Es la idea más revolucionaria que apareció en la física de acuerdo con la teoría de la relatividad y la teoría de las cantidades. ¿Pero es sincero?

Artículo de Profe.Eduard Witten (1987)

Desde Isaac Newton hasta Albert Einstein y Niels Bohr, las sommies de la física teórica han tratado de encontrar vínculos entre las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Hoy, Edward Witten es un promotor importante de una de las soluciones más prometedoras y controvertidas de este problema, la teoría de las cuerdas, una representación matemática de un universo construido no a partir de partículas similares a las bolas billard, sino de pequeñas cadenas circulares que vibran en diez dimensiones.

Si es correcto, esta teoría posee el potencial de proporcionar una explicación consistente única para todo en el universo, desde los mecanismos dentro del átomo hasta la estructura del cosmos. Pero una vida humana puede pasar hasta que los científicos inventen los medios para verificar esta teoría.

En este artículo, K.C. Cole dibuja un retrato de un físico extremadamente notable que está trabajando en las fronteras de las matemáticas y la física. <<Este extreme de important să crezi în ceea ce faci<<,Spune Edward Witten. <<Totuși, e greu să-ți păstrezi credința când totul este atât de speculativ.

Una de las enseñanzas que dibujas es no renunciar a buenas ideas, pero ¿cómo puedes saber que son buenas?

K.C. Cole ha publicado numerosos artículos en Omni and the New York Times Magazine Magazines y es el autor del volumen titulado "Vibración simpática: reflexión sobre la física como un gay de la vida".

Recientemente, realizó un estudio encargado por la Asociación de Centros de Tecnología de Ciencia y con la actividad de mujeres y miembros de categorías étnicas minoritarias en el campo de la ciencia.

Al medir la habitación con pasos grandes y seguros, celebra su conferencia como director, el ra-ta de Creta en el tablero, sonando como un contrapunto de su voz alta y que a veces es casi imperceptible. El habla de «Bundles vectoriales», «módulos banales» y «espacios circulares libres». En un momento se detiene y dice lo siguiente: «He vivido hasta ahora en un mundo de dimensiones terminadas. Y ahora te invito a avanzar en un mundo de dimensiones infinitas ».

El maestro es Eduard Witten en el Instituto de Estudio Avanzado en Princeton (Nueva Jersey).

A los 36 años, Witten se encuentra entre los físicos contemporáneos más importantes. Actualmente, está en Nueva York para celebrar conferencias en la Facultad de Matemáticas de la Universidad de Colombia sobre las aplicaciones de la física en matemáticas "!" Matemáticas «Una disciplina que se ocupa de las relaciones abstractas e intangibles» siempre ha sido una herramienta útil en física "Una disciplina que trata con las fuerzas y objetos concretos del mundo real". Witten volvió todo al revés, tratando de demostrar cómo la física puede facilitar el nuevo discernimiento.

"No es deseable apresurarse hacer comparaciones con Einstein", dice uno de los miembros de la Facultad de Física de la Universidad de Princeton, "pero cuando se trata de sus brazos abiertos en un gesto de impotencia. «Está con la cabeza y los hombros por encima de todos los demás. Guió grupos enteros de personas en nuevas carreteras, creó campos completamente nuevos. Muestra evidencia elegante y formidable que hace que las personas permanezcan con la boca, lo que despierta sentimientos abrumadores de admiración ».

Witten parece estar permanentemente en todas partes, publicar informes científicos y tomar conferencias sobre cosmología, matemáticas y diferentes aspectos de la física. Cada vez que habla, los físicos escuchan la apretada atención.

Probablemente su atención nunca fue mayor que hace unos años, cuando Witten trató de lidiar seriamente con una teoría extraña y larga alimentada que cambia radicalmente nuestra concepción de la universal física. Aunque es difícil presentar una contribución que hizo que Witten se convirtiera en una fuerza tan en física, su pasión por esta controvertida teoría lo convierte en el más promotor de una idea que podría ser el concepto más revolucionario en física en las últimas 5 décadas, como revolucionaria, dice Witten.

Si esta teoría es correcta (y Witten cree que su validez probablemente se demostrará al final), podría proporcionar respuestas completamente nuevas a las preguntas fundamentales formuladas por filósofos, poetas y teólogos desde el comienzo de la civilización humana: ¿por qué es el universo tal como es y cuál es el origen de la materia?

«Teoría de la tira» , sau “string theory”, cum este numită de obicei (unii savanţi o numesc “sueprstring theory”), Elimine la bien conocida imagen de un universo formado por partículas del tipo de bolas de billar, rechazada y atraída por fuerzas bien conocidas como la gravedad y la electricidad. Teoria cuantelor dezvăluise deja, în deceniul al treilea al secolului actual, ca bilele de biliard au anumite proprietăţi ciudate care le fac să se asemene cu undele – ele sunt mai degrabă vibraţii decât puncte definite în spaţiu. Acum, La teoría de las cuerdas supone que estos puntos son en realidad pequeños círculos o "cuerdas" cerradas. Las cuerdas vibran invisiblemente en resonancias sutiles. Según la teoría, estas vibraciones construyen todo lo que existe en el universo, desde la luz hasta el regaliz, desde la gravedad hasta el oro.

Por supuesto, estas cuerdas no son visibles, ni pueden ser similares a las ligas o con piezas de cuerda. Dado que no se pueden detectar con ninguno de los medios disponibles para la ciencia hoy, son curvas matemáticas. Hablar sobre cuerdas, al igual que hablar de bolas de billar o dónde, es una forma simple de tratar de comprender a lo desconocido en términos conocidos. La verdad es que la física siempre ha tenido que recurrir a metáforas. "Cuando se trata de átomos", dijo el físico danés Niels Bohr, el padre de la teoría de las cantidades, "el lenguaje puede usarse en la poesía. El poeta está interesado en la creación de imágenes que la descripción de las realidades".

Los físicos dejaron deja el átomo y descubrieron, primero, electrones, protones y neutrones, y luego, elementos más exóticos, como neutrinas y quarks llamados. Aprendí cómo la fuerza nuclear, la gravedad y la fuerza electromagnética se construyen a partir de estas moléculas y galaxias. Pero, entre otras cosas, nadie sabe por qué hay electrones o por qué las partículas están influenciadas por la gravedad. Según la opinión de sus seguidores, la teoría de las cuerdas tiene el potencial de proporcionar una única explicación consistente para absolutamente todo, desde los mecanismos internos del átomo de oana hasta la estructura del cosmos.

Desafortunadamente, la teoría de las cuerdas contiene lo que algunos científicos consideran un gran defecto. La consistencia matemática que lo hace tan convincente es relevante solo si estamos dispuestos a suspender nuestra concepción de que el mundo físico está definido por cuatro dimensiones bien conocidas (altura, longitud, ancho y tiempo) y suponer la existencia de otras seis dimensiones ocultas, por lo tanto, diez dimensiones en total.

Imagine una cuerda cerrada, un círculo de cuestión fundamental de un tipo u otro.

Imagínese entonces que el círculo gira, gira y vibra solo en las tres dimensiones espaciales ordinarias (más la dimensión temporal), pero también en seis dimensiones que no podemos percibir.

El círculo vibra en innumerables tonos, como una cuerda dimensional del violín que emite versiones cósmicas de o mi bemol. Si la teoría de la cuerda es correcta, estas vibraciones pueden determinar todas las partículas y fuerzas posibles del universo.

Si les pide que le den una explicación más clara, Witten sonríe y encoge de hombros. "Nadie entiende esto mucho mejor que como te expliqué ahora", dice.

Un sistema de diez dimensiones no se molesta en ningún momento: "Estas dimensiones adicionales no son más extrañas que muchas otras cosas que los físicos piensan". Sin embargo, la noción de universo dimensional y la ausencia de cualquier datos experimentales que pudieran proporcionar evidencia a este respecto hicieron que muchos físicos adoptaran una posición muy escéptica.

Obviamente, la teoría de las cuerdas tiene mucho que explicar. Por ejemplo, tendrá que explicar cómo se hace que las seis dimensiones adicionales permanecen invisibles. Los seguidores de esta teoría imaginan que estas dimensiones están estrechamente "envueltas" en miles de millones de veces más pequeñas que la de un núcleo de átomo. Sin embargo, no saben por qué o cuándo se envolvieron las seis dimensiones. Algunos de estos estudiosos piensan que es simplemente posible que no hayan expandido hace miles de millones de años con el resto del universo físico.

Tales dudas no disminuyen la creencia de Witten. "Es muy posible que la comprensión adecuada de la teoría de las cuerdas conduzca a la disolución de la continuidad: el espacio", dice. "La teoría de las cuerdas está en un milagro".

Witten comenzó a obtener ofertas de puestos de presidentes universitarios solo unos años después de completar sus estudios en la Universidad de Princeton, donde trabajó como profesor a la edad de 28 años. Se distinguió con muchos premios otorgados por instituciones de todo el mundo, incluida una "beca genio" de la Fundación MacArthur y recientemente, el premio otorgado por la Fundación Nacional de Ciencias a la Investigadora Jóvenes más importantes.

En física, el esfuerzo por encontrar una explicación definitiva siempre ha sido obviamente innumerable veces, la física ha dado un paso adelante con el descubrimiento de que la apariencia en la apariencia era en realidad aspectos de un solo fenómeno. El gran descubrimiento de Newton, por ejemplo, fue que la misma fuerza que hizo que la manzana cayera al suelo hizo que la luna permaneciera en su órbita terrestre y que la tierra permanecería en su órbita solar. Durante mucho tiempo hubo la opinión de que entre el magnetismo, la electricidad y la luz no había conexión, hasta que en el siglo XIX James Clark Maxwell y Michael Faraday descubrieron que todas eran manifestaciones de electromagnetismo. La teoría de la relatividad pasó del esfuerzo de Einstein para conciliar el electromagnetismo con la mecánica clásica.

Últimamente, los físicos están obsesionados con tratar de unificar las fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza "fuerte" (esa fuerza que garantiza la cohesión de las partículas en el núcleo de un átomo) y la fuerza "débil" (que determina, entre otros la radiactividad, la desintegración espontánea del núcleo atómico).

El electromagnetismo, la fuerza fuerte y débil y todas las partículas conocidas como presentes en el universo pueden explicarse de acuerdo con la teoría de las cantidades, algo que Witten califica como "magia". Esta teoría creó todo un campo de investigación científica en el que el propio Witten ha hecho muchas contribuciones importantes. Según la teoría de las cantidades, todo resulta de las interacciones de los campos de energía. Los campos vibran pero no solo en ciertos patrones o resonancias que corresponden a ciertas cantidades (de ahí el término "cantidades") de energía. Estas resonancias son las partículas y fuerzas conocidas del universo natural, que usan aceleradores gigantes para aplastar los átomos y encontrar las partículas que a veces les hacen un trabajo de "caza de resonancia".

La teoría de las cantidades ha logrado aclarar muchos fenómenos y ha llevado a la comprensión de los procesos subatómicos, un hecho que resulta en la producción de muchas maravillas, desde láser hasta semiconductores. Sin embargo, la teoría de las cantidades no puede explicar la gravedad. Los cálculos matemáticos que intentan adoptar la gravedad en este marco teórico dan resultados inutilizables.

Sin embargo, la gravedad estaba en interacción con todo tipo de energía presente en el universo y un rayo de luz está influenciado por él. Por lo tanto, la gravedad debe cumplir con las mismas leyes de la naturaleza. Pero, ¿cuáles son estas leyes?

Einstein se ha esforzado durante mucho tiempo para hacer una conexión entre la gravedad y el electromagnetismo para que aún pueda explicar todo el sistema de naturaleza dentro de una sola "teoría unificada". No pudo hacer esto. Sin embargo, en 1919, Einstein recibió una carta de un físico de origen alemán, cierto Theodor F.E. Kaluza, quien creía que el electromagnetismo podía entenderse que una manifestación de la gravedad en una quinta dimensión. Kaluza no explica por qué la quinta dimensión no pudo ser percibida. En 1926, sin embargo, un matemático sueco, Oskar Klein, asumió que esto se debió a la quinta dimensión existe en una escala tan pequeña que influye en cualquier cosa, ni siquiera al tamaño de una partícula subatómica.

TLa cadena Eoria es una versión nueva y más compleja de la teoría de Kaluza-Klein. Al igual que la quinta dimensión postulada por Klein, las seis dimensiones adicionales postuladas por la teoría de la cuerda han "contraído", de alguna manera hasta la invisibilidad. La teoría de las cuerdas argumenta que si aceptamos la noción de estas seis dimensiones ocultas, las inconsistencias matemáticas que han evitado los intentos anteriores de conciliar la teoría de la cantidad con la gravedad desaparecen como un milagro.

Sin embargo, no podemos estar seguros de que la teoría de las cuerdas sea una representación veraz de la realidad. Excepto por la consistencia matemática, no hay evidencia sobre la existencia de las seis dimensiones adicionales. Witten comenta, sin embargo, que en los últimos cien años, la consistencia matemática ha sido "una de las más confianza de los físicos".

Hasta cierto punto, el mundo teórico es, por definición, un mundo personal. El trabajo no requiere tubos o laboratorios, ciclistas o computadoras electrónicas de alta capacidad, nada más que lápiz y papel, y a veces tampoco. Aunque entre los estudiantes de Witten se encontraban algunos de los estudios de especialización, duda en participar en sus proyectos en los que la especulación científica juega un papel importante, porque, dice, no quiere poner en peligro su futuro profesional.

Escuchar a Witten mientras habla sobre su propia carrera, se puede creer que convertirse en físico es casi ordinario. Aunque su padre, Louis Witten, es un físico especializado en el estudio de la gravedad, dice que no fue influenciado por su familia a demasiado. "Estaba a punto de hacer otra cosa", explica.

Witten creció en Baltimore y se graduó de los cursos universitarios de la Universidad de Brandeis en Massachusetts con un diploma en la historia, aunque lo que le interesó en gran medida fue lingüístico. Antes de comenzar sus estudios de especialización universitaria en Princeton, Witten escribió artículos publicados en La nación, La nueva república y otras revistas. En 1972, trabajó durante seis meses en la campaña del candidato a la presidencia George McGovern como asistente de uno de sus asesores para cuestiones legislativas. Witten dijo hoy que no posee las cualidades requeridas por una carrera en publicidad o política, especialmente el "sentido de la realidad". Cuando comenzó sus estudios en la Universidad de Princeton, estaba muy cerca de elegir las matemáticas antes de decidir a favor de la física.

Los colegas de Witten son mucho más generosos consigo mismo cuando se trata de sus méritos, especialmente su contribución a la atención de la teoría de las cuerdas de hoy.

Los físicos no se esforzaron por elaborar esta teoría, ni prestaron demasiada atención a la teoría de Kaluza-Klein. Lo que sucedió fue que los evitó en la oscuridad, luego intentaron darle una forma precisa. "No creo que ningún físico hubiera sido lo suficientemente perspicaz como para inventar la teoría de las cuerdas intencionalmente", dice Witten. "Afortunadamente, fue inventada por casualidad".

En 1968, un físico italiano Gabriele Veneziano, estaba estudiando la fuerza fuerte (la aglutinante que une las partículas del núcleo atómico) y simplemente abrumó lo que Witten llama "una fórmula que tenía algunas propiedades extrañas". Unos años más tarde, debido a la investigación de Yoichiro Nambu de la Universidad de Chicago y otros, los físicos "se dieron cuenta de que esa extraña fórmula estaba definiendo las vibraciones de algunas cuerdas".

Durante varios años, la teoría de las cuerdas ha despertado mucho interés. Sin embargo, a mediados de la última década, había sido abandonada en gran medida, en parte porque otros caminos de pensamiento parecían más prometedores y en parte debido a la falla de que esta teoría implicaba la idea inaceptable de dimensiones adicionales.

"Cuando se dieron cuenta de que era plausible solo en un marco decadimensional", dice Witten, "la mayoría de los físicos abandonaron el suelo". Su propio interés en esta teoría había sido principalmente despertado por la investigación realizada por los físicos John H. Schwarz por Instituto de Tecnología de La California y Michael B. Green de Colegio Queen Mary de Londres. Witten recuerda que el esfuerzo por informarse de esta teoría le costó "unos meses de un camino difícil". "Era diferente a cualquier otra cosa, agregó", agregó. "No hay nadie que te alienta".

Parece que el interés en la teoría de las cuerdas fue resucitado por una serie de informes emitidos por Schwarz y Green al comienzo de la década actual. En 1984 publicaron un informe importante que, según un premio Nobel, el físico Steven Weinberg de la Universidad de Texas dio una respuesta a una pregunta que había sido hecho por Witten.

La pregunta se refería a las anomalías en las teorías que intentaban unir la gravedad con la teoría cuántica del campo. En el caso de una teoría, las anomalías son defectuosas que generan resultados absurdos que aniquilan la teoría, con Luis Alvarez-Gaumé de la Universidad de Havard ha descubierto una nueva clase de anomalías. Al mismo tiempo, una cosa aún más importante ha demostrado (...)

La teoría de las cuerdas supone que si pudiéramos ver el universo como un conjunto decadimensional, aparecería una nueva simetría, y todas las fuerzas y partículas nos aparecerían como las facetas de una sola coherente.

Una capa que el origen de las anomalías era topológica, en otras palabras, estaba relacionada con las propiedades geométricas que no aparecen en presencia de cuatro dimensiones, sino que aparecen en presencia de diez dimensiones.

Witten considera la topología, que estudia las propiedades de las figuras geométricas distorsionadas o deformadas en diferentes dimensiones, como un "fondo mental". La idea de que la topología podría ser desconocida para los especialistas causa asombro. "Es como cuando dices que no sé cómo hablar en prosa", dice, tomando prestada una broma de Moliere. Una taza con un destino, por ejemplo, es el equivalente topológico de una rosquilla. respectivamente, pero no cambia cuando cambia la forma de los objetos al doblar. "Sin embargo, admite que los físicos no tomaron la topología en el pasado.

Witten atribuye una gran importancia a la topología porque la pregunta si el mundo real puede explicarse por la teoría de las cuerdas depende no solo de la existencia de dimensiones adicionales, sino también de las formas que toman en el espacio, si son, digamos, la forma de los tubos o las donas, o si son esferas.

En Flatland ”, la famosa escritura científica victoriana, Edwin Abbott demostró elocuentemente que lo que parece confuso y oscuro en una dimensión puede quedarse claro en otra dimensión. En su mundo hipotético de triángulos bidimensionales y cuadrados, una esfera tridimensional era un objeto incomprado. Un punto.

La teoría de las cuerdas supone que si pudiéramos ver el universo en la descomposición, una nueva simetría haría su aparición, y la multitud confusa de fuerzas y partículas demostraría ser solo diferentes facetas de la misma coherente.

Desafortunadamente, esta simetría adhesiva inherente al espacio decadimensional no es fácil de traducir en partículas y fuerzas dimensionales. Su percepción requiere herramientas matemáticas increíblemente sutiles, herramientas que probablemente aún no se han inventado.

Hace unos años, Witten tuvo una conversación colega, y esta discusión lo impresionó profundamente. "Hablaron de un físico muy talentoso que no era tan productivo como él", explica Witten. "Y su opinión era que la razón era que el físico nunca trabajó en los tipos de problemas para los cuales era realmente el hombre correcto", Witten tomó el consejo involucrado en su colega. Se consideran el hombre adecuado para "tomar un problema de física y encontrar una solución basada en extrañas operaciones matemáticas". La "teoría de cuerdas" continúa, "requerirá una gran cantidad de nuevas matemáticas, y la aplicación de las extrañas matemáticas es mi especialidad". En los últimos pocos! años.

Witten declaró que uno de los protagonistas de una nueva alianza entre físicos y matemáticos, una alianza hecha por la teoría de las cuerdas. "Lo considero como el protagonista número uno", dice I.M. Singer, profesor de matemáticas en el Instituto de Tecnología de Massachusetts "Su intuición es Fantasty". El propio Witten considera algunas de sus contribuciones más importantes como contribuciones a las matemáticas que la física.

La mayor parte del gran progreso realizado por el hombre para comprender el universo se debió a estrechos vínculos entre física y matemáticas. Newton tuvo que inventar un nuevo tipo de matemáticas diferenciadas y completamente para completar su teoría de la gravedad. La teoría del pariente general de Einstein se basó en una geometría del espacio curvo inventada por el matemático alemán F.B. Riemann a mediados del siglo XIX. La teoría de las cantidades requería una herramienta llamada "análisis funcional".

Witten dice que la teoría de las cuerdas "nos lleva a las fronteras de las matemáticas". Pero esto no los intimide de la misma manera. "Me di cuenta de que en realidad podría girar todo al otro lado". Agrega, y para obtener con la ayuda de la física un discernimiento sorprendente sobre las matemáticas. "

El nuevo matrimonio entre física y matemáticas ha hecho por primera vez lo físico para ser realmente difícil para Witten. Esta es una de las razones que lo determinó a aceptar la invitación para trabajar en el prestigioso Instituto para el Estudio Avanzado, a dos pasos de la Universidad de Princeton, donde no debe pagar las obligaciones de la silla. "Quiero trabajar más intensamente en menos cosas", confiesa. Todas las "cosas" en las que está trabajando actualmente son aspectos de la teoría de cuerdas.

Las conclusiones de Witten no se pueden verificar hoy en el laboratorio, y esto no será posible en el futuro previsible. De hecho, todo lo que hace es tan distante de la realidad observable que puede pasar toda una vida humana o incluso más hasta que el valor de su discernimiento teórico y sus posibles aplicaciones prácticas se conozcan. La física teórica es un trabajo arriesgado. "Es extremadamente importante creer en lo que haces", dice Witten. "Sin embargo, es difícil mantener su fe cuando todo es tan especulativo".

"Una de las enseñanzas que dibujas", continúa, "no es cometer errores, pero eso no es de manera demasiado útil para ti. Otra enseñanza no es renunciar a buenas ideas, pero ¿cómo puedes saber que son buenos?"

Witten comenta que las estrellas de neutrones y las lentes gravitacionales (altas concentraciones de materia presentes en el espacio cósmico y, cuando se observan desde la Tierra, producen imágenes dobles de las estrellas, se consideraron como nociones fantásticas, como especulaciones puras, hasta que se descubrieron realmente. "La historia de la ciencia está llena de predicciones de que la validez de las nuevas ideas nunca será probada. La historia de la física muestra que las buenas ideas eventualmente son correctas".

Witten consideră că teoria coardelor este o idee prea bună pentru a nu fi corectă. Ea pare dificilă şi complicată, numai datorită faptului că nu este suficient de bine înţeleasă. Teoria coardelor este deocamdată, conform opiniei lui Witten, "Un pedazo de física que pertenece al siglo XXI y accidentalmente caído en el siglo XX". Los físicos trabajan hoy con solo "Algunas migajas en comparación con la gran fiesta que nos espera".

Sin embargo, Witten a veces teme que las dificultades sean demasiado altas. "Las posibilidades de que esta teoría nos guíe en todas partes en los próximos años no son demasiado grandes"., admite el, "Pero si no lo intentara, tendría la sensación de que la visión me dejó".

John Ellis, uno de los expertos en física teórica del Centro Europeo de Investigación Nuclear en Ginebra, escribió recientemente lo siguiente: . "La fenomenología de las cuerdas sigue siendo un tema joven. Hay numerosas preguntas sin respuesta y problemas técnicos, y es fácil ridiculizar la pasión totalitaria de los promotores de esta teoría. Sin embargo, si se trataba de citar lo que se escribió en una cubierta de dulces que he abierto hace unos años". Solo ".

O, en palabras de Witten: "Si demostramos la teoría de las cuerdas, probablemente necesitaremos suerte. Pero en la física hay muchas maneras de tener suerte".