Cálculos de la Teoría de Cuerdas describen el ‘nacimiento del universo’

Artículo publicado por Kate McAlpine el 6 de diciembre de 2011 en physicsworld.com

Teoría de Cuerdas © by trailfan

Unos investigadores en Japón han desarrollado lo que puede ser el primer modelo de Teoría de Cuerdas con un mecanismo natural para explicar por qué nuestro universo parece existir en tres dimensiones espaciales, cuando en realidad tiene seis más. De acuerdo con su modelo, sólo tres de las nueve dimensiones empezaron a crecer en el inicio del universo, teniendo en cuenta tanto la continua expansión del universo como su naturaleza aparentemente tridimensional.

La Teoría de Cuerdas es una potencial “teoría del todo”, unificando todas las fuerzas y materia en un único marco de trabajo teórico, el cual describe el nivel fundamental del universo en términos de cuerdas vibrantes en lugar de partículas. Aunque el marco de trabajo puede incorporar de forma natural la gravedad incluso a nivel subatómico, éste implica que el universo tiene algunas propiedades extrañas, tales como nueve o diez dimensiones espaciales. Los teóricos de cuerdas han abordado este problema encontrando formas de “compactificar” seis o siete de estas dimensiones, o hacerlas menguar tanto que no las notemos. Por desgracia, Jun Nishimura de la Organización para la Investigación en el Acelerador de Alta Energía (KEK) en Tsukuba dice que: “Hay muchas formas de lograr un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, y las distintas formas llevan a físicas distintas”. La solución no es lo bastante única como para producir predicciones útiles.

Estos esquemas de compactificación se estudian a través de la Teoría de la Perturbación, en la cual se suman todas las posibles formas en las que pueden interactuar las cuerdas para describir la interacción. Sin embargo, ésto sólo funciona si la interacción es relativamente débil, con una jerarquía distinta en la probabilidad de cada posible interacción. Si la interacciones entre las cuerdas son más fuertes, con múltiples resultados igualmente probables, la Teoría de la Perturbación deja de funcionar.

La matriz permite interacciones más fuertes

Las cuerdas que interaccionan débilmente no pueden describir los inicios del universo con sus altas energías, densidades y temperaturas, por lo que los investigadores han buscado una forma de estudiar cuerdas que afecten con fuerza a otras. Para este fin, algunos teóricos de cuerdas han tratado de reformular la teoría usando matrices. “La descripción de cuerda surge en las matrices en el límite de tamaño infinito de una matriz”, dice Nishimura. Pueden describirse cinco firmas de la Teoría de Cuerdas con la Teoría de la Perturbación, pero sólo una tiene una forma matricial completa – la Tipo IIB. Algunos incluso especulan con que la matriz Tipo IIB en realidad describe la Teoría M, la cual se cree que es la versión fundamental de la Teoría de Cuerdas que unifica los cinco tipos conocidos.

El modelo desarrollado por Sang-Woo Kim de la Universidad de Osaka, Nishimura, y Asato Tsuchiya de la Universidad de Shizuoka describe el comportamiento de cuerdas que interaccionan con fuerza en nueve dimensiones espaciales más una temporal, o 10 dimensiones. Al contrario que la Teoría de la Perturbación, los modelos de matrices pueden simularse numéricamente en ordenadores, solventando algunas notables dificultades de los cálculos de la Teoría de Cuerdas. Aunque las matrices tendrían que ser infinitamente grandes para tener un modelo perfecto, se restringieron a tamaños desde 8×8 hasta 32×32 en la simulación. Los cálculos usando las matrices más grandes necesitaron más de dos meses en una supercomputadora, dice Kim.

Las propiedades físicas del universo aparecen en medias tomadas sobre cientos o miles de matrices. Las tendencias que surgieron del tamaño cada vez mayor de la matriz permitieron al equipo extrapolar cómo se comportaría el modelo del universo si las matrices fuesen infinitas. “En nuestro trabajo, nos centramos en el tamaño del espacio como una función del tiempo”, dice Nishimura.

‘El nacimiento del universo’

Los tamaños limitados de las matrices indican que el equipo no puede ver mucho más allá del inicio del universo en su modelo. Hasta donde saben, empezó como un espacio de nueve dimensiones simétrico, con cada dimensión midiendo 10^-33 cm. Ésta es una unidad fundamental de longitud conocida como longitud de Planck. Tras el paso de algo de tiempo, las interacciones en las cuerdas provocaron que la simetría del universo se rompiese de forma espontánea, causando que tres de las nueve dimensiones se expandiesen. Las otras seis quedaron comprimidas en la longitud de Planck. “La época en la que se rompe la simetría es el nacimiento del universo”, dice Nishimura.

“El artículo es notable debido a que sugiere que realmente hay un mecanismo para obtener de forma dinámica cuatro dimensiones a partir de un modelo de matriz de 10 dimensiones”, dice Harold Steinacker de la Universidad de Viena en Austria.

Hikaru Kawai de la Universidad de Kioto en Japón, que trabajó junto a Tsuchiya y otros para proponer el modelo de matriz IIB en 1997, también está muy interesado en la “clara señal de un espacio-tiempo de cuatro dimensiones”. “Sería un gran paso adelante hacia la comprensión del origen de nuestro universo”, comenta. Aunque encuentra que la evolución temporal del universo del modelo es demasiado simple y diferente de la Teoría General de la Relatividad, dice que la nueva dirección abierta por este trabajo “merece la pena investigarse intensamente”.

¿Emergerá el Modelo Estándar?

El equipo aún tiene que demostrar que el Modelo Estándar de la física de partículas se mostrará en este modelo, a energías mucho más bajas que este estudio inicial de los mismos inicios del universo. Si es capaz de salvar este obstáculo, el equipo puede usarlo para explorar la cosmología. En comparación con los modelos perturbativos, dice Steinacker, “este modelo debería ser mucho más predictivo”.

Nishimura espera que mejorando tanto el modelo como la simulación software, el equipo pueda ser pronto capaz de investigar la inflación en los inicios del universo o la densidad de distribución de materia, resultados que podrían evaluarse contra la distribución de densidad del universo real.

La investigación se describe en un próximo ejemplar de Physical Review Letters y hay un borrador disponible en arXiv:1108.1540.

Artículo traducido y posteado en Ciencia Kanija, el original se publicó en Physics World, su autora es Kate McAlpine.