Introducción a la teoría M

En términos no técnicos, la teoría M presenta una idea sobre la sustancia básica del universo . Aunque no se conoce una formulación matemática completa de la teoría M, su enfoque general es el principal candidato para una " teoría universal del todo " que unifique la gravedad con otras fuerzas como el electromagnetismo . La teoría M busca unificar la mecánica cuántica con la fuerza gravitatoria de la relatividad general de manera matemáticamente consistente. En comparación, otras teorías, como la gravedad cuántica de bucles, son consideradas por físicos e investigadores como menos elegantes, ya que postulan que la gravedad es completamente diferente de fuerzas como la fuerza electromagnética. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

A principios del siglo XX, se demostró que el átomo  —considerado durante mucho tiempo el componente básico de la materia—  estaba formado por partículas aún más pequeñas llamadas protones , neutrones y electrones , conocidas como partículas subatómicas . En la década de 1960, comenzaron a descubrirse otras partículas subatómicas. En la década de 1970, se descubrió que los protones y neutrones (y otros hadrones ) están compuestos a su vez por partículas más pequeñas llamadas quarks . El Modelo Estándar es el conjunto de reglas que describe las interacciones de estas partículas.

En la década de 1980, surgió un nuevo modelo matemático de física teórica , la teoría de cuerdas . Esta teoría mostraba cómo todas las partículas subatómicas conocidas por la ciencia podían construirse mediante hipotéticas "cuerdas" unidimensionales, bloques de construcción infinitesimales que solo tienen la dimensión de longitud, pero no de altura ni anchura. Estas cuerdas vibran en múltiples dimensiones y, según cómo vibren, pueden observarse en el espacio tridimensional como materia, luz o gravedad. En la teoría de cuerdas, se afirma que toda forma de materia es el resultado de la vibración de cuerdas.

Sin embargo, para que la teoría de cuerdas sea matemáticamente consistente, las cuerdas deben existir en un universo de diez dimensiones . La teoría de cuerdas explica nuestra percepción del universo como de cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal) imaginando que las seis dimensiones adicionales están "enrolladas", tan pequeñas que no se pueden observar a diario. El término técnico para esto es compactificación . Estas dimensiones suelen adoptar la forma de objetos matemáticos llamados variedades de Calabi-Yau .

Se desarrollaron cinco teorías de cuerdas principales que resultaron ser matemáticamente consistentes con el principio de que toda la materia está compuesta de cuerdas. La existencia de cinco versiones diferentes de la teoría de cuerdas se consideraba un enigma.

En su intervención en la conferencia Strings '95 en la Universidad del Sur de California, Edward Witten, del Instituto de Estudios Avanzados, sugirió que las cinco versiones diferentes de la teoría de cuerdas podrían estar describiendo lo mismo visto desde distintas perspectivas. ^{[ 4 ]} Propuso una teoría unificadora llamada " teoría M ", que reunía todas las teorías de cuerdas. Lo hacía afirmando que las cuerdas son una aproximación de membranas bidimensionales enrolladas que vibran en un espaciotiempo de 11 dimensiones . Según Witten, la M podría significar "magia", "misterio" o "membrana", según la interpretación, y el verdadero significado del título debería determinarse cuando se comprenda mejor la teoría. ^{[ 5 ]}

La teoría M no está completa y las matemáticas que la sustentan aún no se comprenden del todo. La teoría M es una teoría de la gravedad cuántica; y, como todas las demás, no ha obtenido evidencia experimental que confirme su validez. ^{[ 1 ]} Tampoco distingue a nuestro universo observable como especial, por lo que no pretende predecir, a partir de primeros principios, todo lo que podemos medir sobre él.

Sin embargo, algunos físicos se sienten atraídos por la teoría M debido a su grado de singularidad y a su rico conjunto de propiedades matemáticas, lo que genera la esperanza de que pueda describir nuestro mundo dentro de un único marco.

Una característica de la teoría M que ha despertado gran interés es que predice de forma natural la existencia del gravitón , una partícula de espín 2 que, según la hipótesis, media la fuerza gravitatoria. Además, la teoría M predice de forma natural un fenómeno que se asemeja a la evaporación de un agujero negro . Existen teorías de unificación competidoras, como la gravedad asintóticamente segura , la teoría E8 , la geometría no conmutativa y los sistemas fermiónicos causales , que no han demostrado ningún nivel de consistencia matemática.

• Historia de la teoría de cuerdas

• Greene, B. (1999). El universo elegante: supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de la teoría definitiva . WW Norton . ISBN 978-0-375-70811-4.
• Greene, B. (2004). El tejido del cosmos: espacio, tiempo y textura de la realidad . Alfred A. Knopf . Bibcode : 2004fcst.book.....G . ISBN 978-0-375-41288-2.
• Miemic, A.; Schnakenburg, I. (2006). "Conceptos básicos de la teoría M". Fortschritte der Physik . 54 (1): 5– 72. arXiv : hep-th/0509137 . Código Bib : 2006ParaPh..54....5M . doi : 10.1002/prop.200510256 . S2CID 98007313 . 
• Musser, G. (2008). La guía completa para principiantes de la teoría de cuerdas . Alpha Books . ISBN 978-1-59257-702-6.
• Smolin, L. (2006). El problema de la física . Houghton Mifflin . ISBN 978-0-618-55105-7.
• Woit, P. (2006). Ni siquiera equivocados: El fracaso de la teoría de cuerdas y el desafío continuo de unificar las leyes de la física . Basic Books . ISBN 978-0-465-09275-8.

• El Universo Elegante : una miniserie de tres horas con Brian Greene, producida por NOVA (fechas de emisión originales en PBS: 28 de octubre y 4 de noviembre de 2003). Incluye diversas imágenes, textos, vídeos y animaciones que explican la teoría de cuerdas y la teoría M.