La teoría de cuerdas vuelve a sus orígenes (cantemos todos “QCD killed the stringy star”)

http://www.youtube.com/watch?v=OjJjs7KLyHI

La teoría de cuerdas nació para explicar la fuerza nuclear fuerte. El confinamiento de los quarks en los mesones se explicaba como si los dos quarks en un mesón estuvieran unidos por una cuerda que al separarlos se rompe en dos, impidiendo aislar dichos quarks, siempre unidos por cuerdas. La cromodinámica cuántica mató a la teoría de cuerdas. Los teóricos de cuerdas encontraron la gravedad (el gravitón) y pensaron que el filón de la gravedad cuántica sería su salvación.

Las grandes esperanzas en los 1980, tras la primera revolución de la teoría de cuerdas, y en los 1990, tras la segunda revolución, de lograr una “Teoría de Todo” se desvanecieron en los 2000 (por el problema del vacío o landscape). La esperanza “cordal” de la gravedad cuántica está ahora de capa caída. Sin embargo, las cabras descarriadas siempre vuelven al redil. Gracias a Maldacena, Witten, y otros, gracias a la dualidad AdS/CFT, la teoría de cuerdas ha vuelto a finales de los 2000 a sus orígenes y ha vuelto para quedarse.

Hoy en día es imposible entender el acomplamiento fuerte entre partículas en teorías cuánticas de campos sin recurrir a la matemática de la teoría de cuerdas. Cuerdas, D-branas, agujeros negros y otros “artilugios” matemáticos son claves para entender los plasmas de quarks y gluones, las transiciones de fase cuánticas, y muchos otros sistemas fuertemente acoplados en física de la materia condensada.

Nos lo cuentan por doquier, como por ejemplo en Clifford V. Johnson, Peter Steinberg, “What black holes teach about strongly coupled particles,” Physics Today 63: 29-33, May 2010 (de acceso gratuito). Clifford es autor de un blog, Asymptotia, en el que ha tratado estos temas muchísimas veces y, como no, ha dedicado una entrada a su propio artículo titulada “The Search for Perfection,” May 3, 2010. Ha llegado el momento en el que todos tenemos que cantar la canción de los Buggles, “Video killed the radio star” pero coreando el estribillo con un “QCD killed the stringy star” ¡Vamos todos!

El problema del vacío en teoría de cuerdas se refiere al hecho de que aunque los teóricos de cuerdas afirman que la teoría de cuerdas es única, sin embargo, la aproximación efectiva a la teoría de cuerdas a baja energía, el vacío, que debería coincidir con el modelo estándar, no es único, todo lo contrario. No se sabe ni cuántos posibles vacíos hay, pero algunos llegan a estimarlos en 10100, una barbaridad. Demasiados posibles vacíos para poder explorarlos todos en busca de uno o una familia que conduzca al modelo estándar.

Más aún, ¿qué es un vacío de la teoría de cuerdas? Hace años se pensaba que era una variedad (hipersuperficie) de tipo Calabi-Yau en 6 dimensiones (las que se compactifican en las dimensiones transversales de las cuerdas). Sin embargo, desde la introducción de la dualidad y la teoría M ya ni siquiera se sabe lo que es un vacío en teoría de cuerdas. ¿Una variedad de 6 dimensiones general? ¿Algún tipo en particular? Nadie lo sabe.

La NSF (National Science Foundation) lleva financiando desde 2006 un proyecto llamado “String Vacuum Project” (SVP) para estudiar el vacío en teoría de cuerdas. Sólo este año se han recibido 150 mil dólares para pagar a 3 becarios. En 2008 se les dedicó una noticia en Nature, Geoff Brumfiel, “String theorists hope to classify the cosmos. Dimensions of space-time used to order potential universes,” News, Nature 452: 392-393, 26 March 2008. Ayer acabó la primera reunión anual del proyecto SVP (SVP 2010 Spring Meeting). Los vídeos de las conferencias están disponibles en la web de KITP. No sé si alguno de los lectores estará interesado en la fenomenología de la teoría de cuerdas, pero el resumen más rápido de esta conferencia es que los teóricos de cuerdas no tienen ni idea de cómo resolver el problema del vacío. Basta ver el resumen de Michael Douglas, ahora en Stony Brook, “Questions About the String Landscape,” KITP SVP, May 04, 2010. Visto en Peter Woit, “String Vacuum Project 2010,” Not Even Wrong, May 3rd, 2010.

Todo lo contrario ocurre en el campo de las aplicaciones de la teoría de cuerdas en teoría cuántica de campos, cromodinámica cuántica, física del estado sólido, etc. Como nos cuenta Clifford en su blog y en su artículo con Peter Steinberg, “What black holes teach about strongly coupled particles” (aunque el artículo es gratis, él también se ha permitido colgarlo en su web), los fluidos ideales (en equilibrio local y con viscosidad η despreciable) no existen en la Naturaleza, salvo en unos pocos casos excepcionales. El más famoso es el comportamiento del helio-3 como superfluido, pero hay muchos otros ejemplos.

En el experimento RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del BNL (Brookhaven National Laboratory) se descubrió en 2005 gracias a la colisión de núcleos de oro que un plasma de quarks y gluones se comportan como un fluido ideal. Un grupo de la Universidad de Duke demostró que un sistema fuertemente acoplado de átomos de litio también se comporta como un fluido ideal. Incluso, el grafeno muestra comportamiento de fluido ideal. Todos estos ejemplos se caracterizan por un acoplamiento fuerte entre sus constituyentes. Las teorías matemáticas usuales para estudiar estos fluidos ideales no funcionan porque se basan en aproximaciones perturbativas que requieren un acoplamiento débil. ¿Qué hacer entonces? Hay que recurrir a la teoría de cuerdas y la dualidad AdS/CFT.

Para estudiar un plasma de quarks y gluones no se puede utilizar la teoría de perturbaciones basada en la propiedad de libertad asintótica de la cromodinámica cuántica (a distancias muy cortas la fuerza fuerte entre quarks disminuye hasta anularse). Sin embargo, los resultados del RHIC no se pueden entender utilizando la libertad asintótica, que predice que el plasma de quarks y gluones debería comportarse como un gas, no como un fluido.

La salvación de los teóricos es el principio holográfico conjeturado por Gerard ’t Hooft y desarrollado por Leonard Susskind. Según este principio cualquier teoría cuántica de la gravedad en un espacio tiempo (d+1)-dimensional es equivalente a una teoría cuántica de campos en su frontera d-dimensional. Este principio permitió entender/explicar la entropía de los agujeros negros y la radiación de Hawking-Bekenstein en el contexto de la teoría de cuerda en los 1990. Explicar efectos de una teoría de la gravedad en (d+1) dimensiones mediante una teoría no gravitatoria en d-dimensiones, su “dual holográfico” parece una cara de la moneda. La otra cara de la moneda es explicar una teoría no gravitatoria en d-dimensiones utilizando una teoría gravitatoria en (d+1)-dimensiones. Parece una tontería, pero es una herramienta mucho más poderosa de lo que parece y uno de los grandes logros de la teoría de cuerdas en la década de los 2000, ya que el régimen de acoplamiento fuerte de la teoría no gravitatoria se transforma en el régimen de acoplamiento débil de la teoría gravitatoria.

La correspondencia AdS/CFT es el ejemplo mejor conocido de la holografía y relaciona una teoría gravitatoria en un espaciotiempo llamado anti-de Sitter (un espaciotiempo plano de Minkowski con constante cosmológica negativa) con una teoría no gravitatoria de campos conformes (teoría gauge de Yang-Mills supersimétrica con una invarianza de escala local). La simetría gauge de la teoría es el grupo SU(Nc), donde Nc es el número de colores. La dualidad AdS/CFT es útil cuando Nc es un número grande. Todo esto parece poco útil en cromodinámica cuántica, una teoría no supersimétrica con sólo Nc=3. Sorprendentemente, para el estudio de plasmas de quarks y gluones a alta energía, las diferencias entre ambas teorías son muy pequeñas, lo que permite aprovechar todo el potencial de la teoría de cuerdas. Máxime cuando QCD en redes (la versión “numérica” de la cromodinámica) encuentra muchas dificultades computacionales a la hora de estudiar un plasma de quarks y gluones realista.

Una idea que parece de ciencia ficción: agujeros negros en un espaciotiempo en 5D que permiten estudiar el comportamiento a temperatura finita de teorías de Yang-Mills tipo QCD en 4D. ¿Un accidente? ¿Una mera coincidencia? ¿Hay algo más profundo en esta conexión íntima entre objetos tan poco relacionados a priori? Realmente todavía no se sabe. Lo que sí sabemos es que la teoría de cuerdas está dando unos jugosos frutos que hace 10 años parecían utópicos. ¿Hasta dónde nos llevará este retorno de la teoría de cuerdas a sus orígenes?

PS (12 mayo 2010): La entrada de Lubos Motl, “So is the (AdS/QCD) black hole real?,” The Reference Frame, May 12, 2010, discute en qué sentido los agujeros negros en el contexto de la correspondencia AdS/CFT son reales o no. Su entrada es respuesta a los comentarios de Clifford Johnson en “But is it Real? (Part One),” Asymptotia, May 11, 2010.


3 Comentarios

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adlpzadlpz

No quiero ser maleducado. Lo cierto es que no tengo costumbre de leer los comentarios a los artículos, pero me asalta una duda. ¿Eres un humorista habitual de el blog? ¿Es tu comentario algún tipo de broma o artificioso trolling?

Quiero decir, no tiene ningún sentido a ningún nivel…

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