La investigación en teoría de cuerdas no es muy diferente de cualquier otra forma de investigación teórica. Entonces, antes de decir algunas cosas sobre la investigación en la teoría de cuerdas per se (más allá de la línea a continuación), me gustaría comenzar hablando de la investigación teórica en general. Mientras que en biología la investigación de la teoría pura es (desafortunadamente) rara, en física, por ejemplo, cada campo tiene un componente teórico y otro experimental. Los físicos teóricos nunca hacen experimentos; confían en físicos experimentales para hacerlos.
La investigación teórica puede tomar algunas formas diferentes. Un enfoque es comenzar con algunas observaciones experimentales y construir un modelo que las explique. Esto tiene una larga historia en física. Por ejemplo, a principios de 1800, Sadi Carnot se puso en marcha para descubrir principios fundamentales relacionados con los motores térmicos basados en su experiencia como ingeniero. Descubrió lo que ahora se conoce como la segunda ley de la termodinámica, que nos permitió diseñar motores mucho más efectivos que antes. A principios de 1900, Albert Einstein utilizó los resultados experimentales de los intentos de medir nuestro movimiento a través del éter luminífero, así como los resultados teóricos sobre electromagnetismo de James Clerk Maxwell, para establecer los fundamentos de la teoría de la relatividad. Fuera de la física, Claude Shannon descubrió los principios fundamentales de la teoría de la información basados en la experiencia del mundo real con la comunicación a través de cables.
Otra vía para la investigación teórica consiste en elaborar las predicciones de una teoría particular para que pueda ser probada. Por ejemplo, Einstein calculó la cantidad de desviación de la luz alrededor de nuestro sol que se espera con base en su teoría de la relatividad general. En 1919, sir Arthur Eddington midió la famosa medida y descubrió que coincidía con la teoría (aunque la precisión era pobre, y solo las pruebas posteriores mostraron convincentemente una coincidencia precisa). John Stewart Bell, en los años 60, derivó un conjunto de desigualdades que distinguirían entre una teoría mecánica cuántica completa y una teoría local de variables ocultas, eliminando algunas dudas expresadas por Einstein en un famoso artículo con Podolsky y Rosen (el famoso EPR paradoja).
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Una tercera vía para la investigación teórica está más cerca de las matemáticas. Esto implica elaborar las predicciones de una teoría para conocerla mejor. Me gusta pensar en esto como una forma de hacer investigación “experimental” en una realidad virtual: te sumerges en un campo, como la física de la materia condensada, y tratas de entenderlo lo mejor posible. Para hacerlo, te enfocas en un fenómeno particular que contiene la teoría, como la superconductividad, y ejecutas “experimentos” virtuales escribiendo las ecuaciones para algún ajuste (por ejemplo, un metal con una estructura cristalina dada y un cierto perfil de impurezas) y calcular los resultados (ya sea analíticamente o usando simulaciones por computadora). Luego interpreta estos resultados como si fueran datos experimentales, tratando de formar una comprensión de nivel superior de la teoría ( por ejemplo, los materiales de este tipo en particular tienen más probabilidades de convertirse en superconductores a altas temperaturas). Es importante tener en cuenta que, aunque muchas de las palabras que utilicé aquí, como “metal” o “superconductor” o “estructura cristalina”, también se refieren a cosas encontradas en la realidad, en este contexto las estoy usando como puramente Conceptos teóricos correspondientes a las características de nuestra teoría. Si la teoría coincide con la realidad, esas características serán reales; pero si la teoría no coincide con la realidad, entonces las características solo existirán dentro de nuestra teoría. Por ejemplo, los planeadores en el juego de la vida de Conway son objetos de nivel superior que emergen de las reglas de bajo nivel sobre cuándo nacen y mueren las células, pero estos objetos no existen en el mundo real. Este tipo de investigación es como girar un objeto por todos lados y de adentro hacia afuera, tratando de descubrir qué es y qué hace.
La investigación de primer tipo comienza leyendo la literatura experimental (o hablando con experimentadores) para buscar fenómenos interesantes que se hayan notado pero nunca se hayan explicado. Por lo tanto, implica conocer una buena cantidad de técnicas experimentales. Luego, el investigador usa la experiencia y la intuición para escribir un modelo, típicamente en forma matemática, que podría explicar los hallazgos experimentales. Luego se incrusta en el mundo de este modelo y calcula lo que las ecuaciones le dicen (analítica o numéricamente), con la esperanza de confirmar que efectivamente el modelo explica los experimentos. Si no, ella vuelve a la mesa de dibujo; en caso afirmativo, procede a elaborar nuevas predicciones del modelo que ayudarían a probarlo, ver más abajo.
La investigación del segundo tipo comienza con un modelo, como las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo, y calcula las predicciones del modelo en un entorno que aún no se ha probado. Los experimentadores pueden ir y probar estas predicciones, probando así el modelo del que provienen. Esto sucede todo el tiempo con varios modelos para el universo primitivo, por ejemplo, que terminan siendo probados cuando están disponibles mejores mediciones del fondo cósmico de microondas.
La investigación del tercer tipo funciona exclusivamente dentro del modelo. Por ejemplo, el físico matemático Elliot Lieb investigó (a partir de los años 60 más o menos) en qué condiciones la materia formada a partir de protones, neutrones y electrones puede ser estable en el marco de la mecánica cuántica. Su trabajo (y el de otros) muestra que dentro de esta teoría, la materia colapsaría si las partículas no fueran idénticas (en el sentido de obedecer el principio de exclusión de Pauli). Las predicciones se refieren a la teoría misma; obviamente la materia real no colapsa, o lo habríamos visto.
Otra cosa que los investigadores teóricos hacen a veces es el análisis de datos, aunque en física al menos esto tiende a ser realizado por experimentadores, no por teóricos. Esto implica analizar conjuntos de datos experimentales para encontrar señales interesantes en ellos o para confirmar si cierta señal es real o podría ser el resultado del ruido experimental.
La investigación de la teoría de cuerdas es principalmente del tercer tipo anterior: tratar de comprender la teoría configurando modelos de juguetes y resolviendo las consecuencias. Este tipo de trabajo en la “realidad virtual” de la teoría de cuerdas es lo que llevó a las personas a descubrir cosas como las D-branes o la teoría M. Por ejemplo, en mi investigación de doctorado, establecería las ecuaciones para ciertos tipos de agujeros negros con varias simetrías y cargas, y calcularía los resultados (generalmente usando simulaciones por computadora). Luego interpretaría estos resultados a través de una dualidad conjeturada en la teoría de cuerdas llamada AdS / CFT, que permite que los cálculos en teorías de campo cuántico fuertemente acopladas (léase: difíciles de calcular) se asignen a cálculos (más fáciles) en una relatividad general -como teoría. A veces habría un caso en el que los cálculos fueran posibles en ambos lados de la dualidad, y luego podríamos compararlos (siempre terminaban coincidiendo), probando así que la conjetura de la dualidad es verdadera.
A veces, la investigación de la teoría de cuerdas también se puede utilizar para hacer predicciones experimentales. Por ejemplo, los cálculos en cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que modela las fuertes interacciones entre nucleones, son muy difíciles. La dualidad AdS / CFT que mencioné anteriormente se usó para realizar cálculos similares en un modelo que es similar a QCD, pero manejable debido a la dualidad; Las predicciones, relacionadas con un plasma de quark-gluón, se probaron, por ejemplo, en el experimento RHIC en Brookhaven, Long Island, NY.
Los resultados experimentales también guían la investigación en la teoría de cuerdas. Como ejemplo, el modelo estándar de física de partículas es la teoría física más exitosa que hemos tenido: predice los resultados de los experimentos con una precisión asombrosa. Como tal, cualquier teoría que quiera mejorar el modelo estándar, como la teoría de cuerdas, debe poder hacer las mismas predicciones en las condiciones en que las probamos antes. Entonces, un tema de investigación en la teoría de cuerdas implica tratar de encontrar formas de “incrustar” el modelo estándar dentro de la teoría de cuerdas. Es decir, el “mundo virtual” de la teoría de cuerdas es un universo tan grande, que en realidad es difícil encontrar exactamente dónde encaja el modelo estándar, aunque hay buenas razones para creer que sí. Piense en ello como un juego muy difícil de “dónde está Waldo” que se realiza en un espacio enorme (según algunas estimaciones, hay, en cierto sentido, [matemática] 10 ^ {500} [/ matemática] lugares para investigar – eso es casi como mirar cada átomo en cada universo, si hubiera tantos universos como átomos en nuestro universo; es un número enorme).
Esto fue un poco largo, pero espero que les haya dado una idea de lo que los físicos teóricos en general, y los teóricos de cuerdas en particular, hacen todo el día.
