Mi charla en Desgranando Ciencia 2018: “50 años de la teoría de cuerdas”

Por Francisco R. Villatoro, el 16 diciembre, 2018. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Physics • Recomendación • Science ✎ 5

“El día oficial del nacimiento de la teoría de cuerdas es el 01 de septiembre de 1968”. Así empezó mi charla “50 años de la teoría de cuerdas” en Desgranando Ciencia 2018. La puedes disfrutar en diferido gracias a un vídeo de YouTube. Como siempre permíteme una transcripción de la charla. En directo acorté un poco el texto para intentar hablar lo más despacio posible y reducir al máximo la jerga técnica, para facilitar la traducción al lenguaje de signos (gracias, Rocío, intérprete de la Asociación Lapislázuli @lapislazuli_org).

Mi charla empieza en el momento 01:08:45 (presentación de ÓskarHR, @scariosHR), justo después de la charla de Laura Morán, @veneciana1981, y finaliza 01:18:55. ¡Qué la disfrutes! Y del resto del evento.

Recomiendo en este blog leer “Reseña: “Cuerdas y supercuerdas” de José Edelstein y Gastón Giribet”, 21 Ene 2017; “Reseña: “A Brief History of String Theory” por Dean Rickles”, LCMF, 14 Jul 2015; “Reseña: “The Birth of String Theory” editado por Andrea Cappelli et al.”, LCMF, 21 julio, 2015; “Reseña: “The Little Book of String Theory” por Steven S. Gubser”, LCMF, 30 junio, 2015; “Reseña: “The Complete Idiot’s Guide to String Theory” por George Musser”, LCMF, 23 Jun 2015; “Reseña: “String Theory for Dummies” por Andrew Zimmerman Jones”, LCMF, 07 Jul 2015; entre muchos otros.

El físico italiano Gabriele Veneziano publicó una fórmula matemática para dominarlas a todas… a todas las partículas regidas por la interacción nuclear fuerte… las partículas llamadas hadrones… tanto bariones como el protón y el neutrón, como mesones como el pión y el kaón.

La teoría de cuerdas nació para explicar los resultados experimentales en la física de los hadrones. En la década de 1960 se descubrieron tantos nuevos hadrones que en lugar de partículas se hablaba de resonancias, como si fueran vibraciones de objetos más fundamentales. Para entenderlos era necesaria una nueva ley física universal.

En 1959 Tullio Regge observó que el cuadrado de la masa de las resonancias dependía de forma lineal de su momento angular de espín. La interacción entre dos hadrones no era debida al intercambio de una única partícula mediadora, sino a una torre de infinitas resonancias a lo largo de una trayectoria de Regge.

En 1967 este fenómeno se llamó dualidad DHS [siglas de los físicos Dolen, Horn y Schmid]. El término “dualidad” significa que hay dos descripciones diferentes de la misma física. Gabriele Veneziano en 1968 obtuvo el primer modelo dual, una teoría que explicaba la dualidad DHS. Miguel Virasoro encontró un segundo modelo dual.

De forma independiente, Leonard Susskind, Yoichiro Nambu y Holger Nielsen encontraron en 1970 que el modelo dual de Veneziano describía la interacción entre parejas de cuerdas abiertas y el modelo dual de Virasoro entre parejas de cuerdas cerradas. El misterioso objeto fundamental que vibraba dando lugar a las resonancias en los modelos duales eran cuerdas.

En la física de partículas, las partículas puntuales se mueven en trayectorias rectas e  interaccionan al cruzarse en un vértice. En la física de las cuerdas, éstas se mueven en una especie de “banda elástica”, un espacio-tiempo “auxiliar” de solo dos dimensiones llamado hoja del mundo;  [las interacciones se representaban mediante agujeros en esta banda elástica]. Para las cuerdas cerradas la banda elástica forma “tubos” que se unen y separan al interaccionar.

La teoría de cuerdas solo describía los mesones, faltaban los bariones. Este problema fue resuelto en 1971 por Pierre Ramond, y por André Neveu y John Schwarz gracias a la supersimetría, una nueva simetría que asocia a cada mesón un barión y viceversa, dando lugar a las llamadas supercuerdas. Las vibraciones de las supercuerdas describen partículas con espín semientero y con espín entero.

Las teoría de supercuerdas para los hadrones era como matar moscas a cañonazos. Las supercuerdas vivían en un espacio-tiempo de 10 dimensiones; el vacío de la teoría era inestable y contenía taquiones; y muchos otros problemas. Por todos ellos la teoría de cuerdas estuvo a punto de morir en 1973, cuando nació el modelo estándar de la física de partículas.

Hoy sabemos que los hadrones están hechos de quarks, parejas de quarks para los mesones y tríos de quarks para los bariones, unidos todos ellos por gluones, partículas parecidas al fotón, pero con la llamada hipercarga de color. La teoría de cuerdas fue abandonada como modelo de la interacción nuclear fuerte en favor de la cromodinámica cuántica.

Pero una bella teoría nunca debe morir… La teoría de supercuerdas predecía partículas sin masa, asociadas a fuerzas de largo alcance, aunque la interacción nuclear fuerte es de muy corto alcance… Partículas sin masa de espín un medio (1/2), similares al electrón, los neutrinos y los quarks, de espín uno (1), como el fotón y el gluón, y de espín dos (2), como el gravitón, la hipotética partícula asociada a la gravedad.

Este gran problema de la teoría de supercuerdas se transformó en su gran virtud. En 1973 Tamiaki Yoneya, y en 1974  Joël Scherk y John Schwarz, propusieron que la supercuerdas describían la física del universo a una energía tan alta, que la masa de las partículas que conocemos era despreciable. Así nació la teoría de supercuerdas como candidata a teoría de todo. Una teoría cuántica de la gravedad, que explica la naturaleza cuántica del espaciotiempo, y una teoría cuántica de todas las partículas, que explica el modelo estándar.

La teoría de supercuerdas no describe la gravedad de Einstein, sino una versión con supersimetría llamada supergravedad en diez dimensiones. El modelo estándar es una teoría quiral, que diferencia entre izquierda y derecha, debido a la física de los neutrinos. La quiralidad introduce anomalías en la supergravedad.

Gracias a un trabajo en 1983 del físico español Luis Álvarez-Gaumé con el famoso físico Edward Witten, en 1984 John Schwarz y Michael Green descubrieron cómo cancelar todas las anomalías de las teorías de supercuerdas. Así se descubrió que solo existían cinco (5) teorías de supercuerdas libres de anomalías, llamadas tipo I, tipo IIA, tipo IIB, heterótica SO(32) y heterótica E8×E8.

Este descubrimiento se llamó “primera revolución” de la teoría de cuerdas. Las supercuerdas viven en 10 dimensiones, pero nuestro universo tiene 4 dimensiones observables. Hay que “compactificar” 6 de las 9 dimensiones espaciales “enrollándolas” en un tamaño muy  pequeño no observable. Para ello se usan las soluciones de las ecuaciones de Einstein en el vacío compatibles con la supersimetría, llamadas variedades de Calabi-Yau.

Un candidato a teoría de todo debe ser único. Las cinco teorías de supercuerdas contienen otros objetos fundamentales, como las D-branas, los espacios donde viven los extremos de las supercuerdas abiertas. Gracias a estos otros objetos se desveló una extensa red de dualidades que relacionan las cinco teorías de cuerdas y la supergravedad en 11 dimensiones.

La “segunda revolución” de las cuerdas llegó en 1995. Cuando el famoso físico Edward Witten observó que parecía existir una teoría única, que llamó teoría M, que observada desde diferentes puntos de vista aparecía como diferentes teorías duales entre sí en 9, 10, 11 y hasta 12 dimensiones. Por desgracia, la teoría M es aún demasiado complicada y contiene objetos fundamentales, como las M-branas, que aún no entendemos bien.

Y está el problema del paisaje, hay un enorme número de vacíos de la teoría M y no sabemos cuál describe nuestro universo. Pero la teoría de cuerdas va mucho más allá… es un poderoso marco teórico, un lenguaje físico-matemático, que permite usar en pie de igualdad el lenguaje geométrico de la relatividad con la física cuántica de las partículas… Gracias al trabajo en 1998 del físico argentino Juan M. Maldacena podemos usar agujeros negros para entender los materiales superconductores, o el plasma de quarks y gluones, o incluso la turbulencia en fluidos.

La teoría de cuerdas es una teoría para unificarlas a todas… Una herramienta para describir sistemas físicos donde hay partículas de espín semientero y partículas de espín entero, como la superconductividad de alta temperatura crítica. En estos materiales que conducen electricidad sin pérdidas conviven electrones y pares de Cooper, parejas de electrones.

Cuando los superconductores de alta temperatura crítica pierden la superconductividad aparece una resistencia eléctrica que crece con la temperatura. La teoría de cuerdas predice una resistencia mínima, que ha sido observada en los experimentos. En el plasma de quarks y gluones la teoría de cuerdas predice una viscosidad mínima, también observada por los experimentos. Quizás no llegue a ser la teoría de todo final. Pero seguro que acabará siendo una herramienta estudiada por todos los físicos. Sin lugar, a sus 50 años, la teoría de cuerdas es aún muy joven.

¡Gracias!



5 Comentarios

  1. Fantástico Francis!

    Siempre es bueno recomendar a sus lectores libros de la historia de la teoría de cuerdas como el editado por Capelli: https://francis.naukas.com/2015/07/21/resena-the-birth-of-string-theory-editado-por-andrea-cappelli-et-al/

    Me permito recomendar los siguientes escritos, son muy emocionantes y muy educativos:
    The Early Years of String Theory: A Personal Perspective. John Schwarz https://arxiv.org/abs/0708.1917
    Memories of a Theoretical Physicist – Joseph Polchinski https://arxiv.org/abs/1708.09093
    Interview with John Schwarz (algo largo) http://oralhistories.library.caltech.edu/116/1/Schwarz_OHO.pdf
    The Past and Future of S-Matrix Theory. Alan White: https://arxiv.org/abs/hep-ph/0002303

  2. Hola Francis,

    Muy buena la charla. Estas predicciones comprobadas en superocnductores tienen que ver con el modelo Subir-Ye-Kitaev? De lo que tengo entendido son modelos que usan la dualidad gauge/gravedad y que esta dualidad nace en el marco de la teoria de cuerdas. Lo que no tengo tan claro es hasta que punto la comunidad de fisicos experimentales confia en las herramientas de la teoria de cuerdas,
    Ya te lo pregunte alguna otra vez, pero me gusta seguir imaginandome un futuro en el que Maldacena y alguno mas (Sachdev entre ellos?) ganen un Nobel por la dualidad Ads/CFT y Ads/CMT. Crees que es prematuro?

    Saludos!

    1. Javier:

      -Las predicciones en superconductores de las que habla Francis no tienen relación con el modelo SYK, este último es una teoría del campo en una dimensión cuyo límite a baja energía tiene por “dual holografico” una gravedad en dos dimensiones (gravedad de JT), las aplicaciones del modelo SYK a la superconductividad están comenzando. Me parece que Francis se refiere a las aplicaciones en el contexto de AdS(5)/CFT4.

      -Es en mi modesta opinión virtualmente imposible que le den un premio Nobel a Maldacena, pero Maldacena no lo necesita, ya es inmortal y del lado mundano se puede mencionar que el Breakthrough Prize y básicamente todo premio para los logros teóricos sobresalientes como la medalla Dirac ya son suyos.

      – ¿Qué tanto habría de confiar un teórico de materia condensada o de alta energía en las predicciones de la teoría de cuerdas?. Esa es una pregunta interesante que no es posible contestar; QCD tiene un parecido bellísimo con la teoría, pero al día de hoy no hay una descripción cuerdística de QCD, lo que es un hecho es que la teoría de cuerdas es una herramienta que permite estudiar de manera eficaz sistemas cuánticos fuertemente acoplados y eso ya es un logro profundo. Queda para el futuro averiguar hasta que punto la teoría de cuerdas es una herramienta universal.

      -¿Toda relación Gauge/gravedad consistente es parte de una teoría de cuerdas?, esa es una pregunta gigante que tiene relación con la equivalencia teoría de cuerdas = teoría de gravedad cuántica consistente. Con la teoría de cuerdas se pueden construir cientos (sí literalmente cientos!) de ejemplos AdS(d)\CFT(d-1) para 6 > d > 2, el modelo BFSS, IKKT, “large N dualities” en cuerdas topológicas, linear dilaton gravity contra la teoría (2,0) es seis dimensiones, AdS(4)xS^{7} contra ABJM, el dual holográfico a una pila de N cuerdas heteróticas, D3 branas provando singularidades de orbifold (Einstein-Sasaki contra quiver gauge theories”), Kerr\CFT, la conjetura AGT, Vasiliev contra modelos O(N) vectoriales (y todas sus versiones upersimétricas) dualidades de Seiberg, Landau-Ginzburg contra modelos sigma etc.

      Pero hasta el momento el modelo SYK no tiene un origen cuerdístico, sin embargo no sería de extrañar que tal encaje existiese, prácticamente todas las teorías de gravedad consistentes supersimétricas (Supergravedades) y no supersimétricas (Gravedad 4d auto-dual, Horava-Lifshitz, teoría de Vasiliev, Liouville gravity, los modelo CGHS y RST etc.) tienen un origen cuerdísitico salvo dos (a mi saber) y son gravedad de JT y gravedad pura en 3d. Sin embargo la gravedad de JT tiene conexiones profundas con la teoría de Liouville (que tiene su origen en teorías de cuerdas no críticas) y el dual holográfico de gravedad pura en 3d fue identificado como la reducción dimensional de la cuerda bosónica en el lattice de Leech, por lo que no sería de extrañar que también fueran parte de la teoría de cuerdas. Y en caso de que JT no sea consistente (y por consiguiente la holografía que define) se puede hacer notar que admite una versión supersimétrica 😉

      Como diría Witten: “No hay alternativas todas las buenas son parte de la teoría de cuerdas” 😉

      Saludos!

  3. Estupendo resumen histórico de la teoría de cuerdas, mi mas calurosa enhorabuena.
    De esta manera se pone blanco sobre negro de nuevo, la grandiosa vanidad de los científicos. Yo los entiendo. se emocionan con la belleza de la naturaleza, no es para menos, el sentimiento de entender los echos naturales a un cierto grado de profundidad es superior a cualquier experiencia (incluso sexual) y entonces uno se cree Dios. Vamos a ver no es normal esa obsesión con la religión, que si partícula de Dios, que si teoría del todo, que si multiversos por doquier, … ¿por que esa envidia a la religión?
    Tus palabras al final de la charla son premonitorias “quizás no sea la teoría del todo” yo añadiría pero y lo que nos hemos reído ¿que?
    ¿Pero donde vamos? ¿la teoría del todo?? no tenemos ni P. I. pero y la cantidad de cosas que quedan fuera ¿donde vamos con la teoría del todo?, se nos ha ido la pinza total. Ya nos paso a finales del XIX con la geometría, luego con el álgebra, mas antes con la mecánica, etc. Seguimos tropezando en la misma piedra, un poquito de humildad por favor. Os aseguro que el infinito es mas grande que lo que nos pueda caber en la cabeza (que religioso me ha quedado esto).

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