¡Copiaré mi respuesta a una pregunta relacionada ya que parece relevante!
Creo que es un tema hermoso y realmente ha tenido mucho que contarnos sobre una variedad de temas valiosos, incluidas las aplicaciones en matemáticas puras. Quizás lo más notable (en mi opinión) es el hecho de que la teoría de cuerdas motivó la correspondencia AdS / CFT, nuestra manifestación más enrarecida del llamado principio holográfico.
Para algunos, el hecho de que este resultado aparezca en un entorno inmediatamente fibroso sirve para reivindicar las esperanzas de los teóricos de cuerdas. Para mí también encuentro que este es un resultado verdaderamente notable.
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Otro hermoso resultado vino del trabajo de Strominger & Vafa que demostró que la entropía de los agujeros negros puede explicarse por los microestados de cuerdas . Ahora esta mente suena terriblemente confusa; Hawking et al demostraron que los agujeros negros irradian y en particular tienen una entropía.
Ahora en termodinámica, la entropía termodinámica surge del hecho de que uno está describiendo un sistema con muchos, muchos microscopios. grados de libertad (como todos los átomos en una taza de café, por ejemplo). La pregunta ingenua, volviendo a la entropía del agujero negro, es: ¿la entropía del agujero negro proviene de grados microscópicos de libertad? En otras palabras, ¿es la entropía del agujero negro realmente una entropía termodinámica de buena fe? Según la teoría de cuerdas, la respuesta es aparentemente así.
Nuevamente, este resultado es muy alentador desde el punto de vista de tratar de entender la gravedad cuántica. Como tal, poder dar cuenta de la entropía de los agujeros negros debería ser una condición de consistencia que cualquier teoría de la gravedad cuántica debe satisfacer (incidentalmente, haciendo que el resultado de Hawking sea extremadamente poderoso a este respecto).
Pero la conclusión es que lo que queremos es una teoría consistente, convincente y predictiva de la física gravitacional cuántica.
¿La teoría de cuerdas hace esto?
Lo que está claro es que la teoría de cuerdas es automáticamente una teoría de la gravedad cuántica . Esto está garantizado por el hecho de que, en términos generales, las versiones cuánticas de las excitaciones de cuerdas contienen un subconjunto de excitaciones que tienen exactamente las mismas propiedades que los gravitones , los cuantos cuántico-mecánicos del campo gravitacional * .
También es extremadamente fascinante el hecho de que la teoría de cuerdas tiene el potencial de unificar todas las interacciones (conocidas) en la naturaleza. Esto se debe a que las excitaciones cuánticas de las cuerdas, además de los gravitones, también contienen partículas que se ven como las llamadas partículas portadoras de fuerza del modelo estándar. Ahora hay una trampa aquí porque si bien los componentes básicos de las interacciones en la naturaleza (de acuerdo con el modelo estándar de física de partículas) están ahí en forma de estas excitaciones, no sabemos exactamente cómo ver exactamente cómo emerge el modelo estándar de la teoría de cuerdas. En principio, sabemos cómo lograr esto, pero actualmente nadie sabe exactamente cómo; ¡Es un tema candente de la investigación actual!
Entonces, la teoría de cuerdas tiene el potencial de describir la gravedad cuántica, podría potencialmente unificar todas las interacciones observadas en la naturaleza, puede proporcionar una descripción microscópica de la entropía del agujero negro e inspiró la correspondencia AdS / CFT, una herramienta muy poderosa en nuestro intento para entender la gravedad cuántica.
¿Pero qué hay de sus defectos?
La teoría de cuerdas viene con un conjunto de equipaje conceptual que algunos (incluido yo mismo) no están listos para tragar. Los dos ejemplos pertinentes son el hecho de que, como usted dice en la pregunta, la teoría de cuerdas requiere dimensiones adicionales y, en segundo lugar, que la teoría de cuerdas requiere supersimetría. Ahora, al momento de escribir esto, no estoy al tanto de que hayamos visto evidencia de ninguno de estos y estos son grandes “si”.
Aproximadamente, si hay dimensiones adicionales (más de las 4 que observamos), debe darse el caso de que las dimensiones adicionales estén efectivamente “ocultas” de tal manera que tenga sentido que no las hayamos observado. Esto es perfectamente factible en la teoría de cuerdas; lo que tiene que hacer es concluir (o, más formalmente, compactar) las dimensiones adicionales con radios de compactación apropiadamente pequeños (recuerde, necesitamos envolver varias dimensiones). Ahora, de nuevo, todo esto está teóricamente bien, pero sigue siendo una gran suposición de que hay dimensiones adicionales. Hasta cierto punto, si esto es realmente bueno o malo es un punto de vista. Algunos investigadores encuentran ramificaciones de múltiples dimensiones convincentes; Esto podría proporcionar una explicación de por qué algunas interacciones son más fuertes / más débiles que otras, por ejemplo, la idea aquí es que la fuerza de algunas de las interacciones podría, en términos generales, “filtrarse en las dimensiones adicionales”, haciéndolas más débiles que otras.
El tema más difícil para la teoría de cuerdas, en mi opinión, es la supersimetría . La supersimetría requiere que para cada partícula del modelo estándar, haya una contraparte supersimética, llamada supercompañera. Ahora no observamos supersimetría en la naturaleza; si hiciéramos estas contrapartes se habrían observado junto con todas las otras partículas porque tendrían las mismas masas. Para que esto sea cierto, la supersimetría debe romperse espontáneamente en la naturaleza, de tal manera que las partículas del supercompañero sean lo suficientemente masivas como para tener en cuenta el hecho de que no las hemos observado (todavía). Sin embargo, los físicos de partículas nos han estado diciendo repetidamente durante años que es solo cuestión de tiempo antes de que observemos a un súper compañero, pero hasta ahora no han aparecido resultados en LHC en el CERN. Me parece que la situación parece cada vez más desesperada por la supersimetría. Teóricamente, todavía se puede argumentar que los súper socios son demasiado masivos para haber sido observados, pero el alcance de las teorías supersimétricas viables se está reduciendo. Personalmente no me sorprendería si simplemente no está allí .
La teoría de cuerdas requiere supersimetría por la misma razón que la teoría cuántica de campos requiere fermiones para describir la naturaleza: para describir la partícula de materia. El modelo estándar describe no solo partículas bosónicas portadoras de fuerza como los fotones y gluones, sino también las partículas que comprenden la materia, como los quarks y los electrones que son fermiones. Sin supersimetría en la teoría de cuerdas, todo lo que puede tener es una descripción de los bosones; Para describir fermiones en la teoría de cuerdas, necesita supersimetría. Existe la pregunta de si la supersimetría del espacio-tiempo es crucial o no, pero que yo sepa, lo es (en cuyo caso se aplica todo este párrafo), pero podría estar equivocado y me alegraría descubrir que ¡fue!
Podría decirse que la teoría de cuerdas está muy lejos de lo que esperaríamos de una teoría de gravedad cuántica. Lo más pertinente es el hecho de que la teoría de cuerdas carece de una formulación dependiente del fondo. Lo que esto significa es que, a diferencia de la teoría de la relatividad de Einstein, la teoría de cuerdas actualmente necesita una elección de espacio-tiempo de fondo. Hasta este punto, la teoría de cuerdas se podría decir que tiene el mismo formalismo que la teoría de campo cuántico ordinario. Esta falta de nuevos principios enmarca una gran parte de mi propio escepticismo hacia el campo en vista de cómo la física teórica contemporánea tradicionalmente ha dado grandes avances desde un enfoque basado en principios. Simplemente creo que necesitamos algo más allá del marco actual.
Mi opinión es que, si bien la teoría perturbativa del campo cuántico ha sido inmensamente exitosa en la descripción de la física microscópica, no obstante tenemos que pasar a un formalismo independiente de fondo para incorporar la gravedad. Esto parece ser sugerido por el papel central que juega el principio de equivalencia de Einstein en nuestra comprensión de la gravedad.
La teoría de cuerdas podría ser la respuesta que estamos buscando, ciertamente tiene suficientes facetas convincentes para haber atrapado la mirada más amplia de la comunidad teórica por el momento, y puedo apreciar por qué, pero está plagada de muchos problemas abiertos. Ciertamente, si no se encuentra la supersimetría, puede ser un golpe fatal para la teoría de cuerdas.
¡Hasta ese punto, todos los ojos están puestos en el LHC!
* En el sentido de tratar la teoría de Einstein como una teoría de campo cuántico ordinario con un fondo fijo. Esta descripción es solo aproximada (a bajas energías) porque realmente la teoría de Einstein no depende de un fondo fijo. En otras palabras, los gravitones no son características universales de la gravedad cuántica.
