La física busca el futuro

By: economist.com

Awise proverb sugiere no poner todos los huevos en una canasta. Sin embargo, durante las últimas décadas, los físicos no han seguido esa sabiduría. El siglo XX —y, ​​de hecho, el XIX antes— fueron períodos de triunfo para ellos. Transformaron la comprensión del universo material y, por lo tanto, la capacidad de las personas para manipular el mundo que les rodea. La modernidad no podría existir sin los conocimientos adquiridos por los físicos durante esos dos siglos.

A cambio, el mundo les ha regalado juguetes caros para jugar. El más reciente de ellos, el Gran Colisionador de Hadrones (lhc ), que ocupa un túnel de 27 km de circunferencia cerca de Ginebra y costó $ 6 mil millones, abrió sus puertas en 2008. Rápidamente encontró una partícula elemental predicha desde hace mucho tiempo, el bosón de Higgs, que era una resaca de los cálculos realizados en la década de 1960. Luego se embarcó en su propósito real, buscar un fenómeno llamado supersimetría.

Esta teoría, ideada en la década de 1970 y conocida como Susy para abreviar, es la canasta que lo contiene todo en la que se han colocado los huevos de la física de partículas hasta hace poco tiempo. Por sí mismo, eliminaría muchas suposiciones matemáticas arbitrarias necesarias para el correcto funcionamiento de lo que se conoce como el modelo estándar de física de partículas. Pero también es la vanguardia de una hipótesis más profunda, la teoría de cuerdas, que pretende sintetizar el modelo estándar con la teoría general de la relatividad de Einstein. La teoría de Einstein explica la gravedad. El Modelo Estándar explica las otras tres fuerzas fundamentales — electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte — y sus partículas asociadas. Ambos describen bien sus provincias particulares de la realidad. Pero no se conectan entre sí. La teoría de cuerdas los conectaría y, por lo tanto, proporcionaría la llamada “teoría del todo”.

Cosas impulsadas por cuerdas

La teoría de cuerdas propone que el universo está compuesto por minúsculos objetos que vibran a la manera de las cuerdas de un instrumento musical. Como tales cuerdas, tienen frecuencias de resonancia y armónicos. Estos diversos modos vibracionales, sostienen los teóricos de cuerdas, corresponden a varias partículas fundamentales. Tales partículas incluyen todas las ya observadas como parte del Modelo Estándar, las partículas adicionales predichas por Susy, que postula que la fragilidad matemática del Modelo Estándar desaparecerá si cada una de las partículas de ese modelo tiene una partícula asociada “supersimétrica” ​​más pesada, o ” espartícula ”, y también partículas llamadas gravitones, que son necesarias para vincular la fuerza de la gravedad a cualquier teoría unificada, pero que la relatividad no predice.

Pero, sin Susy, sin teoría de cuerdas. Y, 13 años después de la apertura del lhc , no han aparecido espartículas. Incluso dos resultados aún inexplicables anunciados a principios de este año (uno del lhc y otro de una máquina más pequeña) no ofrecen evidencia que apoye directamente a Susy. Por tanto, a muchos físicos les preocupa haber estado en una persecución inútil.

Tienen buenas razones para estar nerviosos. La teoría de cuerdas ya viene con un precio conceptual perturbador: el de agregar seis (o en una versión siete) dimensiones adicionales al universo, además de las cuatro familiares (tres del espacio y una del tiempo). También describe alrededor de 10 ⁵⁰⁰universos posibles, solo uno de los cuales coincide con el universo en el que viven los seres humanos. Aceptar todo eso es lo suficientemente desafiante. Sin embargo, sin Susy, la teoría de cuerdas se vuelve loca. El número de dimensiones aumenta a 26. La teoría también pierde la capacidad de describir la mayoría de las partículas del Modelo Estándar. E implica la existencia de cosas extrañas como partículas llamadas taquiones que se mueven más rápido que la luz y, por lo tanto, son incompatibles con la teoría de la relatividad. Sin Susy, la teoría de cuerdas parece casi muerta como teoría del todo. Lo cual, si es cierto, despeja el campo para las teorías de todo sin cuerdas.

Hay que reconocer que los nombres de muchos de ellos torturan el idioma inglés. Incluyen la “triangulación dinámica causal”, la “gravedad asintóticamente segura”, la “gravedad cuántica de bucle” y la “formulación amplituedro de la teoría cuántica”. Pero en este momento, el favorito de los corredores de apuestas para unificar la relatividad y el modelo estándar es algo llamado “gravedad entrópica”.

Aquí hay monstruos

La entropía es una medida del desorden de un sistema. Es famoso que la segunda ley de la termodinámica afirma que aumenta con el tiempo (es decir, las cosas tienden a complicarse más a medida que envejecen). Lo que eso tiene que ver con una teoría de la gravedad, y mucho menos con todo, quizás no sea inmediatamente obvio. Pero el vínculo son los agujeros negros. Estos son objetos que tienen campos gravitacionales tan fuertes que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Son predichos por las matemáticas de la relatividad general. Y aunque Einstein se mantuvo escéptico sobre su existencia real hasta el día de su muerte en 1955, las observaciones posteriores han demostrado que son reales. Pero no son negros.

En 1974, Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge, demostró que los efectos cuánticos en el límite de un agujero negro le permiten irradiar partículas, especialmente fotones, que son las partículas de radiación electromagnética, incluida la luz. Esto tiene consecuencias peculiares. Los fotones transportan calor radiante, por lo que algo que los emite tiene temperatura. Y, a partir de su temperatura y masa, es posible calcular la entropía de un agujero negro. Esto es importante porque, cuando todas estas variables se conectan a la primera ley de la termodinámica, que establece que la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede transformar de una forma (digamos, calor) a otra (digamos, trabajo mecánico), lo que surge son las ecuaciones de la relatividad general de Einstein.

Esa relación fue descubierta en 2010 por Erik Verlinde de la Universidad de Amsterdam. Tiene serias implicaciones. Las leyes de la termodinámica se basan en la mecánica estadística. Implican propiedades (temperatura, entropía, etc.) que surgen de descripciones probabilísticas del comportamiento de las partículas subyacentes involucradas. Estas son también las partículas descritas por la mecánica cuántica, la teoría matemática que sustenta el Modelo Estándar. Que las ecuaciones de Einstein se puedan reescribir termodinámicamente implica que el espacio y el tiempo también son propiedades emergentes de esta imagen microscópica más profunda. Por tanto, las formas existentes de la mecánica cuántica y la relatividad parecen, en principio, derivables de alguna teoría más profunda que describe la estructura subyacente del universo.

La teoría de cuerdas no es tan derivable. Las cadenas no son entidades suficientemente fundamentales. Pero la gravedad entrópica pretende describir la naturaleza misma del espacio y el tiempo, o, para usar la terminología einsteiniana, el “espacio-tiempo”. Afirma que esto está tejido a partir de filamentos de “entrelazamiento cuántico” que une cada partícula del cosmos.

La idea del entrelazamiento cuántico, otro fenómeno despreciado por Einstein que resultó ser cierto, se remonta a 1935. Es que las propiedades de dos o más objetos pueden correlacionarse (“entrelazarse”) de una manera que significa que no pueden describirse de forma independiente. Esto conduce a efectos extraños. En particular, significa que dos partículas entrelazadas pueden parecer influir en el comportamiento de la otra instantáneamente incluso cuando están muy separadas. Einstein denominó a esta “acción espeluznante a distancia”, porque parece violar la premisa de la teoría de la relatividad de que, en la velocidad de la luz, el universo tiene un límite de velocidad.

Al igual que con los agujeros negros, Einstein no vivió lo suficiente como para darse cuenta de que estaba equivocado. Sin embargo, los experimentos han demostrado que sí. El entrelazamiento es real y no viola la relatividad porque, aunque la influencia de una partícula sobre otra puede ser instantánea, no hay forma de utilizar el efecto para transmitir información más rápido que la velocidad de la luz. Y, en los últimos cinco años, Brian Swingle de la Universidad de Harvard y Sean Carroll del Instituto de Tecnología de California han comenzado a construir modelos de lo que las ideas del Dr. Verlinde podrían significar en la práctica, utilizando ideas de la teoría de la información cuántica. Su enfoque emplea bits de información cuántica (los llamados “qubits”) para reemplazar las partículas entrelazadas. El resultado es un análogo simple pero informativo del espacio-tiempo.

Los qubits, el equivalente cuántico de los bits clásicos, los unos y los ceros sobre los que se construye la computación regular, resultarán familiares para quienes sigan el campo de la computación cuántica. Son la base de la teoría de la información cuántica. Dos propiedades distinguen a los qubits del ordenamiento regular. Primero, se pueden colocar en un estado de “superposición”, representando tanto un uno como un cero al mismo tiempo. En segundo lugar, varios qubits pueden enredarse. Juntas, estas propiedades permiten que las computadoras cuánticas realicen hazañas como realizar múltiples cálculos a la vez o completar ciertas clases de cálculo en una cantidad de tiempo razonable, que son difíciles o imposibles para una computadora normal.

Y debido a su enredo, los qubits también pueden, según el Dr. Swingle y el Dr. Carroll, usarse como sustitutos de cómo funciona la realidad. Los qubits entrelazados más estrechamente representan partículas en puntos en el espacio-tiempo que están más cerca entre sí. Hasta ahora, las computadoras cuánticas son un trabajo en progreso, este modelado solo se puede hacer con representaciones matemáticas de qubits. Sin embargo, estos parecen obedecer las ecuaciones de la relatividad general. Eso apoya las afirmaciones de la teoría de la gravedad entrópica.

Ponga a su analista en dinero peligroso

Todo este modelado coloca la gravedad entrópica en posición polar para reemplazar las cuerdas como la teoría del todo tan buscada. Pero la idea de que el espacio-tiempo es una propiedad emergente del universo en lugar de ser fundamental para él tiene una consecuencia inquietante. Desdibuja la naturaleza de la causalidad.

En la imagen construida por la gravedad entrópica, el espacio-tiempo es una superposición de múltiples estados. Es esto lo que enturbia la causalidad. La rama de las matemáticas que mejor describe el espacio-tiempo es una forma de geometría que tiene cuatro ejes en ángulos rectos entre sí en lugar de los tres más familiares. El cuarto representa el tiempo, por lo que, al igual que la posición de los objetos, el orden de los eventos en el espacio-tiempo se determina geométricamente. Si se superponen diferentes arreglos geométricos, como lo requiere la gravedad entrópica, puede ocurrir que las afirmaciones “A causa B” y “B causa A” sean ambas verdaderas.

Esto no es mera especulación. En 2016 Giulia Rubino de la Universidad de Bristol, en Inglaterra, construyó un experimento con fotones polarizados y prismas que logró exactamente eso. Esto supone un problema para aquellos que tienen nociones anticuadas sobre la naturaleza de la causalidad.

Sin embargo, Lucien Hardy del Perimeter Institute, en Canadá, ha descubierto una forma de reformular las leyes de la mecánica cuántica para evitar esto. En su opinión, la causalidad, como se percibe comúnmente, es como la compresión de datos en la informática: es un concepto que le da más por su inversión. Con un poco de información sobre el presente, la causalidad puede inferir mucho sobre el futuro, comprimiendo la cantidad de información necesaria para capturar los detalles de un sistema físico en el tiempo.

Pero la causalidad, piensa el Dr. Hardy, puede no ser la única forma de describir tales correlaciones. En cambio, ha inventado un método general para construir descripciones de patrones en correlaciones desde cero. Este método, al que denomina “marco causaloide”, tiende a reproducir la causalidad pero no la asume, y lo ha utilizado para reformular tanto la teoría cuántica (en 2005) como la relatividad general (en 2016). Las matemáticas causaloides no son una teoría de todo. Pero existe una buena posibilidad de que, si se encuentra tal teoría, se necesitarán principios causaloides para describirla, al igual que la relatividad general necesitaba una geometría de cuatro dimensiones para describir el espacio-tiempo.

Amplitud modulada

La gravedad entrópica tiene, entonces, mucho trabajo conceptual de trabajo pesado para respaldarla. Pero no es el único candidato para reemplazar la teoría de cuerdas. Otros que pugnan por llamar la atención incluyen un antiguo competidor llamado gravedad cuántica de bucles, propuesto originalmente en 1994 por Carlo Rovelli, entonces en la Universidad de Pittsburgh, y Lee Smolin, del Perimeter Institute. Esto, y la triangulación dinámica causal, una idea más reciente pero similar, sugieren que el espacio-tiempo no es el tejido liso que afirma la relatividad general, sino que, más bien, tiene una estructura, ya sea bucles o triángulos elementales, según cuál de las dos teorías apoyas. .

Una tercera opción, la gravedad asintóticamente segura, se remonta aún más, a 1976. Fue sugerida por Steven Weinberg, uno de los arquitectos principales del Modelo Estándar. Una forma natural de desarrollar una teoría de la gravedad cuántica es agregar gravitones al modelo. Desafortunadamente, este enfoque no llegó a ninguna parte, porque cuando las interacciones de estas partículas putativas se calcularon a energías más altas, las matemáticas parecieron volverse absurdas. Sin embargo, Weinberg, quien murió en julio, argumentó que este aparente colapso desaparecería (en matemáticas, los cálculos serían “asintóticamente seguros”) si se usaran máquinas lo suficientemente potentes para hacer los cálculos. Y, con el reciente advenimiento de supercomputadoras de tal poder, parece, a partir de los primeros resultados, que podría haber tenido razón.

Sin embargo, uno de los competidores más intrigantes de la gravedad entrópica es la formulación amplituedro de la teoría cuántica. Esto fue introducido en 2013 por Nima Arkani-Hamed del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton y Jaroslav Trnka de la Universidad de California, Davis. Han encontrado una clase de estructuras geométricas denominadas amplituedros, cada una de las cuales codifica los detalles de una posible interacción cuántica. Éstos, a su vez, son facetas de un amplituedro “maestro” que codifica todos los tipos posibles de procesos físicos. Por tanto, es posible reformular toda la teoría cuántica en términos del amplituedro.

La mayoría de los intentos de una teoría del todo tratan de encajar la gravedad, que Einstein describe geométricamente, en la teoría cuántica, que no se basa en la geometría de esta manera. El enfoque del amplituedro hace lo contrario, al sugerir que la teoría cuántica es en realidad profundamente geométrica después de todo. Mejor aún, el amplituedro no se basa en nociones de espacio-tiempo, ni siquiera en mecánica estadística. En cambio, estas ideas surgen naturalmente de él. Entonces, si bien el enfoque del amplituedro aún no ofrece una teoría completa de la gravedad cuántica, ha abierto un camino intrigante que puede conducir a una.

Que el espacio, el tiempo e incluso la causalidad son propiedades emergentes en lugar de fundamentales del cosmos, son ideas radicales. Pero este es el punto. La relatividad general y la mecánica cuántica, las revoluciones de la física del siglo XX, se consideraron profundas precisamente porque derrocaron el sentido común. Aceptar la relatividad significaba abandonar una noción universal de tiempo y espacio. Tomar en serio la mecánica cuántica significaba sentirse cómodo con ideas como el entrelazamiento y la superposición. Adoptar la gravedad entrópica o sus alternativas requerirá hazañas de imaginación similares.

Sin embargo, ninguna teoría vale un carajo sin datos. Ese, después de todo, es el problema con la supersimetría. Trabaja como el Dr. Rubino señala el camino. Pero algo de un laboratorio de física de partículas también sería bienvenido. Y, aunque su significado es oscuro, en los últimos meses se han visto dos fisuras inducidas experimentalmente en el Modelo Estándar.

El 23 de marzo, un equipo del cern , la organización que dirige el lhc , informó de una diferencia inesperada en el comportamiento entre los electrones y sus primos más pesados, los muones. Estas partículas no se diferencian entre sí en propiedades conocidas, excepto en sus masas, por lo que el modelo estándar predice que cuando otras partículas se desintegran en ellas, las dos deben producirse en igual número. Pero esto parece no ser cierto. Los resultados provisionales del lhc sugieren que un tipo de partícula llamada b-meson tiene más probabilidades de desintegrarse en un electrón que en un muón. Eso sugiere que en el Modelo Estándar falta una fuerza fundamental aún no descrita. Luego, el 7 de abril, Fermilab, la instalación de física de partículas más grande de Estados Unidos, anunció los resultados provisionales de su propio experimento de muones, Muon g-2.

En el mundo cuántico, no existe el vacío perfecto. En cambio, una espuma de partículas aparece y desaparece constantemente en todas partes en el espacio-tiempo. Se trata de partículas “virtuales” en lugar de “reales”, es decir, son fluctuaciones transitorias que surgen directamente de la incertidumbre cuántica. Pero, aunque son de corta duración, durante los breves períodos de su existencia todavía tienen tiempo para interactuar con tipos de materia más permanentes. Son, por ejemplo, la fuente de radiación de agujero negro predicha por Hawking.

El modelo estándar predice la fuerza de sus interacciones con tipos de materia más convencionales que los agujeros negros, y para probar estas predicciones, Muon g-2 dispara muones en círculos alrededor de un poderoso anillo superconductor de almacenamiento magnético. La espuma cuántica cambia la forma en que se bambolean los muones, que los detectores pueden captar con una precisión increíble. El experimento Muon g-2 sugiere que las interacciones que causan estos bamboleos son ligeramente más fuertes de lo que predice el Modelo Estándar. Si se confirma, esto significaría que al modelo le faltan una o más partículas elementales.

Grietas del amanecer

Existe una pequeña posibilidad de que estas sean las espartículas ausentes. Si es así, serán los partidarios de la supersimetría quienes se rían por última vez. Pero nada apunta en esta dirección y, habiendo fracasado hasta ahora en defender sus ideas, se mantienen sensiblemente callados.

Cualesquiera que sean las causas de estos dos resultados, sí muestran que hay algo por ahí que las explicaciones establecidas no pueden explicar. Anomalías igualmente inexplicables fueron puntos de partida tanto para la teoría cuántica como para la relatividad. Por lo tanto, parece posible que lo que parecía uno de los períodos más oscuros de la física esté a punto de brillar en una nueva mañana.