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Dimensiones más altas, D.branas, simetrías…

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (3)

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La infinitud de la creación es suficientemente grande como para hacer que un mundo, o una Vía Láctera de mundos, parezca, en comparación con ella, lo que una flor o un insecto en comparación con la Tierra,

Immanuel Kant

Una simple región de nuestro Grupo Local de Galaxias ya resulta de una inmensidad que, nuestras mentes tridimensionales, difícilmente llegan a comprender. La infinitud de las distancias espaciales nos han obligado a crear medidas especiales para poder controlar las enormes distancias a las que están situados los objetos celestes.

Al mencionar dimensiones más altas (ahora trabajamos con tres de espacio y una temporal), se me ocurre, como ejemplo cotidiano y sencillo, el referirme al general que, escondido con su ejército en la profundidad de un enorme valle, no sabía qué estrategia emplear para vencer a sus enemigos. Pensando en cómo resolver el problema, ascendió con sus capitanes a lo alto de la montaña, y con sorpresa vio desde aquella altura todas las posiciones enemigas. Así, de aquel nuevo conocimiento, adquirido al subir más alto, pudo extraer consecuencias de lo que vio para preparar la estrategia adecuada y alcanzar la meta, en este caso, la victoria.

El enemigo bien localizado desde arriba no presiente lo que le espera

Pues, de la misma manera, nosotros también estamos obligados a subir a la montaña que nos permita ver más allá de las matemáticas topológicas, más allá de las fluctuaciones de vacío, más allá de los quarks, más allá de las singularidades y… ¿por qué no decirlo?, más allá de nuestro propio universo. No podemos olvidarnos de que dentro de varios eones, nuestro universo podría morir. Estamos obligados a buscar la manera (si existe) de escapar de ese destino fatal.

Lo cierto es que, en este mundo nuestro y con nuestra conformación y percepciones, no será nada fácil acceder a ese otro mundo (si en verdad existe) de más dimensiones, ya que, aparte de las tres espaciales y la temporal que añadió la relatividad general de Einstein, por muchos esfuerzos que hemos realizados, las otras dimensiones extras sólo han aparecido en las matemáticas.

Si el universo finalmente se convierte en una singularidad que es una región donde (según las leyes de la relatividad general) la curvatura del espacio-tiempo se hace infinitamente grande, y el espacio-tiempo deja de existir, toda vez que la singularidad es también una región de gravedad de marea infinita, es decir, una región donde la gravedad ejerce un tirón infinito sobre todos los objetos a lo largo de algunas direcciones y una compresión infinita a lo largo de otras.

Región de una densidad inusitada donde se concentra la masa en una fase más alla de la neutrónica, desconocida, que se reduce y reduce hasta desaparecer, sólo deja a su alrededor un disco de acreción de extrema energía que marca el horizonte de suscesos, la linea de irás y no volveras. A partir de ese momento, el Agujero negro engullirá todo lo que por sus dominios pueda pasar y la singularidad, se hará más y más densa cada vez.

Después de crear un horizonte de agujero negro a su alrededor, dicen las ecuaciones que describen este fenómeno, la materia toda que compone nuestro universo, continuará implosionando, inexorablemente, hasta alcanzar densidad infinita y volumen cero, creándose así la singularidad que estará fundida con el espacio-tiempo.

Si eso ocurre (como es muy posible), seguramente, de esa “nada” que se ha formado, más pronto o más tarde surgirá mediante una enorme explosión un nuevo universo, que no sabemos si será igual, con las mismas fuerzas y las mismas leyes que el que ahora tenemos.

Así que, si todo esto resulta ser así, ¿no sería una irresponsabilidad el no hacer nada? ¡Claro que sí! Tenemos que continuar, cada uno en la medida de sus posibilidades, procurando avanzar hacia un futuro de profundos conocimientos que nos permitan, algún día lejano, muy lejano, situado en eso que llamamos futuro, escapar de ese escenario de destrucción.

                    Es una de las maneras que han sido postuladas para el surgir de un universo a partir de agujeros negros muy masivos

Si por el contrario, el final del universo no es el Big Crunch, y resulta que estamos viviendo en un universo plano con expansión eterna, tampoco parece que el panorama sea más alentador; sólo varía que, en lugar de terminar con una enorme bola de fuego a miles de millones de grados, el alejamiento paulatino de las galaxias por la expansión imparable del universo, nos traerá el frío del cero absoluto, -273 grados, con lo cual, de la misma manera, el final sería igual de triste para nosotros: la desaparición de la Humanidad.

                               Galaxias que se alejan las unas de las otras haciendo más y más frío el espacio interestelar por falta de materia

Como nos queda mucho tiempo para llegar a ese hipotético final, retomemos mejor otras cuestiones futuras, pero más cercanas.

¿Qué son las D-branas? ¿Por qué las requiere la teoría de cuerdas? La respuesta básica a la segunda pregunta es que dan sentido a las cuerdas abiertas que intervienen en la teoría tipo I: cada uno de los dos extremos de una cuerda abierta debe residir en una D-brana. Pero dos extremos de la cuerda abierta residen en un subespacio (q + 1)-dimensional de género tiempo llamado una D-brana, o D-q-brana que es una entidad esencialmente clásica (aunque posee propiedades de supersimetría), que representa una solución de la teoría de supergravedad 11 dimensional.

En todo esto habrá que estar atentos a lo que nos pueda decir la topología, esa rama de la geometría que se ocupa de las propiedades de los objetos geométricos que permanecen inalterables bajo deformaciones continuas, como el doblado o el estirado. Las técnicas matemáticas que emplean la topología son de gran importancia en las teorías modernas de las interacciones fundamentales.

En respuesta a la primera pregunta, una D-brana es una estructura de género tiempo, como más arriba indico, 1 + q dimensiones espaciotemporales. Invocando una de las dualidades de la teoría M, alternativamente podemos considerar una D-brana como una solución de las ecuaciones de alguna otra versión de la teoría M de cuerdas.

Las D-branas aparecen en muchas discusiones modernas relacionadas con las cuerdas (por ejemplo, en la entropía de los agujeros negros). Suelen tratarse como si fueran objetos clásicos que yacen dentro del espacio-tiempo completo 1 + 9 (o 1 + 10) dimensiones. La “D” viene de “Dirichlet”, por analogía con el tipo de problema de valor de frontera conocido como un problema de Dirichlet, en el que hay una frontera de género tiempo sobre la que se especifican datos (según Peter G. Lejeune Dirichlet, un eminente matemático francés que vivió entre 1.805 y 1.859).

Con la introducción de tales D-branas, varios teóricos han expresado una “filosofía de cuerdas” que parece representar un profundo cambio respecto a lo anterior. En efecto, se afirma con cierta frecuencia que podríamos “vivir en” esta o esa D-brana, lo que significa que nuestro espacio-tiempo percibido podría yacer realmente dentro de un D-brana, de modo que la razón de que no se perciban ciertas “dimensiones extra” se explicaría por el hecho de “nuestra” D-brana no se extiende a esas dimensiones extra.

La última posibilidad sería la postura más económica, por supuesto, de modo que “nuestra” D-brana (una D-3-brana) sería de 1 + 3 dimensiones. Esto no elimina los grados de libertad en las dimensiones extra, pero los reduce drásticamente. ¿Por qué es así? Nuestra perspectiva ahora es que somos “conscientes” de los grados de libetad que están implicados en el interior profundo del espacio de mayores dimensiones entre las D-branas, y es en esto donde se está dejando sentir la excesiva libertad funcional.

Sólo vamos a ser conscientes de dimensiones extra allí donde inciden directamente sobre las D-brana en la que “vivimos”. Más que una imagen de tipo “espacio cociente” que evoca la analogía de Kaluza-Klein original:

d-brana

El gráfico representa un modelo de manguera de un espacio-tiempo de dimensiones más altas de tipo Kaluza-Klein, donde la longitud, o mejor, la dimensión a lo largo de la longitud de la manguera representa el 4-espacio-tiempo normal, y la dimensión alrededor de la manguera representa la dimensión extra “pequeñas” (quizá escala de Planck). Imaginemos un “ser” que habite en este mundo, que rebasa estas dimensiones extra “pequeñas”, y por ello no es realmente consciente de ellas.

Así, nuestro espacio-tiempo observado aparece ahora como un subespacio 4-dimensional del espacio real de dimensiones más altas. Con algo de imaginación, lo podemos visualizar en nuestra mente.

           Es posible que en el Universo estén presentes dimensiones que no podemos percibir. Sin embargo, las estamos buscando.

¿Cuánta libertad funcional esperamos ahora? La situación es ahora algo parecida a la imagen geométrica que hemos adoptado en el gráfico para obtener una perspectiva más convencional con respecto a la “supergeometría”. Puesto que ahora estamos interesados solo en el comportamiento en la D-brana (que suponemos que es geométricamente una (1 + 3)-superficie ordinaria), podemos imaginar que nuestra libertad funcional se ha convertido en una aceptable libertad_funcional, aunque para un M bastante grande. Sin embargo, incluso esto supone que la restricción de la dinámica en el 10-espacio (un 11-espacio) completo nos proporciona ecuaciones dinámicas dentro de “nuestra” D-brana 4-dimensional que son del tipo convencional, de modo que bastarán los datos iniciales en una 3-superficie para determinar el comportamiento en todo el 4-espacio. Esto es difícilmente probable, en general, de modo que aún cabe esperar un excesivo libertad_funcional. ¡El problema no ha desaparecido todavía!

Tal actitud hacia las D-branas se ha utilizado para intentar resolver el problema de la jerarquía del gráfico siguiente:

supersimetria

Según cierta perspectiva de “gran unificación”, las constantes de acoplamiento de las interacciones fuerte, débil y electromagnética, tratadas como constantes de acoplamiento móviles, deberían alcanzar exactamente el mismo valor a temperaturas suficientemente grandes, aproximadamente 1028 K, que se habrían dado alrededor de 10.000 instantes de Planck después del Big Bang (~10-39 s). Se ha visto que la supersimetría es necesaria para resolver que los tres valores coincidan exactamente.

En concreto, esta es la cuestión de por qué las interacciones gravitatorias son tan minúsculas comparadas con las demás fuerzas importantes de la naturaleza o, de manera equivalente, por qué es la masa de Planck tan enormemente mayor que las masas de las partículas elementales de la naturaleza (en un factor de, aproximadamente, 1020). La aproximación de la D-brana a este problema parece requerir la existencia de más de una D-brana, una de las cuales es “grande” y la otra “pequeña”. Hay un factor exponencial involucrado en cómo se estira la geometría desde una D-brana hasta la otra, y esto se considera una ayuda para abordar la discrepancia en 1040, más o menos, entre las intensidades de la fuerza gravitatoria y las otras fuerzas.

Claro que, a todo esto, quién sabe la realidad de la dinámica de la que se vale el Universo para conseguir las cosas que en él podemos contemplar. Algunas nos son conocidas, otras están en la más espesa oscuridad, y, a medida que podamos ir desvelando esos secretos, nuestras mentes evolucionaran y entraran en nuevas fases de comprensión que nos llevarán hacia un nuevo Universo

Se puede decir que este tipo de imagen de espacio-tiempo de dimensiones más altas, que se estira desde la frontera de una D-brana hasta la otra, es uno de los tipos de geometría sugeridos por las teorías 11 dimensionales, tales como la teoría M, donde la undécima dimensión tiene la forma de un segmente abierto, y la geometría de cada frontera tiene la forma topológica (por ejemplo, M×V) de los 10 espacios considerados antes. En otros modelos, la undécima dimensión es topológicamente S1.

La Gravedad que tira de la luz como si de algo suyo se tratara

¿Qué harán de todo esto los físicos con respecto al estatus de la teoría de cuerdas como una teoría física para el futuro?

Hemos podido llegar a comprender la evolución de los átomos en las estrellas, y, sabemos también de qué materiales están hechas y por qué brillan en esa que llamamos la secuencia principal. De la misma manera, llegaremos a comprender lo que es una singularidad, de qué está hecha, o, en que se ha convertido aquella materia primera que la formó, entraremos en ese “nuevo mundo de las más altas dimensiones” y, no es de extrañar que, pasado algún tiempo, podamos hablar de formas viajeras que ahora, no podríamos comprender.

El final de esto esto es: ¡Viajar a las Estrellas! Allí están nuestros orígines y hacia allí nos encaminamos.

emilio silvera

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 26 de marzo del 2012 a las 12:23

    ¡¡La Física!! ¡Cuántas maravillas!
    Los teóricos atisban los rincones oscuros de la Naturaleza y trataán de “ver” lo que esconden. Ellos, poniendo en marcha los conocimientos ya adquiridos, los dejan en manos de la imaginación y la intuición les habla, les dice que allí, i, allá, podrían estar esos parámetros que nos faltan, esas partículas que aún no pudimos encontrar, e, incluso, les señala dónde podrían estar situadas las cuerdas que, como suponen, tienen las respuestas de la Gravedad Cuántica de de tantas cosas…
    De la mano de la Física, sí que podremos alcanzar el futuro.
    De la mano de la Física, llegaremos a conocer el Universo.
    Si recorremos el camino que nos falta por andar, y, la Física viene con nosotros…, no nos perderemos.
    La Física, amigos míos, será para nosotros, la mejopr compañera.
    Un saludo cordial

    Responder
    • 1.1
      kike
      el 26 de marzo del 2012 a las 19:42

      ¡Como se te nota que eres un enamorado de la física amigo Emilio!.

       PD: aunque últimamente no comento mucho que digamos, sigo a diario tu blog.

       Un abrazo.

      Responder
      • 1.1.1
        emilio silvera
        el 27 de marzo del 2012 a las 6:17

        Amigo Kike, querido amigo: Cierto es que la Física es una de mis pasiones y en ella, veo muchas de las soluciones que el mundo necesita. El LHC, por ejemplo, no está dedicado por entero (como algunos creen) a buscar el Bosón de Higgs, allí se trabaja en otros temas que no son del dominio del píblico y que están encaminado a buscar remedios para enfermedades, crear nuevos fármacos y, también otras actividades que buscan solucionar problemas cotidianos del día a día.
        Es lo normal que, las noticias salgan a la luz una vez alcanzados los objetivos y, mientras tanto, se trabaja en silencio. Son muchos los lugares del Mundo en los que se están haciendo avances asombrosos en el campo de la Física que, en el futuro próximo, estará en nuestras manos para facilitarnos…¡tántas cosas!
        Y, en cuanto a tus apariciones, no te preocupes amigo, todos tenemos “cosas” que atender y, no siempre podemos disponer de ese “tiempo” que, aunque ínfimo, ya está ocupado por otras obligaciones de más peso y, si simplemente pasas y echas una mirada, habrás visto a tus amigos y sabrás, que todo marcha según lo previsto y, con ello, todos contentos.
        Un abrazo.
        PD.
        Sabemos de tu lealtad y, desde luego, en tu caso, las explicaciones están demás. Se podría decir, sin temor a equivocarnos que, eres parte del equipo que creó este lugar. Al menos, así lo considero yo.

        Responder

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