La Teoría de Cuerdas. (STRING THEORY) Francis Villatoro. Naukas- La Ciencia de la Mula Francis. 615 LFDLC
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Entrevista al gran Francisco Villatoro (Francis. Naukas-La Ciencia de la Mula Francis) Dr. en Matemáticas, Licenciado en Física, ingeniero informático y profesor en la Universidad de Málaga.
Estas son las preguntas.
¿Qué es la teoría de cuerdas? Un nuevo paradigma para hacer física, como la física de Newton, la física cuántica o la física relativista. La física de Newton (F=m a) no predice la fuerza entre dos electrones (que viene determinada por los experimentos) ni la fuerza de la gravedad entre dos planetas (que Newton dedujo a partir de las leyes de Kepler). La teoría de cuerdas es un nuevo paradigma que predice todos los universos posibles. Entre ellos está nuestro universo, pero no tenemos ninguna razón por la cual haya sido seleccionado. Según la teoría de cuerdas todo está hecho de cuerdas.
¿Qué son las cuerdas de la teoría de cuerdas? En la teoría de cuerdas todas las partículas como vibraciones de pequeñas cuerdas. Los átomos de John Dalton en el siglo XIX no son los átomos de Demócrito, pues no son elementales, están compuestos de partículas. Las cuerdas de la teoría de cuerdas son los átomos de Demócrito. Diminutas cuerdas con un tamaño en la escala de Planck, 10^-35 metros, unas 10 sixtillonéximas de metro. Tan pequeño que si dilatáramos una de esas cuerdas hasta llegar al tamaño de un átomo de hidrógeno, un ser humano sería tan grande como una galaxia espiral del tamaño de la Vía Láctea. Esta teoría pretende unificar toda la física, tanto la teoría cuántica de partículas como la teoría clásica de la gravedad. Las cuatro fuerzas fundamentales de la física: la gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte, que mantiene a los protones y neutrones unidos en los átomos, y la nuclear débil, responsable de la radiactividad natural, serían unificadas por esta teoría.
La teoría de cuerdas predice que el espaciotiempo tiene más de cuatro (3+1) dimensiones. ¿Cuántas dimensiones tiene el espaciotiempo? La teoría de cuerdas es el candidato más firme en la actualidad a describir la gravedad como una teoría cuántica, ya que uno de los modos de vibración de las cuerdas describe los gravitones, las partículas cuánticas de la gravedad. Construir una teoría cuántica de la gravedad es uno de los problemas más difíciles en la historia de la física teórica. La teoría de cuerdas resuelve este y algunos otros problemas, aunque el precio a pagar es la aparición de muchísimos otros todavía no resueltos.?? El espaciotiempo no es un concepto fundamental en teoría de cuerdas, emerge de la interacción fuerte entre muchos gravitones. Hay varias versiones de la teoría en las que el espaciotiempo emerge con un número diferente de dimensiones. Hay cinco teorías en 10D y la llamada teoría M en 11D. Todas estas teorías son equivalentes entre sí y describen la misma física pero desde diferentes puntos de vista. Las dimensiones extra del espacio tiempo 4+6 (o 4+7) están muy curvadas (compactificadas) y no las podemos observar.
¿Cómo describe la teoría de cuerdas todas las partículas fundamentales conocidas? Todas partículas elementales y sus interacciones son descritos por el modelo estándar de partículas. La estructura matemática del modelo es muy sofisticada: describe partículas que distinguen izquierda de derecha, partículas con propiedades estadísticas muy diferentes (fermiones y bosones), además contiene muchísimos elementos de teoría de grupos, integrales en espacios de dimensión infinita, y un largo etcétera.? Durante el desarrollo inicial de la teoría de cuerdas (1968-1984) quedó claro que las únicas formulaciones de la teoría que pueden describir la complejidad del modelo estándar, son las que tienen lugar si se da un nuevo tipo de simetría espaciotemporal conocida como supersimetría. La supersimetría relaciona las partículas fermión con las bosón. Cada partícula en la naturaleza es un bosón o un fermión; los quarks, electrones y neutrinos son fermiones, y los fotones y la partícula de Higgs bosones. Una de las implicaciones físicas de la supersimetría es que dobla el número de partículas conocidas, es decir, por cada fermión (respectivamente bosón) habría un bosón (fermión) que todavía no se ha detectado.?? Las cuerdas con supersimetría se suelen llamar supercuerdas y se conocen cinco teorías de supercuerdas en 10D equivalentes entre sí: la tipo I, la IIA, la IIB, la heterótica HO y la heterótica HE. Además son equivalentes a una teoría de la gravedad supersimétrica en 11D.
¿Se puede probar experimentalmente la teoría de cuerdas? No es fácil. La física cuántica de la gravedad se observa a energías que no podemos explorar en los experimentos y la física cuánticas de las partículas que podemos estudiar en los colisionadores corresponde al vacío de la teoría de cuerdas. Con la tecnología actual no podemos saber si las partículas son realmente cuerdas o no lo son. En los experimentos todas las partículas elementales parecen puntuales. Todas las predicciones de la teoría de cuerdas se pueden estudiar sin la teoría de cuerdas. Por ejemplo, si se descubre la supersimetría (que fue inventada gracias a la teoría de cuerdas) no se demuestra la teoría de cuerdas ya que se pueden construir teorías supersimétricas sin teoría de cuerdas.
Observamos 4 dimensiones, ¿cómo se enrollan las dimensiones extra del espaciotiempo para que no las veamos? El universo que observamos tiene tres dimensiones de espacio y una de tiempo; la única forma de que hubiera seis dimensiones extra es que éstas estuvieran "enrolladas" a escalas microscópicas. De la misma forma que un cable fino, el cual puede parecer una línea unidimensional, es una superficie bidimensional con la dimensión que describe su grosor "enrollada", la física que observamos dependería de las formas geométricas que contienen las seis dimensiones enrolladas (o compactificadas). Las matemáticas que describen la compactificación son muy elegantes. Matemáticos reconocidos mundialmente por sus contribuciones en matemáticas fundamentales, hoy trabajan en problemas de teoría de cuerdas. Y viceversa, estructuras matemáticas encontradas por teóricos de cuerdas han despertado tanto interés en el mundo de las matemáticas que han aparecido nuevas áreas de investigación entorno a ellas.?
¿Además de las cuerdas hay otros objetos en la teoría de cuerdas? Hay muchos otros objetos. Los más importantes son las branas y sus cargas, las cuerdas-instantón, los instantones, los fibrados estables, etc. son conceptos asociados a la geometría que describe las dimensiones compactificadas.
¿La teoría de cuerdas apoya la idea del multiverso? Nuestro universo está descrito por un vacío de la teoría de cuerdas, pero hay infinidad de vacíos. La teoría de cuerdas describe todos los universos posibles. Algunos teóricos de cuerdas proponen que todas esas configuraciones existen objetivamente en lo que llaman el multiverso. Combinado con el principio antrópico, dicho grupo de teóricos dice explicar porqué la constante cosmológica observada es tan pequeña. Simplificando, su argumento dice: "casi todas las configuraciones del multiverso corresponden a universos en el que la vida no es posible; obviamente nosotros vivimos en un universo de ese multiverso en el que la vida sí es posible; un análisis estadístico en el multiverso implica que lo más probable es que un universo donde la vida sea posible tenga una constante cosmológica pequeña y positiva"
La principal crítica que está recibiendo la teoría de cuerdas es que es incapaz de predecir nada. ¿Sirve para algo una teoría que no predice nada? Se ha llegado a decir que no es una teoría falsable. Como predice todos los universos posibles no podemos comprobar la teoría con nuestro único universo. Lo cierto es que la teoría todavía no está entendida correctamente y que es precipitado sacar conclusiones. Faltan muchos problemas por resolver. Por ejemplo, hay evidencia de que las diversas teorías de cuerdas son límites diferentes de una teoría más profunda conocida como teoría M (donde M se refiere a Matriz, Misterio, Madre. . .). Sin embargo, formular en qué consiste exactamente esta teoría M se está convirtiendo en uno de esos proyectos a largo plazo donde no está claro que el "a largo plazo" no sea lo mismo que ilimitado.
¿La teoría de cuerdas es una teoría de todo? La formulación más completa de la teoría de cuerdas, llamada teoría M, aspira a ser una una teoría final o una teoría de todo que pueda ser formulada utilizando un número finito de principios físicos. Entender la teoría de cuerdas y la teoría M es un proyecto monumental para la comunidad de físicos teóricos y en cualquier momento puede haber sorpresas. También puede haber sorpresas desde la física de partículas (en el LHC) o en la cosmología observacional.
¿Cómo nació la teoría de cuerdas? ¿Cuál es su historia? Durante la década de los 1960 era un intento de explicar la fuerza nuclear fuerte entre el zoo de partículas (hadrones) que se descubrieron en los experimentos. El gran motor fue una fórmula matemática del joven físico italiano, Gabriele Veneziano. Pronto se descubrió que describía cuerdas vibrantes. Leonard Susskind veía las cuerdas con quarks en sus extremos para describir los mesones. Pero los bariones fue más difícil. Pero el modelo estándar eclipsó a la teoría de cuerdas en 1973. La primera revolución en 1984 y la segunda revolución en 1995 nos llevan a la situación actual.
¿Cómo explica la teoría de cuerdas el big bang? Hay muchas variantes, pero algunos defensores de la teoría de cuerdas han sugerido que el big bang no fue el inicio de todo. Si vivimos en una brana (D3) dentro de un espacio 11D donde hay más branas podemos imaginar que dos de estas membranas choquen entre si. Según esta idea, en algún momento anterior al Big Bang dos branas que albergaban universos paralelos se precipitaron la una contra la otra hasta que chocaron (Inflación brana-antibrana, D3-D3bar). Toda esa energía tenía que ir a alguna parte. Así desencadenó el Big Bang, creando la expansión que conocemos y calienta todas las partículas del universo formando una enorme masa ardiente. También hay varios posibles modelos de inflación en teoría de cuerdas: La tensión de un par brana-antibrana actúa como una energía de vacío que produce una fase de expansión acelerada. El inflatón es un campo que mide la distancia entre la brana y la antibrana. Inflación termina con la aniquilación del par, la energía se libera a partículas y radiación, en expansión desacelerada.
¿Cómo explica la teoría de cuerdas los agujeros negros? A bajas energías la dinámica del gravitón de teoría de cuerdas reproduce la Relatividad General. Existen soluciones de tipo agujero negro en teoría de cuerdas, pero involucran estos campos adicionales (compañeros supersimétricos del gravitón => gravitinos, dilatón, dilatinos, ...). La entropía de los agujeros negros de Bekenstein-Hawking se ha explicado gracias a las Dp-branas. Son objetos extensos, con p dimensiones espaciales y que se propagan en el tiempo. En acoplamiento débil se describe como hiperplanos en los que se localizan los extremos de las cuerdas abiertas. Se pueden apilar o superponer N Dp-branas y se forma un horizonte de sucesos como un agujero negro, las llamadas D-branas negras. La descripción con D-branas permite entender los microestados del agujero negro para acoplamiento fuerte. Los microestados del agujero negro corresponden a los microestados de la sopa de cuerdas abiertas entre las Dbranas que forman el agujero negro
¿Tiene otras aplicaciones la teoría de cuerdas? Gracias a la conjetura o correspondencia AdS/CFT de Maldacena. La información de los microestados cuánticos del agujero negro está almacenada sólo en el horizonte. Analogía con un holograma, imagen 2d que almacena info 3d. La información de un sistema con gravedad en D dimensiones se codifica en una teoría sin gravedad en su frontera de (D-1) dimensiones. Teoría SIN gravedad en 4D Teoría CON gravedad en 5D. AdS/CFT es una correspondencia holográfica. Teoría gauge SU(N) en 4d Teoría de cuerdas en AdS5 x S5. Deberían ser equivalentes... y son mucho más tratables que los sistemas originales. Tiene aplicaciones en física de la materia condensada, plasma quarks y gluones, turbulencia, ... etc.
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Buenos días queridos amigos de la fábrica de la ciencia esto es una edición especial de un programa de uno de los primeros programas con francis villatoro en el cual estuvimos hablando de la teoría de las cuerdas el intentado arreglar el sonido al máximo con la nueva sintonía de la fábrica de la ciencia y bueno y espero que os guste este esta recuperación de este programa que fue uno de los más escuchados de la historia de la fábrica de la ciencia decir al a los oyentes de la fábrica de la ciencia que podré que podéis contribuir con una pequeña aportación económica menos de tres euros al mes para poder engrasar la máquina de la fábrica de la ciencia y convertir este espacio divulgativo en un referente nacional e internacional y ahora os dejo con francis villatoro para hablar de la teoría de las cuerdas vamos a hablar de un tema si el bosón de higgs fue muy interesante pero a la vez complicado y la gravedad que lo explicaste bastante bien hoy también vamos a hablar de otro tema que para los oyentes puede ser complicado de entender pero que también lo vas a hacer muy bien que lo vas a explicar muy bien qué es sobre la teoría de cuerdas vamos a empezar explicando qué es esto qué es la teoría de cuerdas la teoría de cuerdas es una nuevo paradigma en la física teórica los paradigmas son cosas como la física de newton o la física cuántica la física relativista de youtube por ejemplo sus leyes no predicen la fuerza que hay entre dos electrones o la de culo o la fuerza que hay entre dos planetas la fuerza era grave son cosas que hay que deducir observando la naturaleza y usando las leyes se cumplen atraviesa tu en cuenta las fuerzas que rigen el movimiento de los cuerpos segun la teoría diminuto si no pasa con la física cuántica relativista y eso es lo que es la teoría de cuerdas es un paradigma nuevo paradigma que explica la realidad azumi una serie de reglas leyes básicamente que todo lo que hay en la realidad son cuerdas supercuerdas y que las interacciones entre las cuerdas dan resultado a todo lo que observamos en la realidad esto es un nuevo paradigma y por lo tanto no predice en concreto en nuestro universo concreto sino que se cree que predice todos los universos posibles tendría realmente muy poderosa desde punto de vista predictivo lo que pasa es que como no predice nuestro universo concreto sino cualquier universo pues es una decisión muy difícil de estudiar porque el universo pueden ser muy diversos pueden ser muy diferentes unos de otros cuando hablas de universos diferentes estas hablando de paralelos o otra cosa no hay principios antes que imagínate las las leyes de newton la ley de newton tú dices fuerza igual a masa por aceleración dependiendo de la fuerza tengo un movimiento tengo otro movimiento distinto de un cuerpo sí entonces cuando hablo de diferentes universos son diferentes universos con diferentes leyes vale no significa que existan esos universos sino que son universos potenciales si yo tengo una teoría tan poderosa que me permite describir universos con prácticamente cualesquiera leyes los últimos quince años se ha descubierto que la teoría de cuerdas permite escribir universos sin relatividad sin cuántica muy diferente al universo que conocemos nosotros universo que tienen un contenido de partículas completamente diferente donde hay muchas más familias de partículas donde las los campos que elegir la práctica son completamente diferentes de la gravedad es completamente diferente donde el número de dimensiones espacio-tiempo completamente diferente hay que imaginarse prácticamente creemos eso todavía no lo sabemos pero creemos que prácticamente cualquier universo que podamos concebir puede ser escrito utilizando el lenguaje del paradigma de la teoría de cuerdas algo que no es posible por ejemplo con la mecánica cuántica porque hay universos que no cumplen las leyes de la cuántica y que si son distinguibles mediante ciertas teorías de cuerdas curioso e interesante y que son estas cuerdas bien la idea que todo el mundo tiene una cuerda pues es más o menos aproximada la de la guitarra o la cuerda de un violín o de un piano un acuerdo es algo que vibra tocando con una guitarra toco la cuerda pues algo que vibre a una cierta frecuencia que es la que da la nota la nota musical y una serie de harmony chicos con cierta energía en cada uno de los armónicos doble triple cuádruple de la frecuencia de la nota y bueno como tiene la caja de resonancia la la guitarra pues también tenemos sus armónicos entonces eso me da