La Extraña Segunda Vida de la Teoría de Cuerdas
La teoría de cuerdas ha fracasado hasta ahora en la altura de su promesa como una forma de unir la gravedad y la mecánica cuántica.Al mismo tiempo, se ha convertido en un conjunto de herramientas mas útiles de la ciencia.
Parecía que, parafraseando a Michael Faraday, Es demasiado maravilloso para ser verdad: Sólo tiene que sustituir partículas infinitamente pequeñas con pequeña (pero finito) que vibra lazos de cuerda. Las vibraciones estarían fuera de los quarks, electrones y fotones, gluones, así como sus familias extendidas, para producción en armonía, es necesario todos los ingrediente para cocinar el mundo cognoscible. Evitar lo infinitamente pequeño significaba evitar una variedad de catástrofes. Por un lado, la incertidumbre cuántica no podía rasgar el espacio-tiempo a los fragmentos. Por fin, al parecer, aquí era una teoría viable de la gravedad cuántica.
Aún más bella que la historia contada en palabras, fue la elegancia de las matemáticas detrás de ella, que tenía el poder de hacer que algunos físicos se extasiaran.
Sin duda, la teoría vino con implicaciones inquietantes. Las cadenas eran demasiado pequeños para ser sondeados por el experimento y vivían en un máximo de 11 dimensiones del espacio. Estas dimensiones se pliegan sobre sí mismas - o "compactifican" - en formas complejas de origami. Nadie sabía cómo se compactificaban las dimensiones - las posibilidades de hacerlo parecía no tener fin - pero sin duda alguna configuración podría llegar a ser justo lo que necesitaba para producir fuerzas y partículas conocidas.
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| David Gross, un físico ganador del Premio Nobel en el Instituto Kavli de Física Teórica, ha afirmado públicamenteque la física fundamental se enfrenta a una crisis |
Durante un tiempo, muchos físicos creían que la teoría de cuerdas produciría una manera única de combinar la mecánica cuántica y la gravedad. "Había una esperanza. Un momento ", dijo David Gross , Un reproductor principal del llamado Cuarteto de cuerdas de Princeton, Un ganador del Premio Nobel y miembro permanente del Instituto Kavli de Física Teórica de la Universidad de California, Santa Bárbara. "Incluso llegamos a pensar por un tiempo a mediados de los años 80 que se trataba de una teoría única."
Y a continuación, los físicos empezaron a darse cuenta de que el sueño de una singular teoría era una ilusión. Las complejidades de la teoría de cuerdas, todas las permutaciones posibles, se negaron a reducir a una sola que describe nuestro mundo."Después de un cierto punto en los años 90, las personas se dieron por vencidos en tratar de conectarse con el mundo real", dijo Gross. "Los últimos 20 años han sido realmente una gran extensión de herramientas teóricas, pero muy pocos avances en la comprensión de lo que en realidad hay."
Muchos, en retrospectiva, se dieron cuenta de que habían subido el listón demasiado alto. Luego de la dinámica de la realización del "modelo estándar" sólido y potente de la física de partículas en la década de 1970, que esperaban que la historia se repetiría - sólo que esta vez en un mamut, que todo lo abarca."Hemos estado tratando de apuntar a los éxitos del pasado, donde tuvimos una ecuación muy simple que capturó todo", dijo Robbert Dijkgraaf , el director del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey. "Pero ahora tenemos este gran lío ."
Al igual que muchos una belleza de maduración, la teoría de cuerdas ha hecho rico en relaciones, complicado, difícil de manejar y muy influyente. Sus tentáculos han alcanzado tan profundamente en muchas áreas de la física teórica, se ha convertido casi irreconocible, incluso a los teóricos de cuerdas."Las cosas han llegado casi posmoderno", dijo Dijkgraaf, que es un pintor, así como físico matemático.
Las matemáticas que han salido de la teoría de cuerdas se han puesto en uso en campos tales como la cosmología y la física de la materia condensada - el estudio de los materiales y sus propiedades. Es tan omnipresente que "incluso si cierra todos los grupos de la teoría de cuerdas, la gente en la materia condensada, la gente en la cosmología, la gente en la gravedad cuántica lo harán", dijo Dijkgraaf.
"Es difícil decir realmente donde se debe dibujar el límite y decir: Esta es la teoría de cuerdas; esto no es teoría de cuerdas ", dijo Douglas Stanford , un físico de la NIC. "Nadie sabe si decir que son un teórico de cuerdas más", dijo Chris Beem , un físico matemático de la Universidad de Oxford. "Se ha convertido en algo muy confuso."
La teoría de cuerdas hoy parece casi fractal. Las personas entre sí, explorar toda una esquina, la mayor estructura que encuentran. Algunos cavan profundamente en las grietas particulares; otros alejar el zoom para tratar de dar sentido a los patrones más grande. El resultado es que la teoría de cuerdas hoy incluye tanto que ya no parece fibrosa. Esos pequeños lazos de cuerda cuyos armónicos fueron pensados para respirar forma en cada partícula y la fuerza conocida a la naturaleza (incluyendo la gravedad difícil de alcanzar) casi no aparecen más en las pizarras en las conferencias. En gran reunión anual de la teoría de cuerdas del año pasado, la cadena-teórico de la Universidad de Stanford Eva Silverstein le hizo gracia al descubrir que era uno de los pocos dando una charla "en la teoría de la secuencia apropiada," dijo. Una gran parte del tiempo que trabaja en cuestiones relacionadas con la cosmología.
A pesar de que las herramientas matemáticas de la teoría de cuerdas sean adoptados en las ciencias físicas, los físicos han estado luchando con la forma de hacer frente a la tensión central de la teoría de cuerdas: ¿Puede alguna vez alcanzar la altura de su promesa inicial? ¿Podría alguna vez dar una idea de cómo los investigadores de la gravedad y la mecánica cuántica podrían conciliarse - no en un universo de juguetes , pero en la nuestra?
"El problema es que existe la teoría de cuerdas en el paisaje de la física teórica ," dijo Juan Maldacena , un físico matemático en las NIC y tal vez la figura más prominente en el campo hoy en día. "Pero todavía no sabemos, todavía cómo se conecta a la naturaleza como una teoría de la gravedad." Maldacena ahora reconoce la amplitud de la teoría de cuerdas, y su importancia en muchos campos de la física - incluso aquellos que no requieren "cuerdas" de ser la materia fundamental del universo - cuando define la teoría de cuerdas como "Investigación teórica sólida en estructuras geométricas naturales."
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| Eva Silverstein, profesora de física en la Universidad de Stanford, Se aplica la teoría de cuerdas a los problemas de la cosmología. |
Uno de los puntos altos de la teoría de cuerdas como una teoría de todo llegó a finales de 1990, cuando Maldacena reveló que una teoría de cuerdas incluyendo la gravedad en cinco dimensiones era equivalente a una teoría cuántica de campos en cuatro dimensiones. Este "AdS / CFT" dualidad parecía proporcionar un mapa para conseguir una manija en la gravedad - la pieza más intransigente del rompecabezas - relacionándola con buena vieja teoría cuántica de campos bien entendida.
Esta correspondencia no se pensaba que era un modelo del mundo real perfecto. La quinta dimensión en la que trabaja tiene una geometría de "anti-de Sitter" , un extraño MC Escher-ish paisaje que no es ni remotamente como nuestro universo.
Pero los investigadores se sorprendieron cuando se clavaron profundamente en el otro lado de la dualidad. La mayoría de la gente toma por sentado que las teorías de campo cuántico - "física pan de cada día", Dijkgraaf los llama - se entienden bien y que había sido durante medio siglo. Al final resultó que, dijo Dijkgraaf, "sólo las entendemos de una manera muy limitada."
Estas teorías cuánticas de campo se desarrollaron en la década de 1950 para unificar la relatividad especial y la mecánica cuántica. Se trabajó bastante bien durante el tiempo suficiente que no importaba mucho que se rompieron a escalas muy pequeñas y las altas energías. Pero hoy en día, cuando los físicos vuelven a visitar "la parte que se pensó que entendía hace 60 años", dijo Nima Arkani-Hamed , un físico de la NIC, se encuentra "impresionantes estructuras" que fue una completa sorpresa. "Cada aspecto de la idea de que hemos entendido la teoría cuántica de campos resulta ser incorrecta. Es una bestia mucho más grande ".
Los investigadores han desarrollado un gran número de teorías cuánticas de campos en la última década más o menos, cada uno utilizado para estudiar los diferentes sistemas físicos. Beem sospecha que existen teorías cuánticas de campos que no se pueden describir, incluso en términos de campos cuánticos. "Tenemos opiniones que suenan tan loco como que, en gran parte, a causa de la teoría de cuerdas."
Esta práctica explosión de nuevos tipos de teorías cuánticas de campos es inquietante recuerdo de la física en la década de 1930, cuando la inesperada aparición de un nuevo tipo de partícula - el muón - llevó un frustrado II Rabi a preguntar: "¿Quién ordenó eso?" La inundación de nuevas partículas era tan abrumadora por la década de 1950 que llevó Enrico Fermi a quejarse: "Si pudiera recordar los nombres de todas estas partículas, habría sido un botánico."
Los físicos comenzaron a ver su camino a través de la maraña de partículas solo cuando se encontraron con los bloques de construcción más fundamentales que los componen, como los quarks y gluones. Ahora muchos físicos están tratando de hacer lo mismo con la teoría cuántica de campos. En sus intentos de hacer un zoológico, muchos aprenden todo lo que pueda acerca de ciertas especies exóticas.
Las teorías conformes (la mano derecha de los anuncios / CFT) son un punto de partida. Se empieza con un tipo simplificado de la teoría cuántica de campos, donde "las interacciones entre las partículas están apagados," dijo David Simmons-Duffin , un físico de la NIC. Si estos tipos específicos de las teorías de campo podían entenderse perfectamente, respuestas a preguntas profundas podrían llegar a ser clara. "La idea es que si usted entiende los pies del elefante muy, muy bien, se puede interpolar en el medio y averiguar lo que todo el asunto se parece."
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| Juan Maldacena, un físico del Instituto de Estudios Avanzados, desarrolló lo que se ha convertido en uno de los mayores éxitos de la teoría de cuerdas. |
Como muchos de sus colegas, Simmons-Duffin dice que es un teórico de cuerdas sobre todo en el sentido de que se ha convertido en un término genérico para cualquier persona que hace la física fundamental en las esquinas subdesarrolladass. Actualmente está centrado en un sistema físico que está descrita por una teoría conforme de campos, pero no tiene nada que ver con cuerdas. De hecho, el sistema es agua en su "punto crítico", donde la distinción entre el gas y el líquido desaparece. Es interesante porque el comportamiento del agua en el punto crítico es un sistema emergente complicada que surge de algo más simple. Como tal, se podría hacer alusión a la dinámica detrás de la aparición de las teorías cuánticas de campos.
Beem se centra en las teorías de campo supersimétricas, otro modelo de juguete, como los físicos llaman a estas simplificaciones deliberadas. "Estamos poniendo en algunas características poco realistas para que sean más fáciles de manejar," dijo. En concreto, son susceptibles a las matemáticas manejables, lo que "hace que muchas cosas sean calculables."
Modelos de juguetes son herramientas estándar en la mayoría de los tipos de investigación. Sin embargo, siempre existe el temor de que lo que se aprende de un escenario simplificado no se aplica al mundo real. "Es un poco de un trato con el diablo", dijo Beem. "La teoría de cuerdas es un conjunto mucho menos rigurosamente construida de ideas que la teoría cuántica de campos, por lo que tiene que estar dispuesto a relajar sus normas un poco", dijo. "Pero eres recompensado por ello. Se le da un buen contexto, más grande en el que trabajar ".
Es el tipo de trabajo que hace que la gente como Sean Carroll , físico teórico en el Instituto de Tecnología de California, se pregunte si el campo se ha alejado demasiado de sus primeras ambiciones - de encontrar, si no una "teoría del todo", al menos una teoría de la gravedad cuántica. "Realmente no ha contestado las preguntas profundas sobre la gravedad cuántica", dijo. "Tienen todos estos martillos y van en busca de las uñas." Eso está bien, dijo, aun reconociendo que podrían ser necesarios para desarrollar una nueva teoría de la gravedad cuántica. "Pero no es muy bien si usted se olvida de que, en última instancia, su objetivo es describir el mundo real."
Es una pregunta que ha pedido a sus amigos. ¿Por qué están investigando las teorías detalladas de cuántica de campos ? "¿Cuál es la aspiración?", Se pregunta. Sus respuestas son lógicas, dice, pero los pasos eliminan de desarrollar una verdadera descripción de nuestro universo.
En cambio, está buscando una manera de "encontrar la gravedad dentro de la mecánica cuántica." Un papel que escribió recientemente con colegas que pretenden dar pasos hacia eso. No se trata de la teoría de cuerdas.
El Poder Amplio de Cuerdas
Tal vez el campo que ha ganado el máximo rendimiento del florecimiento de la teoría de cuerdas es propia matemática. Sentado en un banco al lado del estanque NIC mientras ve un paseo de una garza azul en las cañas, arcilla Córdova , investigador allí, explicó cómo lo que parecía ser problemas insolubles en matemáticas fueron resueltos por imaginar cómo la pregunta podría ser una cadena. Por ejemplo, ¿cuántas esferas podrían caber dentro de una variedad de Calabi-Yau - la forma plegada se espera que describan cómo se compactificada espacio-tiempo? Los matemáticos se habían pegado. Pero una cadena de dos dimensiones se muevan mucho en un espacio tan complejo. Como se movió, se podría captar nuevos puntos de vista, como un lazo multidimensional matemática. Este fue el tipo de pensamiento físico, Einstein era famoso por: experimentos mentales acerca de montar junto con un haz de luz reveló E = mc^2 . Imaginando caerse de un edificio condujo a su mayor momento eureka de todos: La gravedad no es una fuerza; es una propiedad del espacio-tiempo.
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| El amplituedro es un objeto de multi-dimensional que se puede utilizar para calcular las interacciones entre partículas. Los físicos tales como Chris Beem están aplicando las técnicas de la teoría de cuerdas en geometrías especiales en los que "la amplituedro es su mejor yo", dice. |
El uso de la intuición física ofrecida por las cadenas, los físicos producen una fórmulas poderosas para obtener la respuesta a la pregunta esfera incrustada, y mucho más. "Llegaron a estas fórmulas utilizando herramientas que los matemáticos no permiten", dijo Córdova Entonces, después de los teóricos de cuerdas encontraron una respuesta, los matemáticos han demostrado que en sus propios términos. "Se trata de una especie de experimento", explicó."Es un experimento matemático interno." No sólo era la solución viscosa, no está mal, que llevó a los campos de matemáticas ganador de la medalla. "Esto sigue sucediendo", dijo.
La teoría de cuerdas también ha hecho contribuciones esenciales a la cosmología. El papel que la teoría de cuerdas ha jugado en la reflexión sobre los mecanismos detrás de la expansión inflacionaria del universo - los momentos inmediatamente después del Big Bang, donde los efectos cuánticos se reunieron cabeza sobre la gravedad s - es "sorprendentemente fuerte", dijo Silverstein, a pesar de que no hay cadenas que están unidas .
Aún así, Silverstein y sus colegas han utilizado la teoría de cuerdas para descubrir, entre otras cosas, formas de ver las firmas potencialmente observables de varias ideas inflacionarias. Las mismas ideas se podrían haber encontrado usando la teoría cuántica de campos, dijo, pero no eran. "Es mucho más natural en la teoría de cuerdas, con su estructura adicional."
Modelos inflacionarios se enredan en la teoría de cuerdas de múltiples maneras, no menos importante de los cuales es el multiverso - la idea de que el nuestro es uno de un número tal vez infinito de universos, cada uno creado por el mismo mecanismo que engendró a la nuestra. Entre la teoría de cuerdas y la cosmología, la idea de un paisaje infinito de posibles universos no se convirtió en apenas aceptable, pero ni siquiera se da por sentado por un gran número de físicos. El efecto de selección, Silverstein dijo, podría ser una explicación muy natural para qué nuestro mundo es la forma en que es: En un universo muy diferente, no estaríamos aquí para contar la historia.
Este efecto podría ser una respuesta a una teoría de la gran cadena problema se supone que debe resolver. Como Bruto puso: "Lo que escoge esta teoría en particular" - el modelo estándar - de la "plétora de infinitas posibilidades?"
Silverstein cree que el efecto de selección es en realidad un buen argumento a favor de la teoría de cuerdas. El paisaje infinito de posibles universos puede estar directamente relacionado con "la estructura rica que encontramos en la teoría de cuerdas," ella dijo - las innumerables formas que multidimensional espacio-tiempo de la teoría de cuerdas se puede plegar sobre sí misma.
La construcción del nuevo atlas
Por lo menos, la versión madura de la teoría de cuerdas - con sus herramientas matemáticas que permiten a los investigadores ver los problemas de nuevas maneras - ha proporcionado nuevas y potentes métodos para ver cómo aparentemente incompatibles descripciones de la naturaleza pueden ser ambas verdaderas. El descubrimiento de dos descripciones del mismo fenómeno resume bastante bien la historia de la física. Un siglo y medio atrás, James Clerk Maxwell vieron que la electricidad y el magnetismo eran dos caras de una moneda. La teoría cuántica revela la conexión entre partículas y ondas. Ahora los físicos tienen cuerdas.
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| Nima Arkani-Hamed, un físico de la NIC, argumenta que este es el momento más emocionante de la física teórica, puesto que el desarrollo de la mecánica cuántica en la década de 1920. |
"Una vez que las cosas elementales que estamos tocando en las regiones son cadenas en lugar de partículas", dijo Beem, las cadenas "ver las cosas de manera diferente." Si es demasiado duro para llegar de A a B utilizando la teoría cuántica de campos, re-imaginar el problema de la teoría de cuerdas y "hay un camino", dijo Beem.
En la cosmología, la teoría de cuerdas "paquetes de modelos físicos de una manera que es más fácil pensar", dijo Silverstein. Pueden pasar siglos para unir todos estos cabos sueltos para tejer una imagen coherente, pero los investigadores jóvenes como Beem no les molesta un poco. Su generación nunca pensó que la teoría de cuerdas se va a resolver todo. "No estamos atascados", dijo. "No, se siente como que estamos a punto de conseguir todo resuelto, pero cada día sé más de lo que hice el día anterior - y por lo que presumiblemente llegamos a alguna parte."
Stanford piensa en él como un gran crucigrama. "No está terminado, pero a medida que empezar a resolver, se puede decir que se trata de un rompecabezas válida", dijo. "Está pasando las comprobaciones de coherencia todo el tiempo."
"A lo mejor ni siquiera es posible capturar el universo de una forma fácil de definir, en sí misma, como un globo", dijo Dijkgraaf, sentado en la oficina con ventanas de Robert Oppenheimer de cuando era jefe de Einstein, mirando por encima de la gran césped en la NIC , el estanque y el bosque en la distancia. Einstein, también, intentó y no pudo encontrar una teoría del todo, y no quita nada de su genio.
"Tal vez la verdadera imagen se parece más a los mapas de un atlas, cada uno con diferentes tipos de información, cada irregular", dijo Dijkgraaf. "Usando el atlas se requiere que la física sea fluido en muchos idiomas, muchos enfoques, todo al mismo tiempo. Su trabajo vendrá de muchas direcciones diferentes, tal vez lejanos ".
Lo encuentra "totalmente desorientador" y "fantástico".
Arkani-Hamed cree que estamos en la época más emocionante de la física desde la aparición de la mecánica cuántica en la década de 1920. Pero nada va a pasar rápidamente. "Si usted está entusiasmado con atacar de manera responsable las muy grandes preguntas existenciales, entonces usted debe ser excitado," dijo. "Pero si quieres un boleto a Estocolmo por seguro que en los próximos 15 años, entonces probablemente no."
