El físico teórico Joseph Polchinsky de la Universidad de California en Santa Bárbara predijo el año de finalización de la creación de la teoría cuántica de la gravedad. Según el científico, esto sucederá en 2131, y se basará en la teoría de cuerdas, que la inmensa mayoría de físicos y matemáticos modernos reconoce como la única candidata para el papel de "teoría del todo". Polchinsky, galardonado con el Premio de Física Fundamental establecido por el empresario ruso Yuri Milner, describió sus consideraciones en una preimpresión en el sitio web arXiv.org.
En el proceso de desarrollo, la física investigó escalas de distancias cada vez más pequeñas y escalas de energías cada vez mayores. A principios del siglo XX, los científicos recibieron sus primeras ideas sobre fenómenos que ocurren a escala atómica. A estas alturas, los físicos tienen acceso a escalas de diez a menos diecisiete potencias de centímetros, correspondientes a experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, que permitieron descubrir el bosón de Higgs. Al comparar las etapas y tasas de desarrollo de la física en el siglo XX y principios del XXI, Polchinsky predijo que para 2131 se formularía finalmente la teoría cuántica de la gravedad. Para ello, el científico examinó la evolución de la física durante los últimos cien años y comparó los logros de la humanidad de ciertas escalas de energía con el momento de este evento.
En 1899, el físico alemán Max Planck introdujo en consideración la longitud que lleva su nombre, compuesta de constantes fundamentales (la constante de Planck, la constante gravitacional y la velocidad de la luz en el vacío) e igual a diez menos treinta y tres potencias de centímetros. En la actualidad, este valor se considera una escala inalcanzable para los experimentos modernos en los que opera la teoría de cuerdas. La escala de diez centímetros a la décimo séptima potencia de centímetros en una escala logarítmica corresponde a la mitad de la distancia. En consecuencia, queda la misma cantidad de tiempo antes de la creación de la "teoría del todo" que han pasado 116 años desde la introducción de la longitud de Planck en la ciencia.
Escala de longitud.
norte
La pequeñez de la longitud de Planck permite, según Polchinsky, proporcionar la necesaria "mancha" de interacciones, explicando la no renormalizabilidad (imposibilidad de eliminar divergencias) de la teoría de la gravedad. Así, el SM y las tres interacciones fundamentales descritas por él (electromagnética, débil y fuerte) son renormalizables, mientras que la versión de la gravedad cuántica obtenida por cuantificación ingenua (es decir, según la misma receta que la teoría de campos clásica), ya en el segundo orden de la teoría de perturbaciones resulta ser divergente.
Según Polchinsky, en la escala de Planck, las fluctuaciones del espacio-tiempo se vuelven significativas. Forman la llamada espuma de espacio-tiempo y proporcionan la divergencia observada de la versión ingenua de la gravedad cuántica. Como ejemplo histórico, el científico cita la teoría de Enrico Fermi, que describió cualitativamente bien la interacción débil, pero no fue renormalizable.
Fue solo después de que Steven Weinberg, Sheldon Glashow y Abdus Salam crearon una teoría electrodébil renormalizable que combina las interacciones electromagnéticas y débiles e introduce bosones electrodébiles intermedios que quedó claro que la teoría de Fermi es una aproximación de baja energía de otro modelo más general (en este caso, el electrodébil) … Polchinsky cree que sucederá lo mismo con la gravedad cuántica.
Joseph Polchinsky.
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Polchinsky conecta la singularidad de la dinámica de la teoría de cuerdas con la presencia de un solo parámetro necesario para describir la naturaleza: la llamada constante de cuerdas. Mientras tanto, según el científico, en la actualidad, la "teoría del todo" no tiene ningún principio uniforme (primer principio) que permita deducirlo de manera deductiva. Para la relatividad general, existe tal elemento: el principio de equivalencia local entre el campo gravitacional y el movimiento con aceleración. El ejemplo clásico de este comienzo está en el ascensor. Con su movimiento ascendente uniformemente acelerado en relación con la Tierra, el observador en él no puede determinar si está en un campo gravitacional más fuerte o se mueve en un objeto hecho por el hombre.
En su artículo, Polchinsky menciona la importancia de las fluctuaciones cuánticas para resolver ecuaciones de la teoría de cuerdas. A pesar de que las ecuaciones modernas de la teoría cuántica de campos y la relatividad general describen bien el mundo observado en las escalas experimentales disponibles, pueden modificarse sin contradecir los primeros principios de estas teorías. Mientras tanto, esto conduce a efectos no observados hasta la fecha, que son significativos en la escala de Planck.
Polchinsky se refiere a modificaciones tales como la introducción de términos con derivadas superiores en las ecuaciones de la teoría cuántica de campos (en la actualidad solo hay términos cuadráticos con las primeras derivadas de los campos) y la adición de términos cuadráticos en la curvatura del espacio-tiempo a las ecuaciones de Einstein en GR. Estos añadidos llevan a la necesidad de tener en cuenta las fluctuaciones de la espuma espacio-temporal, que existe, según las predicciones de la teoría de cuerdas, en la escala de Planck.
Espuma cuántica.
Polchinsky explica el papel del espacio para la teoría de cuerdas usando el ejemplo de la simetría especular, que permite la existencia de diferentes variedades de Eugenio Calabi y Shintana Yau, que, al estar compactadas (plegadas en dimensiones espaciales adicionales extremadamente pequeñas) desde diferentes espacios, pueden conducir a las mismas propiedades de partículas elementales. … Esto (junto con el potencial para la existencia de dimensiones espaciales adicionales) sugiere que la física observada es una manifestación de la geometría multidimensional del espacio-tiempo y su estructura en la escala de Planck.
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La dualidad de las teorías de gauge y la gravedad cuántica, entendida como holografía, permitirá, según Polchinsky, describir la física de partículas y la gravedad de manera uniforme. El principio holográfico, propuesto en 1993 por el físico holandés Gerard t'Hooft, afirma que la información contenida en su límite exterior (haz) es suficiente para una descripción matemática de un mundo: en este caso, se puede obtener una idea de un objeto de mayor dimensión a partir de hologramas, tener una dimensión más baja.
Aplicado a la teoría de cuerdas, el principio quedó plasmado en la idea de la correspondencia AdS / CFT, señalada en 1998 por el físico teórico estadounidense de origen argentino Juan Maldacena. En esta hipótesis, la equivalencia de la descripción de la física en espacios especiales conduce a la existencia de conexiones únicas entre sus parámetros: dualidades. Matemáticamente, esto se manifiesta en presencia de una relación que permite calcular los parámetros de interacciones de partículas (o cadenas) de una de las teorías, si se conocen por la otra.
El universo holográfico.
Polchinsky conecta el progreso en la comprensión de la física de los agujeros negros con el hecho de que en 1996, en el marco de la teoría de cuerdas, Andrew Strominger y Kumrun Wafa demostraron la derivación de la expresión para la entropía de los agujeros negros, obtenida por primera vez termodinámicamente por el físico israelí Jacob Bekenstein en 1973. Su conclusión indica que la evaporación de los agujeros negros preserva la unitaridad de la mecánica cuántica (asociada con una interpretación consistente de la probabilidad), que fue previamente cuestionada por el científico británico Stephen Hawking.
La arbitrariedad en los valores de las constantes fundamentales observadas, según Polchinsky, aunque es una seria dificultad en la "teoría del todo", sin embargo puede aclarar algunos rasgos universales de la naturaleza (en particular, la existencia del Multiverso). El científico nombró el valor distinto de cero de la constante cosmológica (el término lambda en las ecuaciones de Einstein) como la característica principal que teóricamente indica la existencia de mundos paralelos. Según el científico, la gran mayoría de las teorías de cuerdas involucran al Multiverso. Estos modelos también contienen una constante cosmológica distinta de cero. Es decir, según Polchinsky, uno no puede existir sin el otro. Además, aplicando la inferencia bayesiana, el físico estimó la probabilidad de existencia del Multiverso en un 94 por ciento (esto corresponde a una significancia estadística de dos desviaciones estándar).
"Puede que no esté de acuerdo con mi estimación del 94 por ciento, pero no hay ningún argumento racional de que el multiverso no existe, o que es poco probable", escribe Polchinsky. El científico es optimista sobre las perspectivas para la formulación de la gravedad cuántica (en el marco de la teoría de cuerdas), continúa trabajando en esta dirección y no excluye que la construcción de una "teoría del todo" se complete antes de lo previsto, antes del año 2131 predicho por él.
Andrey Borisov
