Hasta ahora, la teoría de cuerdas no ha cumplido su promesa como una forma de unir la gravedad y la mecánica cuántica.
Al mismo tiempo, se ha convertido en uno de los conjuntos de herramientas más útiles en la ciencia.
La teoría de cuerdas apareció en escena hace unos 30 años como la perfección misma, una promesa de simplicidad elegante que resolvería problemas nudosos en la física fundamental, incluyendo el desajuste notoriamente insoluble entre el espacio-tiempo suavemente deformado de Einstein y los fragmentos inherentemente nerviosos y cuantificados que hizo todo lo que contiene.
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Parecía, parafraseando a Michael Faraday, demasiado maravilloso como para no ser verdad: simplemente reemplace las partículas infinitamente pequeñas con pequeños (pero finitos) lazos vibrantes de cuerda. Las vibraciones cantarían quarks, electrones, gluones y fotones, así como sus familias extensas, produciendo en armonía todos los ingredientes necesarios para cocinar el mundo conocido. Evitar lo infinitamente pequeño significaba evitar una variedad de catástrofes. Por un lado, la incertidumbre cuántica no podía romper el espacio-tiempo en pedazos. Al final, al parecer, aquí había una teoría viable de la gravedad cuántica.
Aún más hermosa que la historia contada en palabras fue la elegancia de las matemáticas detrás de esto, que tenía el poder de hacer que algunos físicos se emocionaran.
Sin duda, la teoría tuvo implicaciones inquietantes. Las cuerdas eran demasiado pequeñas para ser probadas por experimentos y vivían en hasta 11 dimensiones del espacio. Estas dimensiones se plegaron sobre sí mismas, o se “compactaron”, en complejas formas de origami. Nadie sabía exactamente cómo se compactaron las dimensiones, las posibilidades de hacerlo parecían infinitas, pero seguramente alguna configuración resultaría ser lo que se necesitaba para producir fuerzas y partículas familiares.
Durante un tiempo, muchos físicos creyeron que la teoría de cuerdas produciría una forma única de combinar la mecánica cuántica y la gravedad. “Había una esperanza. Un momento ”, dijo David Gross, un jugador original en el llamado Cuarteto de cuerdas de Princeton, ganador del Premio Nobel y miembro permanente del Instituto Kavli de Física Teórica en la Universidad de California, Santa Bárbara. “Incluso pensamos por un tiempo a mediados de los 80 que era una teoría única”.
Laetitia Vancon para la revista Quanta
David Gross, físico ganador del Premio Nobel en el Instituto Kavli de Física Teórica, ha argumentado públicamente que la física fundamental enfrenta una crisis.
Y luego los físicos comenzaron a darse cuenta de que el sueño de una teoría singular era una ilusión. Las complejidades de la teoría de cuerdas, todas las permutaciones posibles, se negaron a reducirse a una sola que describiera nuestro mundo. “Después de cierto punto a principios de los 90, la gente dejó de intentar conectarse con el mundo real”, dijo Gross. “Los últimos 20 años realmente han sido una gran extensión de las herramientas teóricas, pero muy poco progreso en la comprensión de lo que realmente existe”.
Muchos, en retrospectiva, se dieron cuenta de que habían elevado el listón demasiado alto. Al abandonar el impulso de completar el sólido y poderoso “modelo estándar” de física de partículas en la década de 1970, esperaban que la historia se repitiera, solo que esta vez en una escala gigantesca que lo abarca todo. “Hemos estado tratando de apuntar a los éxitos del pasado donde teníamos una ecuación muy simple que capturaba todo”, dijo Robbert Dijkgraaf, director del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey. “Pero ahora tenemos este gran desastre”.
Al igual que muchas bellezas maduras, la teoría de cuerdas se ha enriquecido en relaciones, complicada, difícil de manejar y ampliamente influyente. Sus tentáculos han llegado tan profundamente en tantas áreas de la física teórica que se ha vuelto casi irreconocible, incluso para los teóricos de cuerdas. “Las cosas se han vuelto casi posmodernas”, dijo Dijkgraaf, pintor y físico matemático.
Las matemáticas que han surgido de la teoría de cuerdas se han utilizado en campos como la cosmología y la física de la materia condensada: el estudio de los materiales y sus propiedades. Es tan omnipresente que “incluso si cierra todos los grupos de teoría de cuerdas, las personas en materia condensada, las personas en cosmología, las personas en gravedad cuántica lo harán”, dijo Dijkgraaf.
“Es difícil decir realmente dónde debe dibujar el límite y decir: Esta es la teoría de cuerdas; esto no es teoría de cuerdas “, dijo Douglas Stanford, físico de la IAS. “Ya nadie sabe si decir que son teóricos de cuerdas”, dijo Chris Beem, físico matemático de la Universidad de Oxford. “Se ha vuelto muy confuso”.
La teoría de cuerdas hoy parece casi fractal. Cuanto más exploran las personas cualquier rincón, más estructura encuentran. Algunos profundizan en grietas particulares; otros se alejan para tratar de dar sentido a los patrones más grandiosos. El resultado es que la teoría de cuerdas de hoy incluye mucho que ya no parece fibroso. Esos pequeños bucles de cuerda cuyos armónicos se pensaban que respiraban formaban cada partícula y fuerza conocida por la naturaleza (incluida la gravedad evasiva) apenas aparecían en las pizarras en las conferencias. En la gran reunión anual de teoría de cuerdas del año pasado, la teórica de cuerdas de la Universidad de Stanford, Eva Silverstein, se divirtió al descubrir que era una de las pocas que daba una charla “sobre la teoría de cuerdas propiamente dicha”. Muchas veces trabaja en cuestiones relacionadas con la cosmología.
A pesar de que las herramientas matemáticas de la teoría de cuerdas se adoptan en las ciencias físicas, los físicos han estado luchando sobre cómo lidiar con la tensión central de la teoría de cuerdas: ¿puede alguna vez cumplir su promesa inicial? ¿Podría dar a los investigadores una idea de cómo la gravedad y la mecánica cuántica podrían conciliarse, no en un universo de juguetes, sino en el nuestro?
“El problema es que la teoría de cuerdas existe en el panorama de la física teórica”, dijo Juan Maldacena, un físico matemático en el IAS y quizás la figura más prominente en el campo hoy. “Pero todavía no sabemos cómo se conecta con la naturaleza como una teoría de la gravedad”. Maldacena ahora reconoce la amplitud de la teoría de cuerdas y su importancia para muchos campos de la física, incluso aquellos que no requieren “cuerdas” para ser la materia fundamental del universo, cuando define la teoría de cuerdas como “Investigación teórica sólida en estructuras geométricas naturales”.
Una explosión de campos cuánticos
Cortesía de SLAC National Accelerator Laboratory, Archives and History Office
Eva Silverstein, profesora de física en la Universidad de Stanford, aplica la teoría de cuerdas a los problemas de cosmología.
Un punto importante para la teoría de cuerdas como teoría de todo llegó a fines de la década de 1990, cuando Maldacena reveló que una teoría de cuerdas que incluye la gravedad en cinco dimensiones era equivalente a una teoría de campo cuántico en cuatro dimensiones. Esta dualidad “AdS / CFT” parecía proporcionar un mapa para controlar la gravedad, la pieza más intransigente del rompecabezas, al relacionarla con la vieja teoría del campo cuántico bien entendida.
Nunca se pensó que esta correspondencia fuera un modelo perfecto del mundo real. El espacio de cinco dimensiones en el que funciona tiene una geometría “anti-de Sitter”, un extraño paisaje de MC Escher-ish que no es ni remotamente como nuestro universo.
Pero los investigadores se sorprendieron cuando profundizaron en el otro lado de la dualidad. La mayoría de la gente daba por sentado que las teorías cuánticas de campo (“física del pan y la mantequilla”, Dijkgraaf las llama) eran bien entendidas y lo habían sido durante medio siglo. Al final resultó que, Dijkgraaf dijo, “solo los entendemos de una manera muy limitada”.
Estas teorías de campo cuántico se desarrollaron en la década de 1950 para unificar la relatividad especial y la mecánica cuántica. Funcionaron lo suficientemente bien durante el tiempo suficiente como para que no importara que se descompusieran a escalas muy pequeñas y con altas energías. Pero hoy, cuando los físicos vuelven a visitar “la parte que creías haber entendido hace 60 años”, dijo Nima Arkani-Hamed, física del IAS, encuentras “estructuras impresionantes” que fueron una completa sorpresa. “Todos los aspectos de la idea de que entendimos la teoría cuántica de campos resultan ser erróneos. Es una bestia mucho más grande “.
Los investigadores han desarrollado una gran cantidad de teorías de campo cuántico en la última década más o menos, cada una utilizada para estudiar diferentes sistemas físicos. Beem sospecha que existen teorías de campo cuántico que no se pueden describir incluso en términos de campos cuánticos. “Tenemos opiniones que suenan tan locas como esa, en gran parte, debido a la teoría de cuerdas”.
Esta explosión virtual de nuevos tipos de teorías de campo cuántico recuerda inquietantemente a la física en la década de 1930, cuando la aparición inesperada de un nuevo tipo de partícula, el muón, llevó a un frustrado II Rabi a preguntar: “¿Quién ordenó eso?”. Las nuevas partículas fueron tan abrumadoras en la década de 1950 que llevaron a Enrico Fermi a quejarse: “Si pudiera recordar los nombres de todas estas partículas, habría sido un botánico”.
Los físicos comenzaron a abrirse camino a través del matorral de nuevas partículas solo cuando encontraron los bloques de construcción más fundamentales que los componían, como los quarks y los gluones. Ahora, muchos físicos están intentando hacer lo mismo con la teoría cuántica de campos. En sus intentos por darle sentido al zoológico, muchos aprenden todo lo que pueden sobre ciertas especies exóticas.
Las teorías de campo conforme (la mano derecha de AdS / CFT) son un punto de partida. Empiezas con un tipo simplificado de teoría de campo cuántico que se comporta de la misma manera a distancias pequeñas y grandes, dijo David Simmons-Duffin, físico del IAS. Si este tipo específico de teorías de campo se pudiera entender perfectamente, las respuestas a preguntas profundas podrían quedar claras. “La idea es que si entiendes muy bien los pies del elefante, puedes interpolar entre ellos y descubrir cómo se ve todo”.
Andrea Kane
Juan Maldacena, físico del Instituto de Estudios Avanzados, desarrolló lo que se ha convertido en uno de los mayores éxitos de la teoría de cuerdas.
Al igual que muchos de sus colegas, Simmons-Duffin dice que es un teórico de cuerdas principalmente en el sentido de que se ha convertido en un término general para cualquiera que haga física fundamental en rincones subdesarrollados. Actualmente se está centrando en un sistema físico que se describe mediante una teoría de campo conforme pero que no tiene nada que ver con las cadenas. De hecho, el sistema es agua en su “punto crítico”, donde desaparece la distinción entre gas y líquido. Es interesante porque el comportamiento del agua en el punto crítico es un sistema emergente complicado que surge de algo más simple. Como tal, podría insinuar la dinámica detrás del surgimiento de las teorías de campo cuántico.
Beem se centra en las teorías de campo supersimétricas, otro modelo de juguete, como los físicos llaman a estas simplificaciones deliberadas. “Estamos poniendo algunas características poco realistas para que sean más fáciles de manejar”, dijo. Específicamente, son susceptibles a las matemáticas manejables, lo que “hace que muchas cosas sean calculables”.
Los modelos de juguetes son herramientas estándar en la mayoría de los tipos de investigación. Pero siempre existe el temor de que lo que uno aprende de un escenario simplificado no se aplique al mundo real. “Es un poco un trato con el diablo”, dijo Beem. “La teoría de cuerdas es un conjunto de ideas mucho menos rigurosamente construido que la teoría de campo cuántico, por lo que debes estar dispuesto a relajar un poco tus estándares”, dijo. “Pero eres recompensado por eso. Te brinda un contexto agradable y más amplio en el cual trabajar ”.
Es el tipo de trabajo que hace que personas como Sean Carroll, físico teórico del Instituto de Tecnología de California, se pregunten si el campo se ha alejado demasiado de sus primeras ambiciones, al menos para encontrar, si no una “teoría de todo”. Una teoría de la gravedad cuántica. “Responder preguntas profundas sobre la gravedad cuántica realmente no ha sucedido”, dijo. “Tienen todos estos martillos y buscan clavos”. Está bien, dijo, incluso reconociendo que podrían ser necesarias generaciones para desarrollar una nueva teoría de la gravedad cuántica. “Pero no está bien si olvidas que, en última instancia, tu objetivo es describir el mundo real”.
Es una pregunta que le ha hecho a sus amigos. ¿Por qué están investigando teorías de campo cuántico detalladas? “¿Cuál es la aspiración?”, Pregunta. Sus respuestas son lógicas, dice, pero se eliminaron los pasos para desarrollar una verdadera descripción de nuestro universo.
En cambio, está buscando una manera de “encontrar la gravedad dentro de la mecánica cuántica”. Un artículo que escribió recientemente con sus colegas afirma tomar medidas para lograrlo. No implica la teoría de cuerdas.
El amplio poder de las cuerdas
Quizás el campo que más ha ganado del florecimiento de la teoría de cuerdas es la matemática misma. Sentado en un banco al lado del estanque IAS mientras observaba a una garza azul pasear en las cañas, Clay Córdova, un investigador allí, explicó cómo se resolvieron lo que parecían problemas insolubles en matemáticas al imaginar cómo se vería la pregunta en una cuerda. Por ejemplo, ¿cuántas esferas podrían caber dentro de un múltiple Calabi-Yau, la compleja forma plegada que se espera que describa cómo se compacta el espacio-tiempo? Los matemáticos habían quedado atrapados. Pero una cadena bidimensional puede moverse en un espacio tan complejo. A medida que se movía, podía captar nuevas ideas, como un lazo matemático multidimensional. Este era el tipo de pensamiento físico por el que Einstein era famoso: los experimentos de pensamiento sobre conducir junto con un haz de luz revelaron E = mc
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. Imaginarse caerse de un edificio condujo a su mayor momento eureka: la gravedad no es una fuerza; Es una propiedad del espacio-tiempo.
Nima Arkani-Hamed
El amplituhedron es un objeto multidimensional que se puede utilizar para calcular las interacciones de partículas. Físicos como Chris Beem están aplicando técnicas de la teoría de cuerdas en geometrías especiales donde “el amplituhedron es su mejor yo”, dice.
Utilizando la intuición física ofrecida por las cuerdas, los físicos produjeron una fórmula poderosa para obtener la respuesta a la pregunta de la esfera incrustada, y mucho más. “Llegaron a estas fórmulas utilizando herramientas que los matemáticos no permiten”, dijo Córdova. Luego, después de que los teóricos de cuerdas encontraron una respuesta, los matemáticos la probaron en sus propios términos. “Este es un tipo de experimento”, explicó. “Es un experimento matemático interno”. No solo la solución fibrosa no estuvo mal, sino que condujo a las matemáticas ganadoras de la Medalla Fields. “Esto sigue sucediendo”, dijo.
La teoría de cuerdas también ha hecho contribuciones esenciales a la cosmología. El papel que ha desempeñado la teoría de cuerdas al pensar en los mecanismos detrás de la expansión inflacionaria del universo, los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang, donde los efectos cuánticos se enfrentaron a la gravedad, es “sorprendentemente fuerte”, dijo Silverstein, a pesar de que no hay ataduras. .
Aún así, Silverstein y sus colegas han usado la teoría de cuerdas para descubrir, entre otras cosas, formas de ver firmas potencialmente observables de varias ideas inflacionarias. Las mismas ideas podrían haberse encontrado utilizando la teoría de campo cuántico, dijo, pero no lo fueron. “Es mucho más natural en la teoría de cuerdas, con su estructura adicional”.
Los modelos inflacionarios se enredan en la teoría de cuerdas de múltiples maneras, entre ellas el multiverso: la idea de que la nuestra es uno de un número quizás infinito de universos, cada uno creado por el mismo mecanismo que engendró el nuestro. Entre la teoría de cuerdas y la cosmología, la idea de un paisaje infinito de universos posibles se volvió no solo aceptable, sino que incluso un gran número de físicos lo dieron por sentado. El efecto de selección, dijo Silverstein, sería una explicación bastante natural de por qué nuestro mundo es como es: en un universo muy diferente, no estaríamos aquí para contar la historia.
Este efecto podría ser una respuesta a un gran problema que la teoría de cuerdas debía resolver. Como dijo Gross: “¿Qué destaca esta teoría particular”, el Modelo Estándar, de la “gran cantidad de posibilidades infinitas?”
Silverstein cree que el efecto de selección es en realidad un buen argumento para la teoría de cuerdas. El paisaje infinito de universos posibles se puede vincular directamente con “la rica estructura que encontramos en la teoría de cuerdas”, dijo, las innumerables formas en que el espacio-tiempo multidimensional de la teoría de cuerdas se puede plegar sobre sí mismo.
Construyendo el nuevo Atlas
Por lo menos, la versión madura de la teoría de cuerdas, con sus herramientas matemáticas que permiten a los investigadores ver los problemas de nuevas maneras, ha proporcionado nuevos métodos poderosos para ver cómo las descripciones aparentemente incompatibles de la naturaleza pueden ser ciertas. El descubrimiento de descripciones duales del mismo fenómeno resume bastante bien la historia de la física. Hace un siglo y medio, James Clerk Maxwell vio que la electricidad y el magnetismo eran las dos caras de una moneda. La teoría cuántica reveló la conexión entre partículas y ondas. Ahora los físicos tienen cuerdas.
Béatrice de Géa para la revista Quanta
Nima Arkani ‐ Hamed, física del IAS, argumenta que este es el momento más emocionante para la física teórica desde el desarrollo de la mecánica cuántica en la década de 1920.
“Una vez que las cosas elementales con las que estamos sondeando espacios son cadenas en lugar de partículas”, dijo Beem, las cadenas “ven las cosas de manera diferente”. Si es demasiado difícil pasar de A a B usando la teoría cuántica de campos, vuelva a imaginar el problema en la teoría de cuerdas y “hay un camino”, dijo Beem.
En cosmología, la teoría de cuerdas “empaqueta modelos físicos de una manera más fácil de pensar”, dijo Silverstein. Puede llevar siglos unir todas estas cuerdas sueltas para tejer una imagen coherente, pero a los investigadores jóvenes como Beem no les molesta un poco. Su generación nunca pensó que la teoría de cuerdas iba a resolver todo. “No estamos estancados”, dijo. “No parece que estemos a punto de arreglarlo todo, pero sé más cada día que el día anterior, y presumiblemente estamos llegando a alguna parte”.
Stanford lo considera un gran crucigrama. “No está terminado, pero a medida que comienzas a resolver, puedes notar que es un rompecabezas válido”, dijo. “Está pasando comprobaciones de consistencia todo el tiempo”.
“Tal vez ni siquiera es posible capturar el universo en una forma fácil de definir y autónoma, como un globo”, dijo Dijkgraaf, sentado en la oficina con muchas ventanas de Robert Oppenheimer de cuando era el jefe de Einstein, mirando por encima del vasto césped al IAS , el estanque y el bosque a lo lejos. Einstein también intentó y no logró encontrar una teoría de todo, y no le quita nada a su genio.
“Quizás la imagen real se parezca más a los mapas de un atlas, cada uno de los cuales ofrece información muy diferente, cada uno con manchas”, dijo Dijkgraaf. “El uso del atlas requerirá que la física sea fluida en muchos idiomas, muchos enfoques, todo al mismo tiempo. Su trabajo vendrá de muchas direcciones diferentes, quizás distantes “.
Lo encuentra “totalmente desorientador” y también “fantástico”.
Arkani-Hamed cree que estamos en la época más emocionante de la física desde que apareció la mecánica cuántica en la década de 1920. Pero nada sucederá rápidamente. “Si está entusiasmado por atacar de manera responsable las preguntas de física existencial más grandes de la historia, entonces debería estar emocionado”, dijo. “Pero si quieres un boleto a Estocolmo seguro en los próximos 15 años, entonces probablemente no”.
