Teoria de las cuerdas

Teoria de las cuerdas
La teoría de supercuerdas
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Conceptos Cuerdas Branes D-branas Calabi-Yau Principio holográfico T-dualidad S-dualidad Kac-Moody álgebra E grupo 8 Lie
Temas relacionados Teoría conforme de campos La supersimetría Supergravity La gravedad cuántica
Los científicos Sin valor Verde Greene Bruto Kaku Maldacena Mandelstam Polchinski Polyakov Ramond Scherk Schwarz Sen Susskind Townsend Vafa Veneziano Witten
Glosario Glosario de la teoría de cuerdas

La interacción en el mundo subatómico: líneas mundiales de punto-como partículas en el modelo estándar o una hoja mundo arrastrado por cerrado cadenas en la teoría de cuerdas

La teoría de cuerdas es un enfoque matemático incompleto la física teórica, cuyos bloques de construcción son objetos extendidos unidimensionales llamados cadenas, en lugar de la dimensión cero partículas puntuales que constituyen la base para el modelo estándar de la física de partículas . Mediante la sustitución de las partículas puntuales con cuerdas, una aparentemente coherente la teoría cuántica de la gravedad emerge, que no ha sido alcanzarse en la teoría cuántica de campos . Por lo general, la teoría de cuerdas término incluye un grupo de relacionados teorías de supercuerdas y algunos ámbitos relacionados, como la teoría-M , que pretende reunir a todos ellos.

Los teóricos de cuerdas no han descrito completamente estas teorías, o determinado si o cómo estas teorías se relacionan con el universo físico. La elegancia y la flexibilidad del enfoque, sin embargo, y una serie de similitudes cualitativas con los modelos más tradicionales físicos, han llevado a muchos físicos a sospechar que tal conexión es posible. En particular, la teoría de cuerdas puede ser una forma de "unificar" la conocida fuerzas naturales ( gravitacionales , electromagnéticas , nuclear débil y nuclear fuerte) mediante la descripción de ellos con el mismo conjunto de ecuaciones, como se describe en el teoría del todo. Por otro lado, los modelos han sido criticados por su incapacidad, hasta el momento, para proporcionar predicciones comprobables experimentalmente.

El trabajo sobre la teoría de cuerdas se ve dificultada por las muy complejas matemáticas involucradas, y el gran número de formas que las teorías pueden tomar en función de la disposición de espacio y energía. Hasta el momento, la teoría de cuerdas sugiere fuertemente la existencia de diez u once años (en la teoría-M ) dimensiones del espacio-tiempo, a diferencia de la habitual de cuatro (tres espaciales y una temporal ) utilizado en teoría de la relatividad ; Sin embargo, la teoría puede describir universos con cuatro efectivos (observable) dimensiones del espacio-tiempo por una variedad de métodos. Las teorías también parecen describir objetos de dimensiones superiores que las cadenas, llamadas branas. Ciertos tipos de teoría de la cuerda también se han demostrado ser equivalente a ciertos tipos de más tradicional evaluar la teoría, y se espera que la investigación en esta dirección será conducir a nuevos conocimientos sobre cromodinámica cuántica, la teoría fundamental de la fuerza nuclear fuerte.

Visión de conjunto

La idea detrás de todas las teorías de cuerdas es que cada "partícula" elemental es en realidad un de cadena de una escala muy pequeña (posiblemente del orden de la Planck longitud), que vibra a resonante frecuencias específicas a ese tipo de partícula. Por lo tanto, cualquier partícula elemental debe ser considerado como un objeto vibrante pequeño, en lugar de como un punto. Este objeto puede vibrar en diferentes modos (como una cuerda de guitarra puede producir diferentes notas), con todos los modos de aparecer como un diferente de partículas ( electrones , fotones , etc.). Las cadenas pueden dividir y combinar, que aparecería como partículas emitiendo y absorbiendo otras partículas, presumiblemente dando lugar a la conocida interacciones entre partículas.

Niveles de aumento: nivel macroscópico, a nivel molecular, a nivel atómico, subatómico nivel, nivel de cuerda.

Además de las cadenas, esta teoría también incluye objetos de dimensiones superiores, tales como D-branas y NS-branas. Además, todas las teorías de cuerdas predicen la existencia de grados de libertad, que por lo general se describen como dimensiones adicionales . La teoría de cuerdas se cree que incluir algunos 10, 11, o 26 dimensiones, dependiendo de la teoría específica y sobre el punto de vista.

El interés en la teoría de cuerdas es impulsado en gran medida por la esperanza de que resulte ser una teoría consistente de la gravedad cuántica o incluso un teoría del todo. También se puede describir de forma natural interacciones similares a electromagnetismo y las otras fuerzas de la naturaleza. Teorías de supercuerdas incluyen fermiones, los componentes básicos de la materia , y de incorporar supersimetría, una conjeturado (pero no observado) simetría de la naturaleza. Todavía no se sabe si la teoría de cuerdas será capaz de describir un universo con la colección precisa de fuerzas y partículas que se observa, ni el grado de libertad de la teoría permite elegir esos detalles.

La teoría de cuerdas en su conjunto aún no ha hecho predicciones falsables que le permitirían a comprobar experimentalmente, aunque diversas observaciones y experimentos planeados podrían confirmar algunos aspectos esenciales de la teoría, como la supersimetría y dimensiones adicionales. Además, la teoría total aún no se entiende. Por ejemplo, la teoría no tiene aún una definición satisfactoria fuera de teoría de la perturbación; los mecánicos de quántum de branas (objetos dimensionales más altas que las cadenas) que no se entiende; el comportamiento de la teoría de cuerdas en los entornos cosmológicos (fondos dependientes del tiempo) todavía se está elaborando; por último, el principio por el cual la teoría de cuerdas selecciona su estado de vacío es un tema muy controvertido (véase cadena teoría del paisaje).

La teoría de cuerdas se piensa que es un límite determinado de otro, la teoría más fundamental - M-teoría - que es sólo parcialmente definido y no se entiende bien.

Propiedades básicas

La teoría de cuerdas está formulada en términos de una principio de acción, ya sea la Acción Nambu-Goto o la Acción Polyakov, que describe cómo cuerdas se mueven a través del espacio y el tiempo. Como resortes con ninguna fuerza externa aplicada, las cuerdas tienden a contraerse, minimizando así su potencial energético, pero conservación de la energía les impide desaparecer, y en su lugar oscile. Mediante la aplicación de las ideas de la mecánica cuántica en cadenas es posible deducir los diferentes modos de vibración de las cuerdas, y que cada estado vibracional que parece ser una partícula diferente. La masa de cada partícula, y la manera con la que se puede interactuar, están determinadas por la forma en que la cuerda vibra - la cuerda puede vibrar en muchos modos diferentes, al igual que una cuerda de guitarra puede producir diferentes notas. Los diferentes modos, cada uno correspondiente a un tipo diferente de partícula, conforman el " espectro "de la teoría.

Las cadenas pueden dividir y combinar, que aparecería como partículas emitiendo y absorbiendo otras partículas, presumiblemente dando lugar a las interacciones conocidas entre partículas.

La teoría de cuerdas incluye tanto cuerdas al aire, que tienen dos puntos finales distintos, y cuerdas cerradas, donde se unen los puntos finales para hacer un bucle completo. Los dos tipos de cadena se comportan de maneras ligeramente diferentes, produciendo dos espectros diferentes. Por ejemplo, en la mayoría de las teorías de cuerdas, uno de los modos de cuerda cerrada es la graviton, y uno de los modos de cadena abierta es la de fotones . Debido a que los dos extremos de una cuerda al aire siempre pueden conocer y conectarse, formando una cadena cerrada, no hay teorías de cuerda sin cuerdas cerradas.

El modelo de cadena más temprana - la cadena bosonic, que incorporó sólo bosones, describe - en energías suficientemente bajas - un cuanto gravedad teoría, que también incluye (en caso de cuerdas abiertas se incorporan también) medir campos tales como el fotón (o, más en general, cualquier Teoría Gauge). Sin embargo, este modelo tiene problemas. Lo más importante, la teoría tiene una inestabilidad fundamental, cree que resulta en la desintegración (al menos parcialmente) de espacio-tiempo. Además, como su nombre lo indica, el espectro de partículas contiene sólo los bosones, partículas que, como el fotón, obedecen a reglas particulares de comportamiento. En términos generales, bosones son los constituyentes de la radiación, pero no de la materia, que está hecho de fermiones. Investigar cómo una teoría de cuerdas puede incluir fermiones en su espectro condujo a la invención de supersimetría, una relación matemática entre bosones y fermiones. Las teorías de cuerdas que incluyen vibraciones fermionic ahora se conocen como teorías de supercuerdas; varios tipos diferentes se han descrito, pero todos están ahora cree que diferentes límites de la teoría-M .

Mientras que la comprensión de los detalles de las teorías de cuerdas y supercuerdas requiere una considerable sofisticación matemática, algunas propiedades cualitativas de las cuerdas cuánticas pueden ser entendidos de una manera bastante intuitiva. Por ejemplo, las cuerdas cuánticas tienen tensión, al igual que las cadenas regulares hechas de los cabos; esta tensión se considera un parámetro fundamental de la teoría. La tensión de una cuerda cuántica está estrechamente relacionada con su tamaño. Considere un bucle cerrado de cadena, de izquierda a moverse a través del espacio sin fuerzas externas. Su tensión tenderá a contraerse en un lazo más pequeño y más pequeño. Intuición clásica sugiere que podría reducirse a un solo punto, pero esto violaría Heisenberg principio de incertidumbre. El tamaño característico del bucle de cadena será un equilibrio entre la fuerza de tensión, actuando para que sea pequeña, y el efecto de la incertidumbre, que lo mantiene "estirado". En consecuencia, el tamaño mínimo de una cadena está relacionado con la tensión de las cuerdas.

Worldsheet

Movimiento A-punto como de partícula puede ser descrita por dibujar un gráfico de su posición (en una o dos dimensiones del espacio) frente al tiempo. La imagen resultante representa el línea temporal de la partícula (su "historia") en espacio tiempo. Por analogía, un gráfico similar que representa el progreso de una cadena como el paso del tiempo se puede obtener; la cadena (un objeto unidimensional - una pequeña línea - por sí mismo) trazará una superficie (una de dos dimensiones del colector ), conocido como el worldsheet. Los diferentes modos de cuerda (que representan diferentes partículas, tales como fotones o graviton) son las ondas de superficie en este colector.

La cuerda cerrada parece un pequeño lazo, por lo que su worldsheet se verá como una pipa, o - más en general - como una superficie de Riemann (una de dos dimensiones variedad orientada) sin límites (es decir, sin borde). Una cadena abierta se parece a una línea corta, por lo que su worldsheet se verá como una tira, o - más en general - como una superficie de Riemann con un límite.

Las cadenas pueden dividir y conectar. Esto se refleja en la forma de su worldsheet (con más precisión, por su topología ). Por ejemplo, si un divisiones cuerda cerrada, su worldsheet se verá como una sola división de tubería (o conectada) a dos tubos (a menudo referido como un par de pantalones - vea el dibujo en la parte superior de esta página). Si se divide un cuerda cerrada y sus dos piezas más tarde se vuelven a conectar, su worldsheet se verá como una sola tubería de división a dos y luego volver a conectar, que también parece un toro conectado a dos tubos (uno en representación de la cadena de insumo, y el otro - el saliente uno). Una cuerda al aire haciendo lo mismo que tendrá su worldsheet el aspecto de un anillo conectado a dos bandas.

Tenga en cuenta que el proceso de una división cadena (o cadenas de conexión) es un proceso global de la worldsheet, no uno local: a nivel local, la worldsheet ve igual en todas partes y no es posible determinar un único punto en el worldsheet donde la división ocurre. Por tanto, estos procesos son una parte integral de la teoría, y se describen por la misma dinámica que controla los modos de cadena.

En algunas teorías de cuerdas (es decir, cerrado cadenas en Tipo I y algunas versiones de la bosonic cadena), las cadenas pueden dividir y volver a conectar en una orientación opuesta (como en una Cinta de Möbius o una botella de Klein ). Estas teorías se llaman no orientada. Formalmente, el worldsheet en estas teorías es un superficie no orientable.

Las dualidades

Antes de la década de 1990, los teóricos de cuerdas creían que había cinco teorías de supercuerdas distintas: tipo I, tipos IIA y IIB, y los dos Teorías de Cuerdas (heterótico SO (32) y E ₈ × E _8). La idea era que fuera de estas cinco teorías de candidatos, sólo uno era la correcta real teoría del todo, y que la teoría era aquel cuya energía de bajo límite, con diez dimensiones del espacio-tiempo compactificada hasta cuatro, emparejado la física observada en nuestro mundo de hoy. Ahora se sabe que esta imagen era ingenuo, y que las cinco teorías de supercuerdas están conectados el uno al otro como si son cada uno un caso especial de una teoría más fundamental (se cree que la teoría M ). Estas teorías están relacionadas por las transformaciones que se llaman dualidades. Si dos teorías están relacionadas por una transformación dualidad, significa que la primera teoría se puede transformar de alguna manera para que termina buscando al igual que la segunda teoría. Las dos teorías son luego dice que es dual entre sí en virtud de ese tipo de transformación. Dicho de otra manera, las dos teorías son matemáticamente diferentes descripciones de los mismos fenómenos.

Estas dualidades enlazan cantidades que también se pensaba que eran separados. Escalas de distancias grandes y pequeñas, así como las fortalezas de acoplamiento fuertes y débiles, son cantidades que siempre han marcado límites muy distintos de comportamiento de un sistema físico en tanto clásica la teoría del campo cuántico y la física de partículas . Pero cuerdas pueden oscurecer la diferencia entre grandes y pequeños, fuertes y débiles, y es así como estas cinco teorías muy diferentes terminan siendo relacionado. T-dualidad relaciona las escalas grandes y pequeñas distancias entre las teorías de cuerdas, mientras que S-dualidad se refiere fuertes y débiles fuerzas de acoplamiento entre las teorías de cuerdas. T-dualidad vincula la dualidad T y S-dualidad.

Antes de la "revolución de la dualidad" no se creía que eran cinco versiones distintas de la teoría de cuerdas, además de los (inestables) teorías bosónicos y gluonic.

Tenga en cuenta que en el tipo IIA y IIB tipo de teorías de cuerdas cerradas cuerdas se les permite moverse por todas partes a lo largo del espacio-tiempo de diez dimensiones (llamado el mayor), mientras que las cuerdas abiertas tienen sus extremos unido a D-branas, que son las membranas de baja dimensionalidad (su dimensión es impar - 1,3,5,7 ó 9 - en el tipo IIA e incluso - 0,2,4,6 u 8 - en tipo IIB, incluyendo la dirección del tiempo ).

Dimensiones extra

Número de dimensiones

Una característica interesante de la teoría de cuerdas es que implica la predicción de dimensiones extra. El número de dimensiones no está fijada por cualquier criterio de consistencia, pero soluciones espacio-tiempo plano existen en la llamada "dimensión crítica." Existen soluciones Cosmológicos en una variedad más amplia de dimensionalidades, y estas diferentes dimensiones más precisamente diferentes valores de la "carga central efectiva", un recuento de grados de libertad que se reduce a dimensionalidad en débilmente regímenes están curvadas relacionados por transiciones dinámicas.

Nada en Maxwell 's teoría del electromagnetismo o Einstein 's teoría de la relatividad que hace que este tipo de predicción; estas teorías requieren físicos para insertar el número de dimensiones "a mano", y este número es fijo e independiente de energía potencial. La teoría de cuerdas permite relacionar el número de dimensiones para escalar de la energía potencial. Técnicamente, esto se debe a un calibre existe anomalía para cada número separado de las dimensiones previstas, y la anomalía de calibre puede ser contrarrestado mediante la inclusión de energía potencial no trivial en las ecuaciones para resolver movimiento. Además, la ausencia de la energía potencial en la "dimensión crítica" explica por qué las soluciones de espacio-tiempo plano son posibles.

Esto puede entenderse mejor observando que un fotón incluido en una teoría consistente (técnicamente, una partícula que lleva una fuerza relacionada con una ininterrumpida medir la simetría) debe estar sin masa. La masa del fotón que se predice por la teoría de cuerdas depende de la energía del modo de cadena que representa el fotón. Esta energía incluye una contribución del efecto Casimir , a saber, de las fluctuaciones cuánticas en la cadena. El tamaño de esta contribución depende del número de dimensiones desde para un mayor número de dimensiones, hay más fluctuaciones posibles en la posición de la cadena. Por lo tanto, el fotón en espacio-tiempo plano será sin masa y la teoría de sólo consistente para un número particular de dimensiones.

Cuando se hace el cálculo, la dimensionalidad crítica no cuatro como se puede esperar (tres ejes del espacio y una de tiempo). Teorías de Cuerdas espacio plano son 26 dimensiones en el caso bosonic, mientras que las supercuerdas y M-teorías llegar a implicar 10 o 11 dimensiones para soluciones planas. En las teorías de cuerdas bosónicos, las 26 dimensiones proceden de la ecuación Polyakov. A partir de cualquier dimensión mayor de cuatro, es necesario considerar cómo éstas se reducen a cuatro dimensiones espacio tiempo.

Calabi-Yau ( 3D de proyección)

Dimensiones compactas

Se han propuesto dos maneras diferentes para resolver esta aparente contradicción. El primero es compactar las dimensiones extra; es decir, los 6 o 7 dimensiones extra son tan pequeñas como para ser indetectable en nuestra experiencia fenomenal. Con el fin de conservar las propiedades supersimétricas de la teoría de cuerdas, estos espacios deben ser muy especial. La resolución del modelo de 6-dimensional se consigue con Espacios de Calabi-Yau. En 7 dimensiones, se denominan G ₂ colectores. Estas dimensiones extra están compactificada haciéndoles bucle sobre sí mismos.

Una analogía estándar para esto es considerar el espacio multidimensional como una manguera de jardín. Si la manguera se ve desde una distancia suficiente, parece tener sólo una dimensión, de su longitud. De hecho, pensar en una bola lo suficientemente pequeña como para entrar en la manguera. Lanzar una pelota de tal dentro de la manguera, la pelota se movería más o menos en una dimensión; en cualquier experimento hacemos lanzando tales bolas en la manguera, el único movimiento importante será unidimensional, es decir, a lo largo de la manguera. Sin embargo, como uno se acerca a la manguera, se descubre que contiene una segunda dimensión, su circunferencia. Así, un rastreo de hormigas en su interior se movería en dos dimensiones (y una mosca en ella se movería en tres dimensiones). Esta "nueva dimensión" sólo es visible en un plazo relativamente cerca a la manguera, o si uno "tiros en" pequeños objetos suficientes. Del mismo modo, las dimensiones compactas supletorias sólo están "visible" en distancias extremadamente pequeñas, o mediante la experimentación con partículas extremadamente pequeño longitudes de onda (del orden del radio de la dimensión compacta), que en la mecánica cuántica significa energías muy altas (ver la dualidad onda-partícula ).

Escenario Brane-mundo

Otra posibilidad es que estamos "atrapados" en un 3 + 1 (es decir, de tres dimensiones espaciales, más la dimensión temporal) dimensionales subespacio del universo completo. Este subespacio se supone que es un D-brana, por lo tanto, esto se conoce como una teoría del universo-membrana. Muchas personas creen que una combinación de las dos ideas - compactificación y branas - en última instancia, dar la teoría más realista.

Efecto de las dimensiones ocultas

En cualquier caso, la gravedad que actúa en las dimensiones ocultas afecta a otras fuerzas no gravitatorias como el electromagnetismo. De hecho, Kaluza y los primeros trabajos de Klein demostró que la relatividad general con cuatro grandes dimensiones y una dimensión pequeña realidad predice la existencia de electromagnetismo. Sin embargo, debido a la naturaleza de Variedades de Calabi-Yau, no hay nuevas fuerzas aparecer desde las pequeñas dimensiones, pero su forma tiene un efecto profundo en la forma en que aparecen las fuerzas entre las cuerdas en nuestro universo de cuatro dimensiones. En principio, por lo tanto, es posible deducir la naturaleza de esas dimensiones extra al requerir la coherencia con el modelo estándar , pero esto todavía no es una posibilidad práctica. También es posible extraer información sobre las dimensiones ocultas de pruebas de precisión de la gravedad, pero hasta ahora éstas sólo han puesto limitaciones superiores del tamaño de tales dimensiones ocultas

D-branas

Otra característica clave de la teoría de cuerdas es la existencia de D-branas. Estas son membranas de diferente dimensionalidad (en cualquier lugar de una membrana dimensional cero - que es de hecho un punto - y arriba, incluyendo las membranas de 2 dimensiones, volúmenes 3-dimensionales y así sucesivamente).

D-branas se definen por el hecho de que worldsheet límites están unidos a ellos. Así, D-branas pueden emitir y absorber cuerdas cerradas; por lo tanto tienen masas (ya que emiten gravitones) y - en teorías de supercuerdas - cobran también (ya que emiten las cadenas cerradas que son bosones gauge).

Desde el punto de vista de las cuerdas al aire, D-branas son objetos a los que se unen los extremos de las cuerdas al aire. Las cuerdas abiertas acopladas a un D-branas se dice que "vivir" en él, y que den origen Teorías Gauge "viven" en él (ya que uno de los modos de la secuencia abierta es una bosón de calibre como el fotón). En el caso de un D-branas habrá un tipo de un bosón de calibre y vamos a tener un Teoría de gauge abeliano (con el bosón de norma es el fotón ). Si hay múltiples D-branas paralelas habrá múltiples tipos de bosones gauge, dando lugar a una teoría de gauge no abelianas.

D-branas son, pues, las fuentes gravitacionales, en el que una teoría gauge "vive". Esta teoría de gauge es acoplado a la gravedad (que se dice que existe en la mayor parte), por lo que normalmente cada uno de estos dos puntos de vista diferentes es incompleta.

Medidor de bosones y D-branas

La teoría de cuerdas afirma que un Medidor de Higgs puede tener cada uno de los extremos de su cadena en branas separadas. La masa de la cadena (calibre Boson) es proporcional a la separación de las dos membranas. Para cada Longitud de Planck que la cuerda se estira, aproximadamente una Plank unidad de masa se gana. Fue teorizado por AJB que la cadena podría ser lo suficientemente masiva para convertirse en un agujero negro , lo que podría ser otra posibilidad para la formación de un agujero negro. Para que esto suceda, la cadena tendría que compactarse en una "bola cadena 'para que la masa podría llegar a ser lo suficientemente concentrado para formar un agujero negro. Si se detectan este tipo de agujeros negros, podrían proporcionar evidencia de la teoría de cuerdas. Todos ellos serían más o menos la misma masa (que contendría información sobre la separación de las branas), y no serían necesariamente en las galaxias. Estos son pensamientos muy interesantes y se abren muchas posibilidades.

Dualidad Gauge gravedad

Medidor de gravedad dualidad es una dualidad conjeturada entre una teoría cuántica de la gravedad en ciertos casos y medir teoría en un menor número de dimensiones. Esto significa que cada fenómeno predicho y cantidad en una teoría tiene un análogo en la otra teoría, con un "diccionario" traducir de una teoría a otra.

Descripción de la dualidad

En ciertos casos, la teoría del calibrador en las D-branas es desvinculado de la gravedad que viven en la mayor; cuerdas por lo tanto abiertas acopladas a las D-branas no son interactuar con cuerdas cerradas. Tal situación se denomina un límite de desacoplamiento.

En esos casos, los D-branas tienen dos descripciones alternativas independientes. Como se mencionó anteriormente, desde el punto de vista de cuerdas cerradas, las D-branas son fuentes gravitacionales, y por lo tanto tenemos una teoría gravitacional en el espacio-tiempo con algunos campos de fondo. Desde el punto de vista de cuerdas abiertas, la física de la D-branas se describe por la teoría de calibre apropiado. Por lo tanto, en tales casos a menudo se conjetura que la teoría gravitacional en el espacio-tiempo con los campos del fondo apropiados es dual (es decir, físicamente equivalente) a la teoría del calibrador en el límite de este espacio-tiempo (ya que el subespacio ocupado por los D-branas es el límite de este espacio-tiempo). Hasta el momento, esta dualidad no se ha probado en ningún caso, por lo que también hay desacuerdo entre los teóricos de cuerdas con respecto a qué tan fuerte es la dualidad se aplica a varios modelos.

Ejemplos y la intuición

El ejemplo más conocido y el primero en ser estudiado es la dualidad entre el Tipo IIB supergravedad en AdS ⁵ S ⁵ (una espacio producto de una de cinco dimensiones Espacio anti de Sitter y una de cinco esfera) por un lado, y N = 4 supersimétrica Teoría de Yang-Mills en el límite de cuatro dimensiones del espacio anti de Sitter (ya sea un piso de cuatro dimensiones espacio-tiempo R ^3,1 o un tres esfera con el tiempo S ³ R). Esto se conoce como la Correspondencia AdS / CFT, un nombre de uso frecuente para dualidad Gauge / gravedad en general.

Esta dualidad puede ser pensado como sigue: Supongamos que hay un espacio-tiempo con una fuente gravitacional, por ejemplo, una agujero negro extremo. Cuando las partículas están muy lejos de esta fuente, que se describen por cuerdas cerradas (es decir, una teoría de la gravedad, o por lo general supergravedad). Como las partículas se acercan a la fuente gravitacional, que todavía pueden ser descritos por cuerdas cerradas; Alternativamente, pueden ser descritas por objetos similares a Cuerdas QCD, que están hechas de bosones gauge ( gluones) y otros medir grados de la teoría de la libertad. Así que si uno es capaz (en un límite de disociación) para describir el sistema gravitacional como dos regiones separadas - una (la masa) lejos de la fuente, y el otro cerca de la fuente - entonces esta última región también se puede describir por una calibrar teoría sobre D-branas. Esta última región (cerca de la fuente) se denomina el límite de cerca-horizonte, ya que normalmente hay una horizonte de sucesos alrededor (o en) la fuente gravitatoria.

En la teoría de la gravedad, una de las direcciones en el espacio-tiempo es la dirección radial, que va desde la fuente gravitacional y lejos (hacia el mayor). La teoría del calibrador vive sólo en el propio D-brana, por lo que no incluye la dirección radial: vive en un espacio-tiempo con una dimensión menor en comparación con la teoría de la gravedad (de hecho, vive en un espacio-tiempo idéntica a la frontera de la cercano horizonte teoría gravitacional). Vamos a entender cómo las dos teorías siguen siendo equivalentes:

La física del cercano horizonte teoría gravitacional implica sólo estados on-shell (como es habitual en la teoría de cuerdas), mientras que el teoría campo incluye también fuera de la concha función de correlación. Los estados de concha en la teoría gravitacional cercano horizonte se pueden considerar como la descripción únicas partículas que llegan desde la mayor parte de la región cerca de horizonte y la interacción que hay entre ellos. En la teoría de calibre estos son "proyectada" en la frontera, de modo que las partículas que llegan a la fuente desde diferentes direcciones se verán en la teoría del calibrador como (off-shell) fluctuaciones cuánticas lejos el uno del otro, mientras que las partículas de llegar a la fuente de casi la misma dirección en el espacio se verá en la teoría del calibrador como (off-shell) fluctuaciones cuánticas cerca uno del otro. Así, el ángulo entre las partículas que llegan a la teoría gravitacional se traduce en la escala de distancia entre las fluctuaciones cuánticas en la teoría del calibrador. El ángulo entre las partículas que llegan a la teoría de la gravitación se relaciona con la distancia radial desde la fuente gravitacional en el que las partículas interactúan: cuanto mayor sea el ángulo, más cerca de las partículas tienen que llegar a la fuente con el fin de interactuar con los demás. Por otra parte, la magnitud de la distancia entre las fluctuaciones cuánticas en una teoría cuántica de campos se relaciona (inversamente) a la escala de energía en esta teoría. Tan pequeño radio en la teoría gravitacional traduce en baja escala de energía en la teoría del calibrador (es decir, el régimen de IR de la la teoría de campo), mientras que gran radio en la teoría gravitacional traduce en escala de alta energía en el Teoría Gauge (es decir, el régimen de UV de la teoría de campo).

Un ejemplo sencillo de este principio es que si en la teoría gravitacional hay una configuración en la que el campo dilatón (que determina la fuerza de la acoplamiento) está disminuyendo con el radio, entonces su teoría dual campo será asintóticamente libre, es decir, su acoplamiento crecerá más débil en altas energías.

Contacto con el experimento

Esta rama de la teoría de cuerdas puede conducir a nuevos conocimientos sobre cromodinámica cuántica, una teoría de gauge que es la teoría fundamental de la fuerza nuclear fuerte. Para ello, se espera que se encuentre una teoría gravitatoria dual de la cromodinámica cuántica.

De hecho, un contacto vaga con el experimento ya se ha afirmado haber lograrse aunque en la actualidad la alternativa, Entramado QCD, está haciendo un trabajo mucho mejor y ya se ha puesto en contacto con los experimentos en diversos campos, con buenos resultados, aunque los cálculos son numérica en lugar de analítico.

Problemas y controversias

Aunque históricamente la teoría de cuerdas es una consecuencia de la física, algunos sostienen que la teoría de cuerdas debe (en sentido estricto) se clasificarán como algo distinto de la ciencia. Para que una teoría científica sea válido debe ser corroborado empíricamente , es decir, a través de experimento o observación. Pocas posibilidades para tal contacto con los experimentos han sido reclamados. Con la construcción de la Gran Colisionador de Hadrones en CERN algunos científicos esperan producir datos pertinentes, aunque se cree que cualquier teoría de la gravedad cuántica requeriría energías mucho más altas para sondear directamente. Por otra parte, la teoría de cuerdas como se entiende actualmente cuenta con un gran número de igualmente posibles soluciones. Así se ha afirmado por algunos científicos de que la teoría de cuerdas puede no ser falsable y puede no tener poder predictivo.

La teoría de cuerdas está pendiente de confirmación. Ninguna versión de la teoría de cuerdas todavía ha hecho una predicción verificado experimentalmente que se diferencia de las realizadas por otras teorías. Las escalas de energía a la que sería posible ver la naturaleza fibrosa de las partículas es mucho mayor que experimentalmente accesible. Posee muchas características de interés matemático y, naturalmente, incorpora todas las características generales del Modelo Estándar , como grupos gauge no abelianas y fermiones quirales. Debido a que la teoría de cuerdas no se puede probar en el futuro previsible, algunos científicos han preguntado si es que merece ser llamado un teoría científica; no es falsable en el sentido de Popper .

También se ha sugerido que la teoría de cuerdas es mejor como un marco para la construcción de modelos, de la misma manera que la teoría cuántica de campos es un marco.

Ideas de la teoría de cuerdas han tenido una gran influencia sobre las propuestas de la física más allá del Modelo Estándar. Por ejemplo, mientras que la supersimetría es un ingrediente vital de la teoría de cuerdas, también se estudian modelos supersimétricas sin conexión obvia a la teoría de cuerdas. Por lo tanto, si la supersimetría se detectaron en el Gran Colisionador de Hadrones no sería visto como una confirmación directa de la teoría. Sin embargo, si no se detecta la supersimetría, hay el vacío en la teoría de cuerdas en el que la supersimetría sólo sería visto a energías mucho más altas, por lo que su ausencia no sería falsificar la teoría de cuerdas. Por el contrario, si, al observar las estrellas durante un eclipse solar , la gravedad del Sol no se había desviado la luz por el importe previsto, luego de Einstein de la relatividad general teoría se habría equivocado.

En un nivel más matemática, otro problema es que, al igual que muchas teorías cuánticas de campos , gran parte de la teoría de cuerdas es todavía sólo formuló perturbativamente (es decir, como una serie de aproximaciones en lugar de como una solución exacta). Aunque las técnicas nonperturbative han progresado considerablemente - incluyendo conjeturado definiciones completas en espacio-tiempos que satisfacen ciertas asintótica - un completo definición no perturbativa de la teoría todavía es insuficiente.

Sin embargo, otro problema central de la teoría de cuerdas es que los fondos mejor entendido de la teoría de cuerdas conservan gran parte de la supersimetría de la teoría subyacente, que se traduce en espacio-tiempos invariantes en el tiempo: en la actualidad la teoría de cuerdas no puede lidiar bien con dependientes del tiempo, fondos cosmológicas.

Las dos ediciones anteriores se relacionan con un problema más profundo: la teoría de cuerdas podría no ser verdaderamente fundamental en su formulación actual, ya que es el fondo dependiente - la teoría de cuerdas describe expansiones perturbativas sobre fondos fijos del espacio-tiempo. Algunos ven fondo independencia como un requisito fundamental de una teoría de la gravedad cuántica, en particular desde la Relatividad General es ya fondo independiente. En respuesta a estas críticas, algunos teóricos de cuerdas no están de acuerdo de que el fondo de la independencia debe ser un principio rector, mientras que otros esperan que la teoría M , o un tratamiento no perturbativa de la teoría de cuerdas (como la teoría de campos de cuerdas) se resultan ser de fondo -independiente, dando como soluciones las muchas versiones diferentes de la teoría de cuerdas con los diferentes orígenes.

Otro problema es que la estructura de vacío de la teoría, llamado el paisaje teoría de cuerdas, no se entiende bien. Como la teoría de cuerdas se entiende actualmente, parece contener un gran número de distintos, vacua meta-estable, tal vez 10 ⁵⁰⁰ o más. Cada uno de estos corresponde a un universo diferente, con una colección diferente de partículas y fuerzas. ¿Qué principio, en su caso, se puede utilizar para seleccionar entre estos el vacío es una cuestión abierta. Si bien no hay parámetros continuos conocidos en la teoría, hay una muy grande discretuum (acuñado en contraposición a continuo) de universos posibles, que pueden ser radicalmente diferentes entre sí. Algunos físicos creen que esto es un beneficio de la teoría, ya que puede permitir a un natural de explicación antrópica de los valores observados de constantes físicas, en particular, el pequeño valor de la constante cosmológica. Sin embargo, estas explicaciones no son generalmente considerados como científica en el popperiano sentido.

La teoría de cuerdas predice, al menos perturbativamente, que por lo suficientemente altas energías-que son probablemente cerca de la escala de la naturaleza-cadena como la gravedad cuántica de las partículas deben ser evidentes. Por ejemplo, no debería haber copias más pesadas de todas las partículas correspondientes a los armónicos más altos de cadena. Sin embargo, no está claro lo que estas energías son. En el caso límite, estas energías serían de un millón de millones de dólares (diez seguido por catorce ceros) veces más altos que los accesible en el más nuevo acelerador, el LHC.

A raíz de la aparición de dos libros que afirman la teoría de cuerdas es un fracaso, un debate mediático caliente ha evolucionado a partir de 2007.

"Durante más de una generación, los físicos han estado persiguiendo a un fuego fatuo llamada teoría de las cuerdas. El inicio de esta persecución marcó el final de lo que había sido de tres cuartos de siglo de progreso. Decenas de cadena de la teoría conferencias se han celebrado, cientos de nuevos doctores han sido acuñadas, y miles de artículos se han escrito. Sin embargo, a pesar de esta actividad, ni una sola nueva predicción comprobable se ha hecho, ni un solo rompecabezas teórico ha sido resuelto. En De hecho, no existe una teoría hasta ahora, sólo un conjunto de corazonadas y cálculos que sugieren que podría existir una teoría Y, incluso si lo hace, esta teoría vendrá en un número tan desconcertante de versiones de que será de ninguna utilidad práctica.: una teoría de la Nada ".

Historia

El primero en añadir una quinta dimensión de Einstein de la relatividad general era matemático alemán Theodor Kaluza en 1919. La razón de la imposibilidad de observación de la quinta dimensión (su compacidad) fue sugerido por el físico sueco Oskar Klein en 1926 (véase la teoría de Kaluza-Klein) . Estas predicciones establecerían las bases para la teoría de cuerdas, introduciendo el concepto de dimensiones extra.

La teoría de cuerdas fue originalmente desarrollado y explorado durante finales de 1960 y principios de 1970 para explicar algunas peculiaridades del comportamiento de hadrones ( partículas subatómicas como los protones y neutrones que experimentan la fuerza nuclear fuerte). En particular, Yoichiro Nambu (y más tarde Lenny Susskind y Holger Nielsen ) se dio cuenta en 1970 de que el modelo de resonancia doble de interacciones fuertes podría explicarse por un modelo mecánico-cuántico de cadenas. Este enfoque fue abandonado como una teoría alternativa, la cromodinámica cuántica, ganó apoyo experimental, pero ha resurgido recientemente en el contexto de la correspondencia AdS / CFT.

Durante mediados de la década de 1970 se descubrió que el mismo formalismo matemático puede ser usado para describir una teoría de la gravedad cuántica. Esto condujo al desarrollo de la teoría de cuerdas bosonic, que sigue siendo la primera versión enseñado a muchos estudiantes.

Entre 1984 y 1986, los físicos se dieron cuenta de que la teoría de cuerdas podría describir todas las partículas elementales y las interacciones entre ellos, y cientos de ellos comenzaron a trabajar en la teoría de cuerdas como la idea más prometedora para unificar las teorías de la física. Esto se conoce como la primera revolución de supercuerdas.

A mediados de la década de 1990, Joseph Polchinski descubrió que la teoría requiere la inclusión de objetos de dimensiones superiores, llamado D-branas. Éstos añaden una rica estructura matemática adicional a la teoría, y abrió muchas posibilidades para la construcción realistas modelos cosmológicos en la teoría.

En 1995, en la conferencia anual de los teóricos de cuerdas de la Universidad del Sur de California (USC),Edward Witten dio su famoso discurso sobre la teoría de cuerdas que esencialmente une las cinco teorías de cuerdas que existían en ese momento, y dar a luz a un nuevo 11- La teoría unidimensional llamadoM-teoría. Esto provocó la segunda revolución de las supercuerdas.

En 1997 Juan Maldacena conjeturó una relación entre la teoría de cuerdas y una teoría de gauge llamada N = 4 supersimétrica Teoría de Yang-Mills. Esta conjetura, llamada la correspondencia AdS / CFT ha generado un gran interés en el campo y está ahora bien aceptada. Es una realización concreta del principio holográfico, que tiene implicaciones de largo alcance para los agujeros negro , localidad y la información en la física, así como la naturaleza de la interacción gravitatoria. A través de esta relación, la teoría de cuerdas puede estar relacionado en el futuro para la cromodinámica cuántica y plomo, con el tiempo, a una mejor comprensión del comportamiento de los hadrones, volviendo así a su objetivo original.

Recientemente, el descubrimiento delpaisaje de la teoría de cuerdas, lo que sugiere que la teoría de cuerdas tiene una forma exponencial gran número de diferentes vacua, llevó a las discusiones sobre lo que la teoría de cuerdas, finalmente, se podría esperar de predecir, y la preocupación de que la respuesta podría seguir siendo nada .

Cultura popular

• El libro El universo elegante por Brian Greene, profesor de Física en la Universidad de Columbia, fue adaptado en un documental de tres horas para Nova y también se muestra en la televisión británica. También se demostró por Discovery Channel en Indian televisión, así como en Australia en SBS.
• Teoría de Cuerdas es también una trilogía de novelas basadas en el Star Trek: Voyagerserie de televisión.
• El espacio de Calabi-Yau se menciona en referencia a una cuestión hipotética teleportación cuántica (QT para abreviar) en las novelas Ilión y Olympos , por la ciencia ficción escritor Dan Simmons. Además, varios otros cuántica-mecánica hipotéticos y conceptos de teoría relacionados cadena se emplean y hasta cierto punto explican o describen en los libros: agujeros Brane , universos paralelos, singularidades ( agujeros negros y agujeros de gusano), dispositivos morphing / cambiar de forma "cuánticos" y la naturaleza probabilística intrínseca de la teoría de la mecánica cuántica.
• En " Sueños de HP Lovecraft en la Casa de la Bruja ", un episodio de los Serie de Showtime Masters of Horror(basado enun cuento de HP Lovecraft y dirigida porStuart Gordon), un joven estudiante de posgrado deestudios Universidad de Miskatonic teoría de cuerdas interdimensional en su apartamento deteriorado y descubre la intersección de dos realidades separadas.
• La teoría de cuerdas y su filosofía relacionada ocupa un lugar destacado en elrío de los dioses, una novela de ciencia-ficción deIan McDonald ocupa futurista India.