Reflexiones sobre las teorías de la gran unificación. RP Feynman

Estas son las reflexiones de Richard P. Feynman , en 1983 durante unas conferencias en la Universidad de UCLA, sobre las “teorías de la gran unificación”. –  y que posiblemente sea uno de los mejores físicos teóricos de todos los tiempos, no ya por su méritos y capacidades,  si nó por esa tan difícil “asignatura” que es la comunicación del conocimiento -. Fallecido en  1988.

(La física cuántica…) es un lío terrible , y podrían decir que la física se ha convertido en un barullo descorazonador, pero siempre ha tenido esa apariencia. La Naturaleza ha parecido un barullo terrible, pero al avanzar vemos esquemas y aunamos teorías; Se aclaran un poco las cosas y se vuelven más sencillas. El lío que le he expuesto – electrodinámica cuántica – es mucho menor que el que hubiese tenido que contar hace diez años, hablándoles de más de un centenar de partículas . Y piensen en el lío de principio de siglo – siglo XX – cuando estaban el calor, magnetismo, la electricidad, la luz , los rayos X, los rayos ultravioletas, los índices de refracción, los coeficientes de reflexión y otras propiedades de diversas substancias, cosas todas que se han unificado desde entonces en una teoría, la electrodinámica cuántica.

Me gustaría resaltar algo: Las teorías del resto de la física son muy similares a la teoría de la electrodinámica cuántica, todas implican la interacción de objetos de espín ½ – como electrones y quarks – con objetos de espín 1 – como fotones, gluones ó W – dentro de un marco de amplitudes en donde la probabilidad de un suceso es el cuadrado de la longitud de una flecha. ¿Porqué todas las teorías físicas son tan similares en estructura?

Existe un cierto número de posibilidades. La primera, la limitada imaginación de los físicos: Cuando observamos un nuevo fenómeno tratamos de encajarlo en el marco que ya tenemos – hasta que no hemos realizado un número suficiente de experimentos, no sabemos que eso funciona –, de modo que cuando un físico loco da una conferencia en UCLA en 1983 y dice: “Esta es la manera en que ocurren las cosas y miren cuán maravillosamente similares son las teorías” no es porque la Naturaleza sea realmente similar, es porque los físicos sólo han sido capaces de pensar la condenada misma cosa una y otra vez.

Otra posibilidad es que sea la condenada misma cosa una y otra vez – que la Naturaleza sólo tenga una forma de realizar las cosas y que repita su historia de vez en cuando –

Una tercera posibilidad es que las cosas son similares porque son aspectos de una misma cosa – una amplia imagen subyacente de la que se pueden desgajar partes que parecen diferentes, análogo a los dedos de una mano – Muchos físicos están trabajando muy duro tratando de componer una gran imagen que unifique todo en un súper modelo. Es un juego delicioso, pero en la actualidad ninguno de los especuladores coincide con cualquier otro especulador en cuanto a cual es la gran imagen . Exagero sólo ligeramente cuando digo que la mayoría de éstas teorías especulativas no tienen mayor sentido que la suposición que hicieron Uds. sobre la posibilidad de un quark t, ¡Y les garantizo que no son mejores que Uds. a la hora de suponer la masa de un quark t!

Por ejemplo, parece que el electrón, el neutrino, el quark d, y el quark u van todos juntos – de hecho los dos primeros se acoplan con el W, como lo hacen los dos últimos – En la actualidad se piensa que un quark sólo puede cambiar “colores” ó “aromas”. Pero quizás un quark podría desintegrarse en un neutrino acoplándose con una partícula desconocida. Bonita idea ¿Que ocurriría? Significaría que los protones son inestables. Alguien construye una teoría : Los protones son inestables ¡Hacen un cálculo y encuentran que ya no existirían protones en el Universo! De manera que juegan con los números, ponen una masa más elevada a la nueva partícula y después de mucho esfuerzo predicen que el protón decaerá a una velocidad ligeramente menor que la medida por última vez cuando se demostró que el protón no decaía. Cuando aparece un nuevo experimento y mide con más cuidado el protón , la teorías se ajustan para escaparse de la presión. El experimento mas reciente demostró que el protón no decae a una velocidad cinco veces menor que la que se predijo en la última oleada de teorías ¿Que piensan que ocurrió? El fénix surgió de nuevo con una nueva modificación de la teoría que requiere experimentos aún más precisos para comprobarla. Si el protón decae , o no, es algo desconocido. Demostrar que no decae es muy difícil.

A lo largo de estas conferencias no he discutido la gravitación. La razón es que la influencia gravitacional entre objetos es extremadamente pequeña: Es una fuerza que es un 1 seguido de 40 ceros más débil que la fuerza eléctrica entre dos electrones (quizá son 41 ceros..) En la materia, casi todas las fuerzas eléctricas se emplean en mantener a los electrones próximos a los núcleos de los átomos, creando un fino equilibrio mezcla de mases y menos que se cancelan entre sí. Pero con la gravitación, la única fuerza es la atracción y crece y crece según hay más y más átomos hasta que, al final, cuando obtenemos esas grandes masas ponderables que somos, empezamos a poder medir los efectos de la gravedad – sobre los planetas, sobre nosotros mismos y así sucesivamente –

Dado que la fuerza gravitacional es mucho más débil que cualquiera otra de las interrelaciones, es imposible, en la actualidad, hacer cualquier experimento que sea lo suficientemente delicado como para medir cualquier efecto que requiera la precisión de una teoría cuántica de la gravitación para explicarlo – Cuando Einstein y otros trataron de unificar la gravitación con la electrodinámica , ambas teorías eran aproximaciones clásicas. En otras palabras, estaban equivocadas. Ninguna de estas teorías tenía el marco de amplitudes que hemos encontrado tan necesario en la actualidad –. Pero aunque no hay manera de probarlas, existen, sin embargo, teorías cuánticas de la gravedad que implican “gravitones”- que podría aparecer como una nueva categoría de polarizaciones, denominada espín 2 – y otras partículas fundamentales – algunas con spin ³/2 La mejor de éstas teorías no es capaz de incluir las partículas que encontramos , inventando, no obstante, muchas partículas que no se encuentran. Las teorías cuánticas de la gravitación, también tienen infinitos en los términos de acoplamiento, pero el “proceso de profundización”, que tanto éxito tiene eliminando infinitos en la electrodinámica cuántica, no puede eliminarlos en la gravitación . De modo que no sólo no tenemos experimentos con los que probar la teoría cuántica de la gravitación, si nó que tampoco tenemos una teoría razonable.

A lo largo de la totalidad de esta historia ha permanecido una característica particularmente insatisfactoria: Las masas observadas de las partículas m. No existe una teoría que explique adecuadamente estos números. Utilizamos los números en todas nuestras teorías, pero no los entendemos – ni lo que son, ni de donde vienen – Creo que desde un punto de vista fundamentalista, es un problema serio y muy interesante.


Referencias:

“Electromecánica cuántica” Richard P. Feynman (1985)

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Teoría de universos membrana II

En la anterior entrada se ha descrito el modelo de “Universo sombra”, pero existe otra posibilidad sin abandonar el concepto “membrana” y manteniendo que las dimensiones “adicionales” sean infinitas.

Esta segunda alternativa de la naturaleza del Universo nos lleva a la hipótesis que las citadas dimensiones extra “quantuor” estén muy curvadas aunque sin llegar a las primeras suposiciones de un mínimo radio. La teoría de Randall-Sundrum realiza un planteamiento de curvatura que da similar respuesta a las mismas percepciones contestadas con la hipótesis anterior sin necesidad de disponer de un segundo universo “espejo”. pues debido a esta curvatura, su misma forma haría que se comportara de igual manera – tomemos como ejemplo la estructura de una silla de montar ó de un tunel -, bien es cierto que, en un primer momento es planteable una salvedad como consecuencia de no existir un Universo “sombra” que permitiera mantener el balance gravitatorio – los gravitones se escaparían y se produciría un desajuste energético violando la ley de conservación de la energía que nos dicta que la cantidad total de energía debe permanecer constante -. aunque esto sólo sea en apariencia.

Nuestra teoría nos dicta que solamente las emisiones gravitatorias con una longitud de onda menor que el radio de curvatura del Universo que hemos planteado serían capaces de escapar y conocemos que los únicos cuerpos celestes, conocidos, que son capaces de emitir ondas gravitatorias de estas características son los agujeros negros . Esta posibilidad que nos plantean los agujeros negros se subsana suponiendo que la expansión de las ondas gravitatorias – el resto de las emisiones del agujero negro quedarían confinadas a la membrana según el modelo comentado – , en los dimensiones adicionales, mantengan un radio de expansión menor ó igual que el radio de curvatura de la membrana, es decir, que su expansión sea comparable, en un principio, a una esfera insertada en la membrana y que en su progreso vaya adoptando una forma elíptica que siempre conservará ese radio máximo que impide la posibilidad de una pérdida energética del conjunto.

Este proceso sería como consecuencia del “desinflado” ó desintegración del agujero negro debido a la pérdida de energía y por lo tanto de masa, aunque es altamente probable que ningún agujero negro con la sufienciente masa haya conseguido, debido a la edad del universo, llegar al climax de expansión esférico y por lo tanto a ese radio crítico. Dato que se confirma por la no observación, hasta hoy, de grandes explosiones de rayos gamma atribuibles a esta singularidad.

Teoría de universos membrana

Según la teoría M y sus modelos matemáticos, el espacio-tiempo tiene diez-once dimensiones. El desarrollo de estos modelos, en un momento dado, nos han sugerido la posibilidad que seis ó siete de estas dimensiones estuvieran enrolladas con un radio muy pequeño, como podría ser el caso de un finísima hebra de hilo y que concordaría con nuestra percepción de un universo de cuatro dimensiones.

Por el contrario, existe una teoría que nos sugiere una variante: La posibilidad que estas dimensiones “adicionales” sean comparativamente grandes ó infinitas, proporcionándonos una conceptualidad diferente del Universo tal y como lo intuimos ó hemos conocido a través de la teoría de la relatividad general: La teoría de los Universos membrana.

Se trataría de un conjunto infinito de universos auto contenidos donde cada uno de ellos estaría compuesto de cuatro dimensiones sobre un sustrato espacio-temporal compuesto por las restantes seis ó siete dimensiones a modo, de lo que formaría en su conjunto, un libro donde cada una de la hojas sería un Universo tal y como lo percibimos.

Esta teoría nos dicta que todas las fuerzas de carácter electro magnético nuclear, así como la materia, estarían confinadas en cada ” membrana-hoja”, mientras que la gravedad tendría la propiedad de extenderse a través del conjunto del “libro”. Así pues, la materia y las fuerzas no gravitatorias se comportarían como un “Estadio de cuatro dimensiones” , que unido al principio antrópico, nos daría una percepción de la realidad tal y como lo conocemos, mientras que la gravedad, en forma de curvatura del espacio, sería capaz de propagarse a través del conjunto de nuestro “Universo-libro e implicaría a la totalidad de las dimensiones.

Todo este entramado teórico viene como consecuencia de intentar explicar la “sustancia” de la, inconsistente, constante universal de Einstein ó las más probables, “fuerzas de la materia oscura” y dar solución a determinados acontecimientos astronómicos observados, como la velocidad de expansión de nuestro Universo, la compensación de las fuerzas gravitatorias ó la estabilidad de determinados grupo de sistemas estelares dentro de los conjuntos que forman las galaxias y que en definitiva, nos hace percibir una mayor cantidad de materia de la que observamos.

Como ya hemos sugerido anteriormente, la gravedad tendría la posibilidad de extenderse entre Universos, pero con una condición: Que esta capacidad, al incidir sobre un número infinito de universos, no produzca inestabilidad en el conjunto de la fuerza gravitatoria de cada uno de los universos-membrana. Esto se consigue haciendo terminar el sustrato espacio temporal, ó dimensiones adicionales, de cada una de la membranas en lo que se ha denominado “Universos sombra”. Estos Universos sombras serían ” una segunda membrana, anexa a la nuestra, que impediría que la gravedad se esparciera demasiado en las dimensiones adicionales, lo cual significaría que a distancias mayores que la separación entre estas membranas la gravedad disminuiría con el ritmo correspondiente a un espacio- tiempo cuadrimensional”

Resumiendo: Tenemos un percepción de un Universo cuadrimensional (membrana) en un substrato espacio-temporal que termina en un universo anexo al nuestro donde la gravedad interrelaciona biunívocamente su fuerza entre ellos. Este universo “paralelo”, y nosotros a él, no sería visible al estar la luz confinada a cada membrana por lo que no seríamos capaces de ver su materia pero si percibir su fuerza gravitacional.

Referencias: “The Universe is a nuthell” (2001) S. Hawking.