Física Teoría de cuerdas

El LHC del CERN no ha producido agujeros negros durante 2010. Para producirlos hubiera sido necesario que existan dimensiones extra en el espaciotiempo de gran tamaño como predicen algunas teorías de cuerdas. Tampoco ha observado ningún fenómeno de origen gravitatorio, como las partículas llamadas modos de Kaluza-Klein. No se han observado estas partículas en el LHC durante 2010 en las colisiones protón-protón con una energía de 7 TeV en el centro de masas. Aunque aún no conocemos la teoría cuántica correcta de la gravedad, se puede construir una teoría efectiva semiclásica caracterizada por una energía típica, sea M. La ausencia de señales gravitatorias en las colisiones del LHC durante 2010 permite asegurar que M>3’4 TeV al 95% C.L., según el experimento CMS del LHC (tras analizar 36/pb de datos de colisiones)

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Se considera a la Teoría de Cuerdas (TC) como uno de los candidatos capaces de combinar la mecánica cuántica y la relatividad en una teoría de Gran Unificación, algo así como el Santo Grial de los físicos. Muchas de las predicciones de la TC son muy difíciles de comprobar, pero los responsables del Gran Colisionador de Hadrones han logrado diseñar un experimento destinado verificar una de ellas: la existencia de dimensiones ocultas. Los resultados son poco alentadores, y muchos creen que la Teoría de Cuerdas ha perdido la primera batalla.

La teoría de la relatividad general de Einstein establece una relación directa entre la gravitación y la geometría del espaciotiempo. Esto supone que una teoría cuántica de la gravitación implicará una estructura cuántica del propio espaciotiempo. Y en esta estructura deberá jugar un papel importante una especie de "cuanto espacial", o mínima distancia de interacción. Un nuevo límite fundamental en la Naturaleza, similar a la velocidad de la luz o al cuanto de acción, ahora en la escala de las distancias.

El argumento más importante, y con diferencia, a favor de la supersimetría es que parece estar implicada por la Teoría de Cuerdas, la única teoría unificadora de las fuerzas fundamentales conocida hasta el momento, y muy probablemente, la única matemáticamente posible.

Se encuentra un vínculo entre los agujeros negros teóricos y unos misteriosos materiales.

La Teorías de Cuerdas, que algunos físicos esperan que sea capaz de unificar la gravedad con la mecánica cuántica, puede haber encontrado una aplicación en el mundo real. Un tipo de agujero negro predicho por la Teoría de Cuerdas puede ayudar a explicar las propiedades de una misteriosa clase de materiales conocidos como “metales extraños”.

El descubrimiento más importante del RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en el BNL (Brookhaven National Laboratory), Stony Brook, Nueva York, ha sido que un plasma de quarks y gluones (QGP) se comporta como un fluido perfecto. El QGP es el estado de la materia unos 20 microsegundos después de la gran explosión (Big Bang). Todavía no se tiene un buen modelo teórico que explique por qué un QGP en las colisiones de iones de oro en el RHIC se comporta como un fluido perfecto. La hipótesis oficial es que es resultado de efectos no perturbativos en la cromodinámica cuántica (QCD). Este tipo de efectos requieren nuevas herramientas matemáticas y la teoría de cuerdas se ha ofrecido en los últimos años como alternativa factible para tratar de entender el comportamiento no perturbativo de los QGP.

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.

La teoría de cuerdas introduce efectos medibles en la cromodinámica cuántica (QCD) si las seis dimensiones espaciales extra tienen un radio cercano a un milímetro. Estos efectos no dependen del modo en el que las dimensiones extra están compactificadas (cómo la teoría de cuerdas aproxima al modelo estándar). Son efectos universales que permiten validar o refutar la teoría de cuerdas gracias a las colisiones protón contra protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. En el LHC en realidad colisionan entre sí partones: quarks contra quarks, gluones contra gluones y quarks contra gluones.

El primer libro escrito en TeX que publicó la editorial Cambridge University Press fue “Superstring theory” de Michael B. Green, John H. Schwarz y Edward Witten. Dos volúmenes repletos de fórmulas matemáticas, con más de mil páginas, escritos por Michael desde Londres, Edward desde Princeton y John desde Pasadena (California). Cada capítulo era un fichero TeX separado. Cada autor tenía que escribir un tercio de cada capítulo que luego revisaban los otros dos autores. Una tarea casi imposible, en palabras de John, sin TeX y sin la red ARPAnet (todavía no existía la internet actual). Los grupos de físicos de partículas experimentales utilizaban la red ARPAnet para intercambiar datos. Les permitieron usar la red para su libro (ya eran físicos famosos desde 1984). John usaba un ordenador IBM PC de 1985 que tardaba 5 minutos en compilar cada capítulo para poder imprimirlo en papel y revisarlo. John confiesa que no sabía compilar páginas sueltas y tenía que imprimir cada capítulo entero. Una labor que mereció la pena. “Superstring theory” fue el libro de cabecera de todos los que queríamos aprender teoría de cuerdas. El libro de texto (monografía) por excelencia para estudiar teoría de cuerdas (a nivel de curso de doctorado) hasta que aparecieron los dos volúmenes de “String Theory” de Joseph Polchinski. Más digeribles y con resultados más actualizados son ahora el punto de partida obligado. Si te interesa la historia de la teoría de cuerdas desde el punto de vista de John te recomiendo la entrevista de Sara Lippincott, “Interview with John H. Schwarz,” Oral History Project, California Institute of Technology Archives, Pasadena, California, 2002. Por cierto, las otras oral histories también merecen la pena (al menos a quienes disfrutamos de la historia de la ciencia).

Todos los intentos de establecer la teoría de cuerdas como una “teoría de todo” (TOE) convergen hacia un resultado sorprendente: la teoría de cuerdas es una ”teoría de algo” y ese “algo” es una teoría de Yang-Mills en 4 dimensiones (4D). Las teorías gauge de Yang-Mills, sin ninguna traza visible de gravedad, ocultan en lo más profundo de su ser una teoría cuántica de la gravedad, como nos ha desvelado la teoría de cuerdas (o teoría M). Los diagramas de Feynman para una teoría de Yang-Mills en 4D pueden ser sumados a todos los órdenes y continuados analíticamente en el régimen de acoplamiento fuerte gracias a su dualidad con una teoría de la gravedad. Todo ello gracias a las herramientas que se han desarrollado en teoría de cuerdas para tratar de demostrar la conjetura del argentino Juan Maldacena sobre la dualidad AdS/CFT. Esta conjetura no ha sido demostrada aún, sin embargo, para una teoría CFT en un espaciotiempo plano, una teoría Yang-Mills en 4D, pocos dudan sobre su validez. Todavía queda algún tiempo para que la teoría de cuerdas sea materia obligatoria para todos los físicos teóricos como herramienta de cálculo en las teorías de Yang-Mills en 4D del modelo estándar. Pero, tiempo al tiempo. Esta opinión no es solo mía, mi mejor resumen breve de la Conferencia sobre Integrabilidad en Teorías Gauge y de Cuerdas, 28 Junio-02 Julio, Estocolmo, 2010, sino que también parece ser la opinión de algunos de los expertos en sus charlas, por ejemplo, Matthias Staudacher (Universidad Humboldt, Berlín), “Q-Operator Demystified,” IGST 2010, Estocolmo, 28 Junio 2010.

La correspondencia AdS/CFT es el tema estrella en teoría de cuerdas y muchos foros en internet se hacen eco de los progresos este campo. Yo no soy experto en estas lides y los detalles técnicos se me escapan. Según la conjetura del argentino Maldacena ciertas teorías de la gravedad (la parte AdS) son equivalentes a ciertas teorías cuánticas de campos (la parte CFT). La correspondencia AdS/CFT no es un hecho (ni matemático, ni físico), es una conjetura (que era plausible en 2000 y ahora es muy plausible en 2010, pero conjetura al fin y al cabo). Los avances recientes más importantes se están obteniendo cuando la parte CFT es supersimétrica (teorías super-Yang-Mills o SYM) y la parte AdS se estudia mediantes técnicas de twistores (introducidas por Roger Penrose en los 1970). Uno de los artículos más citados en la última década en teoría de cuerdas es David Berenstein, Juan Maldacena, Horatiu Nastase (BMN), “Strings in flat space and pp waves from N=4 Super Yang Mills,” JHEP 0204: 013, 2002 [gratis en ArXiv]. Este trabajo (BMN) junto con el uso de los twistores en teoría de cuerdas, iniciado, como no, por Ed Witten, en 2003, condujo a un resultado que se puede considerar revolucionario (una “minirrevolución”) por parte de Ruth Britto, Freddy Cachazo, Bo Feng, Edward Witten (BCFW), “Direct Proof of Tree-Level Recursion Relation in Yang-Mills Theory,” Phys. Rev. Lett. 94: 181602, 2005 [gratis en ArXiv].

Los físicos están divididos sobre si la teoría de cuerdas es una teoría del todo factible, pero muchos están de acuerdo en que ofrece una nueva forma de observar fenómenos físicos que de otra manera son difíciles de describir. En la última década, los físicos han utilizado la teoría de cuerdas para construir una conexión entre la mecánica cuántica y la gravitacional, conocida como dualidad “gauge/gravity” (la llamaré calibre/gravedad a falta de traducción).

Físicos del MIT, liderados por Hong Liu y John McGreevy, han utilizado esa conexión para describir un fenómeno físico específico -el comportamiento de un tipo de superconductor de alta temperatura, o un material que conduce la electricidad sin oponer resistencia. La investigación, publicada en la edición online de Science el 5 de agosto, es una de las primeras que muestra que la dualidad calibre/gravedad puede arrojar luz sobre el extraño comportamiento físico del material superconductor.

El profesor Edward Witten (del Institute for Advanced Studies, Princeton, EEUU) ha ganado la edición de 2010 de la Medalla Isaac Newton concedida por el Institute of Phycis (IOP) británico. Al recibir el premio ha impartido una charla, disponible en vídeo en dos partes (Parte I y Parte II). Os recomiendo ver estos vídeos, especialmente el segundo, donde Witten acaba solicitando jóvenes prosélitos para su causa, el futuro de la teoría de cuerdas. No es una llamada desesperada pero es interesante observar como han cambiado los tiempos. Era obvio hace 10 años que todos los jóvenes que aspiraban a físicos teóricos querían trabajar en teoría de cuerdas. Hoy ya no pasa lo mismo. Los jóvenes saben que su futuro está con los pies en la tierra. Batallando por entender los resultados del LHC del CERN y otros experimentos en curso. La gloria de la teoría de cuerdas quizás acabe como la utopía del evo.

Conforme avanza nuestro conocimiento sobre el universo aparecen más interrogantes, vuelven las eternas preguntas que se han hecho los filósofos de todos los tiempos, aunque la perspectiva ha cambiado sustancialmente. Los principios básicos que vislumbramos sobre la gravedad cuántica nos indican que el propio espacio-tiempo no es el fundamental, eterno e inmóvil referente que siempre hemos creído sino que emerge de una entidad fundamental discreta (no continua) y su propia geometría debe estar inextricablemente ligada a las relaciones causales entre sucesos.

Un simple giro del destino: una vieja idea de Roger Penrose entusiasma a los teóricos de cuerdas.

A finales de la década de 1960, el distinguido físico y matemático de la Universidad de Oxford, Roger Penrose, encontró una forma radicalmente nueva de desarrollar una teoría unificada de la física. En vez de tratar de explicar cómo las partículas se mueven e interactúan dentro del espacio y del tiempo, propuso que el espacio y el tiempo mismos eran construcciones secundarias que emergen desde un nivel más profundo de la realidad. Pero su así llamada teoría de twistores no obtuvo atención, y sus problemas conceptuales bloquearon a sus pocos defensores. Como muchos otros intentos de unificar la física, los twistores fueron dados por muertos.

Este concepto está fuertemente arraigado a los modelos de explicación del Big Bang a través de las teorías de cuerdas, en los que se asume que en los primeros momentos del Universo se generaron cuerdas con suficiente energía como para no ser microscópicas y que se expandieron conforme el espacio se extendía a consecuencia de los periodos de inflación y la inercia dejada por la gran explosión.

De esta manera, se asume que hoy día estas cuerdas tendrían tamaños descomunales (en comparación con las cuerdas microscópicas) capaces de generar efectos macroscópicos como el conocido de lente gravitatoria. Y es de hecho este efecto el que se busca medir a la hora de localizar estos hilos cósmicos, pues debido a curiosidades de la teoría de la relatividad general, estas cuerdas ¡no presentan atracción gravitatoria!, por lo que sería imposible localizarlas buscando su efecto inercial sobre otros objetos.

In the late 1960s the renowned University of Oxford physicist and mathematician Roger Penrose came up with a radically new way to develop a unified theory of physics. Instead of seeking to explain how particles move and interact within space and time, he proposed that space and time themselves are secondary constructs that emerge out of a deeper level of reality. But his so-called twistor theory never caught on, and conceptual problems stymied its few proponents. Like so many other attempts to unify physics, twistors were left for dead.