La teoria de les supercordes, en llenguatge popular, representa l'univers com una col·lecció de fils d'energia vibrants: cordes. Són la base de la natura. La hipòtesi també descriu altres elements: branes. Tota la matèria del nostre món està formada per vibracions de cordes i branes. Una conseqüència natural de la teoria és la descripció de la gravetat. És per això que els científics creuen que és la clau per unificar la gravetat amb altres forces.
Concepte en evolució
La teoria de camps unificats, la teoria de supercadenes, és purament matemàtica. Com tots els conceptes físics, es basa en equacions que es poden interpretar de determinades maneres.
Avui ningú sap exactament quina serà la versió final d'aquesta teoria. Els científics tenen una idea bastant vaga dels seus elements generals, però ningú encara no ha arribat a una equació definitiva que cobreixi totes les teories de supercordes, i experimentalment encara no ha pogut confirmar-la (tot i que tampoc per desmentir-la).. Els físics han creat versions simplificades de l'equació, però fins ara no descriu del tot el nostre univers.
Teoria de supercordes per a principiants
La hipòtesi es basa en cinc idees clau.
- La teoria de les supercordes prediu que tots els objectes del nostre món estan formats per filaments vibrants i membranes d'energia.
- Intenta combinar la relativitat general (gravetat) amb la física quàntica.
- La teoria de les supercordes unificarà totes les forces fonamentals de l'univers.
- Aquesta hipòtesi prediu una nova connexió, la supersimetria, entre dos tipus de partícules fonamentalment diferents, bosons i fermions.
- El concepte descriu una sèrie de dimensions addicionals de l'Univers, normalment no observables.
Cordes i branes
Quan la teoria va sorgir a la dècada de 1970, els fils d'energia que hi havia es consideraven objectes unidimensionals: cordes. La paraula "unidimensional" significa que la cadena només té 1 dimensió, la longitud, a diferència, per exemple, d'un quadrat, que té una longitud i una alçada.
La teoria divideix aquestes supercadenes en dos tipus: tancades i obertes. Una corda oberta té extrems que no es toquen, mentre que una corda tancada és un bucle sense extrems oberts. Com a resultat, es va trobar que aquestes cadenes, anomenades cadenes del primer tipus, estan subjectes a 5 tipus principals d'interaccions.
Les interaccions es basen en la capacitat d'una cadena per connectar i separar els seus extrems. Com que els extrems de les cordes obertes es poden combinar per formar cordes tancades, és impossible construir una teoria de supercordes que no inclogui cordes en bucle.
Això va resultar important, ja que les cordes tancades tenen propietats, creuen els físics, que podrien descriure la gravetat. En altres paraules, científicses va adonar que la teoria de les supercordes, en lloc d'explicar les partícules de la matèria, pot descriure el seu comportament i la seva gravetat.
Després de molts anys, es va descobrir que, a més de les cordes, altres elements són necessaris per a la teoria. Es poden pensar com a llençols o branes. Les cordes es poden connectar a un costat o als dos costats.
Gravetat quàntica
La física moderna té dues lleis científiques principals: la relativitat general (GR) i la quàntica. Representen camps de la ciència completament diferents. La física quàntica estudia les partícules naturals més petites i GR, per regla general, descriu la natura a l'escala dels planetes, les galàxies i l'univers en conjunt. Les hipòtesis que intenten unificar-les s'anomenen teories de la gravetat quàntica. El més prometedor d'ells avui és la cadena.
Els fils tancats corresponen al comportament de la gravetat. En particular, tenen les propietats d'un gravitó, una partícula que transporta la gravetat entre objectes.
Unint forces
La teoria de cordes intenta combinar les quatre forces - electromagnètica, forces nuclears fortes i febles i gravetat - en una sola. Al nostre món, es manifesten com quatre fenòmens diferents, però els teòrics de cordes creuen que a l'univers primerenc, quan hi havia nivells d'energia increïblement alts, totes aquestes forces es descriuen mitjançant cordes que interactuen entre elles.
Supersimetria
Totes les partícules de l'univers es poden dividir en dos tipus: bosons i fermions. Teoria de cordesprediu que hi ha una relació entre ells, anomenada supersimetria. En supersimetria, hi ha d'haver un fermió per a cada bosó i un bosó per a cada fermió. Malauradament, l'existència d'aquestes partícules no s'ha confirmat experimentalment.
La supersimetria és una relació matemàtica entre elements d'equacions físiques. Va ser descobert en una altra àrea de la física i la seva aplicació va portar a canviar el nom de la teoria de cordes supersimètriques (o teoria de supercordes, en llenguatge popular) a mitjans dels anys setanta.
Un dels avantatges de la supersimetria és que simplifica enormement les equacions permetent eliminar algunes variables. Sense supersimetria, les equacions condueixen a contradiccions físiques com ara valors infinits i nivells d'energia imaginaris.
Com que els científics no han observat les partícules predites per la supersimetria, encara és una hipòtesi. Molts físics creuen que la raó d'això és la necessitat d'una quantitat important d'energia, que està relacionada amb la massa per la famosa equació d'Einstein E=mc2. Aquestes partícules podrien haver existit a l'univers primerenc, però a mesura que es va refredar i l'energia es va estendre després del Big Bang, aquestes partícules es van traslladar a nivells d'energia baixos.
En altres paraules, les cordes que vibraven com a partícules d' alta energia van perdre la seva energia, convertint-les en elements de vibració més baixa.
Els científics esperen que les observacions astronòmiques o els experiments amb acceleradors de partícules confirmin la teoria revelant alguns dels elements supersimètrics amb unenergia.
Medes addicionals
Una altra conseqüència matemàtica de la teoria de cordes és que té sentit en un món amb més de tres dimensions. Actualment hi ha dues explicacions per a això:
- Les dimensions addicionals (sis d'elles) s'han col·lapsat o, segons la terminologia de la teoria de cordes, s'han compactat a mides increïblement petites que mai es percebran.
- Estem atrapats a la brana 3D i les altres dimensions s'estenen més enllà d'ella i ens són inaccessibles.
Una línia important d'investigació entre els teòrics és la modelització matemàtica de com aquestes coordenades addicionals podrien estar relacionades amb les nostres. Els últims resultats prediuen que els científics aviat podran detectar aquestes dimensions addicionals (si n'hi ha) en els propers experiments, ja que poden ser més grans del que s'esperava anteriorment.
Comprendre el propòsit
L'objectiu que els científics s'esforcen a l'hora d'explorar les supercadenes és una "teoria de tot", és a dir, una única hipòtesi física que descriu tota la realitat física a un nivell fonamental. Si té èxit, podria aclarir moltes preguntes sobre l'estructura del nostre univers.
Explicació de la matèria i la massa
Una de les principals tasques de la investigació moderna és trobar solucions per a partícules reals.
La teoria de cordes va començar com un concepte que descrivia partícules com ara hadrons en diversos estats de vibració superior d'una corda. En la majoria de les formulacions modernes, la qüestió observada en el nostreunivers, és el resultat de les vibracions de cordes i branes amb la menor energia. Les vibracions més altes generen partícules d' alta energia que actualment no existeixen al nostre món.
La massa d'aquestes partícules elementals és una manifestació de com les cordes i les branes s'emboliquen en dimensions addicionals compactades. Per exemple, en un cas simplificat en què es pleguen en forma de donut, anomenat torus pels matemàtics i físics, una corda pot embolicar aquesta forma de dues maneres:
- bucle curt pel mig del torus;
- un bucle llarg al voltant de tota la circumferència exterior del torus.
Un bucle curt serà una partícula lleugera i un bucle gran serà pesat. Enrotllar les cordes al voltant de dimensions compactades toroidals produeix nous elements amb diferents masses.
La teoria de les supercordes explica de manera concisa i clara, senzilla i elegant la transició de la longitud a la massa. Les dimensions plegades aquí són molt més complicades que el torus, però en principi funcionen de la mateixa manera.
Fins i tot és possible, tot i que difícil d'imaginar, que la corda s'embolica al voltant del torus en dues direccions alhora, donant lloc a una partícula diferent amb una massa diferent. Les branes també poden embolicar dimensions addicionals, creant encara més possibilitats.
Determinació de l'espai i el temps
En moltes versions de la teoria de les supercordes, les dimensions es col·lapsen, fent-les inobservables al nivell actual de desenvolupament tecnològic.
Actualment no està clar si la teoria de cordes pot explicar la naturalesa fonamental de l'espai i el tempsmés que Einstein. En ell, les mesures són el rerefons per a la interacció de les cordes i no tenen un significat real independent.
S'han ofert explicacions, no desenvolupades completament, sobre la representació de l'espai-temps com a derivat de la suma total de totes les interaccions de cordes.
Aquest enfocament no s'ajusta a les idees d'alguns físics, la qual cosa va portar a crítiques a la hipòtesi. La teoria competitiva de la gravetat quàntica de bucle utilitza la quantificació de l'espai i el temps com a punt de partida. Alguns creuen que acabarà sent només un enfocament diferent de la mateixa hipòtesi bàsica.
Quantització de la gravetat
El principal assoliment d'aquesta hipòtesi, si es confirma, serà la teoria quàntica de la gravetat. La descripció actual de la gravetat en la relativitat general és incompatible amb la física quàntica. Aquest últim, en imposar restriccions al comportament de les partícules petites, provoca contradiccions quan s'intenta explorar l'Univers a una escala extremadament petita.
Unificació de forces
Actualment, els físics coneixen quatre forces fonamentals: la gravetat, l'electromagnètica, les interaccions nuclears febles i fortes. De la teoria de cordes es dedueix que tots van ser una vegada manifestacions d'un.
Segons aquesta hipòtesi, des que l'univers primerenc es va refredar després del big bang, aquesta interacció única va començar a dividir-se en diferents que estan actives avui dia.
Els experiments d' alta energia ens permetran algun dia descobrir la unificació d'aquestes forces, encara que aquests experiments van molt més enllà del desenvolupament actual de la tecnologia.
Cinc opcions
Després de la revolució de les supercordes el 1984, el desenvolupament es va dur a terme a un ritme febril. Com a resultat, en lloc d'un concepte, n'hi havia cinc, anomenats tipus I, IIA, IIB, HO, HE, cadascun dels quals descrivia gairebé completament el nostre món, però no completament.
Els físics, classificant les versions de la teoria de cordes amb l'esperança de trobar una fórmula universal veritable, han creat 5 versions autosuficients diferents. Algunes de les seves propietats reflectien la realitat física del món, d' altres no corresponien a la realitat.
Teoria-M
En una conferència l'any 1995, el físic Edward Witten va proposar una solució audaç al problema de les cinc hipòtesis. A partir de la dualitat recentment descoberta, tots es van convertir en casos especials d'un únic concepte general, anomenat teoria M de supercordes de Witten. Un dels seus conceptes clau eren les branes (abreviatura de membrana), objectes fonamentals amb més d'1 dimensió. Tot i que l'autor no va oferir una versió completa, que encara no està disponible, la teoria M de les supercordes consta breument de les característiques següents:
- 11-dimensió (10 dimensió espacial més 1 dimensió temporal);
- dualitats que porten a cinc teories que expliquen la mateixa realitat física;
- branes són cordes amb més d'1 dimensió.
Les
Conseqüències
Com a resultat, en comptes d'una, hi havia 10500 solucions. Per a alguns físics, això va provocar una crisi, mentre que d' altres van acceptar el principi antròpic, que explica les propietats de l'univers per la nostra presència en ell. Caldrà veure quan els teòrics en trobaran un altreforma d'orientació en la teoria de supercordes.
Algunes interpretacions suggereixen que el nostre món no és l'únic. Les versions més radicals permeten l'existència d'un nombre infinit d'univers, alguns dels quals contenen còpies exactes de les nostres.
La teoria d'Einstein prediu l'existència d'un espai enrotllat, que s'anomena forat de cuc o pont Einstein-Rosen. En aquest cas, dos llocs distants estan connectats per un curt passatge. La teoria de supercordes permet no només això, sinó també la connexió de punts distants de mons paral·lels. Fins i tot és possible fer la transició entre universos amb diferents lleis de la física. Tanmateix, és probable que la teoria quàntica de la gravetat faci impossible la seva existència.
Molts físics creuen que el principi hologràfic, quan tota la informació continguda en el volum de l'espai es correspon amb la informació registrada a la seva superfície, permetrà una comprensió més profunda del concepte de fils d'energia.
Alguns creuen que la teoria de les supercordes permet múltiples dimensions de temps, cosa que podria provocar un viatge a través d'elles.
A més, en el marc de la hipòtesi, existeix una alternativa al model del big bang, segons el qual el nostre univers va aparèixer com a conseqüència d'un xoc de dues branes i passa per cicles repetits de creació i destrucció.
El destí final de l'univers sempre ha ocupat els físics, i la versió final de la teoria de cordes ajudarà a determinar la densitat de la matèria i la constant cosmològica. Coneixent aquests valors, els cosmòlegs poden determinar si l'univers ho faràreduir-se fins que exploti per començar de nou.
Ningú sap on pot conduir una teoria científica fins que no es desenvolupi i es prova. Einstein, escrivint l'equació E=mc2, no esperava que conduís a l'aparició d'armes nuclears. Els creadors de la física quàntica no sabien que es convertiria en la base per crear un làser i un transistor. I tot i que encara no se sap a què portarà un concepte tan purament teòric, la història demostra que segurament sortirà alguna cosa excepcional.
Per obtenir més informació sobre aquesta conjectura, vegeu la Teoria de supercordes per a maniquís d'Andrew Zimmerman.
