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| La teoría de Supercuerdas afirma que hay 10 dimensiones en nuestro universo. |
Científicos japoneses creen que pueden tener una explicación de cómo un universo de tres dimensiones surgió a partir de las nueve dimensiones del espacio. Ellos describen sus cálculos de superordenador simulando el nacimiento de nuestro universo en un artículo que aparecerá próximamente en el Physical Review Letters.
La teoría del Big Bang sobre el nacimiento del universo ha sido apoyada por algunas pruebas muy convincentes de observación, incluyendo la medición de la radiación cósmica de fondo y la abundancia relativa de elementos.
Pero mientras que los cosmólogos pueden mirar atrás en el tiempo a unos pocos segundos del Big Bang, en el momento mismo de su aparición, cuando el universo era sólo un minúsculo punto, en ese momento, la física que conocemos y amamos se rompe. Necesitamos un nuevo tipo de teoría, que combine la relatividad con la mecánica cuántica, para dar sentido a ese momento.
En el transcurso del siglo 20, los físicos cuidadosamente improvisado un razonablemente eficiente "modelo estándar" de la física. El modelo que desarrollaron casi funciona, sin tener que recurrir a dimensiones extra. Este modelo combina el electromagnetismo con las fuerzas nucleares fuertes y débiles (a temperaturas imposiblemente altas), a pesar de las diferencias en sus respectivas fortalezas, y proporciona un marco teórico puro para la gran y ruidosa "familia" de las partículas subatómicas.
Sin embargo, hay un enorme agujero. El modelo estándar no incluye la fuerza de gravedad. Es por eso que Jove, el físico de la novela de Jeanette Winterson, “Gut Symmetries”, llama al Modelo Estándar "lona volante" - es "grande, fea, útil, cubre lo necesario y hace caso omiso de la gravedad." La teoría de las supercuerdas pretende tapar ese agujero.
Cuerdas tirando
De acuerdo con los teóricos de cuerdas, están las dimensiones espaciales que todos experimentamos cada días, una dimensión de tiempo y seis dimensiones extra arrugadas en la escala de Planck como diminutos fajos de papel. Tan pequeñas como son estas dimensiones, las cuerdas - la unidad más fundamental en la naturaleza, que vibran hacia abajo en la escala de Planck - son todavía más pequeñas.
Toda la materia (y todas las fuerzas) están compuestos de estas vibraciones - incluyendo la gravedad. Y una de las formas en que las cuerdas pueden vibrar corresponde a una parcela que mediaría la gravedad.
¡Voilá! La relatividad general ha sido cuantificada. Y eso significa que la teoría de cuerdas podría ser utilizado para explorar el punto infinitamente pequeño del que nació nuestro universo (o, para el caso, la singularidad que se encuentra en el centro de un agujero negro).
Simetría rota
Hay un escollo más y es todo este asunto de dimensiones extra, cuando nuestro mundo tal y como lo percibimos tiene sólo tres. Los físicos han elaboraron un escenario hipotético bastante convincente de cómo ha podido suceder esto.
Antes del Big Bang, el cosmos era un universo simétricamente perfecto de nueve dimensiones (o diez, si se añade en la dimensión del tiempo) con las cuatro fuerzas fundamentales unificadas a temperaturas inimaginablemente altas. Sin embargo, este universo era muy inestable y se partió en dos, enviando una onda de choque inmensa reverberando a través del cosmos embrionario.
El resultado fue dos espacio-tiempo distintos: el desplegado en tres dimensiones que habitamos y uno de seis dimensiones que se contrajo con la misma violencia el nuestro se expandió, quedando reducido a una pequeña bola de Planck. A medida que nuestro universo se expandía y enfriaba, las cuatro fuerzas se separaron, una por una, comenzando por la gravedad. Todo lo que vemos a muestro alrededor hoy en día es sólo un fragmento del universo original de nueve dimensiones destruido.
Imagínate que estás tratando de hacer la cama un día que has lavado las sábanas, pero la sábana se ha reducido ligeramente con el lavado. Te las arreglas para que llegue a caber alrededor de las cuatro esquinas de la cama, pero la sábana se estira con tanta fuerza que apenas se mantiene en su lugar.
Hay demasiada tensión en el tejido, por lo que, inevitablemente, una esquina se suelta, haciendo que la sábana comienza a arrugarse en esa esquina. Claro, puedes forzar a esa esquina a volver a su lugar, pero una vez más, la tensión es demasiado grande y se suelta otra esquina.
Al igual que la sábana, la fabrica original de espacio-tiempo que tenia 10 dimensiones se tensó en un estado súper-simétrico. Pero la tensión se hizo demasiado grande, y el espacio-tiempo se rompió en dos. Una parte se arrugó en una pequeña bola, mientras que la réplica de la catastrófica rotura cósmica hizo que la otra parte se expandiese rápidamente durante un período conocido como la inflación. Esto se convirtió en nuestro universo visible.
Los dolores de parto
¿Cuál es el mecanismo por el cual ocurrió todo esto? Para un universo de diez dimensiones, hay millones de formas de que la súper-simetría se rompa. Entonces, ¿hay algo especial en un espacio de tres dimensiones que haga que esta configuración sea favorecida por el propio universo? Las nuevas simulaciones pueden ayudar a arrojar algo de luz sobre por qué esta ruptura de la simetría podría haber desarrollado la forma en que lo hizo. Esto es lo que muestra una simulación de Japón: el universo tenía nueve dimensiones espaciales en su nacimiento, pero sólo tres de ellas experimentaron un desarrollo. Es la primera demostración práctica de cómo un universo tridimensional surge de nueve dimensiones del espacio, dando un fuerte apoyo en favor de la validez de la teoría.
Junio Nishimura (KEK), Asato Tsuchiya (Universidad de Shizuoka) y Sang-Woo Kim (Universidad de Osaka) abordaron el problema utilizando una formulación de la teoría de cuerdas conocido como el modelo de matriz IKKT (llamado así por los científicos que la desarrollaron en 1996, Ishibashi, Kawai, Kitazawa, y Tsuchiya). Está diseñado para modelar las complejas interacciones de las cuerdas.
Por muy complicadas razones técnicas, la conexión entre el modelo IKKT y el mundo real son un poco vagas, sobre todo porque (a) se supone que las interacciones son débiles, cuando en realidad las interacciones entre las cuerdas son muy fuertes, y (b ) la variable de tiempo en los cálculos no se consideró como "real" en un sentido matemático. Estas nuevas simulaciones asumen esas fuertes interacciones y tratan el tiempo como una variable real.
Así que el mensaje con el que debemos quedarnos es que los teóricos de cuerdas tienen ahora una herramienta útil para analizar las predicciones de la teoría de las supercuerdas con simulaciones por ordenador, arrojando luz sobre problemas tan espinosos como la inflación, la materia oscura y la expansión acelerada del universo. Y también explica por qué nuestro universo se ve como lo hace.
Fuente: LiveScience 20 de enero de 2012
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