Corto:
- por qué la física moderna ha llegado a un callejón sin salida.
- que Einstein y Hawking no tuvieron tiempo de explorar.
- cómo combinar la mecánica cuántica y la relatividad general.
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Con la ayuda de Internet, puede aprender todo, desde el diseño de un motor de combustión interna hasta la velocidad de expansión del Universo. Pero hay preguntas, cuyas respuestas no son conocidas no solo por Google, sino incluso por los más grandes científicos de nuestro tiempo.
Si de repente tienes la suerte de hablar con los últimos premios Nobel de Física, no les preguntes sobre exoplanetas y materia oscura, ya lo han dicho cientos de veces.
Mejor pregunte por qué los diferentes objetos de nuestro mundo obedecen a diferentes leyes de la física. Por ejemplo, por qué los planetas, las estrellas y otros objetos grandes interactúan entre sí, siguiendo ciertas leyes, y las partículas en el nivel más pequeño, como los átomos, se obedecen solo a sí mismas.
Tal pregunta desconcertará al profano, y una persona educada, respondiéndola, le dirá por qué la ciencia moderna ha llegado a un callejón sin salida, cuál es la diferencia entre el Modelo Estándar de física y la relatividad general (en adelante, GR), y también por qué el significado de los bosones de Higgs y la teoría de cuerdas es en realidad el caso está sobrevalorado.
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A pesar de estas explicaciones, nadie, incluido el resucitado Albert Einstein, podrá explicarle la diferente naturaleza de los fenómenos físicos en los niveles micro y macro. Si usted mismo puede resolver este problema, felicidades, es el primer autor de la teoría del todo, el cerebro más grande de la historia de la humanidad, el galardonado con todos los premios posibles y el padre (o madre) de la nueva física.
Pero, antes de presentar al mundo un descubrimiento revolucionario, es mejor comprender qué significa la teoría del todo, qué preguntas debe responder y quién se acercó más a su descubrimiento.
La teoría del todo es una combinación de dos de los conceptos más famosos de la física moderna: la relatividad general de Albert Einstein y la mecánica cuántica. La primera teoría describe todo lo que nos rodea en forma de espacio-tiempo, así como la interacción de todos los objetos del Universo utilizando únicamente la gravedad. La mecánica cuántica, a su vez, describe la interacción de partículas elementales utilizando tres indicadores a la vez: electromagnético y interacción nuclear fuerte / débil.
Por lo tanto, habla de gravedad y objetos grandes como planetas y estrellas, y la mecánica cuántica habla de partículas elementales y sus interacciones electromagnéticas y nucleares débiles / fuertes. Volveremos a esto un poco más tarde.
Heredero de Newton
Por primera vez, Albert Einstein expresó la relatividad general. En ese momento, un joven empleado de la Oficina de Patentes de Austria complementó la teoría clásica de la gravitación de Newton y describió todas las incógnitas en ella. En particular, gracias a este descubrimiento, la gente aprendió qué es realmente la gravedad y cómo determina la interacción no solo entre la manzana y la Tierra, sino también entre el Sol y todos los planetas del sistema solar.
Einstein sugirió que el espacio y el tiempo están interconectados y forman un continuo espacio-tiempo único, la base para el surgimiento de las fuerzas gravitacionales de todos los objetos. A diferencia de la teoría de Newton, este continuo (o espacio-tiempo) es flexible y puede cambiar de forma dependiendo de la masa de los objetos y, en consecuencia, de su energía.
Las conjeturas de Einstein solo se confirmaron en la práctica hace unos años, cuando notaron cómo la luz, y, en consecuencia, el espacio-tiempo, se dobla, pasando cerca de un objeto masivo, el Sol, debido a la influencia de la gravedad. Incluso sin esta evidencia, la relatividad general se ha convertido durante mucho tiempo en la base de la física moderna, y hasta ahora nadie ha podido ofrecer una explicación más fundamentada de la gravedad de los cuerpos y campos en el espacio.
A pesar de esto, el espacio-tiempo en sí es todavía poco conocido y los científicos no saben cómo se forma y en qué consiste. Las respuestas a estas preguntas apenas comienzan a buscarse en la mecánica cuántica, una rama teórica de la física que describe la naturaleza de los fenómenos físicos a nivel de moléculas, átomos, electrones, fotones y otras partículas diminutas.
Mecánica cuántica
Según la teoría de Einstein, absolutamente todos los objetos del Universo deberían sucumbir a la gravedad. Pero, simultáneamente con el descubrimiento de la relatividad general, otros científicos investigaron cómo interactúan los objetos a nivel subatómico.
Resultó que la gravedad en tal escala es completamente inútil. En cambio, las interacciones electromagnéticas y nucleares débil / fuerte se volvieron definitorias. Con la ayuda de estas fuerzas, las partículas más pequeñas interactúan entre sí: fotones, gluones y bosones.
Pero los científicos aún no saben con qué principios interactúan estas partículas, porque pueden tener una densidad de energía extremadamente alta y aún no se prestan a la gravedad. Por lo tanto, fenómenos tan inexplicables como el dualismo onda-corpúsculo (manifestación de las propiedades de una onda por una partícula), así como el efecto de un observador con el resultado en la forma de un gato de Schrödinger vivo y muerto.
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Debido a esto, dos mundos de la física chocaron con sus frentes: el de Einstein, donde todos los objetos tienen ciertas propiedades, se prestan a la gravedad, se pueden describir y predecir, y el cuántico, donde se desencadena una vida completamente diferente e impredecible, en la que todo cambia constantemente y nivela el concepto de espacio. tiempo como tal.
¿Qué se necesita hacer para unir estos dos mundos? Hablamos de la gravedad en la relatividad general y de la interacción electromagnética nuclear fuerte / débil en el Modelo Estándar de la física. Entonces, la gravedad es casi perfecta, nos permite comprender casi todo lo que nos rodea, pero no tiene en cuenta el comportamiento muy inexplicable de las partículas en el nivel más pequeño. La interacción electromagnética y nuclear fuerte / débil es una parte alternativa de la física que esconde nuevos descubrimientos y representa un enorme reservorio para la investigación, pero no tiene en cuenta las leyes gravitacionales de la relatividad general.
La última etapa en la investigación y la vida de Albert Einstein fue la creación de la teoría de la gravedad cuántica, que uniría todas las posibles interacciones de los objetos en los niveles macro y micro, y también explicaría por qué se comportan de manera diferente. Einstein nunca pudo encontrar respuestas a estas preguntas, y después de él, la posible unificación de la relatividad general y la mecánica cuántica comenzó a llamarse teoría del todo.
La teoria de todo
En su búsqueda de una teoría del todo, los científicos han investigado algunos de los objetos más inusuales del universo: los agujeros negros. Son tan pesados que se prestan a la gravedad, y están tan comprimidos que teóricamente se pueden observar efectos cuánticos al caer en un agujero negro. Pero, desafortunadamente, hasta ahora, aparte de la radiación de Hawking, que es contraria a la mecánica cuántica, y una foto reciente del horizonte de eventos, los agujeros negros han ayudado poco a la ciencia moderna. Incluso si existen, llegar a ellos es una tarea casi imposible para los humanos.
Comenzaron a buscar una teoría de todo en la Tierra utilizando varios experimentos mentales y propiedades de la mecánica cuántica y la relatividad general, que potencialmente podrían complementarse entre sí.
Hoy en día, quizás la versión más popular y cercana a la verdad de la teoría del todo es la teoría de cuerdas. Dice que cualquier partícula es una cuerda unidimensional que vibra en una realidad de 11 dimensiones y, dependiendo de estas vibraciones, se determina su masa y carga.
Entre otras, la propiedad principal de una cuerda es que puede transferir gravedad a nivel cuántico. Si tal teoría se confirmara en la práctica, las cuerdas podrían ser el primer paso hacia la unificación de la mecánica cuántica con la relatividad general. Pero, lamentablemente, hasta ahora nadie ha podido probarlo y declarar que las cuerdas son portadoras de la gravedad a nivel subatómico. Al igual que el bosón de Higgs recientemente descubierto no se convirtió en el gravitón deseado.
Sí, todavía no sabemos de dónde proviene la masa de muchas partículas elementales y por qué principio interactúan entre sí, pero esto no impide que los físicos modernos propongan cada vez más nuevas "teorías del todo".
Recientemente, por ejemplo, físicos de China, Alemania y Canadá probaron la teoría del darwinismo cuántico de Wojciech Zurek, que supuestamente explica cómo las partículas cuánticas dejan sus huellas en el macrocosmos disponible para nosotros. Pero incluso en el caso de la confirmación del hallazgo de partículas en dos estados al mismo tiempo, esto es solo una confirmación de la interacción de la mecánica cuántica de la relatividad general, y de ninguna manera una explicación de esto.
Otro físico teórico estadounidense de la Universidad de Maryland, Brian Swingle, se propuso describir la naturaleza del origen del espacio-tiempo y decidió que el entrelazamiento cuántico podría formar el continuo de Einstein. Swingle sugirió que la estructura tetradimensional del espacio-tiempo (longitud, ancho, profundidad y tiempo) podría codificarse en física cuántica tridimensional (con las mismas dimensiones, solo que sin tiempo). Según el físico, la gravedad y la relatividad general deberían explicarse a través de las propiedades de la mecánica cuántica, y no al revés, lo que hizo que este experimento fuera bastante contradictorio.
Hay docenas de teorías complejas e incluso bien razonadas similares, pero ninguna de ellas puede llamarse todavía teoría del todo. Quizás esto sea bueno, ya que el hombre ha estado tratando de comprender cómo interactúan los átomos y las estrellas solo durante el último siglo, y el Universo ha existido durante casi 14 mil millones de años.
El investigador moderno más famoso de la teoría del todo, Stephen Hawking, al final de su vida llegó a la conclusión de que era imposible encontrarlo. Pero, esto no se convirtió en una decepción para él, sino que, como dijo más tarde, por el contrario, lo llevó a comprender que una persona se desarrollará constantemente: “Ahora me alegro de que nuestra búsqueda de comprensión nunca termine, y que siempre experimentaremos nuevos descubrimientos. … Sin esto, nos hubiéramos quedado quietos.
