Leonard Sasskind, un famoso físico estadounidense y uno de los creadores de la teoría de cuerdas, propuso en un momento un concepto revolucionario de entender el Universo y el lugar del hombre en él. A través de su investigación, Susskind inspiró a una galaxia de físicos modernos que creían que esta teoría podía predecir sin ambigüedades las propiedades de nuestro universo. Ahora, en su primer libro para una amplia gama de lectores, Susskind refina y reconsidera sus puntos de vista, argumentando que esta idea no es en absoluto universal y tendrá que dar paso a un concepto mucho más amplio de un gigantesco "paisaje cósmico".
La investigación a principios del siglo XXI ha permitido que la ciencia alcance un nuevo nivel en el conocimiento del mundo, dice Susskind. Y este libro fascinante que lleva al lector al frente de las batallas en la física moderna es una vívida confirmación de esto.
Elegante universo supersimétrico?
Los principios reales que subyacen a la teoría de cuerdas están envueltos en un gran misterio. Casi todo lo que sabemos sobre teoría incluye una parte especial del paisaje donde las matemáticas se simplifican sorprendentemente gracias a una propiedad llamada supersimetría. Las áreas supersimétricas del paisaje forman una llanura perfectamente plana ubicada a una altura exactamente igual a cero, con propiedades tan simétricas que se pueden calcular muchas cosas sin información sobre todo el paisaje. Si alguien buscaba simplicidad y elegancia, entonces el plano de la teoría de cuerdas supersimétricas, también conocida como la teoría de las supercadenas, es exactamente el lugar al que deben prestar atención. De hecho, hace un par de años, este lugar era el único al que los teóricos de cuerdas prestaban atención. Pero algunos físicos ya han sacudido la obsesión hechizante y están tratando de deshacerse de las elegantes simplificaciones del supermundo. La razón es simple: el mundo real no es supersimétrico.
Un mundo que contiene el Modelo Estándar y una pequeña constante cosmológica distinta de cero no puede estar en un plano de altura cero. Se encuentra en algún lugar en una zona irregular del paisaje con colinas, valles, altas mesetas y pendientes pronunciadas. Pero hay razones para creer que nuestro valle está cerca de la parte supersimétrica del Paisaje y que algunos restos del súper milagro matemático podrían ayudarnos a comprender las características del mundo empírico. Un ejemplo que cubriremos en esta sección es la masa del bosón de Higgs. De hecho, todos los descubrimientos que hicieron realidad este libro son los primeros intentos tímidos de alejarse de una llanura supersimétrica segura.
La supersimetría nos habla de las diferencias y similitudes de bosones y fermiones. Como mucho más en la física moderna, los principios de la supersimetría se remontan a los primeros trabajos de Einstein. En 2005, celebramos el centenario de "anno mirabilis", el año de las maravillas de la física moderna. Einstein comenzó dos revoluciones este año y completó la tercera. Por supuesto, este fue el año de la teoría especial de la relatividad. Pero pocas personas saben que 1905 fue mucho más que un "año de relatividad". También marcó el nacimiento de los fotones, el comienzo de la mecánica cuántica moderna.
Einstein recibió solo un Premio Nobel de Física, aunque creo que todos los Premios Nobel otorgados después de 1905 tenían ecos de los descubrimientos de Einstein. Einstein recibió el Premio Nobel no por crear la teoría de la relatividad, sino por explicar el efecto fotoeléctrico. Fue la teoría del efecto fotoeléctrico la contribución más radical de Einstein a la física, donde introdujo por primera vez el concepto de fotones, cuantos de energía, en los que consiste la luz. La física estaba lista para dar a luz una teoría especial de la relatividad, su creación era solo cuestión de tiempo, mientras que la teoría de los fotones de la luz tronaba como un rayo desde el azul. Einstein demostró que un rayo de luz, generalmente representado como un fenómeno ondulatorio, tiene una estructura discreta. Si la luz tiene un cierto color (longitud de onda), entonces todos los fotones parecen marchar en la pata: cada fotón es idéntico a cualquier otro. Las partículas que pueden estar simultáneamente en el mismo estado cuántico se denominan bosones en honor del físico indio Chatyatranat Bose.
Casi veinte años más tarde, mientras completa el edificio establecido por Einstein, Louis de Broglie mostrará que los electrones, siempre percibidos como partículas, se comportan al mismo tiempo y como ondas. Al igual que las ondas, los electrones pueden reflejarse, refractarse, difractarse e interferir. Pero hay una diferencia fundamental entre electrones y fotones: a diferencia de los fotones, dos electrones no pueden estar simultáneamente en el mismo estado cuántico. El principio de inhibición de Pauli garantiza que cada electrón en un átomo tiene su propio estado cuántico y que ningún otro electrón puede meter su nariz en un lugar ya ocupado. Incluso fuera de un átomo, dos electrones idénticos no pueden estar en el mismo lugar o tener el mismo impulso. Las partículas de este tipo se llaman fermiones por el nombre del físico italiano Enrico Fermi, aunque para ser justos deberían llamarse Pauli. De todas las partículas en el Modelo Estándar, aproximadamente la mitad son fermiones (electrones, neutrinos y quarks), y la otra mitad son bosones (fotones, bosones Z y W, gluones y el bosón de Higgs).
Fermiones y bosones juegan diferentes roles en la imagen del mundo. Por lo general, imaginamos materia compuesta de átomos, es decir, de electrones y núcleos. En una primera aproximación, los núcleos consisten en protones y neutrones unidos por fuerzas nucleares, pero a un nivel más profundo, los protones y neutrones se ensamblan a partir de pequeños bloques de construcción: quarks. Todas estas partículas (electrones, protones, neutrones y quarks) son fermiones. La materia está hecha de fermiones. Pero sin bosones, los átomos, los núcleos, los protones y los neutrones simplemente se desmoronarán. Estos bosones, principalmente fotones y gluones, que saltan de un lado a otro entre fermiones crean las fuerzas de atracción que mantienen todo unido. Aunque los fermiones y los bosones son críticos para que el mundo sea lo que es, siempre se los ha considerado "animales de diferentes razas".
Pero a principios de la década de 1970, los teóricos inspirados por los primeros éxitos de la teoría de cuerdas comenzaron a jugar con nuevas ideas matemáticas, según las cuales los fermiones y los bosones en realidad no son tan diferentes. Una idea era que todas las partículas forman pares perfectos de gemelos idénticos, idénticos en todos los aspectos, excepto que uno de ellos es un fermión y el otro un bosón. Era una hipótesis completamente descabellada. Su justicia para el mundo real significaría que los físicos de alguna manera lograron perder la mitad de todas las partículas elementales, al no encontrarlas en sus laboratorios. Por ejemplo, de acuerdo con esta hipótesis, debe existir una partícula con exactamente la misma masa, carga y otras propiedades que un electrón, pero no es un fermión, sino un bosón. ¿Cómo podría no notar tal partícula en los aceleradores Stanford o CERN? La supersimetría supone la existencia de un gemelo de fermión neutro sin masa en un fotón, así como gemelos bosón en electrones y quarks. Es decir, la hipótesis predijo un mundo entero de "opuestos" misteriosamente perdidos. De hecho, todo este trabajo fue solo un juego matemático, un estudio puramente teórico de un nuevo tipo de simetría: un mundo que no existe, pero que podría existir.
Las partículas gemelas idénticas no existen. Los físicos no perdieron el tiempo y no se perdieron todo el mundo paralelo. ¿Qué interés tiene esta especulación matemática en este caso, y por qué este interés se ha intensificado repentinamente en los últimos 30 años? Los físicos siempre han estado interesados en todo tipo de simetrías matemáticas, incluso si la única pregunta razonable que se pudiera hacer fue: "¿Por qué esta simetría no está en la naturaleza?" Pero tanto el mundo real como su descripción física están llenos de varias simetrías. La simetría es una de las herramientas más potentes y de largo alcance en el arsenal de la física teórica. Permea todas las secciones de la física moderna, y especialmente las relacionadas con la mecánica cuántica. En muchos casos, el tipo de simetría es todo lo que sabemos sobre el sistema físico, pero el análisis de simetría es tan poderoso que a menudo nos dice casi todo lo que queremos saber. Las simetrías son a menudo el jardín en el que los físicos encuentran satisfacción estética de sus teorías. Pero, ¿qué es la simetría?
Comencemos con los copos de nieve. Todos los niños saben que no hay dos copos de nieve idénticos, pero al mismo tiempo todos tienen una característica común, a saber, la simetría. La simetría de un copo de nieve es inmediatamente evidente. Si toma un copo de nieve y lo gira en un ángulo arbitrario, se verá diferente de su forma original: girado. Pero si gira el copo de nieve exactamente 60 °, entonces coincidirá consigo mismo. Un físico podría decir que una rotación de 60 ° de un copo de nieve es simetría.
Las simetrías están asociadas con operaciones o transformaciones que se pueden realizar en el sistema sin afectar el resultado del experimento. En el caso de un copo de nieve, tal operación es una rotación de 60 °. Aquí hay otro ejemplo: supongamos que establecemos un experimento destinado a medir la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra. La opción más simple sería soltar la piedra desde una altura conocida y medir el tiempo de su caída. Respuesta: unos 10 metros por segundo por segundo. Tenga en cuenta que no me preocupa decirle dónde dejé caer la piedra: en California o en Calcuta. En una muy buena aproximación, la respuesta será la misma en cualquier lugar de la superficie de la Tierra: el resultado del experimento no cambiará si te mueves con todo el equipo experimental de un lugar de la superficie de la Tierra a otro. En la jerga física, un cambio o movimiento de algo de un punto a otro se llama traducción. Por lo tanto, podemos decir sobre el campo gravitacional de la Tierra que tiene "simetría traslacional". Por supuesto, algunos efectos secundarios pueden alterar los resultados de nuestro experimento y arruinar la simetría. Por ejemplo, al realizar un experimento en depósitos minerales muy grandes y masivos, obtendremos un valor ligeramente mayor que en otros lugares. En este caso, diríamos que la simetría es solo aproximada. La simetría aproximada también se llama simetría rota. La presencia de depósitos separados de minerales pesados "viola la simetría traslacional".
¿Se puede romper la simetría del copo de nieve? Sin duda algunos copos de nieve son imperfectos. Si se forma un copo de nieve en condiciones imperfectas, entonces un lado puede diferir del otro. Seguirá teniendo una forma cercana a una hexagonal, pero este hexágono será imperfecto, es decir, su simetría se romperá.
En el espacio exterior, lejos de cualquier influencia perturbadora, podríamos medir la fuerza gravitacional entre dos masas y obtener la ley newtoniana de la gravitación universal. Independientemente de dónde se realice el experimento, nosotros, en teoría, deberíamos obtener la misma respuesta. Por lo tanto, la ley de gravedad de Newton tiene invariancia traslacional.
Para medir la fuerza de atracción entre dos objetos, es necesario disponerlos a cierta distancia uno del otro. Por ejemplo, podemos organizar dos objetos para que la línea que los conecta sea paralela al eje x en algún sistema de coordenadas dado. Con igual éxito, podemos organizar los objetos en una línea paralela al eje y. ¿La fuerza de atracción medida por nosotros dependerá de la dirección de la línea que conecta estos objetos? En principio, sí, pero solo si las leyes de la naturaleza difieren de las que tenemos. En la naturaleza, la ley de la gravitación universal establece que la fuerza de atracción es proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas y no depende de la orientación de un objeto con respecto a otro. La independencia de la dirección se llama simetría rotacional. Las simetrías traslacionales y rotacionales son las propiedades fundamentales más importantes del mundo en el que vivimos.
Mírate en el espejo. Tu reflejo es como dos gotas de agua. La imagen especular de sus pantalones no es diferente de los pantalones mismos. El reflejo del guante izquierdo repite exactamente el guante izquierdo.
Para Algo está mal aquí. Miremos de nuevo con cuidado. La imagen especular del guante izquierdo no es completamente idéntica al guante izquierdo. ¡Es idéntico al guante correcto! Y la imagen especular del guante derecho es idéntica al guante izquierdo.
Ahora observe más de cerca su propio reflejo. Este no eres tú. El lunar que está en su mejilla izquierda está a su derecha en su reflejo. Y si abres tu propio cofre, encontrarás que el corazón en tu reflejo no está a la izquierda, como todas las personas normales, sino a la derecha. Llamemos al espejo hombre - hombre.
Supongamos que tenemos una tecnología futurista que nos permite ensamblar cualquier objeto que queramos de átomos individuales. Usando esta tecnología, construiremos una persona cuya imagen especular te repetirá exactamente: el corazón a la izquierda, la peca a la izquierda, etc. Entonces el original que construiremos será una persona.
¿Funcionará una persona normalmente? ¿Respirará? ¿Le latirá el corazón? Si le das dulces, ¿absorberá el azúcar en su composición? Las respuestas a la mayoría de estas preguntas son afirmativas. Básicamente, una persona funcionará exactamente de la misma manera que una persona. Pero habrá problemas con su metabolismo. No podrá absorber el azúcar regular. La razón es que el azúcar existe en dos formas especulares, como los guantes derecho e izquierdo. Una persona puede absorber solo una de las formas especulares de azúcar. Y una persona solo puede absorber azúcar. Las moléculas (azúcar y azúcar) difieren entre sí de la misma manera que el guante derecho e izquierdo. Los químicos llaman azúcares ordinarios que una persona puede digerir, isómeros D (del latín dextra - derecha) y azúcares espejo que solo los humanos pueden digerir - isómeros L (del latín lævum - izquierda).
Reemplazar cualquier cosa con su reflejo espejo se llama simetría espejo o paridad. Las consecuencias del reflejo en el espejo son, en principio, obvias, pero repitamos una cosa más importante: si todo en el mundo es reemplazado por su reflejo en el espejo, entonces el comportamiento de este mundo no cambiará de ninguna manera y no diferirá del comportamiento de nuestro mundo.
De hecho, la simetría del espejo no es precisa. Es un buen ejemplo de simetría rota. Algo lleva al hecho de que el reflejo del espejo del neutrino es muchas veces más pesado que el original. Esto se aplica a todas las demás partículas, aunque en un grado mucho menor. Parece que el gran espejo del mundo está ligeramente torcido, distorsiona ligeramente el reflejo. Pero esta distorsión es tan insignificante que prácticamente no afecta a la materia ordinaria. Pero en el comportamiento de las partículas de alta energía en el mundo espejo, pueden ocurrir cambios muy significativos. Sin embargo, por el momento pretendamos que la simetría del espejo en la naturaleza es precisa.
¿Qué queremos decir cuando decimos que hay una relación de simetría entre partículas? En pocas palabras, esto significa que cada tipo de partícula tiene un compañero o gemelo con propiedades muy similares. Para la simetría de espejo, esto significa que si las leyes de la naturaleza permiten la existencia de un guante izquierdo, entonces es posible la existencia de un guante derecho. Establecer la existencia de D-glucosa significa que L-glucosa también debe existir. Y si la simetría del espejo no se rompe, lo mismo debería aplicarse a todas las partículas elementales. Cada partícula debe tener un gemelo que sea idéntico para reflejar el reflejo. Cuando una persona se refleja, cada partícula elemental que forma su cuerpo es reemplazada por su gemelo espejo.
La antimateria es otro tipo de simetría llamada simetría de conjugación de carga. Dado que la simetría implica el reemplazo de todo con su análogo simétrico, la simetría de conjugación de carga implica el reemplazo de cada partícula con su antipartícula. Cambia las cargas eléctricas positivas, como los protones, a negativas, en este caso, antiprotones. Del mismo modo, los electrones cargados negativamente son reemplazados por positrones cargados positivamente. Los átomos de hidrógeno son reemplazados por átomos de antihidrógeno que consisten en positrones y antiprotones. Sin embargo, tales átomos se obtienen en laboratorios en una cantidad muy pequeña, insuficiente incluso para construir antimoléculas a partir de ellos. Pero nadie duda de que las antimoléculas son posibles. Los anticuerpos son posibles de la misma manera, pero no olvide que tendrá que alimentarlos con anti-alimentos. De hecho, es mejor mantener a los antihumanos y a la gente común lejos unos de otros. Cuando una sustancia se encuentra con la antimateria, se destruyen mutuamente, convirtiéndose en fotones. La explosión que ocurre si accidentalmente le das la mano al antihumano será más fuerte que la explosión de una bomba de hidrógeno.
Al final resultó que, la simetría de la conjugación de carga también se rompe ligeramente. Pero, como en el caso de la simetría de espejo, el efecto de esta violación es completamente insignificante si no tenemos en cuenta las partículas de muy altas energías. Ahora de vuelta a los fermiones y bosones. La primera teoría original de cuerdas que desarrollamos con Nambu se llama teoría de cuerdas bosónicas, porque todas las partículas que describe son bosones. No es del todo adecuado para describir hadrones, porque, después de todo, un protón es un fermión. Del mismo modo, no es adecuado para el papel de la teoría de todo. Electrones, neutrinos, quarks: todos son fermiones. Pero no pasó mucho tiempo y apareció una nueva versión de la teoría de cuerdas, que ya contenía no solo bosones, sino también fermiones. — , , -, , .
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