Teknociencia.com

Científicos aseguran poder probar la «Teoría del Todo»

El polémico modelo, que aspira a explicar cualquier fenómeno de la Naturaleza, jamás había sido demostrado empíricamente

¿Una teoría de la física que pueda explicarlo absolutamente todo? ¿Que pueda dar razones sobre cómo se creó el Universo, sobre cuántos tipos de materia existen y cómo se relacionan entre ellos, sobre cómo se comportan el espacio y el tiempo…? Es la «Teoría Unificada» o «Teoría del Todo». Este ansiado modelo, que algunos han llegado a considerar una mera fantasía científica, puede estar más cerca de lo que nunca se creyó posible. Científicos del Imperial College de Londres aseguran que es posible probar de forma empírica la «Teoría de las Cuerdas», algo que jamás se había demostrado sobre el papel. No es lo mismo, de acuerdo, pero es el modelo del que se espera nazca la teoría universal. En definitiva, el primer paso para contestar a todos los porqués.

Resumiendo mucho, el modelo estándar de las partículas elementales explica las fuerzas fundamentales de la Naturaleza gracias a simetrías (locales) entre los estados de las partículas elementales. Está constintuido por una teoría de simetría (gauge) pura para la fuerza fuerte, la cromodinámica cuántica, basada en un grupo SU(3) asociado a las partículas con carga de color (los quarks y los gluones), y por una teoría de simetría quiral para la fuerza electrodébil, la unificación del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, basada en el producto SU(2)_L×U(1)_Y. La fuerza débil es quiral, viola la simetría de paridad (P) o de reflexión en el espejo. Todos los fermiones tienen helicidad que puede ser hacia la izquierda (L) o hacia la derecha (R). El grupo SU(2) sólo actúa sobre la componente de helicidad izquierda (de ahí la L como subíndice). La simetría U(1) actúa sobre ambas helicidades (Y corresponde a la hipercarga). La quiralidad del modelo estándar es una de sus propiedades más características y que impone más dificultades a la hora de construir una gran unificación que lo incluya como caso particular. El modelo estándar puede ser completado con la gravedad de Einstein, que desde el punto de vista de la teoría de grupos corresponde a la invarianza local ante el grupo de Poincaré, cuyo recubridor universal es el grupo SL(2,C) que es isomorfo al grupo de espín Spin(1,3). Este grupo actúa sobre todas las partículas. En las teorías de gran unificación (GUT) se introduce un grupo de simetría suficientemente grande para incluir todos estos grupos de simetría y pueden incluir también al grupo de Poincaré, en cuyo caso se les suele llamar graviGUT.

En la teoría excepcionalmente simple de Garrett Lisi se selecciona el grupo excepcional E8, un grupo enorme, para construir una teoría de gran unificación (graviGUT) que contiene el producto de grupos de simetría SU(3)×SU(2)×U(1)×Spin(3,1). Todo parece encajar a la perfección si nos olvidamos de que incluir SU(2) no es lo mismo que incluir SU(2)_L, es decir, hay que incorporar la quiralidad en la teoría (la violación de la simetría de paridad P o del espejo). No es fácil lograrlo. Garrett Lisi en su último artículo toma una idea ya presentada por Distler y Garibaldi en el suyo, aprovechar que el producto de grupos Spin(10)×SL(2,C) contiene una representación real de E8 como grupo de cuaterniones. Utilizando este hecho logra explicar una generación de fermiones (el resto de las partículas en la teoría son bosones) con masa nula. La teoría no es quiral, pero si se introduce un mecanismo de ruptura de la simetría se puede lograr que las partículas con helicidad izquierda adquieren una masa muy pequeña comparada con la masa que adquieren las partículas con helicidad derecha (a estas partículas de gran masa se les suele llamar partículas o fermiones espejo). Tras 12 páginas de teoría de grupos, Garrett Lisi afirma que esta posibilidad permite introducir la quiralidad en su teoría. ¿Cómo se rompe exactamente esta simetría? Lisi no nos indica cómo se puede lograr, quizás sea cuestión de tiempo y de alarde técnico. Ahora bien, el modelo estándar contiene tres generaciones de partículas quirales. En el artículo de Distler y Garibaldi se afirmaba que utilizando este tipo de descomposiciones (pasar de la forma real no compacta de E8 a una forma compleja adecuada) se podían obtener hasta dos generaciones quirales, pero que es matemáticamente imposible obtener tres generaciones quirales (o más). Una demostración matemática tiene eso. Es así de rotunda en sus afirmaciones. Si 1+1=2, no puede ser de otra forma.

¿Podrá algún día Lisi descubrir una sutileza en el análisis de Distler y Garibaldi que le permita obtener tres generaciones de partículas quirales en su teoría? Todavía una pregunta sin respuesta, lo único que podemos decir es que tendrá que trabajar bastante para lograrlo. Sería un gran paso hacia la gloria, pero su teoría también tiene muchos otros problemas técnicos (no tiene mecanismo de ruptura de la simetría, no tiene versión cuántica, etc.) Ahora que está tan de moda el bosón de Higgs hay que recordar que la teoría de Lisi no incluye a los bosones de Higgs, no porque su teoría no los requiera (él mismo afirma que los necesita), sino porque Lisi no sabe cómo rellenar los detalles técnicos para obtenerlos (serán necesarios varios bosones de Higgs y los detalles no son nada sencillos).

Garrett Lisi tiene ángel,  es un rayo de luz que nos ilumina a todos con su sabiduría. Un punto de marketing que le viene de escándalo a la física teórica. Siempre acompaña sus artículos con gráficos y animaciones de gran interés para el público en general (y de ningún interés para los especialistas). Os recomiendo jugar a explorar el mundo de las partículas elementales desde el prisma de Garrett Lisi con su juego “Elementary Particle Explorer!”

Read more

Para desenredar este galimatías hay que empezar por el principio. Para la «Teoría de las Cuerdas» -desarrollada originalmente para describir las partículas fundamentales que han creado el Universo-, los componentes básicos de la materia (átomos y partículas subatómicas) no son puntos o esferas, como se han descrito hasta ahora, sino hilos vibrantes de energía denominados cuerdas. Las cuerdas vibran de unas formas determinadas dotando a las partículas de sus propiedades únicas, como la masa y la carga. Muchos científicos son muy escépticos a esta propuesta, pero sus defensores creen que puede convertirse en una Teoría del todo, capaz de explicar todos los fenómenos de la Naturaleza. Pero hasta ahora había un pequeño problema: nunca había sido probada.

Los investigadores del Imperial College creen que han dado una vuelta de tuerca a esta situación. En un artículo publicado en la revista Physical Review, describen cómo llevar a cabo la primera prueba experimental sobre la validez (o no) de la «Teoría de las Cuerdas». Y aseguran que se puede demostrar a través de un fenómeno con el que nunca antes se había relacionado: el entrelazamiento cuántico, por el que dos o más partículas se unen tanto que no pueden describirse por separado. Cuando esto ocurre, aunque las partículas se encuentren a millones de kilómetros, cuando el estado de una de ellas cambia, la de la otra también lo hace.

Como este entrelazamiento se puede probar en laboratorio, los científicos creen que también se podría utilizar para comprobar si las predicciones de la «Teoría de las Cuerdas» funcionan de verdad. Esta demostración resultaría un hito en el campo de la física teórica.

Según explica la web científica Physorg.com, Michael Duff, responsable de la investigación y profesor del Departamento de Física Teórica del Imperial College, llegó a estas conclusiones de forma casual, cuando, en una conferencia en Tasmania, otro físico explicaba unas fórmulas matemáticas sobre el entrelazamiento cuántico. De repente, Duff se percató de la similitud entre las fórmulas que le estaban presentado y otras que él mismo había desarrollado años antes sobre la «Teoría de las Cuerdas» para describir el comportamiento de los agujeros negros. El descubrimiento fue totalmente inesperado y, si se confirma, puede cambiar la forma en la que se comprende la física. No hay una conexión obvia para explicar por qué una teoría que se desarrolla para describir el funcionamiento del Universo es útil para hacer lo mismo con el comportamiento de algo tan minúsculo como los sistemas cuánticos entrelazados, pero resulta, por lo menos, muy llamativo. «Esto puede decirnos algo muy profundo sobre el mundo en el que vivimos o no ser más que una peculiar coincidencia», apunta Duff. El tiempo lo dirá.

Inflación cósmica

La Hipotesis del gran cerebro es la idea propuesta inicialmente por Alan Guth en 1981. Trata de que el universo naciente pasó por una fase de Métrica de Expansión del Universo, crecimiento exponencialmente que fue producida por una densidad de energía del vacío de presión negativa.

Liddle y Lyth (2000) y Mukhanov (2005) publicaron libros de texto de cosmología recientemente con extensas discusiones sobre la inflación. Kolb y Turner (1988) y Linde (1990) fallaron en algunos desarrollos recientes, pero siguen siendo ampliamente utilizados. Peebles (1993) proporciona una discusión técnica con un contexto histórico. Las recientes revisiones de Lyth y Riotto (1999) y Linde (2005). Guth (1997) y Hawking (1998) dieron introducciones populares a la inflación con reseñas históricas. Esta expansión puede ser modelada con una constante cosmológica no nula. Como consecuencia directa de esta expansión, todo el universo observable podría haberse originado en una región pequeña, conectada causalmente. La inflación contesta a los interrogantes clásicos de la cosmología del Big Bang: por qué el Universo parece ser plano, homogéneo e isótropo de acuerdo con el principio cosmológico como se esperaría, y basándose en la física del Big Bang, un Universo altamente curvado y heterogéneo. La inflación también explica el origen de la estructura a gran escala del universo. Las fluctuaciones cuánticas en la región microscópica inflacionaria, magnificada a tamaño cósmico, podrían entonces ser las semillas para el crecimiento de estructuras en el universo.

La inflación fue por primera vez propuesta por el físico y cosmólogo estadounidense Alan Guth en 1981 e independientemente Andrei Linde, y Andreas Albrecht junto con Paul Steinhardt le dieron su forma moderna.

Aunque el mecanismo responsable detallado de la física de partículas para la inflación se desconoce, la imagen básica proporciona un número de predicciones que se han confirmado por pruebas observacionales. La inflación es actualmente condiderada como parte del estándar Big Bang cosmológico caliente. La campo hipotético que se piensa que es responsable de la inflación es llamada inflatón.

El mecanismo de cascada de división y elongación de fotones (CDEF) que precede la formación de materia fue propuesto para explicar la elongación de la radiación de fondo cósmico (Cosmic Microwave Background: CMB) por Alfredo Bennun, Rutgers University. Este modelo fue sometido a una simulación donde se propone que la energía primordial se pueda describir como una radiación, lo cual permite caracterizar la misma en función de su longitud de onda aunque de naturaleza física no esté establecida. Así esta radiación de ultra rápida frecuencia (v) y ultra pequeña longitud de onda (?) podría evaluarse como fotones de muy alta energía limitada por la constante de Planck (10²² Mega Electrón Volts). Éstos serían inicialmente confinados dentro de un espacio tridimensional del orden de un radio Fermi 10 ^{? 13} cm) evitando la naturaleza puntual y por lo tanto no física de una singularidad espaciotemporal. Se consideró la cascada como una secuencia reiterada 66 veces o sea, de (1x2)⁶⁶ divisiones de los fotones iniciales pero el incremento inicial del radio del universo se lo expresa en base 4 y exponencial 66 o (1x2x2)⁶⁶ porque en cada división o partición de los fotones simultáneamente se dobla su número y la amplitud de longitud de onda. Ambos procesos no están limitados por la velocidad de la propagación de la luz en el espacio porque implican transiciones de la amplitud del espacio tiempo. Este mecanismo expansivo y antagónico a la atracción gravitatoria es por lo tanto asimilable a la constante cosmológica de Einstein y es totalmente diferente al propuesto por Alan Guth aunque se obtienen valores similares a los que son estándar para caracterizar el final del escenario de inflación.

La inflación sugiere que hubo un periodo de expansión exponencial en el Universo muy pre-primigenio. La expansión es exponencial porque la distancia entre dos observadores fijos se incrementa exponencialmente, debido a la métrica de expansión del Universo (un espacio-tiempo con esta propiedad es llamado un espacio de Sitter). Las condiciones físicas desde un momento hasta el siguiente son estables: la tasa de expansión, llamado la constante de Hubble, es casi constante, lo que lleva a altos niveles de simetría. La inflación es a menudo conocida como un periodo de expansión acelerada porque la distancia entre dos observadores fijos se incrementa a una tasa acelerante cuando se mueven alejándose. (Sin embargo, esto no significa que el parámetro de Hubble se esté incrementando, ver parámetro de deceleración).

La inflación cósmica tiene el efecto importante de resolver heterogeneidades, anisotropía y la curvatura del espacio. Esto pone al Universo en un estado muy simple, en el que está completamente dominado por el campo inflatón y las únicas heterogeneidades significativas son las débiles fluctuaciones cuánticas en el inflatón. La inflación también dilute partículas pesadas exóticas, como los monopolos magnéticos predichos por muchas extensiones del modelo estándar de física de partículas. Si el Universo estuviese lo suficientemente caliente como para formar tales partículas anteriores al periodo de inflación, no serían observados en la Naturaleza, ya que serían tan raras que es bastante probable que no haya ninguna en el Universo observable. Juntos, estos efectos se llamar el “teorema de no-pelo inflacionario” por analogía con el teorema de no-pelo para los agujeros negros.

El teorema de “no-pelo” esencialmente porque el Universo se expande por un factor enorme durante la inflación. En un Universo en expansión, las densidades de energía generalmente cae según se incrementa el volumen del Universo. Por ejemplo, la densidad de la materia (polvo) “fría” ordinaria es proporcional a la inversa del volumen: cuando las dimensiones lineales se duplican, la densidad de energía cae en un factor de ocho. La densidad de energía en la radiación cae incluso más rápidamente según se expande el Universo: cuando las dimensiones lineales se duplican, la densidad de energía de radiación cae en un factor de dieciseis. Durante la inflación, la densidad de energía en el campo inflatón es casi constante. Sin embargo, la densidad de energía en heterogeneidades, curvatura, anisotropías y partículas exóticas está descendiendo y a con una inflación suficiente estas se hacen insignificantes. Esto deja un Universo vacío, plano y simétrico que es llenado de radiación cuando la inflación termina.

Un requisito clave es que la inflación tiene que continuar lo suficiente para producir el Universo observable actual de un simple, pequeño volumen de Hubble inflacionario. Esto es necesario para asegurar que el Universo parece plano, homogéneo e isótropo en las escalas observables mayores. Este requisito está generalmente pensado para satisfacerse si el Universo se expandió con un factor de al menos 10²⁶ durante la inflación.Al final de la inflación, ocurre un proceso llamado recalentamiento, en el que las partículas inflatón decaen en la radiación que empieza el caliente Big Bang. No se conoce cuando duró la inflación, pero normalmente se piensa que fue extremadamente corta comparado con la edad del Universo. Asumiendo que la escala de energía de inflación está entre 10¹⁵ y 10¹⁶ eV, como se sugiere en los modelos más simples, el periodo de inflación responsable del Universo observable probablemente duró unos 10^-33 segundos.

La inflación resuelve varios problemas en la cosmología del Big Bang que fueron señalados en los años 1970. Estos problemas vienen de la observación que para parecerse a como es el Universo hoy, el Universo tendría que haber empezado de unas condiciones iniciales “especiales” o muy puestas a punto cerca del Big Bang. La inflación resuelve estos problemas proporcionando un mecanismo dinámico que conduce al Universo a este estado especial, de esta manera formando un Universo como el nuestro mucho más natural en el contexto de la teoría del Big Bang.

Problema del horizonte

El problema del horizonte es el problema de determinar por qué el Universo parece estadísticamente homogéneo e isótropo de acuerdo con el principio cosmológico. Las moléculas de gas en un bote de gas están distribuidas homogénea e isótropicamente porque están en equilibrio térmico: el gas a través del bote ha tenido suficiente tiempo para interactuar para disipar las heterogeneidades y las anisotropías. La situación es bastante diferente en el modelo del Big Bang sin inflación, porque la expansión gravitacional no da al Universo primigenio suficiente tiempo para equilibrarse. En un Big Bang en el que sólo hay la materia y la radiación conocida en el modelo estándar, dos regiones ampliamente separadas del Universo observable no pueden haberse equilibrado porque nunca han entrado en contacto causal: en la historia del Universo, volviendo a los primeros tiempos, no ha sido posible enviar una señal de luz entre las dos regiones. Porque no tienen interacción, es imposible que se equilibren. Esto es porque el radio de Hubble en un Universo dominado de materia o radiación se expande mucho más rápidamente que las longitudes físicas y tales puntos que están incomunicados se comunican. Históricamente, dos soluciones propuestas fueron el Universo Fénix de Georges Lemaître, el relacionado universo oscilante de Richard Tolman, y el Universo Mixmaster de Charles Misner. Lemaître y Tolman propusieron que un Universo experimentando varios ciclos de contracción y expansión podría llegar a un equilibrio térmico. Sus modelos fallaban, sin embargo, por la acumulación de la entropía a través de varios ciclos. Misner hizo la (últimamente incorrecta) conjetura de que el mecanismo Mixmaster, que hacía el Universo más caótico, podría conducir a la homogeneidad estadística y a la isotropía.

Problema del monopolo magnético

El problema del monopolo magnético (algunas veces llamado el problema de las reliquias exóticas) es un problema que sugiere que si el Universo primigenio estaba muy caliente, se produciría un gran número de monopolos magnéticos estables y muy pesados. Este problema junto con la Teoría de la gran unificación, fueron populares en los años 1970 y los años 1980, que proponían que a altas temperaturas (como en el Universo primigenio) la fuerza electromagnética, las fuerzas nucleares fuerte y débil no son realmente fuerzas fundamentales pero aparecen debido a la ruptura espontánea de simetría electrodébil de una teoría de gauge. Estas teorías predicen varias partículas pesadas estables que no se han observado todavía en la naturaleza. El más notorio es el monopolo magnético, un tipo de campo magnético estable y pesado. Los monopolos se espera que sean copiosamente producidos en la Teoría de la gran unificación a altas temperaturas y deberían haber persistido hasta la actualidad. Para precisiones muy altas, los monopolos magnéticos parecen no existir en la naturaleza, mientras que de acuerdo a la teoría del Big Bang (sin la inflación cósmica) deberían haber sido copiosamente producidos en el caliente y denso Universo primigenio, ya que se convirtió en el constituyente primario del Universo.

Inflación y la cosmología de cuerdas

El descubrimiento de las compactaciones de flujo han abierto el camino para reconciliar la inflación y la teoría de cuerdas. Una nueva teoría, llamada inflación brana sugiere que la inflación aparece de una D-brana cayendo en una profunda garganta Klebanov-Strassler. Esta es una teoría muy diferente de la inflación ordinaria (está gobernada por la acción de Dirac-Born-Infeld que es muy diferente de la otra) y la dinámica sigue sin comprenderse. Parece que condiciones muy especiales son necesarias para que ocurra la inflación en el túnel entre dos vacíos en el mar de cuerdas (el proceso de tunelado entre dos vacíos es una forma de inflación antigua, pero la nueva inflación tiene que ocurrir entonces por algún otro mecanismo.

Alternativas a la inflación

La Teoría de cuerdas necesita que, además de las tres dimensiones que observamos, existen dimensiones adicionales que están atrofiadas (véase también teoría de Kaluza-Klein). Las dimensiones extra aparecen como componentes frecuentes de los modelos de supergravedad y otras alternativas a la gravedad cuántica. Esto provoca la pregunta: ¿por qué las cuatro dimensiones del espacio-tiempo se vuelven grandes y el resto se vuelve inobservablemente pequeñas? Un intento de abordar esta pregunta, llamada cosmología de las cuerdas gaseosas, fue propuesta por Robert Brandenberger y Cumrun Vafa. Este modelo se centra en la dinámica del Universo primigenio considerada como un gas caliente de cuerdas. Brandenberger y Vafa demostraron que una dimensión de espacio-tiempo sólo se podía expandir si las cuerdas enrolladas se podían anhiquilar eficientemente las unas con las otras. Cada cuerda es un objeto unidimensional y los números de dimensiones más grandes en que dos cuerdas se cruzarán genéricamente (y presumiblemente se aniquilará) es tres. Por tanto, se discute que el número más probable de grandes dimensiones espaciales no-compactas es tres. Los trabajos actuales en este modelo se centran en si puede tener éxito en estabilizar el tamaño de las dimensiones atrofiadas y producir el espectro correcto de la densidad de perbaciones primordiales. Desde un punto de vista reviente.

La ekpyrótica y los modelos cíclicos se consideran también competidores de la inflación. Estos modelos solucionan el problema del horizonte a través de una época de expansión anterior al Big Bang y entonces generar el espectro requerido de la densidad de perturbaciones primigenia durante una fase de contracción conduciendo a un Big Crunch. El Universo pasa a través del Big Crunch y emerge en una fase caliente del Big Bang. En este sentido hay reminiscencias del Universo oscilante propuesto por Richard Chace Tolman: sin embargo en el modelo de Tolman la edad total del Universo es necesariamente finita, mientras que en estos modelos no es tan necesaria. Si se puede producir un espectro correcto de densidad de fluctuaciones y si el Universo puede navegar satisfactoriamente de un Big Bang a un Big Crunch sigue siendo un tema de controversia y de investigación actual.

Cosmología de branas

La cosmología de branas se refiere a varias teorías de la física de partículas y de la cosmología motivadas por la teoría de supercuerdas y teoría M.

La idea central es que la parte visible de nuestro universo de cuatro dimensiones está limitada a una brana dentro de un espacio de dimensionalidad superior llamado el “bulk” o “bulto“ en español. Las dimensiones adicionales, compactas, están enrolladas en un espacio de Calabi-Yau. En el modelo del “bulk”, otras branas pueden estar moviéndose a través del bulk. Interacciones con el Bulk, y posiblemente con otras branas, pueden influenciar nuestro universo-brana y de allí que puede introducir efectos no vistos en más modelos cosmológicos estándar.

Modelos basados en la cosmología de branas
Existen dos grandes grupos de teorías basados en la cosmología de branas. El primer grupo mezcla aspectos de la teoría M con la cosmología inflacionaria. El segundo grupo, de más reciente formulación, argumenta la existencia de una cosmología de branas basada en la teoría M sin recurrir al modelo inflacionario. El modelo de Randall-Sundrum (RS1 y RS2) se puede ajustar a los criterios de cualquier modelo de ambos grupos.

En la cosmología inflacionaria el universo adquiere sus características observables (problema del horizonte, planitud y de monopolos magneticos) después del Big Bang, mientras tanto en los modelos ecpirótico y cíclico las características observables derivan de un momento previo al big bang debido a un choque entre branas. El cosmólogo Alexander Vilenkin argumenta que en los modelos inflacionarios el tiempo esta autocontenido dentro del universo marcando el Big Bang su comienzo (tiempo finito). Mientras tanto el cosmólogo Neil Turok propone que en los modelos donde se dan los choques entre branas el tiempo ya existía antes del Big Bang (tiempo infinito).

Modelo del multiverso

En los modelos basados en la cosmología inflacionaria se puede imaginar un infinito océano que debido a las fluctuaciones de la física cuántica se forman branas como burbujas en el agua hirviendo. De está forma surgen de momento a momento Big Bangs y unas burbujas desaparecen y otras crecen (inflación) debido a las mismas fluctuaciones. Figuradamente cada universo se podría considerar como una burbuja (brana) nadando en un océano infinito de agua hirviendo (falso vacío). La formulación de esta teoría esta fuertemente influenciada por la interpretación de la mecánica cuántica de Hugh Everett.

Modelo del universo cíclico

En los modelos basados en el choque de branas, a diferencia de los modelos inflacionarios, cada brana ya existía antes del big bang y las características que llevaban antes del choque se imprimen en las características del siguiente universo formado después del choque. Los modelos pre-big bang, ecpirótico y cíclico pertenecen a este grupo de teorías.

La teoría del todo (o ToE por sus siglas en inglés, “Theory of Everything”) es una teoría hipotética de la Física teórica que explica y conecta en una sola todos los fenómenos físicos conocidos. Inicialmente, el término fue usado con una connotación irónica para referir a varias teorías sobregeneralizadas. Después el término se popularizó en la Física Cuántica al describir una teoría que podría unificar o explicar a través de un modelo simple de teorías todas las interacciones fundamentales de la naturaleza.

Hubo numerosas teorías del todo propuestas por físicos teóricos en el siglo pasado, pero hasta ahora ninguna ha sido capaz de superar una prueba experimental, han tenido tremendas dificultades para que sus teorías tengan resultados experimentales estables. El primer problema en producir una teoría del todo es que las teorías aceptadas, como la mecánica cuántica y la relatividad general, son radicalmente diferentes en las descripciones del universo: las formas sencillas de combinarlas conducen rápidamente a la “renormalización” del problema, en donde la teoría no nos da resultados finitos para datos cuantitativos experimentales. Finalmente, un número de físicos no espera que la teoría del todo sea descubierta.

Otros términos, no del todo sinónimos, empleados para referirse al mismo concepto son teoría unificada, gran teoría unificada, teoría de campos unificada y teoría del campo unificado.

Predicciones esperadas de la teoría del todo

Existen varios fenómenos que una teoría del todo debería poder aclarar:

Parámetros contingentes. Aunque las teorías cuánticas de las interacciones electrodébil y fuerte, dan descripciones fenomenológicamente correctas y hacen predicciones valiosas, contienen una serie de parámetros numéricos para cuyo valor la propia teoría da más explicación y deben determinarse mediante experimento (aunque realmente un teoría más amplia podría mostrar que su valor no es arbitrario). Se supone que una teoría del todo podría explicar esos parámetros y predecir su valor a partir de parámetros o relaciones más fundamentales.
Las taras de la relatividad general. Una teoría del todo debería explicar fenómenos tales como el Big Bang o la naturaleza de las singularidades espaciotemporales que las teorías de la relatividad general y la mecánica cuántica no explican.
Satisfactoriedad filosófica. Las motivaciones teóricas y filosóficas para encontrar una teoría del todo incluyen la creencia platónica de que la naturaleza última del Universo es simple y que los modelos corrientes de Universo tales como el modelo estándar no pueden ser completados debido a que son demasiado complejos.

Una teoría del todo excepcionalmente simple

Una teoría del todo excepcionalmente simple (An Exceptionally Simple Theory of Everything en inglés) es el título de un artículo de física teórica enviado a arXiv library el 6 de noviembre de 2007 por Antony Garrett Lisi. El artículo es aún más sorprendente por cuanto su autor no pertenece al mundo habitual de la física académica, sino que se dedica la mayor parte del año a la práctica del surf en Hawái.

Su Teoría del todo afirma que puede unificar todos los campos del modelo estándar con la gravedad utilizando una red de 248 puntos (red de geometría E8). Aún no se ha sometido a una revisión por pares ni publicada en ninguna revista científica académica; no obstante, ha producido un gran revuelo y reacciones variadas, al tiempo que ha atraído el interés del público por el mismo y por su autor. Lisi advierte que la teoría está incompleta y que “terminará siendo la correcta o bien una especulación errónea.” Así pues, a diferencia de la mayoría de las teorías de cuerdas, es verificable en un futuro próximo, cuando el Gran Colisionador de Hadrones comience a estar operativo. El título es una paronomasia matemática sobre la clasificación de la geometría E8, como grupo simple y como grupo excepcional.

http://arxiv.org/abs/0711.0770

http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.0770v1.pdf

http://arxiv.org/abs/1006.4908

http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1006/1006.4908v1.pdf

Bibliografia Wikipedia.org

A. Garrett Lisi, “An Explicit Embedding of Gravity and the Standard Model in E8,” ArXiv, 25 Jun 2010. El año pasado Distler y Garibaldi publicaron un artículo que demostraba que la teoría de gran unificación de Garrett Lisi basada en E8 que proclamaba incluir la gravedad y todo el modelo estándar en realidad era un fiasco, pues no podía incluir fermiones quirales y la Naturaleza presenta tres generaciones de fermiones quirales (12 partículas). Es decir, la teoría no tenía nada que ver con la realidad que conocemos. El nuevo artículo trata de arreglar este problema y da un paso de gigante en dicha dirección, según como se mire. El nuevo artículo utiliza una nueva descomposición del grupo E8 (ver más abajo) que tras 12 páginas de teoría de grupos le permite obtener una generación de fermiones quirales, junto a sus partículas espejo (para que la teoría final sea no quiral). Garrett asume que las partículas espejo tienen una masa muy grande y no son observables. Muy bien, pero faltan dos generaciones. De hecho, el artículo de Distler y Garibaldi mostraba como, por un procedimiento similar, pero no el mismo que ahora usa Garrett, obtener dos generaciones quirales (eso sí, también con partículas espejo). El problema es que según Distler y Garibaldi, y Lisi todavía no ha podido llevarles la contraria a estos expertos en teoría de grupos, es imposible obtener tres generaciones de partículas quirales (y sus correspondientes partículas espejo). ¿Logrará algún día Lisi sacarse del sombrero tres generaciones de partículas quirales cuando los expertos dicen que es imposible? Los que quieran más detalles técnicos disfrutarán con el artículo del propio Distler, “Crib Notes,” Musings, June 27, 2010. Los que quieran algo muy divulgativo en la línea de “corear” los logros de Lisi puede que disfruten con Tommaso Dorigo, “Garrett Lisi’s New E8 Paper,” A Quantum Diaries Survivor, June 28th 2010 (traducido por Kanijo, 29 Jun 2010). 

Resumiendo mucho, el modelo estándar de las partículas elementales explica las fuerzas fundamentales de la Naturaleza gracias a simetrías (locales) entre los estados de las partículas elementales. Está constintuido por una teoría de simetría (gauge) pura para la fuerza fuerte, la cromodinámica cuántica, basada en un grupo SU(3) asociado a las partículas con carga de color (los quarks y los gluones), y por una teoría de simetría quiral para la fuerza electrodébil, la unificación del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, basada en el producto SU(2)_L×U(1)_Y. La fuerza débil es quiral, viola la simetría de paridad (P) o de reflexión en el espejo. Todos los fermiones tienen helicidad que puede ser hacia la izquierda (L) o hacia la derecha (R). El grupo SU(2) sólo actúa sobre la componente de helicidad izquierda (de ahí la L como subíndice). La simetría U(1) actúa sobre ambas helicidades (Y corresponde a la hipercarga). La quiralidad del modelo estándar es una de sus propiedades más características y que impone más dificultades a la hora de construir una gran unificación que lo incluya como caso particular. El modelo estándar puede ser completado con la gravedad de Einstein, que desde el punto de vista de la teoría de grupos corresponde a la invarianza local ante el grupo de Poincaré, cuyo recubridor universal es el grupo SL(2,C) que es isomorfo al grupo de espín Spin(1,3). Este grupo actúa sobre todas las partículas. En las teorías de gran unificación (GUT) se introduce un grupo de simetría suficientemente grande para incluir todos estos grupos de simetría y pueden incluir también al grupo de Poincaré, en cuyo caso se les suele llamar graviGUT.

En la teoría excepcionalmente simple de Garrett Lisi se selecciona el grupo excepcional E8, un grupo enorme, para construir una teoría de gran unificación (graviGUT) que contiene el producto de grupos de simetría SU(3)×SU(2)×U(1)×Spin(3,1). Todo parece encajar a la perfección si nos olvidamos de que incluir SU(2) no es lo mismo que incluir SU(2)_L, es decir, hay que incorporar la quiralidad en la teoría (la violación de la simetría de paridad P o del espejo). No es fácil lograrlo. Garrett Lisi en su último artículo toma una idea ya presentada por Distler y Garibaldi en el suyo, aprovechar que el producto de grupos Spin(10)×SL(2,C) contiene una representación real de E8 como grupo de cuaterniones. Utilizando este hecho logra explicar una generación de fermiones (el resto de las partículas en la teoría son bosones) con masa nula. La teoría no es quiral, pero si se introduce un mecanismo de ruptura de la simetría se puede lograr que las partículas con helicidad izquierda adquieren una masa muy pequeña comparada con la masa que adquieren las partículas con helicidad derecha (a estas partículas de gran masa se les suele llamar partículas o fermiones espejo). Tras 12 páginas de teoría de grupos, Garrett Lisi afirma que esta posibilidad permite introducir la quiralidad en su teoría. ¿Cómo se rompe exactamente esta simetría? Lisi no nos indica cómo se puede lograr, quizás sea cuestión de tiempo y de alarde técnico. Ahora bien, el modelo estándar contiene tres generaciones de partículas quirales. En el artículo de Distler y Garibaldi se afirmaba que utilizando este tipo de descomposiciones (pasar de la forma real no compacta de E8 a una forma compleja adecuada) se podían obtener hasta dos generaciones quirales, pero que es matemáticamente imposible obtener tres generaciones quirales (o más). Una demostración matemática tiene eso. Es así de rotunda en sus afirmaciones. Si 1+1=2, no puede ser de otra forma.

“Elementary Particle Explorer!”

http://francisthemulenews.wordpress.com

Universos paralelos

EL UNIVERSO ELEGANTE”: un gran documental científico sobre la Teoría de las Supercuerdas. Una visión científica del Universo más allá de todo lo imaginable. Versión en castellano.
La Teoria de Cuerdas: El sueño de Einstein

La Teoria de Cuerdas: La clave está en la cuerda

La Teoria de Cuerdas: Bienvenidos a la 11ª dimensión

La Teoria de Cuerdas: Agujeros de gusano

En física, la Teoría-M (a veces denominada Teoría-U) es la proposición de una Teoría universal que unifique las cinco teorías de las Supercuerdas. Basada en los trabajos de varios científicos teóricos (incluidos: Chris Hull, Paul Townsend, Ashoke Sen, Michael Duff y John H. Schwarz), Edward Witten, del Institute for Advanced Study, sugirió la existencia de las Supercuerdas en una conferencia en la USC en 1995, usando a la Teoría-M para explicar un número de dualidades previamente observadas, dando el chispazo para una nueva investigación de la teoría de las cuerdas llamada segunda revolución de supercuerdas.

En esta teoría se identifican 11 dimensiones, en donde la supergravedad interactúa entre membranas de 2 a 5 dimensiones. Esto evidenciaría la existencia de infinitos Universos paralelos, algunos de los cuales serían como el nuestro con mayores o menores diferencias, y otros que serían impensables con 4 o 5 dimensiones. Esto explicaría la debilidad de la gravedad, pues la partícula del gravitón sería la única que podría pasar por todas las membranas, perdiendo su fuerza.

A comienzos de los años 1990, se demostró que las varias teorías de las Supercuerdas estaban relacionadas por dualidades, que permitían a los físicos relacionar la descripción de un objeto en una teoría de Supercuerda para eventualmente describir un objeto diferente de otra teoría. Estas relaciones implican que cada una de las teorías de Supercuerdas es un diferente aspecto de una sola teoría, propuesta por Witten, y llamada Teoría-M

La teoría M contiene mucho más que sólo cuerdas. Contiene tanto objetos de mayor como menor dimensionalidad. Estos objetos son llamados P-branas* donde p denota su dimensionalidad (así, 1-brana podría ser una cuerda y 2-brana una membrana) o D-branas (si son cuerdas abiertas). Objetos de mayores dimensiones siempre estuvieron presentes en la teoría de las cuerdas pero nunca pudieron ser estudiados antes de la Segunda Revolución de las Supercuerdas debido a su naturaleza no-perturbativa. Incluso se ha sugerido que el Big bang fue producido por la colisión de dos de estas membranas, brotando nuestro Universo.

Relacionados

Acercándose al inflatón, la “madre del universo”

Wednesday, September 8th, 2010, by admin and is filed under "Antimateria, Astrofisica, Ciencia, Cosmologia, Fisica, Fisica de alta energia, Fisica de particulas, Fisica Nuclear, Fisica Teorica, Investigacion, Matematicas, Materia, Mecanica cuantica, Science | , Astrofisica, Ciencia, Cosmologia, Fisica, Fisica de particulas, Fisica Nuclear, Fisica Teorica, Investigacion, Matematicas, Mecanica cuantica, Science, Teoria de cuerdas, Teoria del todo, teoria M, Universo ". Responses are currently closed, but you can send a Trackback from your own site.