Un Universo de 3 dimensiones nació de las 10 dimensiones de la Teoría de Supercuerdas.

Superstrings: A computer’s graphical representation of multi-dimensional spacetime. (Credit: Jean-Francois Colonna)

El mecanismo que explica por qué nuestro universo nació con 3 dimensiones: un rompecabezas de 40 años de edad, de la Teoría de las Supercuerdas resueltos por una supercomputadora.

Un grupo de tres investigadores de la KEK, de la Universidad de Shizuoka y la Universidad de Osaka, han por primera vez revelado la forma en que nació nuestro universo con 3 dimensiones espaciales desde una Teoría de Supercuerdas (1) de 10 dimensiones en la cual el espacio-tiempo cuenta con 9 direcciones del espacio y una dirección temporal. Este resultado se obtuvo mediante la simulación numérica en una supercomputadora.

Resumen

Según la cosmología del Big Bang, el universo se originó en una explosión desde un pequeño punto invisible. Esta teoría está respaldada por la observación del fondo cósmico de microondas (2) y la abundancia relativa de elementos. Sin embargo, una situación en la que el universo entero es un diminuto punto excede el alcance de la teoría general de la relatividad de Einstein, y por esa razón no ha sido posible aclarar cómo el universo actual se originó.

En la teoría de supercuerdas, la cual es considerada como la “teoría del todo”, todas las partículas elementales se representan como varios modos de oscilación de cuerdas muy pequeñas. Entre los modos de oscilación, hay una que corresponde a una partícula que media y produce la gravedad, y por lo tanto la teoría general de la relatividad puede extenderse de forma natural a la escala de las partículas elementales. Por lo tanto, se espera que la teoría de supercuerdas permita la investigación del nacimiento del universo. Sin embargo, el cálculo real ha sido inabordable, porque la interacción entre las cuerdas es fuerte, por lo que todas las investigaciones hasta el momento se han limitado a examinar los distintos modelos o escenarios.

La teoría de supercuerdas predice un espacio de 9 dimensiones (3), lo que plantea la gran incógnita de cómo esto puede ser compatible con el espacio de 3 dimensiones que vivimos.

Un grupo de 3 investigadores, Jun Nishimura (profesor asociado de la KEK), Tsuchiya Asato (profesor asociado de la Universidad de Shizuoka) y Sang-Woo Kim (investigador del proyecto en la Universidad de Osaka) han tenido éxito en la simulación del nacimiento del universo, utilizando una supercomputadora para la cálculos basados en la teoría de supercuerdas. Esto demostró que el universo tenía 9 dimensiones espaciales al principio, pero sólo 3 de ellas experimentaron la expansión en un cierto punto en el tiempo.

Este trabajo fue publicado en la revista Physical Review Letters.

El contenido de la investigación

En este estudio, el equipo estableció un método para calcular las matrices de gran tamaño (en el modelo de matriz de IKKT (4) ), que representan las interacciones de las cuerdas, y que calcula cómo las nueve dimensiones de espacio cambia con el tiempo. En la figura, las extensiones espaciales en 9 direcciones están en función del tiempo.

Si uno retrocede lo suficientemente lejos en el tiempo, el espacio , en efecto se extiende en 9 direcciones, pero en algún momento sólo 3 de aquellas direcciones se empiezan a expandir rápidamente. Este resultado demuestra, por primera vez, que el espacio 3-dimensional que estamos viviendo en efecto emerge del espacio 9-dimensional que predice la teoría de supercuerdas.

Este cálculo se llevó a cabo en el SR16000 superordenador Hitachi (teórico rendimiento: 90,3 TFLOPS) en el Instituto Yukawa de Física Teórica de la Universidad de Kyoto.

La importancia de la investigación

Han pasado casi 40 años desde que la teoría de supercuerdas se propuso como la teoría del todo, extendiendo la teoría de la relatividad general a la escala de las partículas elementales. Sin embargo, su validez y su utilidad siguen siendo poco clara debido a la dificultad de realizar los cálculos reales. La nueva solución obtenida en el rompecabezas dimensional del espacio-tiempo apoya y soporta firmemente la validez de la teoría.

Además, el establecimiento de un nuevo método para analizar la teoría de supercuerdas como el uso de computadoras, abre la posibilidad de aplicar esta teoría a los diversos problemas. Por ejemplo, ahora debería ser posible proporcionar una comprensión teórica de la inflación (5) que se cree que ha tenido lugar en los inicios del universo, y también la expansión acelerada del universo (6) , por cuyo descubrimiento obtuvo el Premio Nobel de Física de 2011.

Se espera que la teoría de supercuerdas se desarrollará aún más y jugará un papel importante en la resolución de incógnitas en física de partículas tales como la existencia de la materia oscura, que es sugerida por las observaciones cosmológicas, y la partícula de Higgs, que se espera que su descubierto sea confirmado por los experimentos del LHC (7) .

Glosario

[1] La teoría de las supercuerdas

Hay cuatro interacciones fundamentales entre partículas elementales: la fuerza electromagnética, la interacción débil, la interacción fuerte y la gravedad. Hay una teoría que describe tres interacciones, pero no la gravedad, y una teoría de partículas incluyendo la gravedad que sigue siendo objeto de investigación desde varias direcciones.

En la teoría de supercuerdas, todas las partículas elementales se representan como varios modos de oscilación de las cuerdas de longitud pequeña, por lo que las cuatro interacciones incluyendo la gravedad, se describen de una manera unificada. 

[2] El fondo de microondas cósmico

Las microondas vienen de manera uniforme desde el universo en todas las direcciones. Se considera que el resplandor de las brasas del Big Bang, proporcionando una fuerte evidencia  cosmológica del Big Bang, que afirma que el universo está en expansión después de una gran explosión.

El fondo cósmico de microondas fue descubierto accidentalmente por Penzias y Wilson de los Estados Unidos, que recibió el Premio Nobel de Física en 1978. En los últimos años, la observación más precisa se realiza por la sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) lanzado por la NASA (la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio), y sus observaciones han llevado a muchas interpretaciones nuevas e importantes de la cosmología.

[3] Las 9 dimensiones

Mientras que el espacio en que vivimos tiene 3 dimensiones, en la teoría de supercuerdas el espacio tiene que tener 9 dimensiones para tener coherencia con la mecánica cuántica. Por lo tanto, 6 de las 9 dimensiones de alguna manera seran invisibles.

Un enfoque popular llamado “compactación”, es el que las 6 dimensiones espaciales extras se enrroscan de forma muy compacta, pero esto presenta un problema debido a que habría muchas maneras de hacerlo realmente.

[4] IKKT matriz del modelo

Una nueva formulación de la teoría de supercuerdas fue propuesto por Ishibashi, Kawai, Kitazawa y Tsuchiya en 1996. (IKKT representa las iniciales de los autores.) La formulación convencional de la teoría de las supercuerdas es válida sólo cuando la interacción entre las cadenas es débil, por lo que no es adecuado para su aplicación a los fenómenos físicos reales. El modelo IKKT matriz, que utiliza grandes matrices para representar los grados de libertad dinámicos fundamentales, se ha formulado de una manera que también es válido cuando la interacción entre las cuerdas es muy fuerte.

Investigaciones anteriores se limitaban al análisis del modelo que trata el tiempo como una variable imaginaria por razones técnicas, y la relación con el mundo real no se desprende de los resultados. En la presente investigación, la dificultad técnica de tratar el tiempo como una variable real ha sido superado, permitiendo por primera vez la aplicación del modelo a la cosmología por cálculos explícitos.

[5] La inflación

La inflación es una rápida expansión acelerada, que se considera que ha tenido lugar dentro de un intervalo de tiempo muy corto después del nacimiento de nuestro universo. Fue propuesto por Katsuhiko Sato y Alan Guth de forma independiente a principios de 1980. La inflación no sólo ofrece soluciones naturales a los diversos problemas en cosmología del Big Bang, sino que también tiene éxito en la explicación de algunas de las propiedades detalladas del fondo cósmico de microondas.

Sin embargo, el mecanismo que condujo a la inflación sólo se ha comentado con respecto a varios modelos, y la derivación de la inflación a partir de una teoría fundamental como la teoría de las supercuerdas sigue siendo un reto importante.

[6] La expansión acelerada del universo

Según la cosmología del Big Bang, el universo se ha expandido desde que se originó alrededor de 13.7 mil millones de años. Se pensaba que esta expansión cósmica se desaceleraba hasta que fue encontrado que en realidad se está acelerando actualmente sobre la base de datos de observación de la última década más o menos. El Premio Nobel de Física  2011 fue galardonado por sus contribuciones que dieron lugar al descubrimiento de la expansión acelerada basado en observaciones de supernovas de tipo Ia.

Sin embargo, la expansión acelerada observada implica que una misteriosa energía (“energía oscura”), que no se diluye por la expansión, debería comprometer a más del 70 por ciento de la energía total del universo, y esto requiere una aclaración desde el punto de vista de la física teórica .

[7] La partıcula de Higgs, que se espera sea confirmado su descubierto por los experimentos del LHC. LHC es la abreviatura para el Gran Colisionador de Hadrones, el mayor acelerador del mundo, que comenzó a funcionar en otoño de 2008 en el CERN (Organización Europea de Investigación Nuclear), ubicado en las afueras de Ginebra.

“Experimentos del LHC” se refiere a todos los experimentos que se llevan a cabo con el acelerador. Uno de los principales objetivos de los experimentos del LHC es descubrir el bosón de Higgs, que es la única partícula no descubierta aún en el Modelo Estándar de la física de partículas, y para obtener algunas pistas para la solución de los problemas relacionados con la física de partículas teóricas. La partícula de Higgs se ha introducido para proporcionar un mecanismo que provea de masa a las partículas elementales, pero que implicaría algunas peculiaridades desde el punto de vista de la física de partículas teóricas, incluyendo la gravedad, que deberían ser aclaradas por ambas partes teóricas y experimentales.

Traducido por: Jorge López Calderón

FUENTES:

http://www.interactions.org/cms/?pid=1031333

http://thediagonal.com/2012/01/06/from-nine-dimensions-to-three/

http://www.sciencenews.org/view/generic/id/337626/title/String_theorists_squeeze_nine_dimensions_into_three

 

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