Para avanzar, la física teórica debe dejar de pensar en términos de puntos (ya sean cosas del tamaño de un punto como partículas o puntos del espacio) y, en su lugar, pensar en términos de las configuraciones y fluctuaciones de las hebras que constituyen el tejido subyacente de la realidad, argumenta el Dr. Schiller. Si bien sus puntos de vista aún conservan distintos hilos, creemos que es un paso adelante hacia una comprensión holística de la naturaleza como el comportamiento de un sustrato extenso, en oposición a la dinámica de las cosas discretas.
Descripción general
En contraste con el progreso en la física experimental y en todas las demás ciencias, el progreso en la física teórica fundamental ha sido lento durante las últimas cinco décadas. ¿Por qué tantos esfuerzos fueron en vano? Hay seis razones. La primera razón es la insistencia en usar puntos para describir partículas y espacio. Cinco hábitos de pensamiento adicionales ralentizan aún más la física teórica fundamental.
El presente ensayo argumenta que los seis hábitos de demora pueden eliminarse exactamente de la misma manera: los puntos deben ser sustituidos por un tipo diferente de concepto fundamental. El nuevo concepto lo proporcionan los constituyentes comunes del espacio, los agujeros negros, las partículas, las funciones de onda y las fuerzas. La destilación de los constituyentes correctos permite responder a las preguntas abiertas de la física fundamental, incluido el origen de todos los colores en la naturaleza.
La necesidad de un cambio en la física fundamental
Toda la ciencia moderna, desde Galileo hasta hoy, puede verse como la búsqueda de describir con precisión todo lo que se observa. Ahora, en todas las observaciones, algo se mueve. La descripción precisa del movimiento es el tema de la física. La física moderna puede verse como la búsqueda de describir con precisión todo lo que se mueve. De hecho, solo se encuentran dos aspectos de la naturaleza que se mueven: las partículas y la curvatura del espacio.
Debido a su impulso hacia la descripción de las partículas y el espacio con total precisión, la ciencia ha hecho, y sigue haciendo, un progreso constante en todos sus dominios, desde la ciencia de los materiales hasta la química, desde las geociencias hasta la astronomía, desde la física hasta la astrofísica, y en todos los campos. Ciencias de la vida. En conjunto, debido a este impulso, la ciencia es una fascinante historia de éxito.
En la historia de éxito de la ciencia, hay una excepción. Durante las últimas cinco décadas, la física teórica fundamental, en contraste con las otras partes de la física, se ha estancado. Todas las propiedades fundamentales conocidas de la naturaleza fueron descritas en 1973. Concuerdan con todos los experimentos. Sin embargo, hay importantes preguntas abiertas. Desde hace 50 años se desconoce el origen de las interacciones, el origen de las partículas elementales y el origen de las constantes fundamentales. Por ejemplo, no hay explicación para el origen de la electricidad y la radiactividad, no hay explicación para el origen de los electrones y los quarks, y no hay explicación para la fuerza con la que los electrones interactúan con los fotones. Esta fuerza se describe mediante un número, la constante de estructura fina, medida para tener el valor 137,0359992 [2], pero cuyo origen se desconoce.
¿Por qué se desconoce el origen de los colores? ¿Por qué los orígenes de las partículas, las fuerzas y sus fortalezas aún no están claros, a pesar de que una gran cantidad de investigadores trabajan en ellos? A continuación, se argumenta que seis razones impidieron el progreso:
- El hábito de usar partículas puntuales y puntos en el espacio.
- La vacilación de concebir un modelo para los agujeros negros.
- La vacilación de concebir un modelo para partículas y funciones de onda.
- La vacilación de concebir un modelo para el espacio.
- El hábito de buscar una ecuación unificada.
- La vacilación para concebir un modelo de fuerzas.
Curiosamente, la solución para cada callejón sin salida es la misma: la naturaleza debe describirse con un nuevo tipo de constituyentes fundamentales.
los puntos no existen
Los dos grandes logros de la física del siglo XX, la relatividad general [1–3] y el modelo estándar de la física de partículas, ampliado con los neutrinos masivos de Dirac [4], describen la naturaleza con total precisión. Aunque regularmente surgen indicios de desviaciones, ningún dato concreto contradice ninguna de las dos teorías. A pesar de los enormes incentivos para encontrar desviaciones, ninguna ha sido confirmada. Las dos teorías insisten obstinadamente en ser correctas y precisas.
Cuando se combinan las dos teorías de la física, se encuentra un resultado sorprendente. Hay, en la naturaleza, una longitud medible más pequeña [5–7]. La longitud medible más pequeña viene dada por la longitud de Planck, alrededor de 10 a 35 metros. El valor es increíblemente pequeño y está lejos de cualquier detección experimental. Ningún experimento lo ha alcanzado, y parece que ningún experimento lo hará jamás. Pero sobre todo, el valor no es cero. En definitiva, entre dos puntos del espacio no siempre hay un tercero.
Del mismo modo, también hay un intervalo de tiempo medible más pequeño en la naturaleza. El tiempo de Planck es de aproximadamente 10−43 segundos. Nuevamente, la duración medible más pequeña no es cero. Entre dos instantes en el tiempo no siempre hay un tercero.
La existencia de la longitud y el tiempo medibles más pequeños implica que una descripción correcta de la naturaleza no puede basarse en un espacio y un tiempo continuos. El espacio y el tiempo no son continuos . No hay manera de confirmar que el espacio está hecho de puntos o que el tiempo está hecho de instantes. Por un lado, este resultado es fascinante. Por otro lado, ni siquiera podemos pensar o hablar sobre la naturaleza sin un espacio y un tiempo continuos. En particular, todas las ecuaciones de la física usan espacio y tiempo continuos.
¿Hay alguna salida a este dilema? Sí hay. Tanto los puntos del espacio como las partículas puntuales deben ser sustituidos por algo del tamaño de Planck. Tanto el espacio como las partículas deben tener constituyentes del tamaño de Planck. En los experimentos habituales, el tamaño de Planck no es detectable, los constituyentes pueden ignorarse y podemos usar puntos. Cuando se explora únicamente la relatividad general, los constituyentes se promedian; por lo tanto, no son importantes. Cuando se explora únicamente la teoría cuántica, los constituyentes se promedian nuevamente; de nuevo, no son importantes. Pero cuando se combinan la relatividad general y la teoría cuántica, y solo en esta situación, en los fundamentos del espacio y el tiempo, cuando queremos comprender el origen de las fuerzas y las partículas, los constituyentes de la escala de Planck se vuelven inevitables.
Los agujeros negros son la clave de los constituyentes de la naturaleza
Hace 50 años, Bekenstein y Hawking descubrieron que los agujeros negros tienen entropía y temperatura [8, 9]. Este resultado implica dos aspectos importantes: primero, el valor de la entropía (y la temperatura) es finito; segundo, los valores vienen dados por la relación entre la superficie del agujero negro y el cuadrado de la longitud de Planck. El valor de entropía implica que los agujeros negros están formados por componentes que tienen el tamaño de Planck en dos direcciones (no se puede deducir nada sobre el tamaño en la tercera dirección). Por lo tanto, los agujeros negros están hechos de constituyentes contables o discretos . Esto confirma los resultados que surgen cuando se combinan, como era de esperar, la relatividad general y la teoría cuántica. Pero, de hecho, se puede deducir un nuevo resultado adicional.
Los agujeros negros son materia altamente condensada. En otras palabras, los agujeros negros pueden verse como partículas altamente condensadas o comprimidas. Al mismo tiempo, los agujeros negros son espacios muy curvos. En otras palabras, los agujeros negros pueden verse como una configuración específica del espacio. Como resultado, los constituyentes de los agujeros negros son los mismos que los constituyentes del espacio y de la materia. Para decirlo simplemente: el espacio y las partículas están hechos de constituyentes comunes .
¿Cómo pueden el espacio y las partículas estar hechos de los mismos constituyentes? El espacio y las partículas difieren: las partículas son como piedras pequeñas, pequeñas y compactas, mientras que el espacio se extiende y se extiende por todo el universo. Por lo tanto, los constituyentes comunes deben ser pequeños y extensos al mismo tiempo. Las propiedades de los agujeros negros implican que los constituyentes deben ser diminutos en dos direcciones y grandes en una. En otros términos, los constituyentes comunes del espacio, la materia y la radiación deben ser hebras del radio de Planck tan extendidas como el universo.
Se pueden ilustrar partículas y funciones de onda.
Tanto los experimentos como la teoría cuántica muestran que las partículas no son perfectamente puntuales. Las partículas de materia, específicamente, se describen mediante funciones de onda. Tanto los experimentos como la teoría cuántica afirman que las funciones de onda son extendidas y continuas. Pero, ¿las funciones de onda son realmente continuas? No, no lo son.
Al acercarse a la escala de Planck, ningún experimento puede demostrar que las funciones de onda son continuas. De hecho, todos los experimentos sugieren que las funciones de onda son hebras que se mueven extremadamente rápido. Como descubrió Dirac ya en 1929, las hebras onduladas explican el giro ½ de las partículas de materia [10]. También demostró que las hebras onduladas explican que las partículas de materia son fermiones y el origen del cuanto de acción ħ. Como Battey-Pratt y Racey descubrieron en 1980, las hebras onduladas también explican las funciones de onda relativistas y la ecuación de Dirac [11]. En particular, las hebras onduladas borrosas explican la existencia y la extensión espacial de las funciones de onda.
Si las funciones de onda son hilos borrosos que se mueven, ¿qué son las partículas? No hay muchas opciones. Las partículas deben ser hebras enredadas . Lo que solemos llamar la posición de una partícula entonces es la región donde se encuentra la región enredada. Lo que solemos llamar densidad de probabilidad es la región alrededor de la partícula donde fluctúan las diminutas hebras. Lo que solemos llamar la fase de una partícula es la orientación promedio en el espacio de la maraña. Lo que solemos llamar reacciones de partículas son cambios en el enredo de las hebras.
¿Están las hebras en contraste con las peculiaridades de la teoría cuántica? ¿Son variables ocultas? Una exploración detallada muestra que las cadenas reproducen la teoría cuántica en todos sus aspectos [12]. Las hebras que se mueven no son variables ocultas, porque las hebras simples no son observables. Las hebras que se mueven reproducen superposiciones cuánticas y mecánica cuántica. Los hilos enredados que se mueven reproducen el enredo, casi intrínsecamente, se podría decir. En resumen, las hebras que se mueven reproducen la teoría cuántica en todos sus detalles en todas las distancias medibles.
En otros términos, las hebras fluctuantes explican las funciones de onda. Las partículas no son piezas pequeñas; las partículas son marañas fluctuantes. Las funciones de onda surgen cuando se promedian las fluctuaciones de las hebras. Y, de hecho, la clasificación de los diversos tipos de ovillos produce las partículas elementales conocidas. Explorar la rotación de las marañas explica los valores de masa de las partículas elementales. Los hilos enredados muestran cómo abordar los problemas abiertos de la física fundamental.
El espacio está compuesto de constituyentes extendidos.
La combinación de la relatividad general y la teoría cuántica muestra que el espacio no puede ser continuo. El espacio está hecho de hebras ondulantes y fluctuantes. El espacio vacío no contiene partículas. El espacio vacío está hecho de hebras desenredadas que cambian de forma al azar. ¿Todo esto puede ser correcto? Solo hay una manera de descubrirlo.
Einstein demostró que el espacio puede doblarse y moverse. El espacio se dobla o se curva alrededor de cuerpos masivos, y la flexión se mueve junto con los cuerpos. Además, el espacio puede doblarse y moverse también sin cuerpos cercanos: hay ondas gravitatorias en la naturaleza. ¿Pueden las hebras reproducir todas estas observaciones? Resulta que lo hacen.
De la misma manera que los hilos forman el espacio vacío, los pares de hilos retorcidos reproducen la curvatura del espacio. Un gran número de pares trenzados en movimiento reproducen ondas gravitacionales. Hebras tejidas densamente empaquetadas reproducen horizontes de agujeros negros. Los agujeros negros no pueden comprimirse más debido al diminuto radio de las hebras de las que están hechos. Una investigación detallada muestra que las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein surgen cuando se promedian las fluctuaciones de las hebras [13]. Se obtiene otro resultado: los pares de hilos trenzados sólo son posibles en tres dimensiones espaciales. Strands explica así por qué vivimos en tres dimensiones.
En otros términos, el espacio está hecho de hebras fluctuantes. Promediando las fluctuaciones de los hilos de los pares de hilos retorcidos se obtiene la relatividad general. El promedio reproduce la física de los libros de texto.
La física fundamental no se basa en ecuaciones.
La física describe el movimiento con ecuaciones. Más precisamente, la física describe el movimiento como consecuencia de interacciones: la gravedad, la electricidad, el magnetismo y las dos interacciones nucleares. La física describe todos los cambios a nuestro alrededor con ecuaciones de movimiento. Pero en este tema, los hilos implican una consecuencia sorprendente.
Debido a que los límites de Planck del espacio y el tiempo son inaccesibles, los constituyentes comunes únicos del espacio y las partículas son inobservables. Por lo tanto, no hay posibilidad de deducir una ecuación de movimiento unificada o un Lagrangiano unificado para constituyentes comunes simples [14]. En cambio, todas las ecuaciones de evolución conocidas, como las ecuaciones de campo de Einstein o la ecuación de Dirac, surgen del comportamiento colectivo de un gran número de constituyentes fundamentales. La emergencia ya se encontró arriba tanto para el movimiento de las funciones de onda como para el movimiento del espacio vacío.
En otros términos, la teoría cuántica y la relatividad general surgen del promedio de las marañas fluctuantes del tamaño de Planck. Toda precisión en la naturaleza surge del promedio de un gran número de enredos fluctuantes. Por el contrario, la longitud de Planck implica la falta de una ecuación unificada de la naturaleza.
Las fuerzas se deben a las deformaciones.
La decepción por la búsqueda de una ecuación unificada se ve más que compensada por una serie de consecuencias de la descripción del hilo que son francamente fascinantes. En la física fundamental, hay tres interacciones de calibre: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. En la teoría cuántica, las interacciones son procesos que cambian la fase de las funciones de onda. Las hebras definen la fase de las partículas como la orientación de la maraña de partículas y la función de onda como las fluctuaciones de forma de las marañas. Como resultado, las hebras implican que las interacciones son deformaciones de enredos.
Curiosamente, hace casi un siglo, Reidemeister y otros matemáticos dedujeron una forma de clasificar las deformaciones de enredos. Descubrieron que las deformaciones se pueden clasificar en tres tipos básicos, llamados los tres movimientos Reidemeister. Al explorar estos tres movimientos, se descubre que generan exactamente las simetrías de calibre observadas de la interacción electromagnética, la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte. Los juegos de uno, dos y tres hilos producen precisamente los grupos de calibre U(1), SU(2) y SU(3). En resumen, los tres movimientos de Reidemeister sobre hebras explican el origen de las tres fuerzas de norma en la naturaleza [15, 16].
¿Por qué tomó tanto tiempo el descubrimiento del origen de los grupos calibre? Los hilos fueron introducidos por Dirac en 1929. Battey-Pratt y Racey tardaron hasta 1980 en deducir las funciones de onda de los hilos. En un campo de investigación independiente, tomó una década más descubrir que los cambios de forma están relacionados con las simetrías de calibre. Pero en ese momento, solo se encontraron simetrías de calibre conmutativas, porque las formas compactas no producen simetrías no conmutativas. En cambio, las interacciones nucleares no son conmutativas: requieren ataduras . Hace solo 15 años se hizo evidente que los hilos permiten deducir grupos de calibre no conmutativos.
¿Qué pasa con las fortalezas de las interacciones? Las hebras implican que la fuerza de las interacciones se debe a las estadísticas de las fluctuaciones de forma en las marañas de partículas. Una vez más, las matemáticas, más precisamente, la teoría de nudos, conducen al progreso. Los enredos de hebras implican que las cargas están cuantificadas, como se observa. Y los primeros cálculos estadísticos aproximados producen constantes de acoplamiento que concuerdan con las mediciones.
En otros términos, las hebras implican que las ecuaciones de la física no resultan de una ecuación fundamental, sino que todas resultan de las estadísticas de las fluctuaciones de las hebras. En términos simples, todas las leyes, todas las interacciones y todas las constantes de acoplamiento, surgen de hilos que se mueven. Por ejemplo, esto es válido para la masa de las partículas elementales. Sobre todo, también el famoso número 137.0359992… parece deberse al número promedio de deformaciones de enredo inducidas por el primer movimiento de Reidemeister en enredos cargados eléctricamente [12]. Las hebras parecen así explicar el origen de todos los colores en la naturaleza.
Conclusión: renovar la física fundamental
La combinación de la relatividad general con la teoría cuántica de campos, es decir, con el modelo estándar de la física de partículas, implica que la teoría unificada de la física fundamental se basa en constituyentes fundamentales discretos y comunes que son tanto extendidos como de radio de Planck. Estas hebras producen tanto partículas espaciales como cuánticas. Por desgracia, las hebras implican que no se pueden diseñar camisetas con una ecuación de evolución unificada. Tal ecuación no existe. Por otra parte, todas las ecuaciones de evolución conocidas —como las ecuaciones de campo de Einstein, la ecuación de Dirac y las ecuaciones de campo de gauge— surgen del comportamiento colectivo de un gran número de hebras fluctuantes.
Las hebras fluctuantes explican el origen de las partículas elementales y las interacciones, y explican todas las constantes fundamentales (masas de partículas elementales, sus ángulos de mezcla, las constantes de acoplamiento, la constante cosmológica y la dimensionalidad del espacio) a partir de su comportamiento estadístico colectivo. En particular, todos los colores se deben a las fluctuaciones de las hebras. Las hebras y su comportamiento estadístico explican así toda la belleza de la naturaleza que nos rodea.
Strands también hace numerosas declaraciones experimentales. Han sido recopilados y publicados. Hasta ahora, todas las consecuencias y predicciones deducidas concuerdan con todas las observaciones.
En total, el uso de hebras en lugar de puntos como constituyentes fundamentales del espacio y las partículas produce una nueva forma de describir la física fundamental. Las hebras explican las partículas elementales y las cuatro fuerzas. Strands explicará todos los colores en todos los detalles. Strands permitirá predecir los valores de masa de los neutrinos.
Aunque el universo está lleno de hebras fluctuantes que lo conectan todo, en nuestra vida cotidiana no se notan las hebras fluctuantes. La química, la ciencia de los materiales, la medicina, la biología, la geología, la astronomía, la ingeniería y la mayor parte de la física no se ven afectadas. En las ciencias naturales, la exploración de la naturaleza continuará independientemente de las hebras, y los descubrimientos e invenciones se realizarán independientemente de las hebras. Sin embargo, solo los hilos explican las partículas, el espacio y todos los colores que nos rodean.
Las hebras implican que cada partícula de nuestro cuerpo está conectada con el resto del universo por hebras. Con cada movimiento, movemos una gran cantidad de hebras. Esta nueva descripción del movimiento requiere un gran cambio en nuestros hábitos de pensamiento, aunque solo en la física fundamental. La exploración de la naturaleza seguirá siendo fascinante durante mucho tiempo.
Referencias
[1] CM Will, La confrontación entre la relatividad general y el experimento, Living Rev. Rel. 17, 4 (2014), arXiv:1403.7377 [gr-qc].
[2] Colaboración LIGO y Colaboración Virgo y otros, Pruebas de relatividad general con GWTC-3, Physical Review D (Partículas, Campos, Gravitación y Cosmología) (2022), arXiv:2112.06861 [gr-qc].
[3] M. Kramer et al. , Pruebas de Gravedad de Campo Fuerte con el Pulsar Doble, Phys. Rev. X11, 041050(2021), arXiv:2112.06795 [astro-ph.HE].
[4] R. Workman et al. (Grupo de datos de partículas), Revisión de física de partículas, Prog. teor. Exp. física 2022, 083C01 (2022).
[5] CA Mead, Posible conexión entre la gravitación y la longitud fundamental, Physical Review 135, B849 (1964).
[6] LJ Garay, Gravedad cuántica y longitud mínima, Int. Mod. J. física A 10, 145 (1995), arXiv:gr-qc/9403008.
[7] S. Hossenfelder, Escenarios de escala de longitud mínima para la gravedad cuántica, Living Reviews in Relativity 16, 2 (2013).
[8] RM Wald, La termodinámica de los agujeros negros, Living Reviews in Relativity 4, 1 (2001).
[9] DN Page, Radiación de Hawking y termodinámica de agujeros negros, NewJournalofPhysics 7, 203(2005).
[10] M. Gardner, Riddles of the Sphinx and Other Mathematical Puzzle Tales (Asociación Matemática de América, 1987) p. 47.
[11] EP Battey-Prattand, TJ Racey, Modelo geométrico para partículas fundamentales, Int. J. Teor. física 19, 437 (1980).
[12] C. Schiller, Probando una conjetura sobre electrodinámica cuántica, J. Geom. física 178, 104551 (2022).
[13] C. Schiller, Probando una conjetura sobre el origen del espacio, la gravedad y la masa, Indian Journal of Physics 96, 3047 (2022).
[14] C. Schiller, De la fuerza máxima a la física en 9 líneas hacia la gravedad cuántica relativista, Zeitschrift für Naturforschung A 78, 145 (2023), arXiv:2208.01038 [gr-qc].
[15] C.Schiller, Probando una conjetura sobre el origen del modelo estándar, Eur.Phys.J.Plus 136, 79(2021).
[16] C. Schiller, Probando una conjetura sobre cromodinámica cuántica, International Journal of Geometric Methods in Modern Physics 20, 2350095 (2023).
From points to fluctuating strands: advancing theoretical physics