- Parte uno -
Lo más cercano a la realización del sueño de Einstein fue el poco conocido físico polaco Theodor Kaluca, quien, en 1921, se propuso generalizar la teoría de Einstein al incluir el electromagnetismo en la formulación geométrica de la teoría de campos (similar a cómo la geometría del espacio-tiempo describe la gravedad). Esto debería haberse hecho para que las ecuaciones de la teoría del electromagnetismo de Maxwell siguieran siendo válidas. Kaluza entendió que la teoría de Maxwell no se podía formular en el lenguaje de la geometría pura (en el sentido en que la entendemos habitualmente), ni siquiera asumiendo la presencia de un espacio curvo. Kaluza dio el siguiente paso después de Einstein, agregó al espacio-tiempo de cuatro dimensiones un quinto cambio (no observable) en el que el electromagnetismo es una especie de "gravedad" (entonces no se conocía la interacción débil y fuerte). Surge la pregunta:¿Por qué no sentimos esta quinta dimensión de ninguna manera (a diferencia de las primeras cuatro)?
En 1926, el físico sueco Oskar Klein sugirió que no notamos la dimensión extra porque, en cierto sentido, se ha "enrollado" a dimensiones muy pequeñas. Un pequeño bucle se extiende desde cada punto del espacio hasta la quinta dimensión. No notamos todos estos bucles debido a su pequeño tamaño. Klein calculó el perímetro de los bucles alrededor de la quinta dimensión utilizando el valor conocido de la carga eléctrica elemental del electrón y otras partículas, así como la magnitud de la interacción gravitacional entre las partículas. Resultó ser igual a 10-32 cm, es decir. 1020 veces más pequeño que el tamaño de un núcleo atómico. Por tanto, no es de extrañar que no notemos la quinta dimensión: está retorcida a escalas mucho más pequeñas que las dimensiones de cualquiera de las estructuras que conocemos, incluso en la física de partículas subnucleares. Obviamente, en este caso, la cuestión del movimiento no surge, digamos,átomo en la quinta dimensión. Más bien, debería pensarse que esta dimensión está dentro del átomo.
Durante algún tiempo, se olvidó la teoría de Klauz-Klein, pero cuando las interacciones fuerte, débil y electromagnética se combinaron en una sola teoría, y quedaba por encontrar una teoría general para ellas y para la gravedad, la teoría de Klauz-Klein se recordó nuevamente. Para realizar todas las operaciones de simetría necesarias, fue necesario agregar 7 dimensiones más (todo el espacio en su conjunto resultó ser de 11 dimensiones). Y para que estas dimensiones adicionales no se sientan, deben enrollarse en una escala muy pequeña. Sin embargo, ahora surge la pregunta: si una dimensión solo se puede enrollar en un círculo, entonces siete dimensiones se pueden enrollar en una figura de varias topologías (ya sea en un toro de 7 dimensiones, o en una esfera de 7 dimensiones, o en alguna otra figura). El modelo más simple, al que se inclinan la mayoría de los científicos, puede servir como una esfera de 7 dimensiones (7 esferas). Como se esperabalas cuatro dimensiones del espacio-tiempo actualmente observadas no han colapsado, ya que este estado corresponde a la energía más baja (a la que tienden todos los sistemas físicos). Existe una hipótesis según la cual en las primeras etapas de la vida del universo se desplegaron todas estas dimensiones.
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Una gran variedad de sistemas y estructuras naturales, sus características y dinamismo están determinados por la interacción de los objetos materiales, es decir, su acción mutua entre sí. La interacción es la razón principal del movimiento de la materia, por lo tanto, la interacción, como el movimiento, es universal, es decir, es inherente a todos los objetos materiales, independientemente de su naturaleza de origen y organización sistémica. Las características de varias interacciones determinan las condiciones de existencia y los detalles de las propiedades de los objetos materiales.
Los objetos que interactúan intercambian energía y - las principales características de su movimiento. En la física clásica, la interacción está determinada por la fuerza con la que un objeto material actúa sobre otro.
Durante mucho tiempo se creyó que la interacción de los objetos materiales, incluso a gran distancia unos de otros, se transmite instantáneamente a través del espacio vacío. Esta afirmación es coherente con el concepto de acción a distancia. Por ahora, se ha confirmado experimentalmente otro concepto: el concepto de acción de corto alcance: las interacciones se transmiten a través de campos físicos con una velocidad finita que no excede la velocidad de la luz en el vacío. Este concepto de campo, en esencia, en la teoría cuántica de campos se complementa con la afirmación: para cualquier interacción, hay un intercambio de partículas especiales: cuantos de campo.
Las interacciones de los objetos y sistemas materiales que se observan en la naturaleza son muy diversas. Sin embargo, como lo demuestran los estudios físicos, todas las interacciones se pueden atribuir a cuatro tipos de interacciones fundamentales: gravitacionales, electromagnéticas, fuertes y débiles.
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La interacción gravitacional se manifiesta en la atracción mutua de cualquier objeto material con masa. Se transmite a través del campo gravitacional y está determinada por una ley fundamental de la naturaleza: la ley de la gravitación universal. La ley de la gravitación universal describe la caída de cuerpos materiales en el campo de la Tierra, el movimiento de los planetas del sistema solar, estrellas, etc.
De acuerdo con la teoría cuántica del campo, los portadores de la interacción gravitacional son los gravitones: partículas con masa cero, cuantos del campo gravitacional. La interacción electromagnética es causada por cargas eléctricas y se transmite por medio de campos eléctricos y magnéticos. Un campo eléctrico surge en presencia de cargas eléctricas y un campo magnético, cuando se mueven. Un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico alterno que, a su vez, es una fuente de un campo magnético alterno.
Debido a la interacción electromagnética, existen átomos y moléculas, se producen transformaciones químicas de la materia. Varios estados de agregación, fricción, elasticidad, etc. están determinadas por las fuerzas de interacción intermolecular, de naturaleza electromagnética. La interacción electromagnética se describe mediante las leyes fundamentales de la electrostática y la electrodinámica: ley de Coulomb, ley de Ampere, etc., y en forma generalizada, mediante la teoría electromagnética de Maxwell, que vincula los campos eléctrico y magnético. La recepción, transformación y aplicación de campos eléctricos y magnéticos, así como la corriente eléctrica, sirven de base para crear una variedad de medios técnicos modernos: electrodomésticos, radios, televisores, dispositivos de iluminación y calefacción, computadoras, etc.
Según la electrodinámica cuántica, los portadores de la interacción electromagnética son los fotones, los cuantos del campo electromagnético con masa cero. En muchos casos, los instrumentos los registran en forma de ondas electromagnéticas de diferentes longitudes. Por ejemplo, la luz visible percibida a simple vista, a través de la cual se refleja la mayor parte (alrededor del 90%) de la información sobre el mundo circundante, es una onda electromagnética en un rango de longitud de onda bastante estrecho (alrededor de 0,4-0,8 micrones), correspondiente a la radiación solar máxima.
La fuerte interacción asegura la unión de nucleones en el núcleo. Está determinada por fuerzas nucleares que poseen independencia de carga, acción de corto alcance, saturación y otras propiedades. Las interacciones fuertes son responsables de la estabilidad de los núcleos atómicos. Cuanto más fuerte es la interacción de los nucleones en el núcleo, cuanto más estable es el núcleo, mayor es su energía de unión específica. Con un aumento en el número de nucleones en el núcleo y, en consecuencia, el tamaño del núcleo, la energía de unión específica disminuye y el núcleo puede decaer, que es lo que sucede con los núcleos de los elementos al final de la tabla periódica.
Se supone que la interacción fuerte es transmitida por gluones, partículas que "pegan" los quarks que forman parte de los protones, neutrones y otras partículas.
Todas las partículas elementales, excepto el fotón, participan en la interacción débil. Determina la mayoría de las desintegraciones de partículas elementales, la interacción de los neutrinos con la materia y otros procesos. La interacción débil se manifiesta principalmente en los procesos de desintegración beta de núcleos atómicos de muchos isótopos, neutrones libres, etc. En general, se acepta que los portadores de la interacción débil son viones, partículas con una masa de aproximadamente 100 veces la masa de los protones y neutrones.
Hasta la fecha, aún no se ha desarrollado completamente una teoría unificada de descripción de interacciones, pero la mayoría de los científicos se inclinan hacia la formación del Universo como resultado del Big Bang: en el momento cero del tiempo, el Universo surgió de una singularidad, es decir, de un punto con volumen cero y densidad y temperatura infinitamente altas. El mismo "comienzo" del Universo, es decir, su estado correspondiente, según cálculos teóricos, a un radio cercano a cero, elude incluso un concepto teórico. El punto es que las ecuaciones de la astrofísica relativista siguen siendo válidas hasta una densidad de aproximadamente 1093 g / cm3. El Universo, comprimido a tal densidad, alguna vez tuvo un radio del orden de una diez mil millonésima parte de un centímetro, es decir, ¡era comparable en tamaño a un protón! La temperatura de este microverso, por cierto, que pesaba al menos 1051 toneladas, era increíblemente alta y, al parecer,cerca de 1032 grados. El Universo fue una fracción de segundo tan pequeña después del inicio de la "explosión". En el mismo "comienzo", tanto la densidad como la temperatura se vuelven infinitos, es decir, este "comienzo", usando terminología matemática, es ese punto "singular" especial por el cual las ecuaciones de la física teórica moderna pierden su significado físico. Pero esto no significa que no hubiera nada antes del "comienzo": simplemente no podemos imaginar lo que fue antes del "comienzo" condicional del Universo. (3)que no había nada antes del "comienzo": simplemente no podemos imaginar lo que fue antes del "comienzo" condicional del Universo. (3)que no había nada antes del "comienzo": simplemente no podemos imaginar lo que fue antes del "comienzo" condicional del Universo. (3)
Cuando la edad del Universo alcanzó una centésima de segundo, su temperatura bajó a aproximadamente 1011 K, cayendo por debajo del valor umbral en el que se pueden producir protones y neutrones, algunas de estas partículas escaparon de la aniquilación; de lo contrario, no habría materia en nuestro Universo moderno. Un segundo después del Big Bang, la temperatura bajó a 10 10 K y los neutrinos dejaron de interactuar con la materia. El universo se ha vuelto prácticamente "transparente" para los neutrinos. Los electrones y positrones continuaron aniquilándose y emergiendo nuevamente, pero después de unos 10 segundos el nivel de densidad de energía de radiación cayó por debajo de su umbral, y una gran cantidad de electrones y positrones se convirtieron en radiación a partir de un proceso catastrófico de aniquilación mutua. Al final de este proceso, sin embargo, queda un cierto número de electrones, suficiente parauniéndose con protones y neutrones, dan lugar a la cantidad de materia que observamos hoy en el Universo.
La historia ulterior del Universo es más tranquila que su turbulento comienzo. La tasa de expansión disminuyó gradualmente, la temperatura, como la densidad promedio, disminuyó gradualmente, y cuando el Universo tenía un millón de años, su temperatura se volvió tan baja (3500 grados Kelvin) que los protones y núcleos de átomos de helio ya podían capturar electrones libres y convertirse en átomos neutros. A partir de este momento, en esencia, comienza la etapa moderna de la evolución del Universo. Aparecen galaxias, estrellas, planetas. Finalmente, muchos miles de millones de años después, el universo se convirtió en lo que lo vemos.
Pero esta no es la única hipótesis. Según una de las hipótesis, el Universo comenzó a expandirse de forma caótica y aleatoria, y luego, bajo la acción de algún mecanismo de disipación (amortiguamiento), surgió un cierto orden. Tal suposición de caos primario completo, en oposición a la simetría primaria completa, es atractiva porque no requiere “crear” el Universo en ningún estado estrictamente definido. Si los científicos logran encontrar un mecanismo de amortiguación adecuado, esto permitirá acordar con la forma ahora observable del Universo una gama muy amplia de condiciones iniciales.
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Una de las hipótesis más comunes sobre el mecanismo de disipación es la hipótesis de la creación de partículas y antipartículas a partir de la energía que se produce por los efectos de las mareas en un campo gravitacional. Las partículas y antipartículas nacen en un espacio "vacío" curvo (similar al caso del espacio curvado por un agujero negro), y el espacio reacciona a ese nacimiento disminuyendo la curvatura. Cuanto más curvado es el espacio-tiempo, más intensa se produce la creación de partículas y antipartículas. En un Universo no homogéneo, tales efectos deberían haber igualado todo, creando un estado de homogeneidad. Incluso es posible que toda la materia en el Universo surgiera de esta manera, y no de una singularidad. Tal proceso no requiere el nacimiento de materia sin antimateria, como en la singularidad original. La dificultad de esta hipótesis, sin embargo, es queque hasta el momento no ha sido posible encontrar un mecanismo para separar materia y antimateria, lo que no permitiría que la mayoría de ellas volvieran a aniquilarse.
Por un lado, la existencia de inhomogeneidades podría salvarnos de la singularidad, pero George Ellis y Stephen Hawking usando modelos matemáticos demostraron que, teniendo en cuenta algunas proposiciones muy plausibles sobre el comportamiento de la materia, a altas presiones, no se puede excluir la existencia de al menos una singularidad, incluso si desviaciones de la uniformidad. El comportamiento de un universo anisotrópico y no homogéneo en el pasado cerca de la singularidad podría ser muy complejo, y es muy difícil construir modelos aquí. Es más fácil utilizar los modelos de Friedman, que predicen el comportamiento del universo desde el nacimiento hasta la muerte (en el caso de una topología esférica). Aunque las desviaciones de la uniformidad no eliminan a nuestro universo de una singularidad en el espacio-tiempo, no obstante, es posibleque la mayor parte de la materia actualmente disponible en el Universo no cayó en esta singularidad. Las explosiones de este tipo, cuando la materia de super alta densidad, pero no de densidad infinita, aparece en las proximidades de una singularidad, se denominan "gemidos". Sin embargo, el teorema de Hawkin-Ellis requiere que la energía y la presión permanezcan positivas. No hay garantía de que estas condiciones se cumplan con densidades de materia ultraaltas.
Se asume que los efectos cuánticos, pero no en la materia, sino en el espacio-tiempo (gravedad cuántica), que se vuelven muy significativos a valores altos de curvatura espacio-tiempo, podrían evitar la desaparición del Universo en una singularidad, provocando, por ejemplo, un "rebote". materia a una densidad suficientemente alta. Sin embargo, debido a la falta de una teoría satisfactoria de la gravedad cuántica, el razonamiento no arroja conclusiones claras. Si aceptamos la hipótesis de "quejido" o "rebote" cuántico, significa que el espacio y el tiempo existían antes de estos eventos.
Tras el descubrimiento de la expansión del Universo, en 1946, los astrofísicos británicos Herman Bondi y Thomas Gold sugirieron que, sin embargo, dado que el Universo es homogéneo en el espacio, debe ser homogéneo en el tiempo. En este caso, debe expandirse a un ritmo constante, y para evitar una disminución en la densidad de la materia, se deben formar continuamente nuevas galaxias, que llenarán los vacíos formados a partir de la dispersión de las galaxias existentes. La sustancia para la construcción de nuevas galaxias aparece continuamente a medida que el universo se expande. Dicho universo no es estático, sino estacionario: las estrellas y galaxias individuales pasan por sus ciclos de vida, pero en general el universo no tiene principio ni fin. Para explicar cómo aparece la materia sin violar la ley de conservación de la energía,Fred Hoyle inventó un nuevo tipo de campo: crear un campo con energía negativa. Cuando se forma una sustancia, la energía negativa de este campo se amplifica y la energía total se conserva.
La frecuencia de producción atómica en este modelo es tan baja que no puede detectarse experimentalmente. A mediados de los años 60, se hicieron descubrimientos que indicaban que el universo estaba evolucionando. Luego, se descubrió la radiación térmica de fondo, lo que indica que el Universo estaba en un estado denso y caliente hace varios miles de millones de años y, por lo tanto, no puede estar estacionario.
Sin embargo, desde un punto de vista filosófico, el concepto de un universo no nacido y no moribundo es muy atractivo. Es posible combinar los méritos filosóficos del universo estacionario con la teoría del Big Bang en modelos de un universo oscilante. Este modelo cosmológico se basa en el modelo de Friedmann con contracción, complementado por el supuesto de que el universo no perece cuando las singularidades ocurren en ambos "extremos" de tiempo, sino que pasa un estado superdenso y da un "salto" al siguiente ciclo de expansión y contracción. Este proceso puede continuar indefinidamente. Sin embargo, para no acumular entropía y radiación de fondo de ciclos anteriores de expansión-contracción, será necesario asumir que en la etapa de alta densidad se violan todas las leyes termodinámicas (por lo tanto, la entropía no se acumula),sin embargo, se supone que se conservarán las leyes de la teoría de la relatividad. En su expresión extrema, tal punto de vista asume que todas las leyes y constantes del mundo en cada ciclo serán nuevas, y dado que nada se preserva de un ciclo a otro, entonces podemos hablar de universos físicamente no relacionados entre sí. Con el mismo éxito, se puede asumir la existencia simultánea de un conjunto infinito de universos, algunos de ellos pueden ser similares al nuestro. Estas conclusiones son de naturaleza puramente filosófica y no pueden ser refutadas ni por experimentos ni por observación. (13)Con el mismo éxito, se puede asumir la existencia simultánea de un conjunto infinito de universos, algunos de ellos pueden ser similares al nuestro. Estas conclusiones son de naturaleza puramente filosófica y no pueden ser refutadas ni por experimentos ni por observación. (13)Con el mismo éxito, se puede asumir la existencia simultánea de un conjunto infinito de universos, algunos de ellos pueden ser similares al nuestro. Estas inferencias son de naturaleza puramente filosófica y no pueden ser refutadas ni por experimentos ni por observación. (13)
Como hay muchas hipótesis para la creación del Universo, la búsqueda de una teoría de todo es igualmente variada: el modelo estándar, la teoría de cuerdas, la teoría M, una teoría de todo extremadamente simple, las teorías de la Gran Unificación, etc.
El modelo estándar es una construcción teórica en física de partículas elementales que describe las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes de todas las partículas elementales. El modelo estándar no incluye gravedad. Hasta ahora, todas las predicciones del modelo estándar se han confirmado mediante experimentos, a veces con una precisión fantástica de una millonésima de porcentaje. Es solo en los últimos años que han comenzado a aparecer resultados en los que las predicciones del Modelo Estándar difieren levemente del experimento, e incluso fenómenos que son extremadamente difíciles de interpretar dentro de su marco. Por otro lado, es obvio que el Modelo Estándar no puede ser la última palabra en física de partículas, porque contiene demasiados parámetros externos y tampoco incluye la gravedad. Por tanto, la búsqueda de desviaciones del modelo estándar ha sido una de las áreas de investigación más activas en los últimos años.
La teoría de cuerdas es una rama de la física matemática que estudia la dinámica y las interacciones no de partículas puntuales, sino de objetos extendidos unidimensionales, las llamadas cuerdas cuánticas. La teoría de cuerdas combina las ideas de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad, por lo que probablemente se construirá una futura teoría de la gravedad cuántica sobre esta base. La teoría de cuerdas se basa en la hipótesis de que todas las partículas elementales y sus interacciones fundamentales surgen como resultado de vibraciones e interacciones de cuerdas cuánticas ultramicroscópicas en escalas del orden de la longitud de Planck de 10-35 m. Este enfoque, por un lado, evita dificultades de la teoría cuántica de campos como la renormalización., por otro lado, conduce a una mirada más profunda a la estructura de la materia y el espacio-tiempo.
La teoría cuántica de cuerdas surgió a principios de la década de 1970 como resultado de la comprensión de las fórmulas de Gabriele Veneziano relacionadas con los modelos de cuerdas de la estructura de hadrones. A mediados de la década de 1980 y mediados de la de 1990 se produjo un rápido desarrollo de la teoría de cuerdas y se esperaba que en un futuro próximo se formularía una "teoría del todo" sobre la base de la teoría de cuerdas. Pero, a pesar del rigor matemático y la integridad de la teoría, todavía no se han encontrado opciones para la confirmación experimental de la teoría de cuerdas. La teoría que surgió para describir la física hadrónica, pero que no se ajustaba del todo a esto, se encontró en una especie de vacío experimental de descripción de todas las interacciones.
La teoría M (teoría de la membrana) es una teoría física moderna creada con el objetivo de combinar interacciones fundamentales. La llamada "brana" (membrana multidimensional) se utiliza como objeto básico: un objeto bidimensional extendido o con un gran número de dimensiones. A mediados de la década de 1990, Edward Witten y otros físicos teóricos encontraron una fuerte evidencia de que varias teorías de supercuerdas representan diferentes casos limitantes de una teoría M de 11 dimensiones aún no desarrollada. A mediados de la década de 1980, los teóricos llegaron a la conclusión de que la supersimetría, que es fundamental para la teoría de cuerdas, podría incorporarse no en una sino en cinco formas diferentes, lo que lleva a cinco teorías diferentes: tipo I, tipos IIA y IIB, y dos teorías heteróticas. teorías de cuerdas. Solo uno de ellos podría afirmar ser una "teoría del todo", y elque a bajas energías y compactadas seis dimensiones extra estarían de acuerdo con observaciones reales. Quedaban dudas sobre qué teoría era más adecuada y qué hacer con las otras cuatro teorías.
Una teoría del todo excepcionalmente simple: una teoría de campo unificado que une todas las interacciones físicas conocidas que existen en la naturaleza, propuesta por el físico estadounidense Garrett Lisi el 6 de noviembre de 2007. La teoría es interesante por su elegancia, pero requiere un refinamiento serio. Algunos físicos conocidos ya han expresado su apoyo, sin embargo, se han descubierto una serie de inexactitudes y problemas en la teoría.
Teorías de la Gran Unificación: en física de partículas elementales, un grupo de modelos teóricos que describen de manera unificada las interacciones fuerte, débil y electromagnética. Se supone que a energías extremadamente altas, estas interacciones se combinan. (10)
Se puede decir con total confianza que los futuros descubrimientos y teorías enriquecerán, y no rechazarán, el Universo que nos descubrieron Pitágoras, Aristarco, Kepler, Newton y Einstein, un Universo tan armonioso como el Universo de Platón y Pitágoras, pero construido sobre la armonía contenida en leyes matemáticas; El Universo no es menos perfecto que el Universo de Aristóteles, pero deriva su perfección de las leyes abstractas de la simetría; El Universo, en el que el vacío ilimitado de los espacios intergalácticos se inunda de luz tenue, llevando mensajes de las profundidades del tiempo que aún nos resultan incomprensibles; El universo, que tiene un principio en el tiempo, pero no tiene principio ni fin en el espacio, que, quizás, se expandirá para siempre, y quizás un buen momento, habiendo dejado de expandirse, comenzará a contraerse. Este universo no se parece en nada alque se plasmó en las mentes valientes de aquellos que fueron los primeros en atreverse a hacer la pregunta: "¿Cómo es realmente nuestro mundo?" Pero creo que al enterarse de ello, no se molestaron.
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