Gravitació quàntica. Teories supergravitatorias
1987/02/01 Martinez Lizarduikoa, Alfontso Iturria: Elhuyar aldizkaria
Introducció
L'èxit obtingut per l'electrodinàmica quàntica empeny als científics a unificar el camp electromagnètic i el feble, per al que és necessari idear una simetria gauge més poderosa. Aquesta nova simetria es basa en la simetria isotòpica del spin i en la ruptura brusca de la simetria. Aquesta teoria electrodébil es va confirmar experimentalment en 1983.
En aquest sentit, s'està tractant de teoritzar una zona de gauge més potent amb la finalitat de conjuminar forces violentes. S'han creat les teories BHT (1). Aquestes teories encara no han estat confirmades experimentalment. Però la física teòrica no pot esperar i ha començat a teoritzar un altre camp més ampli per a unificar el gravitatori amb les forces anteriors. L'objectiu de la gravitació quàntica és aconseguir aquesta teoria superamplia.
1.- Univers de bosons i fermions
Les Teories de Major Unitat (TMH) agrupen tres àrees del món físic, però no la quarta, la gravitació. La gravetat té una gran resistència per a unir-se amb altres forces.
En aquest context sorgeixen dos problemes. D'una banda no coneixem la simetria necessària per a unir les quatre forces. D'altra banda, encara no disposem d'una teoria gravitatòria que pugui ser compactadora de la mecànica quàntica, ja que quan es vol definir la gravitació mitjançant l'intercanvi de gravitons (quants del camp gravitatori), apareixen infinits eliminant la teoria.
Però sabem què es pot fer perquè aquests infinits desapareguin: Crear una simetria més potent que la que té fins ara qualsevol teoria. I aquest va anar precisament el camí triat per la física teòrica. En 1970 els físics van promulgar les primeres teories supergravitatorias. La simetria utilitzada en aquestes teories és tan poderosa que suma totes les forces existents en la naturalesa. Per això aquestes teories es denominen supersimétricas.
La supergravitación és una generalització de la teoria de la relativitat d'Einstein. La supergravitación descriu els fenòmens gravitatoris a nivell quàntic.
La supergravitación és una formulació supersimétrica de la gravitació. Aquesta supersimetría va ser formulada al començament de l'any 70 per tres camins independents. Aquestes recerques es van dur a terme als Estats Units, Unió Soviètica i Europa.
L'essència d'aquests estudis és aquesta. Totes les fraccions que hi ha en l'univers es poden dividir en dos grups quant al seu spin: Els dos grups són bosons i fermions. Els bosons són partícules que contenen absència de spin o simplement spin. No fermions: aquestes tenen fraccions de spin. Això, malgrat ser molt dur per a la nostra ment, significa que aquestes partícules tenen una doble rotació.
El comportament d'aquesta mena de fraccions distribuïdes és molt curiós. Els fermones no volen tenir relació amb altres partícules de la seva família. Aquesta conducta queda definida pel principi d'exclusió de Pauli. Segons aquest principi, dos fermis no poden repartir entre sí un mateix número quàntic.
Davant aquest comportament tan egoista, tenim bosons. Aquests no posen obstacles per a treballar entre si i s'agrupen en grups fins a un nivell, multiplicant els seus efectes, que poden ser detectats macroscópicamente a través de les nostres eines de mesurament.
Com a conseqüència d'aquest comportament, els mons dels fermions i els bosons han estat considerats en el món científic com una constant fusió. Per això, aquestes teories supergravitatorias van ser preses amb exclamació, ja que els seus fonaments estaven en la unió de bosons i fermions.
2.- Supersimetría
Matemàticament, una operació de supersimetría és la realització de dues arrels de la simetria de Lorentz/Poincaré. Físicament equivalent és convertir el fermi en un bosó (o viceversa).La teoria supersimétrica es basa en elements numèrics que no presenten una característica commutativa. La raó d'introduir aquests números està relacionada amb el principi d'exclusió de Pauli. Aquest principi prohibeix la coexistència de dos fermions en un punt.
L'origen de la supergravedad es basa en un coneixement sorprenent de la supersimetría. La transfomación del bosó de fermions, és a dir, una partícula es mou d'un punt a un altre al llarg del temps espacial. Si el desplaçament d'aquesta partícula s'obté mitjançant una transformació supersimétrica, aquesta suggereix una relació profunda entre la supersimetría i l'estructura espacial.
Si a més la repetició de la transformació de la supersimetría és la transformació de Poincaré i es té en compte que la invariància reduïda de Poincaré és la simetria que produeix la relativitat general, d'aquí es dedueix que existeix una connexió molt estreta entre supersimetría i gravitació. Per aquest motiu els físics teòrics hagin començat a estudiar les teories supersimétricas.
Gauge és la base de la teoria supersimétrica, com s'ha esmentat anteriorment, el desplaçament en el temps espacial de les dues rotacions supersimétricas. Físicament pot interpretar-se com: La repetició de la transformació d'una supersimetría provoca el desplaçament d'una fracció física.
Per a aconseguir una teoria supersimétrica reduïda, hem d'afegir a cada simetria (rotació) un camp de serp. Mentrestant, el desplaçament en el temps espacial és la transformació de Poincaré. Aquesta transformació fa que el gravitó es consideri com a partícula gauge adequada. Així, sense més, la teoria supersimétrica es transforma en una teoria supergravitatoria.
Si és supergravedad, ens dóna una descripció de la relativitat general, sent el seu llenguatge quàntic. Aquesta teoria prediu l'existència de partícules de spin 3/2. L'observació experimental d'aquestes partícules donaria un gran impuls a la supergravitación.
3.- Teories generals de la supergravitación
La supergravedad abans esmentada s'ha generalitzat en el conjunt de la teoria unificada, coneguda com a teoria general de la Supergravitación.
En aquest grup tenim 8 teories. Entre elles, N=1 (2), gravitació en la seva forma original. I el més potent és N=8. En aquest model es defineix una família de fraccions molt abundant. En aquesta família tenim 70 partícules. Entre aquestes partícules es troben totes les que es coneixen en l'actualitat i d'altres que s'han de trobar. Un model així aglutina tots els camps de la física. Dit d'una altra manera, aquesta teoria seria un únic ens que controla tota la Naturalesa. En aquest marc, per primera vegada en la història de la ciència, la matèria i la força apareixerien en una sola descripció.
El major assoliment d'aquest conjunt de teoris és el grau de simetria que s'aconsegueix en ells. Quan la supersimetría s'uneix a la simetria interna, queden sumades totes les fraccions que el gravitó crea. I això és molt important perquè tots els diagrames es poden definir en funció del diagrama del gravitatori. I la suma de tots aquests diagrames (per a calcular la probabilitat d'interaccions) és finita. Per tant, aquestes teories són renormalizables.
La renormalización, la simetria profunda, la unitat de camps,... són els objectius que han aconseguit les teories supergravitatorias. Els físics (físics teòrics) gaudeixen d'una enorme confiança en aquestes teories. Hi ha qui diu que la teoria N=8 és el cim de la física teòrica.
Fins avui les teories físiques han estat preses com a models d'interpretació de la realitat. A mesura que milloraven aquests models, s'adequava la integració entre teoria i ralidad. Alguns científics d'avui dia s'han atrevit a explicar la següent opinió:
"La teoria supergravitatoria N=8 té una enorme adequació matemàtica amb la realitat, ja que aquesta no és ja el model de la realitat, sinó la realitat".
4.- Cuantización de la continuïtat espacial
La part més terrible i fosca de la gravitació quàntica és la influència que pot tenir la cuantización sobre el marc espacial.
Com ja s'ha esmentat anteriorment, per a l'obtenció de la teoria unificada la gravitació i la mecànica quàntica han de ser compactadores. Dit d'una altra manera, el camp gravitatori deu cuantizarse. No obstant això, segons la teoria general de la relativitat, el camp gravitatori no és més que una deformació de la contínua espacial.
En aquest punt es crea un nus important, ja que si es quantifica la gravetat, el propi marc de fenòmens físics (continu espaciotemporal) es converteix en objecte quàntic. I aquest últim tindrà enormes implicacions físic-filosòfiques.
En la teoria quàntica convencional dels camps, el substrat espacial era estable. En la teoria de la gravitació quàntica, aquest suport (substrat) no sols influirà en les fluctuacions quàntiques que es produeixen en el seu interior, sinó que també serà fluctuant.
Des d'aquest punt de vista, si analitzem el comportament del marc espacial a nivell de microcosmos, ens apareixeran tres nivells diferents.
En el primer nivell trobem el nucli de l'àtom a una altura espacial aproximada de 10 -12 cm (molt superior a la longitud dels Planck). A aquest nivell, les fluctuacions quàntiques del camp gravitatori són molt petites i la geometria del substrat pot considerar-se contínua.
Si el nivell de les distàncies baixa i aconseguim els 10 -30 cm (longitud d'ona al voltant dels Planck), ens submergim en l'escala BHT (3). A aquest nivell comencen a aparèixer fluctuacions importants en la geometria del substrat i ara apareix arrugat el que abans era una topologia plana.
Si continuem descendint en l'escala de distàncies, arribarem fins a la longitud de Planck (10-30 cm), la menor distància amb significat físic. Aquí la continuïtat espacial fluctua amb força, com si en el temporal ens trobéssim entre les ones de la mar. Aquest temps espacial està quantitzat i la seva estructura causal és fluctuant i indefinida.
En l'escala del camp de Planck no és possible distingir entre passada i futur. En aquestes distàncies tan petites, probablement poden produir-se processos que no es permeten en la relativitat no quàntica, com l'existència de velocitats superiors a la velocitat de la llum.
5.- Topologia variable
En aquest context sorgeix el concepte de topologia canviant inventat per Wheeler. L'extrapolació de zones fràgils a les àrees dels Planck, segons aquesta concepció, pot fer que les fluctuacions de la geometria siguin molt agressives en el mateix temps espacial generant forats negres. En aquesta situació, la topologia del substrat estaria molt alterada. En aquest marc, la violència i el desequilibri serien reis. Les estructures espacials temporals del suport serien molt complexes, creatives i desaparegudes.
Segons la teoria de Wheeler, l'excitació d'aquesta mar espacial tan agressiu es revelaria a si mateix a través de les partícules elementals. I la diferent naturalesa entre partícules ve donada per la topologia adjunta a cada excitació. Segons Wheeler, per a conèixer els comportaments de les fraccions troncals, abans hauríem d'entendre la naturalesa de l'estat de la gravitació quàntica. En la partícula elemental la fenomenologia quedaria reduïda a la química de la geometria.
Quin és el model matemàtic que es pot utilitzar per a descriure aquest caos quàntic?. Com descriure les transicions topològiques que es produeixen en aquest marc?
Alguns models ja han estat proposats (4), però en ambients científics no s'ha aconseguit un consens complet. Alguns científics han proposat considerar la geometria espacial com una realitat secundària. Aquesta realitat només tindria rellevància en les distàncies de Planck. Però aquesta explicació planteja un altre problema: Quin és el nou caràcter de la realitat si en la gravitació quàntica cal substituir el substrat espacial?
La resposta a aquesta pregunta s'està conformant per dos aspectes diferents. La primera diferència és el supergravitatorio, amb les seves poderoses simetries. D'altra banda, és la revisió dels mons multidimensionals creats per Kaluza i Klein fa seixanta anys, però reinterpretats ara des de la perspectiva de la perspectiva quàntica. Aquests universos multidimensionals seran els que analitzarem en el capítol següent.
OBSERVACIONS
- BHT: Teories del Batsunik Handiena GUT: Grand Unified Theories GTU: Grans teorias Unificades n és el número de gravitinos amb spin 3/2 de cada teoria. En aquesta escala quark i leptoie perden identitat i s'uneixen forces electromagnètiques, febles i violentes. Recentment, S.W. Hawking presenta un model matemàtic per a descriure la topologia espacial. En 1984 es presenta un càlcul pròxim per a la transformació d'aquesta topologia. Veure A. Strominger en bibliografia.
BIBLIOGRAFIA
- DAVIES, Paul: The edge of Infinity ; J.M. Dent and Sons Ltd. London, 1985.
- DE WIT Bryce: Gravetat relativa ; Scientific American, Feb, 1984
- J.M. DUFF ISHAM C.J. : Quàntum Structure of Space and Time ; University Press, Cambridge, 1982.
- STROMINGER, A.: Phys. Rev. Lett. , 52, 1733; (1984).
- WEINBER, S: Teorias unificades de les interaccions entre partícules elementals ; Scientific American, Juliol, 1974.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
