Pregúntele a Ethan: ¿Qué tan cerca estamos de la teoría de todo?

La idea de que todas las interacciones y partículas observadas hoy son manifestaciones de una sola teoría integral es atractiva, pero requiere medidas adicionales y un montón de nuevos tipos de partículas e interacciones.

Mucho antes de Einstein, las personas que estudiaron el Universo tuvieron el sueño de encontrar una sola ecuación, que abarcara tantos fenómenos como fuera posible. En lugar de tener su propia ley para cada propiedad física del Universo, sería posible combinarlas en una única plataforma integral. James Clerk Maxwell combinó todas las leyes de cargas eléctricas, magnetismo, corrientes eléctricas, inducción y otras cosas en una sola plataforma a mediados del siglo XIX. Desde entonces, los físicos han soñado con la Teoría del Todo : una ecuación única que rige todas las leyes del universo. ¿Qué progreso hemos hecho? Esta es la pregunta de nuestro lector que quiere saber:

¿Ha progresado la ciencia con respecto a la teoría de la gran unificación (TVO) y la teoría de todo? ¿Podría explicar qué significaría para nosotros si encontramos una ecuación unificadora?

Sí, se han hecho progresos, pero aún no hemos alcanzado la meta. Además, ni siquiera hay confianza en que la teoría de todo exista en absoluto.


Las interacciones electromagnéticas, débiles, fuertes y gravitacionales son las cuatro interacciones fundamentales conocidas del universo.

Hasta donde las hemos descubierto, las leyes de la naturaleza se pueden dividir en cuatro interacciones fundamentales: la fuerza de la gravedad, controlada por la Teoría General de la Relatividad, y las tres fuerzas cuánticas que controlan las partículas y su interacción: interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil e interacción electromagnética. Los primeros intentos de crear una teoría unificada de todo comenzaron poco después de la publicación de la relatividad general, incluso antes de conocer las leyes fundamentales que rigen las interacciones nucleares. Estas ideas, conocidas como teorías de Kaluza-Klein , intentaron combinar la gravedad y el electromagnetismo.


La idea de combinar la gravedad y el electromagnetismo se remonta a principios de la década de 1920 y a las obras de Theodor Kaluza y Oscar Klein.

La adición de una dimensión espacial adicional a la relatividad general de Einstein, la quinta consecutiva (a excepción de las tres espaciales estándar y una temporal), dio como resultado la aparición de la gravedad de Einstein, el electromagnetismo de Maxwell y un nuevo campo escalar adicional. La dimensión adicional debe ser lo suficientemente pequeña como para no interferir con las leyes de la gravedad, y el campo escalar adicional no debe tener un efecto distinguible en el Universo. Como era imposible formular una teoría cuántica de la gravedad con tal enfoque, el descubrimiento de la física cuántica y las fuerzas nucleares, que este intento de unificar no pudo tener en cuenta, privó el enfoque de la popularidad.


Quarks, antiquarks y gluones del modelo estándar tienen una carga de color, además de todas las demás propiedades, como la masa y la carga eléctrica. El modelo estándar se puede escribir en forma de una sola ecuación, pero las interacciones dentro de él no se combinarán.

Sin embargo, las interacciones nucleares fuertes y débiles condujeron a la formulación del Modelo Estándar en 1968, que reunió interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas bajo un paraguas global. Se tomaron en cuenta todas las partículas y sus interacciones, se hicieron varias predicciones nuevas, incluida una gran predicción sobre la asociación. A altas energías del orden de 100 GeV (la energía requerida para acelerar un electrón a un potencial de 100 mil millones de voltios), la simetría que combina la interacción electromagnética y débil debería restaurarse. Se predijo la existencia de nuevos bosones masivos, y con el descubrimiento de los bosones W y Z en 1983, se confirmó esta predicción. Cuatro interacciones fundamentales reducidas a tres.


La idea de la unificación sugiere que las tres interacciones del Modelo Estándar, y posiblemente incluso la gravedad, a altas energías se combinan en una sola plataforma.

La unión ya era una idea interesante, pero los modelos comenzaron a desarrollarla. La gente ha sugerido que a energías aún más altas, una interacción fuerte se combinará con un electrodébil; Fue de aquí que surgió la idea de las Grandes Teorías de la Unificación. Algunos han sugerido que a energías aún más altas, tal vez en la región de la escala de Planck, la gravedad también se unirá al resto; Esta fue una de las principales motivaciones para la teoría de cuerdas. Una característica interesante de estas ideas es que si necesita unificación, necesita restaurar las simetrías a altas energías. Y si el Universo a altas energías tiene simetrías actualmente rotas, esto puede traducirse en algo observable: nuevas partículas y nuevas interacciones.


Partículas del modelo estándar y sus gemelos supersimétricos. Este espectro de partículas es una consecuencia inevitable de la unión de cuatro interacciones fundamentales en el contexto de la teoría de cuerdas.

Entonces, ¿qué nuevas partículas e interacciones se predicen? Depende de qué versión de las teorías de unificación elegir. Estos incluyen:

• Partículas pesadas y neutras, similares a la materia oscura.
• Socios supersimétricos de partículas.
• Monopolos magnéticos.
• Bosones escalares pesados ​​y cargados [con giro cero / aprox. transl.].
• Muchas partículas similares a la partícula de Higgs.
• Partículas intermedias en descomposición de protones.

Aunque a partir de observaciones indirectas podemos confirmar con confianza la existencia de materia oscura, ninguna de estas partículas o desintegraciones predichas se observaron en los experimentos.


En 1982, en un experimento dirigido por Blas Cabrera , con ocho bucles de cable, se registró un cambio en ocho magnetons: un signo de un monopolo magnético. Desafortunadamente, durante el descubrimiento, no había nadie en el laboratorio, y desde entonces nadie ha podido reproducir este experimento o encontrar el segundo monopolo.

Pero es una pena, por muchas razones, ya que estábamos buscando activamente todo esto. En 1982, uno de los experimentos en busca de monopolos magnéticos registró el único resultado positivo, por lo que tuvo muchos seguidores tratando de encontrar monopolos. Desafortunadamente, ese resultado positivo fue una anomalía, y nadie lo reprodujo. También en la década de 1980, la gente comenzó a construir tanques gigantes con agua y otros núcleos atómicos en busca de evidencia de descomposición de protones. Como resultado, estos tanques se convirtieron en sensores de neutrinos, y no se registró ni una sola desintegración del protón. El límite de vida útil del protón ahora supera los 10 ³⁵ años, aproximadamente 25 órdenes de magnitud más que la edad del Universo.


La cisterna llena de agua del experimento Super Kamiokande , que estableció las restricciones más estrictas sobre la vida útil del protón. Más tarde, estos detectores se convirtieron en excelentes observatorios de neutrinos, pero no registraron una sola descomposición de protones.

Esto también es malo, porque la Gran Unificación ofrece una forma ordenada y elegante de crear asimetrías entre la materia y la antimateria en el Universo. En los primeros días, el Universo estaba lo suficientemente caliente como para producir pares de materia / antimateria y todas las partículas que podrían ser. En la mayoría de los TBO, dos de esas partículas existentes son bosones superpesados ​​X e Y, que tienen cargas y contienen pares de quarks y leptones. Se espera que la asimetría se manifieste en la forma en que sus versiones para la materia y la antimateria se desintegran, lo que puede conducir al predominio de residuos de materia sobre la antimateria, incluso si inicialmente no hubo predominio. Desafortunadamente, nuevamente, todavía tenemos que encontrar evidencia de la presencia de tales partículas y sus interacciones.


Una colección simétrica de bosones de materia y antimateria (X, Y, anti-X, anti-Y) puede, en presencia de las propiedades necesarias de TBO, generar la asimetría de materia / antimateria observada en el Universo hoy

Algunos físicos creen que tales simetrías deben existir en el Universo, y que su evidencia está simplemente más allá de las energías disponibles en el LHC. Otros llegan a una oportunidad menos conveniente: probablemente la naturaleza no busca unirse. Quizás no haya TVO que describa nuestra realidad física; quizás la teoría cuántica de la gravedad no se combina con otras interacciones; Quizás los problemas de la bariogénesis y la materia oscura tienen otras soluciones que no se derivan de estas ideas. Después de todo, el árbitro final de cómo se ve el Universo no serán nuestras ideas sobre esto, sino los resultados de experimentos y observaciones. Solo podemos preguntarle al universo qué es; Depende de nosotros prestar atención a la respuesta y actuar en base a ella.


El lagrangiano del modelo estándar es una ecuación única que incluye partículas e interacciones del modelo estándar. Tiene cinco partes independientes: gluones (1), bosones débiles (2), la interacción de la materia con una interacción débil y el campo de Higgs (3), espíritus de partículas que eliminan la redundancia del campo de Higgs (4) y espíritus de Faddeev-Popov que afectan la redundancia. interacción débil (5). Las masas de neutrinos no están incluidas.

Aunque podemos escribir el Modelo Estándar como una sola ecuación, esta no es una teoría de unificación en el sentido de que miembros diferentes, separados e independientes gobiernan diferentes componentes del Universo. Las diferentes partes del modelo estándar no interactúan entre sí; la carga de color no afecta las interacciones electromagnéticas o débiles. Tampoco hay respuesta a las preguntas sobre por qué no hay interacciones, como la violación de la invariancia CP en la interacción fuerte que debería ocurrir.


Cuando se restaura la simetría (al valor potencial más alto), se produce una unión. Sin embargo, la violación de simetrías, en la base de la colina, corresponde al Universo que tenemos hoy, donde existen nuevos tipos de partículas masivas.

Muchos esperan que la asociación contenga la respuesta a estas preguntas y que resuelva muchos problemas y acertijos abiertos de la física moderna. Sin embargo, cualquier tipo de simetrías adicionales, simetrías que se restauran a altas energías y hoy están rotas, conducen a la aparición de nuevas partículas, nuevas interacciones y nuevas reglas físicas por las cuales el Universo debería jugar. Intentamos aplicar ingeniería inversa a algunas de las predicciones utilizando las reglas necesarias para que todo funcione; sin embargo, las partículas y asociaciones que esperábamos ver no aparecieron. La unificación no lo ayudará a derivar propiedades tan manifiestas como la química, la biología, la geología, la conciencia, pero nos ayudará a comprender mejor de dónde y cómo provino todo.


La historia cósmica de todo el Universo conocido muestra que le debemos el origen de toda la materia y toda la luz al final de la inflación y al comienzo del caliente Big Bang.

Por supuesto, hay otra posibilidad: que el Universo no se una. El hecho de que existan muchas leyes y reglas diferentes por una razón: las simetrías que inventamos son solo características matemáticas, y no descripciones del Universo físico. Por cada teoría física elegante, bella y convincente, existe otra teoría física igualmente elegante, bella y convincente, pero falsa. En estos, como en todas las preguntas científicas, la tarea de la humanidad es hacer las preguntas correctas. Bueno, la tarea del universo es proporcionarnos respuestas. Sean lo que sean, tenemos tal universo como es. Y debemos entender lo que significan estas respuestas.

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].

Preguntas frecuentes: si el Universo se está expandiendo, ¿por qué no nos estamos expandiendo ? por qué la edad del Universo no coincide con el radio de su parte observada .