La teoría de las supercuerdas, en lenguaje popular, representa el universo como una colección de hilos de energía vibrantes: cuerdas. Son la base de la naturaleza. La hipótesis también describe otros elementos: branas. Toda la materia de nuestro mundo está formada por vibraciones de cuerdas y branas. Una consecuencia natural de la teoría es la descripción de la gravedad. Es por eso que los científicos creen que tiene la clave para unificar la gravedad con otras fuerzas.
Evolución del concepto
La teoría del campo unificado, la teoría de supercuerdas, es puramente matemática. Como todos los conceptos físicos, se basa en ecuaciones que se pueden interpretar de ciertas formas.
Hoy nadie sabe exactamente cuál será la versión final de esta teoría. Los científicos tienen una idea bastante vaga de sus elementos generales, pero nadie ha llegado todavía a una ecuación definitiva que abarque todas las teorías de supercuerdas, y experimentalmente todavía no ha podido confirmarla (aunque tampoco desmentirla).. Los físicos han creado versiones simplificadas de la ecuación, pero hasta ahora no describen completamente nuestro universo.
Teoría de supercuerdas para principiantes
La hipótesis se basa en cinco ideas clave.
- La teoría de las supercuerdas predice que todos los objetos de nuestro mundo están formados por filamentos vibrantes y membranas de energía.
- Ella intenta combinar la relatividad general (gravedad) con la física cuántica.
- La teoría de las supercuerdas unificará todas las fuerzas fundamentales del universo.
- Esta hipótesis predice una nueva conexión, la supersimetría, entre dos tipos de partículas fundamentalmente diferentes, los bosones y los fermiones.
- El concepto describe una serie de dimensiones adicionales, normalmente no observables, del Universo.
Cuerdas y branas
Cuando surgió la teoría en la década de 1970, los hilos de energía que contenía se consideraban objetos unidimensionales: cuerdas. La palabra "unidimensional" significa que la cuerda tiene solo 1 dimensión, la longitud, a diferencia, por ejemplo, de un cuadrado, que tiene tanto una longitud como una altura.
La teoría divide estas supercuerdas en dos tipos: cerradas y abiertas. Una cuerda abierta tiene extremos que no se tocan, mientras que una cuerda cerrada es un lazo sin extremos abiertos. Como resultado, se encontró que estas cadenas, llamadas cadenas del primer tipo, están sujetas a 5 tipos principales de interacciones.
Las interacciones se basan en la capacidad de una cuerda para conectar y separar sus extremos. Dado que los extremos de las cuerdas abiertas pueden combinarse para formar cuerdas cerradas, es imposible construir una teoría de supercuerdas que no incluya cuerdas en bucle.
Esto resultó ser importante, ya que los físicos creen que las cuerdas cerradas tienen propiedades que podrían describir la gravedad. En otras palabras, los científicosse dio cuenta de que la teoría de las supercuerdas, en lugar de explicar las partículas de la materia, puede describir su comportamiento y gravedad.
Después de muchos años, se descubrió que, además de las cadenas, otros elementos son necesarios para la teoría. Se pueden considerar como láminas o branas. Las cuerdas se pueden unir a un lado o a ambos lados.
Gravedad cuántica
La física moderna tiene dos leyes científicas principales: la relatividad general (RG) y la cuántica. Representan campos completamente diferentes de la ciencia. La física cuántica estudia las partículas naturales más pequeñas y GR, por regla general, describe la naturaleza en la escala de los planetas, las galaxias y el universo en su conjunto. Las hipótesis que intentan unificarlas se denominan teorías de la gravedad cuántica. El más prometedor de ellos hoy en día es la cadena.
Los hilos cerrados corresponden al comportamiento de la gravedad. En particular, tienen las propiedades de un gravitón, una partícula que transporta la gravedad entre los objetos.
Unir fuerzas
La teoría de cuerdas trata de combinar las cuatro fuerzas (fuerzas electromagnéticas, nucleares fuertes y débiles, y la gravedad) en una sola. En nuestro mundo, se manifiestan como cuatro fenómenos diferentes, pero los teóricos de cuerdas creen que en el universo primitivo, cuando había niveles increíblemente altos de energía, todas estas fuerzas se describen mediante cuerdas que interactúan entre sí.
Supersimetría
Todas las partículas del universo se pueden dividir en dos tipos: bosones y fermiones. Teoria de las cuerdaspredice que existe una relación entre ellos, llamada supersimetría. En supersimetría, debe haber un fermión para cada bosón y un bosón para cada fermión. Desafortunadamente, la existencia de tales partículas no ha sido confirmada experimentalmente.
La supersimetría es una relación matemática entre elementos de ecuaciones físicas. Fue descubierto en otra área de la física, y su aplicación condujo al cambio de nombre de la teoría de cuerdas supersimétricas (o teoría de supercuerdas, en el lenguaje popular) a mediados de la década de 1970.
Uno de los beneficios de la supersimetría es que simplifica enormemente las ecuaciones al permitir que se eliminen algunas variables. Sin supersimetría, las ecuaciones conducen a contradicciones físicas como valores infinitos y niveles de energía imaginarios.
Debido a que los científicos no han observado las partículas predichas por la supersimetría, sigue siendo una hipótesis. Muchos físicos creen que la razón de esto es la necesidad de una cantidad significativa de energía, que está relacionada con la masa por la famosa ecuación de Einstein E=mc2. Estas partículas podrían haber existido en el universo primitivo, pero a medida que se enfrió y la energía se propagó después del Big Bang, estas partículas se movieron a niveles de energía bajos.
En otras palabras, las cuerdas que vibraban como partículas de alta energía perdieron su energía, convirtiéndose en elementos de menor vibración.
Los científicos esperan que las observaciones astronómicas o los experimentos con aceleradores de partículas confirmen la teoría al revelar algunos de los elementos supersimétricos con una mayorenergía.
Medidas adicionales
Otra consecuencia matemática de la teoría de cuerdas es que tiene sentido en un mundo con más de tres dimensiones. Actualmente hay dos explicaciones para esto:
- Las dimensiones adicionales (seis de ellas) se han derrumbado o, en la terminología de la teoría de cuerdas, se han compactado a tamaños increíblemente pequeños que nunca se percibirán.
- Estamos atrapados en la brana 3D, y las otras dimensiones se extienden más allá y son inaccesibles para nosotros.
Una importante línea de investigación entre los teóricos es el modelado matemático de cómo estas coordenadas adicionales podrían estar relacionadas con las nuestras. Los últimos resultados predicen que los científicos pronto podrán detectar estas dimensiones adicionales (si existen) en los próximos experimentos, ya que pueden ser más grandes de lo esperado.
Comprender el propósito
El objetivo por el que se esfuerzan los científicos cuando exploran las supercuerdas es una "teoría del todo", es decir, una única hipótesis física que describe toda la realidad física en un nivel fundamental. Si tiene éxito, podría aclarar muchas preguntas sobre la estructura de nuestro universo.
Explicación de la materia y la masa
Una de las principales tareas de la investigación moderna es encontrar soluciones para partículas reales.
La teoría de cuerdas comenzó como un concepto que describía partículas como los hadrones en varios estados de vibración superiores de una cuerda. En la mayoría de las formulaciones modernas, la materia observada en nuestrouniverso, es el resultado de vibraciones de cuerdas y branas con la energía más baja. Las vibraciones más altas generan partículas de alta energía que actualmente no existen en nuestro mundo.
La masa de estas partículas elementales es una manifestación de cómo las cuerdas y las branas están envueltas en dimensiones extra compactadas. Por ejemplo, en un caso simplificado en el que se doblan en forma de dona, llamado toro por los matemáticos y físicos, una cuerda puede envolver esta forma de dos maneras:
- recorrido corto por la mitad del toroide;
- un bucle largo alrededor de toda la circunferencia exterior del toroide.
Un bucle corto será una partícula ligera y un bucle grande será pesado. Envolver cuerdas alrededor de dimensiones compactadas toroidales produce nuevos elementos con diferentes masas.
La teoría de las supercuerdas explica de manera concisa y clara, simple y elegante la transición de longitud a masa. Las dimensiones plegadas aquí son mucho más complicadas que las del toroide, pero en principio funcionan de la misma manera.
Incluso es posible, aunque difícil de imaginar, que la cuerda se enrolle alrededor del toro en dos direcciones al mismo tiempo, dando como resultado una partícula diferente con una masa diferente. Las branas también pueden envolver dimensiones extra, creando aún más posibilidades.
Determinando el espacio y el tiempo
En muchas versiones de la teoría de supercuerdas, las dimensiones colapsan, haciéndolas inobservables en el nivel actual de desarrollo tecnológico.
Actualmente no está claro si la teoría de cuerdas puede explicar la naturaleza fundamental del espacio y el tiempomás de lo que hizo Einstein. En él, las medidas son el trasfondo de la interacción de las cuerdas y no tienen un significado real independiente.
Se han ofrecido explicaciones, no completamente desarrolladas, con respecto a la representación del espacio-tiempo como un derivado de la suma total de todas las interacciones de cuerdas.
Este enfoque no cumple con las ideas de algunos físicos, lo que llevó a la crítica de la hipótesis. La teoría competitiva de la gravedad cuántica de bucles utiliza la cuantificación del espacio y el tiempo como punto de partida. Algunos creen que terminará siendo solo un enfoque diferente de la misma hipótesis básica.
Cuantificación de la gravedad
El principal logro de esta hipótesis, si se confirma, será la teoría cuántica de la gravedad. La descripción actual de la gravedad en la relatividad general es inconsistente con la física cuántica. Este último, al imponer restricciones al comportamiento de las partículas pequeñas, genera contradicciones cuando se trata de explorar el Universo en una escala extremadamente pequeña.
Unificación de fuerzas
Actualmente, los físicos conocen cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la electromagnética, las interacciones nucleares débiles y fuertes. De la teoría de cuerdas se deduce que todos fueron alguna vez manifestaciones de uno.
Según esta hipótesis, dado que el universo primitivo se enfrió después del big bang, esta única interacción comenzó a dividirse en otras diferentes que están activas en la actualidad.
Los experimentos de alta energía algún día nos permitirán descubrir la unificación de estas fuerzas, aunque dichos experimentos están mucho más allá del desarrollo actual de la tecnología.
Cinco opciones
Después de la revolución de las supercuerdas en 1984, el desarrollo se llevó a cabo a un ritmo febril. Como resultado, en lugar de un concepto, había cinco, denominados tipos I, IIA, IIB, HO, HE, cada uno de los cuales describía casi por completo nuestro mundo, pero no por completo.
Los físicos, revisando versiones de la teoría de cuerdas con la esperanza de encontrar una fórmula verdadera universal, han creado 5 versiones autosuficientes diferentes. Algunas de sus propiedades reflejaban la realidad física del mundo, otras no correspondían a la realidad.
teoría M
En una conferencia en 1995, el físico Edward Witten propuso una solución audaz al problema de las cinco hipótesis. Basados en la dualidad recién descubierta, todos se convirtieron en casos especiales de un solo concepto general, llamado teoría M de supercuerdas de Witten. Uno de sus conceptos clave fue branas (abreviatura de membrana), objetos fundamentales con más de 1 dimensión. Aunque el autor no ofreció una versión completa, que aún no está disponible, la teoría M de supercuerdas consta brevemente de las siguientes características:
- 11 dimensiones (10 dimensiones espaciales más 1 temporal);
- dualidades que conducen a cinco teorías que explican una misma realidad física;
- las branas son cuerdas con más de 1 dimensión.
Consecuencias
Como resultado, en lugar de una, había 10500 soluciones. Para algunos físicos esto provocó una crisis, mientras que otros aceptaron el principio antrópico, que explica las propiedades del universo por nuestra presencia en él. Queda por ver cuándo los teóricos encontrarán otroforma de orientación en la teoría de supercuerdas.
Algunas interpretaciones sugieren que nuestro mundo no es el único. Las versiones más radicales permiten la existencia de un número infinito de universos, algunos de los cuales contienen copias exactas del nuestro.
La teoría de Einstein predice la existencia de un espacio enrollado, que se denomina agujero de gusano o puente de Einstein-Rosen. En este caso, dos sitios distantes están conectados por un pasaje corto. La teoría de supercuerdas permite no solo esto, sino también la conexión de puntos distantes de mundos paralelos. Incluso es posible hacer la transición entre universos con diferentes leyes de la física. Sin embargo, es probable que la teoría cuántica de la gravedad haga imposible su existencia.
Muchos físicos creen que el principio holográfico, cuando toda la información contenida en el volumen del espacio corresponde a la información registrada en su superficie, permitirá una comprensión más profunda del concepto de hilos de energía.
Algunos creen que la teoría de supercuerdas permite múltiples dimensiones de tiempo, lo que podría resultar en un viaje a través de ellas.
Además, dentro del marco de la hipótesis, existe una alternativa al modelo del big bang, según el cual nuestro universo apareció como resultado de una colisión de dos branas y pasa por ciclos repetidos de creación y destrucción.
El destino final del universo siempre ha ocupado a los físicos, y la versión final de la teoría de cuerdas ayudará a determinar la densidad de la materia y la constante cosmológica. Conociendo estos valores, los cosmólogos pueden determinar si el universoencoge hasta que explote para empezar todo de nuevo.
Nadie sabe adónde puede conducir una teoría científica hasta que se desarrolla y se prueba. Einstein, al escribir la ecuación E=mc2, no esperaba que condujera a la aparición de las armas nucleares. Los creadores de la física cuántica no sabían que se convertiría en la base para crear un láser y un transistor. Y aunque aún no se sabe a qué conducirá un concepto tan puramente teórico, la historia muestra que seguramente algo sobresaliente resultará.
Para obtener más información sobre esta conjetura, consulte la Teoría de las supercuerdas de Andrew Zimmerman para principiantes.
