Física

¿Es posible una teoría de todo? Éstos son algunos de los candidatos más interesantes

¿Es posible una teoría de todo? Éstos son algunos de los candidatos más interesantes


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¿Y si aparecieran extraterrestres hoy? Tampoco cualquier grupo de alienígenas común y corriente. Estamos hablando de un grupo de criaturas muy inteligentes que han descifrado todos los misterios que guarda nuestro universo. Estos supuestos extraterrestres sabrían todo sobre la naturaleza de la realidad. Si intentaran explicar estas ideas, ¿crees que los humanos podrían entenderlas? Mejor aún, ¿nuestras principales ideas científicas se alinearían con lo que los extraterrestres tienen que decir? Con nuestra comprensión actual del universo, ¿qué tan cerca estaríamos?

La mayoría de los físicos le dirían que estamos en el camino correcto, pero aún tenemos algunos avances por hacer. En la búsqueda incesante de la humanidad por comprender nuestra realidad, hemos creado teorías comprobables y asombrosamente precisas que explican los eventos que suceden en una escala inimaginablemente pequeña y en un universo infinitamente expansivo. Sin embargo, los marcos matemáticos actuales que explican lo colosal y lo minúsculo no están de acuerdo entre sí. Durante el siglo pasado, los principales físicos han depositado sus esperanzas en el siempre tan esquivo teoría de campo unificado o teoría del todo (TOE). Pero, ¿deberían?

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En física de partículas, una teoría de campo unificado, o gran teoría unificada, es un intento de describir todas las fuerzas fundamentales y las relaciones entre partículas elementales en términos de un marco teórico único.

A mediados del siglo XIX, James Clerk Maxwell formuló la primera teoría de campo en su teoría del electromagnetismo, que demostró la relación entre las fuerzas de la electricidad y el magnetismo. Luego, a principios del siglo XX, Albert Einstein desarrolló la relatividad general, una teoría de campo de la gravitación. Más tarde, Einstein y otros intentaron construir una teoría de campo unificado que incorporaba tanto el electromagnetismo como la gravedad como aspectos diferentes de un solo campo fundamental.

Algunos investigadores dicen que una teoría unificada está persiguiendo a un unicornio. Sin embargo, una mayoría vocal, incluido Einstein, cree que es posible cerrar la brecha entre la fuerza electromagnética, las fuerzas nucleares fuertes y débiles y la gravedad.

Como escribió el cosmólogo y físico de partículas John Barrow de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido: "Encontrar una teoría del todo es bastante concebible. Las leyes de la naturaleza son bastante pocas, son simples y simétricas, y solo hay cuatro fuerzas fundamentales . " Sin embargo, nos estamos adelantando. Quizás se pregunte qué es exactamente una teoría del todo.

¿Por qué necesitamos una gran teoría unificada?

El universo y todo lo que hay en él se mantienen unidos por cuatro fuerzas fundamentales; la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y débil, y la gravedad. Las primeras tres fuerzas forman el modelo estándar de la física de partículas, que es el mundo de la mecánica cuántica en pocas palabras. Probablemente esté familiarizado con algunos aspectos del mundo cuántico, como el entrelazamiento cuántico y el principio de incertidumbre. La gravedad es la oveja negra de esta familia de fuerzas, caminando como un niño rebelde, dificultando mucho las cosas para todos.

La fuerza gravitacional explica el comportamiento de todas las cosas con masa o energía. En 1915, Albert Einstein propuso su teoría general de la relatividad, que describe la gravedad no como una fuerza, sino como una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo causada por la distribución desigual de la masa.

Sin embargo, las cosas (principalmente matemáticas) se desmoronan cuando se aplican juntas la mecánica cuántica y la relatividad. Una teoría del todo uniría todo, matemáticamente y, con suerte, en una teoría bellamente unificada. Sin embargo, esto es inmensamente difícil. Aunque nuestra comprensión de la física se ha expandido desde las contribuciones de Einstein (es decir, fuerzas nucleares fuertes y débiles).

Como el famoso físico le dijo una vez a un estudiante: "Quiero saber cómo Dios creó este mundo. No me interesa tal o cual fenómeno, en el espectro de tal o cual elemento. Quiero conocer sus pensamientos; el resto son solo detalles ". Entonces, ¿cuánto más cerca estamos de conocer la mente de Dios? Bueno, depende de a quién se le pregunte. Hay múltiples candidatos para una teoría del todo, cada uno con sus propias peculiaridades, pero cada uno de ellos es igualmente alucinante. Para este artículo, nos centraremos en las ideas centrales de estas teorías. Vamos a empezar.

Teoría de cuerdas: un multiverso vibrante

La teoría de cuerdas es probablemente uno de los candidatos más sólidos de nuestra lista, ya que es una de las teorías potenciales más exploradas de todo. Es posible que haya oído hablar de él antes en la cultura pop, o quizás tenga un amigo al que le encanta hablar de eso cuando está borracho.

Sin embargo, el mundo de la teoría de cuerdas es un agujero de conejo profundo que puede derretir un poco el cerebro. La teoría de cuerdas postula que las partículas son en realidad cuerdas unidimensionales que vibran a un nivel muy básico.

Según la teoría de cuerdas, estas cuerdas vibran a diferentes niveles, lo que determina los tipos y propiedades de las partículas, como la masa y la carga. Pero, para que esta teoría funcione matemáticamente, es necesario incluir en la ecuación dimensiones espaciales adicionales que los humanos no pueden experimentar directamente.

Aunque radical, la idea es un enfoque elegante a los enigmas mencionados anteriormente. Sin embargo, existen múltiples problemas con la teoría de cuerdas. Vamos a centrarse en dos grandes.

En primer lugar, la teoría de cuerdas es solo eso, "una teoría", y los teóricos están teniendo dificultades para encontrar formas de probar adecuadamente esta idea, y algunos físicos llegan a decir que la teoría de cuerdas es pseudociencia. Esto puede cambiar muy pronto. Físicos destacados de instituciones como la Universidad de Harvard y la Universidad de Stony Brook creen que la clave para construir un TOE sobre la teoría de cuerdas gira en torno al concepto de inflación.

Se cree que la inflación jugó un papel importante en los primeros momentos del Big Bang, explicando por qué el universo tiene el aspecto que tiene y por qué pasó por una fase de expansión extrema. Si eventualmente se puede hacer que la teoría de cuerdas explique la inflación, puede estar un paso más cerca de convertirse en la gran teoría unificada que hemos estado buscando durante todos estos años. Sin embargo, esto nos lleva a nuestro próximo número.

Por el momento, hay demasiadas variantes de la teoría. Los físicos han intentado unificar múltiples ideas de la teoría de cuerdas, creando un marco más general denominado teoría M. Sin embargo, la teoría M simplemente abre las puertas a 10 ^ 500 universos. Algunos creen que esto podría ser una prueba de que existen múltiples universos, o que la teoría no es comprobable. La teoría de cuerdas parece tener un largo camino por recorrer antes de que la comunidad científica pueda adoptarla.

Loop Quantum Gravity: un universo trenzado

La gravedad cuántica de bucles o LQG es actualmente uno de los mayores competidores de la teoría de cuerdas por el título de "teoría del todo". La idea general de la gravedad cuántica de bucles es que el espacio no es continuo, sino que está dividido en pequeños trozos o cuantos: campos gravitacionales sobre 10 ^ -35 metros de ancho. Estos cuantos de espacio se conectan luego mediante vínculos para formar el espacio que experimentamos. Cuando estos eslabones se enredan en "trenzas" y "nudos", producen partículas elementales. LQG tiene algunas afirmaciones audaces, incluida la descripción de cómo se pudo haber formado el universo después del colapso de un universo anterior. A diferencia de la teoría de cuerdas, LQG no introduce dimensiones adicionales y no intenta unificar todas las fuerzas. La teoría podría usarse para explicar algunas grandes ideas del mundo real y ayudar a aclarar el comienzo de nuestro universo.

Sin embargo, la mayoría de las versiones de la gravedad cuántica de bucles luchan por incorporar la gravedad y, de hecho, algunas ni siquiera lo intentan. En cambio, hacen un esfuerzo por cuantificar el campo gravitacional mientras se mantiene separado de las otras fuerzas.

Grafidad cuántica: las cosas se están poniendo un poco radicales

Este es el punto de la lista donde las cosas comienzan a ponerse un poco raras, yendo más allá de la ciencia convencional hacia áreas más marginales de la ciencia o experimentos mentales completos. Fotini Markopoulou y sus colegas del Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo, Ontario, Canadá, tienen como objetivo arrojar por la ventana muchas suposiciones universales en su búsqueda para encontrar una teoría del todo. Apodado Quantum Graphity, Markopoulou cree que cuando el universo se formó en el Big Bang, el espacio no existía como lo conocemos.

Según esta teoría, el universo tal como lo conocemos fue una vez una red abstracta de "nodos" del espacio. Cada nodo estaba conectado entre sí. Sin embargo, poco después del Big Bang, el universo colapsó, creando los principios que gobiernan nuestra realidad hoy.

LOS INVESTIGADORES UTILIZAN LAS IDEAS DE RICHARD FEYNMAN PARA DESARROLLAR UNA 'TEORÍA DE TODO' EN FUNCIONAMIENTO

Gravedad cuántica de Einstein: gravedad hasta un punto

Uno de los mayores problemas al conectar la gravedad con el mundo de la mecánica cuántica es lo que le sucede a la gravedad en escalas muy pequeñas. Las cosas se ponen un poco raras. Los modelos actuales que tenemos sugieren que la gravedad es una fuerza muy débil. Los mismos modelos también le harían creer que cuanto más cerca están dos objetos, más fuerte es la atracción gravitacional entre ellos. Pero esto se rompe a nivel cuántico. La gravedad cuántica de Einstein podría ser una posible explicación de este acertijo y otro candidato para una teoría del todo. Propuesta por Martin Reuter de la Universidad de Mainz, Alemania, esta idea podría abrir las puertas a una teoría cuántica de la gravedad.

E8: Una de las teorías más hermosas de toda la ciencia.

El artículo de Garrett Lisi "Una teoría del todo excepcionalmente simple" es controvertido, elegante y hermoso. Según la teoría E8 del físico, el 248 dimensiones El objeto matemático anterior es la clave para comprender el universo. La teoría potencial de todo el físico y el surfista se puede resumir con un grupo de mentiras E8. Lisi creó esta estructura graficando las partículas fundamentales de una tabla que marca la fuerza electro-débil, la hipercarga y las cargas en el campo de Higgs. Después de trazar todas estas partículas en un gráfico 3D, este complejo patrón matemático de ocho dimensiones emergió con 248 puntos. Nuevamente, cada uno de estos puntos son partículas fundamentales con diferentes propiedades.

Aquí es donde las cosas se ponen interesantes. Hay un puñado de partículas en el diagrama con propiedades específicas que "faltan". Esto significa que podemos probar y buscar partículas con estas propiedades específicas. Más aún, se cree que estas partículas se correlacionarían con la gravedad que cierra nuestra brecha de relatividad cuántica y general. Por supuesto, esta teoría debe tomarse con un grano de sal, e incluso Lisi todavía cree que la idea necesita algo de trabajo. Sin embargo, cree que tiene más posibilidades de ser una teoría de todo que la teoría de cuerdas. Disparos.

¿Pseudociencia? ¿Necesitamos una gran teoría unificada?

Como probablemente habrá notado, muchas de estas teorías flotan al margen de la ciencia. Incluso nuestro candidato más prometedor, la teoría de cuerdas, todavía lucha por encontrar formas prácticas de ser probado. Una gran teoría unificadora se basa en el supuesto de que la naturaleza tiene una solución matemática elegante y simétrica a los principios que gobiernan nuestra realidad. Sin embargo, la ciencia nos muestra una y otra vez que esto rara vez es así. En un artículo para Nautilo, Sabine Hossenfelder, investigadora del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, la investigadora afirmó que "toda esta idea de una teoría del todo se basa en una premisa no científica".

"Esta simplemente no es una buena estrategia para desarrollar teorías científicas, y no, ciertamente no es una metodología estándar. De hecho, es todo lo contrario. Depender de la belleza en el desarrollo de teorías históricamente ha funcionado mal".

A veces, la teoría de todo parece ser tan esquiva como un Pokémon brillante y tan mítica como un unicornio. ¿Crees que alguna de las teorías anteriores explicará la naturaleza de la realidad? ¿O todavía nos queda un largo camino por recorrer? ¿Qué otras ideas o enfoques deberíamos considerar?


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