Según el modelo estándar de la física de partículas, las fuerzas fundamentales, o tal vez más adecuadamente, las interacciones fundamentales de la naturaleza están mediadas por partículas bosónicas . No necesita preocuparse tanto por lo que significa “bosónico” por ahora, pero la definición formal es más o menos que una partícula bosónica vuelve a sí misma cuando se gira 360 grados (un caso inverso es la instancia de fermiones, que escogen hacia arriba un signo menos cuando se gira 360 grados, ¡solo regresa a sí mismos cuando se gira 720 grados!)
Ahora, el modelo estándar de física de partículas describe la física microscópica de las interacciones fuertes , débiles y electromagnéticas . ¡Estas interacciones están mediadas, respectivamente, por gluones , bosones W / Z y fotones !
Una propiedad muy especial de estas partículas es que todas se transforman de la misma manera (como un vector) cuando cambias las coordenadas a un observador diferente en una teoría relativista especial. Tal transformación se llama transformación de Lorentz, por lo que esto equivale a decir que todos estos bosones se transforman de la misma manera bajo una transformación de Lorentz. Exactamente cómo una partícula se transforma bajo una transformación de Lorentz está codificada completamente por una propiedad intrínseca de las partículas de mecánica cuántica llamada espín . Las partículas que se transforman como vectores bajo las transformaciones de Lorentz tienen espín 1, por lo tanto, todos los bosones mediadores de interacción mencionados anteriormente tienen espín igual a 1 .
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Ahora, hasta ahora, hemos dejado completamente de lado otra interacción en la naturaleza, ¡a saber, la gravedad !
El modelo estándar de física de partículas no incorpora física gravitacional. El modelo estándar es una teoría de la mecánica cuántica. Como tal, incorporar completamente la gravedad significa primero encontrar una teoría de la gravedad cuántica. Esta tarea ha resultado fenomenalmente difícil, y aún no se ha presentado una respuesta satisfactoria, aunque hay varias vías alentadoras de investigación en curso (¡uno de esos campos es la teoría de cuerdas!)
Ahora lo que podemos hacer es esto, tratar la gravedad como si fuera una teoría de campo clásica ordinaria e intentar encontrar una teoría cuántica de eso. Ahora esto falla espectacularmente porque a altas energías (acercándose a la escala de Planck) esta versión ingenuamente cuantizada de la teoría de la relatividad general de Einstein pierde todo poder predictivo . La razón precisa de que esto suceda es porque la constante de Newton ( que también aparece en la mecánica newtoniana, de tal manera que la teoría de Einsein, aunque conceptualmente distinta, concuerda con todas las predicciones de la teoría de Newton en los regímenes cuando sabemos que la teoría de Newton describe la física ¡bien! ) tiene dimensiones: tiene unidades de masa no triviales. En lo que respecta a la teoría cuántica de campos, este es un gran no-no porque las teorías cuánticas con constantes de acoplamiento dimensionadas no son renormalizables. ¡Basta decir que esto significa que la teoría (por falta de mejor fraseo) explota en tu cara y no tiene poder predictivo!
Sin embargo, toda esperanza no se pierde por completo. Lo que tenemos con nuestra “teoría de la gravedad ingenuamente cuantizada” es una teoría efectiva de la gravedad cuántica totalmente válida . Aproximadamente lo que quiero decir con “efectivo” aquí es “funciona bien siempre que no preguntemos qué sucede a altas energías”. Así que eso es genial, la gravedad ingenuamente cuantizada es una teoría perfectamente buena de baja energía de la gravedad cuántica, siempre que solo haga preguntas sobre qué predicciones hace la teoría para los experimentos de baja energía.
Entonces, ¿cómo se ve esta teoría? Bueno, es básicamente una teoría del campo cuántico ordinario, donde el campo es, en términos generales, el campo gravitacional (en realidad, esto no se parece en nada a lo que uno podría estar acostumbrado a pensar como un campo gravitacional) , cuyos cuantos también son partículas, llamadas gravitones .
Entonces los gravitones, en nuestra teoría efectiva, median la interacción gravitacional . Tenga en cuenta (sé que sigo diciendo esto) que así es como la gravedad cuántica se ve a bajas energías, en general, esta imagen va a salir completamente de la ventana proverbial como muchos otros “sonidos agradables pero- ideas realmente totalmente equivocadas ”favorecemos con toda inocencia.
Los gravitones no se transforman como vectores en transformaciones de Lorentz, porque el campo que los origina no es un vector sino un llamado tensor de rango 2. Todo esto se reduce a (por razones que probablemente me harían parlotear lo suficiente como para aburrir a alguien que orgullosamente leyó hasta aquí y pensó que casi había terminado) es que los gravitones tienen un giro igual a 2.
Ahora a la teoría de cuerdas!
La teoría de cuerdas viene principalmente en dos avatares, la teoría de cuerdas clásica y cuántica . El primero se puede obtener del segundo a través del llamado proceso de cuantización (y con un nombre poco imaginativo) . En lo que se centran los teóricos de cuerdas es en la teoría de cuerdas cuánticas , ya que tiene la posibilidad de describir nuestro universo mecánico cuántico (aparentemente fundamentalmente). En otras palabras, la teoría de cuerdas de la que hablan los teóricos de cuerdas es fundamentalmente de naturaleza cuántica.
Las excitaciones de la cuerda clásica se pueden describir como vibraciones / oscilaciones de la cuerda. Se puede entender que cada oscilación surge de un conjunto de modos de cuerda o armónicos de cuerda que culminan en cualquier forma de vibración que la cuerda sea capaz de hacer. Esto es básicamente una transformación de Fourier, si está familiarizado con esa idea de las matemáticas; Los coeficientes de Fourier describen modos armónicos independientes en la cuerda.
Ahora los cuantos de la cadena cuántica son análogos cuánticos de estos modos armónicos, de la misma manera que las partículas son los cuantos de las teorías de campo cuántico. ¡Lo notable es que estos cuantos de las cadenas cuánticas describen estados de partículas mecánicas cuánticas! La cadena cuántica, en general, describe un espectro infinito de partículas correspondientes a sus modos oscilatorios. La masa de un estado de partícula dado correspondiente a una excitación de cuerda se determina entonces por qué tan enérgica es la excitación. Si la cuerda está muy excitada, el correspondiente estado de partículas cuánticas es más masivo .
Son los estados bajos los que son de particular interés en la teoría de cuerdas.
¡Lo que sucede en la teoría de cuerdas es que las excitaciones sin masa de una cuerda cuántica abierta (que tiene dos extremos abiertos) son partículas sin espín sin masa al igual que las partículas mediadoras de interacción del modelo estándar! Para la cuerda cuántica cerrada (piense en esto como un bucle cerrado de cuerda), sus excitaciones sin masa son partículas de espín 2, ¡ como el gravitón en nuestra teoría efectiva de la gravedad! En otras palabras, la cadena cuántica contiene simultáneamente, en su espectro de estados de partículas, los bloques de construcción básicos de las interacciones descritas por el modelo estándar y la gravedad cuántica de baja energía.
Cuando la mayoría de los físicos se encuentran con esto por primera vez, la reacción suele ser una especie de euforia hechizada y desconcertada. ¡Realmente es un marco tentadoramente hermoso en el que la gravedad se incorpora automáticamente en un entorno mecánico cuántico! Para muchos teóricos de cuerdas, este es probablemente el comienzo de su relación amorosa con la teoría (lamentablemente, como muchas relaciones, ¡no siempre dura!)
Ahora, todo esto es bastante embriagador y maravilloso, pero ¿significa esto que la teoría de cuerdas describe exactamente el contenido del modelo estándar, con sus fotones, gluones y bosones W / Z? ¡La respuesta a esta pregunta es un tema de investigación actual! En otras palabras, ¡no sabemos exactamente cómo (o realmente si) esto funciona! La idea básica es que la teoría de cuerdas debe hacerse para generar las interacciones que observamos en la naturaleza. La idea general sobre cómo idear la teoría de cuerdas para producir los tipos de interacción que vemos se entiende bien (puede apilar D-branes juntas para generar diferentes grupos de indicadores , como en algunos casos los del modelo estándar) pero La forma en que esto sucede sigue siendo misteriosa y es un gran problema abierto para la teoría de cuerdas. No hace falta decir que sospecho que la gran mayoría de los teóricos de cuerdas creen que este problema se abordará satisfactoriamente en el futuro (con suerte).
El hecho de que la teoría de cuerdas tenga esta afinidad natural por los componentes básicos de las interacciones que observamos en la naturaleza es solo una de las características altamente convincentes que nos mantienen a muchos de nosotros tan fervientemente interesados en descifrar todos sus detalles gloriosos y desordenados. El hecho, en particular, de que potencialmente reconcilie la mecánica cuántica con la relatividad general, es ampliamente considerado como otro de sus rasgos más convincentes. Como tal, la teoría de cuerdas es una teoría candidata de la gravedad cuántica y, de hecho, es considerada por muchos en el campo (¡pero no por mí mismo si se dice la verdad!) Como nuestro mejor candidato para una teoría de la gravedad cuántica.
¡No hace falta decir que esta es otra historia! 😉
