Archivos del mes: abril 2007

Michio Kaku habla sobre universos paralelos

El Dr. Kaku, uno de los físicos teóricos más reconocido en el campo de las cuerdas, responde a las preguntas de los internautas en el chat de la BBC.

Marco: ¿Cuando veremos la confirmación experimental de la Teoría de Supercuerdas? ¿Durante cuando tiempo se mantendrá como una teoría sin pruebas?

Dr Michio Kaku: La prueba directa de la Teoría de Supercuerdas puede estar aún lejos en un futuro lejano, Sin embargo, las medidas indirectas pueden llegar pronto. La mayoría de la ciencia, de hecho, se hace mediante experimentos indirectos. Por ejemplo, nunca hemos visitado el Sol pero sabemos qué está hecho de hidrógeno gracias a los ecos del sol que llamamos luz solar. De la misma forma, esperamos encontrar ecos de la décima dimensión. Por ejemplo, en Ginebra, Suiza, se pondrá en marcha un gran Colisionador de Hadrones y esperamos encontrar partículas o superpartículas que serían la siguiente vibración más baja de la supercuerda. Además, la materia oscura que conforma el 90% del Universo podría estar hecha de superpartículas.

Keith Marsden: ¿Podría existir yo en un universo paralelo y si es así podría mi vida tomar un curso diferente?

Dr Michio Kaku: Hay muchos tipos de universos paralelos. Si hablamos de universos paralelos cuánticos entonces sería semejante a nuestro universo, excepto por una diferencia cuántica. Por ejemplo, si un rayo cósmico atravesase el vientre de la madre de Hitler y Hitler nunca hubiese nacido, podríamos ser un evento cuántico fuera de un universo paralelo sin Segunda Guerra Mundial. Sin embargo, si el universo paralelo está en otra dimensión entonces las mismas Leyes de la Física cambiarán y los átomos se harían inestables. Y existen dos tipos de materia en esos universos, la física sería completamente distinta de la nuestra.

Josh Conway: ¿Cómo de importante en el tiempo para al Teoría M?

Dr Michio Kaku: La Teoría M está definida en un espacio-tiempo de 11 dimensiones con diez dimensiones de espacio y una para el tiempo. Por tanto la Teoría M tiene solo un tiempo. Sin embargo hay algunas especulaciones sobre que la Teoría F puede contener dos dimensiones de tiempo y diez dimensiones espaciales. Por tanto sería un universo con dos tiempos y doce dimensiones. No obstante, la Teoría F solo la mantienen una minoría de físicos.

Mike Garman: ¿Su teoría explica el comienzo de nuestro universo, pero de dónde salieron las membranas que lo iniciaron?

Dr Michio Kaku: Creemos que un multiverso de universos existe como burbujas flotando en la Nada. Cada burbuja se forma como una fluctuación cuántica de la Nada. Creemos que cuando esta burbuja forma su materia está dominada por cuerdas y membranas que crean notas musicales las cuales vemos como partículas del universo.

Ross McManus: ¿Pueden explicarse la materia oscura y los agujeros negros usando la Teoría M?

Dr Michio Kaku: En parte, sí. En la Teoría M, las soluciones de agujeros negros existen no solo como remanentes de estrellas moribundas; existen también como partículas subatómicas. Por tanto hay una unidad entre agujeros negros y partículas elementales. También, la siguiente vibración de las cuerdas incluye un fotino o partícula que puede conformar la mayor parte de la materia oscura del universo. Por tanto la materia oscura podría ser una nota musical más alta en la cuerda.

Pieter Verhoeven: ¿Qué quiere decir con “Burbujas de Nada”?

Dr Michio Kaku: El agua hirviendo en un evento puramente mecánico. Si las moléculas de agua fuesen como bolas de billar, el agua nunca herviría. El agua hierve y tiene lugar en el agua una diminuta fluctuación. De la misma forma, podrían estar creándose universos a cada momento, incluso mientras hablamos, debido a las fluctuaciones de la Nada. En otras palabras, los universos podrían ser libres y los Big Bangs suceder a cada instante como en el agua hirviendo.

Peter Wentworth: ¿Cuáles son as posibilidades de un segundo Big Bang? ¿Es teóricamente posible?

Dr Michio Kaku: Hay ciertas especulaciones sobre que los objetos que provocan explosiones de rayos gamma liberan la mayor cantidad de energía desde el Big Bang. Hay algunas especulaciones en cuanto a que podrían tener energía suficiente como para abrir un agujero en nuestro universo-burbuja, por tanto de nuestro universo brotarían dos, creando un universo bebé el cual abandona al universo madre. Sin embargo, hasta que la Teoría M no se comprenda mejor no podemos probar que un universo bebé pueda ser creado a partir de otro universo.

John Reyes: Dr Kaku, ¿cómo se puede viajar en el tiempo cuando el tiempo no existe? Y, si lo hace, ¿sabría en qué dirección apuntar su nave?

Dr Michio Kaku: El tiempo es como un río. Se curva y fluye alrededor del universo. El tiempo también puede tener remolinos y también bifurcarse en dos ríos. De esta forma, el viaje en el tiempo podría ser posible. Sin embargo, debe tener una energía de Planck para crear una máquina del tiempo o la energía de un Agujero Negro. Esto está muy lejos de nuestra tecnología.

Dr: ¿Once dimensiones significan otras formas de vida de algún tipo?

Dr Michio Kaku: No sabemos si las formas de vida pueden existir en otra dimensión. Sin embargo, los átomos como los conocemos, podrían no ser estables en otras dimensiones. Si reemplazamos la Ley del Cuadrado Inverso de Newton por la Ley del Tubo Inverso entonces el Sistema Solar y los átomos se vienen abajo. Sin embargo, podrían existir nuevas formas de materia en dimensiones superiores.

Viva Wright: ¿Existe la posibilidad de transferencia de conocimiento inconsciente entre universos?

Dr Michio Kaku: A día de hoy, los físicos creen que la conciencia está confinada al cerebro humano, por tanto la telepatía entre universos no sería posible. Sin embargo, el problema de la conciencia en la Teoría Cuántica es un problema sin resolver aún. La Teoría M aún es una Teoría Cuántica.

Nick Rimmington: ¿Cree que esta teoría puede explicar por qué el ratio de expansión del universo está aumentando?

Dr Michio Kaku: Nadie sabe cómo calcular la materia oscura, la cual es la causante de la aceleración del universo. La mejor esperanza es la Teoría M, pero nadie sabe cómo resolver la Teoría M o el Big Bang. Tal vez uno de los espectadores de este programa sea inspirado para usar la Teoría M para explicar la aceleración del universo.

Adam Kirsch: ¿Si el espacio es la 5ª dimensión, qué son la 6ª o la 7ª?

Dr Michio Kaku: Si la quinta dimensión vibra, entonces las ondas de la quinta dimensión son visibles como luz. Si vibran otras dimensiones, entonces las ondas se ven como fuerzas nucleares, por tanto las fuerzas de nuestro universo pueden ser vistas como ondas en el hiperespacio.

Christopher Sayer: ¿Puede una membrana crearse a partir de la colisión de otras dos membranas?

Dr Michio Kaku: Cuando dos membranas o cuerdas colisionan, crean nuevas membranas y cuerdas. Los diagramas que nos dicen cómo colisionan cuerdas y membranas son como los diagramas de Feynman que vemos en la Teoría Cuántica. Nuestros cuerpos son sinfonías de cuerdas y membranas vibrantes. La Química de nuestro cuerpo es una consecuencia de la colisión de estas membranas y cuerdas.

Simon Lawrence: ¿Si el universo está en expansión constante, cuando se firmará el final de nuestro universo conocido?

Dr Michio Kaku: Nuestro universo morirá en el hielo más que en el fuego. En algún momento, nuestro universo, dentro de miles y miles de billones de años, alcanzará casi el cero absoluto haciendo imposible la vida inteligente. Por tanto, debemos escapar al hiperespacio si vamos a sobrevivir a la muerte del universo.

Tom Brown: En teoría, ¿es posible usar el espacio entre los universos, saliendo y reentrando, para viajar a muchos años luz dentro de nuestro universo, pero sin que pase el tiempo?

Dr Michio Kaku: Las ecuaciones de Einstein nos dan una posibilidad de salta al hiperespacio a través de un agujero de guasno para alcanzar otro universo. Sin embargo, no tenemos suficiente energía para abrir tal agujero y no sabemos qué tan estable podría ser el agujero.

Brian Whaley: Si el tiempo tiene una sola dimensión,¿cómo se puede tratar el tema de cómo de “rápido” pasa el tiempo – y las diferencias entre – “hora del día” y tiempo como duración?

Dr Michio Kaku: La Teoría M es solo matemáticamente consistente con una dimensión temporal y diez dimensiones espaciales. para cualquier otra combinación la Teoría M es inconsistente.

Sam Jenkins: Si nuestro universo está contenido en una “burbuja”, ¿Qué forma la superficie?

Dr Michio Kaku: La superficie de esta burbuja es el mismo universo. La gente me pregunta a menudo dónde tuvo lugar el Big Bang. El Big Bang no tuvo lugar en la superficie de la burbuja, tuvo lugar dentro de la burbuja, es decir, en el hiperespacio.

Phil Williams: ¿Qué es el hiperespacio?

Dr Michio Kaku: El hiperespacio es el espacio más allá de las tres dimensiones espaciales y la dimensión temporal. Históricamente, los científicos pensaron que el hiperespacio no podría existir, ahora creemos que en el hiperespacio hay bastante espacio para unificar las fuerzas fundamentales. Cuatro dimensiones de espacio-tiempo son demasiado pequeñas para unificar las cuatro fuerzas fundamentales.

Chris Norrie: ¿Cree usted en el infinito?

Dr Michio Kaku: Hay muchos tipos de infinitos. La edad del Universo puede incrementarse sin límite dado que nuestro Universo está acelerando. En espacio, sin embargo, nuestro Universo puede ser finito en el hiperespacio pero infinito en tres dimensiones como una burbuja. Por lo que el objeto más lejano del Universo sería la parte posterior de tu cabeza.

Patrick Clarke: ¿Hay infinitas partículas con las mismas x,y,z y valores de tiempo como estas en mi cuerpo?

Dr Michio Kaku: Bueno, en la Teoría M tenemos un infinito número de partículas. Cada una representa una nota musical en una cuerda o membrana, por lo que los átomos de nuestro cuerpo son como estas notas de una cuerda. La Química es la melodía en estas membranas y el Universo es una sinfonía de membranas y cuerdas vibrantes.

William Joseph: ¿Dice la Teoría M algo acerca de la idea de que la velocidad de la luz en nuestro Universo está decelerando?

Dr Michio Kaku: La Teoría M reproduce toda la Teoría de Einstein y más. Además la velocidad de la luz en el vacío nunca cambia.

Tony Hall: ¿La Teoría M incorpora Teoría Numérica en su estructura?

Dr Michio Kaku: La Teoría de Cuerdas ha engullido muchas ramas de las Matemáticas que han asombrado a los matemáticos. Sin embargo, hay una rama de las Matemáticas que parece estar más allá del alcance de la Teoría de Cuerdas, que es la Teoría Numérica. Por ejemplo, no encontramos la último Teorema de Fermat en la Teoría de Cuerdas.

Jean: ¿Podrían ser los agujeros negros caminos de nuestro Universo a otros Universos Paralelos?

Dr Michio Kaku: Sí, hay una teoría que dice que el universo puede tener hijos, a través de un proceso de en ciernes en el cual un universo se divide en dos universos menores. Sin embargo esto es solo una teoría, y tendremos que esperar hasta que la Teoría M esté más desarrollada para decidir si el universo puede tener hijos.

Patrick Clarke: ¿Es en el Big Bang donde las once dimensiones tienen un valor de cero?

Dr Michio Kaku: En una solución de la Teoría M, nuestro universo es una bola de 4 dimensiones flotando en 11 dimensiones. En las otras siete dimensiones, podría haber otras burbujas flotando. Una teoría dice que la burbuja más cercana a nuestro Universo podría estar a un milímetro de distancia de nosotros. Esta teoría se comprobará en Ginebra en pocos años.

Nigel: ¿La razón en la vibración de las membranas puede ofrecer una posible conexión entre ellas?

Dr Michio Kaku: Las grandes membranas pueden recordar a universos como el nuestro flotando en el hiperespacio. Sin embargo, las membranas diminutas pueden verse como partículas subatómicas cuyas vibraciones e interacciones nos dan las leyes de la Química. Además, la Teoría M unifica las partículas subatómicas y los universos.

Trici Shaw: ¿Qué es F en la Teoría F?

Dr Michio Kaku: F en la Teoría F viene de Father (padre en inglés). M en la Teoría M puede venir de Madre, Misterio o Membrana.

Alan Trevitt: Si los universos son paralelos unos a otros, ¿por qué la gravedad funciona solo en una dirección, es decir, hacia abajo?

Dr Michio Kaku: La gravedad está causada por el trabajo del espacio-tiempo. Además, si tenemos dos burbujas cercanas unas de otra distorsionarán el espacio-tiempo alrededor de ellas y sentirán la gravedad de otras. Además, la materia oscura puede ser la presencia de un universo cercano que no podemos ver.

Alex Greybrook: ¿Cómo se descubrió el hiperespacio?

Dr Michio Kaku: Los griegos intentaron probar hace 2 000 años que el hiperespacio era imposible. Sin embargo,, Vernhard Riemann probó en 1870 que el hiperespacio era posible. Entonces Kaluza en 1921 demostró que los universos podían existir en el hiperespacio.

Richie Lunt: ¿Aunque los átomos son estables en nuestra dimensión lo serían en otras?

Dr Michio Kaku: Los átomos de otras dimensiones podrían ser inestables dado que la ley del cuadrado inverso no se mantiene. Sin embargo, dos formas de materia estable podrían existir en los hiper-universos, las cuales no están basadas en átomos. Pero los físicos no saben nada más sobre este tema.

Funky Monkey: ¿Por qué las membranas de otros universos paralelos tienen formas distintas? ¿No deberían tener la misma? ¿Qué sucede con los efectos internos de la forma física del universo?

Dr Michio Kaku: Las membranas pueden tener muchas formas y tamaños. Por ejemplo, una cerobrana es una partícula, una unobrana es una cuerda, una dosbrana en una membrana, una tresbrana podría ser un universo.

Zhou Fang: ¿La Teoría M puede haber demostrado ser matemáticamente posible, pero alguna vez seremos capaces de probar que es en realidad posible?

Dr Michio Kaku: Experimentalmente, esperamos encontrar super-partículas en los próximos años con nuestros colisionadores de átomos. Sin embargo, creo que si somos lo bastante listos podríamos resolver la teoría y entonces derivar todas las leyes de la Química y la Física. Eso sería una prueba de que la Teoría M es correcta. Por tanto, esos experimentos no son en verdad necesarios. La Teoría es suficiente.

Ross Campbell: ¿De dónde vino la energía requerida para producir las membranas en primera instancia?

Dr Michio Kaku: La cantidad de energía necesaria para crear un universo burbuja es cero. La materia tiene energía positiva, pero la gravedad tiene energía negativa. La suma de las dos debería ser cero. Esto significa que los universos burbuja pueden crearse en cualquier momento. Por tanto, el universo es gratis.

Kevin Wan: Si el tejido del universo se está extendiendo, ¿significa esto también que la membrana se está extendiendo? Si es así, ¿cuando cesará la extensión?

Dr Michio Kaku: En una teoría, nuestro universo es una membrana. Vivimos en la piel de este membrana la cual está expandiéndose constantemente debido a la energía oscura. Pensamos que esta expansión es acelerada y podría continuar para siempre sin límite.

Pimmy: ¿Se ha encontrado, hasta ahora, algún error o laguna en la Teoría M que haga imposible la explicación de algo?

Dr Michio Kaku: Hasta ahora, la Teoría M ha aguantado todos los retos matemáticos. En el pasado, los intentos previos de una teoría del todo se mostraban matemáticamente inconsistentes. La Teoría M es la única teoría que parece ser matemáticamente consistente. Sin embargo, hay muchas soluciones a la Teoría M, una de las cuales podría ser nuestro universo. Nadie ha encontrado esa solución aún.

Adrian: He oído que en otros universos el tiempo ¡podría fluir hacia atrás! ¿Es cierto esto?

Dr Michio Kaku: No hace mucho tiempo, Stephen Hawking pensó que el tiempo podría ir hacia atrás. Si el universo latiera durante la contracción, pensó que el tiempo podría ir hacia atrás. Sin embargo, admitió que estaba equivocado. Además la mayoría de los físicos no creen que el tiempo se invierta en nuestro universo. Si hubiese máquinas del tiempo, tu podrías ser capaz de invertir el tiempo en un área pequeña, pero no para todo el universo.

Trekkie: ¿Existe una posible decimosegunda dimensión?

Dr Michio Kaku: En la Teoría F los físicos de la Universidad de Harvard han propuesto un universo con dos tiempos, por tanto deberías tener dos relojes en tu muñeca para decirte qué hora es. Sin embargo, la mayoría de los físicos no toman con seriedad a la Teoría F aunque parece ser compatible con la Teoría M. Esto es un misterio.

Rob Wood: ¿Cómo explica la Teoría M el entrelazamiento cuántico – es a través de las dimensiones colapsadas?

Dr Michio Kaku: El entrelazamiento cuántico es un problema para todas las Teorías Cuánticas, incluyendo la Teoría M. El entrelazamiento cuántico dice que el universo es no local y que la información puede viajar más rápido que la luz,. Sin embargo, ninguna información útil puede enviarse más rápido que la luz a través del entrelazamiento cuántico por lo tanto no hay paradojas en el tiempo.

Bernard Hunt: ¿Es el tiempo solo la conciencia humana; una cosa que no tiene una dimensión real?

Dr Michio Kaku: El espacio-tiempo es una arena en la cual puede existir la materia. Además, el tiempo es una coordenada que mide el paso o evolución de un objeto. Alguna gente ha dicho que el tiempo no existe, lo que confunde la la percepción del tiempo con una coordenada en esta arena.

Max Guglia: Aparte de la especulación empírica, ¿cuáles podrían ser los beneficios para la humanidad de probarse la Teoría M?

Dr Michio Kaku: A corto plazo, ninguno. Pero cuando Newton desarrolló la Fuerza de la Gravedad, ayudó a poner en movimiento la revolución industrial. Cuando Faraday desarrolló la electricidad y el magnetismo puso en movimiento la era eléctrica. Cuando Einstein escribió E=MC2 desató la era nuclear. Ahora, estamos al borde de una teoría de todas las fuerzas que podría, un día, determinar el destino de la especia humana. En los próximos siglos, la Teoría M, creo, puede de alguna forma determinar el destino de la vida inteligente en el universo.

Unas palabras finales de nuestro invitado especial

Dr Michio Kaku: Estoy orgulloso de ser parte de este documental de la,en la vanguardia de mi campo – la Teoría M. Es absolutamente esencial que los científicos hablen al público sobre los excitantes y revolucionarios desarrollos que hacer temblar los cimientos de la Física moderna. Con algo de suerte, uno de vuestros espectadores será inspirado por este programa para convertirse en físico, quien finalmente complete la Teoría M y responda a preguntas como: “¿Es posible el viaje en el tiempo?” “¿Podemos viajar a otra dimensión?” y “¿Qué sucedió antes del Big Bang?”


Sobre el Autor:

El Dr. Michio Kaku es una autoridad reconocida internacionalmente en el campo de la física teórica y también en el de medioambiente. Ocupa el Profesorado Henry Semat de Física Teórica en el Colegio Ciudadano y en Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York. Su meta es ayudar a completar el sueño de Einstein de la “teoría del todo”, una ecuación única, quizás de no más de tres centímetros de largo, que unifique todas las fuerzas fundamentales del universo.

Dr. Michio Kaku

Ha dictado conferencias por todo el mundo, y sus libros de texto son lectura obligatoria en muchos de los laboratorios más importantes de física. Ha escrito 9 libros; los dos últimos, “Hiperespacio” y “Visiones” se convirtieron en best-sellers internacionales, y han sido traducidos ampliamente en diferentes lenguajes.

El Dr. Kaku se graduó en Harvard en 1968 (summa cum laude) y fue el primero en su clase de física. Recibió su doctorado de la Universidad de California, Berkeley, en el Laboratorio Berkeley de Radiación en 1972. Fue conferencista en la Universidad de Princeton en 1973. Luego ingresó a la facultad de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, donde ha sido profesor de física teórica durante 25 años. Ha sido profesor visitante en el Instituto para Estudios Avanzados en Princeton, y también en la Universidad de Nueva York.

Ha publicado más de 70 artículos de física en varias revistas científicas, entre los que trata sobre la teoría de las súper-cuerdas, la súper-gravedad, la súper-simetría y la física de los hadrones. Es co-fundador de la teoría del campo de cuerdas. También fue el autor del primer artículo sobre la supergravedad conformal y de la ruptura de la súper-simetría con las altas temperaturas.

Los campos energéticos de la vida

El principio que unifica casi todas las medicinas alternativas es que algún elan vital es el responsable de infundir en los organismos las propiedades de la vida. Actualmente, esta fuerza vital es llamada campo bioenergéticos y se asocia de forma poco clara a los campos electromagnéticos clásicos por una parte, y a funciones de ondas cuánticas por otro.

La creencia en la existencia de fuerzas vivientes es algo primordial y que permanece extendido. Llamado prana por los hindús, ch’i por los chinos, y ki por los japoneses, esta es la fuente de la vida que a veces se asocia con el alma, espíritu, y mente. En los tiempos remotos el alma estaba identificada con la respiración, lo que los hebreos llamaban ruach, los griegos psyche o pneuma (la respiración de los dioses), y los romanos spiritus. Obviamente, el origen de palabras como “psíquico” y “espíritu” residen en lo que sabemos que es una sustancia completamente material – la mezcla de N2, O2, y otros gases a los que llamamos aire. Pero los campos bioenergéticos son mucho más finos que el aire, tan finos, de hecho, que no pueden distinguirse de la nada.
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Teleclonación Cuántica: El clon del Capitán Kirk y el fisgón

Imagina al Capitán Kirk siendo teletransportado de vuelta a la Nave Estelar Enterprise y aparecen dos versiones del héroe de Star Trek en la sala de transporte de la nave. Esto sucedió hace 40 años en un episodio de la serie clásica de ciencia-ficción, y ahora, científicos de la Universidad de York y colegas suyos de Japón han conseguido algo notablemente similar en el laboratorio – aunque no hay ningún comandante de naves espaciales involucrado.

La primera demostración experimental de la teleclonación cuántica ha sido lograda por científicos de la Universidad de Tokyo, la Agencia Tecnológica y Científica de Japón y la Universidad de York. El trabajo ha sido mostrado en el último ejemplar de Physical Review Letters. La teleclonación combina la clonación (o copia) con la teleportación (es decir, transporte sin cuerpo).

Los científicos han tenido éxito al hacer la primera copia remota de rayos de luz láser, combinando clonación cuántica con teletransporte cuántico en un único paso experimental. La teleclonación es más eficiente que cualquier otra combinación de teleportación y clonación local dado que depende de una nueva forma de entrelazamiento cuántico – el entrelazamiento de multipartículas.

El Profesor Sam Braunstein, del Departamento de Ciencias de la Computación en York, dijo: “La Mecánica Cuántica nos permite hacer cosas que antes pensábamos que eran imposibles. En 1998, estuve involucrado en un experimento en América el cual era uno de los primeros sobre teleportación cuántica en el cual transmitimos un rayo de luz sin que cruzase el medio físico entre los dos puntos”.

“Este nuevo experimento es una extensión de aquél trabajo. Si cambiará el mundo para los individuos o si solo se usará por parte de los gobiernos o grandes compañías es difícil de decir. Cualquier nuevo protocolo es como un bebé recién nacido y debe desarrollarse, pero sabemos que podría ser usado para intervenir canales criptográficos.

“Los protocolos de criptografía cuántica son tan seguros que no solo pueden descubrir a un fisgón sino que también conocen dónde y cuánta información se está filtrando. Ahora, usando la teleclonación, la identidad y localización del fisgón puede ocultarse”.

La teleclonación y teleportación no serán teorías durante mucho tiempo, pero aún queda un largo camino para teleportar personas.

El Profesor Braunstein dijo: “Lo que sabemos es que sería increiblemente difícil, y desde la perspectiva de la tecnología actual, algo completamente fuera de nuestro alcance. Pero en 100 años, ¿quién sabe?”

El artículo “Demonstration of quantum telecloning of optical coherent states” (“Demostración de teleclonación de estados ópticos coherentes”) está programado para su publicación en el número del 17 de Febrero de la publicación científica Physical Review Letters. La lista de autores completa es: S.Koike, H.Takahashi, H.Yonezawa, N.Takei, Prof. S.L.Braunstein, T.Aoki y Prof. A.Furusawa.


Fecha Original: 2006-02-20

Nueva idea para el viaje interestelar

Los físicos presentan una nueva solución exacta para la ecuación de Campo Gravitatorio de Einstein

Una nueva solución de antigravedad permitirá viajes espaciales cercanos a la velocidad de la luz a finales de este siglo según predicen.

El martes 14 de febrero, el renombrado físico Dr. Franklin Felber presentará su nueva solución exacta para la ecuación, de 90 años de antigüedad, del Campo Gravitatorio de Einstein en el Foro Internacional de Aplicaciones y Tecnología Espacial en Albuquerque. La solución es la primera que tiene en cuenta masa en movimiento cercano a la velocidad de la luz.

El descubrimiento antigravitatorio de Felber resuelve los dos mayores retos en ingeniería para el viaje cercano a la velocidad de la luz: identificar una fuente de energía capaz de producir la aceleración; y limitar el estrés en el equipamiento y humanos durante la rápida aceleración.

“La investigación del Dr. Felber revolucionará la mecánica del vuelo espacial ofreciendo una forma completamente nueva de enviar naves espaciales en vuelo”, dijo el Dr. Eric Davis, compañero revisor del Instituto para Estudios Avanzados en Austin del trabajo de Felber. “Su idea, rigurosamente probada y verdaderamente única, nos ha supuesto un enorme paso adelante en hacer los viajes espaciales cercanos a la velocidad de la luz seguros, posibles, y mucho menos costosos”.

La ecuación de campo de la Teoría de la Relatividad General de Einstein nunca antes había sido resuelta para calcular el campo gravitatorio de una masa moviéndose cerca de la velocidad de la luz. La investigación de Felber demuestra que cualquier masa que se mueva más rápido de un 57,7 por ciento de la velocidad de la luz repelerá gravitacionalmente a otras masas que caigan en el estrecho “rayo de antigravedad” frente a éste. Cuanto más cercana esté la masa a la velocidad de la luz, más fuerte se vuelve este “rayo de antigravedad”.

Los cálculos de Felber demuestran cómo usar esta repulsión de la velocidad de un cuerpo a través del espacio para proporcionar la enorme energía necesaria para acelerar cargas masivas rápidamente con un insignificante estrés. La nueva solución a la ecuación de campo de Einstein demuestra que la carga “caería ingrávidamente” en un rayo de antigravedad incluso cuando se acelerase cerca de la velocidad de la luz.

Acelerar una carga de una tonelada a un 90 por ciento de la velocidad de la luz requiere una energía de al menos 30 mil millones de toneladas de TNT. En el “rayo antigravitatorio” de una estrella veloz, la carga tomaría la energía de la fuerza antigravitatoria de la estrella, mucho más masiva. De hecho, la carga haría “auto-stop” en una estrella.

“Basado en esta investigación, espero que una misión para acelerar una carga masiva a una ‘buena fracción de la velocidad de la luz’ sea lanzada antes de finales de siglo”, dijo el Dr. Felber. “Estas soluciones antigravitatorias de la Teoría de Einstein pueden cambiar nuestra visión sobre nuestra capacidad para alcanzar los límites del universo”.

De forma más inmediata, la nueva solución de Felber puede usarse para comprobar la Teoría de la Gravedad de Einstein con un bajo coste en instalaciones de laboratorio de anillos de almacenamiento detectando antigravedad en el régimen inexplorado de velocidades cercanas a la de la luz.

Durante su carrera de 30 años, el Dr. Felber ha dirigido la investigación física y los programas de desarrollo de la Armada, la Marina, las Fuerzas Aéreas, los Cuerpos de Marines, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Agencia para la Reducción de Amenazas de Defensa, el Departamento de Energía y Transporte, el Instituto Nacional de Justicia, Institutos Nacionales de Salud, y laboratorios nacionales. El Dr. Felber es Vice Presidente y cofundador de Starmark.


Fecha Original: 2006-02-12

Físicos de SLAC intentarán probar la Teoría de Cuerdas

Físicos de SLAC desarrollan una prueba de marco de trabajo dependiente para la Teoría de Cuerdas Crítica. La Teoría de Cuerdas resuelve muchas de las cuestiones que arruinan la mente de los físicos, pero tiene un problema importante — no hay actualmente ningún método conocido para comprobarla.

Los científicos de SLAC (Stanford Linear Accelerator Center o Centro Acelerador Lineal de Stanford) han encontrado una forma de probar una versión particular de esta revolucionaria teoría. La prueba se aplica a una clase de Teorías de Cuerdas Críticas las cuales se propone que están en 10 u 11 dimensiones en nuestro universo — ni más, ni menos.

Este pasado diciembre, Joanne Hewett, Thomas Rizzo y el estudiante Ben Lillie publicaron un artículo en Physical Review Letters el cual demuestra teóricamente cómo medir el número de dimensiones que componen el universo. Determinando cuántas dimensiones existen, Hewett, Lillie y Rizzo esperan confirmar o rechazar la Teoría de Cuerdas Críticas bajo condiciones específicas.

Las tres primeras dimensiones, longitud, altura y anchura, son familiares para todos nosotros. La cuarta dimensión es el tiempo. Pero, ¿qué pasa con las dimensiones extra? “Imagina una cuerda estirada entre dos rascacielos”, dice Hewett. “Si miras a un acróbata caminar a lo largo de la misma — la cuerda parecerá una línea. Pero si miras a una hormiga que camina sobre la cuerda, observarás que la cuerda es gruesa y redonda”. Las dimensiones extra postuladas por la Teoría de Cuerdas son como la cuerda con la hormiga sobre ella; son demasiado pequeñas para verlas a menos que estés muy, muy cerca.

Hewett, Lillie y Rizzo encontraron que si los llamados micro agujeros negros, que son más pequeños que el núcleo de un átomo, existen, pueden usarse para determinar el número de dimensiones extra. Si los científicos colisionan dos protones de alta energía podrían teóricamente generar tal micro agujero negros. Tal colisión podría suceder en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN (LHC), que estará operativo el próximo año. Una vez creado, el micro agujero negro decae rápidamente y emite aproximadamente una docena de distintas partículas tales como electrones, neutrinos y fotones, fáciles de detectar. Usando las propiedades predichas de decaimiento del agujero negro en neutrinos, Hewett, Lillie y Rizzo resolvieron complejas ecuaciones para determinar si el universo tiene 10, 11, o más dimensiones — tal vez demasiadas dimensiones para ser explicadas por la Teoría de Cuerdas Críticas.

Más técnicamente, el análisis aplica modelos de dimensiones extra cuando pueden formarse micro agujeros negros con un tamaño menor de la curvatura de las dimensiones adicionales y donde las partículas fundamentales que conforman nuestro universo no residen. Estos micro agujeros negros deben también existir a altas escalas de energía las cuales pueden probarse en el LHC. Bajo estas condiciones tan específicas, la prueba es válida. Estas condiciones son posibles dentro de la Teoría de Cuerdas, pero no necesitan estar presentes.

“Los cálculos son tan masivos que hemos tenido que hacer un uso extremo de la granja de UNIX Babar”, dijo Rizzo.
Por supuesto, la Teoría de Cuerdas aún no se ha probado — son necesarias las pruebas experimentales. Adicionalmente, el análisis de Hewett, Lillie y Rizzo puede desmentir la Teoría de Cuerdas, en lugar de probarla.

“Si ven los agujeros negros en el LHC, definitivamente harán este análisis”, dice Hewett. “Esto podría hablarnos sobre la naturaleza fundamental del universo”.


Fecha Original: 2006-02-10

La Teoría de Cuerdas: Una introducción detallada (II)

El Postulado de las Cuerdas

Una Teoría de Cuerdas

El descubrimiento de la Teoría de Cuerdas como potencial Teoría Unificada fue casi por accidente. En un contexto no relacionado con la unificación de fuerzas, los investigadores de los años 70 se preguntaron qué teoría podría ser capaz de describir una cuerda cuántica fundamental – un objeto con una extensión espacial finita, el cual no podría ser descrito en términos de constituyentes más básicos. Este era ciertamente un nuevo e interesante problema matemático en un contexto físico.

Tal cuerda estaría descrita de forma clásica dando la situación de un objeto extendido como una línea (recta o curva) en el espacio en un momento dado. La cuerda podría ser cerrada, como un bucle, o abierta, con dos extremos (Figura 2).

Figura 2: Cuerda cerrada a la izquierda, cuerda abierta a la derecha

Así como una partícula tiene una masa intrínseca, una cuerda tendría una tensión intrínseca. Del mismo modo que una partícula está sujeta a las leyes de la relatividad especial, una cuerda también sería relativista. Finalmente, se tendría que idear un “mecánica cuántica” de cuerdas en analogía con estas para partículas puntuales.

La presencia de una tensión intrínseca significa que la Teoría de Cuerdas posee una escala de masa inherente, un parámetro fundamental junto con las dimensiones de la masa. Esto define la escala de energía a la cual los efectos “cuerdistas” (efectos asociados a la oscilación de la cuerda) se harían importantes.

Incluso sin hacer cálculos, se puede predecir a partir de la experiencia que una cuerda cuántica debería tener muchos modos de oscilación espaciados infinitamente de forma discreta, casi igual que las cuerdas de un instrumento musical. Todos estos modos estarían localizados efectivamente en la vecindad de la cuerda, y se comportarían como partículas elementales con distintas masas relacionadas con la frecuencia de oscilación de las cuerdas. Así pues, una sola especie de cuerdas produciría muchas excitaciones similares a las partículas. ¿Podría explicarse el zoo de partículas elementales de esta forma, como surgiendo de una cuerda?

Los detalles deberían haber sido relativamente sencillos, pero aparecieron algunos resultados inesperados. Una cuerda es como una colección infinita de partículas puntuales, restringidas a mantenerse juntas para forman un objeto continuo. De este modo tiene, efectivamente, infinitos grados de libertad — ¡algo siempre peligroso! Las matemáticas de las cuerdas relativistas eran bastante sencillas al nivel de la teoría clásica, pero al intentar pasarlas a la teoría cuántica, los investigadores descubrieron que el número total de dimensiones espaciales está fijado de forma única a 26. Por tanto, las cuerdas cuánticas podrían existir solo en un mundo con 25 (en lugar de 3) dimensiones espaciales, más el tiempo. La excitación por encontrar – por primera vez – una condición de consistencia matemática que determina el número de dimensiones espaciales, en lugar de tratar este número como una entrada experimental, fue de alguna forma suavizado por el absurdo valor predicho para este número.

El entusiasmo estaba bastante aguado por el descubrimiento de que incluso en 26 dimensiones espaciales, la cuerda tenía una desagradable característica adicional. Su espectro de excitaciones similares a las partículas incluía una partícula cuya masa es un número imaginario — un “taquión”, que se creía generalmente que era un objeto no físico.

Nunca disuadidos por tales obstáculos, los teóricos notaron que la teoría contaba aún con otra sorpresa. Tras el taquión, la siguiente partícula en el espectro de oscilación de la cuerda era una partícula con espín 2 y sin masa. Una partícula sin masa puede propagarse a grandes distancias, por tanto la fuerza a la que hace de mediador es una fuerza de largo alcance. Como hemos visto, una partícula de espín 2 que media en una fuerza de largo alcance es justo el ingrediente perdido en nuestra búsqueda de la descripción fundamental de la naturaleza: el gravitón. Aprendimos que los intentos previos para incorporar el gravitón fallaron por razones técnicas asociadas a la Teoría de Campos Cuánticos. ¿Era la Teoría de Cuerdas lo bastante potente como para superar estos obstáculos?

Aquí aparece el principal avance debido al cual la Teoría de Cuerdas se ha convertido en algo tan importante como lo es hoy. La naturaleza de las cuerdas – que tienen extensión y no son puntos – acude a reparar las inconsistencias que siempre habían plagado las Teorías Cuánticas de la Gravitación. Aunque los diagramas que describen la dispersión de las partículas puntuales tienen puntos definidos donde una partícula se divide en dos, el correspondiente diagrama para cuerdas dispersas es completamente suave (Figura 3). Este simple hecho es en última instancia responsable de eliminar las singularidades en el proceso de dispersión gravitatoria el cual hace a la gravedad cuántica inconsistente y para el cual no se ha hallado remedio. Así pues, a pesar de las 26 dimensiones y de la partícula no física del “taquión”, se encontró que la Teoría de Cuerdas contenía una prometedora solución al problema de la gravedad.

Figura 3: Partícula en procesos dispersos a la izquierda, cuerda en procesos dispersos a la derecha.

Teoría de Supercuerdas

Esta promesa comenzó a hacerse más convincente cuando se encontró una Teoría de Supercuerdas mejor, la cual no tenía taquiones, y que no requería las 26 dimensiones espaciales, pero que mantenía la partícula sin masa parecida al gravitón. Extraordinariamente, esta enlazó todas las ideas que encontramos en las secciones previas: supersimetría, unificación y la propuesta de Kaluza-Klein.

En la teoría de cuerdas, el taquión aparece como una excitación con masa cuadrada negativa. Desde el punto de vista de un observador en la cuerda, esta excitación aparece como un estado de energía negativa. Esta estaba conectado a un hecho familiar en la mecánica cuántica: a causa del famoso Principio de Incertidumbre, la energía mínima de un sistema localizado tiende a no desaparecer. La presencia de un taquión en la Teoría de Cuerdas podría ser matemáticamente rastreado por la presencia de este “punto de energía cero” que no desaparece en los sistemas cuánticos típicos. Por consiguiente si podemos identificar sistemas cuánticos especiales donde el punto de energía cero desaparezca, posiblemente seríamos capaces de inventar una Teoría de Cuerdas Especial sin ningún taquión.

Los sistemas cuánticos sin puntos de energía cero tienen lugar en presencia de supersimetría. Mencionamos previamente que este supersimetría relaciona los grados de libertad bosónicos y fermiónicos. Las energías de punto cero asociadas a estos dos tipos de grados de libertad resultan ser de signo opuesto, y se cancelan idénticamente en un sistema supersimétrico. Aunque la ruta histórica a este descubrimiento es bastante más complicada, nuestra moderna comprensión es que esta es la clave para una Teoría de Cuerdas que no tiene taquiones – “Teoría de Supercuerdas”.

Ir de la Teoría de Cuerdas a la de Supercuerdas finalmente desembocó en una propuesta que parece realmente apropiada para describir el mundo real, o al menos más apropiada que las anteriores propuestas. En la Teoría de Supercuerdas, el postulado básico es, como antes, que las vibraciones de un único tipo de cuerdas lleva a una multitud de partículas elementales. Pero debido a la supersimetría, no existen taquiones. Como añadido, la condición de consistencia en el número de dimensiones espacio-temporales cambia cuando se introduce la supersimetría. Así pues, en lugar de 26, la Teoría de Supercuerdas requiere de solo 10 dimensiones espacio-temporales. Finalmente, la presencia de una partícula “gravitón” es mantenida por la Teoría de Supercuerdas, por tanto aún es una Teoría de la Gravedad – de hecho, de “supergravedad”, la extensión supersimétrica de la gravedad.

Propiedades de la Teoría de Supercuerdas

El objeto fundamental en la Teoría de Supercuerdas es la supercuerda: una cuerda con grados de libertad extra que la hacen supersimétrica. Tras la larga cadena de desarrollos que hemos discutido, y que han llevado a la formulación de esta teoría, es hora de discutir la teoría y su relevancia para el mundo real en algunos detalles.

Cinco Teorías Diferentes

Una cuerda puede ser abierta, con dos extremos, o cerrada, como un bucle. El postulado físico natural para interacciones entre dos cuerdas abiertas es que cuando sus extremos se tocan, se pueden unir en una cuerda abierta de mayor tamaño. Sin embargo, si los dos extremos de una cuerda se tocan, pueden unirse para formar una cuerda cerrada. De este modo, las teorías de cuerdas abiertas contienen también, de forma inevitable, a las de cuerdas cerradas (Figura 4).

Figura 4: Interacciones entre cuerdas

A la inversa no es cierto. Un par de cuerdas cerradas pueden unirse cuando coinciden un par de puntos, para formar una única cuerda cerrada. Así pues, puede haber teorías con solo cuerdas cerradas pero no abiertas. Esto da como resultado que la prescripción más natural lleva a una posible única teoría de cuerdas, llamada Teoría de Supercuerdas de Tipo I, y dos teorías de cuerdas cerradas distintas, llamadas de Teorías de Cuerdas de tipo IIA y IIB. Un ingenioso híbrido de la supercuerda de la Teoría de Cuerdas ordinaria (no supersimétrica), llamado cuerda “heterótica”, se descubrió también, y hay dos de estas teorías, haciendo un total de cinco en conjunto. Actualmente tenemos un mejor conocimiento de por qué estas son las únicas cinco Teorías de Supercuerdas y cómo están mutuamente interrelacionadas.

La excitación más ligera de una Teoría de Cuerdas puede ser descrita como una Teoría de Campo Cuántico con un cierto número de partículas elementales, por tanto describiremos el contenido de esta teoría de campo, temporalmente ignorando el hecho de que hay infinitas excitaciones de cuerdas de energía incremental. Para una cuerda abierta, la teoría de baja energía es una teoría de campo en 10 dimensiones espacio-temporales con un gravitón (sin masa) y una colección de campos “gauge” muy parecidos a los campos que describen a los fotones, bosones W y Z y gluones en el mundo real. Así pues, las interacciones del tipo encontrado en la naturaleza (gravedad y fuerzas gauge) son incorporadas en el Tipo I de la Teoría de Supercuerdas, aunque en 10 dimensiones. Las partículas de materia fermiónica están también presentes. Están cargadas bajo interacciones gauge, análogas al hecho de que los electrones tienen carga eléctrica o los quarks portan una “carga de color”. También, los fermiones tienen una “quiralidad” definida, lo que significa que la Teoría de Tipo I en 10 dimensiones viola la paridad o simetría izquierda-derecha, así como lo hacen las interacciones débiles en el mundo real. Esto es extremadamente esperanzador, debido a que todas estas partículas e interacciones, ¡se siguen del simple postulado de una consistente Teoría de Supercuerdas abiertas!

Hay también algunos puntos negativos obvios. El grupo de simetría asociado a las partículas gauge de la cuerda Tipo I en 10 dimensiones es SO(32), mucho mayor del grupo de simetría esperado de las interacciones fuerte, débil y electromagnética en el mundo real, lo cual es el producto de SU(3), SU(2) y U(1). Por tanto vemos que tenemos demasiadas fuerzas y sus correspondientes portadores. También, todas las partículas que aparecen en la teoría de baja energía son exactamente sin masa, bastante diferente de lo electrones o quarks del mundo real los cuales tienen una masa definida. Finalmente, estamos en un número incorrecto de dimensiones espacio-temporales – 10 en lugar de 4. Pero ninguno de estos es un auténtico obstáculo. A energías extremadamente altas, por todo lo que sabemos, el mundo real podría parecer de 10 dimensiones y tener grandes cantidades de partículas casi sin masa y un grupo de simetría gauge muy grande. Por tanto se debería considerar la Teoría de Supercuerdas en 10 dimensiones con esta luz – como un candidato a la descripción de los límites de alta energía del mundo real. Para conectar esto con el mundo de baja energía tenemos que encarar temas como compactificación a 4 dimensiones y rupturas de simetría.

Las Teorías de Supercuerdas de Tipo IIA y IIB son algo diferentes. Estas contienen un gravitón sin masa, pero no tienen las partículas de tipo “gauge” que están presentes en la Teoría de Cuerdas de Tipo I. Hay partículas de materia fermiónica, pero en ausencia de portadores de fuerza del tipo habitual, estos no pueden transportar cargas. Los fermiones están en paridad conservativa en la teoría de tipo IIA y en paridad violada en el tipo IIB. Finalmente, hay algunos campos exóticos llamados “campos gauge de tensores”, los cuales con aproximadamente como un espín más alto análogo al del fotón. Sin embargo, los fermiones y otras partículas sin masa no están cargadas con respecto a estas. Todo esto fue inicialmente percibido como desalentador y estas teorías fueron catalogadas durante muchos años como exóticas e irrelevantes en la meta de encontrar una teoría unificada de la naturaleza. Recientes desarrollos han demostrado que esta visión era falsa. El proceso de compactificación puede en realidad producir partículas gauge y fermiones cargados bajo interacciones gauge. Esta es una de las consecuencias de las simetrías de dualidad que se discutirán en otros artículos de esta colección.

Finalmente, vamos a describir la cuerda híbrida “heterótica”. Esta estaba basada en la observación de que las excitaciones de una cuerda cerrada son similares a pequeñas ondas que viajan en un sentido o en el contrario alrededor de la cuerda. Estos dos tipos de ondas (llamados “de movimiento derecha” y “de movimiento izquierda” por razones obvias) no interactúan unos con otros incluso aunque se propaguen en la misma cuerda. Por lo tanto es significativo combinar ondas de movimiento izquierda comunes con ondas de movimiento derecha supersimétricas (más que tener ambos tipos de ondas supersimétricas, como en las cuerdas de Tipo II). La cuerda heterótica está basada en esta idea.

Se nos presenta un misterio inmediatamente: vimos que las cuerdas ordinarias son consistentes en 26 dimensiones mientras que las supercuerdas viven en 10 dimensiones. ¿Cómo pueden emparejarse y en cuantas dimensiones viviría la teoría resultante? La respuesta vino de una adaptación de la idea de Kaluza-Klein. Tomamos 16 de las 26 dimensiones para curvarlas en pequeños círculos. Entonces la teoría de 10 dimensiones resultante está combinada en la teoría híbrida descrita más arriba. Por tanto la teoría final tiene 10 dimensiones, pero sus ondas de movimiento izquierda tienen un origen de 26 dimensiones, y por tanto tienen grados ocultos de libertad correspondientes a las 16 dimensiones extra. Extraordinariamente, estos grados ocultos de libertad están manifestados como campos gauge, y los grupos de simetría dependen de los tamaños de estas dimensiones compactas y de la forma del “toro” formado por las 16 dimensiones compactas. Esto da como resultado que la consistencia de la Teoría de Cuerdas resultante permite solo dos elecciones para este toro. Una opción lleva a un grupo de simetría gauge de SO(32), por tanto la teoría resultante recuerda mucho a la Teoría de Supercuerdas de Tipo I (abierta). La otra opción lleva a algo bastante nuevo: el grupo de simetría gauge es un producto del grupo excepcional E(8) consigo mismo. Esta es la llamada cuerda heterótica E(8) x E(8). Esta es la quinta y última Teoría de Supercuerdas en 10 dimensiones. Así como la cuerda de Tipo I, las Teorías de Cuerdas heteróticas tienen violación de paridad en 10 dimensiones.

La Teoría de Cuerdas, también conocida por nombres como “Teoría de Supercuerdas” y a veces “Teoría M”, es una idea que ha estado dando vueltas durante bastante tiempo, unas dos décadas. Es, al mismo tiempo, una continuación lógica de nociones teóricas establecidas hace ya casi medio siglo, y un nuevo y radical paradigma en la física fundamental.

Tal vez sea esta paradójica naturaleza de la Teoría de Cuerdas lo que explica el por qué atrae tanta atención hoy día. Los desarrollos en este ámbito han llegado a la portada de los periódicos más de una vez en los últimos años, aún sin tener una prueba experimental directa de que la Teoría de Cuerdas es la teoría fundamental de la naturaleza.

Para apreciar lo que la Teoría de Cuerdas propone conseguir y como intenta lograr estas propuestas, es necesario recordar la presente formulación de la física de partículas elementales y campos. Tras revisar los principios básicos de la física de partículas, pasaremos a la descripción de los fundamentos de la Teoría de Cuerdas en términos no técnicos.

Partículas elementales y campos

Considera la fuerza familiar del electromagnetismo. En el nivel más simple (aplicable a muchos fenómenos a escalas de distancia cotidianas) está descrito por un “campo clásico”. En este marco, un imán ejerce una fuerza sobre otro imán dado que cada uno de ellos es una fuente de campo electromagnético, impregnando todo el espacio pero haciéndose más débil cuanto más lejana es la distancia a la fuente. El campo no necesita de un medio en que apoyarse, y puede imaginarse como una perturbación del vacío. Postular la existencia de tal campo, sujeto a las “ecuaciones de onda”, explica, de una forma unificada, todos los fenómenos asociados a la electricidad y magnetismo en un punto.

La Teoría de Campos de Electromagnetismo Clásica colapsa a distancias muy cortas, o en presencia de campos muy fuertes. Esto hace necesario asumir que este campo no es solo un número en cada punto del espacio y tiempo, sino un “operador cuántico”, que tiene propiedades matemáticas definidas pero bastante complicadas. El campo cuántico se reduce al clásico bajo las circunstancias habituales, pero difiere notablemente de este en algunos regímenes de distancia o energía.

En la Teoría Cuántica, un campo no es solo algo asociado a ondas, sino también relacionado con las partículas por virtud de la bien conocida dualidad onda-partículas. Una partícula elemental es un tipo de excitación coherente de un campo cuántico. Así pues, el campo electromagnético debe ser asociado a una partícula fundamental que se encuentre en la naturaleza. De hecho, tal partícula existe y se le conoce como “fotón”. Una imagen intuitiva de una interacción electromagnética, como es descrita por la Teoría Cuántica, es que el cuanto del campo es intercambiado entre los objetos que interactúan. Así pues, un par de imanes, cuando se aproximan el uno al otro, intercambian fotones, y es este intercambio el que conduce la fuerza entre ellos. Se podría decir que la existencia del fotón está predicha por la existencia de interacciones electromagnéticas cuánticas.

Extraordinariamente, todas las interacciones que se necesitan para explicar la Química (y, hasta donde conocemos, la Biología) son electromagnéticas por naturaleza. Los átomos interactúan electromagnéticamente para formar moléculas y compuestos. En cierto sentido, por tanto, podríamos afirmar que el electromagnetismo (el cual está correctamente descrito por la Teoría de Campos Cuánticos) es una “Teoría Unificada de la Química”. ¡Esto no reduce de ninguna manera la importancia de la investigación química! A veces, la Teoría Unificada subyacente no es la herramienta más práctica para responder a las preguntas que los químicos quieren hacer. Pero aún así es profundamente satisfactorio estar seguros de que el electromagnetismo es la teoría completa que en principio subyace y unifica todos los fenómenos químicos. Tendremos más que decir sobre la idea de Teoría Unificada en lo que sigue.

Como el electromagnetismo, cada interacción fundamental debe tener su propia partícula intermediaria. Precisamente las tres otras clases de interacciones fundamentales que conocemos. Una de ellas es la familiar fuerza gravitatoria, mientras que las otras dos son fuerzas nucleares que solo fueron descubiertas en este siglo (N. del T: Referido al Siglo XX, el artículo es de 1999): las fuerzas “nuclear fuerte” y la “nuclear débil”. La primera es, en particular, responsable de mantener unidos a los protones y neutrones que conforman el núcleo de un átomo, mientras que la siguiente es una fuerza totalmente distinta y da lugar a fenómenos como la descomposición atómica. La fuerza débil es la única que viola la simetría izquierda-derecha o paridad. La gravitación, como el electromagnetismo, es una fuerza de largo alcance, esta es la razón por la que se conocen desde hace tiempo. Las dos fuerzas nucleares débiles son de corto alcance, y, por tanto, no son observadas comúnmente a las escalas cotidianas.

Por tanto, podemos preguntar cuál es la partícula elemental asociada a cada una de estas interacciones. Para la gravitación, asociamos el “gravitón”, una partícula que no ha sido observada directamente pero que se piensa que existe. Para la fuerza nuclear fuerte asociamos un conjunto de partículas llamadas “gluones” debido a sus propiedades de unión similares al pegamento (N del T: De “glue”, pegamento en inglés), y para la fuerza nuclear débil asociamos otro conjunto de partículas llamadas “bosones W y Z”es called . Hay pruebas de peso para la existencia de gluones, mientras que los bosones W y Z producidos en los aceleradores se han observado directamente. Según esto, tenemos entonces un resumen de todas las fuerzas fundamentales y los portadores de esta fuerza conocidos o que creemos que existen hoy día (ver Tabla 2).

Nombre Tipo de Cuerdas ¿Gravedad? ¿Simetría Gauge? Paridad
Tipo I Abierta y Cerrada SO(32) Violada
Tipo IIA Cerrada No Conservada
Tipo IIB Cerrada No Violada
Heterótica Cerrada SO(32) Violada
Heterótica Cerrada E8xE8 Violada
Tabla 2: Las cinco Teorías de Cuerdas

Los intentos iniciales para compactificar estas cinco teorías a 4 dimensiones favorecieron fuertemente a la cuerda heterótica E(8) x E(8). Con las cuerdas SO(32) (heterótica y de Tipo I) la violación de paridad natural en 10 dimensiones parece ser destruida por compactificación, por tanto la teoría resultante en 4 dimensiones podría no describir el mundo real, en el cual hay violación de paridad. Esto era también cierto para cuerdas del Tipo IIB. Por otra parte, el la Teoría de Tipo IIA tiene ya conservación de la paridad en 10 dimensiones, y por lo que sabíamos hasta hace poco sobre compactificación, aparentemente no podría inducir violación de paridad. El cuadro moderno es considerablemente distinto. Las cinco Teorías de Cuerdas están en realidad conectadas unas con otras, por tanto, en cierto sentido, son distintos límites de una misma teoría. Esta única teoría no se entiende aún perfectamente, pero puede llevarnos a una violación de paridad en 4 dimensiones. Así pues, el que una Teoría de Cuerdas compactifique depende de la conveniencia de cada uno: efectos que son complejos de estudiar en una formulación son mucho más sencillos en la teoría dual.

La dilación

Merecen discusión otras pocas propiedades de las Teorías de Supercuerdas. Una de ellas es la que concierne a la cuestión del acoplamiento constante de la teoría. Las Teorías de Campo Cuántico normalmente contienen un parámetro ajustable el cual determina la fuerza de las interacciones. En realidad, como vimos en una sección previa, este parámetro depende de la escala de energía a la cual tiene lugar la interacción. Esta puede ser pequeña a algunas energías y grande en otras, por ejemplo en la Teorías de Interacciones Fuertes el parámetro es grande a bajas energías, llevando a un confinamiento permanente de los quarks dentro de las partículas como protones y neutrones, mientras que es débil a altas energías, llevando a un dibujo en que el los protones y neutrones están se fabrican por quarks prácticamente sin interacción. Este “flujo” del acoplamiento con la escala de energía es característico de la mayoría de Teorías de Campos Cuánticos donde tienen lugar infinitos en el cálculo de amplitudes dispersas. Sin embargo, la Teoría de Supercuerdas está libre de infinitos dado la naturaleza extensa de las cuerdas. De esta forma se esperaría que la Teoría de Cuerdas contuviese un acoplamiento constante que es un número fijo, el cual debemos determinar por comparación con los experimentos.

Lo que sucede en la práctica es bastante distinto. En lugar de un acoplamiento constante, todas las Teorías de Cuerdas tienen una partícula escalar que gobierna la fuerza de las interacciones. Técnicamente, el campo asociado a estas partículas puede tener un valor constante definido en un “vacío” dado de la teoría, y este valor actúa como el acoplamiento constante. Esta es una maravillosa propiedad dado que sugiere que la fuerza de las interacciones de las cuerdas podría de algún modo estar determinado de forma auto-consistente por la teoría en ligar de por una entrada experimental. Esto podría potencialmente contestar un profunda cuestión planteada por Dirac y otros: en electrodinámica, ¿por qué el cuanto de la carga eléctrica tiene un valor aproximadamente igual a la raíz cuadrada de, que se puede obtener experimentalmente?

A nuestro actual nivel de conocimiento, aunque sabemos que la dilación está presente en todas las Teorías de Cuerdas y que determina la fuerza de interacción, aún no sabemos cómo determinar el valor que toma el campo en el vacío. Es más, debido a la supersimetría, el valor parece ser indeterminado y puede ser cualquiera que queramos, lo cual es casi como tomar un parámetro numérico libre en la teoría. Sin embargo, a bajas energías, esperamos que la supersimetría se rompa. En esta situación, el valor del vacío para la dilación podría quedar determinado. Comprender esto es uno de los objetivos que los teóricos de cuerdas esperan conseguir en el futuro.

Campos Gauge de Tensores

Mencionamos que las Teorías de Cuerdas de Tipo II tienen exóticos “campos gauge de tensores” cuyo papel fue misterioso durante mucho tiempo. Aunque el papel de tales campos no se aclarará en el presente artículo, es importante para comprender la dualidad de cuerdas. Aquí nos centraremos en un campo tensor en particular el cual está presente en realidad – aunque no lo hayamos mencionado hasta ahora – en las cinco Teorías de Cuerdas. Este es el llamado “campo tensor de segundo orden”, el cual es como un fotón pero con un índice de vector extra bajo transformaciones de Lorentz. Bajo transformaciones de Lorentz , el fotón (indicado como A) se transforma como un vector, distinto del campo tensor (indicado como B) que es ubicuo en la Teoría de Cuerdas, el cual se transforma como el producto de dos vectores, de aquí que se conozca como “tensor de segundo orden”. La pregunta que queremos hacer es bastante simple: así como una partícula puntual (como el electrón) puede cargarse bajo el campo de un fotón, ¿hay algún objeto dinámico en la Teoría de Cuerdas que esté “cargado” bajo B? Esto es importante, ya que tal carga puede ayudar a dotar a un objeto de estabilidad. En la vida real, los electrones son estables debido a que transportan la mínima unidad de carga eléctrica y son los objetos cargados de tal tipo más ligeros. Debido a la conservación de la carga, ¡no hay, además, nada en lo que puedan decaer! Dado que B está presente en todas las Teorías de Cuerdas, se podría sospechar que esta también está dotada de algún aún apropiado objeto dinámico cargado con esta propiedad de estabilidad.

La respuesta resulta ser maravillosamente simple: los objetos que portan cargas bajo un campo tensor de segundo orden son cuerdas.Así es, en todas las Teorías de Cuerdas Cerradas (tipos IIA, IIB y las dos cuerdas heteróticas) las cuerdas fundamentales portan cargas unitarias bajo B y esto además se garantiza que es estable.

El argumento que lleva a esta conclusión es bastante simple. En la Mecánica Cuántica, una partícula cargada tiene un término acoplado eA integrado a lo largo de la trayectoria (llamada “línea del mundo” en teorías relativistas) de la partícula. Aquí, e es el cuanto de carga eléctrica, y puede escogerse que sea 1 en las unidades adecuadas. En la Teoría de Cuerdas Cerradas, se encuentra que las cuerdas fundamentales tienen una interacción análoga que consiste en B integrado sobre su trayectoria, lo cual es bidimensional dado que la cuerda misma tiene una extensión espacial y se propaga en el tiempo. Esta interacción nos dice que la cuerda fundamental portar la unidad de carga bajo este campo gauge de tensores y que además es estable. La situación es más delicada para Teorías de Cuerdas Abiertas, por tanto no la trataremos aquí.

Condiciones de frontera para cuerdas abiertas

La propiedad final de la Teoría de Cuerdas de 10 dimensiones que queremos discutir aquí son las condiciones de frontera en las cuerdas abiertas. Al contrario que en las cuerdas cerradas, las cuerdas abiertas tienen extremos, y esto significa que en al definir la configuración espacial de la cuerda, tenemos que definir las condiciones de frontera en esos extremos. La elección más natural sería permitir que estos extremos se localizaran en cualquier punto del espacio. En efecto, esta es la única opción compatible con la invarianza de traslación y la invarianza de Lorentz en 10 dimensiones. Si “anclamos” estos extremos de alguna forma, distinguiríamos alguna de las 9 dimensiones espaciales de otras. Matemáticamente, las condiciones de frontera que permiten que los extremos de una cuerda esté localizada en cualquier punto del espacio, y así pues satisfacer la invarianza de Lorentz, son llamados condiciones de frontera de “Neumann”, conocido por el estudio de ecuaciones diferenciales en espacios con frontera. Las alternativas condiciones de frontera de “Dirichlet”, las cuales restringen a los extremos de las cuerdas a caer en superficies definidas del espacio, son claramente incompatibles con la invarianza de traslación y de Lorentz, y pueden mantenerla mayor parte de estas invarianzas.

Sin embargo, las condiciones de frontera de Neumann (las cuales durante largo tiempo fueron consideradas como las únicas razonables para cuerdas abiertas) resultaron ser demasiado restrictivas y perdían algunos profundos fenómenos dinámicos de la Teoría de Cuerdas. La razón es la siguiente. Considera una Teoría de Campo Cuántico ordinaria de partículas puntuales. Aunque la teoría subyacente tiene invarianza de traslación y de Lorentz, los estados individuales de la teoría no la tienen. Por ejemplo, aunque el estado de vacío de esta teoría es invariante en traslación, la teoría también tiene estados de partículas únicas y de partículas múltiples en su espectro. Estos estados involucran partículas localizadas en posiciones fijas (por ejemplo, imagina el estado de una partícula individual en reposo en un punto definido). No es sorprendente que este estado rompa la invarianza de traslación.

Además se podría imaginar que si asignamos condiciones de frontera para cuerdas abiertas que violen las invarianzas de traslación y de Lorentz, obtenemos un estado definido de la teoría, distinto del estado de vacío. Esto resulta ser cierto, y tiene una variedad de consecuencias profundas y maravillosas. Supón como en el primer ejemplo, que asignamos condiciones de frontera de Dirichlet a los extremos de una cuerda abierta, a lo largo de las 9 coordenadas espaciales (x1,x2,…,x9). Esto limita al extremo de la cuerda a caer en una posición del espacio, mientras el resto de la cuerda es libre de fluctuar. Por ejemplo, podemos restringir el extremo a caer en el origen de algún sistema de coordenadas. Entonces estos puntos se convierten en “especiales”, y efectivamente se comporta como una partícula puntual. Por ejemplo, rompe las invarianzas de traslación y de Lorentz exactamente de la misma forma que lo haría un estado de partícula puntual es una teoría de campo de 10 dimensiones. ¡Pero este estado no es una de las excitaciones similares a las partículas puntuales de una cuerda cerrada que hemos discutido! Es bastante al contrario – es un objeto definido por la propiedad de que las cuerdas abiertas terminan en él. De esto resulta que se puede asignar una masa y carga definida a tal objeto, y que este se comporta justo como una partícula elemental. Esta es la comúnmente llamada “partícula D”, donde la “D” es un recordatorio de que surge asignando condiciones de frontera de Dirichlet para los extremos de las cuerdas abiertas.

Hasta aquí hemos discutido dos posibles condiciones de frontera: Neumann en las 9 direcciones, o Dirichlet en las 9 dimensiones. Podemos postular fácilmente un híbrido entre las dos, según Neumann en 2 direcciones y Dirichlet en las otras 7. Esto corresponde a una cuerda abierta que está “clavada” sobre una superficie espacial bidimensional. Entonces, igual que para la partícula D, estaremos forzado a interpretar la superficie completa como objeto dinámico que se extiende en dos direcciones espaciales, conocido comúnmente como membrana”. Además, solo asignando tales condiciones de frontera, hemos producido un estado cuántico de la Teoría de Cuerdas que se extiende en el espacio como una membrana. Un tema distinto es si la membrana es estable. Lo será si está cargada bajo algún campo gauge generalizado, igual que la cuerda era estable debido a su carga bajo el campo de tensores de segundo orden. Efectivamente, es sencillo ver que una membrana puede estar cargada bajo un campo de tensores de tercer orden, debido a que la trayectoria de la membrana tiene una superficie tridimensional en el espacio-tiempo. Esto tiene lugar en la Teoría de cuerdas de tipo IIA, donde en efecto, el espectro contiene un campo de tensores de tercer orden. De aquí que la Teoría de Cuerdas de tipo IIA no sea solo una teoría de partículas y cuerdas, sino también de membranas.

Esto se puede generalizar fácilmente si asignamos p condiciones de frontera Neumann and 9-p Dirichlet. El estado correspondiente se extiende en p direcciones espaciales y es llamado “p-brana de Dirichlet”, o Dp-brana para acortar (Figura 5).

Figura 5: Cuerda abierta terminando en una p-brana de Dirichlet

Tal tipo de objeto puede ser difícil de visualizar en nuestro estrecho mundo de solo 3 dimensiones espaciales, ¡pero tiene mucho espacio para propagarse en 9 dimensiones espaciales! Hasta aquí vemos que las Teorías de Cuerdas no son solo Teorías de Cuerdas. Contienen de una forma muy natural, objetos extendidos llamaos branas en su espectro. Nota que entre otras cosas, las D-branas proveen una explicación del papel de los exóticos campos gauge de tensores en las Teorías de Cuerdas de Tipo II: dotan a las branas de estabilidad.

En es estudio de la Teoría de Cuerdas, las branas resultan ser tan importantes como las cuerdas – de hecho, se podría decir que una cuerda fundamental es solo un tipo especial de p-brana con p = 1. Se debería tener cuidado, sin embargo, en darse cuenta de que la cuerda fundamental no es una brana de Dirichlet como la hemos definido. Está postulada desde el principio, y no definida en términos sino algo en lo que terminar. Las branas de Dirichlet son especiales precisamente porque están definidas a través de cuerdas fundamentales que acaban en ellas. Esto nos permite estudiarlas usando técnicas comunes de Teoría de Perturbación de Cuerdas.

Compactificación

Finalmente, volvemos a las relaciones entre el mundo de 10 dimensiones descrito arriba, (con 9 dimensiones espaciales y una temporal) y el mundo real de 4 dimensiones en el que habitamos (3 dimensiones espaciales y una temporal). El requerimiento clave es que las dimensiones espaciales con las que comenzamos no deberían ser observables físicamente. En el espíritu de Kaluza y Klein, debemos asumir además que 6 dimensiones espaciales están “enrolladas” sobre sí mismas, mientras que las 3 restantes se extienden hasta el infinito (o al menos a distancias muy grandes). El concepto de “espacio” está encuadrado en la noción de “variedad”, algo que localmente parece el espacio común pero puede tener curvaturas y otras propiedades no triviales. En particular, una variedad que esté “curvada” de la forma que deseamos se conoce como “compacto”. Así pues, la forma más sencilla de conectar la Teoría de Cuerdas con el mundo real es postular que 6 dimensiones espaciales forman una variedad compacta, cuyo tamaño es tan pequeño que no somos capaces de detectar su existencia directamente con las investigaciones disponibles.

Las investigaciones teóricas de este escenario de compactificación han revelado una rica conexión con la rama de las matemáticas que conocemos como Geometría Algebraica. La conexión parece haber sido útil en ambas direcciones – mientras que los resultados conocidos en las matemáticas no ayudan a tener mayor conocimiento de las variedades que pueden ser potencialmente relevantes para la Teoría de Cuerdas, la configuración de la Teoría de Cuerdas también probó ser útil para extraer nuevos resultados matemáticos (no tenemos tiempo para entrar en detalles). Una clase especial de variedad de 6 dimensiones con propiedades muy especiales, conocida como variedad de Calabi-Yau, resultó tener propiedades que – cuando se usan como la variedad de compactificación en Teoría de Cuerdas – nos llevan a teorías tentadoramente realistas en 4 dimensiones espacio-temporales. El contenido y dinámica de la partícula detallada en una teoría de 4 dimensiones dependen de la elección de la variedad de Calabi-Yau, por tanto no es como si la variedad fuese completamente inobservable. De hecho, de esta forma nosotros “nos lo guisamos y nos lo comemos” – la variedad de Calabi-Yau sería responsable del “zoo” de partículas elementales observadas en el mundo real, pero no sería observable directamente como una colección de dimensiones espaciales extra – algo bueno dado que tales dimensiones extra aún no han sido observadas, hasta ahora.

Inicialmente, la clase de teorías más realista se encontró se encontró comenzando con la cuerda heterótica E(8) x E(8) en 10 dimensiones y compactificándola en una variedad de Calabi-Yau adecuada. Por ejemplo, de esta forma se pueden recuperar las teorías en 4 dimensiones con grupos gauge lo bastante grandes como para incluirlos en los grupos SU(3), SU(2) y U(1) asociados al modelo estándar (y no mucho más llevaría a interacciones adicionales no observadas). La teoría de cuatro dimensiones viola la paridad, dado que la cuerda heterótica subyacente viola la paridad y el proceso de compactificación en este caso no elimina la violación de paridad. Además de las partículas gauge, hay partículas materiales (fermiones) que cualitativamente tiene la clase adecuada de “números cuánticos” para ser identificados con los fermiones conocidos en la naturaleza, tales como electrones, muones, neutrinos, quarks, etc. Y, por supuesto, tenemos la gravedad en cuatro dimensiones, dado que las Teorías de Cuerdas describen la gravedad en 10 dimensiones y la compactificación no destruye esta propiedad.

A un basto nivel, esta es una prueba convincente de que estamos en la pista correcta. Sin embargo, se mantienen una variedad de problemas. Por ejemplo, por razones asociadas con el problema jerárquico endémico en la gran unificación, las compactificaciones que han sido favorecidas dan lugar a una Teoría Supersimétrica en 4 dimensiones. Pero esto aún deja abierta la pregunta de cómo y por qué se rompe la supersimetría a bajas energías para dar lugar al mundo aparentemente no supersimétrico en el que vivimos. Además de esto, las partículas elementales más ligeras que surgen de oscilaciones de cuerdas de hecho no tienen masa en 10 dimensiones, y estas dan lugar a una multitud de partículas exactamente sin masa en 4 dimensiones tras la compactificación. Esto contrasta de forma poco favorable con la realidad – la única partícula exactamente sin masa en el mundo, hasta donde conocemos, son los fotones y gravitones. El electrón del mundo real no tiene masa cero, mientras que el electrón derivado de la cuerda (aunque tiene la carga apropiada así como otros número cuánticos) es aparentemente no masivo. Se cree que las masas para estas partículas aparecerán una vez se rompa la supersimetría, pero los detalles de este proceso están lejos de comprenderse.

Aunque la compactificación como esbozamos antes permanece como un importante mecanismo para extraer la física del mundo real de la Teoría de Cuerdas, es notable señalar que algunos otros mecanismos se han propuesto solo en los últimos tres o cuatro años, sobre cómo extraer el contenido del modelo estándar de la Teoría de Cuerdas. Algunas de estas nuevas ideas dicen superar el problema jerárquico y otros problemas asociados a la compactificación convencional que apuntamos de forma aproximada arriba. Sin embargo, aún no nos hemos decidido sobre estos competidores, y por tanto ahora no es el momento más adecuado para revisar estas nuevas ideas. En otros dos o tres años debería estar mucho más claro si está claro o no un escenario detallada, consistente y tratable para conectar la Teoría de Cuerdas con el mundo real.

Un problema íntimamente relacionado en la conexión de la Teoría de Cuerdas con al naturaleza es el problema de la “constante cosmológica”. La Teoría de la Gravedad admite un parámetro que a grandes rasgos describe la energía total del vacío. La presencia del tal parámetro tendría consecuencias observables espectaculares y afectaría a la razón de la expansión del Universo. Esto nos permite poner un límite muy estricto al valor real del parámetro a partir de experimentos. Como una Teoría de la Gravedad fundamental, la Teoría de Cuerdas debería predecir el valor de este parámetro – pero en lugar de esto, nos dice algo bastante insatisfactorio sobre él.

En la Teoría de Supercuerdas, mientras que no se rompa la supersimetría, la constante cosmológica es exactamente cero debido a la cancelación producida por los bosones y fermiones. Se ha pensado durante mucho tiempo que esto era consistente con los experimentos (recientemente se ha sugerido que, en efecto, el parámetro tiene que ser distinto de cero pero extremadamente pequeño). Pero el problema es que la supersimetría se rompe en el mundo real, y tras la ruptura de la supersimetría la constante cosmológica toma generalmente un valor distinto de cero y extremadamente grande – ¡aproximadamente 100 órdenes de magnitud por encima del límite experimental! Esto es otro problema jerárquico. El problema no es específico de la Teoría de Cuerdas, sino más bien, está en la Teoría de Cuerdas, como el primer candidato serio para una Teoría de la Gravedad Cuántica, de la que esperamos una solución correcta – y que aún no ha llegado, aunque, de nuevo, hay una gran cantidad de nuevas ideas en los últimos años.

Conclusiones importantes

Ha habido una investigación cualitativa de algunas características elementales de la Teoría de Cuerdas. Se ha focalizado durante mucho tiempo en las propiedades que se han conocido durante una década, y las cuales son descritas como “Teoría Perturbativa de Cuerdas”. Sin embargo, desde 1994, han tenido lugar importantes avances en la Teoría de Cuerdas no-Perturbativa.

La física no-perturbativa es el estudio de los efectos físicos que no pueden describirse en términos de orden a orden o de pequeños acoplamientos constantes. Un efecto no perturbativo típico es la unión de dos partículas, por ejemplo un electrón y un positrón, para formar una nueva partícula — en este caso el positronio. Para una fuerza de interacción cero no habría unión, lo cual es físicamente muy distinto del valor real donde la unión es posible. Esto significa, como debería ser obvio, que no se puede aproximar un estado de frontera en términos de partículas sin frontera. La ausencia de conocimiento sobre los efectos no perturbativos en la física teórica significa que la teoría, incluso si es correcta, está seriamente incompleta y no puede ser usada para estudiar fenómenos importantes que es lo que se intenta describir.

Con la presente formulación de la Teoría de Cuerdas (comparada con la Teoría de Campos Cuánticos) estamos en este caso. Aunque no hemos superado esta seria incompletitud, una nueva aproximación a la Teoría de Cuerdas nos ha ayudado a hacer importantes incursiones en el territorio no perturbativo. La técnica clave ha sido usar consistencia interna y elegir simulaciones como evidencias para afirmar la verdad de ciertas conjeturas sobre la estructura no perturbativa. Esta aproximación ha destapado el papel de nuevas simetrías llamadas “dualidades” en la Teoría de Cuerdas.


BibliografíaPara un artículo introductorio como este, es apropiado citar solo unos pocos libros clave más que los artículos de investigación originales. El lector común se beneficiará de los capítulos introductorios de estos libros, mientras que los lectores más avanzados encontrarán una lista de referencias técnicas en ellos.

* “Superstring Theory”, M.B. Green, J.H. Schwarz and E. Witten, Cambridge University Press (1987).

* “String Theory”, J. Polchinski, Cambridge University Press (1998).

* “Gauge Fields and Strings”, A. M. Polyakov, Harwood Academic, 1987.

* “Lectures on String Theory”, D. Lust and S. Theisen, Springer-Verlag, 1989 (Lecture Notes in Physics, 346).

* “Introduction to Superstring Theory”, E. Kiritsis, Leuven Univ. Press, 1998 (Leuven Notes in Mathematical and Theoretical Physics, Vol. 9).

Sobre el autor:

Sunil Mukhi nació en Bombay en el año 1956. Es miembro del Instituto Tata para Investigación Fundamental en Mumbai, India, en el Departamento de Física Teórica. Sus investigaciones tratan sobre las partículas elementales de la física, más específicamente Teoría de Campos Cuánticos y Teoría de Cuerdas.

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La Teoría de Cuerdas: Una introducción detallada (I)

En los últimos años la Teoría de Cuerdas ha ido ganando adeptos dentro de la Física Teórica, pasando de ser considerada una locura a la posible y mítica “Teoría del Todo”. En esta primera parte conoceremos los antecedentes y bases previas de esta Teoría para adentrarnos en la segunda parte a un estudio más detallado de la teoría en sí.

Introducción

La Teoría de Cuerdas, también conocida por nombres como “Teoría de Supercuerdas” y a veces “Teoría M”, es una idea que ha estado dando vueltas durante bastante tiempo, unas dos décadas. Es, al mismo tiempo, una continuación lógica de nociones teóricas establecidas hace ya casi medio siglo, y un nuevo y radical paradigma en la física fundamental.

Tal vez sea esta paradójica naturaleza de la Teoría de Cuerdas lo que explica el por qué atrae tanta atención hoy día. Los desarrollos en este ámbito han llegado a la portada de los periódicos más de una vez en los últimos años, aún sin tener una prueba experimental directa de que la Teoría de Cuerdas es la teoría fundamental de la naturaleza.

Para apreciar lo que la Teoría de Cuerdas propone conseguir y como intenta lograr estas propuestas, es necesario recordar la presente formulación de la física de partículas elementales y campos. Tras revisar los principios básicos de la física de partículas, pasaremos a la descripción de los fundamentos de la Teoría de Cuerdas en términos no técnicos.

Partículas elementales y campos

Considera la fuerza familiar del electromagnetismo. En el nivel más simple (aplicable a muchos fenómenos a escalas de distancia cotidianas) está descrito por un “campo clásico”. En este marco, un imán ejerce una fuerza sobre otro imán dado que cada uno de ellos es una fuente de campo electromagnético, impregnando todo el espacio pero haciéndose más débil cuanto más lejana es la distancia a la fuente. El campo no necesita de un medio en que apoyarse, y puede imaginarse como una perturbación del vacío. Postular la existencia de tal campo, sujeto a las “ecuaciones de onda”, explica, de una forma unificada, todos los fenómenos asociados a la electricidad y magnetismo en un punto.

La Teoría de Campos de Electromagnetismo Clásica colapsa a distancias muy cortas, o en presencia de campos muy fuertes. Esto hace necesario asumir que este campo no es solo un número en cada punto del espacio y tiempo, sino un “operador cuántico”, que tiene propiedades matemáticas definidas pero bastante complicadas. El campo cuántico se reduce al clásico bajo las circunstancias habituales, pero difiere notablemente de este en algunos regímenes de distancia o energía.

En la Teoría Cuántica, un campo no es solo algo asociado a ondas, sino también relacionado con las partículas por virtud de la bien conocida dualidad onda-partículas. Una partícula elemental es un tipo de excitación coherente de un campo cuántico. Así pues, el campo electromagnético debe ser asociado a una partícula fundamental que se encuentre en la naturaleza. De hecho, tal partícula existe y se le conoce como “fotón”. Una imagen intuitiva de una interacción electromagnética, como es descrita por la Teoría Cuántica, es que el cuanto del campo es intercambiado entre los objetos que interactúan. Así pues, un par de imanes, cuando se aproximan el uno al otro, intercambian fotones, y es este intercambio el que conduce la fuerza entre ellos. Se podría decir que la existencia del fotón está predicha por la existencia de interacciones electromagnéticas cuánticas.

Extraordinariamente, todas las interacciones que se necesitan para explicar la Química (y, hasta donde conocemos, la Biología) son electromagnéticas por naturaleza. Los átomos interactúan electromagnéticamente para formar moléculas y compuestos. En cierto sentido, por tanto, podríamos afirmar que el electromagnetismo (el cual está correctamente descrito por la Teoría de Campos Cuánticos) es una “Teoría Unificada de la Química”. ¡Esto no reduce de ninguna manera la importancia de la investigación química! A veces, la Teoría Unificada subyacente no es la herramienta más práctica para responder a las preguntas que los químicos quieren hacer. Pero aún así es profundamente satisfactorio estar seguros de que el electromagnetismo es la teoría completa que en principio subyace y unifica todos los fenómenos químicos. Tendremos más que decir sobre la idea de Teoría Unificada en lo que sigue.

Como el electromagnetismo, cada interacción fundamental debe tener su propia partícula intermediaria. Precisamente las tres otras clases de interacciones fundamentales que conocemos. Una de ellas es la familiar fuerza gravitatoria, mientras que las otras dos son fuerzas nucleares que solo fueron descubiertas en este siglo (N. del T: Referido al Siglo XX, el artículo es de 1999): las fuerzas “nuclear fuerte” y la “nuclear débil”. La primera es, en particular, responsable de mantener unidos a los protones y neutrones que conforman el núcleo de un átomo, mientras que la siguiente es una fuerza totalmente distinta y da lugar a fenómenos como la descomposición atómica. La fuerza débil es la única que viola la simetría izquierda-derecha o paridad. La gravitación, como el electromagnetismo, es una fuerza de largo alcance, esta es la razón por la que se conocen desde hace tiempo. Las dos fuerzas nucleares débiles son de corto alcance, y, por tanto, no son observadas comúnmente a las escalas cotidianas.

Por tanto, podemos preguntar cuál es la partícula elemental asociada a cada una de estas interacciones. Para la gravitación, asociamos el “gravitón”, una partícula que no ha sido observada directamente pero que se piensa que existe. Para la fuerza nuclear fuerte asociamos un conjunto de partículas llamadas “gluones” debido a sus propiedades de unión similares al pegamento (N del T: De “glue”, pegamento en inglés), y para la fuerza nuclear débil asociamos otro conjunto de partículas llamadas “bosones W y Z”. Hay pruebas de peso para la existencia de gluones, mientras que los bosones W y Z producidos en los aceleradores se han observado directamente. Según esto, tenemos entonces un resumen de todas las fuerzas fundamentales y los portadores de esta fuerza conocidos o que creemos que existen hoy día (ver Tabla 1).

Fuerza Alcance Partícula Intermediaria Espín
Gravitación Largo Gravitón 2
Electromagnetismo Largo Fotón 1
Fuerza nuclear débil Corto Bosones W+, W- y Z 1
Fuerza nuclear fuerte Corto Gluones 1
Tabla 1: Las fuerzas fundamentales y sus portadores

Claramente esta no es toda la historia de las partículas fundamentales. Las partículas como los electrones y los neutrinos experimentan una o más de las fuerzas descritas más arriba, pero no son en sí mismas portadoras. Se piensa en ellas como “partículas materiales” (aunque fotones y gluones no son verdaderamente inmateriales). Las partículas materiales son usualmente los fermiones – partículas con un momento angular intrínseco (espín) que es semientero en las unidades adecuadas. Los portadores de las fuerzas como los fotones y gravitones son “bosones”, partículas que portan un espín entero. De hecho, todos los portadores de fuerzas excepto el gravitón tienen espín 1 en unidades de la constante de Planck, mientras que el gravitón tiene espín 2. Esta curiosa diferencia entre el gravitón y otros portadores de fuerzas es de alguna forma el responsable de la importancia de la Teoría de Cuerdas, como veremos pronto.

La Teoría de Campos Cuánticos, entonces, es un marco de trabajo matemático para describir las interacciones entre los portadores de fuerzas y las partículas materiales. En este dominio de aplicabilidad, ha habido un rotundo éxito. Los procesos de dispersión que tienen lugar cuando un electrón choca con otro, por ejemplo, puede ser descrito con gran precisión usando este marco de trabajo. Estamos tratando con algo completamente básico, una interacción entre partículas indivisibles debido a fuerzas fundamentales que no tienen un origen más profundo hasta donde conocemos.

Algunas dificultades a lo largo del camino

Hay dos problemas en esta historia, uno aparentemente estético y otro aparentemente técnico. Pero como todas las auténticas dificultades encontradas en la historia de la investigación científica, estas parecen apuntar un camino hacia un futuro que es una extensión espectacularmente rica del presente.

La dificultad estética es casi obvia incluso para una persona común. En una teoría fundamental con ninguna explicación más profunda, ¿por qué debería haber tal cantidad de fuerzas fundamentales y partículas materiales? Electrones, muones, neutrinos, quarks, bosones W, gluones, gravitones… la lista es bastante larga y la colección completa de partículas empieza a parecerse a un zoo. Esto es inquietante si se supone que estas partículas son los últimos constituyentes de la materia.

La dificultad técnica es más difícil de explicar, pero tiene su raíz en un simple hecho. La descripción matemática de las partículas de espín 1, aunque extremadamente intrincado, es por ahora bastante bien conocida gracias al ingenioso trabajo de los físicos de los años 60 y 70. A nivel clásico, comenzó con la famosa ecuación de Maxwell para el electromagnetismo, y su generalización en 1954 debido a Yang y Mills. (Juntas, todas estas teorías son a veces llamadas “Teorías Gauge”). La correspondiente Teoría Cuántica fue formulada para el electromagnetismo por Feynman, Schwinger y Tomonaga en los años 40, y para la generalización de Yang-Mills por ‘t Hooft y Veltman en los años 70. (Estos logros son puntos de referencia: Feynman et. al. recibieron el Premio Nobel en 1965, mientras que ‘t Hooft y Veltman fueron galardonados con el Premio Nobel en Octubre de 1999, incluso cuando este artículo estaba siendo terminado).

El electromagnetismo cuántico describe el fotón y su interacción con partículas cargadas, mientras que la Teoría Cuántica de Yang-Mills describe los bosones W y Z y los gluones (los portadores de las fuerzas nucleares fuerte y débil) y sus interacciones. La combinación de todas estas teorías conforman una única teoría mayor llamada el “Modelo Estándar” de interacción de partículas, el cual es una Teoría Cuántica Gauge. Es más, el Modelo Estándar predecía la existencia de bosones W y Z antes de que se encontrasen. También predice una partícula llamada “bosón de Higgs” que aún no ha sido descubierta.

El lector habrá notado que el Modelo Estándar, como describimos arriba, no incluye al gravitón y sus interacciones. Esto es debido a que el gravitón, por tener espín 2, no está descrito por una Teoría Gauge. De hecho, sabemos cuál es la teoría clásica correspondiente a la interacción gravitatoria: es la legendaria Teoría de la Relatividad General de Einstein. La dificultad técnica es que no tenemos una Teoría Cuántica correspondiente. A pesar de nuestro éxito con las partículas de espín 1 (expresadas en Teorías Gauge), hasta la fecha todos los intentos por formular una Teoría Cuántica para partículas de espín 2 en la misma línea han fallado. Si una teoría fundamental de todas las interacciones podría ser conocida como “Teoría del Todo”, entonces el Modelo Estándar es una altamente exitosa y experimentalmente comprobada teoría de “tres cuartos del todo” (dado que incorpora tres de las cuatro interacciones fundamentales). Aunque esto es impresionante, significa que el Modelo Estándar no es, claramente, la teoría final.

La razón por la que el Modelo Estándar es útil a pesar de la ausencia de gravedad es que la fuerza de las interacciones gravitatorias depende de las masas de los cuerpos gravitatorios involucrados. Para partículas elementales, la fuerza gravitatoria entre ellas es tan pequeña que no se puede apreciar por observación directa. De aquí que sea despreciable para efectos prácticos, y nuestra ignorancia de una Teoría Cuántica de la Gravedad no es un impedimento para verificar el Modelo Estándar por comparación con experimentos.

No obstante, sin gravedad el Modelo Estándar está seriamente incompleto. Aquí es donde la Teoría de Cuerdas aparece en escena.

Tres intentos de unificación

Antes de comenzar con la Teoría de Cuerdas, es útil recordar tres direcciones en las aumentó el descontento estético al tener tantas fuerzas y partículas fundamentales.

La idea de Kaluza-Klein

El primero de ellos, que data de principios de este siglo, parece haber sido un adelantado a su tiempo, tanto en el análisis del problema como en la audacia de la solución. En los años 20, los físicos Th. Kaluza y Oskar Klein observaron de forma independiente que la gravitación y el electromagnetismo(¡las únicas dos fuerzas fundamentales que se conocían en aquel tiempo!) eran, en cierto sentido, una misma cosa. Sentían que sería mucho más agradable si ambas fuerzas pudieran ser derivadas de un único origen común.

En la propuesta de Kaluza-Klein, el espacio tiene dimensiones extra más allá de las que observamos habitualmente. El ejemplo más simple es asumir cuatro dimensiones espaciales en total. Sin embargo, una de estas cuatro dimensiones no se extiende de forma infinita, por tanto podemos atravesarla y experimentarla, pero está curvada sobre sí misma. Esto es similar a un bastón, sobre el cual un insecto estaría restringido a moverse solo en una dirección (a lo largo del bastón) y no descubriría que el bastón tiene una finita, aunque pequeña, anchura que constituye una dimensión independiente (dos dimensiones) de su mundo (Figura 1).

Figura 1: Una superficie bidimensional (a la izquierda) parece una superficie unidimensional cuando su radio es pequeño (a la derecha).

Kaluza y Klein propusieron entonces que en este mundo de cuatro dimensiones espaciales, solo hay gravitación y no electromagnetismo. Un sencillo cálculo revela que cuando una de las cuatro dimensiones espaciales está curvada, la partícula de espín 2 (gravitón) en las cuatro dimensiones espaciales, efectivamente, se divide en una partícula de espín 2 y una partícula de espín 1 en tres dimensiones espaciales. Además, estas partículas satisfacen la ecuación adecuada que describe la gravitación y el electromagnetismo en el mundo físico.

La propuesta de Kaluza-Klein, de que una o más dimensiones espaciales están “compactificadas”, permaneció como una curiosidad durante varias décadas. Su propuesta solo proporcionaba un marco de trabajo clásico en el cual la gravedad de Einstein y el electromagnetismo de Maxwell tenían un origen común (esto no era error suyo, ¡la Teoría de Campos Cuánticos aún no se había inventado en esta época!). La dificultad en implementarla seriamente venía del hecho de que, a pesar de los intentos, ninguna Teoría Cuántica podía ser asociada a esta idea. Como mencionamos previamente, no se tenía un conocimiento consistente con la Teoría Cuántica de la Gravedad en tres dimensiones espaciales, por lo que acudiendo a mayores dimensiones la dificultad en construir tal teoría era incluso mayor. Sin embargo, como veremos, en el contexto de la Teoría de Cuerdas las dificultades desaparecen, y no es imposible trabajar tanto con la Gravedad Cuántica como las dimensiones.

Gran unificación

Una dirección distinta de investigación, iniciada en los años 70, era la propuesta de que al menos las tres fuerzas fundamentales asociadas al Modelo Estándar podrían ser unificadas en una única fuerza a escalas de alta energía. Esta propuesta, apodada, “Gran Unificación”, hizo uso del hecho de que el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil parecían elevarse de una estructura matemática común, las Teorías de “Yang-Mills”. ¿Podría haber una única teoría de la cual estas tres fuerzas fuesen meramente distintas manifestaciones?

Esta propuesta ignoró la gravedad en su mayor parte, por lo que no era una propuesta tan ambiciosa como el intento de Kaluza-Klein, pero hizo algunos progresos sin supuestos radicales como dimensiones espaciales ocultas. Explotó una propiedad básica de las Teorías de Campo Cuántico: su manifestación física depende fuertemente de la escala de energía de las partículas que las involucran. A energías muy altas, parece aparecer una teoría que describe un conjunto de partículas con un conjunto de simetrías, mientras que a bajas energías las partículas y simetrías pueden cambiar drásticamente. En particular, las simetrías que se representan a escalas de alta energía pueden “romperse” a bajas energías.

De estar forma, la Gran Unificación postula que a altas energías hay una única fuerza gauge, mediada por una familia de partículas fundamentales. Estas partículas estaría relacionadas unas con otras por la “simetría gauge” que se manifiesta a estas energías. Cuando bajamos en la escala de energía, esta simetría se rompe y la única fuerza gauge se divide en tres fuerzas distintas: la electromagnética, la débil y la fuerte. A la inversa, yendo hacia arriba en la energía, las tres fuerzas (las cuales tienen distinta intensidad) tienden a unificarse gradualmente, hasta una escala particular en la que tienen la misma intensidad y pueden ser adscritas a un origen común.

En efecto, una variante de este mecanismo opera en el Modelo Estándar, donde las interacciones electromagnética y débil se unifican de esta forma. Por encima de cierta energía se combinan en una única fuerza llamada fuerza “electro-débil”. La Gran Unificación extrapola esta idea, pero la energía a la que la unificación tiene lugar es muy alta, unos 10 órdenes de magnitud mayor que las energías más altas accesibles hoy día en los aceleradores.

La Gran Unificación también tiene sus dificultades. Extrapolar una teoría a escalas de energía muy altas tiene el problema a veces llamado “problema jerárquico”. Este puede enunciarse aproximadamente como sigue: si varias fuerzas en una teoría se unifican a una escala de energía muy alta, entonces esta escala de energía “natural” es mucho más alta que las masas de las partículas elementales comunes tales como electrones y quarks. En tal situación, uno tiene que explicar por qué estas partículas son mucho más ligeras que la escala de energía natural de la teoría (como mencionamos, ¡la discrepancia es de unos 10 órdenes de magnitud!). Este problema podría no parecer muy serio para el profano, pero los profesionales de la Teoría de Campos Cuánticos creen que una jerarquía no natural escalas de energía dispares en una teoría es un signo de alguna seria inconsistencia.

Supersimetría

Una dirección completamente distinta de investigación la cuál apuntó a una reducción de la misteriosa multiplicidad de las partículas elementales, fue la propuesta a principios de los años 70 de una nueva forma de simetría llamada “supersimetría”. Esta es una transformación matemática que relaciona partículas de espín entero (bosones) con partículas de espín semientero (fermiones).

Como vimos más arriba, los bosones tienden a ser mediadores de las fuerzas fundamentales, mientras que los fermiones construyen la “materia” que experimenta estas fuerzas. Con la supersimetría, se esperaba que los bosones y fermiones, por primera vez, se uniesen de forma fundamental. Esto tal vez haría posible comenzar con unas pocas fuerzas fundamentales y sus partículas asociadas, y entonces, asumiendo la supersimetría, derivar la existencia de las partículas restantes.

Desafortunadamente, analizando las matemáticas, quedó claro muy pronto que las partículas elementales conocidas no eran definitivamente compañeras unas de otras bajo supersimetría. Como la compactificación de Kaluza-Klein y la Gran Unificación, la supersimetría parecía ser una idea problemática.

Como resultado, de forma sorprendente, la supersimetría se convirtió de una idea errónea en un potencial éxito cuando se tuvo en cuenta que podía reparar la deficiencia de la Gran Unificación. En lugar de asumir que la supersimetría relaciona los bosones y fermiones conocidos unos con otros, se puede hacer la (aparentemente inútil) suposición de que la supersimetría relaciona los bosones y fermiones conocidos con ¡fermiones y bosones desconocidos en el presente! Esto duplica inmediatamente el número de partículas en el zoo, y también requiere que expliquemos por qué la “otra mitad” aún no ha sido observada. Y aún así, hay una tremenda ganancia de potencial con esta idea.

Las partículas emparejadas por la supersimetría deben tener la misma masa. Dado que las partículas conocidas no se producen en pares de la misma masa, la supersimetría debe romperse a cierta escala de energía. Por encima de esta escala de energía, la supersimetría se manifestaría pero bajo ella no lo haría. Como resultado, los “super-compañeros” serían observados solo en aceleradores que funcionen por encima de la escala de energía a la cual se manifiesta la supersimetría.

Combinando supersimetría y Gran Unificación, se puede hacer una teoría en la cual la ruptura de la simetría de la Gran Unificación tiene lugar normalmente a energías muy altas, pero la ruptura de la supersimetría tiene lugar a energías considerablemente más bajas, justo por encima de las energías a la que operan los aceleradores actuales. En esta situación resulta que la supersimetría resuelve el “problema jerárquico”: en las Teorías Unificadas Supersimétricas de este tipo, es natural que algunas partículas sean más ligeras incluso aunque la escala de energía natural sea muy alta. Así pues, la supersimetría y la Gran Unificación co-existen mejor juntas que por separado.

Hay además un añadido: la unificación de un par de constantes a una escala de alta energía, que discutimos más arriba, en verdad no tiene lugar sin supersimetría. Hay tres intensidades acopladas en el Modelo Estándar (correspondientes a las tres fuerzas que unifica), y con la precisión actual ha surgido que no hay una única energía a la cual se hagan iguales. Sin embargo, incorporando la supersimetría en el Modelo Estándar cambia el rango al cual los acoplamientos varían con la energía. En la Teoría Supersimétrica, los acoplamientos en realidad se unifican en un único punto. Esta es una notable razón adicional, independiente del problema jerárquico, para incorporar la supersimetría en una Teoría Unificada.

Hoy, incluso si se ignora la Teoría de Cuerdas, las ideas gemelas de supersimetría y Gran Unificación están muy vivas y son el tema de intensas investigaciones teóricas y experimentales. Sin embargo, tales modelos sufren varias limitaciones, y no incluyen la cuarta – y más familiar – fuerza, la gravitación.


Autor: Sunil Mukhi
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Gravedad Cuántica de verdad

Físicos indios han presentado una nueva forma de comprobar la “gravedad cuántica” – el campo de la física teórica que intenta reconciliar la Teoría de la Relatividad General de Einstein con la Mecánica Cuántica. Si tiene éxito, la prueba – que está basada en la “Gravedad Cuántica Canónica” – sería la primera de todas las pruebas experimentales para la gravedad cuántica. El experimento involucra observaciones de estrellas moribundas que se oscurecen brevemente al final de sus vidas, antes de experimentar una “singularidad desnuda” y crear una bola de fuego ultra-densa (Phys. Rev. Lett 96 031302).

Las singularidades desnudas son una de las más exóticas predicciones de la Teoría de la Relatividad de Einstein. Son bolas de fuego ultra-densas que se piensa que se forman cuando una estrella masiva moribunda, más de cuatro veces más pesada que nuestro Sol, agota su combustible nuclear y colapsa bajo su propio peso. Estas singularidades son llamadas desnudas porque podrían, en principio, ser vistas por los astrónomos.

Imagen de Casiopea A (una estrella en explosión) – el tipo de fenómeno que podría se usado como prueba observacional para la gravedad cuántica (cortesía de la imagen por: NASA y Centro de Ciencia Chandra)

Sin embargo, en las etapas finales del colapso de la estrella, la curvatura del espacio-tiempo se hace tan grande que la Teoría de la Relatividad General Clásica no se mantiene y los efectos de la gravedad cuántica tomarían el control. Es más, los físicos esperan que la gravedad cuántica pueda modificar la Teoría de Einstein cerca de la singularidad para que no se forme. Pankaj Joshi y Rituparno Goswami de Instituto Tata para Investigación Fundamental en Mumbai y Parampreet Singh, ahora en la Universidad de Penn State en los Estados Unidos, han confirmado esta hipótesis.

Aplicando las técnicas de gravedad cuántica canónica – un destacado candidato para la Teoría de Gravedad Cuántica — Joshi y sus colaboradores calcularon que una estrella moribunda no forma una singularidad desnuda sino que toda su masa es dispersada en un instante. Esta explosión tiene una firma característica: la estrella se oscurece brevemente antes de expulsar rápidamente radiación para producir rayos gamma de extrema energía, rayos cósmicos y neutrinos. Si esta huella fuese observada por los astrónomos, podría proporcionar la primera prueba observacional para la gravedad cuántica.

“Nuestro trabajo demuestra que la física fundamental de la gravedad cuántica canónica puede llevar a fenómenos observables en astrofísica”, comentó Joshi a PhysicsWeb. “Esto abre una nueva frontera para unir la Teoría de la Gravedad Cuántica con la física empírica y las observaciones astronómicas”. El equipo indio dice que próximos experimentos como el Observatorio Espacial del Universo Extremo (Extreme Universe Space Observatory o EUSO), que se espera que empiece a funcionar el 2010, podría ayudar a proporcionar una prueba para la predicción.

Carlo Rovelli de la Universidad del Mediterráneo en Francia piensa que el nuevo resultado podría ser importante. “Si funciona, podría ser un paso adelante importante”, comentó. “Además, este es otro ejemplo en el creciente número de sugerencias sobre que las observaciones de la gravedad cuántica son posibles – contrariamente a lo que se creía solo hace unos pocos años”.

Giovanni Amelino-Camelia de la Universidad de Roma La Sapienza dice que la nueva propuesta es excitante pero debería ser tratada con cuidado. “El marco por el que abogan los autores tiene mucho sentido y los resultados son definitivamente esperanzadores. Sin embargo, llevará tiempo establecer completamente los resultados dentro del rico formalismo de la gravedad cuántica canónica”.


Autor: Belle Dumé
Fecha Original: 2006-02-03

Detector de neutrinos podría dar pruebas de la Teoría de Cuerdas

Diagrama de IceCube (Cubo de hielo). IceCube ocupará un volumen de un kilómetro cúbico. Aquí mostramos un dibujo de una de las 80 cadenas de módulos ópticos (número y tamaños no a escala). IceTop, localizado en la superficie, contiene un conjunto de sensores para detectar lluvias de aire. Será usado para calibrar IceCube y guiar la investigación de rayos cósmicos de alta energía. Autor: Steve Yunck, Credit: NSF

Investigadores de la Universidad del Noreste y la Universidad de California, Irvine, dicen que los científicos podrían tener pronto pruebas de dimensiones adicionales y otras predicciones exóticas de la Teoría de Cuerdas.

Recientes resultados de un detector de neutrinos situado en el Polo Sur, llamado AMANDA, demuestra que estas fantasmales partículas del espacio podrían servir como sondas hacia un mundo más allá de nuestras familiares tres dimensiones, según el equipo de científicos.

No se han detectado más de una docena de neutrinos de alta energía hasta ahora. Sin embargo, el actual ratio de detección y rango de energía indica que el sucesor más grande de AMANDA, llamado IceCube, actualmente en construcción, podría proporcionar la primera prueba para la Teoría de Cuerdas y otras teorías que intentan aumentar nuestra comprensión actual del Universo.

Un artículo describiendo este trabajo apareció en el último número de Physical Review Letters. Los autores son: Luis Anchordoqui, científico investigador asociado en el Departamento de Física de la Universidad del Noreste; Haim Goldberg, profesor en el Departamento de Física de la Universidad del Noreste; y Jonathan Feng, profesor asociado en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California, Irvine.

La prueba, dicen, podría venir de cómo interactúan los neutrinos con otras formas de la materia en la Tierra.

“Para encontrar pistas que apoyen la Teoría de Cuerdas y otras nuevas y audaces teorías, necesitamos estudiar cómo interactúa la materia en energías extremas”, dijo Anchordoqui. “Los aceleradores de partículas fabricados por el hombre no puede aún llegar a generar esas energías pero la naturaleza puede hacerlo en forma de neutrinos de la más alta energía”.

En las últimas décadas, se han desarrollado nuevas teorías – tales como la Teoría de Cuerdas, dimensiones adicionales y supersimetría – para hacer de puente entre las dos teorías más exitosas del siglo XX, la Relatividad General y la Mecánica Cuántica. La Mecánica Cuántica describe tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: electromagnetismo, nuclear fuerte (une el núcleo atómico) y nuclear débil (vista en radiactividad). Esto es, sin embargo, con la Relatividad General de Einstein, la mejor descripción de la cuarta fuerza, la gravedad. Los científicos esperan encontrar una Teoría Unificada que proporcione una descripción cuántica de las cuatro fuerzas.

Las pistas para la unificación, dicen los científicos, están en las energías extremas. En la Tierra, los aceleradores de partículas hechos por los humanos ya han producido energías a las cuales las fuerzas electromagnética y nuclear débil son indistinguibles. Los científicos tiene ideas sobre cómo revelarán la próxima generación de aceleradores que la fuerza nuclear fuerte es indistinguible de la débil y la electromagnética a energías aún más altas. Aunque para sondear las profundidades y ver la conexión entre la gravedad con las tres otras fuerzas, se necesitan energías aún mayores.

Anchordoqui y sus colegas dicen que las fuentes extragalácticas pueden servir como el acelerador cósmico final, y que los neutrinos procedentes de estas fuentes que chocan con los protones pueden liberar energías en el dominio donde pueden revelarse las primeras pruebas de la Teoría de Cuerdas.

Los neutrinos son partículas elementales similares a los electrones, pero mucho menos masivos, con carga neutra, y difícil interacción con la materia. Están entre las partículas más abundantes del Universo; incalculables miles de millones pasan a través de nuestros cuerpos cada segundo. La mayor parte de los neutrinos que llegan a la Tierra son partículas de baja energía procedentes del Sol.

AMANDA, patrocinado por la fundación Nacional de Ciencia, intenta detectar los neutrinos que nos llueven desde arriba, pero también los que suben desde la Tierra. Los neutrinos son partículas de interacción tan débil que algunos pueden atravesar toda la Tierra y salir indemnes. El número total de neutrinos que “bajan” y “suben” es desconocido; sin embargo, a pesar de los efectos exóticos, los ratios de detección relativa son bien conocidos.

El telescopio IceCube y su predecesor, AMANDA, usan sensores ópticos para localizar las fuentes de neutrinos de alta energía. Esta imagen muestra la imagen en línea de un evento de neutrino grabado por AMANDA. Autor: Jodi Lamoureux, Crédito: NSF

Los detectores de AMANDA están posicionados en las profundidades del hielo Antártico. El IceCube patrocinado por la NSF tiene un diseño similar, solo que tiene unas seis veces más detectores cubriendo un volumen de un kilómetro cúbico. Un neutrino golpeando a los átomos en el hielo emitirá una breve y reveladora luz azul; y usando los detectores, los científicos pueden determinar la dirección de la que vino el neutrino y su energía.

La clave para el trabajo presentado aquí es que los científicos están comparando las detecciones de “arriba” y “abajo” y buscando discrepancias en el ratio de detección, evidencia de uno de los efectos exóticos predicho por las nuevas teorías.

“La Teoría de Cuerdas y otras posibilidades pueden distorsionar los números relativos de neutrinos “abajo” y “arriba”, dijo Jonathan Feng. “Por ejemplo, las dimensiones extra pueden causar que los neutrinos creen microscópicos agujeros negros, los cuales se evaporan instantáneamente y crean espectaculares lluvias de partículas en la atmósfera de la Tierra y en la capa de hielo Antártica. Esto incrementa el número de neutrinos “abajo” detectados. Al mismo tiempo, la creación de agujeros negros provoca que los neutrinos “arriba” sean capturados en la corteza de la Tierra, reduciendo el número de neutrinos “arriba”. Los ratios relativos de “arriba” y “abajo” proporcionan pruebas de las distorsiones en las propiedades del neutrino predichas por las nuevas teorías”.

“Los neutrinos acelerados en el cosmos a energías imposibles de obtener en la Tierra pueden detectar las “huellas” de la nueva física”, dice Goldberg. “El “cuerpo” responsable de las huellas puede entonces emerger a través de experimentos complementarios con la nueva generación de colisionadores hechos por los humanos. En todos los frentes, es una época excitante en la física de alta energía”.


Más información sobre AMANDA y IceCube disponible en el sitio web de IceCube:

http://www.icecube.wisc.edu

Fecha Original: 26 de Enero de 2006

La vida no cambia mucho el terreno

Una de las paradojas de las recientes exploraciones en la superficie marciana es que cuanto más observamos el planeta, más parecido resulta a la Tierra, a pesar de una gran diferencia: las formas de vida complejas han existido durante miles de millones de años en la Tierra, mientras que Marte nunca vio una vida mayor que la de un microbio, si es que la tuvo.

Cuanto más exploramos Marte, más se parece a la Tierra. Crédito de la imagen: NASA

“La colinas redondeadas, los canales serpenteantes, deltas y abanicos aluviales son sorprendentemente familiares”, dice William E. Dietrich, profesor de Ciencias Planetarias y Terrestres en la Universidad de California, Berkeley. “Ésto provoca que nos preguntemos: ¿Podemos decir sólo desde la topología, y en ausencia de la obvia influencia humana, que la vida domina la Tierra? ¿Lo hace la materia viva?”.

En un artículo publicado en el ejemplar del 26 de Enero en la revista Nature, Dietrich y el estudiante licenciado J. Taylor Perron informaron, para su sorpresa, que no hay firmas distintivas de la vida en las características de la superficie de la Tierra.

“A pesar de la profunda influencia de la biota en los procesos de erosión y evolución del paisaje, sorprendentemente,…no hay características del terreno que puedan existir solo en presencia de vida y, por tanto, una Tierra abiótica probablemente presentaría unos paisajes bastante familiares”, dice Dietrich.

En cambio, Dietrich y Perron propusieron que la vida – cualquiera desde las plantas más pequeñas a los mayores animales – crean un sutil efecto sobre el terreno que no es obvio al observador ocasional: más de las “preciosas, colinas redondeadas” típicas de las áreas con vegetación de la Tierra, y menos afilados riscos rocosos.

“Las colinas redondeadas son la expresión más pura de la influencia de la vida en al geomorfología”, dice Dietrich. “Si pudiésemos andar por una Tierra en la que la vida fuese eliminada, seguiríamos viendo colinas redondeadas, empinadas montañas, serpenteantes ríos, etc., pero su frecuencia relativa sería diferente”.

Cuando un científico de NASA reconoció a Dietrich hace unos años que no había visto nada en el paisaje marciano que no tuviese un paralelismo en la Tierra, Dietrich comenzó a pensar sobre qué efectos tendría la vida en las características del terreno y si hay alguna distinción en la topografía de los planetas con vida, frente a los que no tienen.

“Una de las cosas menos conocidas de nuestro planeta es cómo la atmósfera, la litosfera y los océanos interactúan con la vida para crear las características del terreno”, dice Dietrich, un geomorfólogo que durante más de 33 años ha estudiado los procesos erosivos de la Tierra. “Una revisión de las recientes investigaciones en la historia de la Tierra nos llevan a sugerir que la vida puede haber contribuido fuertemente al desarrollo de las grandes ciclos glaciales, e incluso influenciar la evolución de las placas tectónicas”.

Uno de los principales efectos de la vida en el paisaje es la erosión, apunta Dietrich. La vegetación tiende a proteger a las colinas de la erosión: los corrimientos de tierra mayormente ocurren en las primeras lluvias posteriores a un incendio. Pero la vegetación también acelera la erosión rompiendo la roca en trozos más pequeños.

“Allí donde mires, la actividad biótica está provocando que los sedimentos caigan por la colina, y la mayor parte de estos sedimentos están creados por la vida”. “Las raíces de los árboles, los topos y los wombats cavan en la tierra y la levantan, rompiendo el lecho de roca subyacente y haciéndolo escombros que caen colina abajo”.

Dado que la forma del terreno en muchas localizaciones está en equilibrio entre erosión por ríos, la cual tiende a cortar bruscamente el lecho en pendientes, y la dispersión de tierra dirigida bióticamente, la cual tiende a redondear las afiladas aristas, Dietrich y Perron pensaron que las colinas redondeadas serían una firma de la vida. Esto se probó que era falso, sin embargo, tal y como sus colegas Ron Amundson y el estudiante licenciado Justine Owen, ambos del Departamento de Ciencia Medioambiental, Política y Gestión del campus, descubrieron en el Desierto de Atacama en Chile, el cual carece de vida, donde las colinas redondeadas cubiertas de arena están producidas por el desgaste de la sal del cercano océano.

“Hay otras cosas en Marte, tales como la actividad del deshielo, que pueden romper las rocas” para crear las colinas redondeadas que se ven en las fotos tomadas por los rovers de la NASA, dice Perron.

Esto también puede verse en los meandros de los ríos, que en la Tierra están influenciados por la vegetación de las orillas. Pero Marte muestra meandros también, y los estudios de la Tierra han demostrado que los ríos creados en el lecho rocoso o suelo helado pueden crear idénticos meandros a los creados por la vegetación.

Los escarpamientos de los cursos de un río pueden ser también una firma, piensan: Los sedimentos de grano más grueso, menos desgastados, se erosionarían en los ríos, provocando que el río se haga más escarpado y las crestas más elevadas. Pero esto también lo vemos en las montañas de la Tierra.

“No es difícil argumento que la vegetación afecta a los patrones de precipitaciones y, recientemente, se ha demostrado que los patrones de precipitaciones afectan a la altura, anchura y simetría de las montañas, pero esto no produciría una característica única”, dice Dietrich. “Sin vida, aún tendríamos montañas asimétricas”.

Su conclusión, que la frecuencia relativa de características redondeadas contra las angulares cambiarían dependiendo de la presencia de vida, no será comprobable hasta que estén disponibles mapas de elevación de la superficie de otros planetas a resoluciones de metros o menos. “Algunas de las diferencias más importantes entre los paisajes con y sin vida están causados por procesos que operan a escalas pequeñas”, dice Perron.

Dietrich apuntó que pequeñas áreas de la superficie de Marte se han cartografiado a una resolución de dos metros, lo cual es mejor que muchos de los mapas de la Tierra. Él es uno de los líderes de la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) – que apoya un proyecto para cartografiar la superficie de la Tierra en alta resolución usando la tecnología LIDAR (LIght Detection And Ranging). Dietrich co-fundó el Centro Nacional de Cartografía Laser Airborne (NCALM), un proyecto conjunto entre la UC Berkeley y la Universidad de Florida para llevar a los mapas de LIDAR a mostrar no solo la superficie de vegetación, sino también el suelo desnudo como si no tuviese vegetación. La investigación de Dietrich y Perron fue patrocinada por el Centro Nacional para la Dinámica de la superficie de la Tierra de la NFS, el Programa de Asociación para la Investigación de Licenciados y el Instituto de Astrobiología de NASA.


Fecha Original: 26 de enero de 2006

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