Teoría de cuerdas

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La teoría de cuerdas es un marco teórico científico y modelo fundamental de física teórica que asume que las partículas subatómicas, aparentemente puntuales, son en realidad «estados vibracionales» de un objeto extendido más básico llamado «cuerda».[1]

Antecedentes

La teoría de cuerdas es la candidata más probable para una teoría exitosa de la gravedad cuántica, una teoría que los científicos esperan unirá dos importantes leyes físicas del universo en una sola. En este momento, estas leyes (física cuántica y relatividad general) describen dos tipos de comportamiento totalmente diferentes de maneras totalmente diferentes, y en el ámbito donde ninguna de las teorías funciona por completo. (Véase Cuerdas Cósmicas).

Comprender las implicaciones de la teoría de cuerdas significa comprender aspectos profundos de nuestra realidad en los niveles más fundamentales. ¿Hay universos paralelos? ¿Hay solo una ley de la naturaleza o infinitamente muchas? ¿Por qué nuestro universo sigue las leyes que hace? ¿Es posible viajar en el tiempo? ¿Cuántas dimensiones posee nuestro universo? Los físicos están buscando apasionadamente respuestas a estas preguntas. De hecho, la teoría de cuerdas es un tema fascinante, una revolución científica que promete transformar nuestra comprensión del universo.

La teoría de cuerdas es un trabajo en progreso, por lo que tratar de precisar exactamente qué es la teoría de cuerdas, o cuáles son los elementos fundamentales, puede ser un poco complicado. Existe la posibilidad de que la teoría de cuerdas pueda ser el punto de partida para una 'teoría de todo', que definiría todas las leyes físicas de nuestro universo en una fórmula matemática simple (o no tan simple).

¿Qué es la teoría de cuerdas?

Niveles de aumento de la materia:

  1. Materia.
  2. Estructura molecular.
  3. Átomos.
  4. Protones y neutrones.
  5. Quarks.
  6. Cuerdas.

La teoría de cuerdas es una teoría de la física de que el universo está compuesto de filamentos vibrantes de energía, expresados ​​en un lenguaje matemático preciso. Estas cadenas de energía representan el aspecto más fundamental de la naturaleza. La teoría también predice otros objetos fundamentales, llamados branas. En la teoría de cuerdas y otras teorías relacionadas, una brana es un objeto físico que generaliza la noción de una partícula puntual a dimensiones superiores. Toda la materia en nuestro universo consiste en las vibraciones de estas cuerdas (y branas). Un resultado importante de la teoría de cuerdas es que la gravedad es una consecuencia natural de la teoría, razón por la cual los científicos creen que la teoría de cuerdas puede tener la respuesta para posiblemente unir la gravedad con las otras fuerzas que afectan la materia.

¿Hipótesis o teoría?

La teoría de cuerdas es un marco teórico matemático, no como la wikipedia en español pretende que sea, una hipótesis,[2] que es algo distinto. Se basa en ecuaciones matemáticas que se pueden interpretar de ciertas maneras. Todas las teorías físicas se expresan en el lenguaje de las matemáticas.

En la actualidad, nadie sabe exactamente cómo será la versión final de la teoría de cuerdas. Los científicos tienen algunas nociones vagas sobre los elementos generales que existirán dentro de la teoría, pero a nadie se le ha ocurrido la ecuación final que represente toda la teoría de cuerdas en nuestro universo, y los experimentos aún no han podido confirmarla (aunque tampoco ha sido refutada con éxito). Los físicos han creado versiones simplificadas de la ecuación, pero no describe completamente nuestro universo todavía.

La teoría de cuerdas es un tipo de física teórica de alta energía, practicada en gran parte por físicos de partículas. Es una teoría de campo cuántico que describe las partículas y fuerzas en nuestro universo en función de la forma en que las dimensiones adicionales especiales dentro de la teoría se envuelven en un tamaño muy pequeño (un proceso llamado compactación). Este es el poder de la teoría de cuerdas: usar las cuerdas fundamentales y la forma en que se compactan las dimensiones adicionales, para proporcionar una descripción geométrica de todas las partículas y fuerzas conocidas por la física moderna.

Entre las fuerzas necesarias para ser descritas está, por supuesto, la gravedad. Debido a que la teoría de cuerdas es una teoría de campo cuántico, esto significa que la teoría de cuerdas sería una teoría cuántica de la gravedad, conocida como gravedad cuántica. La teoría de la gravedad establecida, la relatividad general, tiene un espacio-tiempo fluido y dinámico, y un aspecto de la teoría de cuerdas en el que todavía se está trabajando es lograr que este tipo de espacio-tiempo emerja de la teoría.

Los principales logros de la teoría de cuerdas son conceptos que no se pueden ver, a menos que se sepa cómo interpretar las ecuaciones físicas. La teoría de cuerdas no utiliza experimentos que proporcionen nuevas ideas, pero ha revelado profundas relaciones matemáticas dentro de las ecuaciones, lo que lleva a los físicos a creer que deben ser ciertas.

Teoría del campo cuántico

Los físicos usan campos para describir las cosas que no solo tienen una posición particular, sino que existen en cada punto del espacio. Por ejemplo, se puede pensar en la temperatura de una habitación como un campo: puede ser diferente cerca de una ventana abierta que cerca de una estufa caliente, y podría imaginarse medir la temperatura en cada punto de la habitación. Una teoría de campo, entonces, es un conjunto de reglas que le indican cómo se comportará algún campo, como por ejemplo, cómo cambia la temperatura en la habitación con el tiempo.

La teoría cuántica se refiere a principios que conducen a fenómenos físicos aparentemente extraños, que, sin embargo, parecen ocurrir en el mundo subatómico. Cuando combina estos dos conceptos, obtiene la teoría cuántica de campos: una teoría de campo que obedece los principios de la teoría cuántica. Toda la física de partículas moderna se describe mediante teorías de campo cuántico.

En los últimos años, ha habido mucha controversia pública sobre la teoría de cuerdas, que se libra en los titulares e Internet. Estos temas se reducen a preguntas fundamentales sobre cómo se debe buscar la ciencia. Los teóricos de cuerdas creen que sus métodos son sólidos, mientras que los críticos creen que, en el mejor de los casos, son cuestionables. El tiempo y la evidencia experimental indicarán qué lado ha presentado el mejor argumento.

La teoría se desarrolló originalmente en 1968 como una teoría que intentaba explicar el comportamiento de los hadrones (como los protones y los neutrones, las partículas que forman un núcleo atómico) dentro de los aceleradores de partículas. Más tarde, los físicos se dieron cuenta de que esta teoría también podría usarse para explicar algunos aspectos de la gravedad.

Teoría M

Durante más de una década, la teoría de cuerdas fue abandonada por la mayoría de los físicos, principalmente porque requería una gran cantidad de dimensiones adicionales e invisibles. Saltó a la fama nuevamente a mediados de la década de 1980, cuando los físicos pudieron demostrar que era una teoría matemáticamente consistente.

A mediados de la década de 1990, la teoría de cuerdas se actualizó para convertirse en una teoría más compleja, llamada teoría M, que contiene más objetos que solo cuerdas. Estos nuevos objetos se llamaban branas, y podían tener desde cero hasta nueve dimensiones. Las teorías de cuerdas anteriores (que ahora también incluyen branas) fueron vistas como aproximaciones de la teoría M más completa.

Técnicamente, la teoría M moderna es más que la teoría de cuerdas tradicional, pero el nombre 'teoría de cuerdas' todavía se usa a menudo para la teoría M y sus diversas teorías que derivan de ella. (Incluso se ha demostrado que las teorías de supercuerdas originales incluyen branas). Las teorías que contienen branas son variantes de la teoría M y las teorías de cuerdas originales.

Existen cinco ideas clave que están en el corazón de la teoría de cuerdas y surgen una y otra vez. Es mejor familiarizarse con estos conceptos clave desde el principio:

  1. La teoría de cuerdas predice que todos los objetos en nuestro universo están compuestos de filamentos vibrantes (y membranas) de energía.
  2. La teoría de cuerdas intenta conciliar la relatividad general (gravedad) con la física cuántica.
  3. La teoría de cuerdas proporciona una forma de unificar todas las fuerzas fundamentales del universo.
  4. La teoría de cuerdas predice una nueva conexión (llamada supersimetría) entre dos tipos de partículas fundamentalmente diferentes, bosones y fermiones.
  5. La teoría de cuerdas predice una cantidad de dimensiones adicionales (generalmente no observables) para el universo.

Cuerdas y branas

Cuando la teoría se desarrolló originalmente en la década de 1970, los filamentos de energía en la teoría de cuerdas se consideraban objetos unidimensionales: cuerdas. (Unidimensional indica que una cadena tiene solo una dimensión, longitud, en lugar, por ejemplo, un cuadrado, que tiene dimensiones de longitud y altura).

Estas cuerdas vienen en dos formas: cuerdas cerradas y abiertas. Una cuerda abierta tiene extremos que no se tocan entre sí, mientras que una cuerda cerrada es un bucle sin final abierto. Finalmente se descubrió que estas primeras cuerdas, llamadas "de Tipo I", podían pasar por cinco tipos básicos de interacciones.

Las interacciones se basan en la capacidad de una cuerda de tener extremos unidos y separados. Debido a que los extremos de las cadenas abiertas se pueden unir para formar cuerdas cerradas, no se puede construir una teoría de cuerdas sin cuerdas cerradas. Esto resultó ser importante, porque las cuerdas cerradas tienen propiedades que hacen que los físicos crean que podrían describir la gravedad. En otras palabras, en lugar de ser solo una teoría de partículas de materia, los físicos comenzaron a darse cuenta de que la teoría de cuerdas podría explicar la gravedad y el comportamiento de las partículas.

Con los años, se descubrió que la teoría requería otros objetos además de las cuerdas. Estos objetos se pueden ver como hojas o branas. Las cadenas pueden unirse en uno o ambos extremos a estas branas.

Unificación de fuerzas

De la mano con la cuestión de la gravedad cuántica, la teoría de cuerdas intenta unificar las cuatro fuerzas en el universo: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la gravedad, en una sola teoría unificada. En nuestro universo, estas fuerzas fundamentales aparecen como cuatro fenómenos diferentes, pero los teóricos de cuerdas creen que en el universo primitivo (cuando había niveles de energía increíblemente altos) estas fuerzas se describen mediante cuerdas que interactúan entre sí.

Supersimetría

Todas las partículas en el universo se pueden dividir en dos tipos: bosones y fermiones. La teoría de cuerdas predice que existe un tipo de conexión, llamada supersimetría, entre estos dos tipos de partículas. Bajo la supersimetría, debe existir un fermión para cada bosón y un bosón para cada fermión. Desafortunadamente, los experimentos aún no han detectado estas partículas adicionales.

Referencias y ligas externas

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  1. Este segmento del artículo Teoría de cuerdas posee contenido adaptado o reeditado de Wikipedia en español, que porta una licencia Creative Commons.
  2. Wikipedia (Accedido el 20 de agosto de 2019) «Teoría de cuerdas». Vía: Wikipedia.
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