El escritorio de Albert Einstein todavía se puede encontrar en el segundo piso del departamento de física de Princeton. Colocado frente a una pizarra de piso a techo cubierta con ecuaciones, el escritorio parece encarnar el espíritu del genio del cabello encrespado cuando pregunta a los ocupantes actuales del departamento, "Entonces, ya lo has resuelto? "

Einstein nunca logró su objetivo de una teoría unificada para explicar el mundo natural de una marco coherente. Durante el último siglo, Los investigadores han reconstruido los vínculos entre tres de las cuatro fuerzas físicas conocidas en un "modelo estándar, "pero la cuarta fuerza, gravedad, siempre ha estado solo.

No más. Gracias a los conocimientos aportados por los miembros de la facultad de Princeton y otras personas que se capacitaron aquí, la gravedad proviene del frío, aunque de una manera que no se acerca ni remotamente a cómo la había imaginado Einstein.

Aunque todavía no es una "teoría de todo, "este marco, establecido hace más de 20 años y aún se está completando, revela formas sorprendentes en las que la teoría de la gravedad de Einstein se relaciona con otras áreas de la física, dar a los investigadores nuevas herramientas con las que abordar cuestiones difíciles de alcanzar.

La idea clave es que la gravedad, la fuerza que devuelve las pelotas de béisbol a la Tierra y gobierna el crecimiento de los agujeros negros, matemáticamente se puede relacionar con las peculiaridades de las partículas subatómicas que componen toda la materia que nos rodea.

Esta revelación permite a los científicos utilizar una rama de la física para comprender otras áreas de la física aparentemente no relacionadas. Hasta aquí, este concepto se ha aplicado a temas que van desde por qué los agujeros negros tienen temperatura hasta cómo el batir de alas de una mariposa puede causar una tormenta en el otro lado del mundo.

Esta relación entre la gravedad y las partículas subatómicas proporciona una especie de piedra Rosetta para la física. Haga una pregunta sobre la gravedad, y obtendrá una explicación expresada en términos de partículas subatómicas. Y viceversa.

"Esto ha resultado ser un área increíblemente rica, "dijo Igor Klebanov, Profesor de Física Eugene Higgins de Princeton, quien generó algunos de los primeros indicios en este campo en la década de 1990. "Se encuentra en la intersección de muchos campos de la física".

De pequeños trozos de cuerda

Las semillas de esta correspondencia se esparcieron en la década de 1970, cuando los investigadores exploraban diminutas partículas subatómicas llamadas quarks. Estas entidades anidan como muñecas rusas dentro de protones, que a su vez ocupan los átomos que componen toda la materia. En el momento, A los físicos les resultó extraño que, por mucho que se rompan dos protones, no se pueden liberar los quarks, permanecen confinados dentro de los protones.

Una persona que trabajaba en el confinamiento de quarks era Alexander Polyakov, Profesor de Física Joseph Henry de Princeton. Resulta que los quarks están "pegados" por otras partículas, llamados gluones. Por un momento, los investigadores pensaron que los gluones podrían ensamblarse en cadenas que unen a los quarks entre sí. Polyakov vislumbró un vínculo entre la teoría de partículas y la teoría de cuerdas, pero el trabajo fue, en palabras de Polyakov, "mano ondulada" y no tenía ejemplos precisos.

Mientras tanto, la idea de que las partículas fundamentales son en realidad pequeños trozos de cuerda vibrante estaba despegando, y a mediados de la década de 1980, La "teoría de cuerdas" había enlazado la imaginación de muchos físicos destacados. La idea es simple:así como una cuerda de violín vibrante da lugar a diferentes notas, la vibración de cada cuerda predice la masa y el comportamiento de una partícula. La belleza matemática fue irresistible y provocó una oleada de entusiasmo por la teoría de cuerdas como una forma de explicar no solo las partículas sino el universo mismo.

Uno de los colegas de Polyakov fue Klebanov, quien en 1996 fue profesor asociado en Princeton, habiendo obtenido su Ph.D. en Princeton una década antes. Ese año, Klebanov, con el estudiante graduado Steven Gubser y la investigadora asociada posdoctoral Amanda Peet, usó la teoría de cuerdas para hacer cálculos sobre gluones, y luego comparó sus hallazgos con un enfoque de la teoría de cuerdas para comprender un agujero negro. Se sorprendieron al descubrir que ambos enfoques arrojaban una respuesta muy similar. Un año después, Klebanov estudió las tasas de absorción de los agujeros negros y descubrió que esta vez estaban exactamente de acuerdo.

Ese trabajo se limitó al ejemplo de los gluones y los agujeros negros. Fue necesaria una visión de Juan Maldacena en 1997 para poner las piezas en una relación más general. En ese tiempo, Maldacena, que había obtenido su Ph.D. en Princeton un año antes, fue profesor asistente en Harvard. Detectó una correspondencia entre una forma especial de gravedad y la teoría que describe las partículas. Viendo la importancia de la conjetura de Maldacena, un equipo de Princeton formado por Gubser, Klebanov y Polyakov siguieron con un artículo relacionado que formula la idea en términos más precisos.

Otro físico al que inmediatamente le cautivó la idea fue Edward Witten del Instituto de Estudios Avanzados (IAS), un centro de investigación independiente ubicado a una milla del campus de la Universidad. Escribió un artículo que formuló aún más la idea, y la combinación de los tres documentos a finales de 1997 y principios de 1998 abrió las compuertas.

"Fue un tipo de conexión fundamentalmente nuevo, "dijo Witten, un líder en el campo de la teoría de cuerdas que había obtenido su Ph.D. en Princeton en 1976 y es profesor invitado con el rango de profesor de física en Princeton. "Veinte años después, no lo hemos asimilado por completo ".

Dos lados de la misma moneda

Esta relación significa que las interacciones entre la gravedad y las partículas subatómicas son como las dos caras de la misma moneda. Por un lado hay una versión ampliada de la gravedad derivada de la teoría de la relatividad general de Einstein de 1915. Por otro lado, está la teoría que describe aproximadamente el comportamiento de las partículas subatómicas y sus interacciones.

La última teoría incluye el catálogo de partículas y fuerzas en el "modelo estándar" (ver recuadro), un marco para explicar la materia y sus interacciones que ha sobrevivido a pruebas rigurosas en numerosos experimentos, incluso en el Gran Colisionador de Hadrones.

En el modelo estándar, los comportamientos cuánticos están incorporados. Nuestro mundo, cuando bajamos al nivel de partículas, es un mundo cuántico.

Notablemente ausente del modelo estándar es la gravedad. Sin embargo, el comportamiento cuántico está en la base de las otras tres fuerzas, entonces, ¿por qué la gravedad debería ser inmune?

El nuevo marco aporta gravedad a la discusión. No es exactamente la gravedad que conocemos, pero una versión ligeramente deformada que incluye una dimensión extra. El universo que conocemos tiene cuatro dimensiones, los tres que señalan un objeto en el espacio:la altura, ancho y profundidad del escritorio de Einstein, por ejemplo, más la cuarta dimensión del tiempo. La descripción gravitacional agrega una quinta dimensión que hace que el espacio-tiempo se curve en un universo que incluye copias del familiar espacio plano de cuatro dimensiones reescaladas de acuerdo con el lugar donde se encuentran en la quinta dimensión. Este extraño, el espacio-tiempo curvo se llama espacio anti-de Sitter (AdS) en honor al colaborador de Einstein, holandés
el astrónomo Willem de Sitter.

El gran avance a fines de la década de 1990 fue que los cálculos matemáticos del borde, o límite, de este espacio anti-De Sitter se puede aplicar a problemas que involucran comportamientos cuánticos de partículas subatómicas descritos por una relación matemática llamada teoría de campo conforme (CFT). Esta relación proporciona el vínculo, que Polyakov había vislumbrado antes, entre la teoría de partículas en cuatro dimensiones espacio-temporales y la teoría de cuerdas en cinco dimensiones. La relación ahora tiene varios nombres que relacionan la gravedad con las partículas, pero la mayoría de los investigadores lo llaman correspondencia AdS / CFT (pronunciado A-D-S-C-F-T).

Abordar las grandes preguntas

Esta correspondencia, resulta, tiene muchos usos prácticos. Toma los agujeros negros por ejemplo. El fallecido físico Stephen Hawking sorprendió a la comunidad de físicos al descubrir que los agujeros negros tienen una temperatura que surge porque cada partícula que cae en un agujero negro tiene una partícula entrelazada que puede escapar en forma de calor.

Usando AdS / CFT, Tadashi Takayanagi y Shinsei Ryu, luego en la Universidad de California-Santa Bárbara, descubrió una nueva forma de estudiar

entrelazamiento en términos de geometría, ampliando los conocimientos de Hawking de una manera que los expertos consideran bastante notable.

En otro ejemplo, los investigadores están utilizando AdS / CFT para precisar la teoría del caos, que dice que un evento aleatorio e insignificante como el batir de las alas de una mariposa podría resultar en cambios masivos en un sistema a gran escala como un huracán lejano. Es difícil calcular el caos, pero los agujeros negros, que son algunos de los sistemas cuánticos más caóticos posibles, podrían ayudar. Trabajo de Stephen Shenker y Douglas Stanford en la Universidad de Stanford, junto a Maldacena, demuestra cómo, a través de AdS / CFT, los agujeros negros pueden modelar el caos cuántico.

Una pregunta abierta que Maldacena espera que responda la correspondencia AdS / CFT es la pregunta de cómo es el interior de un agujero negro. donde reside una región infinitamente densa llamada singularidad. Hasta aquí, la relación nos da una imagen del agujero negro visto desde el exterior, dijo Maldacena, quien es ahora el profesor Carl P. Feinberg en IAS.

"Esperamos comprender la singularidad dentro del agujero negro, ", Dijo Maldacena." Entender esto probablemente conduciría a lecciones interesantes para el Big Bang ".

La relación entre la gravedad y las cuerdas también ha arrojado nueva luz sobre el confinamiento de los quarks, inicialmente a través del trabajo de Polyakov y Witten, y más tarde por Klebanov y Matt Strassler, que estaba entonces en IAS.

Estos son solo algunos ejemplos de cómo se puede utilizar la relación. "Es una idea tremendamente exitosa, "dijo Gubser, que hoy es profesor de física en Princeton. "Atrae la atención. Te atrapa, se enreda en otros campos, y te da un punto de vista sobre la física teórica que es muy convincente ".

La relación puede incluso desbloquear la naturaleza cuántica de la gravedad. "Es una de nuestras mejores pistas para comprender la gravedad desde una perspectiva cuántica, ", dijo Witten." Como no sabemos lo que aún falta, No puedo decirles cuán grande será la parte de la imagen en última instancia ".

Todavía, la correspondencia AdS / CFT, aunque poderoso, se basa en una versión simplificada del espacio-tiempo que no es exactamente como el universo real. Los investigadores están trabajando para encontrar formas de hacer que la teoría sea más aplicable al mundo cotidiano, incluida la investigación de Gubser sobre el modelado de las colisiones de iones pesados, así como superconductores de alta temperatura.

También en la lista de tareas pendientes se encuentra el desarrollo de una prueba de esta correspondencia que se basa en principios físicos subyacentes. Es poco probable que Einstein esté satisfecho sin una prueba, dijo Herman Verlinde, Profesor de Física de la Clase de Princeton de 1909, el presidente del Departamento de Física y experto en teoría de cuerdas, que comparte espacio de oficina con el escritorio de Einstein.

"A veces me imagino que todavía está sentado allí, "Verlinde dijo, "y me pregunto qué pensaría de nuestro progreso".