Hoy en día, la imagen científica del mundo está formada de tal manera que nuestro universo está gobernado por dos conjuntos de leyes: la relatividad general, que explica el maravilloso trabajo de la gravedad, y la mecánica cuántica, que describe las otras tres interacciones del universo (nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnetismo). Puede tomar estas leyes y aplicarlas a cosas a gran escala: planetas, galaxias y luego a las escalas más pequeñas: protones y neutrones. Pero, ¿por qué la naturaleza creó dos conjuntos de leyes separados para el universo?
La teoría de supercuerdas es un intento de responder a dos preguntas: ¿Hay alguna manera de combinar la relatividad general y la mecánica cuántica para crear una "teoría del todo"? ¿En qué consiste todo esto?
Teoría de supercuerdas
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Solíamos pensar que los componentes básicos de la vida eran los átomos, los componentes más pequeños de la materia. Pero luego llegamos a los átomos y encontramos partículas elementales, tan pequeñas que ni siquiera podemos verlas sin cambiar de cierta manera. Para ver algo, primero necesitamos que la luz rebote en el objeto y golpee nuestros ojos, creando la imagen. La luz está formada por ondas electromagnéticas que atraviesan libremente partículas elementales. Podemos hacer que estas ondas sean más densas, agregarles energía para que golpeen las partículas y podamos verlas, pero tan pronto como algo golpea la partícula, cambia, por lo que no podemos verla en su estado original. No tenemos idea de cómo se ven las partículas elementales. Como la energía oscura, la materia oscura, no podemos observar estos fenómenos directamente, pero tenemos razones para creerque existen.
Consideramos estas partículas como puntos en el espacio, aunque en realidad no lo son. A pesar de todos sus inconvenientes, este método, la idea de la mecánica cuántica de que las fuerzas son transportadas por partículas, nos da una idea bastante buena del universo y conduce a avances como los disolventes cuánticos y los trenes de levitación magnética. La propia relatividad general también ha resistido una buena prueba del tiempo, explicando las estrellas de neutrones y las anomalías orbitales de Mercurio, prediciendo los agujeros negros y la luz curva. Pero las ecuaciones de la relatividad general, lamentablemente, dejan de funcionar en el centro del agujero negro y en vísperas del Big Bang. El problema es que es imposible juntarlos, porque la gravedad está asociada con la geometría del espacio y el tiempo, cuando las distancias se miden con precisión, pero en el mundo cuántico no hay forma de medir nada.
Cuando los científicos intentaron inventar una nueva partícula que uniera la gravedad con la mecánica cuántica, sus matemáticas simplemente fallaron.
En cierto sentido, tuve que volver a la pizarra. Por lo tanto, los científicos han sugerido que los componentes más pequeños del universo no son puntos, sino cuerdas. Las diferentes vibraciones de las cuerdas crean diferentes partículas elementales como los quarks. Las cuerdas vibrantes podrían constituir toda la materia y las cuatro fuerzas del universo, incluida la gravedad.
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Mayores dimensiones
La teoría de supercuerdas tiene un problema. No funcionará si asumimos que solo hay tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal en la que vivimos. La teoría de cuerdas requiere que juegues al menos diez dimensiones.
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Cuando se concibió GR, la gravedad distorsionó el espacio y el tiempo para describir esta fuerza. Por lo tanto, si alguien quisiera describir otra fuerza, como el electromagnetismo, necesitaría agregar una nueva dimensión. Los científicos escribieron ecuaciones que describen las curvas y defectos del universo con una dimensión adicional y obtuvieron la ecuación original del electromagnetismo. Un descubrimiento asombroso.
Las dimensiones adicionales de la teoría de cuerdas pueden ayudarnos a explicar por qué los números en nuestro universo están tan calibrados que permiten que todo exista. Por ejemplo, ¿por qué la velocidad de la luz es de 299.792.458 metros por segundo? También intentan responder a la pregunta sobre la gravedad: ¿por qué esta fuerza es tan débil? Es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales: 1040 veces más débil que la fuerza electromagnética. Bastará con inclinarse y levantar el libro del suelo para resistirlo. En teoría, esto se debe a que la gravedad se filtra a dimensiones superiores. La gravedad está formada por hebras de bucle cerrado que le permiten salir de nuestra dimensión, a diferencia de las hebras abiertas, que están mejor conectadas a tierra.
¿Por qué no podemos ver todas estas dimensiones?
Porque existen en un nivel tan pequeño que son invisibles para nosotros y desafían la detección. Son compactos, equipados de tal manera que reproducen la física de nuestro mundo, plegándose en interesantes formas Calabi-Yau. Las diferentes formas de Calabi Yau permiten diferentes vibraciones de cuerdas y universos muy diferentes.
Incluso podemos probar supuestos universos múltiples. Dado que asumimos que la gravedad se filtra a dimensiones más altas, debería haber menos tiempo después de la colisión de dos partículas que antes de la colisión. Pero incluso en las condiciones más favorables, probar algo como esto sería increíblemente difícil, difícil de alcanzar.
Los cálculos de la teoría de cuerdas se realizan en universos simulados con 10 u 11 dimensiones donde funcionan las matemáticas. Luego, los científicos intentan borrar las dimensiones adicionales, pero hasta ahora nadie ha logrado describir nuestro universo o idear un experimento para probar una teoría. Sin embargo, esto no significa que no tengamos aplicaciones para la teoría de cuerdas.
Una herramienta matemática que se está desarrollando como parte de la investigación de la teoría de cuerdas nos ayuda a comprender partes de nuestro universo. Podemos usarlo para explicar mejor la paradoja de la información, la gravedad cuántica y algunos problemas de matemáticas puras. Algunos científicos usan la teoría para sus cálculos en física de partículas o cuando observan estados exóticos de la materia.
La teoría de cuerdas puede no ser una teoría de todo, pero al menos es una teoría de algo.
Ilya Khel
