Cuántas dimensiones tiene realmente nuestro universo

La física teórica es un campo fascinante y (a veces) divertido. Si bien la mayoría de la gente no diría saber mucho sobre este campo de investigación, muchos de sus conceptos más avanzados surgen en la cultura popular todo el tiempo. De hecho, palabras como «nuclear», «cuántica» y «multiverso» suelen ser clave en la trama de nuestras películas y programas de televisión favoritos.

Por otro lado, algunos de los conceptos más avanzados de la física teórica (cuando se describen) suenan más a filosofía y metafísica que a ciencia. De hecho, algunas teorías incluso logran difuminar las líneas entre la ciencia y la religión y, en general, son recibidas con asombro o rechazo (dependiendo de quién esté escuchando).

Considere la idea de » dimensiones extra » , que mucha gente asumiría que se refiere a la existencia de dimensiones paralelas a la nuestra, donde las cosas son leve o enormemente diferentes, es decir. teoría del » multiverso «. En verdad, la teoría de las dimensiones extra se ocupa de la posible existencia de dimensiones extra más allá de las de las que somos inmediatamente conscientes.

Si bien este tipo de conversación puede parecer algo descabellado o puramente especulativo, en realidad es una parte vital de nuestra comprensión de cómo funciona nuestro Universo. Si y cuando determinamos cuántas dimensiones tiene nuestro Universo (y qué hace cada una de ellas), finalmente tendremos una Teoría del Todo (ToE) y sabremos cómo encaja todo.

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Dimensiones 101

Para desglosarlo, el término «dimensión» se refiere a cualquier medida matemática. Esto generalmente puede referirse a una medida física (un objeto o espacio) o una medida temporal (tiempo). Hay tres dimensiones que experimentamos a diario, que definen la longitud, el ancho y la profundidad de todos los objetos de nuestro Universo (los ejes x, y y z, respectivamente).

Sin embargo, los científicos sostienen que para comprender las leyes de la naturaleza, se debe incluir una » cuarta dimensión «, que es el tiempo. Sin esta coordenada, la posición, la velocidad y la aceleración de los objetos en nuestro Universo no se pueden medir correctamente. No es suficiente saber dónde está un objeto en términos de tres coordenadas espaciales. También necesita saber cuándo estaba el objeto y dónde.

Más allá de estas cuatro dimensiones, los físicos teóricos se han aventurado a que puede haber más en juego. El número de dimensiones varía, pero el propósito de las dimensiones adicionales es encontrar formas de unificar las leyes conocidas del Universo, lo que los físicos teóricos han estado tratando de hacer durante aproximadamente un siglo.

La razón tiene que ver con dos campos de estudio muy interesantes: la Mecánica Cuántica  (QM) y la Relatividad General  (GR). Estos campos surgieron a principios del siglo XX y eran casi concurrentes entre sí. Mientras que QM tiene muchos antepasados ​​(Planck, Heisenberg, Schrodinger, et al.), GR debe su existencia, al menos inicialmente, a Albert Einstein , aunque muchas de sus ideas fueron refinamientos de teorías anteriores.

Para que conste, Einstein también contribuyó al desarrollo de QM a través de su investigación sobre el comportamiento de la luz . En cualquier caso, mientras que la Mecánica Cuántica (QM) describe cómo se comportan la energía y la materia en los niveles atómico y subatómico, la Relatividad General (GR) describe cómo se comportan la materia, la energía y el espacio-tiempo en escalas más grandes en presencia de la gravedad.

Cuatro fuerzas fundamentales

Después de miles de años de investigación sobre la naturaleza y las leyes que la gobiernan, los científicos han determinado que cuatro fuerzas fundamentales gobiernan todas las interacciones materia-energía. Estas fuerzas, y las partículas fundamentales que componen toda la materia (quarks, leptones, bosones gauge y bosones escalares), son parte del modelo estándar de física de partículas. Estas fuerzas son:

• Electromagnetismo
• Fuerza nuclear débil
• Fuerza nuclear fuerte
• Gravitación

Las primeras tres fuerzas están todas descritas por el campo de la Mecánica Cuántica y están asociadas con partículas subatómicas específicas. El electromagnetismo está asociado con los electrones (un leptón), que son responsables de la electricidad, el magnetismo y todas las formas de radiación electromagnética. Eso incluye luz visible (color), calor, microondas, ondas de radio, radiación ultravioleta y rayos gamma.

La fuerza nuclear débil se ocupa de las interacciones entre partículas subatómicas responsables de la desintegración radiactiva de los átomos y está asociada con partículas más pequeñas que un protón (bosones). A energías más altas, esta fuerza se fusiona con el electromagnetismo, que ha dado lugar al término unificado «fuerza electrodébil».

La fuerza nuclear fuerte gobierna partículas que son del tamaño de protones y neutrones (hadrones) y se llama así porque es aproximadamente 137 veces más fuerte que el electromagnetismo, millones de veces más fuerte que la fuerza nuclear débil y 10 38 veces más fuerte que gravitación. Hace que los quarks se unan para formar protones y neutrones más grandes y los une para crear núcleos atómicos.

Finalmente, está la gravitación, que es la más débil de las cuatro fuerzas y se ocupa de las interacciones entre objetos masivos (asteroides, planetas, estrellas, galaxias y la estructura a gran escala del Universo). A diferencia de las otras tres fuerzas, no existe partícula subatómica conocida que describe la gravitación o interacciones gravitacionales.

Esta es la razón por la que los científicos se ven obligados a estudiar física en términos de QM o GR (dependiendo de las escalas involucradas), pero generalmente no ambos combinados. Debido a esto, los científicos han estado tratando de encontrar un marco teórico para unificar la gravedad con las otras fuerzas. Los intentos de hacerlo generalmente caen bajo el título de «gravedad cuántica» o Teoría del Todo (ToE).

Cuantas dimensiones hay?

Los intentos de crear una teoría de campo unificado de la gravitación y el electromagnetismo se remontan al físico alemán Theodor Kaluza (1885-1954). En 1921, publicó un artículo en el que presentó una interpretación ampliada de las ecuaciones de campo de Einstein. Esta teoría se construyó sobre la idea de un Universo 5D, que incluía una dimensión más allá de la 4D común del espacio y el tiempo.

En 1926, el físico teórico sueco Oskar Klein ofreció una interpretación cuántica de la teoría 5D de Kaluza. En la extensión de Klein, la quinta dimensión estaba enrollada, microscópica y podía tomar la forma de un círculo que tenía un radio de 10 a 30 cm. En la década de 1930, Einstein y sus colegas de Princeton emprendieron un trabajo sobre la teoría del campo de Kaluza. En la década de 1940, la teoría se completó formalmente y se le dio el nombre de teoría de Kaluza-Klein.

El trabajo de Kaluza y Klein predijo el surgimiento de la Teoría de Cuerdas (ST), que se propuso por primera vez durante la década de 1960. En la década de 1990, surgieron múltiples interpretaciones, incluida la teoría de supercuerdas, la gravedad cuántica de bucle, la teoría M y la supergravedad . Cada una de estas teorías implica la existencia de «dimensiones extra», «hiperespacio» o algo similar.

Para resumir, ST afirma que las partículas puntuales de la física de partículas son en realidad objetos unidimensionales llamados «cuerdas». En distancias mayores que la escala de la cuerda, se asemejan a partículas ordinarias, aunque su masa, carga y otras propiedades están determinadas por el estado vibratorio de la cuerda. En un estado, la cuerda corresponde al gravitón, que es lo que causa la gravitación.

La teoría de supercuerdas, una variación de ST, requiere la existencia de 10 dimensiones de espacio-tiempo . Estos incluyen las cuatro dimensiones que nos son inmediatamente evidentes (largo, ancho, profundidad, tiempo) y seis más que no lo son. 

Estas seis dimensiones adicionales se acurrucan en un espacio compacto. Al pedir la escala de cuerda ( 10-33  cm), no podríamos detectar la presencia de estas dimensiones adicionales directamente porque son demasiado pequeñas. 

Según la teoría, las dimensiones quinta y sexta tratan de mundos posibles que comenzaron con las mismas condiciones iniciales. 

La quinta dimensión abarca mundos con resultados ligeramente diferentes a los nuestros, mientras que la sexta es donde un plano de mundos posibles sería visible. La séptima dimensión es donde uno podría ver mundos posibles que comenzaron con diferentes condiciones iniciales y luego se ramificaron infinitamente; de ​​ahí que se use el término «infinito» para describirlos.

De manera similar, la octava dimensión nos daría un plano de estos «infinitos», mientras que en la novena dimensión , se podrían ver todos los Universos y leyes de la física posibles. En la décima dimensión , todo lo posible en términos de evolución cósmica es accesible. Más allá de eso, los seres vivos que forman parte del continuo espacio-tiempo no pueden ver nada.

La teoría M , que combina cinco teorías distintas de supercuerdas, postula la existencia de 11 dimensiones  : diez espaciales y una temporal. Esta variación de la teoría de supercuerdas se considera atractiva debido a los fenómenos que predice. Por un lado, la teoría M predice la existencia del gravitón, lo que es consistente con la teoría de cuerdas en su conjunto y ofrece una explicación de la gravedad cuántica.

También predice un fenómeno similar a la evaporación de un agujero negro, donde los agujeros negros emiten » radiación de Hawking » y pierden masa con el tiempo. Algunas variaciones de la teoría de supercuerdas también predicen la existencia de puentes Einstein-Rosen , también conocido como. «agujeros de gusano». Otro enfoque, Loop Quantum Gravity (LQG), postula que la gravedad es completamente diferente de las otras fuerzas fundamentales y que el espacio-tiempo en sí está hecho de bits discretos cuantificados, en forma de pequeños bucles unidimensionales.

Algunas versiones de la teoría de la supergravedad también promueven un modelo 11-D del espacio-tiempo, con 4 dimensiones comunes y 7 dimensiones hiperespaciales. También existe la «teoría de las branas», que postula que el Universo está formado por «membranas» vibratorias multidimensionales que tienen masa y carga y pueden propagarse a través del espacio-tiempo.

Hasta la fecha, no hay evidencia experimental de la existencia de «dimensiones extra», «hiperespacio» o algo más allá de las cuatro dimensiones que podemos percibir.

¿Por qué no podemos verlos?

Por desgracia, la pregunta permanece. Si se requieren dimensiones adicionales para que las leyes de la física tengan sentido, ¿por qué no podemos confirmar su existencia? Hay dos posibilidades: una, lo que creemos que sabemos sobre física es incorrecto, o dos, las dimensiones del espacio-tiempo más allá de la 4D que experimentamos son tan sutiles o diminutas que son invisibles para nuestros experimentos actuales.

A primera vista, la primera posibilidad parece muy poco probable. Después de todo, los experimentos de partículas en curso, como los realizados con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), han confirmado que el Modelo Estándar de física de partículas es correcto. De manera similar, la Relatividad General se ha confirmado muchas veces desde que Einstein la propuso formalmente en 1915.

Eso nos deja con la segunda posibilidad: que las dimensiones adicionales no se pueden medir o caracterizar utilizando los métodos y experimentos actuales. Una posibilidad bien estudiada es que las dimensiones están «enrolladas» a escalas diminutas, lo que significa que sus propiedades e influencia en el espacio-tiempo solo podrían medirse a niveles subatómicos.

Otra posibilidad es la «compactación», donde ciertas dimensiones son de naturaleza finita o temporal. En resumen, esta teoría postula que las dimensiones enrolladas se vuelven muy pequeñas o se cierran sobre sí mismas para formar círculos. Si esto es cierto, entonces las seis dimensiones adicionales probablemente tomarían la forma de una variedad Calabi-Yau  (estas son formas  que satisfacen el requisito necesario para las seis dimensiones espaciales «invisibles» de la teoría de cuerdas).

Para los astrofísicos y físicos teóricos, la compactación y la idea de que las dimensiones adicionales son diminutas explica por qué el Universo todavía existe miles de millones de años  después de su aparición. Si estas dimensiones fueran más grandes, acomodarían suficiente materia para desencadenar colapsos gravitacionales y la formación de agujeros negros (que consumirían el resto del Universo).

El hecho de que el cosmos todavía exista después de 13.800 millones de años, y no muestra signos de estar destrozado, sugiere que esta teoría es sólida. Alternativamente, las leyes de la física pueden operar de manera diferente en estas dimensiones adicionales. De cualquier manera, todavía queda la pregunta sin respuesta de cómo podríamos observarlos y estudiarlos.

¿Cómo los encontramos?

Entonces, si el Universo realmente tiene dimensiones adicionales que son imperceptibles para nosotros, ¿cómo vamos a encontrar evidencia de su existencia y determinar sus propiedades? Una posibilidad es buscarlos a través de experimentos de física de partículas, como los realizados por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), los operadores del LHC, y otros laboratorios de aceleradores de partículas.

En el CERN, los científicos impulsan las partículas a altas energías antes de aplastarlas y medir la cascada resultante de partículas subatómicas. Los detectores recopilan pistas sobre las partículas, como su velocidad, masa y carga, que pueden usarse para determinar su identidad.

Las teorías que involucran dimensiones adicionales predicen que debe haber versiones más pesadas de partículas estándar que se repiten a energías cada vez más altas a medida que navegan por dimensiones más pequeñas. Estos tendrían exactamente las mismas propiedades que las partículas estándar (y por lo tanto serían visibles para detectores como los del CERN) pero con una masa mayor. Si se encontraran pruebas de estos, esto podría sugerir la presencia de dimensiones adicionales. 

Otra forma es mirar hacia atrás en el tiempo hacia el período conocido como » Amanecer Cósmico » , aproximadamente 100 a 500 millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias. Incluso si las dimensiones adicionales son imperceptibles para la detección hoy en día, habrían influido en la evolución del Universo desde el principio.

Hasta la fecha, los astrónomos no han podido ver tan atrás en el tiempo ya que ningún telescopio ha sido lo suficientemente sensible. Esto cambiará en un futuro cercano, gracias a instrumentos de próxima generación como el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace (RST), el Telescopio Extremadamente Grande (ELT) y el Telescopio Gigante de Magallanes (GMT). .

Esto coincide muy bien con las encuestas de Materia Oscura y Energía Oscura existentes que están observando la historia del cómic temprano con la esperanza de medir su influencia en la evolución cósmica. Dado que algunos teóricos aventuran que la existencia de dimensiones adicionales podría ayudar a explicar el «Universo Oscuro», estas observaciones podrían abordar varios misterios a la vez.

Este enfoque dual no es diferente de nuestra comprensión actual del Universo, que los científicos solo pueden comprender de dos maneras: la más grande (GR) y la más pequeña de las escalas (QM). Al observar el Universo con una lente muy amplia y de ángulo muy estrecho, podemos tener en cuenta todas las fuerzas que lo gobiernan.

* * *

Al igual que otros candidatos a ToE, la creencia de que el universo está formado por diez dimensiones o más es un intento de tomar todas las leyes físicas que entendemos y descubrir cómo encajan. En ese sentido, es como armar un rompecabezas, donde cada pieza tiene sentido para nosotros, pero no somos conscientes de cómo se ve el panorama general.

No es suficiente juntar piezas donde parezcan coincidir. También necesitamos tener una idea general de qué es el marco, una imagen mental de cómo se verá cuando esté terminado. Esto ayuda a orientar nuestros esfuerzos para que podamos anticipar cómo se unirá todo.