Teoría de supercuerdas en lenguaje popular. Lo que dice la teoría de cuerdas en términos simples

Preguntas clave:

¿Cuáles son los componentes fundamentales del Universo - los "primeros ladrillos de materia"? ¿Existen teorías que puedan explicar todos los fenómenos físicos básicos?

Pregunta: ¿es real?

Hoy y en el futuro previsible, la observación directa a una escala tan pequeña no es posible. La física está en búsqueda, y los experimentos en curso, por ejemplo, para detectar partículas supersimétricas o buscar dimensiones adicionales en aceleradores, pueden indicar que la teoría de cuerdas está en el camino correcto.

Ya sea que la teoría de cuerdas sea o no la teoría de todo, nos brinda un conjunto único de herramientas para escudriñar las estructuras profundas de la realidad.

Teoria de las cuerdas

macro y micro

Al describir el Universo, la física lo divide en dos mitades aparentemente incompatibles: el microcosmos cuántico y el macrocosmos, dentro del cual se describe la gravedad.

La teoría de cuerdas es un intento controvertido de combinar estas mitades en una "Teoría del Todo".

Partículas e interacciones

El mundo está hecho de dos tipos de partículas elementales: fermiones y bosones. Los fermiones son todos materia observable, y los bosones son portadores de las cuatro interacciones fundamentales conocidas: débil, electromagnética, fuerte y gravitatoria. Dentro del marco de una teoría llamada "Modelo estándar", los físicos lograron describir y probar con elegancia tres interacciones fundamentales, todas excepto la más débil: la gravitatoria. Hasta la fecha, el modelo estándar es el modelo más preciso y confirmado experimentalmente de nuestro mundo.

¿Por qué es necesaria la teoría de cuerdas?

El modelo estándar no incluye la gravedad, no puede describir el centro de un agujero negro y el Big Bang y no explica los resultados de algunos experimentos. La teoría de cuerdas es un intento de resolver estos problemas y unificar la materia y las interacciones reemplazando las partículas elementales con pequeñas cuerdas vibrantes.

La teoría de cuerdas se basa en la idea de que todas las partículas elementales pueden representarse como un "primer ladrillo" elemental: una cuerda. Las cuerdas pueden vibrar, y los diferentes modos de tales oscilaciones a una gran distancia nos parecerán partículas elementales diferentes. Un modo de vibración hará que la cuerda parezca un fotón, el otro hará que parezca un electrón.

Incluso hay un mod que describe el portador de la interacción gravitacional: ¡el gravitón! Las versiones de la teoría de cuerdas describen cuerdas de dos tipos: abiertas (1) y cerradas (2). Las cuerdas abiertas tienen dos extremos (3) ubicados en estructuras similares a membranas llamadas D-branas, y su dinámica describe tres de las cuatro interacciones fundamentales, todas excepto la gravitatoria.

Las cuerdas cerradas se parecen a los bucles, no están ligadas a las D-branas: son los modos vibratorios de las cuerdas cerradas los que están representados por un gravitón sin masa. Los extremos de una cuerda abierta pueden conectarse, formando una cuerda cerrada, que, a su vez, puede romperse, convirtiéndose en una cuerda abierta, o juntarse y dividirse en dos cuerdas cerradas (5) - así, en la teoría de cuerdas, la interacción gravitacional se combina con todos los demás

Las cuerdas son los más pequeños de todos los objetos sobre los que opera la física. El rango de tamaño V de los objetos que se muestran en la imagen de arriba se extiende sobre 34 órdenes de magnitud: si un átomo fuera del tamaño del sistema solar, entonces el tamaño de una cuerda podría ser un poco más grande que un núcleo atómico.

Medidas adicionales

Las teorías de cuerdas consistentes solo son posibles en el espacio de dimensiones superiores, donde además de las familiares 4 dimensiones del espacio-tiempo, se requieren 6 dimensiones adicionales. Los teóricos creen que estas dimensiones adicionales se pliegan en formas imperceptiblemente pequeñas: espacios de Calabi-Yau. Uno de los problemas de la teoría de cuerdas es que existe un número casi infinito de variantes de la convolución de Calabi-Yau (compactificación) que pueden describir cualquier mundo, y hasta el momento no hay forma de encontrar la variante de la compactación Qi que permitiría describir que lo que vemos alrededor.

supersimetría

La mayoría de las versiones de la teoría de cuerdas requieren el concepto de supersimetría, que se basa en la idea de que los fermiones (materia) y los bosones (interacciones) son manifestaciones del mismo objeto y pueden convertirse entre sí.

¿Teoría del todo?

La supersimetría se puede incluir en la teoría de cuerdas 5 diferentes caminos, lo que lleva a 5 tipos diferentes de teoría de cuerdas, lo que significa que la teoría de cuerdas en sí misma no puede pretender ser una "teoría de todo". Todos estos cinco tipos están interconectados por transformaciones matemáticas llamadas dualidades, y esto ha llevado al entendimiento de que todos estos tipos son aspectos de algo más general. Esta teoría más general se llama Teoría M.

Se conocen 5 formulaciones diferentes de la teoría de cuerdas, pero tras un examen más detenido, resulta que todas son manifestaciones de una teoría más general.

teoría de supercuerdas

Brevemente sobre la teoría de supercuerdas

¡Esta teoría parece tan descabellada que, muy posiblemente, sea correcta!

Varias versiones Las teorías de cuerdas ahora se ven como los principales contendientes por el título de una teoría universal integral que explica la naturaleza de todas las cosas. Y esto es una especie de Santo Grial de los físicos teóricos involucrados en la teoría de las partículas elementales y la cosmología. Teoría universal (también conocida como teoría del todo) contiene solo unas pocas ecuaciones que combinan la totalidad del conocimiento humano sobre la naturaleza de las interacciones y propiedades de los elementos fundamentales de la materia a partir de la cual se construye el Universo. Hoy en día, la teoría de cuerdas se ha combinado con el concepto supersimetría, resultando en el nacimiento teoría de supercuerdas, y hoy esto es lo máximo que se ha logrado en términos de unificar la teoría de las cuatro interacciones principales (fuerzas que actúan en la naturaleza). La propia teoría de la supersimetría ya se ha construido sobre la base de a priori concepto moderno, según el cual cualquier interacción remota (de campo) se debe al intercambio de partículas-portadores de interacción del tipo correspondiente entre partículas que interactúan (Modelo Estándar). Para mayor claridad, las partículas que interactúan pueden considerarse los "ladrillos" del universo y las partículas portadoras: el cemento.

En el marco del modelo estándar, los quarks actúan como bloques de construcción y los portadores de interacción son bosones de calibre, que estos quarks intercambian entre sí. La teoría de la supersimetría va aún más lejos y establece 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 superenergéticas, portadoras de energía. interacciones que los quarks en hadrones y bosones. Naturalmente, en condiciones de laboratorio, ninguna de las predicciones de la teoría de la supersimetría ha sido verificada aún, sin embargo, los hipotéticos componentes ocultos del mundo material ya tienen nombres, por ejemplo, seelectron(compañero supersimétrico de un electrón), squark etc. La existencia de estas partículas, sin embargo, está inequívocamente predicha por teorías de este tipo.

La imagen del Universo que ofrecen estas teorías, sin embargo, es bastante fácil de visualizar. En escalas del orden de 10 a 35 m, es decir, 20 órdenes de magnitud menor que el diámetro del mismo protón, que incluye tres quarks ligados, la estructura de la materia difiere de lo que estamos acostumbrados incluso a nivel elemental. partículas A distancias tan pequeñas (y con energías de interacción tan altas que es impensable) la materia se convierte en una serie de ondas estacionarias de campo, temas similares que se excitan en las cuerdas instrumentos musicales. Como una cuerda de guitarra, en tal cuerda, además del tono fundamental, muchos matices o Armónicos. Cada armónico tiene su propio estado de energía. De acuerdo a principio de relatividad(Teoría de la Relatividad), la energía y la masa son equivalentes, lo que significa que cuanto mayor sea la frecuencia de la vibración de la onda armónica de una cuerda, mayor será su energía y mayor será 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 las supercuerdas son difíciles de visualizar; el hecho es que las supercuerdas vibran en un espacio que tiene 11 dimensiones. Estamos acostumbrados a un espacio de cuatro dimensiones, que contiene tres dimensiones espaciales y una temporal (izquierda-derecha, arriba-abajo, adelante-atrás, pasado-futuro). En el espacio de las supercuerdas, las cosas son mucho más complicadas (ver recuadro). Los físicos teóricos sortean el resbaladizo problema del "exceso" de dimensiones espaciales argumentando que están "ocultas" (o, lenguaje científico en otras palabras, "compactar") y por lo tanto no se observan en energías ordinarias.

Más recientemente, la teoría de cuerdas se ha desarrollado aún más en la forma teoría de las membranas multidimensionales- de hecho, estas son las mismas cuerdas, pero planas. Como bromeó casualmente 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, no sin razón que reclama hoy el título de la teoría universal de la Gran Unificación de todas las interacciones de fuerza. Por desgracia, esta teoría no está exenta de pecado. En primer lugar, todavía no se ha llevado a una forma matemática rigurosa debido a la insuficiencia del aparato matemático para ponerlo en estricta correspondencia interna. Han pasado 20 años desde que nació esta teoría, y nadie ha sido capaz de armonizar consistentemente 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 las cuerdas (y, especialmente, las supercuerdas) ha propuesto hasta ahora un solo experimento en el que estas teorías puedan probarse en el laboratorio. Por desgracia, me temo que hasta que hagan esto, todo su trabajo seguirá siendo un extraño juego de fantasía y un ejercicio para comprender el conocimiento esotérico fuera de la corriente principal de las ciencias naturales.

Introducción a las supercuerdas

traducción de Sergey Pavlyuchenko

La teoría de cuerdas es una de las teorías más apasionantes y profundas de la física teórica moderna. Desafortunadamente, esto sigue siendo algo bastante difícil de entender, que solo puede entenderse desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos. El conocimiento de las matemáticas, como la teoría de grupos, la geometría diferencial, etc., no perjudicará la comprensión. Así, para la mayoría, sigue siendo una "cosa en sí misma".

Esta introducción pretende ser una breve introducción "legible" a los conceptos básicos de la teoría de cuerdas para aquellos que estén interesados. Desafortunadamente, tendremos que pagar con rigor y exhaustividad por la disponibilidad de la exposición. Esperamos que le brinde respuestas a las preguntas más simples sobre la teoría de cuerdas y que sienta la belleza de esta área de la ciencia.

La teoría de cuerdas es un campo de conocimiento en desarrollo dinámico hasta el día de hoy; cada día trae algo nuevo sobre ella. Hasta el momento, no sabemos exactamente si la teoría de cuerdas describe nuestro Universo y en qué medida. Pero ella bien puede describirlo, como se puede ver en esta revisión.

La versión original está en http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

¿Por qué exactamente la teoría de cuerdas?

Aunque el Modelo Estándar describe la mayoría de los fenómenos que podemos observar utilizando los aceleradores modernos, todavía quedan muchas preguntas sin respuesta sobre la Naturaleza. El objetivo de la física teórica moderna es precisamente unificar las descripciones del universo. Históricamente, este camino es bastante exitoso. Por ejemplo, la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein combinó la electricidad y el magnetismo en una fuerza electromagnética. El trabajo ganador del Premio Nobel de 1979 de Glashow, Weinberg y Salam muestra que las fuerzas electromagnética y débil pueden combinarse en la electrodébil. Además, hay muchas razones para creer que todas las fuerzas dentro del Modelo Estándar finalmente se unen. Si comenzamos a comparar las interacciones fuerte y electrodébil, entonces tendremos que ir a regiones de energías cada vez más altas hasta que se igualen en fuerza en la región de GeV. La gravedad se unirá a energías del orden de .

El objetivo de la teoría de cuerdas es precisamente explicar el signo " ? " en el diagrama de arriba.

La escala de energía característica de la gravedad cuántica se denomina masa de Planck y se expresa en términos de la constante de Planck, la velocidad de la luz y la constante gravitacional de la siguiente manera:

Se puede suponer que, en su forma final, la teoría de cuerdas proporcionará respuestas a las siguientes preguntas:

• ¿Cuál es el origen de las 4 fuerzas de la Naturaleza que conocemos?
• ¿Por qué las masas y las cargas de las partículas son exactamente como son?
• ¿Por qué vivimos en un espacio con 4 dimensiones espaciales?
• ¿Cuál es la naturaleza del espacio-tiempo y la gravedad?

  Fundamentos de la teoría de cuerdas

  Estamos acostumbrados a pensar en las partículas elementales (como un electrón) como objetos puntuales de dimensión 0. Algo más general es la noción cuerdas fundamentales como objetos unidimensionales. Son infinitamente delgados y su longitud es del orden de . Pero esto es simplemente insignificante en comparación con las longitudes que solemos tratar, por lo que podemos suponer que son prácticamente puntuales. Pero como veremos, su naturaleza de cuerda es bastante importante.

  Las cadenas son abierto y cerrado. A medida que se mueven a través del espacio-tiempo, cubren una superficie llamada hoja del mundo.

  

  Estas cuerdas tienen ciertos modos vibratorios que determinan los números cuánticos inherentes a la partícula, como la masa, el espín, etc. La idea básica es que cada modo lleva un conjunto de números cuánticos correspondientes a un determinado tipo de partícula. Esta es la unificación final: todas las partículas se pueden describir a través de un objeto: ¡una cuerda!

  Como ejemplo, considere una cadena cerrada que se ve así:

  Tal cuerda corresponde a la sin masa gravitón con giro 2 - a una partícula que lleva interacción gravitatoria. Por cierto, esta es una de las características de la teoría de cuerdas de la IA: naturalmente e inevitablemente incluye la gravedad como una de las interacciones fundamentales.

  Las cadenas interactúan dividiéndose y fusionándose. Por ejemplo, la aniquilación de dos cadenas cerradas en una cadena cerrada se ve así:

  
  

  Tenga en cuenta que la superficie de la hoja mundial es una superficie lisa. De aquí se sigue otra "buena" propiedad de la teoría de cuerdas: no contiene una serie de divergencias inherentes a la teoría cuántica de campos con partículas puntuales. Diagrama de Feynman para el mismo proceso

  

  contiene una singularidad topológica en el punto de interacción.

  Si "pegamos" dos interacciones de cadenas más simples, obtenemos un proceso en el que dos cadenas cerradas interactúan a través de la unión en una cadena cerrada intermedia, que luego se divide nuevamente en dos:
  

  Esta contribución principal al proceso de interacción se llama aproximación de árbol. Para calcular las amplitudes mecánicas cuánticas de los procesos utilizando teoría de la perturbación, agregue contribuciones de procesos cuánticos de órdenes superiores. La teoría de la perturbación da buenos resultados a medida que las contribuciones se hacen cada vez más pequeñas a medida que usamos órdenes cada vez más altos. Incluso si calcula solo los primeros diagramas, puede obtener resultados bastante precisos. En la teoría de cuerdas, los órdenes más altos corresponden a más agujeros (o "asas") en las hojas del mundo.
  
  

  Lo bueno de este enfoque es que cada orden de la teoría de perturbaciones corresponde a un solo diagrama (por ejemplo, en la teoría de campos con partículas puntuales, el número de diagramas crece exponencialmente en órdenes superiores). La mala noticia es que los cálculos exactos de diagramas con más de dos agujeros son muy difíciles debido a la complejidad del aparato matemático que se utiliza cuando se trabaja con este tipo de superficies. La teoría de la perturbación es muy útil para estudiar procesos con acoplamiento débil, y la mayoría de los descubrimientos en el campo de la física de partículas elementales y la teoría de cuerdas están relacionados con ella. Sin embargo, todo esto aún está lejos de terminar. Las respuestas a las preguntas más profundas de la teoría solo se pueden obtener después de que se haya completado una descripción precisa de esta teoría.

  D-branas

  Las cadenas pueden tener condiciones de contorno completamente arbitrarias. Por ejemplo, una cadena cerrada tiene condiciones de contorno periódicas (la cadena "se mete en sí misma"). Las cadenas abiertas pueden tener dos tipos de condiciones de contorno: las condiciones Neumann Y condiciones Dirichlet. En el primer caso, el extremo de la cuerda es libre de moverse, sin embargo, sin quitar impulso. En el segundo caso, el extremo de la cuerda puede moverse a lo largo de una variedad. Esta variedad se llama D-brana o Dp-brana(cuando se usa la segunda notación, "p" es un número entero que caracteriza el número de dimensiones espaciales de la variedad). Un ejemplo son dos cuerdas con uno o ambos extremos unidos a una D-brane o D2-brane bidimensional:

  

  Las D-branas pueden tener un número de dimensiones espaciales desde -1 hasta el número de dimensiones espaciales de nuestro espacio-tiempo. Por ejemplo, en la teoría de las supercuerdas hay 10 dimensiones: 9 espaciales y una temporal. Así, en supercuerdas, lo máximo que puede existir es una D9-brana. Tenga en cuenta que en este caso los extremos de las cuerdas están fijos en una variedad que cubre todo el espacio, por lo que pueden moverse por todas partes, ¡así que se impone la condición de Neumann! En el caso de p=-1, todas las coordenadas espaciales y temporales son fijas, y tal configuración se llama instantáneo o D-instantón. Si p = 0, entonces todas las coordenadas espaciales son fijas y el final de la cuerda solo puede existir en un solo punto en el espacio, por lo que las branas D0 a menudo se denominan partículas D. De manera similar, las branas D1 se denominan cuerdas D. Por cierto, la palabra "brana" en sí misma proviene de la palabra "membrana", que se llama branas bidimensionales o 2-branas.

  En realidad, las D-branas son dinámicas, pueden fluctuar y moverse. Por ejemplo, interactúan gravitacionalmente. En el siguiente diagrama, puedes ver cómo una cuerda cerrada (en nuestro caso, un gravitón) interactúa con una brana D2. De particular interés es el hecho de que, tras la interacción, una cuerda cerrada se abre con ambos extremos en la D-brana.
  
  
  Entonces, ¡la teoría de cuerdas es más que solo teoría de cuerdas!

  Medidas adicionales

  Las supercuerdas existen en un espacio-tiempo de 10 dimensiones, mientras que nosotros vivimos en 4 dimensiones. Y si las supercuerdas describen nuestro Universo, necesitamos conectar de alguna manera estos dos espacios. Para hacer esto, reducimos 6 dimensiones a muy talla pequeña. Si, en este caso, el tamaño de la dimensión compacta resulta ser del orden del tamaño de las cadenas (), entonces, debido a la pequeñez de esta dimensión, simplemente no podemos verla directamente de ninguna manera. En última instancia, obtendremos nuestro espacio de (3 + 1) dimensiones, en el que cada punto de nuestro Universo de 4 dimensiones corresponde a un pequeño espacio de 6 dimensiones. Esto se muestra muy esquemáticamente en la siguiente imagen:

  

  En realidad, esta es una idea bastante antigua que se remonta al trabajo de Kaluza y Klein en la década de 1920. El mecanismo descrito anteriormente se denomina Teoría de Kaluza-Klein o compactación. El trabajo de Kaluza en sí mismo muestra que si tomamos la relatividad en un espacio-tiempo de 5 dimensiones, luego envolvemos una dimensión en un círculo, ¡obtenemos un espacio-tiempo de 4 dimensiones con relatividad más electromagnetismo! Y esto sucede debido al hecho de que el electromagnetismo es Teoría de calibre U (1). U(1) es el grupo de rotaciones alrededor de un punto en el plano. El mecanismo de Kaluza-Klein da una interpretación geométrica simple de este círculo: esta es la misma quinta dimensión plegada. Aunque las medidas plegadas son pequeñas para la detección directa, pueden tener un significado físico profundo. [Se filtró completamente accidentalmente a la prensa, el trabajo de Kaluza y Klein causó mucho debate sobre la quinta dimensión.]

  ¿Cómo podemos saber si realmente existen dimensiones extra, y cómo podemos "sentirlas", teniendo aceleradores con energías suficientemente altas? Se sabe por la mecánica cuántica que si el espacio es periódico, entonces el momento está cuantizado: mientras que si el espacio es ilimitado, entonces el rango de valores del momento es continuo. Si disminuimos el radio de compactación (el tamaño de las dimensiones adicionales), aumentará el rango de valores de impulso permitidos. Así es como se obtiene la torre de los estados de impulso: la torre de Kaluza Klein.

  

  Y si el radio del círculo se toma muy grande ("descompactamos" la medida), entonces el rango de posibles valores de momento será bastante estrecho, pero será "casi continuo". Tal espectro será similar al espectro de masas del mundo sin compactaciones. Por ejemplo, los estados que no tienen masa en un número mayor de dimensiones en un número menor de dimensiones se verán exactamente como la torre de estados descrita anteriormente. Entonces se debe observar un "conjunto" de partículas con masas equidistantes entre sí. Es cierto que para "ver" las partículas más masivas se necesitan aceleradores mucho mejores que los que tenemos actualmente.

  Las cuerdas tienen otra propiedad notable: pueden "enrollarse" alrededor de una dimensión compactada, lo que conduce a la apariencia modificaciones giratorias en el espectro de masas. Una cadena cerrada puede envolver una dimensión compactada un número entero de veces. De manera similar al caso Kaluza-Klein, contribuyen al impulso como . La diferencia esencial radica precisamente en otra conexión con el radio de compactación. En este caso, para pequeñas dimensiones extra, ¡los modos de inversión se vuelven muy fáciles!
  
  

  Ahora tenemos que pasar a nuestro espacio de 4 dimensiones. Para esto necesitamos una teoría de supercuerdas de 10 dimensiones en una variedad compacta de 6 dimensiones. Naturalmente, en este caso, la imagen descrita anteriormente se vuelve más compleja. La forma más fácil es asumir que todas estas 6 dimensiones son 6 círculos, por lo que son un toro de 6 dimensiones. Además, tal esquema hace posible preservar la supersimetría. Se cree que también existe algo de supersimetría en nuestro espacio de 4 dimensiones a escalas de energía del orden de 1 TeV (es en estas energías que la supersimetría se ha buscado recientemente en los aceleradores modernos). Para preservar la supersimetría mínima, N = 1 en 4 dimensiones, se debe compactar en una variedad especial de 6 llamada Colector de Calabi-Yau.

  Las propiedades de las variedades de Calabi-Yo pueden tener aplicaciones importantes en la física de baja energía: para las partículas que observamos, sus masas y números cuánticos, y para el número de generaciones de partículas. El problema aquí es que, en general, hay una gran variedad de variedades de Calabi-Yo, y no sabemos cuál usar. En este sentido, teniendo de hecho una teoría de cuerdas de 10 dimensiones, obtenemos que una teoría de 4 dimensiones no se convierte de ninguna manera en la única posible, al menos en nuestro (todavía incompleto) nivel de comprensión. La "gente de cuerdas" (científicos que trabajan en el campo de las teorías de cuerdas) esperan que con una teoría de cuerdas no perturbativa completa (una teoría que NO se basa en las perturbaciones descritas un poco más arriba), podamos explicar cómo el universo pasó de la física de 10 dimensiones , que puede haber tenido lugar durante el período de alta energía inmediatamente después del Big Bang, a la física de 4 dimensiones, de la que nos ocupamos ahora. [En otras palabras, encontraremos una única variedad de Calabi-Yo.] Andrew Strominger demostró que las variedades de Calabi-Yo pueden relacionarse continuamente entre sí mediante transiciones conifold y así es posible moverse entre diferentes variedades de Calabi-Yo cambiando los parámetros de la teoría. Pero esto sugiere la posibilidad de que diferentes teorías 4D que surjan de diferentes variedades de Calabi-Yo sean diferentes fases de la misma teoría de IA.

  Dualidad

  Las cinco teorías de supercuerdas descritas anteriormente resultan ser muy diferentes desde el punto de vista de la teoría perturbativa débilmente acoplada (la teoría de la perturbación desarrollada anteriormente). Pero, de hecho, como resultó en los últimos años, todos están conectados por varias dualidades de cuerdas. Llamemos a la teoría doble si describen la misma fisica.

  El primer tipo de dualidad que discutiremos aquí es T-dualidad. Este tipo de dualidad conecta una teoría compactada sobre un círculo de radio, con una teoría compactada sobre un círculo de radio. Por lo tanto, si en una teoría el espacio se pliega en un círculo de pequeño radio, en otra se pliega en un círculo de gran radio, ¡pero ambos describirán la misma física! Las teorías de supercuerdas de tipo IIA y tipo IIB están conectadas a través de la dualidad T, las teorías heteróticas SO(32) y E8 x E8 también están conectadas a través de ella.

  Otra dualidad que consideraremos - S-dualidad. En pocas palabras, esta dualidad relaciona el límite de acoplamiento fuerte de una teoría con el límite de acoplamiento débil de otra teoría. (Tenga en cuenta que las descripciones débilmente acopladas de las dos teorías pueden ser muy diferentes). Por ejemplo, la teoría de cuerdas heterótica SO(32) y la teoría de tipo I son S-dual en 10 dimensiones. Esto significa que en el límite de acoplamiento fuerte SO(32), la teoría Heterótica se transforma en la teoría Tipo I en el límite de acoplamiento débil y viceversa. Se puede encontrar evidencia de una dualidad entre los límites fuerte y débil comparando los espectros de los estados de luz en cada uno de los patrones y encontrando que concuerdan entre sí. Por ejemplo, la teoría de cuerdas de Tipo I tiene una cuerda D que es pesada cuando está débilmente unida y ligera cuando es fuerte. Esta cuerda D lleva los mismos campos de luz que la hoja de mundo de la cuerda heterótica SO(32), por lo que cuando la teoría de Tipo I está muy fuertemente acoplada, la cuerda D se vuelve muy ligera, y simplemente veremos que la descripción se vuelve tan buena como a través de una cuerda heterótica débilmente acoplada. Otra dualidad S en 10 dimensiones es la auto-dualidad de las cadenas IIB: el límite de cadena IIB fuertemente acoplado es simplemente otra teoría IIB, pero débilmente acoplada. La teoría IIB también tiene una cuerda en Re (aunque más supersimétrica que las cuerdas en Re de Tipo I, por lo que la física es diferente aquí) que se vuelve ligera cuando está fuertemente acoplada, pero esta cuerda en Re también es la otra cuerda fundamental de la teoría. y Tipo IIB.

  

  Las dualidades entre las diversas teorías de cuerdas son evidencia de que todas son simplemente diferentes límites de la misma teoría. Cada uno de los límites tiene su aplicabilidad, y se superponen diferentes límites de diferentes descripciones. Que es esto teoría M se muestra en la imagen? ¡Sigue leyendo!

  teoría M

  A bajas energías, la teoría M se describe mediante una teoría llamada supergravedad de 11 dimensiones. Esta teoría tiene una membrana y cinco branas como solitones, pero no cuerdas. ¿Cómo podemos obtener las cuerdas que ya amamos aquí? Es posible compactar una teoría M de 11 dimensiones en un círculo de radio pequeño para obtener una teoría de 10 dimensiones. Entonces, si nuestra membrana tuviera la topología de un toro, al doblar uno de estos círculos, ¡obtendremos una cuerda cerrada! En el límite donde el radio es muy pequeño, obtenemos una supercuerda Tipo IIA.

  

  Pero, ¿cómo sabemos que la teoría M en un círculo producirá una supercuerda de tipo IIA y no IIB o supercuerdas heteróticas? La respuesta a esta pregunta se puede obtener tras un minucioso análisis de los campos sin masa que obtenemos como resultado de la compactación de la supergravedad de 11 dimensiones sobre un círculo. Otra prueba simple podría ser encontrar que la D-brana de la teoría M es exclusiva de la teoría IIA. Recuerde que la teoría IIA contiene las branas D0, D2, D4, D6, D8 y una cinco branas NS. La siguiente tabla resume todo lo anterior:
  

  Aquí se omiten las branas D6 y D8. La brana D6 se puede interpretar como un "monopolo de Kaluza-Klein", que es una solución especial a la supergravedad de 11 dimensiones cuando se compacta en un círculo. La brana D8 no tiene una interpretación clara en términos de la teoría M, y esta sigue siendo una pregunta abierta.

  Otra forma de obtener una teoría consistente de 10 dimensiones de u es la compactación de la teoría M de u en un pequeño segmento. Esto significa que asumimos que una de las dimensiones (la 11) tiene una longitud finita. En este caso, los extremos del segmento definen los límites de 9 dimensiones espaciales. En estos límites es posible construir una membrana abierta. Dado que la intersección de la membrana con el límite es una cuerda, se puede ver que el "volumen mundial" de (9 + 1) dimensiones (volumen mundial) puede contener cuerdas que "sobresalen" de la membrana. Después de todo esto, para evitar anomalías, es necesario que cada uno de los límites lleve un grupo de ancho E8. Por lo tanto, si hacemos que el espacio entre los límites sea muy pequeño, obtenemos una teoría de 10 dimensiones con cuerdas y un grupo calibre E8 x E8. ¡Y esta es la cadena heterótica E8 x E8!

  

  Por lo tanto, considerando diferentes condiciones y diferentes dualidades entre las teorías de cuerdas, llegaremos a la conclusión de que en la base de todo esto se encuentra una teoría: teoría M. Al mismo tiempo, cinco teorías de supercuerdas y la supergravedad de 11 dimensiones son sus límites clásicos. Inicialmente, intentamos obtener las teorías cuánticas correspondientes "expandiendo" los límites clásicos utilizando la teoría perturbativa (teoría de la perturbación). Sin embargo, la teoría perturbativa tiene sus límites de aplicabilidad, por lo que al estudiar los aspectos no perturbativos de estas teorías, usando dualidades, supersimetría, etc. llegamos a la conclusión de que todos están unidos por una sola teoría cuántica. Esta unicidad es muy atractiva, por lo que el trabajo en la construcción de una teoría M cuántica completa está en pleno desarrollo.
  
  

  Agujeros negros

  La descripción clásica de la gravedad, la Teoría General de la Relatividad (GR), contiene soluciones llamadas "agujeros negros" (BH). Hay bastantes tipos de agujeros negros, pero todos muestran propiedades generales similares. El horizonte de eventos es una superficie en el espacio-tiempo que, en términos simples, separa la región dentro de un agujero negro de la región fuera de él. La atracción gravitatoria de los agujeros negros es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, que ha penetrado por debajo del horizonte, puede escapar. Por lo tanto, los agujeros negros clásicos solo pueden describirse utilizando parámetros como la masa, la carga y el momento angular.

  (explicación del diagrama de Penrose a)

  Los agujeros negros son buenos laboratorios para estudiar teorías de cuerdas, ya que los efectos de la gravedad cuántica son importantes incluso para agujeros negros bastante grandes. ¡Los agujeros negros no son realmente "negros" porque irradian! Utilizando argumentos semiclásicos, Stephen Hawking demostró que los agujeros negros irradian radiación térmica desde su horizonte. Dado que la teoría de cuerdas es, entre otras cosas, también una teoría de la gravedad cuántica, es capaz de describir de forma consistente los agujeros negros. Y luego están los agujeros negros que satisfacen la ecuación de movimiento de las cuerdas. Estas ecuaciones son similares a las de GR, pero tienen algunos campos adicionales que vienen de las cadenas. En las teorías de supercuerdas, existen soluciones especiales del tipo BH, que también son supersimétricas en sí mismas.

  Uno de los resultados más espectaculares de la teoría de cuerdas fue la obtención de una fórmula para entropía de bekenstein-hawking Un agujero negro derivado de considerar los estados de cuerda microscópicos que forman un agujero negro. Bekenstein señaló que los agujeros negros obedecen a la "ley del área", dM = K dA, donde "A" es el área del horizonte y "K" es una constante de proporcionalidad. Dado que la masa total de un agujero negro es su energía en reposo, la situación es muy similar a la termodinámica: dE = T dS, que demostró Bekenstein. Hawking mostró más tarde en una aproximación semiclásica que la temperatura de un agujero negro es T = 4k, donde "k" es una constante llamada "gravedad superficial". Por lo tanto, la entropía del agujero negro se puede reescribir como . Además, Strominger y Vafa demostraron recientemente que esta fórmula para la entropía se puede obtener microscópicamente (hasta un factor de 1/4) utilizando la degeneración de los estados cuánticos de cuerdas y D-branas correspondientes a ciertas BH supersimétricas en la teoría de cuerdas ii. Por cierto, las D-branas dan una descripción a distancias pequeñas como en el caso de una conexión débil. Por ejemplo, los BH considerados por Strominger y Vafa se describen mediante 5-branas, 1-branas y cuerdas abiertas que "viven" en una 1-brana, todas plegadas en un toro de 5 dimensiones, dando efectivamente un objeto de 1 dimensión. el agujero negro.

  

  En este caso, la radiación de Hawking se puede describir en el marco de la misma estructura, pero si las cuerdas abiertas pueden "viajar" en ambas direcciones. Las cuerdas abiertas interactúan entre sí y la radiación se emite en forma de cuerdas cerradas.

  

  Cálculos precisos muestran que para los mismos tipos de agujeros negros, la teoría de cuerdas da las mismas predicciones que la supergravedad semiclásica, incluida una corrección no trivial dependiente de la frecuencia llamada "parámetro de gris" ( factor de cuerpo gris).

  ¿Gravedad cuántica descubierta en la Tierra?
  

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  Explicación:¿Existen porciones separadas de la gravedad? La teoría conocida como mecánica cuántica describe las leyes que gobiernan el universo a pequeñas distancias, mientras que la teoría general de la relatividad de Einstein explica la naturaleza de la gravedad y el universo a grandes escalas. Hasta ahora, no se ha creado ninguna teoría que pueda combinarlos. La investigación realizada recientemente en Francia puede haber demostrado que la gravedad es un campo cuántico. Se afirma que campo gravitacional de la tierra mostró su naturaleza cuántica. En un experimento realizado por Valery Nezvizhevsky y sus colegas en , se demostró que los neutrones superfríos que se mueven en un campo gravitacional se detectan solo a alturas discretas. Los científicos de todo el mundo están esperando la confirmación independiente de estos resultados. La figura muestra, en colores falsos, la superficie que se puede formar durante la evolución de una cuerda unidimensional. Al describir las partículas elementales como pequeñas cuerdas, muchos físicos están trabajando para lograr una verdadera teoría cuántica de la gravedad.

  (Nota del editor: Los experimentos de físicos franceses y rusos descritos en esta nota, publicada en naturaleza, 415 , 297 (2002) no tiene nada que ver con gravedad cuántica. su explicacion(ambos proporcionados por los autores de los experimentos, así como publicados en New Scientist y Physicsweb.org) completamente diferente.

  Los experimentadores buscan nuevas fuerzas predichas por las teorías de supercuerdas

  Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder lograron realizar el experimento más sensible hasta la fecha, evaluando la interacción gravitatoria entre masas separadas por solo el doble del grosor de un cabello humano, pero no observaron ninguna de las nuevas fuerzas predichas.

  Los resultados obtenidos permiten excluir algunas versiones de la teoría de supercuerdas, en las que el parámetro correspondiente de la acción de nuevas fuerzas a partir de medidas "plegadas" está en el rango de 0,1 a 0,01 mm.

  En la teoría de cuerdas o supercuerdas, la teoría de cuerdas, considerada el enfoque más prometedor para la tan esperada gran unificación: una descripción única de todas las fuerzas y la materia conocidas, se supone que todo en el universo está formado por pequeños bucles de cuerdas vibrantes. De acuerdo a diferentes opciones En la teoría de supercuerdas, debe haber al menos seis o siete dimensiones espaciales adicionales además de las tres disponibles para nosotros, y los teóricos creen que estas dimensiones adicionales se pliegan en pequeños espacios. Esta "compactación" da lugar a los llamados campos de módulos, que describen el tamaño y la forma de las dimensiones plegadas en cada punto del espacio-tiempo.

  Las regiones de módulos tienen efectos comparables en fuerza a la gravedad ordinaria y, según predicciones recientes, ya pueden detectarse a distancias del orden de 0,1 mm. El límite de sensibilidad alcanzado en experimentos anteriores permitió probar la fuerza de atracción entre dos masas separadas por solo 0,2 mm, por lo que la pregunta quedó abierta. Sin embargo, permanece abierto hasta el día de hoy.

  "Si estas fuerzas realmente existen, ahora sabemos que deberían manifestarse a distancias más pequeñas que las que probamos", explica el jefe del laboratorio, el profesor John Price de la Universidad de Colorado (John Price). "Sin embargo, estos resultados en en sí mismos no refutan la teoría ii. Solo hay que tener en cuenta que habrá que buscar el efecto a distancias más cortas y usar ajustes con mayor sensibilidad.” Además, los investigadores afirman que tales experimentos en sí mismos no pretenden confirmar o refutar la teoría de las supercuerdas. "Las ideas que estamos probando son solo algunos de los posibles escenarios inspirados en cuerdas, no predicciones precisas de la teoría en sí”, dijo John Price a Space.com. "Todavía no hay forma de que la teoría de cuerdas haga predicciones precisas de este tipo". y yo diría que nadie sabe si la teoría de cuerdas alguna vez será capaz de hacer eso". Sin embargo, los experimentos a distancias más cortas aún pueden "agregar más parches al edredón de la física", y por lo tanto es muy importante continuar con este tipo de investigación, porque "algo nuevo y 'muy fundamental' puede descubrirse".

  La configuración experimental de los investigadores de la Universidad de Colorado, llamada resonador de alta frecuencia (high-frequency resonator), constaba de dos placas delgadas de tungsteno (20 mm de largo y 0,3 mm de espesor). Una de estas placas se hizo oscilar a una frecuencia de 1000 Hz. Los movimientos de la segunda placa, provocados por el impacto de la primera, fueron medidos por electrónica muy sensible. Estamos hablando de fuerzas medidas en femtonewtons (10-15 N), o alrededor de una millonésima parte del peso de un grano de arena. La fuerza de gravedad que actúa a distancias tan pequeñas resultó ser bastante tradicional, descrita por la conocida ley de Newton.

  El profesor Price propone continuar con los experimentos para tratar de medir fuerzas a distancias aún más cortas. Para ir un paso más allá, los experimentadores de Colorado están quitando el escudo de zafiro chapado en oro entre las tiras de tungsteno que bloqueaban las fuerzas electromagnéticas y reemplazándolo con una lámina más delgada de cobre y berilio, lo que permite que las masas se acerquen. También planean enfriar la configuración experimental para reducir la interferencia de las fluctuaciones térmicas.

  Independientemente del destino de la teoría de supercuerdas, las ideas de dimensiones extra, introducidas hace casi cien años (en ese momento muchos físicos se rieron de ellas), se están volviendo extremadamente populares debido a la crisis de los modelos físicos estándar que son incapaces de explicar nuevas observaciones. . Entre los hechos más atroces está la expansión acelerada del Universo, que tiene muchas confirmaciones. Una nueva fuerza misteriosa, hasta ahora llamada energía oscura, está separando nuestro cosmos, actuando como una especie de antigravedad. nadie sabe que fenómeno físico subyace a esto. Lo que los cosmólogos saben es que mientras la gravedad mantiene unidas a las galaxias a nivel "local", fuerzas misteriosas las separan. acerca de escala más grande.

  La energía oscura puede explicarse por las interacciones entre las dimensiones, las que vemos y las que aún están ocultas para nosotros, creen algunos teóricos. En la reunión anual de la AAAS (Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia) celebrada en Denver a principios de este mes, los cosmólogos y físicos más respetados expresaron un cauto optimismo al respecto.

  "Hay una vaga esperanza de que el nuevo enfoque resuelva todo el conjunto de problemas a la vez", dice el físico Sean Carroll, profesor asistente en la Universidad de Chicago.

  Todos estos problemas se agrupan inevitablemente en torno a la gravedad, cuya fuerza fue calculada por Newton hace más de tres siglos. La gravedad fue la primera de las fuerzas fundamentales que se describió matemáticamente, pero sigue siendo la menos comprendida. La mecánica cuántica, desarrollada en los años 20 del siglo pasado, describe bien el comportamiento de los objetos a nivel atómico, pero no es muy amiga de la gravedad. El caso es que aunque la gravedad actúa a grandes distancias, sigue siendo muy débil en comparación con las otras tres fuerzas fundamentales (interacciones electromagnética, fuerte y débil que dominan el microcosmos). Se espera que la comprensión de la gravedad a nivel cuántico vincule la mecánica cuántica con una descripción completa de otras fuerzas.

  En particular, los científicos no pudieron determinar durante mucho tiempo si la ley de Newton (la proporcionalidad inversa de la fuerza al cuadrado de la distancia) es válida a distancias muy pequeñas, en el llamado mundo cuántico. Newton desarrolló su teoría para las distancias astronómicas, como las interacciones del Sol con los planetas, pero ahora resulta que también es válida en el microcosmos.

  "Lo que está sucediendo ahora mismo en física de partículas, física gravitacional y cosmología recuerda mucho a la época en que la mecánica cuántica comenzó a unificarse", dice Maria Spiropulu, investigadora de la Universidad de Chicago, organizadora del taller AAAS sobre física extradimensional (física de dimensiones extra).

  Por primera vez fue posible medir la velocidad de la gravedad

  

  El físico ruso Sergei Kopeikin, quien trabaja en la Universidad de Missouri en Columbia, y el estadounidense Edward Fomalont del Observatorio Nacional de Radioastronomía en Charlottesville, Virginia, dijeron que por primera vez pudieron medir la velocidad de la gravedad con una precisión aceptable. Su experimento confirma la opinión de la mayoría de los físicos: la velocidad de la gravedad es igual a la velocidad de la luz. Esta idea subyace en las teorías modernas, incluida la Teoría General de la Relatividad de Einstein, pero hasta ahora nadie ha podido medir esta cantidad directamente en un experimento. El estudio fue publicado el martes en la reunión 201 de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Seattle. Los resultados se enviaron previamente para su publicación en una revista científica, pero fueron criticados por algunos expertos. El propio Kopeikin considera infundadas las críticas.

  La teoría de la gravedad de Newton asume que la fuerza de la gravedad se transmite instantáneamente, pero Einstein sugirió que la gravedad viaja a la velocidad de la luz. Este postulado se convirtió en uno de los fundamentos de su Teoría de la Relatividad en 1915.

  La igualdad de la velocidad de la gravedad y la velocidad de la luz significa que si el Sol desapareciera repentinamente del centro sistema solar, la Tierra permanecería en su órbita durante unos 8,3 minutos más, el tiempo que tarda la luz en viajar desde el Sol hasta la Tierra. Después de esos pocos minutos, la Tierra, sintiéndose libre de la gravedad del Sol, abandonaría su órbita y volaría hacia el espacio en línea recta.

  ¿Cómo se puede medir la "velocidad de la gravedad"? Una forma de resolver este problema es tratar de detectar ondas gravitacionales, pequeñas "ondas" en el continuo espacio-tiempo, que divergen de cualquier masa acelerada. En muchos ya se han construido diversas instalaciones para la captación de ondas gravitacionales, pero ninguno de ellos hasta ahora ha podido registrar tal efecto debido a su excepcional debilidad.

  Kopeikin fue por el otro lado. Reescribió las ecuaciones de la Relatividad General de tal manera que expresara el campo gravitatorio de un cuerpo en movimiento en términos de su masa, velocidad y velocidad de la gravedad. Se decidió utilizar a Júpiter como un cuerpo masivo. Un caso bastante raro se presentó en septiembre de 2002, cuando Júpiter pasó frente a un quásar (este tipo de eventos ocurren aproximadamente una vez cada 10 años), que emite intensas ondas de radio. Kopeikin y Fomalont combinaron observaciones de una docena de radiotelescopios en diferentes partes del mundo, desde Hawái hasta Alemania (usando los radiotelescopios de 25 metros del Observatorio Nacional de Radioastronomía y el instrumento alemán de 100 metros en Effelsberg) para medir la más pequeña cambio aparente en la posición de un cuásar causado por la curvatura de las ondas de radio de esta fuente en el campo gravitacional de Júpiter. Al investigar la naturaleza del impacto del campo gravitatorio de Júpiter sobre las ondas de radio que pasan, conociendo su masa y velocidad, es posible calcular la velocidad de la gravedad.

  El trabajo conjunto de los radiotelescopios terrestres ha permitido alcanzar una precisión 100 veces mayor que la que se puede lograr con el Telescopio Espacial Hubble. Los desplazamientos medidos en el experimento fueron muy pequeños: los cambios en la posición del cuásar (se midió la distancia angular entre él y el cuásar de referencia) estaban dentro de las 50 millonésimas de segundo de arco. El equivalente de tales medidas podría ser el tamaño de un dólar de plata en la Luna o el grosor de un cabello humano desde una distancia de 250 millas, dicen los astrónomos (las fuentes occidentales, aparentemente, no pensaron en prestar atención al significado del ruso). apellido de uno de los autores de los estudios, de lo contrario no estarían comparando tamaños con un dólar, sino con nuestra unidad monetaria...).

  El resultado obtenido: la gravedad se transmite a partir de 0,95 de la velocidad de la luz, el posible error del experimento es de más o menos 0,25. "Ahora sabemos que la velocidad de la gravedad es probablemente igual a la velocidad de la luz. Y podemos descartar con seguridad cualquier resultado que sea el doble de ese valor", dijo Fomalont.

  Steven Carlip, profesor de física en la Universidad de California, dice que el experimento es una "buena demostración" del principio de Einstein. Él dice que el experimento fue precedido por mediciones de la desviación de la luz por el sol, pero fueron mucho menos precisas. Además, las nuevas mediciones de la velocidad gravitatoria en un futuro muy próximo tendrán que aclarar también este valor. Muchos interferómetros de ondas gravitacionales se han puesto en funcionamiento en los últimos meses, uno de ellos debería finalmente detectar ondas gravitacionales directamente y así medir su velocidad, una importante constante fundamental de nuestro Universo.

  Sin embargo, cabe señalar que el experimento en sí no es una confirmación inequívoca de la teoría de la gravedad de Einstein. Con el mismo éxito, puede considerarse una confirmación de las teorías alternativas existentes. Por ejemplo, la teoría relativista de la gravedad del académico Logunov (RTG), que se dio a conocer al público en general hace unos diez años, no difiere de la relatividad general a este respecto. También hay ondas gravitacionales en RTG, aunque, como se sabe, no hay agujeros negros. Y otra "refutación" de la teoría de la gravedad de Newton no tiene ningún valor particular. No obstante, el resultado es importante en términos de "cerrar" algunas variantes de las teorías modernas y sustentar otras -se asocia con teorías cosmológicas de universos múltiples y la llamada teoría de cuerdas o supercuerdas-, pero es demasiado pronto para sacar conclusiones definitivas. dicen los investigadores. En la llamada teoría M unificada más nueva, que es el desarrollo de la teoría de supercuerdas, además de las "cuerdas" ("cuerdas" - cuerdas), han aparecido nuevos objetos multidimensionales - branas (brana). Las teorías de supercuerdas incluyen inherentemente la gravedad porque sus cálculos invariablemente predicen la existencia del gravitón, una partícula hipotética ingrávida con espín 2. Se supone que hay dimensiones espaciales adicionales, solo "enrolladas". Y la gravedad podría actuar como un "atajo" a través de estas dimensiones adicionales, aparentemente viajando más rápido que la velocidad de la luz, pero sin violar las ecuaciones de la relatividad general.

  Dos físicos relativistas presentan sus puntos de vista sobre el universo,
  su evolución y el papel de la teoría cuántica

  EN Científico americano estas conferencias se publicaron con abreviaturas, los lugares correspondientes en el texto están marcados con puntos

  Introducción

  En 1994, Stephen Hawking y Roger Penrose dieron una serie de conferencias públicas sobre relatividad general en el Instituto Isaac Newton de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Cambridge. Nuestra revista les presenta extractos de estas conferencias publicadas este año por Universidad de Princeton Prensa titulada "La naturaleza del espacio y el tiempo", que permitirá comparar las opiniones de estos dos científicos. Aunque ambos pertenecen a la misma escuela de física (Penrose ayudó en la tesis doctoral de Hawking en Cambridge), sus puntos de vista sobre el papel de la mecánica cuántica en la evolución del universo son muy diferentes entre sí. En particular, Hawking y Penrose tienen ideas diferentes sobre lo que sucede con la información almacenada en un agujero negro y por qué el comienzo del universo es diferente de su final.

  Uno de los principales descubrimientos de Hawking, realizado en 1973, fue la predicción de que, debido a los efectos cuánticos, los agujeros negros podrían emitir partículas. Como resultado de tal proceso, el agujero negro se evapora y, en última instancia, es posible que no quede nada de su masa original. Pero durante su formación, los agujeros negros absorben gran cantidad de partículas que caen sobre él con diferentes tipos, propiedades y configuraciones. Aunque la teoría cuántica requiere que dicha información se almacene, los detalles de lo que le sucede a continuación siguen siendo un tema de acalorado debate. Tanto Hawking como Penrose creen que, durante la radiación, un agujero negro pierde la información que contenía en sí mismo. Pero Hawking insiste en que esta pérdida es insustituible, mientras que Penrose argumenta que se equilibra con mediciones espontáneas de estados cuánticos que retroalimentan información al agujero negro.

  Ambos científicos coinciden en que se necesita una futura teoría de la gravedad cuántica para describir la naturaleza. Pero sus puntos de vista difieren en algunos aspectos de esta teoría. Penrose cree que incluso si las interacciones fundamentales de las partículas elementales son simétricas con respecto a la inversión del tiempo, entonces la gravedad cuántica debe romper esa simetría. Entonces, la asimetría temporal debería explicar por qué el universo era tan homogéneo al principio (como lo demuestra la radiación de fondo de microondas producida por el big bang), mientras que al final el universo debe ser heterogéneo.

  Penrose intenta incluir tal asimetría en su hipótesis de la curvatura de Weyl. El espacio-tiempo, según Albert Einstein, está curvado por la presencia de materia. Pero el espacio-tiempo también puede tener alguna deformación inherente, conocida como la curvatura de Weyl. Las ondas gravitacionales y los agujeros negros, por ejemplo, permiten que el espacio-tiempo se curve incluso en áreas que están vacías. En el universo primitivo, la curvatura de Weyl probablemente era cero, pero en un universo moribundo, como argumenta Penrose, una gran cantidad de agujeros negros conducirá a un aumento en la curvatura de Weyl. Esta será la diferencia entre el principio y el fin del universo.

  Hawking está de acuerdo en que el Big Bang y el colapso final ("Big crunch") serán diferentes, pero no considera que la asimetría temporal sea una ley de la naturaleza. La razón principal de esta diferencia, piensa, es la forma en que se programa el desarrollo del universo. Postula una especie de democracia, afirmando que no puede haber un solo punto espacial en el universo; y por lo tanto, el universo no puede tener un límite. Es esta propuesta sin límites la que, según Hawking, explica la homogeneidad de la radiación de fondo de microondas.

  Las opiniones de ambos físicos sobre la interpretación de la mecánica cuántica también son radicalmente diferentes. Hawking cree que el único propósito de la teoría de la IA es hacer predicciones que sean consistentes con los datos experimentales. Penrose, por otro lado, cree que una simple comparación de predicciones con experimentos no es suficiente para explicar la realidad. Señala que una teoría cuántica que requiere una superposición de funciones de onda es un concepto que puede llevar a absurdos. Estos científicos llevan así la conocida discusión entre Einstein y Bohr sobre las extrañas consecuencias de la teoría cuántica a un nuevo nivel.

  Stephen Hawking sobre los agujeros negros cuánticos:

  La teoría cuántica de los agujeros negros... parece conducir a un nuevo nivel de imprevisibilidad en la física más allá de la incertidumbre mecánica cuántica habitual. Esto se debe a que los agujeros negros parecen tener entropía interna y pierden información de nuestra región del universo. Debo decir que estas afirmaciones son muy controvertidas: muchos científicos que trabajan en el campo de la gravedad cuántica, incluidos casi todos los que llegaron a él desde la física de partículas, rechazan instintivamente la idea de que la información sobre el estado de un sistema cuántico se puede perder. Sin embargo, esta visión no ha tenido mucho éxito en explicar cómo la información puede salir de un agujero negro. En última instancia, creo que se verán obligados a aceptar mi sugerencia de que la información se pierde irremediablemente, al igual que se vieron obligados a aceptar que los agujeros negros irradian, lo que va en contra de todas sus ideas preconcebidas...

  El hecho de que la gravedad sea atractiva significa que hay una tendencia en el universo a que la materia se agrupe en un solo lugar, una tendencia a que se formen objetos como estrellas y galaxias. La contracción adicional de estos objetos puede ser retenida durante algún tiempo por la presión térmica, en el caso de las estrellas, o por la rotación y los movimientos internos, en el caso de las galaxias. Sin embargo, eventualmente el calor o el momento angular se disiparán y el objeto comenzará a contraerse nuevamente. Si la masa es menor que aproximadamente una masa solar y media, la contracción puede ser detenida por la presión del gas degenerado de electrones o neutrones. El objeto se estabiliza para convertirse en una enana blanca o una estrella de neutrones, respectivamente. Sin embargo, si la masa es mayor que este límite, entonces no hay nada que detenga la contracción constante. Tan pronto como la contracción de un objeto se acerca a un cierto tamaño crítico, el campo gravitacional en su superficie será tan fuerte que los conos de luz se inclinarán hacia adentro... Podemos ver que incluso los rayos de luz salientes se desvían unos hacia otros. por lo que se acercan en lugar de divergir. Esto significa que hay alguna superficie cerrada....

  Por lo tanto, debe haber una región del espacio-tiempo de la que es imposible escapar a una distancia infinita. Esta área se llama agujero negro. Su límite se llama horizonte de sucesos, es una superficie formada por rayos de luz que no pueden escapar al infinito....

  Una gran cantidad de información se pierde cuando el cuerpo espacial colapsa para formar un agujero negro. Un objeto que colapsa se describe mediante una gran cantidad de parámetros. Su estado está determinado por los tipos de materia y los momentos multipolares de la distribución de sus masas. A pesar de ello, el agujero negro emergente es completamente independiente del tipo de materia y pierde rápidamente todos los momentos multipolares salvo los dos primeros: monopolo, que es la masa, y dipolo, que es el momento angular.

  Esta pérdida de información realmente no importaba en la teoría clásica. Podemos decir que toda la información sobre el objeto que colapsa está dentro del agujero negro. Para un observador fuera del agujero negro, sería muy difícil determinar cómo se ve un objeto que colapsa. Sin embargo, en la teoría clásica todavía era posible en principio. El observador nunca perdería de vista el objeto que se derrumba. En cambio, le parecería que el objeto se está desacelerando en su contracción y se vuelve cada vez más tenue a medida que se acerca al horizonte de sucesos. Este observador todavía podía ver de qué estaba hecho el objeto que colapsaba y cómo se distribuía la masa en él.

  Sin embargo, desde el punto de vista de la teoría cuántica, todo cambia por completo. Durante el colapso, el objeto emitiría solo una cantidad limitada de fotones antes de cruzar el horizonte de eventos. Estos fotones no serían en absoluto suficientes para darnos toda la información sobre el objeto que colapsa. Esto significa que en la teoría cuántica no hay forma de que un observador externo pueda determinar el estado de tal objeto. Uno pensaría que no importa demasiado de gran importancia, porque la información seguirá estando dentro del agujero negro, incluso si no se puede medir desde el exterior. Pero este es precisamente el caso donde se manifiesta el segundo efecto de la teoría cuántica de los agujeros negros....

  La teoría cuántica hace que los agujeros negros irradien y pierdan masa. Y aparentemente eventualmente desaparecen por completo, junto con la información dentro de ellos. Quiero argumentar que esta información se pierde y no se devuelve de ninguna forma. Como mostraré más adelante, con esta pérdida de información, entra en la física un mayor nivel de incertidumbre que la incertidumbre habitual asociada con la teoría cuántica. Desafortunadamente, a diferencia de la relación de incertidumbre de Heisenberg, este nuevo nivel de incertidumbre será bastante difícil de confirmar experimentalmente en el caso de los agujeros negros.

  Roger Penrose sobre la teoría cuántica y el espacio-tiempo:

  La teoría cuántica, la relatividad especial, la relatividad general y la teoría cuántica de campos son las mejores teorías físicas del siglo XX. Estas teorías no son independientes entre sí: la relatividad general se construyó sobre la relatividad especial, y la teoría cuántica de campos tiene como base la relatividad especial y la teoría cuántica.

  Se ha dicho comúnmente que la teoría cuántica de campos es la más precisa de todas las teorías físicas que han existido, con una precisión de hasta 11 decimales. Sin embargo, me gustaría señalar que la relatividad general ahora se ha probado con una precisión de 14 decimales (y esta precisión aparentemente solo está limitada por la precisión de los relojes que funcionan en la Tierra). Me refiero al púlsar binario Hulse-Taylor PSR 1913+16, un par estrellas de neutrones girando entre sí, uno de los cuales es un púlsar. La relatividad general predice que tal órbita se contrae lentamente (y su período disminuye) porque se pierde energía debido a la emisión de ondas gravitacionales. De hecho, este proceso ha sido registrado experimentalmente, y la descripción completa de su movimiento observado durante 20 años... está de acuerdo con la teoría general de la relatividad (que incluye la teoría de Newton) con la notable precisión mencionada anteriormente. Los investigadores de este sistema estelar han recibido premios Nobel por su trabajo. Los teóricos cuánticos siempre han argumentado, refiriéndose a la precisión de su teoría, que la relatividad general debería seguir su ejemplo, pero ahora creo que la teoría cuántica de campos debería seguir su ejemplo.

  Aunque estas cuatro teorías han logrado un gran éxito, no están exentas de problemas.... La teoría de la relatividad general predice la existencia de singularidades espacio-temporales. Hay un "problema de medición" en la teoría cuántica, que describiré más adelante. Puede resultar que la solución a los problemas de estas teorías resida en el reconocimiento del hecho de que son teorías incompletas. Por ejemplo, muchas personas anticipan que la teoría cuántica de campos podría de alguna manera "difuminar" las singularidades de la relatividad general...

  Y ahora me gustaría decir algunas palabras sobre la pérdida de información en los agujeros negros, que creo que es relevante para la última declaración. Estoy de acuerdo con casi todo lo que Stephen ha dicho sobre esto. Pero mientras Steven considera la pérdida de información en los agujeros negros como una nueva incertidumbre en la física, un nivel más alto que la incertidumbre de la mecánica cuántica, yo lo veo simplemente como una incertidumbre "adicional"... Es posible que una pequeña cantidad de información sea perdido en el tiempo de evaporación del agujero negro... pero este efecto será mucho menor que la pérdida de información durante el colapso (para lo cual acepto cualquier imagen razonable de la desaparición final del agujero negro).

  Como experimento mental, considere un sistema cerrado en una caja grande y considere el movimiento de la materia dentro de la caja en el espacio de fases. En las regiones del espacio de fase correspondientes a las ubicaciones de los agujeros negros, las trayectorias que describen la evolución física del sistema convergerán y los volúmenes de fase ocupados por estas trayectorias se reducirán. Esto ocurre como resultado de la pérdida de información en la singularidad del agujero negro. Esta reducción está en conflicto directo con la ley de la mecánica clásica conocida como teorema de Liouville, que establece que los volúmenes de fase transportados por las trayectorias de fase permanecen constantes... Así, el espacio-tiempo de un agujero negro viola la conservación de tales volúmenes. Sin embargo, en mi imagen, esta pérdida de volumen del espacio de fase se equilibra con un proceso de mediciones cuánticas espontáneas que dan como resultado la recuperación de información y un aumento del volumen del espacio de fase. Tal como lo entiendo, esto sucede porque la incertidumbre asociada con la pérdida de información en los agujeros negros es, por así decirlo, "adicional" a la incertidumbre de la mecánica cuántica: cada uno de ellos es solo una cara de la misma moneda...

  Ahora consideremos el experimento mental con el gato de Schrödinger. Describe la posición poco envidiable de un gato en una caja, en la que un fotón emitido cae sobre un espejo semitransparente, y un sensor registra la parte transmitida de su función de onda. Si el sensor detecta un fotón, entonces el arma se dispara, matando al gato. Si el sensor no detecta un fotón, entonces el gato permanece vivo y bien. (¡Sé que Steven desaprueba el maltrato a los gatos, incluso en experimentos mentales!) La función de onda de tal sistema es una superposición de estas dos posibilidades... Pero, ¿por qué solo somos capaces de percibir las alternativas macroscópicas "gato muerto" y " gato vivo"? en lugar de superposiciones macroscópicas de tales estados? ...

  Supongo que con la implicación de la relatividad general, el uso de superposiciones de geometrías espacio-temporales alternativas enfrenta serias dificultades. Es posible que la superposición de dos geometrías diferentes sea inestable y se descomponga en una de estas dos alternativas. Tales geometrías podrían ser, por ejemplo, el espacio y el tiempo de una vida o gato muerto. Para referirme a este colapso de la superposición en uno de los estados alternativos, utilizo el término reducción objetiva, que me gusta porque tiene un buen acrónimo (OR). ¿Qué tiene que ver la longitud de Planck de 10-33 centímetros con esto? Esta longitud es un criterio natural para determinar si las geometrías son realmente mundos diferentes. La escala de Planck también determina la escala de tiempo en la que tiene lugar la reducción a varias alternativas.

  Hawking sobre cosmología cuántica:

  Termino esta conferencia discutiendo un punto sobre el cual Roger y yo tenemos puntos de vista diferentes: la flecha del tiempo. Hay una distinción muy clara entre las direcciones de avance y retroceso del tiempo en nuestra parte del universo. Basta con desplazarse hacia atrás en cualquier película para ver esta diferencia. En lugar de que las tazas se caigan de la mesa y se rompan en pedazos pequeños, veríamos que estos pedazos se vuelven a juntar y rebotan sobre la mesa. Es vida real se parece a nada de eso?.

  Las leyes locales de los campos físicos satisfacen el requisito de simetría en el tiempo, o para ser más precisos, invariancia CPT (Carga-Paridad-Tiempo - Carga-Paridad-Tiempo). Por lo tanto, la diferencia observada entre el pasado y el futuro proviene de las condiciones de contorno del universo. Considere un modelo en el que un universo espacialmente cerrado se expande a su tamaño máximo, después de lo cual colapsa nuevamente. Como enfatizó Roger, el universo será muy diferente en los puntos finales de esta historia. Al principio, el universo, como pensamos ahora, será bastante suave y regular. Sin embargo, cuando comience a colapsar nuevamente, esperamos que sea extremadamente errático e irregular. Dado que hay muchas más configuraciones desordenadas que ordenadas, esto significa que las condiciones iniciales deben elegirse con extrema precisión.

  Como resultado, las condiciones de contorno deben ser diferentes en estos instantes de tiempo. La sugerencia de Roger es que el tensor de Weyl solo debería desaparecer en uno de los extremos del tiempo. El tensor de Weyl es aquella parte de la curvatura del espacio-tiempo que no está determinada por la distribución local de la materia a través de las ecuaciones de Einstein. Esta curvatura es extremadamente pequeña en un orden Etapa temprana, y es muy grande en un universo que colapsa. Así, esta propuesta nos permitiría distinguir ambos extremos del tiempo entre sí y explicar la existencia de la flecha del tiempo.

  Creo que la propuesta de Roger es la de Weyl en dos sentidos de la palabra. En primer lugar, no es invariante de CPT. Roger ve esta propiedad como una virtud, pero siento que las simetrías no deben abandonarse sin una buena razón. En segundo lugar, si el tensor de Weyl hubiera sido exactamente cero en la etapa inicial del universo, entonces habría permanecido homogéneo e isotrópico a lo largo del tiempo subsiguiente. La Hipótesis de Weyl de Roger no puede explicar ni las fluctuaciones en el fondo de microondas ni las perturbaciones causadas por galaxias y cuerpos como nosotros.

  A pesar de todo esto, creo que Roger señaló una diferencia muy importante entre estos dos límites de tiempo. Pero el hecho de que la pequeñez del tensor de Weyl en uno de los límites no debería ser aceptado por nosotros ad hoc, sino que debería derivarse del principio más fundamental de "sin límites"...

  ¿Cómo pueden ser diferentes dos plazos? ¿Por qué las perturbaciones deberían ser pequeñas en uno de ellos, pero no en el otro? La razón de esto es que las ecuaciones de campo tienen dos posibles soluciones complejas.... Obviamente, una solución corresponde a un límite de tiempo, y la otra a la otra.... En un extremo del tiempo, el universo era muy suave y el tensor de Weyl era pequeño. Sin embargo, ciertamente no podría ser igual a cero, ya que esto conduce a una violación de la relación de incertidumbre. En cambio, deberían tener lugar pequeñas fluctuaciones, que luego pueden convertirse en galaxias y cuerpos, como nosotros. A diferencia del principio, el universo final debería ser muy irregular y caótico, y el tensor de Weyl debería ser muy grande. Esto explicaría por qué hay una flecha del tiempo y por qué las tazas se caen de la mesa y se rompen mucho más fácilmente de lo que se recuperan y saltan de nuevo.

  Penrose sobre cosmología cuántica:

  Por lo que entendí en el concepto de Stephen, concluyo que nuestros desacuerdos sobre este tema (la hipótesis a de la curvatura de Weyl) son extremadamente grandes... Para la singularidad inicial, la curvatura de Weyl es aproximadamente cero... Stephen argumentó que en el estado inicial debe haber pequeñas fluctuaciones cuánticas, y por lo tanto la hipótesis a de curvatura de Weyl cero es clásica e inaceptable. Pero creo que hay cierta libertad en cuanto a la formulación precisa de esta hipótesis. Pequeñas perturbaciones son ciertamente aceptables desde mi punto de vista en modo cuántico. Solo necesitamos limitar significativamente estas fluctuaciones alrededor de cero...

  Es posible que el principio de James-Hartley-Hawking de "sin límites" sea un buen candidato para describir la estructura del estado inicial. Sin embargo, me parece que se necesita algo más para explicar el estado final. En particular, una teoría que explique la estructura de las singularidades tendría que incluir la violación de CPT y otras simetrías para ser compatible con la hipótesis de la curvatura de Weyl. Tal ruptura de la simetría temporal podría ser bastante pequeña; y podría estar contenido implícitamente en una nueva teoría que vaya más allá de la mecánica cuántica.

  Hawking en la realidad física:

  Estas conferencias hicieron muy clara la diferencia entre Roger y yo. Él es platónico y yo soy positivista. Le preocupa seriamente que el gato de Schrödinger esté en un estado cuántico en el que está medio vivo y medio muerto. Él prevé esta inconsistencia con la realidad. Pero esas cosas no me molestan. No exijo que la teoría sea consistente con la realidad, porque no sé qué es la realidad. La realidad no es una cualidad que puedas probar papel de tornasol. Todo lo que me importa es que la teoría predice los resultados de las mediciones. La teoría cuántica hace esto muy bien....

  Roger siente que... el colapso de la función de onda introduce la ruptura de la simetría CPT en la física. Él ve tales interrupciones en al menos dos áreas de la física: la cosmología y los agujeros negros. Estoy de acuerdo en que podemos usar la asimetría del tiempo al hacer preguntas sobre las observaciones. Pero rechazo completamente la idea de que hay algunos procesos físicos que conducen a la reducción de la función de onda, o que esto tiene algo que ver con la gravedad cuántica o la conciencia. Todo esto está relacionado con la magia y los magos y, pero no con la ciencia.

  Penrose sobre la realidad física:

  La mecánica cuántica solo existe desde hace 75 años. Esto no es mucho, especialmente cuando se compara, por ejemplo, con la teoría de la gravedad de Newton. Por lo tanto, no me sorprendería que la mecánica cuántica se modificara para objetos muy grandes.

  Al comienzo de este debate, Stephen sugirió que él era positivista y que yo era platónico. Me alegro de que sea positivista, pero en cuanto a mí puedo decir que soy más bien realista. Además, si comparas este debate con el famoso debate Bohr-Einstein, hace unos 70 años, ¡creo que Steven está jugando a Bohr y yo soy Einstein! Einstein necesitaba algo como mundo real, que no necesariamente se describe mediante una función de onda, mientras que Bohr enfatizó que la función de onda no describe el mundo real, sino solo el conocimiento necesario para predecir los resultados de un experimento.

  Ahora se cree que los argumentos de Bohr resultaron tener más peso y que Einstein (según su biografía escrita por Abraham Pais) podría haber estado pescando desde 1925. De hecho, no hizo una gran contribución a la mecánica cuántica, aunque su aguda crítica fue muy útil para esta última. Creo que la razón de esto fue que faltaban algunos componentes importantes en la teoría cuántica. Uno de esos componentes fue la radiación de los agujeros negros descubiertos por Stephen 50 años después. La fuga de información asociada con la radiación de un agujero negro es un fenómeno que posiblemente elevará la teoría cuántica a un nuevo nivel.

  Stephen Hawking cree que la teoría final del universo puede no existir

  Pronunciada por el renombrado físico Stephen Hawking de Inglaterra a varias audiencias en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), una conferencia televisiva describió la búsqueda en curso por parte de los científicos de una teoría completa del universo. Finalmente, el autor de los bestsellers científicos Una breve historia del tiempo y La teoría del todo, profesor de matemáticas en la Universidad de Cambridge, sugirió que "tal vez [tal teoría] no sea posible".

  "Algunas personas se sentirán muy decepcionadas al saber que no existe una teoría definitiva”, dijo Hawking. “Yo también pertenecía a este campo, pero ahora he cambiado de opinión. Siempre enfrentaremos el desafío de nuevos descubrimientos científicos. Sin esto , la civilización se estancará". . La búsqueda puede continuar durante mucho tiempo".

  La transmisión, durante la cual hubo algunas dificultades técnicas con la imagen y el sonido, también fue retransmitida por Internet. Fue organizado por el Cambridge-MIT Institute (CMI), una alianza estratégica de tres años entre Universidad de Cambridge en Inglaterra y el Instituto Tecnológico de Massachusetts).

  Hawking esencialmente resumió la historia de la física de partículas, centrándose en las figuras y teorías clave en el campo, desde Aristóteles hasta Stephen Weinberg (premio Nobel nacido en 1933).

  Las ecuaciones de Maxwell y Dirac, por ejemplo, "rigen casi toda la física y toda la química y la biología”, razonó Hawking. "Así, conociendo estas ecuaciones, podríamos, en principio, predecir el comportamiento humano, aunque no puedo afirmar que yo mismo lo hubiera hecho en este sentido. caso un gran éxito", concluyó entre risas de los asistentes.

  El cerebro humano contiene demasiadas partículas para resolver todas las ecuaciones necesarias para predecir el comportamiento de alguien. Solo en un futuro previsible aprenderemos a predecir el comportamiento del gusano nematodo.

  Todas las teorías desarrolladas hasta ahora para explicar el universo "son inconsistentes o incompletas", dijo Hawking. Y sugirió, debido a qué circunstancias, en principio, es imposible desarrollar una teoría completa del Universo. Basó su razonamiento en el trabajo de Kurt Gödel, el matemático checo, autor del famoso teorema, según el cual, dentro de cualquier área de las matemáticas, ciertas proposiciones no se pueden probar ni refutar.

  En la escuela, enseñamos que la materia se compone de átomos, y los átomos están hechos de núcleos alrededor de los cuales giran los electrones. De la misma manera, los planetas giran alrededor del sol, por lo que es fácil de imaginar para nosotros. Luego, el átomo se dividió en partículas elementales y se hizo más difícil imaginar la estructura del universo. En la escala de partículas, se aplican otras leyes y no siempre es posible encontrar una analogía con la vida. La física se ha vuelto abstracta y confusa.

  Pero el siguiente paso en la física teórica trajo de vuelta un sentido de la realidad. La teoría de cuerdas ha descrito el mundo en términos que pueden volver a imaginarse y, por lo tanto, son más fáciles de entender y recordar.

  El tema sigue siendo difícil, así que vamos en orden. Primero, analizaremos cuál es la teoría, luego intentaremos entender por qué se inventó. Y de postre, un poco de historia, la teoría de cuerdas tiene una historia corta, pero con dos revoluciones.

  El universo está hecho de hilos vibrantes de energía.

  Antes de la teoría de cuerdas, las partículas elementales se consideraban puntos, formas adimensionales con ciertas propiedades. La teoría de cuerdas los describe como filamentos de energía, que todavía tienen un tamaño: longitud. Estos hilos unidimensionales se llaman cuerdas cuánticas.

  Física teórica
  

  Física teórica
  describe el mundo a través de las matemáticas, en oposición a la física experimental. El primer físico teórico fue Isaac Newton (1642-1727)

  El núcleo de un átomo con electrones, partículas elementales y cuerdas cuánticas a través de los ojos de un artista. Fragmento documental"Universo elegante"

  Las cuerdas cuánticas son muy pequeñas, entre 10 y 33 cm de largo, cien billones de billones de veces más pequeñas que los protones que colisionan en el Gran Colisionador de Hadrones. Para tales experimentos con cuerdas, habría que construir un acelerador del tamaño de una galaxia. Todavía no hemos encontrado una forma de detectar cadenas, pero gracias a las matemáticas, podemos adivinar algunas de sus propiedades.

  Las cuerdas cuánticas son abiertas y cerradas.. Los extremos abiertos están libres, los extremos cerrados se acercan entre sí, formando bucles. Las cuerdas se "abren" y "cierran" constantemente, se conectan con otras cuerdas y se dividen en otras más pequeñas.

  
  

  Las cuerdas cuánticas están tensas. La tensión en el espacio se produce debido a la diferencia de energía: para cuerdas cerradas entre extremos cerrados, para cuerdas abiertas, entre los extremos de las cuerdas y el vacío. Los físicos llaman a este vacío bordes bidimensionales o branas, de la palabra membrana.

  centímetros - mínimo tamaño posible objeto en el universo. Se llama la longitud de Planck.

  Estamos hechos de cuerdas cuánticas

  Cuerdas cuánticas vibran. Estas son vibraciones similares a las vibraciones de cuerdas de balalaika, con ondas uniformes y un número entero de mínimos y máximos. Cuando vibra, una cuerda cuántica no emite sonido, en la escala de las partículas elementales, no hay nada que transmita vibraciones sonoras. Él mismo se convierte en una partícula: vibra con una frecuencia, un quark, con otra, un gluón, con una tercera, un fotón. Por lo tanto, una cuerda cuántica es un único elemento de construcción, un "ladrillo" del universo.

  Es costumbre representar el universo como espacio y estrellas, pero también es nuestro planeta, y estamos contigo, y texto en la pantalla y bayas en el bosque.

  

  Esquema de vibraciones de cuerdas. En cualquier frecuencia, todas las ondas son iguales, su número es entero: uno, dos y tres

  
  

  Región de Moscú, 2016. Hay muchas fresas, solo los mosquitos son más. También están hechos de cuerdas.

  
  

  El espacio está ahí afuera en alguna parte. volver al espacio

  Entonces, en el corazón del universo hay cuerdas cuánticas, hebras unidimensionales de energía que vibran, cambian de tamaño y forma e intercambian energía con otras cuerdas. Pero eso no es todo.

  Cuerdas cuánticas se mueven en el espacio. Y el espacio a escala de cuerdas es la parte más curiosa de la teoría.

  Cuerdas cuánticas se mueven en 11 dimensiones

  

  Teodoro Kaluza
  (1885-1954)

  Todo empezó con Albert Einstein. Sus descubrimientos demostraron que el tiempo es relativo y lo unió con el espacio en un solo continuo espacio-tiempo. El trabajo de Einstein explicó la gravedad, el movimiento de los planetas y el origen de los agujeros negros. Además, inspiraron a los contemporáneos a nuevos descubrimientos.

  Einstein publicó las ecuaciones de la teoría general de la relatividad en 1915-16, y ya en 1919 el matemático polaco Theodor Kaluza intentó aplicar sus cálculos a la teoría. campo electromagnetico. Pero surgió la pregunta: si la gravedad de Einstein dobla las cuatro dimensiones del espacio-tiempo, ¿qué dobla la fuerza electromagnética? La fe en Einstein era fuerte y Kaluza no tenía ninguna duda de que sus ecuaciones describirían el electromagnetismo. En cambio, sugirió que las fuerzas electromagnéticas distorsionan una quinta dimensión adicional. A Einstein le gustó la idea, pero la teoría no pasó la prueba de los experimentos y fue olvidada hasta la década de 1960.

  

  Alberto Einstein (1879-1955)

  

  Teodoro Kaluza
  (1885-1954)

  Teodoro Kaluza
  (1885-1954)

  Albert Einstein
  (1879-1955)

  Las primeras ecuaciones de la teoría de cuerdas dieron resultados extraños. En ellos aparecieron taquiones, partículas con una masa negativa que se movían más rápido que la velocidad de la luz. Aquí es donde la idea de Kaluza sobre la multidimensionalidad del universo resultó útil. Cierto, cinco dimensiones no eran suficientes, al igual que seis, siete o diez no eran suficientes. ¡Las matemáticas de la primera teoría de cuerdas solo tenían sentido si nuestro universo tuviera 26 dimensiones! Las teorías posteriores fueron suficientes para diez, y en la moderna hay once de ellas: diez espaciales y temporales.

  Pero si es así, ¿por qué no vemos las siete dimensiones adicionales? La respuesta es simple: son demasiado pequeños. Desde la distancia, un objeto tridimensional parecerá plano: tubería de agua aparecerá como una cinta y el globo aparecerá como un círculo. Incluso si pudiéramos ver objetos en otras dimensiones, no consideraríamos su multidimensionalidad. Los científicos llaman a este efecto compactación.

  
  

  Las dimensiones adicionales se pliegan en formas imperceptiblemente pequeñas de espacio-tiempo: se denominan espacios de Calabi-Yau. De lejos parece plano.

  Podemos representar siete dimensiones adicionales solo en forma de modelos matemáticos. Estas son fantasías que se construyen sobre las propiedades del espacio y el tiempo que conocemos. Al agregar una tercera dimensión, el mundo se vuelve tridimensional y podemos sortear el obstáculo. Quizás, de acuerdo con el mismo principio, es correcto agregar las siete dimensiones restantes, y luego puede recorrer el espacio-tiempo a lo largo de ellas y llegar a cualquier punto de cualquier universo en cualquier momento.

  mediciones en el universo según la primera versión de la teoría de cuerdas - bosónica. Ahora se considera irrelevante

  
  

  Una línea tiene una sola dimensión, su longitud.

  
  

  Un globo es voluminoso, tiene una tercera dimensión: la altura. Pero para un hombre bidimensional, parece una línea.

  
  

  Así como un hombre bidimensional no puede representar la multidimensionalidad, nosotros no podemos representar todas las dimensiones del universo.

  Según este modelo, las cuerdas cuánticas viajan siempre y en todas partes, lo que significa que las mismas cuerdas codifican las propiedades de todos los universos posibles desde su nacimiento hasta el final de los tiempos. Desafortunadamente, nuestro globo es plano. Nuestro mundo es sólo una proyección de cuatro dimensiones del universo de once dimensiones en las escalas visibles del espacio-tiempo, y no podemos seguir las cuerdas.

  Algún día veremos el Big Bang

  Algún día calcularemos la frecuencia de vibración de las cuerdas y la organización de las dimensiones extra en nuestro universo. Luego aprenderemos absolutamente todo al respecto y podremos ver el Big Bang o volar a Alpha Centauri. Pero hasta ahora esto es imposible: no hay pistas sobre en qué confiar en los cálculos, y solo puede encontrar los números que necesita por fuerza bruta. Los matemáticos calcularon que habría que resolver 10.500 opciones. La teoría está estancada.

  Sin embargo, la teoría de cuerdas todavía es capaz de explicar la naturaleza del universo. Para ello, debe vincular todas las demás teorías, convertirse en la teoría del todo.

  La teoría de cuerdas se convertirá en la teoría del todo. Tal vez

  En la segunda mitad del siglo XX, los físicos confirmaron una serie de teorías fundamentales sobre la naturaleza del universo. Parecía un poco más, y lo entenderemos todo. Sin embargo, el principal problema aún no se ha resuelto: las teorías funcionan bien por separado, pero no dan una imagen general.

  Hay dos teorías principales: la teoría de la relatividad y la teoría cuántica de campos.

  opciones para organizar 11 dimensiones en espacios Calabi-Yau - suficientes para todos los universos posibles. A modo de comparación, el número de átomos en la parte observable del universo es de aproximadamente 10 80

  opciones para organizar los espacios de Calabi-Yau, suficientes para todos los universos posibles. A modo de comparación, el número de átomos en el universo observable es de aproximadamente 10 80

  Teoría de la relatividad
  describió la interacción gravitatoria entre planetas y estrellas y explicó el fenómeno de los agujeros negros. Esta es la física de un mundo visual y lógico.

  
  

  Modelo de la interacción gravitatoria de la Tierra y la Luna en el espacio-tiempo de Einstein

  teoría cuántica de campos
  determinó los tipos de partículas elementales y describió 3 tipos de interacción entre ellas: fuerte, débil y electromagnética. Esta es la física del caos.

  
  

  El mundo cuántico a través de los ojos de un artista. Video del sitio web de MiShorts

  La teoría cuántica de campos con la adición de masa para los neutrinos se llama modelo estandar. Esta es la teoría básica de la estructura del universo a nivel cuántico. La mayoría de las predicciones de la teoría se confirman en los experimentos.

  El Modelo Estándar divide todas las partículas en fermiones y bosones. Los fermiones forman materia: este grupo incluye todas las partículas observables, como el quark y el electrón. Los bosones son fuerzas responsables de la interacción de los fermiones, como el fotón y el gluón. Ya se conocen dos docenas de partículas, y los científicos continúan descubriendo otras nuevas.

  Es lógico suponer que la interacción gravitacional también se transmite por su bosón. Todavía no se ha encontrado, sin embargo, describieron las propiedades y se les ocurrió un nombre: gravitón.

  Pero la unificación de teorías falla. Por modelo estandar, las partículas elementales son puntos adimensionales que interactúan a distancia cero. Si esta regla se aplica al gravitón, las ecuaciones dan infinitos resultados, lo que les quita sentido. Esta es solo una de las contradicciones, pero ilustra bien cuán lejos está una física de otra.

  Por lo tanto, los científicos están buscando una teoría alternativa que pueda combinar todas las teorías en una sola. Tal teoría se llama teoría del campo unificado, o teoría del todo.

  Fermiones
  forman todo tipo de materia excepto la oscura

  bosones
  transferir energía entre fermiones

  La teoría de cuerdas puede unir al mundo científico

  La teoría de cuerdas en este papel parece más atractiva que otras, ya que resuelve inmediatamente la principal contradicción. Las cuerdas cuánticas vibran, por lo que la distancia entre ellas es mayor que cero y se evitan resultados computacionales imposibles para el gravitón. Y el propio gravitón encaja bien en el concepto de cuerdas.

  Pero la teoría de cuerdas no se prueba mediante experimentos, sus logros quedan en el papel. Lo más sorprendente es el hecho de que durante 40 años no se ha abandonado, su potencial es tan grande. Para entender por qué esto es así, miremos hacia atrás y veamos cómo ha evolucionado.

  La teoría de cuerdas ha experimentado dos revoluciones

  

  gabriele veneziano
  (nacido en 1942)

  Al principio, la teoría de cuerdas no se consideró en absoluto un contendiente para la unificación de la física. Fue descubierto por accidente. En 1968, un joven físico teórico, Gabriele Veneziano, estudió las interacciones fuertes dentro del núcleo atómico. De repente, descubrió que estaban bien descritas por la función beta de Euler, un conjunto de ecuaciones que había sido compilado 200 años antes por el matemático suizo Leonhard Euler. Era extraño: en aquellos días, el átomo se consideraba indivisible y el trabajo de Euler solo resolvía problemas matemáticos. Nadie entendió por qué funcionaban las ecuaciones, pero se usaron activamente.

  El significado físico de la función beta de Euler se aclaró dos años después. Tres físicos, Yochiro Nambu, Holger Nielsen y Leonard Susskind, sugirieron que las partículas elementales podrían no ser puntos, sino cuerdas vibratorias unidimensionales. La fuerte interacción para tales objetos fue descrita idealmente por las ecuaciones de Euler. La primera versión de la teoría de cuerdas se denominó bosónica, ya que describía la naturaleza de cuerda de los bosones responsables de las interacciones de la materia y no se refería a los fermiones que importan.

  La teoría era cruda. En él aparecieron taquiones, y las principales predicciones contradecían los resultados de los experimentos. Y aunque la multidimensionalidad de Kaluza logró deshacerse de los taquiones, la teoría de cuerdas no echó raíces.

  • gabriele veneziano
  • yoichiro nambu
  • holger nielsen
  • Leonard Susskind
  • Juan Schwartz
  • miguel verde
  • Eduardo Witten
  • gabriele veneziano
  • yoichiro nambu
  • holger nielsen
  • Leonard Susskind
  • Juan Schwartz
  • miguel verde
  • Eduardo Witten

  Pero los verdaderos partidarios de la teoría permanecieron. En 1971, Pierre Ramon añadió fermiones a la teoría de cuerdas, reduciendo el número de dimensiones de 26 a diez. Empezó teoría de la supersimetría.

  Dijo que cada fermión tiene su propio bosón, lo que significa que la materia y la energía son simétricas. No importa que el universo observable no sea simétrico, dijo Ramón, hay condiciones bajo las cuales se sigue observando la simetría. Y si, según la teoría de cuerdas, los fermiones y los bosones están codificados por los mismos objetos, entonces, bajo estas condiciones, la materia puede convertirse en energía y viceversa. Esta propiedad de las cuerdas se denominó supersimetría, y la propia teoría de cuerdas se denominó teoría de supercuerdas.

  En 1974, John Schwartz y Joel Sherk descubrieron que algunas de las propiedades de las cuerdas coincidían notablemente con las del supuesto portador de la gravedad, el gravitón. A partir de ese momento, la teoría comenzó a pretender seriamente ser generalizadora.

  dimensiones del espacio-tiempo estaban en la primera teoría de supercuerdas

  
  

  “La estructura matemática de la teoría de cuerdas es tan hermosa y tiene tantas propiedades asombrosas que seguramente debe apuntar a algo más profundo”.

  Primera revolución de supercuerdas sucedió en 1984. John Schwartz y Michael Green presentaron un modelo matemático que mostraba que muchas de las contradicciones entre la teoría de cuerdas y el Modelo Estándar podían resolverse. Las nuevas ecuaciones también vincularon la teoría a todo tipo de materia y energía. El mundo científico estaba en una fiebre - los físicos abandonaron su investigación y cambiaron al estudio de las cuerdas.

  De 1984 a 1986 se escribieron más de mil artículos sobre teoría de cuerdas. Demostraron que muchas de las disposiciones del modelo estándar y la teoría de la gravedad, que se han recopilado poco a poco durante años, se derivan naturalmente de la física de cuerdas. La investigación ha convencido a los científicos de que una teoría unificadora está a la vuelta de la esquina.

  
  

  “El momento en que te introducen a la teoría de cuerdas y te das cuenta de que casi todos los principales avances en física del siglo pasado siguen, y siguen con tanta elegancia, a partir de un punto de partida tan simple, te demuestra claramente el increíble poder de esta teoría. ”

  Pero la teoría de cuerdas no tenía prisa por revelar sus secretos. En lugar de los problemas resueltos, surgieron otros nuevos. Los científicos han descubierto que no hay una, sino cinco teorías de supercuerdas. En ellos, las cuerdas tenían diferentes tipos supersimetría, y no había forma de saber qué teoría era la correcta.

  Los métodos matemáticos tenían sus límites. Los físicos están acostumbrados a ecuaciones complejas que no dan resultados exactos, pero para la teoría de cuerdas era imposible escribir incluso ecuaciones exactas. Y los resultados aproximados de las ecuaciones aproximadas no dieron respuestas. Quedó claro que se necesitaba una nueva matemática para estudiar la teoría, pero nadie sabía cuál. El ardor de los científicos se calmó.

  Segunda revolución de supercuerdas tronó en 1995. El estancamiento terminó con el informe de Edward Witten en una conferencia sobre teoría de cuerdas en el sur de California. Witten demostró que las cinco teorías son casos especiales de una teoría de supercuerdas más general, que tiene once dimensiones en lugar de diez. Witten llamó a la teoría unificadora teoría M, o la Madre de todas las teorías, de palabra inglesa madre.

  Pero algo más era más importante. La teoría M de Witten describió tan bien el efecto de la gravedad en la teoría de supercuerdas que se denominó teoría supersimétrica de la gravedad, o teoría de la supergravedad. Esto inspiró a los científicos y las revistas científicas volvieron a llenarse de publicaciones sobre física de cuerdas.

  mediciones del espacio-tiempo en teoría moderna supercuerdas

  
  

  “La teoría de cuerdas es una parte de la física del siglo XXI que entró accidentalmente en el siglo XX. Pueden pasar décadas, o incluso siglos, antes de que se desarrolle y comprenda por completo.

  Los ecos de esta revolución todavía se escuchan hoy. Pero a pesar de los mejores esfuerzos de los científicos, hay más preguntas que respuestas en la teoría de cuerdas. La ciencia moderna está tratando de construir modelos del universo multidimensional y está estudiando las dimensiones como membranas del espacio. Se llaman branas. ¿Recuerdas el vacío sobre el que se estiran las cuerdas al aire? Se supone que las propias cuerdas pueden resultar bidimensionales o tridimensionales. Incluso hablan de una nueva teoría fundamental de 12 dimensiones: la teoría F, el padre de todas las teorías, de la palabra padre. La historia de la teoría de cuerdas está lejos de terminar.

  La teoría de cuerdas aún no ha sido probada, pero tampoco ha sido refutada.

  El principal problema de la teoría es la falta de evidencia directa. Sí, de ahí se derivan otras teorías, los científicos suman 2 y 2, y resulta 4. Pero esto no significa que el cuatro consiste en dos. Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones tampoco han descubierto todavía la supersimetría, lo que confirmaría la unificación marco estructural universo y haría el juego a los partidarios de la física de cuerdas. Pero tampoco hay refutaciones. Por eso, las elegantes matemáticas de la teoría de cuerdas siguen excitando las mentes de los científicos, prometiendo desentrañar todos los misterios del universo.

  Hablando de teoría de cuerdas, no se puede dejar de mencionar a Brian Greene, profesor de la Universidad de Columbia e incansable divulgador de la teoría. Green da conferencias y aparece en televisión. En 2000, su libro El Universo Elegante. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Search for the Ultimate Theory" se convirtió en finalista del Premio Pulitzer. En 2011, se interpretó a sí mismo en el episodio 83 de The Big Bang Theory. En 2013, visitó el Instituto Politécnico de Moscú y concedió una entrevista a Lenta-ru

  Si no quieres convertirte en un experto en teoría de cuerdas, pero quieres entender en qué mundo vives, recuerda la hoja de trucos:

  1. El universo está formado por hebras de energía, cuerdas cuánticas, que vibran como las cuerdas de los instrumentos musicales. La diferente frecuencia de vibración convierte las cuerdas en diferentes partículas.
  2. Los extremos de las cuerdas pueden estar libres o pueden estar cerrados entre sí, formando bucles. Las cuerdas se cierran, abren e intercambian energía constantemente con otras cuerdas.
  3. Las cuerdas cuánticas existen en un universo de 11 dimensiones. Las 7 dimensiones adicionales se pliegan en formas de espacio-tiempo imperceptiblemente pequeñas para que no podamos verlas. Esto se llama compactación dimensional.
  4. Si supiéramos exactamente cómo se pliegan las dimensiones de nuestro universo, tal vez podríamos viajar en el tiempo a otras estrellas. Pero si bien esto no es posible, es necesario resolver demasiadas opciones. Serían suficientes para todos los universos posibles.
  5. La teoría de cuerdas puede unir todas las teorías físicas y revelarnos los secretos del universo; existen todos los requisitos previos para esto. Pero aún no hay pruebas.
  6. Otros descubrimientos se derivan lógicamente de la teoría de cuerdas. ciencia moderna. Desafortunadamente, esto no prueba nada.
  7. La teoría de cuerdas ha sobrevivido a dos revoluciones de supercuerdas ya muchos años de abandono. Algunos científicos lo consideran ciencia ficción, otros creen que las nuevas tecnologías ayudarán a demostrarlo.
  8. Lo más importante, si planea contarles a sus amigos sobre la teoría de cuerdas, asegúrese de que no haya ningún físico entre ellos; ahorrará tiempo y nervios. Y te verás como Brian Green en el Instituto Politécnico:

  Al estudiar exhaustivamente nuestro universo, los científicos determinan una serie de patrones, hechos, que luego se convierten en leyes, hipótesis comprobadas. Con base en ellos, otros estudios continúan contribuyendo a un estudio integral del mundo en números.

  La teoría de cuerdas del universo es una forma de representar el espacio del universo, que consta de ciertos hilos, que se denominan cuerdas y branas. En pocas palabras (para tontos), la base del mundo no son las partículas (como sabemos), sino elementos de energía vibrante llamados cuerdas y branas. El tamaño de la cuerda es muy, muy pequeño: alrededor de 10 -33 cm.

  ¿Para qué sirve y es útil? La teoría sirvió de impulso para la descripción del concepto de "gravedad".

  La teoría de cuerdas es matemática, es decir, la naturaleza física se describe mediante ecuaciones. Hay muchos de ellos, pero no hay uno único y verdadero. Las dimensiones experimentalmente ocultas del universo aún no se han determinado.

  La teoría se basa en 5 conceptos:

  1. El mundo consiste en hilos que están en estado de vibración y membranas de energía.
  2. En teoría, la base es la teoría de la gravedad y la física cuántica.
  3. La teoría unifica todas las fuerzas principales del universo.
  4. Las partículas de bosones y los fermiones tienen el nuevo tipo enlaces - supersimetría.
  5. La teoría describe dimensiones en el universo que no son observables por el ojo humano.

  

  Una comparación con una guitarra te ayudará a comprender mejor la teoría de cuerdas.

  Por primera vez, el mundo escuchó sobre esta teoría en los años setenta del siglo XX. Nombres de científicos en el desarrollo de esta hipótesis:

  • Witten;
  • venezolano;
  • Verde;
  • Bruto;
  • kakú;
  • Maldacena;
  • poliakov;
  • susskind;
  • Schwartz.

  Los hilos de energía se consideraban unidimensionales: cadenas. Esto significa que la cadena tiene 1 dimensión: longitud (sin altura). Hay 2 tipos:

  • abierto, en el que los extremos no se tocan;
  • bucle cerrado.

  Se descubrió que pueden interactuar y existen tales opciones 5. Esto se basa en la capacidad de conectar, desconectar los extremos. La ausencia de cuerdas anulares es imposible, debido a la posibilidad de combinar cuerdas abiertas.

  Como resultado, los científicos creen que la teoría no puede describir la asociación de partículas, sino el comportamiento, la fuerza de la gravedad. Se consideran branas o láminas como elementos a los que se unen cuerdas.

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  gravedad cuántica

  En física existe una ley cuántica y la teoría general de la relatividad. La física cuántica estudia partículas en la escala del universo. Las hipótesis que contiene se denominan teorías de la gravedad cuántica, entre las más importantes se encuentran las de cuerdas.

  Los hilos cerrados funcionan de acuerdo con las fuerzas de la gravedad y tienen las propiedades de un gravitón, una partícula que transfiere propiedades entre partículas.

  Unir fuerzas. La teoría incluye las fuerzas combinadas en una: electromagnética, nuclear, gravitacional. Los científicos creen que esto es exactamente lo que sucedió antes, antes de que las fuerzas se dividieran.

  supersimetría. Según el concepto de supersimetría, existe una conexión entre bosones y fermiones (unidades estructurales del universo). Para cada uno de los bosones hay un fermión, y lo contrario es cierto: para el fermión hay un bosón. Esto se calcula sobre la base de ecuaciones, pero no se confirma experimentalmente. La ventaja de la supersimetría es la posibilidad de eliminar algunas variables (niveles de energía infinitos e imaginarios).

  Según los físicos, la razón de la incapacidad de probar la supersimetría es la razón de la necesidad de una gran energía asociada con la masa. Fue antes, antes del período de disminución de la temperatura en el universo. Después del Big Bang, hubo una disipación de energía y la transición de partículas a niveles de energía más bajos.

  En pocas palabras, las cuerdas que podían vibrar con las propiedades de las partículas con alta energía, al perderla, se convirtieron en baja vibración.

  Al crear aceleradores de partículas, los científicos quieren identificar elementos súper simétricos con el nivel de energía requerido.

  Dimensiones adicionales de la teoría de cuerdas

  Una consecuencia de la teoría de cuerdas es la representación matemática de que debe haber más de 3 dimensiones. La primera explicación de esto es que las dimensiones adicionales se han vuelto compactas, pequeñas, por lo que no se pueden ver ni percibir.

  Existimos en una brana 3D, separados de otras dimensiones. Solo la capacidad de usar modelos matemáticos dio esperanza para obtener coordenadas que los vincularan. Estudios recientes en este ámbito permiten suponer la aparición de nuevos datos optimistas.

  Una simple comprensión del propósito.

  Los científicos de todo el mundo, explorando las supercuerdas, están tratando de fundamentar la teoría sobre la realidad física completa. Una sola hipótesis podría caracterizar todo a un nivel fundamental, explicando los problemas de la estructura del planeta.

  La teoría de cuerdas apareció en la descripción de los hadrones, partículas con estados vibratorios superiores a los de una cuerda. En resumen, explica fácilmente la transición de longitud a masa.

  Hay muchas teorías de supercuerdas. Hoy no se sabe con certeza si con su ayuda es posible explicar la teoría del espacio-tiempo con mayor precisión que Einstein. Las medidas tomadas no proporcionan datos precisos. Algunos de ellos, relacionados con el espacio-tiempo, fueron consecuencia de las interacciones de las cuerdas, pero finalmente fueron objeto de críticas.

  La teoría de la gravedad se convertirá en la principal consecuencia de la teoría descrita si se confirma.

  Cuerdas y branas han dado lugar a más de 10.000 formas de pensar sobre el universo. Hay libros sobre teoría de cuerdas en Acceso público en Internet, se describe en detalle y claramente por los autores:

  • Yau Shintan;
  • Steve Nadis "Teoría de cuerdas y las dimensiones ocultas del universo";
  • Brian Green también habla de esto en The Elegant Universe.

  
  Se pueden encontrar opiniones, pruebas, razonamientos y todos los detalles más pequeños al mirar uno de los muchos libros que hacen que la información sobre el mundo sea accesible e interesante. Los físicos explican el universo existente por nuestra presencia, la existencia de otros universos (incluso aquellos similares al nuestro). Según Einstein, existe una versión plegada del espacio.

  Los puntos pueden conectarse en la teoría de supercuerdas mundos paralelos. Las leyes establecidas en la física dan esperanza para la posibilidad de transición entre los universos. Al mismo tiempo, la teoría cuántica de la gravedad elimina esto.

  Los físicos también hablan de la fijación holográfica de los datos cuando se registran en la superficie. En el futuro, esto impulsará la comprensión del juicio sobre los hilos de energía. Hay juicios sobre la multiplicidad de dimensiones del tiempo y la posibilidad de moverse en él. La hipótesis del big bang por colisión de 2 branas sugiere la posibilidad de ciclos repetitivos.

  El universo, el surgimiento de todo y la transformación gradual de todo siempre ha ocupado las mentes sobresalientes de la humanidad. Nuevos descubrimientos fueron, son y serán. La interpretación final de la teoría de cuerdas permitirá determinar la densidad de la materia, la constante cosmológica.

  Gracias a esto, se determinará la capacidad del universo para encogerse hasta el próximo momento de explosión y un nuevo comienzo de todo. Las teorías se desarrollan, se prueban y conducen a algo. Por lo tanto, la ecuación de Einstein, que describe la dependencia de la energía de la masa y el cuadrado de la velocidad de la luz E = mc ^ 2, se convirtió posteriormente en el impulso para el surgimiento de las armas nucleares. Después de eso, también se inventaron el láser y el transistor. A día de hoy no se sabe qué esperar, pero sin duda conducirá a algo.

  Ecología del conocimiento: El mayor problema para los físicos teóricos es cómo combinar todas las interacciones fundamentales (gravitacionales, electromagnéticas, débiles y fuertes) en una sola teoría. La teoría de las supercuerdas afirma ser la Teoría del Todo

  Contando de tres a diez

  El mayor problema para los físicos teóricos es cómo combinar todas las interacciones fundamentales (gravitacionales, electromagnéticas, débiles y fuertes) en una sola teoría. La teoría de las supercuerdas simplemente afirma ser la Teoría del Todo.

  ¡Pero resultó que el número más conveniente de dimensiones necesarias para que esta teoría funcione es hasta diez (nueve de las cuales son espaciales y una es temporal)! Si hay más o menos dimensiones, las ecuaciones matemáticas dan resultados irracionales que van al infinito, una singularidad.

  La próxima etapa en el desarrollo de la teoría de las supercuerdas, la teoría M, ya cuenta con once dimensiones. Y otra versión de ella, la teoría F, las doce. Y no es una complicación en absoluto. La teoría F describe un espacio de 12 dimensiones con ecuaciones más simples que la teoría M describe un espacio de 11 dimensiones.

  Por supuesto, la física teórica se llama teórica por una razón. Todos sus logros hasta ahora existen solo en papel. Entonces, para explicar por qué solo podemos movernos en el espacio tridimensional, los científicos comenzaron a hablar sobre cómo las desafortunadas otras dimensiones tuvieron que encogerse en esferas compactas a nivel cuántico. Para ser precisos, no en esferas, sino en espacios de Calabi-Yau. Estas son figuras tan tridimensionales, dentro de las cuales hay su propio mundo con su propia dimensión. Una proyección bidimensional de variedades similares se parece a esto:

  Se conocen más de 470 millones de estas figurillas. Actualmente se está calculando cuál de ellos corresponde a nuestra realidad. No es fácil ser un físico teórico.

  Sí, parece un poco exagerado. Pero quizás esto explique por qué el mundo cuántico es tan diferente de lo que percibimos.

  Punto, punto, coma

  Comenzar de nuevo. La dimensión cero es un punto. Ella no tiene talla. No hay adónde moverse, no se necesitan coordenadas para indicar la ubicación en tal dimensión.

  Pongamos un segundo punto al lado del primero y dibujemos una línea a través de ellos. Aquí está la primera dimensión. Un objeto unidimensional tiene un tamaño: largo, pero no ancho ni profundidad. El movimiento dentro del marco del espacio unidimensional es muy limitado, porque el obstáculo que ha surgido en el camino no se puede sortear. Para determinar la ubicación en este segmento, solo necesita una coordenada.

  Pongamos un punto al lado del segmento. Para que quepan estos dos objetos, ya necesitamos un espacio bidimensional que tenga largo y ancho, es decir, área, pero sin profundidad, es decir, volumen. La ubicación de cualquier punto en este campo está determinada por dos coordenadas.

  La tercera dimensión surge cuando añadimos un tercer eje de coordenadas a este sistema. Es muy fácil para nosotros, los habitantes del universo tridimensional, imaginar esto.

  Intentemos imaginar cómo ven el mundo los habitantes del espacio bidimensional. Por ejemplo, aquí están estas dos personas:

  Cada uno de ellos verá a su amigo así:

  Y con este diseño:

  

  Nuestros héroes se verán así:

  
  

  Es el cambio de punto de vista lo que permite a nuestros héroes juzgarse unos a otros como objetos bidimensionales, en lugar de segmentos unidimensionales.

  Y ahora imaginemos que cierto objeto tridimensional se mueve en la tercera dimensión, que atraviesa este mundo bidimensional. Para un observador externo, este movimiento se expresará en un cambio en las proyecciones bidimensionales del objeto en un plano, como el brócoli en una máquina de resonancia magnética:

  ¡Pero para el habitante de nuestra Planilandia, tal imagen es incomprensible! Ni siquiera puede imaginarla. Para él, cada una de las proyecciones bidimensionales será vista como un segmento unidimensional con una longitud misteriosamente variable, apareciendo en un lugar impredecible y también desapareciendo de manera impredecible. Los intentos de calcular la longitud y el lugar de ocurrencia de tales objetos utilizando las leyes de la física del espacio bidimensional están condenados al fracaso.

  Nosotros, los habitantes del mundo tridimensional, vemos todo en dos dimensiones. Solo el movimiento de un objeto en el espacio nos permite sentir su volumen. También veremos cualquier objeto multidimensional como bidimensional, pero cambiará de manera asombrosa dependiendo de nuestra posición relativa o tiempo con él.

  Desde este punto de vista, es interesante pensar, por ejemplo, en la gravedad. Probablemente todo el mundo ha visto imágenes como esta:

  
  

  Es costumbre representar cómo la gravedad dobla el espacio-tiempo. Curvas... ¿dónde? Exactamente no en ninguna de las dimensiones que nos son familiares. ¿Y el túnel cuántico, es decir, la capacidad de una partícula de desaparecer en un lugar y aparecer en otro completamente diferente, además, detrás de un obstáculo por el que, en nuestras realidades, no podría penetrar sin agujerearlo? ¿Qué pasa con los agujeros negros? Pero, ¿y si todos estos y otros misterios de la ciencia moderna se explican por el hecho de que la geometría del espacio no es en absoluto la misma que estamos acostumbrados a percibir?

  El reloj está corriendo

  El tiempo añade una coordenada más a nuestro Universo. Para que la fiesta se lleve a cabo, debe saber no solo en qué bar se llevará a cabo, sino también la hora exacta de este evento.

  Según nuestra percepción, el tiempo no es tanto una línea recta como un rayo. Es decir, tiene un punto de partida y el movimiento se lleva a cabo solo en una dirección: del pasado al futuro. Y sólo el presente es real. Ni el pasado ni el futuro existen, como no existen los desayunos y las cenas desde el punto de vista de un oficinista a la hora de comer.

  Pero la teoría de la relatividad no está de acuerdo con esto. Desde su punto de vista, el tiempo es una dimensión valiosa. Todos los eventos que han existido, existen y existirán son igualmente reales, tan reales como lo es la playa del mar, no importa dónde exactamente nos hayan sorprendido los sueños del sonido de las olas. Nuestra percepción es algo así como un reflector que ilumina un cierto segmento en la línea de tiempo. La humanidad en su cuarta dimensión se parece a esto:

  
  

  Pero solo vemos una proyección, una porción de esta dimensión en cada momento individual del tiempo. Sí, sí, como el brócoli en una máquina de resonancia magnética.

  Hasta ahora, todas las teorías han trabajado con un gran número de dimensiones espaciales, y el tiempo siempre ha sido el único. Pero, ¿por qué el espacio permite múltiples dimensiones para el espacio, pero solo una vez? Hasta que los científicos puedan responder a esta pregunta, la hipótesis de dos o más espacios de tiempo parecerá muy atractiva para todos los filósofos y escritores de ciencia ficción. Sí, y los físicos, lo que ya está ahí. Por ejemplo, el astrofísico estadounidense Itzhak Bars ve la raíz de todos los problemas con la Teoría del Todo como la segunda dimensión del tiempo, que se ha pasado por alto. Como ejercicio mental, intentemos imaginar un mundo con dos tiempos.

  Cada dimensión existe por separado. Esto se expresa en el hecho de que si cambiamos las coordenadas de un objeto en una dimensión, las coordenadas en otras pueden permanecer sin cambios. Entonces, si te mueves a lo largo de un eje de tiempo que se cruza con otro en un ángulo recto, entonces en el punto de intersección, el tiempo se detendrá. En la práctica, se verá algo como esto:

  
  

  Todo lo que Neo tenía que hacer era colocar su eje de tiempo unidimensional perpendicular al eje de tiempo de las balas. Una verdadera bagatela, de acuerdo. De hecho, todo es mucho más complicado.

  El tiempo exacto en un universo con dos dimensiones de tiempo estará determinado por dos valores. ¿Es difícil imaginar un evento bidimensional? Es decir, ¿uno que se extiende simultáneamente a lo largo de dos ejes de tiempo? Es probable que un mundo así requiera especialistas en mapeo del tiempo, al igual que los cartógrafos mapean la superficie bidimensional del globo.

  ¿Qué más distingue un espacio bidimensional de uno unidimensional? La capacidad de sortear un obstáculo, por ejemplo. Esto está completamente más allá de los límites de nuestra mente. Un habitante de un mundo unidimensional no puede imaginar cómo es doblar una esquina. ¿Y qué es esto, un ángulo en el tiempo? Además, en el espacio bidimensional, puedes viajar hacia adelante, hacia atrás o incluso en diagonal. No tengo ni idea de cómo es ir en diagonal a través del tiempo. No estoy hablando del hecho de que el tiempo es la base de muchas leyes físicas, y es imposible imaginar cómo cambiará la física del Universo con el advenimiento de otra dimensión del tiempo. ¡Pero es tan emocionante pensar en ello!

  Enciclopedia muy grande

  Aún no se han descubierto otras dimensiones y solo existen en modelos matemáticos. Pero puedes intentar imaginarlos así.

  Como descubrimos anteriormente, vemos una proyección tridimensional de la cuarta dimensión (temporal) del Universo. En otras palabras, cada momento de la existencia de nuestro mundo es un punto (similar a la dimensión cero) en el intervalo de tiempo desde el Big Bang hasta el Fin del Mundo.

  Aquellos de ustedes que han leído sobre viajes en el tiempo saben cuán importante es la curvatura del continuo espacio-tiempo. Esta es la quinta dimensión: es en ella donde el espacio-tiempo de cuatro dimensiones se "dobla" para acercar dos puntos en esta línea recta. Sin esto, el viaje entre estos puntos sería demasiado largo, o incluso imposible. En términos generales, la quinta dimensión es similar a la segunda: mueve la línea "unidimensional" del espacio-tiempo al plano "bidimensional" con todas las consecuencias en forma de la capacidad de doblar la esquina.

  Un poco antes, nuestros lectores especialmente filosóficos probablemente pensaron en la posibilidad del libre albedrío en condiciones en las que el futuro ya existe, pero aún no se conoce. La ciencia responde a esta pregunta así: probabilidades. El futuro no es un palo, sino toda una escoba de escenarios posibles. Cuál de ellos se hará realidad: lo descubriremos cuando lleguemos allí.

  Cada una de las probabilidades existe como un segmento "unidimensional" en el "plano" de la quinta dimensión. ¿Cuál es la forma más rápida de saltar de un segmento a otro? Así es, dobla este avión como una hoja de papel. ¿Dónde doblar? Y nuevamente, correctamente, en la sexta dimensión, que le da a toda la estructura compleja "volumen". Y, así, lo hace, como el espacio tridimensional, "terminado", un nuevo punto.

  La séptima dimensión es una nueva línea recta, que consta de "puntos" de seis dimensiones. ¿Qué otro punto hay en esta línea? Todo el conjunto infinito de opciones para el desarrollo de eventos en otro universo, formado no como resultado del Big Bang, sino en otras condiciones, y actuando de acuerdo con otras leyes. Es decir, la séptima dimensión son cuentas de mundos paralelos. La octava dimensión reúne estas "líneas rectas" en un "plano". Y la novena se puede comparar con un libro que contiene todas las "hojas" de la octava dimensión. Es la totalidad de todas las historias de todos los universos con todas las leyes de la física y todas condiciones iniciales. Punto de nuevo.

  Aquí llegamos al límite. Para imaginar la décima dimensión, necesitamos una línea recta. ¿Y cuál podría ser otro punto de esta línea recta, si la novena dimensión ya abarca todo lo que se puede imaginar, y hasta lo que no se puede imaginar? Resulta que la novena dimensión no es otro punto de partida, sino el final, para nuestra imaginación, en cualquier caso.

  La teoría de cuerdas afirma que es en la décima dimensión que las cuerdas, las partículas básicas que componen todo, hacen sus vibraciones. Si la décima dimensión contiene todos los universos y todas las posibilidades, entonces las cuerdas existen en todas partes y todo el tiempo. Quiero decir, cada hilo existe en nuestro universo, y todos los demás. En cualquier momento. Inmediatamente. Genial, ¿sí? publicado