Lo que es la teoría de cuerdas es breve y comprensible para los tontos. Teoría de supercuerdas

Por supuesto, las cuerdas del universo no se parecen mucho a las que imaginamos. En la teoría de cuerdas, estos son hilos de energía vibrantes increíblemente pequeños. Estos hilos son como pequeñas "bandas de goma" que pueden retorcerse, estirarse y encogerse en todos los sentidos. Todo esto, sin embargo, no significa que sea imposible "tocar" la sinfonía del Universo en ellos, porque, según los teóricos de cuerdas, todo lo que existe son estos "hilos".

Contradicción física

En la segunda mitad del siglo XIX, los físicos pensaron que ya no se podía descubrir nada serio en su ciencia. La física clásica creía que no quedaban problemas serios y que toda la estructura del mundo parecía una máquina perfectamente depurada y predecible. El problema, como de costumbre, ocurrió por una tontería: una de las pequeñas "nubes" que aún permanecían en el cielo claro y comprensible de la ciencia. Es decir, al calcular la energía de radiación de un cuerpo absolutamente negro (un cuerpo hipotético que absorbe completamente la radiación incidente a cualquier temperatura, independientemente de la longitud de onda - NS). Los cálculos mostraron que la energía de radiación total de cualquier cuerpo absolutamente negro debe ser infinitamente grande. Para alejarse de un absurdo tan obvio, el científico alemán Max Planck sugirió en 1900 que la luz visible, los rayos X y otras ondas electromagnéticas solo pueden ser emitidas por algunas porciones discretas de energía, a las que llamó cuantos. Con su ayuda, fue posible resolver el problema particular de un cuerpo absolutamente negro. Sin embargo, las implicaciones de la hipótesis cuántica para el determinismo aún no se han comprendido. Hasta que otro científico alemán, Werner Heisenberg, formuló el famoso principio de incertidumbre en 1926.

Su esencia se reduce al hecho de que, contrariamente a todas las afirmaciones prevalecientes antes, la naturaleza limita nuestra capacidad para predecir el futuro con base en leyes físicas. Por supuesto, estamos hablando del futuro y el presente de las partículas subatómicas. Resultó que se comportan de una manera completamente diferente a cualquier cosa en el macrocosmos que nos rodea. A nivel subatómico, el tejido del espacio se vuelve desigual y caótico. El mundo de las partículas diminutas es tan turbulento e incomprensible que desafía el sentido común. El espacio y el tiempo en él están tan retorcidos y entrelazados que no existen los conceptos habituales de izquierda y derecha, arriba y abajo, e incluso antes y después. No hay forma de decir con certeza en qué punto del espacio se encuentra esta o aquella partícula en un momento dado, y cuál es el momento de su impulso. Solo existe una cierta probabilidad de encontrar una partícula en una variedad de regiones del espacio-tiempo. Las partículas a nivel subatómico parecen estar "manchadas" en el espacio. Además, el "estado" de las partículas tampoco está definido: en algunos casos se comportan como ondas, en otros exhiben las propiedades de las partículas. Esto es lo que los físicos llaman la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.

Niveles de la estructura del mundo: 1. Nivel macroscópico - materia 2. Nivel molecular 3. Nivel atómico - protones, neutrones y electrones 4. Nivel subatómico - electrón 5. Nivel subatómico - quarks 6. Nivel de cuerdas / © Bruno P. Ramos

En la teoría general de la relatividad, como en un estado con leyes opuestas, la situación es fundamentalmente diferente. El espacio parece ser como un trampolín: una tela suave que los objetos de masa pueden doblar y estirar. Crean deformaciones del espacio-tiempo, lo que experimentamos como gravedad. No hace falta decir que la armoniosa, correcta y predecible Teoría General de la Relatividad está en un conflicto insoluble con el "excéntrico gamberro" - la mecánica cuántica, y, como resultado, el macrocosmos no puede "hacer las paces" con el microcosmos. Aquí es donde entra la teoría de cuerdas.

Universo 2D. Gráfico de poliedro E8 / © John Stembridge / Atlas of Lie Groups Project

Teoría del todo

La teoría de cuerdas encarna el sueño de todos los físicos de unir dos relatividad general y mecánica cuántica fundamentalmente contradictorias, un sueño que hasta el final de sus días perseguía al más grande "gitano y vagabundo" Albert Einstein.

Muchos científicos creen que todo, desde la exquisita danza de las galaxias hasta la loca danza de las partículas subatómicas, puede explicarse en última instancia mediante un solo principio físico fundamental. Tal vez, incluso una sola ley que une todos los tipos de energía, partículas e interacciones en una fórmula elegante.

La relatividad general describe una de las fuerzas más famosas del Universo: la gravedad. La mecánica cuántica describe otras tres fuerzas: la fuerza nuclear fuerte, que une a los protones y neutrones en los átomos, el electromagnetismo y la fuerza débil, que participa en la desintegración radiactiva. Cualquier evento en el universo, desde la ionización de un átomo hasta el nacimiento de una estrella, se describe mediante las interacciones de la materia a través de estas cuatro fuerzas. Con la ayuda de matemáticas sofisticadas, fue posible demostrar que las interacciones electromagnéticas y débiles tienen una naturaleza común, combinándolas en una sola electrodébil. Posteriormente, se les agregó una fuerte interacción nuclear, pero la gravedad no los une de ninguna manera. La teoría de cuerdas es uno de los candidatos más serios para combinar las cuatro fuerzas y, por lo tanto, abarcar todos los fenómenos del Universo; no es sin razón que también se la llama la "Teoría del Todo".

Al principio había un mito

Gráfico de la función beta de Euler con argumentos reales / © Flickr

Hasta ahora, no todos los físicos están entusiasmados con la teoría de cuerdas. Y al amanecer de su aparición, parecía estar infinitamente lejos de la realidad. Su mismo nacimiento es una leyenda.

A finales de la década de 1960, el joven físico teórico italiano Gabriele Veneziano buscaba ecuaciones que pudieran explicar las interacciones nucleares fuertes: el pegamento extremadamente poderoso que mantiene unidos los núcleos de los átomos, uniendo protones y neutrones. Según la leyenda, de alguna manera se topó con un libro polvoriento sobre la historia de las matemáticas, en el que encontró una función hace doscientos años, escrito por primera vez por el matemático suizo Leonard Euler. Imagínense la sorpresa de Veneziano cuando descubrió que la función de Euler, que durante mucho tiempo se consideró nada más que una curiosidad matemática, describe esta fuerte interacción.

¿Cómo fue realmente? La fórmula fue probablemente el resultado de muchos años de trabajo de Veneziano, y el azar solo ayudó a dar el primer paso hacia el descubrimiento de la teoría de cuerdas. La función de Euler, que explica milagrosamente la fuerte interacción, tomó una nueva vida.

Al final, llamó la atención del joven físico teórico estadounidense Leonard Susskind, quien vio que, en primer lugar, la fórmula describía partículas que no tenían estructura interna y podían vibrar. Estas partículas se comportaron de tal manera que no podrían ser solo partículas puntuales. Susskind se dio cuenta de que la fórmula describe un hilo que es como una banda elástica. No solo podía estirarse y encogerse, sino también vacilar, retorcerse. Después de describir su descubrimiento, Susskind presentó la revolucionaria idea de las cuerdas.

Desafortunadamente, la abrumadora mayoría de sus colegas acogió la teoría con bastante frialdad.

Modelo estandar

En ese momento, la ciencia dominante representaba las partículas como puntos, no como cadenas. Durante muchos años, los físicos han estudiado el comportamiento de las partículas subatómicas, chocando con ellas a altas velocidades y estudiando las consecuencias de estas colisiones. Resultó que el universo es mucho más rico de lo que uno podría imaginar. Fue una verdadera "explosión demográfica" de partículas elementales. Estudiantes graduados de las universidades de física corrían por los pasillos gritando que habían descubierto una nueva partícula; ni siquiera había suficientes letras para designarlos.

Pero, por desgracia, en el "hospital de maternidad" de nuevas partículas, los científicos no han podido encontrar la respuesta a la pregunta: ¿por qué hay tantas y de dónde vienen?

Esto llevó a los físicos a hacer una predicción inusual y sorprendente: se dieron cuenta de que las fuerzas que actúan en la naturaleza también se pueden explicar mediante partículas. Es decir, hay partículas de materia y hay partículas que llevan interacciones. Tal, por ejemplo, es un fotón, una partícula de luz. Cuantas más de estas partículas portadoras, los mismos fotones que intercambian las partículas importantes, más brillante es la luz. Los científicos predijeron que este intercambio particular de partículas portadoras no es más que lo que percibimos como una fuerza. Esto fue confirmado por experimentos. Entonces los físicos lograron acercarse al sueño de Einstein de unir fuerzas.

Interacciones entre diferentes partículas en el modelo estándar / © Wikimedia Commons

Los científicos creen que si avanzamos rápidamente al momento inmediatamente posterior al Big Bang, cuando el universo estaba billones de grados más caliente, las partículas portadoras del electromagnetismo y la interacción débil se volverán indistinguibles y se combinarán en una sola fuerza llamada electrodébil. Y si retrocedemos aún más en el tiempo, entonces la interacción electrodébil se combinaría con la fuerte en una “superpotencia” total.

Si bien todo esto aún está a la espera de ser probado, la mecánica cuántica ha explicado repentinamente cómo interactúan tres de las cuatro fuerzas a nivel subatómico. Y ella explicó hermosa y consistentemente. Esta clara imagen de interacciones finalmente se conoció como el Modelo Estándar. Pero, por desgracia, esta teoría perfecta tenía un gran problema: no incluía la fuerza a nivel macro más famosa: la gravedad.

Graviton

Para la teoría de cuerdas, que no tuvo tiempo de "florecer", llegó el "otoño", contenía demasiados problemas desde el mismo nacimiento. Por ejemplo, los cálculos de la teoría predijeron la existencia de partículas que, como se estableció rápidamente, no existían. Este es el llamado taquión, una partícula que se mueve más rápido que la luz en el vacío. Entre otras cosas, resultó que la teoría requiere hasta 10 mediciones. Como era de esperar, esto fue muy confuso para los físicos, porque obviamente es más de lo que vemos.

En 1973, solo unos pocos físicos jóvenes todavía estaban luchando con los cálculos crípticos de la teoría de cuerdas. Uno de ellos fue el físico teórico estadounidense John Schwartz. Durante cuatro años, Schwartz intentó domar las ecuaciones traviesas, pero fue en vano. Entre otros problemas, una de estas ecuaciones persistió en describir una partícula misteriosa que no tenía masa y no se observaba en la naturaleza.

El científico ya había decidido abandonar su mal trabajo, y entonces se le ocurrió: ¿tal vez las ecuaciones de la teoría de cuerdas describen, entre otras cosas, la gravedad? Sin embargo, esto implicó una revisión del tamaño de los principales "héroes" de la teoría: las cuerdas. Suponiendo que las cuerdas son miles de millones y miles de millones de veces más pequeñas que un átomo, los hombres de las cuerdas convirtieron el defecto de la teoría en su mérito. La misteriosa partícula de la que John Schwartz se había esforzado tanto por deshacerse ahora actuaba como un gravitón, una partícula que se había buscado durante mucho tiempo y que permitiría que la gravedad se transfiriera a un nivel cuántico. Así es como la teoría de cuerdas complementó el rompecabezas con la gravedad que no se encuentra en el Modelo Estándar. Pero, por desgracia, la comunidad científica ni siquiera reaccionó ante este descubrimiento. La teoría de cuerdas permaneció al borde de la supervivencia. Pero esto no detuvo a Schwartz. Solo un científico dispuesto a arriesgar su carrera en aras de misteriosos hilos quería unirse a su búsqueda: Michael Green.

El físico teórico estadounidense John Schwartz y Michael Green

¿Cuáles son las razones para pensar que la gravedad obedece a las leyes de la mecánica cuántica? Por el descubrimiento de estos "fundamentos" en 2011, se otorgó el Premio Nobel de Física. Consistía en el hecho de que la expansión del Universo no se ralentiza, como se pensaba, sino que, por el contrario, se acelera. Esta aceleración se explica por la acción de una "antigravedad" especial, que de alguna manera es característica del espacio vacío del vacío cósmico. Por otro lado, a nivel cuántico no puede haber nada absolutamente "vacío": las partículas subatómicas aparecen constantemente y desaparecen inmediatamente en el vacío. Se cree que este "parpadeo" de partículas es responsable de la existencia de energía oscura "antigravedad" que llena el espacio vacío.

En un momento, fue Albert Einstein, quien hasta el final de su vida no aceptó los principios paradójicos de la mecánica cuántica (que él mismo predijo), quien asumió la existencia de esta forma de energía. Siguiendo las tradiciones de la filosofía griega clásica de Aristóteles con su creencia en la eternidad del mundo, Einstein se negó a creer lo que predijo su propia teoría, es decir, que el universo tuvo un comienzo. Para "perpetuar" el universo, Einstein incluso introdujo una cierta constante cosmológica en su teoría, y así describió la energía del espacio vacío. Afortunadamente, después de unos años resultó que el Universo no es en absoluto una forma congelada, sino que se está expandiendo. Luego, Einstein abandonó la constante cosmológica, llamándola "el mayor error de su vida".

Hoy la ciencia sabe que la energía oscura aún existe, aunque su densidad es mucho menor que la asumida por Einstein (el problema de la densidad de la energía oscura, por cierto, es uno de los mayores misterios de la física moderna). Pero no importa cuán pequeño sea el valor de la constante cosmológica, es suficiente para asegurarse de que existen efectos cuánticos en la gravedad.

Muñecas de anidación subatómicas

A pesar de todo, a principios de la década de 1980, la teoría de cuerdas todavía tenía contradicciones insolubles, llamadas anomalías en la ciencia. Schwartz y Green se dispusieron a eliminarlos. Y sus esfuerzos no fueron en vano: los científicos pudieron eliminar algunas de las contradicciones de la teoría. Imagínense el asombro de estos dos, ya acostumbrados a que su teoría fuera ignorada, cuando la reacción de la comunidad científica hizo estallar el mundo científico. En menos de un año, el número de teóricos de cuerdas aumentó a cientos. Fue entonces cuando la teoría de cuerdas recibió el título de Teoría del Todo. La nueva teoría parecía poder describir todos los componentes del universo. Y estos son los componentes.

Cada átomo, como saben, consta de partículas aún más pequeñas: electrones que giran alrededor de un núcleo formado por protones y neutrones. Los protones y neutrones, a su vez, están formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks. Pero la teoría de cuerdas dice que los quarks no terminan ahí. Los quarks están formados por pequeñas hebras de energía retorcidas que se asemejan a cuerdas. Cada una de estas cuerdas es increíblemente pequeña. Lo suficientemente pequeño como para que si el átomo se agrandara al tamaño del sistema solar, la cuerda sería del tamaño de un árbol. Así como diferentes vibraciones de una cuerda de violonchelo crean lo que escuchamos, como diferentes notas musicales, diferentes modos (modos) de vibración de la cuerda dan a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, etc. ¿Sabes cómo, en términos relativos, los protones en la punta de tu uña se diferencian del gravitón aún sin abrir? Solo el conjunto de pequeñas cuerdas que las componen y la forma en que vibran esas cuerdas.

Por supuesto, todo esto es más que asombroso. Desde los días de la Antigua Grecia, los físicos se han acostumbrado al hecho de que todo en este mundo consiste en algo como bolas, partículas diminutas. Y ahora, al no tener tiempo de acostumbrarse al comportamiento ilógico de estas bolas surgidas de la mecánica cuántica, se les invita a abandonar por completo el paradigma y operar con unos trozos de espagueti ...

Quinta dimensión

Aunque muchos científicos llaman a la teoría de cuerdas un triunfo de las matemáticas, todavía tiene algunos problemas; en primer lugar, la falta de oportunidades para probarla experimentalmente en un futuro próximo. Ni un solo instrumento en el mundo, ni existente ni capaz de aparecer en perspectiva, es capaz de "ver" las cuerdas. Por lo tanto, algunos científicos, por cierto, incluso hacen la pregunta: ¿es la teoría de cuerdas una teoría de la física o una filosofía? ... Es cierto que no es necesario en absoluto ver las cuerdas "con sus propios ojos". Más bien, la prueba de la teoría de cuerdas requiere algo más, lo que suena a ciencia ficción, la confirmación de la existencia de dimensiones adicionales del espacio.

¿De qué se trata? Todos estamos acostumbrados a tres dimensiones de espacio y una sola vez. Pero la teoría de cuerdas también predice otras dimensiones extra. Pero comencemos en orden.

De hecho, la idea de la existencia de otras dimensiones se originó hace casi cien años. Se le ocurrió al entonces desconocido matemático alemán Theodor Kaluza en 1919. Sugirió la posibilidad de la presencia de otra dimensión en nuestro Universo, que no vemos. Albert Einstein se enteró de esta idea y al principio le gustó mucho. Más tarde, sin embargo, dudó de su exactitud y retrasó la publicación de Kaluza durante dos años enteros. Al final, sin embargo, el artículo todavía se publicó y la dimensión adicional se convirtió en una especie de pasatiempo del genio de la física.

Como saben, Einstein demostró que la gravedad no es más que una deformación de las dimensiones del espacio-tiempo. Kaluza teorizó que el electromagnetismo también podría ser ondas. ¿Por qué no lo vemos? Kaluza encontró la respuesta a esta pregunta: las ondas del electromagnetismo pueden existir en una dimensión oculta adicional. ¿Pero donde esta?

La respuesta a esta pregunta la dio el físico sueco Oskar Klein, quien sugirió que la quinta dimensión de Kaluza está curvada miles de millones de veces más fuerte que las dimensiones de un átomo, por lo que no podemos verla. La idea de la existencia de esta pequeña dimensión que nos rodea está en el corazón de la teoría de cuerdas.

Una de las supuestas formas de remolinos de dimensiones adicionales. Dentro de cada una de estas formas, una cuerda vibra y se mueve, el componente principal del Universo. Cada forma es de seis dimensiones, por el número de seis dimensiones adicionales / © Wikimedia Commons

Diez dimensiones

Pero, de hecho, las ecuaciones de la teoría de cuerdas no requieren ni siquiera una, sino seis dimensiones adicionales (en total, con las cuatro que conocemos, hay exactamente 10 de ellas). Todos tienen una forma compleja muy curvada y curvada. Y todos son inimaginablemente pequeños.

¿Cómo pueden estas pequeñas dimensiones afectar nuestro gran mundo? Según la teoría de cuerdas, el factor decisivo es que la forma lo determina todo. Cuando presionas diferentes teclas en un saxofón, obtienes diferentes sonidos. Esto se debe a que cuando presiona una u otra tecla o una combinación de ellas, cambia la forma del espacio en un instrumento musical por donde circula el aire. Gracias a esto nacen diferentes sonidos.

La teoría de cuerdas cree que las dimensiones extracurvadas y retorcidas del espacio aparecen de manera similar. Las formas de estas dimensiones adicionales son complejas y variadas, y cada una hace vibrar la cuerda que está dentro de tales dimensiones de diferentes maneras precisamente debido a sus formas. Después de todo, si asumimos, por ejemplo, que una cuerda vibra dentro de una jarra y la otra dentro de un cuerno de poste curvo, estas serán vibraciones completamente diferentes. Sin embargo, si hay que creer en la teoría de cuerdas, las formas de las dimensiones adicionales en realidad parecen mucho más complejas que una jarra.

Como funciona el mundo

La ciencia actual conoce un conjunto de números que son constantes fundamentales del universo. Determinan las propiedades y características de todo lo que nos rodea. Entre tales constantes, por ejemplo, la carga de electrones, la constante gravitacional, la velocidad de la luz en el vacío ... Y si cambiamos estos números aunque sea un pequeño número de veces, las consecuencias serán catastróficas. Supongamos que hemos aumentado la fuerza de la fuerza electromagnética. ¿Qué sucedió? De repente, podemos encontrar que los iones se han vuelto más repelidos entre sí, y la fusión termonuclear, que hace que las estrellas brillen e irradien calor, de repente no funcione correctamente. Todas las estrellas se apagarán.

Pero, ¿qué tiene que ver la teoría de cuerdas con sus dimensiones adicionales? El hecho es que, según ella, son las dimensiones adicionales las que determinan el valor exacto de las constantes fundamentales. Algunas formas de medición hacen que una cuerda vibre de una manera específica y genere lo que vemos como un fotón. En otras formas, las cuerdas vibran de manera diferente y generan un electrón. En verdad, Dios está escondido en las "pequeñas cosas", son estas pequeñas formas las que determinan todas las constantes fundamentales de este mundo.

Teoría de supercuerdas

A mediados de la década de 1980, la teoría de cuerdas adquirió una apariencia majestuosa y esbelta, pero reinaba la confusión dentro de este monumento. En tan solo unos años, han surgido hasta cinco versiones de la teoría de cuerdas. Y aunque cada uno de ellos se basa en cuerdas y dimensiones adicionales (las cinco versiones se combinan en una teoría general de supercuerdas, NS), los detalles de estas versiones divergieron significativamente.

Entonces, en algunas versiones, las cuerdas tenían extremos abiertos, en otras se parecían a anillos. Y en algunas versiones, la teoría incluso requirió no 10, sino hasta 26 mediciones. La paradoja es que las cinco versiones pueden considerarse igualmente verdaderas hoy. Pero, ¿cuál describe realmente nuestro universo? Este es otro misterio de la teoría de cuerdas. Es por eso que muchos físicos volvieron a desistir de la teoría "loca".

Pero el principal problema con las cuerdas, como ya se mencionó, es la imposibilidad (al menos por ahora) de probar su existencia experimentalmente.

Sin embargo, algunos científicos todavía dicen que en la próxima generación de aceleradores hay una oportunidad mínima, pero aún así, de probar la hipótesis de las dimensiones adicionales. Aunque la mayoría, por supuesto, está segura de que si esto es posible, entonces, lamentablemente, no debería suceder muy pronto, al menos en décadas, como mucho, ni siquiera en cien años.

¿Has pensado alguna vez que el universo es como un violonchelo? Eso es correcto, ella no vino. Porque el universo no es como un violonchelo. Pero esto no significa que no tenga ataduras. Hablemos hoy de la teoría de cuerdas.

Contradicción física

Los cálculos mostraron que la energía de radiación total de cualquier cuerpo absolutamente negro debe ser infinitamente grande. Para alejarse de un absurdo tan obvio, el científico alemán Max Planck sugirió en 1900 que la luz visible, los rayos X y otras ondas electromagnéticas solo pueden ser emitidas por algunas porciones discretas de energía, a las que llamó cuantos. Con su ayuda, fue posible resolver el problema particular de un cuerpo absolutamente negro. Sin embargo, las implicaciones de la hipótesis cuántica para el determinismo aún no se han comprendido. Hasta que otro científico alemán, Werner Heisenberg, formuló el famoso principio de incertidumbre en 1926.

No hay forma de decir con certeza en qué punto del espacio se encuentra esta o aquella partícula en un momento dado, y cuál es el momento de su impulso. Solo existe una cierta probabilidad de encontrar una partícula en una variedad de regiones del espacio-tiempo. Las partículas a nivel subatómico parecen estar "manchadas" en el espacio. Además, el "estado" de las partículas tampoco está definido: en algunos casos se comportan como ondas, en otros exhiben las propiedades de las partículas. Esto es lo que los físicos llaman la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.

Universo 2D. Gráfico de poliedro E8 Teoría Total

Con la ayuda de matemáticas sofisticadas, fue posible demostrar que las interacciones electromagnéticas y débiles tienen una naturaleza común, combinándolas en una sola electrodébil. Posteriormente, se les agregó una fuerte interacción nuclear, pero la gravedad no los une de ninguna manera. La teoría de cuerdas es uno de los candidatos más serios para combinar las cuatro fuerzas y, por lo tanto, abarcar todos los fenómenos del Universo; no es sin razón que también se la llama la "Teoría del Todo".

Al principio había un mito

Gráfico de función Euler Beta con argumentos reales

Desafortunadamente, la abrumadora mayoría de sus colegas acogió la teoría con bastante frialdad.

Modelo estandar

Interacciones entre diferentes partículas en el modelo estándar
Graviton

Muñecas de anidación subatómicas

Lo suficientemente pequeño como para que si el átomo se agrandara al tamaño del sistema solar, la cuerda sería del tamaño de un árbol. Así como diferentes vibraciones de una cuerda de violonchelo crean lo que escuchamos, como diferentes notas musicales, diferentes modos (modos) de vibración de la cuerda dan a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, etc. ¿Sabes cómo, en términos relativos, los protones en la punta de tu uña se diferencian del gravitón aún sin abrir? Solo el conjunto de pequeñas cuerdas que las componen y la forma en que vibran esas cuerdas.

Quinta dimensión

¿De qué se trata? Todos estamos acostumbrados a tres dimensiones de espacio y una sola vez. Pero la teoría de cuerdas también predice otras dimensiones extra. Pero comencemos en orden.

Una de las supuestas formas de remolinos de dimensiones adicionales. Dentro de cada una de estas formas, una cuerda vibra y se mueve, el componente principal del Universo. Cada forma es de seis dimensiones, de acuerdo con el número de seis dimensiones adicionales.

Diez dimensiones

Como funciona el mundo

Teoría de supercuerdas

Pero el principal problema con las cuerdas, como ya se mencionó, es la imposibilidad (al menos por ahora) de probar su existencia experimentalmente.

¿Has pensado alguna vez que el universo es como un violonchelo? Eso es correcto, ella no vino. Porque el universo no es como un violonchelo. Pero esto no significa que no tenga ataduras.

Por supuesto, las cuerdas del universo no se parecen mucho a las que imaginamos. En la teoría de cuerdas, estos son hilos de energía vibrantes increíblemente pequeños. Estos hilos son como pequeñas "bandas elásticas", capaces de retorcerse, estirarse y encogerse en todos los sentidos.
... Todo esto, sin embargo, no significa que sea imposible "Tocar" en ellos la sinfonía del universo, porque, según los teóricos de cuerdas, todo lo que existe son estos "hilos".

Contradicción física.
En la segunda mitad del siglo XIX, los físicos pensaron que ya no se podía descubrir nada serio en su ciencia. La física clásica creía que no quedaban problemas serios y que toda la estructura del mundo parecía una máquina perfectamente depurada y predecible. El problema, como de costumbre, sucedió por una tontería: una de las pequeñas "Nubes" aún permanece en el cielo claro y comprensible de la ciencia. Es decir, al calcular la energía de radiación de un cuerpo absolutamente negro (un cuerpo hipotético que absorbe completamente la radiación incidente a cualquier temperatura, independientemente de la longitud de onda - NS). Los cálculos mostraron que la energía de radiación total de cualquier cuerpo absolutamente negro debe ser infinitamente grande. A partir de un absurdo tan obvio, el científico alemán Max Planck en 1900 sugirió que la luz visible, los rayos X y otras ondas electromagnéticas solo pueden ser emitidas por algunas porciones discretas de energía, a las que llamó cuantos. Con su ayuda fue posible resolver el problema Problema particular de un cuerpo negro.La hipótesis cuántica del determinismo aún no se había realizado, hasta que en 1926 otro científico alemán, Werner Heisenberg, formuló el famoso principio de incertidumbre.

Su esencia se reduce al hecho de que, contrariamente a todas las afirmaciones prevalecientes antes, la naturaleza limita nuestra capacidad para predecir el futuro con base en leyes físicas. Por supuesto, estamos hablando del futuro y el presente de las partículas subatómicas. Resultó que se comportan de una manera completamente diferente a cualquier cosa en el macrocosmos que nos rodea. A nivel subatómico, el tejido del espacio se vuelve desigual y caótico. El mundo de las partículas diminutas es tan turbulento e incomprensible que desafía el sentido común. El espacio y el tiempo en él están tan retorcidos y entrelazados que no existen los conceptos habituales de izquierda y derecha, arriba y abajo, e incluso antes y después. No hay forma de decir con certeza en qué punto del espacio se encuentra esta o aquella partícula en un momento dado, y cuál es el momento de su impulso. Sólo existe una cierta probabilidad de encontrar una partícula en una variedad de áreas del espacio-tiempo. Las partículas a nivel subatómico parecen estar "manchadas" en el espacio. Además, el "Estado" de las partículas tampoco está definido: en algunos casos se comportan como ondas, en otros exhiben las propiedades de las partículas. Esto es lo que los físicos llaman la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.

En la teoría general de la relatividad, como en un estado con leyes opuestas, la situación es fundamentalmente diferente. El espacio parece ser como un trampolín: una tela suave que los objetos de masa pueden doblar y estirar. Crean deformaciones del espacio - tiempo - lo que experimentamos como gravedad. No hace falta decir que la teoría de la relatividad general armoniosa, correcta y predecible está en un conflicto insoluble con el "Fancy Hooligan" - la mecánica cuántica y, como resultado, el macrocosmos no puede "hacer las paces" con el microcosmos. Aquí es donde entra la teoría de cuerdas.

La teoría del todo.
La teoría de cuerdas encarna el sueño de todos los físicos de unir los dos otos fundamentalmente contradictorios y la mecánica cuántica, un sueño que atormentó al más grande "Gitano y Vagabundo" Albert Einstein hasta el final de sus días.

Oto describe una de las fuerzas más famosas del universo: la gravedad. La mecánica cuántica describe otras tres fuerzas: la fuerza nuclear fuerte, que une a los protones y neutrones en los átomos, el electromagnetismo y la fuerza débil, que participa en la desintegración radiactiva. Cualquier evento en el universo, desde la ionización de un átomo hasta el nacimiento de una estrella, se describe mediante las interacciones de la materia a través de estas cuatro fuerzas. Con la ayuda de matemáticas sofisticadas, fue posible demostrar que las interacciones electromagnéticas y débiles tienen una naturaleza común, combinándolas en una sola electrodébil. Posteriormente, se les agregó una fuerte interacción nuclear, pero la gravedad no los une de ninguna manera. La teoría de cuerdas es uno de los candidatos más serios para combinar las cuatro fuerzas y, por lo tanto, abarcar todos los fenómenos del universo; no es sin razón que también se la llama la "Teoría del Todo".

Al principio había un mito.
Hasta ahora, no todos los físicos están entusiasmados con la teoría de cuerdas. Y al amanecer de su aparición, parecía estar infinitamente lejos de la realidad. Su mismo nacimiento es una leyenda.

A fines de la década de 1960, el joven físico teórico italiano Gabriele Veneziano buscaba ecuaciones que pudieran explicar las fuertes interacciones nucleares: una "arcilla" extremadamente poderosa que mantiene unidos los núcleos de los átomos, uniendo protones y neutrones. Según la leyenda, de alguna manera se topó con un libro polvoriento sobre la historia de las matemáticas, en el que encontró una ecuación hace doscientos años, escrita por primera vez por el matemático suizo Leonard Euler. Imagínense la sorpresa del veneciano cuando descubrió que la ecuación de Euler, que durante mucho tiempo se consideró nada más que una curiosidad matemática, describe esta fuerte interacción.

¿Cómo fue realmente? La ecuación fue probablemente el resultado de muchos años de trabajo del veneciano, y el azar solo ayudó a dar el primer paso hacia el descubrimiento de la teoría de cuerdas. La ecuación de Euler, que explica milagrosamente la fuerte interacción, tomó una nueva vida.

Al final, llamó la atención de un joven físico y teórico estadounidense Leonard Susskind, quien vio que, en primer lugar, la fórmula describía partículas que no tenían estructura interna y podían vibrar. Estas partículas se comportaron de tal manera que no podrían ser solo partículas puntuales. Susskind se dio cuenta de que la fórmula describe un hilo que es como una banda elástica. No solo podía estirarse y encogerse, sino también vacilar, retorcerse. Después de describir su descubrimiento, Susskind presentó la revolucionaria idea de las cuerdas.

Desafortunadamente, la abrumadora mayoría de sus colegas acogió la teoría con bastante frialdad.

Modelo estandar.
En ese momento, la ciencia dominante representaba las partículas como puntos, no como cadenas. Durante muchos años, los físicos han estudiado el comportamiento de las partículas subatómicas, chocando con ellas a altas velocidades y estudiando las consecuencias de estas colisiones. Resultó que el universo es mucho más rico de lo que uno podría imaginar. Fue una verdadera "Explosión de población" de partículas elementales. Estudiantes graduados de las universidades de física corrían por los pasillos gritando que habían descubierto una nueva partícula; ni siquiera había suficientes letras para designarlos.

Pero, por desgracia, en el "Hospital de maternidad" de nuevas partículas, los científicos no han podido encontrar la respuesta a la pregunta: ¿por qué hay tantas y de dónde vienen?

Esto llevó a los físicos a hacer una predicción inusual y sorprendente: se dieron cuenta de que las fuerzas que actúan en la naturaleza también se pueden explicar mediante partículas. Es decir, hay partículas de materia y hay partículas, portadoras de interacciones. Tal, por ejemplo, es un fotón, una partícula de luz. Cuanto más estas partículas - portadores - los mismos fotones que las partículas de materia intercambian, más brillante es la luz. Los científicos predijeron que este intercambio particular de partículas, portadores, no es más que lo que percibimos como una fuerza. Esto fue confirmado por experimentos. Entonces los físicos lograron acercarse al sueño de Einstein de unir fuerzas.

Los científicos creen que si nos movemos al momento inmediatamente posterior al Big Bang, cuando el universo estaba billones de grados más caliente, las partículas, portadoras de electromagnetismo e interacción débil, se volverán indistinguibles y se combinarán en una sola fuerza llamada electrodébil. Y si retrocedemos aún más en el tiempo, entonces la interacción electrodébil se combinaría con la fuerte en una "Superpotencia" total.

Graviton.
Para la teoría de cuerdas, que no tuvo tiempo de "florecer", llegó el "otoño", contenía demasiados problemas desde el mismo nacimiento. Por ejemplo, los cálculos de la teoría predijeron la existencia de partículas que, como se estableció rápidamente, no existían. Este es el llamado taquión, una partícula que se mueve en el vacío más rápido que la luz. Entre otras cosas, resultó que la teoría requiere hasta 10 mediciones. Como era de esperar, esto fue muy confuso para los físicos, porque obviamente es más de lo que vemos.

El científico ya había decidido abandonar su mal trabajo, y entonces se le ocurrió: ¿tal vez las ecuaciones de la teoría de cuerdas describen, entre otras cosas, la gravedad? Sin embargo, esto implicó una revisión del tamaño de los principales "héroes" de la teoría: cadenas. Suponiendo que las cuerdas son miles de millones y miles de millones de veces más pequeñas que un átomo, los Stringer convirtieron la falla de la teoría en una virtud. La misteriosa partícula de la que John Schwartz se había esforzado tanto por deshacerse ahora actuaba como un gravitón, una partícula que se había buscado durante mucho tiempo y que permitiría transferir la gravedad al nivel cuántico. Así es como la teoría de cuerdas complementó el rompecabezas con la gravedad que no estaba presente en el modelo estándar. Pero, por desgracia, la comunidad científica ni siquiera reaccionó ante este descubrimiento. La teoría de cuerdas permaneció al borde de la supervivencia. Pero esto no detuvo a Schwartz. Solo un científico dispuesto a arriesgar su carrera en aras de misteriosos hilos quería unirse a su búsqueda: Michael Green.

Muñecas de anidación subatómicas.
A pesar de todo, a principios de la década de 1980, la teoría de cuerdas todavía tenía contradicciones insolubles, llamadas anomalías en la ciencia. Schwartz y Green se dispusieron a eliminarlos. Y sus esfuerzos no fueron en vano: los científicos pudieron eliminar algunas de las contradicciones de la teoría. Imagínense el asombro de estos dos, ya acostumbrados a que su teoría fuera ignorada, cuando la reacción de la comunidad científica hizo estallar el mundo científico. En menos de un año, el número de teóricos de cuerdas aumentó a cientos. Fue entonces cuando la teoría de cuerdas recibió el título de teoría del todo. La nueva teoría parecía poder describir todos los componentes del universo. Y estos son los componentes.

Cada átomo, como saben, consta de partículas aún más pequeñas: electrones que giran alrededor de un núcleo formado por protones y neutrones. Los protones y neutrones, a su vez, están compuestos de partículas aún más pequeñas: los quarks. Pero la teoría de cuerdas dice que los quarks no terminan ahí. Los quarks están formados por pequeñas hebras de energía retorcidas que se asemejan a cuerdas. Cada una de estas cuerdas es increíblemente pequeña. Lo suficientemente pequeño como para que si el átomo se agrandara al tamaño del sistema solar, la cuerda sería del tamaño de un árbol. Así como diferentes vibraciones de una cuerda de violonchelo crean lo que escuchamos, como diferentes notas musicales, diferentes modos (modos) de vibración de la cuerda dan a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, etc. ¿Sabes cómo, en términos relativos, los protones en la punta de tu uña se diferencian del gravitón aún sin abrir? Solo el conjunto de pequeñas cuerdas que las componen y la forma en que vibran esas cuerdas.

Por supuesto, todo esto es más que asombroso. Desde los días de la antigua Grecia, los físicos se han acostumbrado al hecho de que todo en este mundo consiste en algo como bolas, partículas diminutas. Y ahora, al no tener tiempo de acostumbrarse al comportamiento ilógico de estas bolas, surgidas de la mecánica cuántica, se les invita a abandonar por completo el paradigma y operar con unos trozos de espagueti.

Cómo funciona el mundo.
La ciencia actual conoce un conjunto de números que son constantes fundamentales del universo. Son ellos quienes determinan las propiedades y características de todo lo que nos rodea. Entre tales constantes, por ejemplo, la carga de un electrón, la constante gravitacional, la velocidad de la luz en el vacío. Y si cambiamos estos números aunque sea una pequeña cantidad de veces, las consecuencias serán catastróficas. Supongamos que hemos aumentado la fuerza de la fuerza electromagnética. ¿Qué sucedió? De repente, podemos encontrar que los iones se han vuelto más repelidos entre sí, y la fusión termonuclear, que hace que las estrellas brillen e irradien calor, de repente no funcione correctamente. Todas las estrellas se apagarán.

Pero, ¿qué tiene que ver la teoría de cuerdas con sus dimensiones adicionales? El hecho es que, según ella, son las dimensiones adicionales las que determinan el valor exacto de las constantes fundamentales. Algunas formas de medición hacen que una cuerda vibre de una manera específica y genere lo que vemos como un fotón. En otras formas, las cuerdas vibran de manera diferente y generan un electrón. Verdaderamente, Dios está escondido en las "pequeñas cosas", son estas pequeñas formas las que determinan todas las constantes fundamentales de este mundo.

Teoría de supercuerdas.
A mediados de la década de 1980, la teoría de cuerdas adquirió una apariencia majestuosa y esbelta, pero reinaba la confusión dentro de este monumento. En tan solo unos años, han surgido hasta cinco versiones de la teoría de cuerdas. Y aunque cada uno de ellos se basa en cuerdas y dimensiones adicionales (las cinco versiones se combinan en una teoría general de supercuerdas, NS), los detalles de estas versiones divergieron significativamente.

Pero el principal problema con las cuerdas, como ya se mencionó, es la imposibilidad (al menos por ahora) de probar su existencia experimentalmente.

En última instancia, todas las partículas elementales se pueden representar como cuerdas multidimensionales microscópicas en las que se excitan vibraciones de varios armónicos.

Atención, abroche bien sus cinturones de seguridad, y trataré de describirle una de las teorías más extrañas entre las que se discuten seriamente en los círculos científicos de hoy, que finalmente puede dar la pista final sobre la estructura del Universo. Esta teoría parece tan descabellada que, muy posiblemente, ¡sea correcta!

Varias versiones de la teoría de cuerdas se consideran hoy en día como las principales candidatas al título de una teoría integral y universal que explica la naturaleza de todo. Y esta es una especie de Santo Grial de los físicos teóricos que se ocupan de la teoría de las partículas elementales y la cosmología. Teoría universal (también conocida como teoría de todas las cosas) contiene solo unas pocas ecuaciones que combinan todo el conocimiento humano sobre la naturaleza de las interacciones y las propiedades de los elementos fundamentales de la materia, a partir de los cuales se construye el Universo. Hoy la teoría de cuerdas se ha combinado con el concepto supersimetría, como resultado de lo cual nació teoría de supercuerdas, y hoy este es el máximo que se ha logrado en términos de combinar la teoría de las cuatro interacciones básicas (fuerzas que actúan en la naturaleza). La propia teoría de la supersimetría ya se ha construido sobre la base de un concepto moderno a priori, según el cual cualquier interacción de distancia (campo) se debe al intercambio de partículas-portadoras de una interacción del tipo correspondiente entre partículas que interactúan ( cm. Modelo estandar). Para mayor claridad, las partículas que interactúan pueden considerarse "ladrillos" del universo y partículas portadoras: cemento.

En el marco del modelo estándar, los quarks actúan como ladrillos y los portadores de interacción son bosones de calibre que estos quarks se intercambian entre sí. La teoría de la supersimetría va aún más lejos y afirma que los quarks y los leptones en sí mismos no son fundamentales: todos consisten en estructuras de materia (ladrillos) aún más pesadas y no descubiertas experimentalmente, unidas por un "cemento" aún más fuerte de partículas súper energéticas. -portadores de interacciones que los quarks compuestos por hadrones y bosones. Naturalmente, en condiciones de laboratorio, ninguna de las predicciones de la teoría de la supersimetría ha sido probada todavía, pero los componentes ocultos hipotéticos del mundo material ya tienen nombres, por ejemplo, selectron(socio supersimétrico de un electrón), squark etc. La existencia de estas partículas, sin embargo, es predicha sin ambigüedades por teorías de este tipo.

Sin embargo, la imagen del universo que ofrecen estas teorías es bastante fácil de visualizar. En una escala del orden de 10-35 m, es decir, 20 órdenes de magnitud menos que el diámetro del mismo protón, que incluye tres quarks ligados, la estructura de la materia difiere de la que estamos acostumbrados incluso a nivel de partículas elementales. A distancias tan pequeñas (y a energías de interacción tan altas que es impensable imaginar) la materia se convierte en una serie de ondas de campo estacionarias, similares a las que se excitan en las cuerdas de los instrumentos musicales. Como una cuerda de guitarra, en tal cuerda, además del tono principal, muchos matices o Armónicos. Cada armónico tiene su propio estado energético. De acuerdo a principio de relatividad (cm. La teoría de la relatividad), la energía y la masa son equivalentes, lo que significa que cuanto mayor es la frecuencia de la vibración de la onda armónica de la cuerda, mayor es su energía y mayor es la masa de la partícula observada.

Sin embargo, si una onda estacionaria en una cuerda de guitarra se visualiza de manera bastante simple, las ondas estacionarias propuestas por la teoría de supercuerdas son difíciles de visualizar; el hecho es que las supercuerdas vibran en 11 dimensiones. Estamos acostumbrados al espacio de cuatro dimensiones, que contiene tres dimensiones espaciales y una temporal (izquierda-derecha, arriba-abajo, adelante-atrás, pasado-futuro). En el espacio de supercuerdas, las cosas son mucho más complicadas (ver cuadro). Los físicos teóricos pasan por alto el resbaladizo problema de las dimensiones espaciales "extra", afirmando que se "ocultan" (o, en términos científicos, "compactan") y, por lo tanto, no se observan a energías ordinarias.

Más recientemente, la teoría de cuerdas se ha desarrollado aún más en la forma teoría de la membrana multidimensional- de hecho, son las mismas cadenas, pero planas. Como bromeó uno de sus autores, las membranas se diferencian de las cuerdas de la misma manera que los fideos se diferencian de los fideos.

Eso, quizás, es todo lo que se puede decir brevemente sobre una de las teorías que, no sin razón, afirman hoy ser la teoría universal de la Gran Unificación de todas las interacciones de fuerzas. Por desgracia, esta teoría tampoco es infalible. En primer lugar, aún no se ha reducido a una forma matemática estricta debido a la insuficiencia del aparato matemático para llevarlo a una correspondencia interna estricta. Ya han pasado 20 años desde que nació esta teoría, y nadie ha logrado consensuar consecuentemente algunos de sus aspectos y versiones con otros. Aún más desagradable es el hecho de que ninguno de los teóricos que proponen la teoría de cuerdas (y, además, las supercuerdas) aún no haya propuesto un solo experimento en el que estas teorías puedan ser probadas en el laboratorio. Por desgracia, me temo que hasta que hagan esto, todo su trabajo seguirá siendo un extraño juego de fantasía y ejercicios para comprender el conocimiento esotérico fuera de la corriente principal de las ciencias naturales.

Ver también:

1972	Cromodinámica cuántica

Cuantas dimensiones hay?

Nosotros, la gente común, siempre hemos tenido suficiente de las tres dimensiones. Desde tiempos inmemoriales, nos hemos acostumbrado a describir el mundo físico en un marco tan modesto (un tigre dientes de sable 40 metros al frente, 11 metros a la derecha y 4 metros por encima de mí, ¡un adoquín para la batalla!). La teoría de la relatividad nos ha enseñado a la mayoría de nosotros que el tiempo es la esencia de la cuarta dimensión (el tigre dientes de sable no está solo aquí, ¡está aquí y ahora amenazándonos!). Y así, a partir de mediados del siglo XX, los teóricos comenzaron a hablar de que, de hecho, hay incluso más medidas, ya sean 10, 11 o incluso 26. Por supuesto, sin una explicación de por qué nosotros, la gente normal, no observarlos, aquí no podría hacer. Y luego surgió el concepto de "compactación": la adhesión o el colapso de las medidas.

Imaginemos una manguera de riego de jardín. De cerca, se percibe como un objeto tridimensional normal. Sin embargo, vale la pena alejarse de la manguera una distancia suficiente, y nos parecerá un objeto lineal unidimensional: simplemente dejamos de percibir su grosor. Se acostumbra hablar de este efecto como la compactación de la medición: en este caso, el espesor de la manguera resultó estar “compactado” - la escala de la escala de medición es demasiado pequeña.

Así es exactamente como, según los teóricos, las dimensiones adicionales realmente existentes, necesarias para una adecuada explicación de las propiedades de la materia a nivel subatómico, desaparecen del campo de nuestra percepción experimental: se compactan a partir de una escala del orden de 10 -35 m, y los métodos de observación e instrumentos de medición modernos simplemente no pueden detectar estructuras de una escala tan pequeña. Quizás así sea exactamente, y quizás todo sea completamente diferente. Hasta que existan tales dispositivos y métodos de observación, todos los argumentos y contraargumentos anteriores permanecerán al nivel de la especulación ociosa.

Hoy en día, la teoría de cuerdas se ha combinado con el concepto de supersimetría para dar origen a la teoría de supercuerdas, y hasta la fecha esto es lo máximo que se ha logrado en términos de combinar la teoría de las cuatro interacciones básicas (fuerzas que actúan en la naturaleza). La propia teoría de la supersimetría ya se ha construido sobre la base de un concepto moderno a priori, según el cual cualquier interacción de distancia (campo) se debe al intercambio de partículas-portadoras de una interacción del tipo correspondiente entre partículas que interactúan (ver la Norma Modelo). Para mayor claridad, las partículas que interactúan pueden considerarse "ladrillos" del universo y partículas portadoras: cemento.

La teoría de cuerdas es una rama de la física matemática que estudia la dinámica de partículas no puntuales, como la mayoría de las ramas de la física, sino objetos extendidos unidimensionales, es decir. instrumentos de cuerda.
En el marco del Modelo Estándar, los quarks actúan como ladrillos y los bosones gauge, que estos quarks intercambian entre sí, actúan como portadores de interacción. La teoría de la supersimetría va aún más lejos y afirma que los quarks y los leptones en sí mismos no son fundamentales: todos consisten en estructuras de materia (ladrillos) aún más pesadas y no descubiertas experimentalmente, unidas por un "cemento" aún más fuerte de partículas súper energéticas. -portadores de interacciones que los quarks compuestos por hadrones y bosones.

Naturalmente, en condiciones de laboratorio, aún no se ha verificado ninguna de las predicciones de la teoría de la supersimetría, sin embargo, los componentes ocultos hipotéticos del mundo material ya tienen nombres, por ejemplo, un selectrón (socio supersimétrico de un electrón), squark, etc. kind se predice sin ambigüedades.

Sin embargo, la imagen del universo que ofrecen estas teorías es bastante fácil de visualizar. En una escala del orden de 10E - 35 m, es decir, 20 órdenes de magnitud menos que el diámetro del mismo protón, que incluye tres quarks ligados, la estructura de la materia difiere de la que estamos acostumbrados incluso a nivel de partículas elementales. A distancias tan pequeñas (y a energías de interacción tan altas que es impensable imaginar) la materia se convierte en una serie de ondas de campo estacionarias, similares a las que se excitan en las cuerdas de los instrumentos musicales. Como una cuerda de guitarra, en una cuerda de este tipo, además del tono fundamental, se pueden excitar muchos matices o armónicos. Cada armónico tiene su propio estado energético. De acuerdo con el principio de relatividad (ver Teoría de la relatividad), la energía y la masa son equivalentes, lo que significa que cuanto mayor es la frecuencia de la vibración de la onda armónica de la cuerda, mayor es su energía y mayor es la masa de la partícula observada. .

Sin embargo, si una onda estacionaria en una cuerda de guitarra se visualiza de manera bastante simple, las ondas estacionarias propuestas por la teoría de supercuerdas son difíciles de visualizar; el hecho es que las supercuerdas vibran en un espacio de 11 dimensiones. Estamos acostumbrados al espacio de cuatro dimensiones, que contiene tres dimensiones espaciales y una temporal (izquierda-derecha, arriba-abajo, adelante-atrás, pasado-futuro). En el espacio de supercuerdas, las cosas son mucho más complicadas (ver cuadro). Los físicos teóricos pasan por alto el resbaladizo problema de las dimensiones espaciales "extra", afirmando que se "ocultan" (o, en términos científicos, "compactan") y, por lo tanto, no se observan a energías ordinarias.

Más recientemente, la teoría de cuerdas se ha desarrollado aún más en forma de teoría de membranas multidimensionales; de hecho, estas son las mismas cuerdas, pero planas. Como bromeó uno de sus autores, las membranas se diferencian de las cuerdas de la misma manera que los fideos se diferencian de los fideos.

Estudiando las propiedades de los agujeros negros

En 1996, los teóricos de cuerdas Andrew Strominger y Kumrun Wafa, basándose en los resultados anteriores de Susskind y Sena, publicaron La naturaleza microscópica de Bekenstein y la entropía de Hawking. En este trabajo, Strominger y Wafa pudieron utilizar la teoría de cuerdas para encontrar componentes microscópicos de una determinada clase de agujeros negros, así como para calcular con precisión las contribuciones de estos componentes a la entropía. El trabajo se basó en la aplicación de un nuevo método, en parte más allá del alcance de la teoría de la perturbación, que se utilizó en los años ochenta y principios de los noventa. El resultado del trabajo coincidió exactamente con las predicciones de Bekenstein y Hawking, realizadas más de veinte años antes.

Strominger y Wafa se opusieron a los procesos reales de formación de agujeros negros con un enfoque constructivo. Cambiaron la forma en que se forman los agujeros negros, demostrando que se pueden construir ensamblando minuciosamente en un mecanismo el conjunto exacto de branas descubiertas durante la segunda revolución de supercuerdas.

Con todas las palancas de control sobre el diseño microscópico de un agujero negro en la mano, Strominger y Wafa pudieron calcular el número de permutaciones de componentes microscópicos de un agujero negro en el que las características comunes observables, como la masa y la carga, permanecen sin cambios. Luego compararon el número resultante con el área del horizonte de sucesos del agujero negro, la entropía predicha por Bekenstein y Hawking, y encontraron una concordancia perfecta. Al menos para la clase de agujeros negros extremos, Strominger y Wafa lograron encontrar una aplicación de la teoría de cuerdas para analizar componentes microscópicos y calcular con precisión la entropía correspondiente. El problema al que se habían enfrentado los físicos durante un cuarto de siglo se resolvió.

Para muchos teóricos, este descubrimiento fue un argumento importante y convincente en apoyo de la teoría de cuerdas. El desarrollo de la teoría de cuerdas es todavía demasiado tosco para una comparación directa y precisa con resultados experimentales, por ejemplo, con mediciones de las masas de un quark o un electrón. La teoría de cuerdas, sin embargo, proporciona la primera fundamentación fundamental de la propiedad de los agujeros negros descubierta hace mucho tiempo, cuya imposibilidad de explicar ha obstaculizado la investigación de los físicos que trabajan con teorías tradicionales durante muchos años. Incluso Sheldon Glashow, premio Nobel de Física y acérrimo oponente de la teoría de cuerdas en la década de 1980, admitió en una entrevista en 1997 que “cuando los teóricos de cuerdas hablan de agujeros negros, estamos hablando de fenómenos casi observables, y esto es impresionante”.

Cosmología de cuerdas

Hay tres puntos principales en los que la teoría de cuerdas modifica el modelo cosmológico estándar. Primero, en el espíritu de la investigación moderna que aclara cada vez más la situación, de la teoría de cuerdas se sigue que el universo debería ser lo más pequeño posible. Esta conclusión cambia la idea de la estructura del Universo inmediatamente en el momento del Big Bang, para el cual el tamaño del Universo es cero en el modelo estándar. En segundo lugar, la noción de dualidad T, es decir, la dualidad de radios pequeños y grandes (en su estrecha relación con la existencia de un tamaño mínimo) en la teoría de cuerdas, también es significativa en cosmología. En tercer lugar, el número de dimensiones del espacio-tiempo en la teoría de cuerdas es más de cuatro, por lo que la cosmología debe describir la evolución de todas estas dimensiones.

El modelo de Brandenberg y Wafa

A finales de los 80. Robert Brandenberger y Kumrun Wafa han dado importantes primeros pasos hacia la comprensión de cómo la teoría de cuerdas cambiará las consecuencias del modelo cosmológico estándar. Llegaron a dos conclusiones importantes. Primero, a medida que retrocedemos al momento del Big Bang, la temperatura continúa aumentando hasta el momento en que las dimensiones del Universo en todas las direcciones se vuelven iguales a la longitud de Planck. En este punto, la temperatura alcanzará un máximo y comenzará a descender. A nivel intuitivo, no es difícil comprender la razón de este fenómeno. Supongamos por simplicidad (siguiendo a Brandenberger y Wafé) que todas las dimensiones espaciales del universo son cíclicas. A medida que retrocede en el tiempo, el radio de cada círculo se contrae y la temperatura del universo aumenta. De la teoría de cuerdas, sabemos que reducir los radios primero y luego por debajo de la longitud de Planck es físicamente equivalente a una disminución en los radios de la longitud de Planck, seguida de su posterior aumento. Dado que la temperatura desciende durante la expansión del Universo, los intentos infructuosos de comprimir el Universo a un tamaño más pequeño que la longitud de Planck conducirán a la terminación del aumento de temperatura y su posterior disminución.

Como resultado, Brandenberger y Wafa presentaron la siguiente imagen cosmológica: primero, todas las dimensiones espaciales en la teoría de cuerdas están estrechamente enrolladas hasta un tamaño mínimo del orden de la longitud de Planck. La temperatura y la energía son altas, pero no infinitas: se han resuelto las paradojas de un punto de partida de tamaño cero en la teoría de cuerdas. En el momento inicial de la existencia del Universo, todas las dimensiones espaciales de la teoría de cuerdas son completamente iguales y completamente simétricas: todas están enrolladas en un bulto multidimensional del tamaño de Planck. Además, según Brandenberger y Wafa, el Universo pasa por la primera etapa de reducción de simetría, cuando en el momento de Planck se seleccionan tres dimensiones espaciales para la expansión posterior, y el resto retiene su tamaño de Planck original. Entonces estas tres dimensiones se identifican con dimensiones en el escenario de la cosmología inflacionaria y en el proceso de evolución toman la forma que ahora se observa.

Modelo Veneziano y Gasperini

Desde el trabajo de Brandenberger y Wafa, los físicos han avanzado continuamente hacia la comprensión de la cosmología de cuerdas. Entre los que lideran esta investigación se encuentran Gabriele Veneziano y su colega Maurizio Gasperini de la Universidad de Turín. Estos científicos presentaron su versión de la cosmología de cuerdas, que en varios lugares está en contacto con el escenario descrito anteriormente, pero en otros lugares es fundamentalmente diferente. Al igual que Brandenberger y Wafa, se basaron en la existencia de una longitud mínima en la teoría de cuerdas para eliminar la temperatura infinita y la densidad de energía que surgen en los modelos estándar e inflacionario. Sin embargo, en lugar de concluir que, debido a esta propiedad, el universo nace de un bulto del tamaño de Planck, Gasperini y Veneziano sugirieron que había un universo prehistórico que surgió mucho antes del momento llamado punto cero, y dio origen a este cósmico. "embrión" del tamaño de Planck.

El estado inicial del Universo en tal escenario y en el modelo del Big Bang es muy diferente. Según Gasperini y Veneziano, el Universo no era una bola de dimensiones al rojo vivo y fuertemente retorcida, sino que era frío y tenía una longitud infinita. Luego, como se desprende de las ecuaciones de la teoría de cuerdas, la inestabilidad invadió el Universo y todos sus puntos comenzaron, como en la era de la inflación según Guth, a dispersarse rápidamente hacia los lados.

Gasperini y Veneziano demostraron que esto provocó que el espacio se volviera cada vez más curvo y, como resultado, hubo un fuerte salto en la temperatura y la densidad de energía. Pasó un poco de tiempo, y el área tridimensional de dimensiones milimétricas dentro de estos espacios infinitos se transformó en un punto caliente y denso, idéntico al punto que se forma durante la expansión inflacionaria según Guth. Luego, todo fue de acuerdo con el escenario estándar de la cosmología del Big Bang, y el punto en expansión se convirtió en el Universo observable.

Dado que su expansión inflacionaria tuvo lugar en la época anterior al Big Bang, la solución a la paradoja del horizonte propuesta por Guth resulta integrarse automáticamente en este escenario cosmológico. Como dijo Veneziano (en una entrevista de 1998), "la teoría de cuerdas nos presenta como una bandeja de plata una versión de la cosmología inflacionaria".

El estudio de la cosmología de cuerdas se está convirtiendo rápidamente en un área de investigación activa y productiva. Por ejemplo, el escenario evolutivo antes del Big Bang ha sido objeto de acalorados debates más de una vez, y su lugar en la futura formulación cosmológica está lejos de ser obvio. Sin embargo, no hay duda de que esta formulación cosmológica se basará firmemente en la comprensión de los físicos de los resultados descubiertos durante la segunda revolución de supercuerdas. Por ejemplo, las consecuencias cosmológicas de la existencia de membranas multidimensionales aún no están claras. En otras palabras, ¿cómo cambiará la idea de los primeros momentos de la existencia del Universo como resultado del análisis de la teoría M completa? Este tema se está investigando intensamente.