En memoria de Joe Polchinski, maestro del salvado.

A principios de febrero de 2018, una comunidad de físicos de alta energía, interesados ​​en partículas, campos, cuerdas, agujeros negros y todo el Universo en su conjunto, lamentaron la pérdida de uno de los más grandes físicos teóricos de nuestro tiempo, Joe Polchinski . Es extremadamente doloroso para mí escribir estas líneas.

Cualquiera que lo conozca personalmente extrañará sus cualidades especiales: una sonrisa juvenil, un extraño sentido del humor, una manera encantadora de detenerse en la mitad de la frase para pensar, la aptitud física y el deseo de una competencia amistosa. Cualquiera que esté familiarizado con su investigación extrañará su genio especial, ideas excepcionales, combinación única de habilidades, que trataré de describirle más a fondo. Aquellos de nosotros que tenemos la suerte de conocerlo personal y profesionalmente experimentamos una doble pérdida.

Polchinski, y para todos sus colegas, solo Joe, poseía una de esas mentes que trabajan mágicamente y dan magia. Las mentes científicas son tan diversas como las personalidades. Cada físico tiene una combinación única de habilidades y talentos (y debilidades); En términos modernos, cada uno de nosotros tiene uno o dos superpoderes. Es raro encontrarse con dos científicos con las mismas habilidades.

Joe tenía varios superpoderes, y muy fuertes. Tenía una capacidad asombrosa para mirar las tareas viejas y verlas bajo una nueva luz, que a menudo cambiaba el sentido común o lo reformulaba de una manera nueva y más clara. Y tenía habilidades técnicas asombrosas que le permitieron seguir hasta el final a lo largo de los caminos de la informática compleja que nos alienaría a la mayoría de nosotros.

El trabajo conjunto con Joe fue uno de los mayores privilegios de mi vida, y esto sucedió no una vez, sino cuatro. Creo que lo mejor de todo es que podré contarte sobre él y sobre varios de sus mayores logros a través del prisma de esta experiencia inolvidable.

Nuestro trabajo colaborativo de 1999 a 2006 fue una secuencia definida destinada a comprender la relación estable entre la teoría cuántica de campos, el lenguaje de la física de partículas, y la teoría de cuerdas, mejor conocida hoy como candidato para la teoría cuántica de la gravedad. En cada uno de estos trabajos, como en muchos otros miles escritos después de 1995, el papel principal fue desempeñado por una contribución influyente de Joe a la física. Este fue el descubrimiento de objetos conocidos como D-branes , descubiertos por él en el contexto de la teoría de cuerdas.

Ya puedo escuchar a los disputantes gritándome, que odian la teoría de cuerdas. "Un descubrimiento en la teoría de cuerdas", grita alguien, golpeando la mesa, "en una teoría no probada y no probada, no puede llamarse un descubrimiento en física". No les prestes atención, como verás cerca del final de este texto, entienden poco.

Gran descubrimiento

En 1989, Joe, trabajando con dos jóvenes científicos, Jin Dai y Rob Leigh, estudió algunas características de la teoría de cuerdas e hizo algunos ejercicios matemáticos pequeños. En la teoría de cuerdas, las cuerdas son generalmente pequeñas líneas o bucles que pueden moverse libremente, como partículas que se mueven en una habitación. Pero en algunos casos, las partículas no pueden moverse libremente; Es posible, por ejemplo, estudiar partículas atrapadas en la superficie de un líquido o en una antena metálica muy delgada. Los apretones de cuerdas pueden existir de un tipo diferente, que no existe para las partículas; por ejemplo, es posible fijar un extremo o ambos extremos de una cuerda en la superficie, permitiendo que la parte media de la cuerda se mueva libremente. El lugar donde se puede unir el extremo de la cuerda, ya sea un punto, línea o superficie, o algo más exótico de dimensiones superiores, hoy llamamos "D-brane".

Joe y sus colegas tropezaron con un tesoro, pero no lo entendieron de inmediato. Mirando hacia atrás, descubrieron que las D-branas pertenecen a las propiedades automáticas de la teoría de cuerdas. No son opcionales; no se pueden estudiar teorías de cuerdas en las que no hay D-branes. Y estos no son solo superficies o líneas fijas. Estos son objetos físicos que pueden moverse alrededor del mundo. Tienen masa y tienen un efecto gravitacional. Se mueven y se alejan unos de otros. ¡Son tan reales e importantes como las cuerdas mismas!


Fig. 1: D-branes (verde): objetos físicos en los que las cuerdas fundamentales pueden terminar (rojo)

Resultó como si Joe y sus colegas trataran de entender por qué la gallina cruzó la calle [un comienzo popular del mismo tipo de chistes / aprox. perev. ], y como resultado descubrió la existencia de bicicletas, automóviles, camiones, autobuses y aviones. Entonces fue inesperado y profundo.

Y sin embargo, nadie, incluidos Joe y sus colegas, entendieron completamente lo que habían hecho. Rob Ley, coautor de Joe, se sentó en mi oficina de al lado durante un par de años, y escribimos cinco trabajos con él de 1993 a 1995. Al mismo tiempo, me parece que Rob mencionó brevemente su trabajo en D-branes una o dos veces, y nunca me lo explicó en detalle. A principios de 1995, su trabajo fue mencionado no más de 20 veces.

En 1995, la comprensión de la teoría de cuerdas dio un largo paso adelante. Fue entonces cuando quedó claro que los cinco tipos conocidos de teoría de cuerdas son lados diferentes del mismo dado, que de hecho la teoría de cuerdas es una. Ha aparecido toda una serie de obras en las que los agujeros negros especiales y su generalización desempeñaron el papel principal: cadenas negras, superficies negras, etc. La relación entre ellos fue muy interesante, pero a menudo incomprensible.

Y luego, en octubre de 1995, apareció un trabajo que cambió para siempre toda esta discusión. Este Joe nos explicó acerca de las D-branes, quienes apenas escucharon de su trabajo inicial, y demostró que muchos de estos agujeros negros, cuerdas negras y superficies negras eran en realidad D-branes. Gracias a su trabajo, todos los cálculos se han vuelto más simples, claros y precisos; ella inmediatamente se convirtió en un éxito. A principios de 1996, fue mencionada 50 veces; Después de doce meses, el número de referencias se acercó a 300.

¿Y qué? Para los expertos en teoría de cuerdas, esto es genial, pero no tiene conexión con el mundo real y los experimentos. ¿Por qué todos los demás lo necesitan? Paciencia, llevo a esto.

¿Cómo se relaciona esto con la naturaleza?

Hoy estamos tratando de entender cómo funciona el universo con las partículas. Los objetos materiales están formados por átomos, están formados por electrones que orbitan alrededor de un núcleo; El núcleo está formado por neutrones y protones. En la década de 1970, aprendimos que los protones y los neutrones mismos consisten en partículas llamadas quarks, antiquarks y gluones, específicamente, del "mar" de gluones y varios pares quark / antiquark, más tres quarks adicionales que no tienen su propio par antiquark. A menudo se les llama "quarks de valencia". Los protones, neutrones y todas las demás partículas con tres quarks de valencia se denominan " bariones ". Tenga en cuenta que no hay partículas con uno, dos o cuatro quarks de valencia, solo hay bariones con tres. [ dicen que todavía hay pentaquarks - partículas con cinco quarks de valencia / aprox. perev. ]

En las décadas de 1950 y 1960, los físicos descubrieron partículas de vida corta, similares a los protones y neutrones, con el mismo mar, pero que contenían un quark de valencia y un antiquark de valencia. Las partículas de este tipo se llaman " mesones ". En la fig. 2 Dibujé un mesón típico y un barión típico. El mesón más simple se llama " peonía "; Es la partícula más común de protones obtenidos con colisiones con protones en el Gran Colisionador de Hadrones.


Fig. 2: quarks de valencia rojo, azul antiquarks; quarks marinos, antiquarks y gluones negros.

Pero en la década de 1960, el hecho de que los mesones y bariones consistieran en quarks y gluones era solo una idea, y ella compitió con la propuesta de que los mesones eran cuerdas diminutas. Me apresuro a aclarar que no son cadenas de la "teoría de todo", que se pueden leer en los libros de Brian Green , y que son mil millones de billones de veces más pequeñas que el protón. En las cadenas de la "teoría de todo", todos los tipos de partículas de la naturaleza, incluidos los electrones, los fotones y los bosones de Higgs, son pequeñas cadenas. Y ahora estoy hablando de cadenas de la "teoría de los mesones", una idea no tan ambiciosa, según la cual las cadenas son solo mesones. Son mucho más grandes: su longitud es comparable al diámetro del protón. Para los humanos, este es un tamaño pequeño, pero en comparación con las cuerdas de la "teoría de todo", una gigantesca.

¿Por qué la gente pensaba que los mesones son cadenas? ¡Porque había confirmaciones experimentales para eso ! Y esta evidencia no ha desaparecido después del descubrimiento de los quarks. En cambio, los físicos teóricos gradualmente entendieron mejor por qué los quarks y los gluones pueden producir mesones que se comportan de manera similar a una cuerda. Si desenrolla rápidamente un mesón (y esto puede suceder por casualidad en un experimento), su quark valencia y antiquark pueden separarse, y un mar de objetos entre ellos forma un "tubo de flujo" (ver Fig. 3). (En algunos superconductores, tubos de flujo similares pueden captar campos magnéticos). Se parece más a una cuerda gruesa que a una delgada, pero aún tiene algunas propiedades comunes con la cuerda, por lo que podemos obtener resultados experimentales similares a las predicciones de la teoría de cuerdas.


Fig. 3

Por lo tanto, desde mediados de la década de 1970, la gente ha confiado en que la teoría cuántica de campos, como la que describe los quarks y los gluones, puede dar lugar a objetos que se comportan como cuerdas. Muchos físicos, incluidos los más famosos y respetados, han hecho declaraciones aún más audaces: que la teoría cuántica de campos y la teoría de cuerdas están profundamente interconectadas en un nivel fundamental. Pero no pudieron indicar exactamente cómo; tenían pruebas claras, pero no eran completamente claras y convincentes.

En particular, hubo un importante misterio sin resolver. Si los mesones son cadenas, entonces, ¿qué son los bariones? ¿Qué son los protones y los neutrones, con sus tres quarks de valencia? ¿Cómo se verán si son promovidos rápidamente? La gente pintaba imágenes un poco como el arroz. 3. El barión puede convertirse en tres tubos de flujo conectados (y uno, posiblemente, será mucho más largo que los otros dos), cada uno de los cuales tendrá su propio quark de valencia al final. Tal barión consistiría en tres cuerdas, cada una de las cuales tiene un extremo libre, que tiene una unión común. Este compuesto fue llamado el "vértice bariónico" [vértice bariónico]. Si los mesones son cadenas pequeñas, objetos fundamentales en la teoría de cuerdas, entonces, ¿qué es un vértice bariónico en términos de teoría de cuerdas? ¿Dónde se esconde en las matemáticas de la teoría de cuerdas y en qué consiste?


Fig. 4 4

(Nota: la parte superior no está conectada de ninguna manera con los quarks. Esta es una propiedad del mar, específicamente los gluones. Por lo tanto, en un mundo donde solo hay un gluón, en un mundo cuyas cuerdas forman bucles sin terminaciones, debería ser posible, aplicando suficiente energía, crear un par de vértices / anti-vertex. Por lo tanto, la teoría de campo predice que estos vértices deberían existir en teorías de cadena cerrada, aunque deberían estar linealmente delimitados).

Nadie lo sabia. Pero, ¿no es interesante que la característica más distintiva de este pico sea que era el lugar al que estaba unido el extremo de la cuerda?

En el período de 1997 a 2000, todo cambió. Siguiendo las ideas propuestas por muchos otros físicos, y utilizando la D-brane como herramienta principal, Juan Maldacena finalmente construyó esta conexión exacta entre la teoría cuántica de campos y la teoría de cuerdas. Pudo conectar las cuerdas con la gravedad y dimensiones adicionales , que se pueden leer en los libros de Brown Green, con física de partículas en solo tres dimensiones espaciales, similares al mundo real y en presencia de fuerzas no gravitacionales. Pronto se hizo evidente que las ideas más ambiciosas y radicales de los años 70 eran correctas: que casi cualquier teoría de campo cuántico, con sus partículas e interacciones, puede considerarse como una teoría de cuerdas. Esto es un poco como se puede describir la misma imagen en inglés o japonés: los campos / partículas y cadenas / gravedad en este contexto son dos idiomas muy diferentes que hablan de la misma cosa.

La saga del pico bariónico tomó un nuevo camino en mayo de 1998, cuando Ed Whitten mostró cómo aparece un pico similar en los ejemplos de Maldasena. No es sorprendente que este pico fuera una D-brane, específicamente, una D-partícula, un objeto en el que las cuerdas pueden terminar, extendiéndose desde quarks que se mueven libremente. Este resultado no fue completamente satisfactorio, ya que los gluones y quarks de los ejemplos de Maldasena se mueven libremente sin formar mesones o bariones. En consecuencia, el vértice bariónico no es un objeto físico; si se hace, se disuelve rápidamente en nada. Sin embargo, del trabajo de Whitten se hizo evidente lo que estaba sucediendo. En la medida en que los mesones reales pueden considerarse cadenas, los protones y neutrones reales pueden considerarse cadenas conectadas a una D-brane.

Los ejemplos más realistas encontrados por los teóricos no tuvieron que esperar mucho. No recuerdo quién fue el primero, pero sé que uno de los primeros ejemplos apareció en nuestro trabajo con Joe en 2000.

Trabajando con joe

Este proyecto apareció durante mi visita en septiembre de 1999 al KITP (Instituto Cavley de Física Teórica) en Santa Bárbara, donde trabajó Joe. Poco antes, resultó que estaba estudiando la teoría de campo llamada N = 1 *, que solo era ligeramente diferente de los ejemplos de Maldasena, en la que se podían formar objetos similares a mesones. Uno de los primeros informes que escuché cuando llegué a KITP fue Rob Myers sobre su descubrimiento de la extraña propiedad de D-brane. Durante la conferencia, se produjo una conexión entre la observación de Myers y una de las propiedades de la teoría N = 1 *, y experimenté el momento de la iluminación, para el que viven los físicos. De repente me di cuenta de cómo debería ser la teoría de cuerdas, describiendo la teoría de campo N = 1 *.

Pero no me gustó esta respuesta. Se hizo evidente que los cálculos detallados serían extremadamente difíciles y requerirían el uso de aspectos de la teoría de cuerdas de los que no sabía casi nada (branas curvas no holomorfas en la geometría curva de dimensiones superiores). Todo lo que podía esperar mientras trabajaba solo era escribir un trabajo conceptual con un montón de imágenes y con un predominio de hipótesis sobre hechos comprobables.

Pero estaba en KITP. Joe y yo tuvimos un buen entendimiento durante algún tiempo, y sabía que las mismas preguntas nos parecían interesantes. Y Joe era un maestro de branes; él sabía todo sobre D-branes. Entonces decidí que la mejor salida para mí sería convencer a Joe de unirse al trabajo. Comencé a rogar persistentemente y, afortunadamente, funcionó.

Regresé a la costa este, y Joe y yo nos pusimos a trabajar. Una vez en una semana o dos, Joe me envió notas de investigación con cálculos preliminares sobre la teoría de cuerdas. Su nivel de complejidad técnica era tan alto, y había tan pocos momentos de entrenamiento en ellos que me sentí como un niño; Apenas podía entender lo que estaba pasando. Progresamos lentamente. Joe realizó importantes cálculos preliminares, pero fue muy difícil para mí seguirlos. Y si los cálculos preliminares para la teoría de cuerdas fueran tan complicados, ¿podríamos esperar resolver todo el problema? Incluso Joe estaba un poco preocupado.

Una vez que recibí un mensaje lleno de trucos victoriosos, algo así como "¡los hicimos!", Un estado de ánimo que cualquier persona familiarizada con Joe podría reconocer. Usando un truco excelente, descubrió cómo usar sus cálculos preliminares para facilitar la tarea completa. En lugar de meses de arduo trabajo, resultó que casi habíamos terminado.

¡Y desde ese momento el trabajo se volvió muy interesante! Casi todas las semanas ha evolucionado así. Reflexioné sobre el fenómeno conocido por la teoría cuántica de campos, que debería describirse desde el punto de vista de la teoría de cuerdas, como el vértice bariónico. Sabía lo suficiente sobre D-branes para desarrollar una prueba heurística de cómo debería verse esto. Llamé a Joe, se lo conté y tal vez le envié borradores. Unos días más tarde, un conjunto de notas que contenían cálculos completos que confirmaban este fenómeno llegaron por correo electrónico. Cada cálculo fue único, precioso, incluido un estudio característico de exóticas D-branes ubicadas en el espacio curvo. Fue impresionante observar la velocidad con la que Joe trabajaba, la amplitud y profundidad de su talento matemático, su incomparable comprensión de estas branas.

A lo largo de los años de nuestra colaboración, cuando queríamos profundizar en las ecuaciones, esto siempre ha sido algo así; Joe inevitablemente me dejó muy atrás, sacudiendo la cabeza con asombro. Este es mi defecto: para un físico hago un cálculo bastante promedio. Pero Joe era increíblemente bueno en eso.

Afortunadamente para mí, era posible disfrutar trabajando juntos, porque casi siempre podía mantener el ritmo de Joe en el campo de los problemas conceptuales, y a veces lo superaba. Entre mis memorias favoritas como científico, hay momentos en que le enseñé a Joe algo que él no sabía; guardó silencio durante unos segundos, asintió rápidamente y, comprendiendo el problema, hizo una mirada atenta, entrecerró los ojos y abrió la boca. "Sí, sí", solía hacerlo.

Otra faceta de Joe se abrió mientras trabajaba en nuestro segundo trabajo científico. Nos paramos en el lobby de KITP, hablando sobre un nuevo tema, e incluso antes de decidir en qué tipo de problema íbamos a trabajar, ¡Joe de repente adivinó la respuesta!¡Y no pude hacer que explicara qué problema había resuelto, sin mencionar que sacó una solución en unos pocos días! Fue confuso.

Esta fue otra habilidad clásica de Joe. A veces sabía que había encontrado una pista (y casi siempre resultaba ser correcta), pero no podía decir nada definitivo sobre esto hasta que pensó durante unos días y convirtió sus ideas en ecuaciones. Durante nuestro trabajo conjunto, esto sucedió varias veces. (Nunca le dije "Usa las palabras, Joe", pero aparentemente era necesario). Su mente de alguna manera trabajó en áreas no sujetas al lenguaje, y como ninguno de nosotros, estando fuera de su cerebro, lo entendería. Había algo del oráculo en él.

Mirando hacia el horizonte

Después de 2006, nuestros intereses fueron divergiendo gradualmente; Me concentré en el Gran Colisionador de Hadrones (también conocido como el Gran Colisionador D-brane), y Joe, después de varios estudios, decidió abordar los horizontes de los agujeros negros y la paradoja de la información . Pero disfruté su trabajo desde la distancia, especialmente cuando en 2012, Joe y tres colegas (Ahmed Almeyri, Don Marolf y James Sally) exploraron la idea de la complementariedad del agujero negro, que muchos esperaban resolver la paradoja de la información. Los restos de esta idea todavía están humeando, y la paradoja todavía está aquí.

Entonces Joe se enfermó y comenzamos a perderlo, a una edad muy temprana. Uno de sus últimos regalos para nosotros fueron sus memorias, de las cuales cada uno de nosotros aprendió algo sobre él que no sabíamos antes. Finalmente, cruzó el horizonte, por lo que no regresaron. Si no hay un cortafuegos, finalmente lo descubrió.

¿Podemos reflexionar sobre lo que sucederá con el patrimonio científico de Joe en unas pocas décadas? Es difícil prever cómo se evaluará el trabajo del teórico en cien años; a veces los cambios ocurren en una dirección inesperada, y lo que parece poco importante ahora puede convertirse en lo principal en el futuro, como sucedió con las propias D-branes durante la década de 1990. Para aquellos que trabajan con ellos hoy en día, las D-branas en la teoría de cuerdas son claramente el descubrimiento más importante de Joe, aunque su contribución a nuestra comprensión de los agujeros negros, las cuerdas cósmicas y los aspectos de la teoría de campo no se olvidarán ni pronto ni quizás nunca. ¿Pero quién sabe? Para 2100, la teoría de cuerdas puede ser una teoría de la gravedad generalmente aceptada o una herramienta poco conocida para estudiar campos cuánticos.

Pero incluso si esto último sucede, sigo sospechando que Joe será recordado por las D-branes. Porque, como intenté probar, son reales. Realmente real En cada protón, en cada neutrón, hay uno. Nuestros cuerpos los contienen miles de millones de miles de millones. Por esta idea, por esta contribución elemental al conocimiento humano, nuestros descendientes deberían culpar a Joseph Polchinski.



Gracias por todo, Joe. Seremos extrañados terriblemente. Muchas veces nos has enseñado nuevas formas de mirar el mundo e incluso a nosotros mismos.