Una nueva hipótesis física desafía la principal "teoría de todo"
El 25 de junio, el físico Timm Wrase, que vive en Viena, se despertó y hojeó con sueño una lista de trabajos físicos recientemente publicados en línea. Un titular lo golpeó para que arrojara todos los restos de sueño.
El trabajo del destacado especialista en teoría de cuerdas
Kamran Wafa de Harvard, realizado en colaboración con sus colegas, planteó la hipótesis de la existencia de una fórmula simple que determina qué universos pueden existir y cuáles no, de acuerdo con la teoría de cuerdas. La teoría de cuerdas, el principal candidato para la "
teoría de todo "
, que une la gravedad y la física cuántica, define toda la materia e interacciones en forma de vibraciones de pequeños hilos de energía. La teoría permite alrededor de
10.500 soluciones: un "paisaje" enorme y variado de universos posibles. Expertos en teoría de cuerdas como Vraze y Wafa han estado intentando durante años colocar nuestro universo en algún lugar de este panorama de posibilidades.
Pero mientras Wafa y sus colegas sugirieron que, en el panorama de la teoría de cuerdas, universos como el nuestro, o mejor dicho, como lo imaginamos, no podrían existir. Si la teoría es correcta, como Vraze y otros físicos entendieron de inmediato, entonces nuestro Universo es completamente diferente de lo que debería ser, o la teoría de cuerdas es incorrecta.
Después de llevar a la descendencia al jardín de infantes, Vraze fue a trabajar al Instituto Tecnológico de Viena, donde sus colegas discutieron enérgicamente el mismo trabajo. El mismo día, Wafa, mientras estaba en Okinawa, Japón,
presentó esta teoría en la conferencia Strings 2018, que fue seguida por físicos de todo el mundo. Las disputas se desarrollaron en la conferencia y en otros lugares. "Muchos dijeron inmediatamente:" Esto es probablemente un error ", otros dijeron:" Sí, cuántos años he estado diciendo esto ", hubo otras reacciones intermedias", dice Vraze. Agrega que hubo confusión, pero “y, por supuesto, gran interés. Porque, si esta hipótesis es cierta, tendrá muchas consecuencias enormes para la cosmología ".
Los investigadores se sentaron en el trabajo, tratando de probar la hipótesis y estudiar sus consecuencias. Vraze ya ha escrito dos obras,
una de las cuales puede conducir a un refinamiento de la hipótesis, y lo hizo, principalmente mientras estaba de vacaciones con su familia. Él recuerda cómo pensó: "Es tan interesante que necesito hacer ejercicio y estudiarlo más profundamente".
La fórmula propuesta, que apareció en el
trabajo del 25 de junio de Vafa, Georges Obied, Hiroshi Ooguri y Lev Spodyneiko, y luego estudió más profundamente en un
trabajo posterior
publicado dos días después , por Vafa, Obied, Prateek Agraval y Pla Steinhardt, de hecho, sugiere que con la expansión del universo, la densidad de energía de vacío del espacio vacío debería disminuir más rápido que un cierto valor. La regla debería funcionar en todos los modelos de universo simples basados en la teoría de cuerdas. Pero contradice dos opiniones populares sobre el Universo real: hace imposible tanto la idea generalmente aceptada de su expansión actual como el modelo principal de su nacimiento explosivo.
* * *
Desde 1998, se ha observado desde telescopios que el espacio se está expandiendo cada vez más rápido, lo que significa que el vacío del espacio vacío debería ser alimentado por una dosis de "energía oscura" gravitacionalmente repulsiva. Además, parece que la cantidad de energía oscura vertida en el espacio vacío permanece constante (hasta donde se puede juzgar).
Pero una nueva hipótesis establece que la energía de vacío del universo debería disminuir.
Wafa y sus colegas sostienen que los universos con energía de vacío estable y positiva, conocidos como
universos de Sitter , no pueden existir. Desde el descubrimiento de la energía oscura en 1998, los expertos en teoría de cuerdas han luchado por construir un modelo de cadena convincente de universos de Sitter. Pero si Wafa tiene razón, tales intentos están condenados a atascarse en inconsistencias lógicas; los universos de Sitter no están en este paisaje, sino en "pantanos". "Llamo cosas que parecen consistentes, pero que tienen contradicciones, pantanos", explicó recientemente. “Son muy similares al paisaje, pueden engañarte. Te parece que podrás construirlos, pero en realidad esto no es así ”.
De acuerdo con esta "hipótesis del pantano de De Sitter", en todos los universos lógicos posibles, la energía del vacío debería caer como una bola rodando cuesta abajo, o debería llegar a un valor negativo estable. (Los llamados universos anti-de Sitter, con valores estables y negativos de la energía del vacío, son fáciles de construir en la teoría de cuerdas).
Si esta suposición es cierta, significa que la densidad de la energía oscura en nuestro Universo no puede ser constante, y debe tomar la forma de la llamada. "
quintaesencias ": una fuente de energía que disminuye gradualmente durante decenas de miles de millones de años. Ahora se espera lanzar varios experimentos en los que utilizando telescopios se establecerá mejor si el Universo se está expandiendo a una velocidad constante o acelerado, es decir, si aparece una cantidad proporcional de nueva energía oscura con un nuevo espacio o si la aceleración cósmica cambia gradualmente según los modelos de quintaesencia . El descubrimiento de la quintaesencia revolucionaría la física y la cosmología fundamentales y reescribiría el pasado y el futuro del espacio. Un universo por excelencia no sería destrozado por la
Gran Brecha , sino que se ralentizaría gradualmente y, según la mayoría de los modelos, eventualmente terminaría expandiéndose y contrayéndose en
Great Grip o
Big Bounce .
Steinhardt, un cosmólogo de Princeton y uno de los coautores de Wafa, dice que en los próximos años, "todos los ojos estarán clavados" en los resultados de experimentos como
la observación de energía oscura , un
telescopio infrarrojo de gran alcance y
el telescopio euclidiano , del que quedará claro si densidad de energía oscura "Si queda claro que la imagen es contraria a la quintaesencia", dice Steinhardt, "esto significará que la idea con el pantano es incorrecta, o la teoría de la cuerda es incorrecta, o ambos están equivocados, en general, algo debería estar mal".
La nueva hipótesis del pantano expresa no menos dudas sobre la historia generalmente aceptada del nacimiento del Universo: la teoría del Big Bang y la inflación cósmica. Según esta teoría, una pequeña partícula de espacio-tiempo, que contiene una gran cantidad de energía, se hinchó rápidamente y formó un universo macroscópico en el que vivimos. Esta teoría, entre otras cosas, fue inventada para explicar cómo exactamente el Universo se volvió tan grande, liso y plano.
Pero el hipotético campo inflacionario de energía que supuestamente alimentaría la inflación cósmica no es compatible con la fórmula de Wafa. Para satisfacer esta fórmula, la energía del campo de inflación tuvo que agotarse muy rápidamente para obtener un universo suave y plano, como explicaron él y sus colegas. Por lo tanto, su hipótesis contradice muchos modelos populares de inflación cósmica. En los próximos años, los telescopios como el
Observatorio Simons buscarán los últimos signos de la inflación espacial al comparar esta teoría con otras competidoras.
En este momento, los expertos en teoría de cuerdas, generalmente hablando en un frente unido, no estaban de acuerdo con la hipótesis. Eva Silverstein, profesora de física en la Universidad de Stanford, líder del proyecto en la creación de modelos de inflación de cadenas, cree que es muy probable que esta teoría resulte ser errónea. También su marido, el profesor de Stanford Shamit Kachra; Es la primera letra K en KKLT, el famoso trabajo de 2003, conocido por las iniciales de sus autores, en el que propusieron un conjunto de ingredientes de cadena que se pueden utilizar para crear universos de Sitter. La fórmula de Wafa dice que los diseños de Silverstein y Kachra no funcionarán. "Estas hipótesis han asediado a nuestra familia", bromea Silverstein. Pero desde su punto de vista, los modelos de expansión acelerada no perdieron nada después de la publicación de nuevos trabajos. "Básicamente argumentan que estas cosas no existen, citando resultados analíticos muy limitados y, en algunos casos, dudosos", dice ella.
Matthew Kleban, especialista en teoría de cuerdas y cosmólogo de la Universidad de Nueva York, también está trabajando en modelos de inflación de cuerdas. Él enfatiza que la nueva teoría del pantano es muy especulativa, y es un ejemplo clásico del comportamiento de un borracho que buscaba llaves debajo de una linterna, porque allí era más brillante, ya que la mayor parte del panorama de la teoría de cuerdas aún no se ha estudiado. Pero admite que, según la evidencia existente, la hipótesis puede resultar cierta. "Puede resultar cierto acerca de la teoría de cuerdas, y luego resulta que la teoría de cuerdas no describe el mundo", dice Kleban. Y, tal vez, “la energía oscura lo ha refutado. Y eso obviamente será muy interesante ".
La teoría del pantano de Will de Sitter y los futuros experimentos podrán refutar la teoría de cuerdas, aprenderemos más adelante. Un descubrimiento realizado en la década de 2000 de que la teoría de cuerdas tiene aproximadamente
10,500 soluciones mató la esperanza de que pudiera predecir de manera única e inevitable el futuro de nuestro universo. La teoría parece que puede soportar casi cualquier observación, lo que hace que sea muy difícil verificar o refutar experimentalmente.
En 2005, Wafa y toda una red de coautores comenzaron a reflexionar sobre cómo reducir este número de posibilidades, señalando las propiedades fundamentales de la naturaleza, que en cualquier caso deberían ser ciertas. Por ejemplo, su
teoría de la gravedad débil sugiere que la gravedad debería ser la más débil de las interacciones en cualquier universo lógico. Los universos teóricos que no cumplen con estos requisitos son arrojados del paisaje al pantano. Muchos de estos supuestos pantanosos se adaptaron bien a los argumentos que los atacaron, y algunos "ahora tienen una base muy sólida", dijo Hiroshi Ooguri, físico teórico del Instituto de Tecnología de California, uno de los primeros colegas de Wafa en la hipótesis del pantano. Por ejemplo, la teoría de la gravedad débil ha obtenido tanta evidencia que se cree que generalmente es cierta, independientemente de si la teoría de cuerdas resulta ser una teoría de la gravedad adecuada.
La intuición acerca de dónde termina el paisaje y comienza el pantano se debe a décadas de esfuerzos para construir modelos de cadenas de universos. El principal obstáculo para este proyecto es que la teoría de cuerdas predice la existencia de 10 dimensiones del espacio-tiempo, que es mucho más grande que las cuatro visibles. Los expertos en teoría de cuerdas sugieren que seis dimensiones adicionales deben ser pequeñas, bien plegadas en cada punto. El paisaje está lleno de todas las formas posibles de configurar estas dimensiones adicionales. Pero aunque hay muchas posibilidades, los investigadores, por ejemplo, Wafa, descubrieron la aparición de principios generalizados. Por ejemplo, las mediciones retorcidas tienden a contraerse gravitacionalmente, y los campos como el electromagnético tienden a separar todo. En configuraciones simples y estables, estos efectos se equilibran con la energía negativa del vacío, lo que conduce a la aparición de universos anti-de Sitter. Convertir la energía del vacío en energía positiva es muy difícil. "Por lo general, en física hay ejemplos simples de fenómenos generales", dijo Wafa. "Pero esto no se aplica al modelo de Sitter".
El trabajo de KKLT, patrocinado por Kachra, Renata Kallosh, Andrei Linde y Sandip Trivedi, ofrece trampas de cuerdas como fundentes, instantones y anti-d-branes, que en teoría pueden convertirse en herramientas para ajustar la energía positiva y constante del vacío. Sin embargo, estos diseños son complejos, y a lo largo de los años se han encontrado posibles inestabilidades en ellos. Aunque Kachru dice que no tiene "serias dudas", muchos investigadores han comenzado a sospechar que el script KKLT todavía no produce universos estables de Sitter.
Wafa cree que era hora de realizar una búsqueda concertada de un modelo de un universo de Sitter excepcionalmente estable. Su hipótesis debe enfatizar en primer lugar la importancia de este problema. Desde su punto de vista, los expertos en teoría de cuerdas no sienten la motivación suficiente para determinar si la teoría de cuerdas puede describir nuestro mundo, en lugar de tomar el punto de vista según el cual, dado que el paisaje de cuerdas es enorme, hay espacio para nosotros. Nadie sabe exactamente dónde. "La mayoría de los miembros de la comunidad de la teoría de cuerdas todavía están del lado de la existencia de las construcciones de De Sitter", dice, "ya que todos piensan: Mira, vivimos en un Universo de Sitter con energía positiva; así que mejor buscamos ejemplos de este tipo.
Su hipótesis llevó a la comunidad a tomar medidas, y los investigadores como Vraze comenzaron a buscar contraejemplos de universos estables de Sitter, mientras que otros jugaban con modelos de cuerdas poco exploradas de universos por excelencia. "En cualquier caso, me interesaría saber si la hipótesis es cierta o no", dijo Wafa. - La pregunta es qué debemos hacer. Y podemos lograr progreso solo al encontrar evidencia a favor o en contra de la teoría ”.
Se pueden encontrar más artículos sobre el tema de la ciencia popular en golovanov.net . Suscríbase a las actualizaciones por correo electrónico o RSS . Los artículos también están duplicados en el canal Yandex.Zen .