unificarán. Si comenzamos a comparar las interacciones fuertes y electrodébiles, entonces tendremos que ir a regiones de energías cada vez más altas hasta que se vuelvan iguales en fuerza en la región de GeV. La gravedad se unirá a energías del orden de .

El propósito de la teoría de cuerdas es precisamente explicar el signo " ? " en el diagrama de arriba.

La escala de energía característica de la gravedad cuántica se llama masa de Planck y se expresa mediante la constante de Planck, la velocidad de la luz y la constante gravitacional de la siguiente manera:

Se puede suponer que, en su forma final, la teoría de cuerdas proporcionará respuestas a las siguientes preguntas:

• ¿Cuál es el origen de las 4 fuerzas de la Naturaleza que conocemos?
• ¿Por qué las masas y cargas de las partículas son como son?
• ¿Por qué vivimos en un espacio con 4 dimensiones espaciales?
• ¿Cuál es la naturaleza del espacio-tiempo y la gravedad?

  Fundamentos de la teoría de cuerdas

  Estamos acostumbrados a pensar en las partículas elementales (como los electrones) como objetos puntuales de dimensión 0. Un concepto algo más general es cuerdas fundamentales como objetos unidimensionales. Son infinitamente delgados y su longitud es del orden de . Pero esto es simplemente insignificante en comparación con las longitudes con las que trabajamos habitualmente, por lo que podemos considerarlas prácticamente puntuales. Pero como veremos, su naturaleza de cuerda es bastante importante.

  hay cuerdas abierto Y cerrado. A medida que se mueven a través del espacio-tiempo, cubren una superficie llamada hoja del mundo.

  

  Estas cuerdas tienen modos de vibración específicos que determinan los números cuánticos inherentes a la partícula, como masa, espín, etc. La idea básica es que cada modo lleva un conjunto de números cuánticos correspondientes a un tipo específico de partícula. Esta es la unificación final: todas las partículas se pueden describir a través de un objeto: ¡una cuerda!

  Como ejemplo, considere una cadena cerrada que se ve así:

  Tal cuerda corresponde a la sin masa gravitón con espín 2: una partícula que transfiere interacción gravitacional. Por cierto, esta es una de las características de la teoría de cuerdas: natural e inevitablemente incluye la gravedad como una de las interacciones fundamentales.

  Las cuerdas interactúan por fisión y fusión. Por ejemplo, la aniquilación de dos cadenas cerradas en una cadena cerrada se ve así:

  
  

  Tenga en cuenta que la superficie de la hoja del mundo es una superficie lisa. Esto implica otra propiedad "buena" de la teoría de cuerdas: no contiene una serie de divergencias inherentes a la teoría cuántica de campos con partículas puntuales. Diagrama de Feynman para el mismo proceso.

  

  contiene una singularidad topológica en el punto de interacción.

  Si "pegamos" dos interacciones de cuerdas simples, obtenemos un proceso en el que dos cuerdas cerradas interactúan mediante la unión en una cuerda cerrada intermedia, que luego se divide nuevamente en dos:
  

  Esta importante contribución al proceso de interacción se llama acercamiento arbóreo. Para calcular amplitudes de la mecánica cuántica de procesos utilizando teoría de la perturbación, agregue contribuciones de procesos cuánticos de orden superior. La teoría de la perturbación da buenos resultados porque las contribuciones se vuelven cada vez más pequeñas a medida que utilizamos órdenes cada vez más altos. Incluso si calcula sólo los primeros diagramas, puede obtener resultados bastante precisos. En la teoría de cuerdas, los órdenes superiores corresponden a un mayor número de agujeros (o "asas") en las hojas del mundo.
  
  

  Lo bueno de este enfoque es que cada orden de la teoría de perturbaciones corresponde a un solo diagrama (por ejemplo, en la teoría de campos con partículas puntuales, el número de diagramas crece exponencialmente en órdenes superiores). La mala noticia es que es muy difícil realizar cálculos precisos de diagramas con más de dos agujeros debido a la complejidad del aparato matemático utilizado cuando se trabaja con este tipo de superficies. La teoría de la perturbación es muy útil para estudiar procesos débilmente acoplados y la mayoría de los descubrimientos en física de partículas y teoría de cuerdas provienen de ella. Sin embargo, todo esto está todavía lejos de terminar. Las respuestas a las preguntas más profundas de la teoría sólo se pueden obtener después de que se haya completado una descripción precisa de esta teoría.

  D-branas

  Las cadenas pueden tener condiciones de contorno completamente arbitrarias. Por ejemplo, una cuerda cerrada tiene condiciones de contorno periódicas (la cuerda "se convierte en sí misma"). Las cadenas abiertas pueden tener dos tipos de condiciones de contorno: condiciones neumann Y condiciones Dirichlet. En el primer caso, el extremo de la cuerda puede moverse libremente, aunque sin perder impulso. En el segundo caso, el extremo de la cuerda puede moverse a lo largo de alguna variedad. Esta variedad se llama brana D o brana dp(cuando se utiliza la segunda notación, “p” es un número entero que caracteriza el número de dimensiones espaciales de la variedad). Un ejemplo son dos cuerdas con uno o ambos extremos unidos a una D-brana o D2-brana bidimensional:

  

  Las D-branas pueden tener un número de dimensiones espaciales desde -1 hasta el número de dimensiones espaciales de nuestro espacio-tiempo. Por ejemplo, en la teoría de supercuerdas hay 10 dimensiones: 9 espaciales y una temporal. Así, en las supercuerdas lo máximo que puede existir es una brana D9. Tenga en cuenta que en este caso los extremos de las cuerdas están fijados en una variedad que cubre todo el espacio, por lo que pueden moverse a todas partes, por lo que, en efecto, ¡se impone la condición de Neumann! En el caso p=-1, todas las coordenadas espaciales y temporales son fijas, y dicha configuración se llama instantáneo o D-instanton. Si p=0, entonces todas las coordenadas espaciales son fijas y el final de la cadena sólo puede existir en un único punto en el espacio, por lo que las branas D0 a menudo se denominan partículas D. Exactamente de la misma manera, las branas D1 se llaman cuerdas D. Por cierto, la palabra "brana" en sí misma proviene de la palabra "membrana", que se refiere a branas bidimensionales o 2-branas.

  En realidad, las D-branas son dinámicas; pueden fluctuar y moverse. Por ejemplo, interactúan gravitacionalmente. En el siguiente diagrama puedes ver cómo una cuerda cerrada (en nuestro caso un gravitón) interactúa con una brana D2. De particular interés es el hecho de que tras la interacción la cuerda cerrada se abre con ambos extremos en la brana D.
  
  
  Entonces, ¡la teoría de cuerdas es más que solo teoría de cuerdas!

  Dimensiones adicionales

  Las supercuerdas existen en un espacio-tiempo de 10 dimensiones, mientras que nosotros vivimos en un espacio-tiempo de 4 dimensiones. Y si las supercuerdas describen nuestro Universo, necesitamos conectar de alguna manera estos dos espacios. Para hacer esto, colapsemos 6 dimensiones a un tamaño muy pequeño. Si el tamaño de la dimensión compacta resulta ser del orden del tamaño de las cadenas (), entonces, debido a la pequeñez de esta dimensión, simplemente no podremos verlo directamente. En última instancia, obtendremos nuestro espacio de (3+1) dimensiones, en el que cada punto de nuestro Universo de 4 dimensiones corresponde a un pequeño espacio de 6 dimensiones. Esto se muestra muy esquemáticamente en la siguiente imagen:

  

  En realidad, se trata de una idea bastante antigua que se remonta al trabajo de Kaluza y Klein en la década de 1920. En este caso, el mecanismo descrito anteriormente se llama Teoría de Kaluza-Klein o compactación. El propio trabajo de Kaluza muestra que si tomamos la relatividad en un espacio-tiempo de 5 dimensiones, luego doblamos una dimensión en un círculo, ¡obtenemos un espacio-tiempo de 4 dimensiones con relatividad más electromagnetismo! Y esto sucede porque el electromagnetismo es Teoría del calibre U (1). U(1) es un grupo de rotaciones alrededor de un punto en el plano. El mecanismo de Kaluza-Klein ofrece una interpretación geométrica simple de este círculo: esta es la quinta dimensión muy plegada. Aunque las medidas plegadas son pequeñas para una detección directa, pueden tener un significado físico profundo. [El trabajo de Kaluza y Klein, filtrado accidentalmente a la prensa, provocó muchas especulaciones sobre la quinta dimensión.]

  ¿Cómo podemos saber si realmente existen dimensiones adicionales y cómo podemos “sentirlas” si tenemos aceleradores con energías suficientemente altas? Por la mecánica cuántica se sabe que si el espacio es periódico, entonces el impulso está cuantificado: mientras que si el espacio es ilimitado, entonces el espectro de valores de impulso es continuo. Si disminuye el radio de compactación (el tamaño de las dimensiones adicionales), aumentará el rango de valores de impulso permitidos. Así se obtiene una torre de estados de impulso: la torre Kaluza Klein.

  

  Y si se toma el radio del círculo como muy grande ("descompactamos" la medición), entonces el rango de posibles valores del impulso será bastante estrecho, pero será "casi continuo". Un espectro así será similar al espectro de masas del mundo sin compactaciones. Por ejemplo, los estados que no tienen masa en un número mayor de dimensiones en un número menor de dimensiones se verán exactamente como la torre de estados descrita anteriormente. Entonces debería observarse un “conjunto” de partículas con masas equiespaciadas entre sí. Es cierto que para "ver" las partículas más masivas se necesitan aceleradores que sean mucho mejores que los que tenemos actualmente.

  Las cuerdas tienen otra propiedad notable: pueden "enrollarse" alrededor de una dimensión compactada, lo que da la apariencia mods negociables en el espectro de masas. Una cuerda cerrada puede envolver una dimensión compactada un número entero de veces. Al igual que en el caso Kaluza-Klein, contribuyen al impulso ya que . La diferencia significativa reside precisamente en una relación diferente con el radio de compactación. En este caso, para tamaños pequeños de dimensiones adicionales, ¡los modos de inversión se vuelven muy fáciles!
  
  

  Ahora necesitamos pasar a nuestro espacio de 4 dimensiones. Para hacer esto necesitamos una teoría de supercuerdas de 10 dimensiones en una variedad compacta de 6 dimensiones. Naturalmente, el panorama descrito anteriormente se vuelve más complejo. La forma más sencilla es suponer que todas estas 6 dimensiones son 6 círculos, por lo que todas representan un toro de 6 dimensiones. Además, este esquema permite preservar la supersimetría. Se cree que también existe cierta supersimetría en nuestro espacio de 4 dimensiones en escalas de energía del orden de 1 TeV (es en estas energías donde recientemente se ha buscado la supersimetría en los aceleradores modernos). Para preservar la supersimetría mínima, N=1 en 4 dimensiones, es necesario compactar en una variedad especial de 6 dimensiones llamada Colector Calabi-Yau.

  Las propiedades de las variedades Calabi-Yo pueden tener aplicaciones importantes en la física de baja energía: las partículas que observamos, sus masas y números cuánticos, y el número de generaciones de partículas. El problema aquí es que, en general, hay una gran cantidad de variedades de Calabi-Yo y no sabemos cuál usar. Este es el significado, teniendo en realidad una teoría de cuerdas de 10 dimensiones, obtenemos que la teoría de 4 dimensiones no es la única posible, al menos en nuestro (aún incompleto) nivel de comprensión. La “gente de cuerdas” (científicos que trabajan en el campo de las teorías de cuerdas) tienen esperanzas de que con una teoría de cuerdas no perturbativa completa (una teoría que NO se basa en las perturbaciones descritas un poco más arriba), seremos capaces de explicar cómo El universo pasó de la física de 10 dimensiones, que pudo haber tenido lugar durante el período de alta energía inmediatamente después del Big Bang, a la física de 4 dimensiones con la que nos ocupamos ahora. [En otras palabras, encontraremos una variedad Calabi-Yo única.] Andrew Strominger demostró que las variedades Calabi-Yo pueden estar continuamente relacionadas entre sí mediante transformaciones cónicas y así uno puede moverse entre diferentes variedades de Calabi-Yo cambiando los parámetros de la teoría. Pero esto sugiere la posibilidad de que diferentes teorías tetradimensionales que surgen de diferentes variedades de Calabi-Yo sean diferentes fases de la misma teoría.

  Dualidad

  Las cinco teorías de supercuerdas descritas anteriormente resultan ser muy diferentes desde el punto de vista de la teoría perturbativa débilmente acoplada (la teoría de la perturbación desarrollada anteriormente). Pero, de hecho, como ha quedado claro en los últimos años, todos están conectados por varias dualidades de cuerdas. Llamemos a la teoría doble si describen la misma fisica.

  El primer tipo de dualidad que discutiremos aquí es T-dualidad. Este tipo de dualidad conecta una teoría compactada en un círculo de radio con una teoría compactada en un círculo de radio. Por lo tanto, si en una teoría el espacio se pliega en un círculo de radio pequeño, en la otra se enrollará en un círculo de radio grande, ¡pero ambas describirán la misma física! Las teorías de supercuerdas de tipo IIA y tipo IIB están conectadas a través de la dualidad T, las teorías heteróticas SO(32) y E8 x E8 también están conectadas a través de ella.

  Otra dualidad que veremos es S-dualidad. En pocas palabras, esta dualidad vincula el límite de acoplamiento fuerte de una teoría con el límite de acoplamiento débil de otra teoría. (Tenga en cuenta que las descripciones poco acopladas de ambas teorías pueden ser muy diferentes). Por ejemplo, la teoría de cuerdas heteróticas SO(32) y la teoría de Tipo I son S-dual en 10 dimensiones. Esto significa que en el límite de acoplamiento fuerte SO(32) la teoría heterótica se convierte en una teoría de Tipo I en el límite de acoplamiento débil y viceversa. Puede encontrar evidencia de dualidad entre los límites fuerte y débil comparando los espectros de los estados de luz en cada una de las imágenes y descubriendo que son consistentes entre sí. Por ejemplo, en la teoría de cuerdas de Tipo I hay una cuerda D que es pesada cuando está débilmente acoplada y liviana cuando está fuertemente acoplada. Esta cuerda D lleva los mismos campos de luz que la hoja mundial de Cuerdas Heteróticas SO(32), por lo que cuando la teoría de Tipo I se acopla muy fuertemente, la cuerda D se vuelve muy ligera, y simplemente veremos que la descripción se vuelve la misma, como así como a través de una cuerda heterótica débilmente acoplada. Otra dualidad S en la décima dimensión es la autodualidad de las cuerdas IIB: el límite fuertemente acoplado de la cuerda IIB es simplemente otra teoría IIB, pero débilmente acoplada. La teoría IIB también tiene una cuerda Re (aunque es más supersimétrica que las cuerdas Re de la teoría Tipo I, por lo que la física es diferente) que se vuelve liviana cuando está fuertemente acoplada, pero esta cuerda Re es también la otra cuerda fundamental. de la teoría ii Tipo IIB.

  

  Las dualidades entre diferentes teorías de cuerdas son evidencia de que todas son simplemente límites diferentes de la misma teoría. Cada uno de los límites tiene su propia aplicabilidad y se superponen diferentes límites de diferentes descripciones. Qué es esto Teoría M se muestra en la imagen? ¡Sigue leyendo!

  Teoría M

  A bajas energías, la teoría M se describe mediante una teoría llamada supergravedad de 11 dimensiones. Esta teoría tiene una membrana y cinco branas como solitones, pero no cuerdas. ¿Cómo podemos conseguir aquí las cuerdas que ya amamos? Es posible compactar la teoría M de 11 dimensiones en un círculo de radio pequeño para obtener una teoría de 10 dimensiones. Entonces, si nuestra membrana tuviera la topología de un toro, entonces, al doblar uno de estos círculos, ¡obtendremos una cuerda cerrada! En el límite donde el radio es muy pequeño, obtenemos una supercadena de Tipo IIA.

  

  Pero, ¿cómo sabemos que la teoría M sobre el círculo producirá una supercuerda de tipo IIA y no una supercuerda IIB o heterótica? La respuesta a esta pregunta se puede obtener tras un análisis cuidadoso de los campos sin masa que obtenemos como resultado de la compactación de la supergravedad de 11 dimensiones en un círculo. Otra prueba sencilla sería encontrar que la brana D de la teoría M es exclusiva de la teoría IIA. Recuerde que la teoría IIA contiene las branas D0, D2, D4, D6, D8 y una cinco branas NS. La siguiente tabla resume lo anterior:
  

  Aquí se omiten las branas D6 y D8. La brana D6 puede interpretarse como un “monopolo de Kalutza-Klein”, que es una solución especial de supergravedad de 11 dimensiones cuando se compacta en un círculo. La brana D8 no tiene una interpretación clara en términos de la teoría M, todavía es una cuestión abierta.

  Otra forma de obtener una teoría consistente de 10 dimensiones es compactar la teoría M en un pequeño segmento. Esto significa que suponemos que una de las dimensiones (la 11) tiene una longitud finita. En este caso, los extremos del segmento definen los límites de 9 dimensiones espaciales. Se puede construir una membrana abierta en estos límites. Dado que la intersección de la membrana con el límite es una cuerda, podemos ver que el “volumen mundial” de dimensiones (9+1) puede contener cuerdas que “sobresalen” de la membrana. Después de todo esto, para evitar anomalías, es necesario que cada uno de los linderos lleve un grupo de ancho E8. Por lo tanto, si hacemos que el espacio entre los límites sea muy pequeño, obtenemos una teoría de 10 dimensiones con cuerdas y un grupo de calibre E8 x E8. ¡Y esta es una cuerda heterótica E8 x E8!

  

  Por lo tanto, considerando diferentes condiciones y diferentes dualidades entre las teorías de cuerdas, llegaremos a la conclusión de que en la base de todo esto se encuentra una teoría: Teoría M. Además, cinco teorías de supercuerdas y la supergravedad de 11 dimensiones son sus límites clásicos. Inicialmente, intentamos obtener las teorías cuánticas correspondientes "expandiendo" los límites clásicos utilizando la teoría perturbativa (teoría de la perturbación). Sin embargo, la teoría perturbativa tiene sus límites de aplicabilidad, por lo que se pueden estudiar los aspectos no perturbativos de estas teorías, utilizando dualidades, supersimetría, etc. Llegamos a la conclusión de que todos están unidos por una única teoría cuántica. Esta singularidad es muy atractiva, por lo que el trabajo para construir una teoría M cuántica completa está en pleno apogeo.
  
  

  Agujeros negros

  La descripción clásica de la gravedad, la Teoría General de la Relatividad (GTR), contiene soluciones llamadas "agujeros negros" (BH). Hay bastantes tipos de agujeros negros, pero todos muestran propiedades generales similares. El horizonte de sucesos es una superficie en el espacio-tiempo que, en pocas palabras, separa la región interior del agujero negro de la región exterior. La atracción gravitacional de un agujero negro es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, que ha penetrado bajo el horizonte, puede escapar. Por tanto, los agujeros negros clásicos sólo pueden describirse utilizando parámetros como masa, carga y momento angular.

  (explicación del diagrama de Penrose a)

  Los agujeros negros son buenos laboratorios para estudiar las teorías de cuerdas, ya que los efectos de la gravedad cuántica son importantes incluso para agujeros negros bastante grandes. ¡Los agujeros negros no son realmente "negros" porque irradian! Utilizando argumentos semiclásicos, Stephen Hawking demostró que los agujeros negros emiten radiación térmica desde su horizonte. Dado que la teoría de cuerdas es, entre otras cosas, también una teoría de la gravedad cuántica, es capaz de describir consistentemente los agujeros negros. Y luego están los agujeros negros que satisfacen la ecuación de movimiento de las cuerdas. Estas ecuaciones son similares a las ecuaciones de la Relatividad General, pero tienen algunos campos adicionales que provienen de las cuerdas. En las teorías de supercuerdas existen soluciones especiales, como los agujeros negros, que también son supersimétricos.

  Uno de los resultados más espectaculares de la teoría de cuerdas fue la derivación de la fórmula para Entropía de Bekenstein-Hawking Un agujero negro obtenido al considerar los estados microscópicos de las cuerdas que forman el agujero negro. Bekenstein señaló que los agujeros negros obedecen la “ley de las áreas”, dM = K dA, donde “A” es el área del horizonte y “K” es una constante de proporcionalidad. Dado que la masa total de un agujero negro es su energía en reposo, la situación es muy similar a la termodinámica: dE = T dS, como lo muestra Bekenstein. Hawking demostró más tarde en una aproximación semiclásica que la temperatura de un agujero negro es T = 4k, donde "k" es una constante llamada "gravedad superficial". Por tanto, la entropía de un agujero negro se puede reescribir como. Además, recientemente Strominger y Vafa demostraron que esta fórmula de entropía se puede obtener microscópicamente (hasta un factor de 1/4) utilizando la degeneración de los estados cuánticos de cuerdas y D-branas correspondientes a ciertos BH supersimétricos en la teoría de cuerdas. Por cierto, las D-branas dan una descripción a distancias pequeñas como si estuvieran débilmente acopladas. Por ejemplo, los BH considerados por Strominger y Vafa se describen mediante 5-branas, 1-branas y cuerdas abiertas "que viven" en la 1-brana, todas plegadas en un toro de 5 dimensiones, lo que efectivamente produce un objeto de 1 dimensión. el BH.

  

  En este caso, la radiación de Hawking se puede describir en el marco de una misma estructura, pero si las cuerdas abiertas pueden “viajar” en ambas direcciones. Las cuerdas abiertas interactúan entre sí y la radiación se emite en forma de cuerdas cerradas.

  

  Cálculos precisos muestran que para los mismos tipos de agujeros negros, la teoría de cuerdas hace las mismas predicciones que la supergravedad semiclásica, incluida una corrección no trivial dependiente de la frecuencia llamada "parámetro gris" ( factor de cuerpo gris).

  ¿Gravedad cuántica descubierta en la Tierra?
  

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  Explicación:¿Hay porciones separadas de gravedad? La teoría conocida como mecánica cuántica describe las leyes que gobiernan el Universo a pequeñas distancias, mientras que la Teoría General de la Relatividad de Einstein explica la naturaleza de la gravedad y el Universo a grandes escalas. Hasta ahora no se ha creado ninguna teoría que pueda unirlos. Una investigación realizada recientemente en Francia puede haber demostrado que la gravedad es un campo cuántico. Se afirma que El campo gravitacional de la Tierra mostró su naturaleza cuántica. En un experimento realizado por Valery Nezvizhevsky y sus colegas, se demostró que los neutrones ultrafríos que se mueven en un campo gravitacional sólo se detectan a altitudes discretas. Los científicos de todo el mundo están esperando la confirmación independiente de estos resultados. La figura muestra en falso color la superficie que podría formarse durante la evolución de una cuerda unidimensional. Al describir las partículas elementales como cuerdas diminutas, muchos físicos están trabajando para desarrollar una teoría verdaderamente cuántica de la gravedad.

  (Nota del editor: Los experimentos de físicos franceses y rusos descritos en esta nota, publicada en Naturaleza 415 , 297 (2002) no tiene nada que ver con gravedad cuántica. Su explicación(ambos proporcionados por los autores de los experimentos y publicados en la revista New Scientist y en el sitio web Physicsweb.org) completamente diferente.

  Los experimentadores buscan nuevas fuerzas predichas por las teorías de supercuerdas

  Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder pudieron realizar el experimento más sensible hasta la fecha para evaluar la interacción gravitacional entre masas separadas por una distancia de sólo el doble del grosor de un cabello humano, pero no observaron ninguna de las nuevas fuerzas predichas. .

  Los resultados obtenidos permiten excluir algunas variantes de la teoría de las supercuerdas, en las que el parámetro correspondiente para la influencia de nuevas fuerzas a partir de las mediciones "colapsadas" está en el rango de 0,1 a 0,01 mm.

  La teoría de cuerdas, considerada el enfoque más prometedor para la tan esperada gran unificación (una explicación única de todas las fuerzas y la materia conocidas), cree que todo en el universo está formado por pequeños bucles de cuerdas vibrantes. Según varias versiones de la teoría de supercuerdas, debe haber al menos seis o siete dimensiones espaciales adicionales además de las tres que nos son accesibles, y los teóricos creen que estas dimensiones adicionales se colapsan en espacios pequeños. Esta "compactación" da lugar a los llamados campos de módulos, que describen el tamaño y la forma de las dimensiones plegadas en cada punto del espacio-tiempo.

  Las regiones del módulo ejercen fuerzas comparables en fuerza a la gravedad ordinaria y, según predicciones recientes, pueden detectarse a distancias tan pequeñas como 0,1 mm. El límite de sensibilidad alcanzado en experimentos anteriores permitió comprobar la fuerza de atracción entre dos masas separadas por sólo 0,2 mm, por lo que la cuestión quedó abierta. Sin embargo, permanece abierto ahora.

  “Si estas fuerzas realmente existen, ahora sabemos que deberían manifestarse a distancias más cortas de las que probamos”, explica el director del laboratorio, profesor de la Universidad de Colorado, John Price. “Sin embargo, estos resultados no los refutan por sí solos. la teoría ii. Sólo hay que tener en cuenta que el efecto habrá que buscarlo a distancias más cortas y utilizando ajustes con mayor sensibilidad." Además, los investigadores afirman que estos experimentos en sí no pretenden confirmar ni refutar la teoría de las supercuerdas. "Las ideas que estamos probando son sólo algunos de los posibles escenarios inspirados en cuerdas, no predicciones precisas de la teoría en sí", dijo John Price a Space.com. "Aún no hay forma de que la teoría de cuerdas haga ese tipo de predicciones precisas. ", y yo diría que nadie sabe si la teoría de cuerdas algún día será capaz de hacer esto." Sin embargo, los experimentos a distancias más pequeñas aún pueden “añadir más parches al tejido de la física”, por lo que es importante continuar este tipo de investigación porque “puede descubrirse algo nuevo y “muy fundamental”.

  El equipo experimental de investigadores de la Universidad de Colorado, llamado resonador de alta frecuencia, constaba de dos delgadas placas de tungsteno (de 20 mm de largo y 0,3 mm de espesor). Una de estas placas se hizo vibrar a una frecuencia de 1000 Hz. Los movimientos de la segunda placa provocados por la influencia de la primera se midieron mediante una electrónica muy sensible. Estamos hablando de fuerzas medidas en femtonewtons (10-15 n), o una millonésima parte del peso de un grano de arena. La fuerza de gravedad que actúa a distancias tan cortas resultó ser bastante tradicional, descrita por la famosa ley de Newton.

  El profesor Price espera continuar los experimentos para intentar medir fuerzas a distancias aún más cortas. Para dar el siguiente paso, los experimentadores de Colorado retiran el escudo de zafiro chapado en oro entre las tiras de tungsteno que bloqueaban las fuerzas electromagnéticas y lo reemplazan con una lámina más delgada de cobre y berilio, lo que permite que las masas se acerquen entre sí. También planean enfriar la instalación experimental para reducir la interferencia de las fluctuaciones térmicas.

  Independientemente del destino de la teoría de supercuerdas, las ideas de dimensiones adicionales, introducidas hace casi cien años (en aquel momento muchos físicos se burlaban de ellas), se están volviendo inusualmente populares debido a la crisis de los modelos físicos estándar que son incapaces de explicar la nuevas observaciones. Entre los hechos más evidentes está la expansión acelerada del Universo, que tiene muchas confirmaciones. Una nueva fuerza misteriosa, llamada por ahora energía oscura, está separando nuestro espacio, actuando como una especie de antigravedad. Nadie sabe qué tipo de fenómeno físico se esconde detrás de esto. Lo que los cosmólogos sí saben es que mientras la gravedad mantiene unidas a las galaxias en el nivel "local", fuerzas misteriosas las separan. oh a mayor escala.

  Algunos teóricos creen que la energía oscura puede explicarse por interacciones entre dimensiones, las que vemos y las que todavía están ocultas para nosotros. En la reunión anual de la AAAS (Asociación Americana para el Avance de la Ciencia), celebrada en Denver a principios de este mes, destacados cosmólogos y físicos expresaron un cauto optimismo al respecto.

  "Existe cierta esperanza de que este nuevo enfoque resuelva todos los problemas de una vez", dice el físico Sean Carroll, profesor asistente de la Universidad de Chicago.

  Todos estos problemas inevitablemente se agrupan en torno a la gravedad, cuya fuerza fue calculada por Newton hace más de tres siglos. La gravedad fue la primera de las fuerzas fundamentales que se describió matemáticamente, pero sigue siendo la menos comprendida. La mecánica cuántica, desarrollada en los años 20 del siglo pasado, describe bien el comportamiento de los objetos a nivel atómico, pero no es muy “amigable” con la gravedad. El hecho es que aunque la gravedad actúa a grandes distancias, sigue siendo muy débil en comparación con las otras tres fuerzas fundamentales (interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles que dominan el microcosmos). Se espera que comprender la gravedad a nivel cuántico vincule la mecánica cuántica con una descripción completa de otras fuerzas.

  En particular, los científicos durante mucho tiempo no pudieron determinar si la ley de Newton (la proporcionalidad inversa de la fuerza al cuadrado de la distancia) es válida a distancias muy pequeñas, en el llamado mundo cuántico. Newton desarrolló su teoría para distancias astronómicas, como las interacciones del Sol con los planetas, pero ahora resulta que también es válida en el microcosmos.

  "Lo que está sucediendo ahora en la física de partículas, la física gravitacional y la cosmología recuerda mucho a cuando la mecánica cuántica comenzó a unirse", dice Maria Spiropulu, investigadora de la Universidad de Chicago y organizadora del Taller AAAS sobre Física Extradimensional. de dimensiones extra).

  Por primera vez fue posible medir la velocidad de la gravedad

  

  El físico ruso Sergei Kopeikin, que trabaja en la Universidad de Missouri en Columbia, y el estadounidense Edward Fomalont del Observatorio Nacional de Radioastronomía en Charlottesville, Virginia, dijeron que fueron los primeros en medir la velocidad de la gravedad con una precisión aceptable. Su experimento confirma la opinión de la mayoría de los físicos: la velocidad de la gravedad es igual a la velocidad de la luz. Esta idea subyace a las teorías modernas, incluida la Teoría General de la Relatividad de Einstein, pero hasta ahora nadie ha podido medir esta cantidad directamente en un experimento. La investigación fue publicada el martes en la reunión número 201 de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Seattle. Los resultados fueron presentados previamente para su publicación en una revista científica, pero fueron criticados por algunos expertos. El propio Kopeikin considera que las críticas son infundadas.

  La teoría de la gravedad de Newton supone que los efectos de la gravedad son instantáneos, pero Einstein propuso que la gravedad viaja a la velocidad de la luz. Este postulado se convirtió en uno de los fundamentos de su Teoría de la Relatividad en 1915.

  La igualdad de la velocidad de la gravedad y la velocidad de la luz significa que si el Sol desapareciera repentinamente del centro del sistema solar, la Tierra permanecería en su órbita durante aproximadamente 8,3 minutos, el tiempo que tarda la luz en viajar desde el centro del sistema solar. Sol a la Tierra. Después de estos pocos minutos, la Tierra, sintiéndose liberada de la gravedad del sol, abandonaría su órbita y volaría hacia el espacio en línea recta.

  ¿Cómo se puede medir la "velocidad de la gravedad"? Una forma de resolver este problema es intentar detectar ondas gravitacionales, pequeñas "ondas" en el continuo espacio-tiempo que divergen de cualquier masa en aceleración. Ya se han construido en gran número varias instalaciones para capturar ondas gravitacionales, pero hasta ahora ninguna de ellas ha podido registrar tal efecto debido a su excepcional debilidad.

  Kopeikin tomó un camino diferente. Reescribió las ecuaciones de la Relatividad General para expresar el campo gravitacional de un cuerpo en movimiento en términos de su masa, velocidad y velocidad gravitacional. Se decidió utilizar Júpiter como cuerpo masivo. Una oportunidad bastante rara ocurrió en septiembre de 2002, cuando Júpiter pasó frente a un quásar (este tipo de eventos ocurren aproximadamente una vez cada 10 años), emitiendo intensamente ondas de radio. Kopeikin y Fomalont combinaron observaciones de una docena de radiotelescopios en diferentes partes del mundo, desde Hawai hasta Alemania (utilizando tanto los radiotelescopios de 25 metros del Observatorio Nacional de Radioastronomía como el instrumento alemán de 100 metros en Effelsberg) para medir el minuto. Cambio aparente en la posición del quásar causado por la curvatura de las ondas de radio de esta fuente en el campo gravitacional de Júpiter. Al estudiar la naturaleza de la influencia del campo gravitacional de Júpiter sobre las ondas de radio que pasan, conociendo su masa y velocidad de movimiento, es posible calcular la velocidad de la gravedad.

  El trabajo conjunto de radiotelescopios terrestres permitió alcanzar una precisión 100 veces mayor que la alcanzable con el Telescopio Espacial Hubble. Los desplazamientos medidos en el experimento fueron muy pequeños: los cambios en la posición del cuásar (se midió la distancia angular entre este y el cuásar de referencia) estaban dentro de las 50 millonésimas de segundo de arco. El equivalente de tales medidas podría ser el tamaño de un dólar de plata en la Luna o el grosor de un cabello humano a una distancia de 400 kilómetros, dicen los astrónomos (al parecer, las fuentes occidentales no pensaron en prestar atención al significado de la moneda rusa). apellido de uno de los autores de los estudios, de lo contrario no estarían comparando tallas con un dólar, y con nuestra unidad monetaria...).

  El resultado obtenido: la gravedad se transmite a 0,95 de la velocidad de la luz, el posible error experimental es de más o menos 0,25. "Ahora sabemos que la velocidad de la gravedad es probablemente igual a la velocidad de la luz", dijo Fomalont, "y podemos descartar con confianza cualquier resultado que sea el doble".

  Steven Carlip, profesor de física de la Universidad de California, dijo que el experimento fue una "buena demostración" del principio de Einstein. Dice que el experimento fue precedido por mediciones de la desviación de la luz por el Sol, pero fueron mucho menos precisas. Además, nuevas mediciones de la velocidad gravitacional en un futuro muy próximo deberán aclarar este valor. En los últimos meses se han puesto en funcionamiento varios interferómetros de ondas gravitacionales, uno de los cuales finalmente debería detectar ondas gravitacionales directamente y medir así su velocidad, una constante fundamental importante de nuestro Universo.

  Sin embargo, cabe señalar que el experimento en sí no es una confirmación inequívoca de la teoría de la gravedad de Einstein. Con el mismo éxito puede considerarse una confirmación de teorías alternativas existentes. Por ejemplo, la teoría relativista de la gravedad (RTG) del académico Logunov, que se hizo conocida por el público en general hace unos diez años, no difiere en este sentido de la relatividad general. En los RTG también hay ondas gravitacionales, aunque, como se sabe, no hay agujeros negros. Y otra “refutación” más de la teoría de la gravedad de Newton no tiene mucho valor. Sin embargo, el resultado es importante desde el punto de vista de "cerrar" algunas versiones de las teorías modernas y apoyar otras: está asociado con las teorías cosmológicas de universos múltiples y la llamada teoría de cuerdas o supercuerdas, pero es demasiado pronto para sacar conclusiones. conclusiones finales, dicen los investigadores. En la última llamada teoría M unificada, que es un desarrollo de la teoría de las supercuerdas, además de las "cuerdas", han aparecido nuevos objetos multidimensionales: las branas. Las teorías de supercuerdas, por su naturaleza, incluyen la gravedad, ya que los cálculos basados ​​en ellas predicen invariablemente la existencia del gravitón, una partícula hipotética ingrávida con un espín de 2. Se supone que existen dimensiones espaciales adicionales, sólo que "colapsadas". Y la gravedad podría tomar un "atajo" a través de estas dimensiones adicionales, aparentemente viajando más rápido que la velocidad de la luz, pero sin violar las ecuaciones de la Relatividad General.

  Dos físicos relativistas presentan sus puntos de vista sobre el Universo.
  su evolución y el papel de la teoría cuántica

  EN Científico americano estas conferencias se publicaron con abreviaturas, los lugares correspondientes en el texto están marcados con puntos suspensivos

  Introducción

  En 1994, Stephen Hawking y Roger Penrose dieron una serie de conferencias públicas sobre la relatividad general en el Instituto Isaac Newton de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Cambridge. Nuestra revista presenta extractos de estas conferencias, publicadas este año por Princeton University Press bajo el título "La naturaleza del espacio y el tiempo", que comparan las opiniones de estos dos científicos. Aunque ambos pertenecen a la misma escuela de física (Penrose ayudó en la tesis doctoral de Hawking en Cambridge), sus puntos de vista sobre el papel de la mecánica cuántica en la evolución del universo son muy diferentes entre sí. En particular, Hawking y Penrose tienen ideas diferentes sobre lo que sucede con la información almacenada en un agujero negro y por qué el comienzo del universo es diferente de su fin.

  Uno de los principales descubrimientos de Hawking, realizado en 1973, fue la predicción de que, debido a efectos cuánticos, los agujeros negros podrían emitir partículas. Como resultado de este proceso, el agujero negro se evapora y, finalmente, es posible que no quede nada de su masa original. Pero durante su formación, los agujeros negros absorben una gran cantidad de partículas que caen sobre ellos con diferentes tipos, propiedades y configuraciones. Aunque la teoría cuántica requiere que dicha información se almacene, los detalles de lo que sucede a continuación siguen siendo un tema de intenso debate. Tanto Hawking como Penrose creen que cuando un agujero negro emite, pierde la información que contenía. Pero Hawking insiste en que esta pérdida es irreemplazable, mientras que Penrose sostiene que se compensa mediante mediciones espontáneas de estados cuánticos que devuelven información al agujero negro.

  Ambos científicos coinciden en que se necesita una futura teoría de la gravedad cuántica para describir la naturaleza. Pero sus puntos de vista difieren en algunos aspectos de esta teoría. Penrose cree que incluso si las interacciones fundamentales de las partículas elementales son simétricas con respecto a la inversión del tiempo, entonces la gravedad cuántica debería romper esa simetría. La asimetría temporal explicaría entonces por qué el universo comenzó de manera tan uniforme (como lo demuestra la radiación de fondo de microondas producida por el big bang), mientras que al final el universo debe ser heterogéneo.

  Penrose intenta incluir una asimetría similar en su hipótesis sobre la curvatura de Weyl. El espacio-tiempo, según Albert Einstein, se curva por la presencia de materia. Pero el espacio-tiempo también puede tener alguna deformación inherente, denominada curvatura de Weyl. Las ondas gravitacionales y los agujeros negros, por ejemplo, permiten que el espacio-tiempo se doble incluso en regiones vacías. En el universo primitivo, la curvatura de Weyl era probablemente cero, pero en un universo moribundo, como sostiene Penrose, un gran número de agujeros negros hará que la curvatura de Weyl aumente. Esta será la diferencia entre el principio y el fin del universo.

  Hawking está de acuerdo en que el Big Bang y el colapso final ("Big Crunch") serán diferentes, pero no considera que la asimetría del tiempo sea una ley de la naturaleza. La razón principal de esta diferencia, cree, es el camino en el que está programado el desarrollo del universo. Postula una especie de democracia, declarando que no puede haber un solo punto en el espacio del universo; y por tanto, el universo no puede tener un límite. Es esta propuesta de no límite lo que, según Hawking, explica la homogeneidad de la radiación de fondo de microondas.

  Los puntos de vista de ambos físicos sobre la interpretación de la mecánica cuántica también difieren fundamentalmente. Hawking cree que el único propósito de la teoría es hacer predicciones que sean consistentes con los datos experimentales. Penrose cree que una simple comparación de las predicciones con los experimentos no es suficiente para explicar la realidad. Señala que la teoría cuántica, que requiere la superposición de funciones de onda, es un concepto que puede conducir a absurdos. Estos científicos llevan así a un nuevo nivel el conocido debate entre Einstein y Bohr sobre las extrañas consecuencias de la teoría cuántica.

  Stephen Hawking sobre los agujeros negros cuánticos:

  La teoría cuántica de los agujeros negros... parece introducir un nuevo nivel de imprevisibilidad en la física más allá de la incertidumbre mecánica cuántica habitual. Esto se debe a que los agujeros negros parecen tener entropía interna y pierden información de nuestra región del universo. Debo decir que estas afirmaciones son muy controvertidas: muchos científicos que trabajan en el campo de la gravedad cuántica, incluidos casi todos los que llegaron a ella desde la física de partículas, rechazan instintivamente la idea de que se pueda perder información sobre el estado de un sistema cuántico. Sin embargo, esta visión no ha tenido mucho éxito a la hora de explicar cómo la información puede escapar de un agujero negro. En última instancia, creo que se verán obligados a aceptar mi propuesta de que la información se pierde irremediablemente, del mismo modo que se vieron obligados a aceptar que los agujeros negros emiten, lo que contradice todas sus ideas preconcebidas...

  El hecho de que la gravedad sea atractiva significa que en el universo hay una tendencia a que la materia se acumule en un lugar, una tendencia a que se formen objetos como estrellas y galaxias. Una mayor compresión de estos objetos puede limitarse durante algún tiempo mediante la presión térmica, en el caso de las estrellas, o mediante la rotación y los movimientos internos, en el caso de las galaxias. Sin embargo, eventualmente el calor o el momento angular desaparecerán y el objeto comenzará a encogerse nuevamente. Si la masa es inferior a aproximadamente una masa solar y media, la compresión puede detenerse mediante la presión de un gas degenerado de electrones o neutrones. El objeto se estabilizará para convertirse en una enana blanca o una estrella de neutrones, respectivamente. Sin embargo, si la masa es mayor que este límite, entonces no hay nada que pueda detener la compresión constante. Una vez que la compresión de un objeto se acerca a un cierto tamaño crítico, el campo gravitacional en su superficie será tan fuerte que los conos de luz se inclinarán hacia adentro... Podemos ver que incluso los rayos de luz que salen hacia afuera están curvados uno hacia el otro, para que se acerquen en lugar de separarse. Esto significa que hay alguna superficie cerrada....

  Por tanto, debe existir una región del espacio-tiempo de la que sea imposible escapar a una distancia infinita. Esta región se llama agujero negro. Su límite se llama horizonte de sucesos, es una superficie formada por rayos de luz que son incapaces de escapar al infinito....

  Cuando un cuerpo cósmico colapsa y forma un agujero negro, se pierde una gran cantidad de información. Un objeto colapsado se describe mediante una gran cantidad de parámetros. Su estado está determinado por los tipos de materia y los momentos multipolares de su distribución de masa. A pesar de esto, el agujero negro en formación es completamente independiente del tipo de materia y rápidamente pierde todos los momentos multipolares excepto los dos primeros: el monopolo, que es la masa, y el dipolo, que es el momento angular.

  Esta pérdida de información realmente no importaba en la teoría clásica. Podemos decir que toda la información sobre el objeto que colapsa acaba dentro del agujero negro. Para un observador fuera del agujero negro, sería muy difícil determinar cómo se ve el objeto que colapsa. Sin embargo, en la teoría clásica esto todavía era posible en principio. En realidad, el observador nunca perdería de vista el objeto que colapsa. En cambio, le parecería que el objeto estaba desacelerando su contracción y volviéndose cada vez más débil a medida que se acercaba al horizonte de sucesos. Este observador todavía podía ver de qué estaba hecho el objeto que colapsaba y cómo estaba distribuida su masa.

  Sin embargo, desde el punto de vista de la teoría cuántica, todo cambia por completo. Durante el colapso, el objeto emitiría sólo un número limitado de fotones antes de cruzar el horizonte de sucesos. Estos fotones serían completamente insuficientes para transmitirnos toda la información sobre el objeto que colapsa. Esto significa que en la teoría cuántica no hay forma de que un observador externo pueda determinar el estado de tal objeto. Se podría pensar que esto no importaría demasiado porque la información todavía estaría dentro del agujero negro, incluso si no pudiera medirse desde el exterior. Pero este es exactamente el caso en el que se manifiesta el segundo efecto de la teoría cuántica de los agujeros negros....

  La teoría cuántica obliga a los agujeros negros a emitir y perder masa. Y aparentemente eventualmente desaparecen por completo, junto con la información que contienen. Quiero argumentar que esta información efectivamente se pierde y no se devuelve de ninguna forma. Como mostraré más adelante, con esta pérdida de información, la incertidumbre entra en la física a un nivel más alto que la incertidumbre habitual asociada con la teoría cuántica. Desafortunadamente, a diferencia de la relación de incertidumbre de Heisenberg, este nuevo nivel de incertidumbre será bastante difícil de confirmar experimentalmente en el caso de los agujeros negros.

  Roger Penrose sobre la teoría cuántica y el espacio-tiempo:

  La teoría cuántica, la relatividad especial, la relatividad general y la teoría cuántica de campos son las teorías físicas más importantes del siglo XX. Estas teorías no son independientes entre sí: la relatividad general se construyó sobre la base de la relatividad especial, y la teoría cuántica de campos tiene como base la relatividad especial y la teoría cuántica.

  Se decía comúnmente que la teoría cuántica de campos era la teoría física más precisa que jamás había existido, con una precisión de 11 decimales. Sin embargo, me gustaría señalar que la relatividad general ahora se ha probado con un margen de error de 14 decimales (y esta precisión obviamente está limitada sólo por la precisión de los relojes que funcionan en la Tierra). Me refiero al púlsar binario Hulse-Taylor PSR 1913+16, un par de estrellas de neutrones que giran entre sí, una de las cuales es un púlsar. La relatividad general predice que dicha órbita se contrae lentamente (y su período disminuye) porque se pierde energía debido a la emisión de ondas gravitacionales. De hecho, este proceso ha sido observado experimentalmente, y la descripción completa de su movimiento, observado durante 20 años... está de acuerdo con la teoría general de la relatividad (que incluye la teoría de Newton) con la notable precisión mencionada anteriormente. Los investigadores de este sistema estelar recibieron con razón el premio Nobel por su trabajo. Los teóricos cuánticos siempre han argumentado, citando la exactitud de su teoría, que la relatividad general debería tomar su ejemplo, pero ahora creo que la teoría cuántica de campos debería tomar su ejemplo.

  Aunque estas cuatro teorías han logrado un gran éxito, no están exentas de problemas.... La relatividad general predice la existencia de singularidades en el espacio-tiempo. Hay un "problema de medición" en la teoría cuántica, que describiré más adelante. Puede resultar que la solución a los problemas de estas teorías sea reconocer el hecho de que son teorías incompletas. Por ejemplo, muchos anticipan que la teoría cuántica de campos podría de alguna manera “manchar” las singularidades de la teoría general de la relatividad...

  Ahora me gustaría decir unas palabras sobre la pérdida de información en los agujeros negros, que creo que se relaciona con la última afirmación. Estoy de acuerdo con casi todo lo que dijo Stephen al respecto. Pero mientras Stephen considera la pérdida de información en los agujeros negros como una nueva incertidumbre en la física, a un nivel más alto que la incertidumbre de la mecánica cuántica, yo la veo simplemente como una incertidumbre "adicional".... Es posible que una pequeña cantidad de información sea perdido en el momento de la evaporación del agujero negro... pero este efecto será mucho menor que la pérdida de información durante el colapso (para lo cual acepto cualquier imagen razonable de la desaparición final del agujero negro para describir).

  Como experimento mental, considere un sistema cerrado en una caja grande y considere el movimiento de la materia dentro de la caja en el espacio de fases. En las regiones del espacio de fase correspondientes a las ubicaciones del agujero negro, las trayectorias que describen la evolución física del sistema convergerán y los volúmenes de fase llenos por estas trayectorias se reducirán. Esto ocurre como resultado de la pérdida de información en la singularidad del agujero negro. Esta reducción está en directa contradicción con la ley de la mecánica clásica, conocida como teorema de Liouville, que establece que los volúmenes de fase transportados por las trayectorias de fase permanecen constantes... Por tanto, el espacio-tiempo de un agujero negro viola la conservación de tales volúmenes. . Sin embargo, en mi imagen, esta pérdida de volumen del espacio de fase se equilibra mediante un proceso de mediciones cuánticas espontáneas, que resulta en la restauración de información y un aumento del volumen en el espacio de fase. Según tengo entendido, esto sucede porque la incertidumbre asociada con la pérdida de información en los agujeros negros es, por así decirlo, "adicional" a la incertidumbre de la mecánica cuántica: cada uno de ellos es sólo una cara de la misma moneda....

  Ahora veamos el experimento mental del gato de Schrödinger. Describe la nada envidiable posición de un gato en una caja, en la que un fotón emitido cae sobre un espejo translúcido y un sensor registra la parte transmitida de su función de onda. Si el sensor detecta un fotón, el arma se dispara y mata al gato. Si el sensor no detecta el fotón, el gato sigue vivo y coleando. (¡Sé que Stephen no aprueba el maltrato a los gatos, ni siquiera en experimentos mentales!) La función de onda de tal sistema es una superposición de estas dos posibilidades... Pero ¿por qué sólo las alternativas macroscópicas "gato muerto" y ¿"gato vivo" disponible para nuestra percepción? y no superposiciones macroscópicas de tales estados? ...

  Sugiero que con el uso de la relatividad general, el uso de superposiciones de geometrías espacio-temporales alternativas enfrenta serias dificultades. Es posible que la superposición de dos geometrías diferentes sea inestable y decaiga en una de estas dos alternativas. Estas geometrías podrían ser, por ejemplo, el espacio y el tiempo de un gato vivo o muerto. Para referirme a esta decadencia de una superposición en uno de los estados alternativos, uso el término reducción objetiva, que me gusta porque tiene un buen acrónimo (OR). ¿Qué tiene que ver la longitud de Planck de 10 a 33 centímetros con esto? Esta longitud es un criterio natural para determinar si las geometrías son mundos realmente diferentes. La escala de Planck también determina la escala de tiempo en la que se produce la reducción a varias alternativas.

  Hawking sobre la cosmología cuántica:

  Termino esta conferencia discutiendo un tema sobre el cual Roger y yo tenemos puntos de vista diferentes: la flecha del tiempo. Existe una distinción muy clara entre las direcciones del tiempo hacia adelante y hacia atrás en nuestra parte del universo. Sólo tienes que rebobinar cualquier película para ver esta diferencia. En lugar de que los vasos se cayeran de la mesa y se rompieran en pedazos pequeños, veríamos estos fragmentos volver a juntarse y saltar de nuevo a la mesa. ¿No es la vida real algo así?

  Las leyes locales de los campos físicos satisfacen el requisito de simetría en el tiempo o, para ser más precisos, de invariancia CPT (Carga-Paridad-Tiempo). Por tanto, la diferencia observada entre el pasado y el futuro proviene de las condiciones límite del universo. Consideremos un modelo en el que un universo espacialmente cerrado se expande hasta su tamaño máximo y luego colapsa nuevamente. Como señaló Roger, el universo será muy diferente en los puntos finales de esta historia. Ahora pensamos que en su comienzo el universo será bastante liso y regular. Sin embargo, cuando comience a colapsar nuevamente, esperamos que sea extremadamente desordenado e irregular. Dado que hay muchas más configuraciones desordenadas que ordenadas, esto significa que las condiciones iniciales deben elegirse con extrema precisión.

  Como resultado, las condiciones de contorno deben ser diferentes en estos momentos. La suposición de Roger es que el tensor de Weyl debería desaparecer sólo en un extremo del tiempo. El tensor de Weyl es esa parte de la curvatura del espacio-tiempo que no está determinada por la distribución local de la materia mediante las ecuaciones de Einstein. Esta curvatura es extremadamente pequeña en la etapa inicial ordenada y muy grande en el universo en colapso. Así, esta propuesta permitiría distinguir ambos extremos del tiempo y explicar la existencia de la flecha del tiempo.

  Creo que la propuesta de Roger es weyliana en dos sentidos de la palabra. En primer lugar, no es invariante en CPT. Roger ve esta propiedad como una ventaja, pero creo que las simetrías no deberían abandonarse sin buenas razones. En segundo lugar, si el tensor de Weyl fuera exactamente igual a cero en una etapa temprana del universo, entonces permanecería homogéneo e isotrópico durante todo el tiempo posterior. La hipótesis de Roger Weyl no puede explicar ni las fluctuaciones del fondo de microondas ni las perturbaciones provocadas por galaxias y cuerpos como nosotros.

  A pesar de todo esto, creo que Roger ha señalado una diferencia muy importante entre estos dos límites temporales. Pero el hecho de que la pequeñez del tensor de Weyl en uno de los límites no debería ser aceptado por nosotros ad hoc, sino que debería obtenerse del principio más fundamental de “no límites”....

  ¿Cómo pueden ser diferentes dos límites de tiempo? ¿Por qué las perturbaciones deberían ser pequeñas en uno de ellos, pero no en el otro? La razón de esto es que las ecuaciones de campo tienen dos posibles soluciones complejas... Obviamente, una solución corresponde a un extremo del tiempo, y la otra al otro... En un extremo del tiempo, el universo era muy suave. , y el tensor de Weyl era pequeño. Sin embargo, no podría ser exactamente igual a cero, ya que esto conduce a una violación de la relación de incertidumbre. Más bien, debe haber pequeñas fluctuaciones que luego puedan convertirse en galaxias y cuerpos como nosotros. A diferencia del principio, el fin del universo debería ser muy irregular y caótico, y el tensor de Weyl muy grande. Esto explicaría por qué se produce la flecha del tiempo y por qué las tazas se caen de la mesa y se rompen mucho más fácilmente de lo que se recuperan y rebotan.

  Penrose sobre la cosmología cuántica:

  Por lo que entiendo del concepto de Stephen, concluyo que nuestro desacuerdo sobre este tema (la hipótesis de la curvatura de Weyl) es extremadamente grande... Para una singularidad inicial, la curvatura de Weyl es aproximadamente cero... Stephen argumentó que en el estado inicial pequeño Deben tener lugar fluctuaciones cuánticas y, por tanto, la hipótesis de la curvatura de Weyl cero es clásica e inaceptable. Pero creo que hay cierta libertad en cuanto a la formulación precisa de esta hipótesis. Por supuesto, desde mi punto de vista, las pequeñas perturbaciones son aceptables en el régimen cuántico. Sólo necesitamos limitar significativamente estas fluctuaciones alrededor de cero....

  Es posible que el principio de "no fronteras" de James-Hartley-Hawking sea un buen candidato para describir la estructura del estado inicial. Sin embargo, me parece que hace falta algo más para explicar el estado final. En particular, una teoría que explique la estructura de las singularidades tendría que incluir la ruptura de CPT y otras simetrías para ser compatible con la hipótesis de la curvatura de Weyl. Semejante violación de la simetría temporal podría ser bastante pequeña; y podría estar implícitamente contenido en una nueva teoría que vaya más allá de los límites de la mecánica cuántica.

  Hawking sobre la realidad física:

  Estas conferencias dejaron muy clara la diferencia entre Roger y yo. Él es platónico y yo soy positivista. Le preocupa seriamente que el gato de Schrödinger se encuentre en un estado cuántico en el que esté medio vivo y medio muerto. En esto percibe una discrepancia con la realidad. Pero esas cosas no me molestan. No exijo que la teoría corresponda a la realidad, porque no sé qué es la realidad. La realidad no es una cualidad que puedas probar con papel tornasol. Lo único que me importa es que la teoría prediga los resultados de las mediciones. La teoría cuántica hace esto con mucho éxito....

  Roger siente que... el colapso de la función de onda introduce la simetría CPT irrumpiendo en la física. Él ve tales perturbaciones en acción en al menos dos áreas de la física: la cosmología y los agujeros negros. Estoy de acuerdo en que podemos utilizar la asimetría temporal al hacer preguntas sobre observaciones. Pero rechazo completamente la idea de que existan algunos procesos físicos que conduzcan a una reducción de la función de onda, o que esto tenga algo que ver con la gravedad cuántica o la conciencia. Todo esto tiene que ver con magia y magia, pero no con ciencia.

  Penrose sobre la realidad física:

  La mecánica cuántica sólo existe desde hace 75 años. Esto no es mucho, especialmente si se compara, por ejemplo, con la teoría de la gravedad de Newton. Por tanto, no me sorprendería que la mecánica cuántica se modificara para objetos muy grandes.

  Al comienzo de este debate, Stephen sugirió que él era positivista y yo platónico. Me alegro de que sea positivista, pero por mi parte puedo decir que soy más bien realista. Además, si comparamos este debate con el famoso debate Bohr-Einstein de hace unos 70 años, ¡creo que Stephen está desempeñando el papel de Bohr y yo el de Einstein! Para Einstein, era necesario que existiera algo similar al mundo real, que no necesariamente esté descrito por una función de onda, mientras que Bohr enfatizó que la función de onda no describe el mundo real, sino sólo el conocimiento necesario para predecir los resultados de un experimento.

  Ahora se cree que los argumentos de Bohr eran más poderosos, y que Einstein (según su biografía escrita por Abraham Pais) podría haber estado pescando desde 1925. De hecho, no hizo mucha contribución a la mecánica cuántica, aunque su perspicaz crítica fue muy útil para esta última. Creo que la razón de esto fue que a la teoría cuántica le faltaban algunos componentes importantes. Uno de estos componentes fue la radiación de los agujeros negros descubierta por Stephen 50 años después. La fuga de información asociada con la radiación de un agujero negro es un fenómeno que puede llevar la teoría cuántica a un nuevo nivel.

  Stephen Hawking cree que puede que no exista una teoría definitiva del universo

  En una conferencia televisiva del famoso físico Stephen Hawking, de Inglaterra, ante varios espectadores en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), se describió la búsqueda de los científicos de una teoría completa del Universo. Y en conclusión, el autor de los libros científicos más vendidos Una breve historia del tiempo y La teoría del todo, profesor de matemáticas en la Universidad de Cambridge, sugirió que "es posible que [tal teoría] sea imposible".

  "Algunas personas se sentirán muy decepcionadas al saber que no existe una teoría definitiva", dijo Hawking. "Yo también estuve en ese campo, pero ahora he cambiado de opinión. Siempre seremos desafiados por nuevos descubrimientos científicos. La civilización se estancará”. "La búsqueda puede continuar durante mucho tiempo".

  El programa de televisión, durante el cual surgieron algunas dificultades técnicas con la imagen y el sonido, también se transmitió a través de Internet. Fue organizado por el Instituto Cambridge-MIT (CMI), una alianza estratégica de tres años entre la Universidad de Cambridge en Inglaterra y el Instituto Tecnológico de Massachusetts.

  Hawking esencialmente resumió la historia de la física de partículas, centrándose en las figuras y teorías clave en este campo, desde Aristóteles hasta Stephen Weinberg, un premio Nobel nacido en 1933.

  Las ecuaciones de Maxwell y Dirac, por ejemplo, “gobiernan casi toda la física y toda la química y la biología”, razonó Hawking. “Así que, conociendo estas ecuaciones, en principio podríamos predecir el comportamiento humano, aunque no puedo afirmar que yo mismo lo hubiera hecho. Hay un gran éxito en este asunto”, concluyó entre risas de los presentes.

  El cerebro humano contiene demasiadas partículas para resolver todas las ecuaciones necesarias para predecir el comportamiento de alguien. Quizás algún día en el futuro previsible aprendamos a predecir el comportamiento del gusano nematodo.

  Todas las teorías desarrolladas hasta la fecha para explicar el universo "son contradictorias o incompletas", afirmó Hawking. Y sugirió por qué es, en principio, imposible desarrollar una teoría completa del Universo. Basó su argumento en el trabajo de Kurt Gödel, un matemático checo que escribió el famoso teorema de que, dentro de cualquier rama de las matemáticas, ciertas proposiciones nunca pueden ser probadas o refutadas.

  ¿Alguna vez has pensado que el Universo es como un violonchelo? Así es, ella no vino. Porque el Universo no es como un violonchelo. Pero eso no significa que no tenga cuerdas. Hablemos hoy de teoría de cuerdas.

  Por supuesto, las cuerdas del universo no se parecen en nada a las que imaginamos. En la teoría de cuerdas, son hilos de energía vibrantes increíblemente pequeños. Estos hilos se parecen más a pequeñas “bandas elásticas” que pueden retorcerse, estirarse y comprimirse de muchas formas. Todo esto, sin embargo, no significa que sea imposible "tocar" la sinfonía del Universo con ellos, porque, según los teóricos de cuerdas, todo lo que existe está formado por estos "hilos".

  Contradicción física

  En la segunda mitad del siglo XIX, a los físicos les parecía que ya no se podía descubrir nada serio en su ciencia. La física clásica creía que no quedaban problemas graves en él y que toda la estructura del mundo parecía una máquina perfectamente regulada y predecible. El problema, como de costumbre, se debió a una tontería: una de las pequeñas "nubes" que aún permanecían en el cielo claro y comprensible 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 otras cosas 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 certeza 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 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, lamentablemente, 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” y contenía demasiados problemas desde su mismo nacimiento; Por ejemplo, los cálculos de la teoría predijeron la existencia de partículas que, como pronto se demostró, no existen. Este es el llamado taquión, una partícula que se mueve en el vacío más rápido que la luz. Entre otras cosas, resultó que la teoría requiere hasta 10 dimensiones. No es sorprendente que esto haya resultado muy confuso para los físicos, ya que obviamente es más grande de lo que vemos.

  En 1973, sólo unos pocos físicos jóvenes seguían lidiando con los misterios de la teoría de cuerdas. Uno de ellos fue el físico teórico estadounidense John Schwartz. Durante cuatro años, Schwartz intentó domar las ecuaciones rebeldes, pero fue en vano. Entre otros problemas, una de estas ecuaciones persistía en describir una partícula misteriosa que no tenía masa y no había sido observada en la naturaleza.

  El científico ya había decidido abandonar su desastroso negocio, y entonces se dio cuenta: ¿tal vez las ecuaciones de la teoría de cuerdas también describen la gravedad? Sin embargo, esto implicó una revisión de las dimensiones de los principales “héroes” de la teoría: las cuerdas. Al suponer que las cuerdas son miles de millones y miles de millones de veces más pequeñas que un átomo, los “cordones” convirtieron la desventaja de la teoría en una ventaja. La misteriosa partícula de la que John Schwartz había intentado con tanta insistencia deshacerse ahora actuaba como un gravitón, una partícula que se había buscado durante mucho tiempo y que permitiría transferir la gravedad al nivel cuántico. Así es como la teoría de cuerdas completó el rompecabezas de la gravedad, que faltaba en el modelo estándar. Pero, por desgracia, incluso ante este descubrimiento la comunidad científica no reaccionó de ninguna manera. La teoría de cuerdas permaneció al borde de la supervivencia. Pero eso no detuvo a Schwartz. Sólo un científico quiso unirse a su búsqueda, dispuesto a arriesgar su carrera por unos hilos misteriosos: Michael Green.

  Muñecas subatómicas para anidar

  A pesar de todo, a principios de los años 1980, la teoría de cuerdas todavía tenía contradicciones insolubles, llamadas anomalías en la ciencia. Schwartz y Green se propusieron eliminarlos. Y sus esfuerzos no fueron en vano: los científicos lograron eliminar algunas de las contradicciones de la teoría. Imagínense el asombro de estos dos, ya acostumbrados a que su teoría fuera ignorada, cuando la reacción de la comunidad científica hizo estallar el mundo científico. En menos de un año, el número de teóricos de cuerdas ha aumentado a cientos de personas. Fue entonces cuando la teoría de cuerdas recibió el título de Teoría del Todo. La nueva teoría parecía capaz de describir todos los componentes del universo. Y estos son los componentes.

  Cada átomo, como sabemos, está formado por partículas aún más pequeñas: electrones, que giran alrededor de un núcleo formado por protones y neutrones. Los protones y neutrones, a su vez, están formados por partículas aún más pequeñas: los quarks. Pero la teoría de cuerdas dice que no termina con los quarks. Los quarks están formados por pequeñas hebras de energía que se retuercen y parecen cuerdas. Cada una de estas cuerdas es inimaginablemente pequeña.

  Tan pequeño que si un átomo se 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, así como diferentes notas musicales, diferentes formas (modos) de vibración de una cuerda dan a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, etc. ¿Sabes en qué se diferencian, relativamente hablando, los protones en la punta de tu uña del gravitón aún no descubierto? Sólo por el conjunto de diminutas cuerdas que las componen y la forma en que esas cuerdas vibran.

  Por supuesto, todo esto es más que sorprendente. Desde la época de la Antigua Grecia, los físicos se han acostumbrado al hecho de que todo en este mundo está formado por algo así como bolas, partículas diminutas. Y así, al no haber tenido tiempo de acostumbrarse al comportamiento ilógico de estas bolas, que se deriva de la mecánica cuántica, se les pide que abandonen por completo el paradigma y operen con una especie de trozos de espagueti...

  Quinta Dimensión

  Aunque muchos científicos consideran que la teoría de cuerdas es un triunfo de las matemáticas, aún persisten algunos problemas, en particular la falta de posibilidad de probarla experimentalmente en un futuro próximo. Ningún instrumento en el mundo, ni existente ni capaz de aparecer en el futuro, es capaz de “ver” las cuerdas. Por eso, algunos científicos, por cierto, incluso se preguntan: ¿es la teoría de cuerdas una teoría de la física o de la filosofía?... Es cierto que no es necesario en absoluto ver las cuerdas "con tus propios ojos". Demostrar la teoría de cuerdas requiere, más bien, algo más (lo que parece ciencia ficción): la confirmación de la existencia de dimensiones adicionales del espacio.

  ¿De qué se trata? Todos estamos acostumbrados a las tres dimensiones del espacio y al tiempo. Pero la teoría de cuerdas predice la presencia de otras dimensiones extra. Pero comencemos en orden.

  De hecho, la idea de la existencia de otras dimensiones surgió hace casi cien años. Se le ocurrió en 1919 al entonces desconocido matemático alemán Theodor Kaluza. Sugirió la posibilidad de otra dimensión en nuestro Universo que no vemos. Albert Einstein se enteró de esta idea y al principio le gustó mucho. Más tarde, sin embargo, dudó de su exactitud y retrasó la publicación de Kaluza durante dos años enteros. Al final, sin embargo, el artículo se publicó y la dimensión adicional se convirtió en una especie de pasatiempo para el genio de la física.

  Como sabes, Einstein demostró que la gravedad no es más que una deformación de las dimensiones espacio-temporales. Kaluza sugirió que el electromagnetismo también podría ser ondas. ¿Por qué no lo vemos? Kaluza encontró la respuesta a esta pregunta: las ondas del electromagnetismo pueden existir en una dimensión adicional oculta. ¿Pero donde esta?

  La respuesta a esta pregunta la dio el físico sueco Oskar Klein, quien sugirió que la quinta dimensión de Kaluza está plegada miles de millones de veces más fuerte que el tamaño de un átomo, razón por la cual no podemos verla. La idea de esta pequeña dimensión que nos rodea está en el corazón de la teoría de cuerdas.

  Una de las formas propuestas de dimensiones retorcidas adicionales. Dentro de cada una de estas formas, vibra y se mueve una cuerda, el componente principal del Universo. Cada forma es de seis dimensiones, según el número de seis dimensiones adicionales.

  Diez dimensiones

  Pero, de hecho, las ecuaciones de la teoría de cuerdas no requieren ni siquiera una, sino seis dimensiones adicionales (en total, de las cuatro que conocemos, hay exactamente 10). Todos ellos tienen una forma compleja muy retorcida y curvada. Y todo es inimaginablemente pequeño.

  ¿Cómo pueden estas pequeñas medidas influir en nuestro gran mundo? Según la teoría de cuerdas, esto es decisivo: para ella la forma lo determina todo. Cuando presionas diferentes teclas en un saxofón, obtienes diferentes sonidos. Esto sucede porque cuando presionas una tecla o combinación de teclas en particular, cambias la forma del espacio en el instrumento musical por donde circula el aire. Gracias a esto nacen diferentes sonidos.

  La teoría de cuerdas sugiere que dimensiones adicionales del espacio, curvas y retorcidas, se manifiestan de manera similar. Las formas de estas dimensiones adicionales son complejas y variadas, y cada una hace que la cuerda ubicada dentro de dichas dimensiones vibre de manera diferente precisamente debido a sus formas. Después de todo, si suponemos, por ejemplo, que una cuerda vibra dentro de una jarra y la otra dentro de un cuerno de poste curvo, serán vibraciones completamente diferentes. Sin embargo, si uno cree en la teoría de cuerdas, en realidad las formas de las dimensiones adicionales parecen mucho más complejas que una jarra.

  como funciona el mundo

  La ciencia hoy conoce un conjunto de números que son las constantes fundamentales del Universo. Son ellos quienes determinan las propiedades y características de todo lo que nos rodea. Entre tales constantes se encuentran, por ejemplo, la carga de un electrón, la constante gravitacional, la velocidad de la luz en el vacío... Y si cambiamos estos números aunque sea un número insignificante de veces, las consecuencias serán catastróficas. Supongamos que aumentamos la fuerza de la interacción electromagnética. ¿Qué pasó? De repente podemos encontrar 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 los detalles.

  Entonces, en algunas versiones las cuerdas tenían extremos abiertos, en otras parecían anillos. Y en algunas versiones, la teoría incluso requería no 10, sino hasta 26 dimensiones. La paradoja es que las cinco versiones actuales pueden considerarse igualmente ciertas. ¿Pero cuál describe realmente nuestro Universo? Éste es otro misterio de la teoría de cuerdas. Por eso muchos físicos han vuelto a abandonar la teoría “loca”.

  Pero el principal problema de las cuerdas, como ya se ha dicho, es la imposibilidad (al menos por ahora) de demostrar experimentalmente su presencia.

  Algunos científicos, sin embargo, todavía dicen que la próxima generación de aceleradores tiene una posibilidad mínima, pero aún así, de probar la hipótesis de dimensiones adicionales. Aunque la mayoría, por supuesto, está segura de que si esto es posible, lamentablemente no sucederá muy pronto, al menos en décadas, como máximo, ni siquiera en cien años.

  ¿Alguna vez has pensado que el universo es como un violonchelo? Así es, no vine. Porque el universo no es como un violonchelo. Pero eso no significa que no tenga 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”, capaces de retorcerse, estirarse y comprimirse de muchas formas.
  . Todo esto, sin embargo, no significa que sea imposible "Tocar" la sinfonía del universo con ellos, porque, según los teóricos de cuerdas, todo lo que existe está formado por estos "hilos".

  Una contradicción en la 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 debe ser infinitamente grande Para escapar Debido a un absurdo tan obvio, el científico alemán Max Planck sugirió en 1900 que la luz visible, los rayos X y otras ondas electromagnéticas sólo pueden ser emitidas por algunas porciones discretas de energía, a las que llamó cuantos. , fue posible resolver el problema particular de un cuerpo absolutamente negro. La hipótesis cuántica del determinismo aún no se entendió hasta que otro científico alemán, Werner Heisenberg, formuló el famoso principio de incertidumbre en 1926.

  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 otras cosas 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 certeza 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 “dispersas” 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.

  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 teoría general de la relatividad armoniosa, correcta y predecible está en un conflicto insoluble con el "Hooligan loco": 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.

  Teoría del todo.
  La teoría de cuerdas encarna el sueño de todos los físicos de unificar las dos teorías fundamentalmente contradictorias de la mecánica cuántica y la mecánica cuántica, un sueño que persiguió al más grande “El gitano y el 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.

  Oto describe una de las fuerzas más famosas del universo: la gravedad. La mecánica cuántica describe otras tres fuerzas: la fuerza nuclear fuerte, que une protones y neutrones en los átomos, el electromagnetismo y la fuerza débil, que interviene en la desintegración radiactiva. Cualquier evento en el universo, desde la ionización de un átomo hasta el nacimiento de una estrella, se describe por las interacciones de la materia a través de estas cuatro fuerzas. Con la ayuda de las matemáticas más complejas, fue posible demostrar que las interacciones electromagnéticas y débiles tienen una naturaleza común, combinándolas en una sola interacción electrodébil. Posteriormente se les añadió una fuerte interacción nuclear, pero la gravedad no los une de ninguna manera. La teoría de cuerdas es uno de los candidatos más serios para conectar las cuatro fuerzas y, por lo tanto, abarcar todos los fenómenos del universo; no en vano también se la llama la "Teoría del todo".

  Al principio había un mito.
  Hasta ahora, no todos los físicos están entusiasmados con la teoría de cuerdas. Y en los albores de su aparición, parecía infinitamente lejos de la realidad. Su mismo nacimiento es una leyenda.

  A finales de la década de 1960, el joven físico teórico italiano Gabriele Veneziano buscó 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, una vez tropezó accidentalmente con un libro polvoriento sobre la historia de las matemáticas, en el que encontró una ecuación de doscientos años de antigüedad escrita por primera vez por el matemático suizo Leonhard Euler. Imaginemos la sorpresa de Veneziano cuando descubrió que la ecuación de Euler, que durante mucho tiempo se había considerado nada más que una curiosidad matemática, describía esta fuerte interacción.

  ¿Cómo fue realmente? La ecuación fue probablemente 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 ecuación de Euler, que explicaba milagrosamente la fuerza fuerte, cobró nueva vida.

  Al final, llamó la atención del joven físico y 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 Poblacional" 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 son portadoras de interacciones. Tal es, por ejemplo, un fotón, una partícula de luz. Cuantas más partículas de estas (portadoras) sean los mismos fotones que las partículas de materia intercambiadas, más brillante será la luz. Los científicos predijeron que es este intercambio de partículas (portadores) lo que 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 viajamos 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, entonces la interacción electrodébil se combinaría con la fuerte en una “Superfuerza” total.

  Aunque todo esto aún está por demostrarse, la mecánica cuántica de repente explicó cómo interactúan tres de las cuatro fuerzas a nivel subatómico. Y lo explicó de manera hermosa y consistente. Esta imagen coherente de interacciones finalmente se conoció como el modelo estándar. Pero, por desgracia, esta teoría perfecta tenía un gran problema: no incluía la fuerza de nivel macro más famosa: la gravedad.

  Gravitón.
  Para la teoría de cuerdas, que no tuvo tiempo de “florecer”, ha llegado el “otoño”; contenía demasiados problemas desde su mismo nacimiento; Por ejemplo, los cálculos de la teoría predijeron la existencia de partículas que, como pronto se demostró, no existen. Este es el llamado taquión, una partícula que se mueve en el vacío más rápido que la luz. Entre otras cosas, resultó que la teoría requiere hasta 10 dimensiones. No es sorprendente que esto haya resultado muy confuso para los físicos, ya que obviamente es más grande de lo que vemos.

  En 1973, sólo unos pocos físicos jóvenes seguían lidiando con los misterios de la teoría de cuerdas. Uno de ellos fue el físico teórico estadounidense John Schwartz. Durante cuatro años, Schwartz intentó domar las ecuaciones rebeldes, pero fue en vano. Entre otros problemas, una de estas ecuaciones persistía en describir una partícula misteriosa que no tenía masa y no había sido observada en la naturaleza.

  El científico ya había decidido abandonar su desastroso negocio, y entonces se dio cuenta: ¿tal vez las ecuaciones de la teoría de cuerdas también describen la gravedad? Sin embargo, esto implicó una revisión de las dimensiones de los principales "héroes" de la teoría: las cuerdas. Al sugerir que las cuerdas son miles de millones y miles de millones de veces más pequeñas que un átomo, los Stringer convirtieron el defecto de la teoría en su 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.

  Muñecos subatómicos para anidar.
  A pesar de todo, a principios de la década de 1980, la teoría de cuerdas todavía tenía contradicciones intratables, 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, así como diferentes notas musicales, diferentes formas (modos) de vibración de una cuerda dan a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, etc. ¿Sabes en qué se diferencian, relativamente hablando, los protones en la punta de tu uña del gravitón aún no descubierto? Sólo por el conjunto de diminutas cuerdas que las componen y la forma en que esas cuerdas vibran.

  Por supuesto, todo esto es más que sorprendente. Desde la época de la antigua Grecia, los físicos se han acostumbrado al hecho de que todo en este mundo está formado por algo así como bolas, partículas diminutas. Y así, al no tener 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.

  Cómo funciona el mundo.
  La ciencia actual 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 esas constantes se encuentran, por ejemplo, la carga de un electrón, la constante gravitacional y la velocidad de la luz en el vacío. Y si cambiamos estas cifras 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 encontrar 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 escondido en las “Pequeñas Cosas”; son estas pequeñas formas las que determinan todas las constantes fundamentales de este mundo.

  Teoría de supercuerdas.
  A mediados de la década de 1980, la teoría de cuerdas adquirió una apariencia grandiosa y ordenada, pero dentro del monumento reinaba la confusión. En tan sólo unos años han surgido hasta cinco versiones de la teoría de cuerdas. Y aunque cada una de ellas está construida sobre cuerdas y dimensiones adicionales (las cinco versiones se combinan en la teoría general de supercuerdas - NS), estas versiones divergieron significativamente en los detalles.

  Entonces, en algunas versiones las cuerdas tenían extremos abiertos, en otras parecían anillos. Y en algunas versiones, la teoría incluso requería no 10, sino hasta 26 dimensiones. La paradoja es que las cinco versiones actuales pueden considerarse igualmente ciertas. ¿Pero cuál describe realmente nuestro universo? Éste es otro misterio de la teoría de cuerdas. Por eso muchos físicos volvieron a abandonar la teoría del “loco”.

  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.