La figura muestra la esencia del argumento de los investigadores contra las simetrías globales. Suponen que existe una simetría global y también que el objeto en el centro del diagrama está cargado bajo la simetría, y luego mostrar que esto requeriría que el objeto esté en las regiones grises sombreadas, cuál no es; ¡Esto es prueba por contradicción! Crédito:Harlow &Ooguri.
Un par de investigadores, uno en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y otro en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) y la Universidad de Tokio, Recientemente han investigado un conjunto de viejas conjeturas sobre las simetrías en la gravedad cuántica. Las conjeturas específicas del enfoque:(1) La gravedad cuántica no permite simetrías globales; (2) Para la simetría de calibre, se deben realizar todos los cargos posibles; (3) Los grupos de calibres internos deben ser compactos. Su papel publicado en Cartas de revisión física , muestra que estos viejos supuestos se mantienen dentro de la correspondencia anti-de Sitter / teoría de campo conforme (AdS-CFT).
"Históricamente, el concepto de simetría ha jugado un papel importante en la física, tanto en la identificación como en la formulación de leyes fundamentales de la naturaleza, y en el uso de estas leyes para comprender y predecir fenómenos naturales como la dinámica y las fases de la materia, "Hirosi Ooguri, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Sin embargo, ha habido evidencia teórica que sugiere que, una vez que combinamos la gravedad y la mecánica cuántica (las dos ideas fundamentales en la física moderna), todas las simetrías globales se han ido ".
En física, Las simetrías pueden ser de dos tipos:de calibre y globales. Durante varias décadas, Los investigadores han propuesto la idea de que las simetrías globales no deberían ser posibles en la gravedad cuántica, ya que la teoría unificada de la gravedad y la mecánica cuántica no permitiría ninguna simetría. Esta es una afirmación profunda con importantes consecuencias. Por ejemplo, predice que un protón no sería estable frente a la descomposición en otras partículas.
"El modelo estándar de física de partículas tiene ambos tipos de simetrías, por lo que estamos prediciendo que los globales solo deben ser aproximados, "Daniel Harlow, el otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Hasta aquí, esta idea ha tenido algún sustento circunstancial, pero no hubo ningún argumento convincente. En nuestro periódico, Dimos lo que creemos que es un argumento bastante convincente en el caso especial de la correspondencia AdS / CFT. Esta correspondencia da nuestras teorías mejor entendidas de la gravedad cuántica, y pudimos demostrar que no permite simetrías globales ".
Antes del artículo de Ooguri y Harlow, otros investigadores presentaron argumentos que respaldan la afirmación de que la gravedad cuántica (la unificación de la mecánica cuántica y la gravedad) no puede tener ninguna simetría. Sin embargo, Estos argumentos a menudo presentaban lagunas o lagunas lógicas, por ejemplo, no abordar algunos casos importantes (por ejemplo, simetría discreta).
"Nuestro nuevo documento proporciona una prueba rigurosa de esta afirmación en el contexto de la correspondencia AdS / CFT, donde la gravedad cuántica se define de una manera matemáticamente precisa, y lo hemos hecho de la forma más general, excluyendo todas las posibles simetrías globales de la gravedad cuántica, "Dijo Ooguri.
La prueba presentada por Ooguri y Harlow se basa en dos ideas importantes:el principio holográfico de la gravedad cuántica y los códigos de corrección de errores cuánticos. El principio holográfico fue introducido por primera vez por Gerard 't Hooft y Leonard Susskind a principios de los 90. sin embargo, desde entonces se ha desarrollado ampliamente. Uno de sus desarrollos más cruciales fue el descubrimiento de la correspondencia AdS / CFT por Juan Maldacena en 1997.
Ooguri y Harlow deseaban demostrar un teorema matemático sobre la gravedad cuántica, por lo que requerían una definición precisa del principio holográfico. Decidieron adoptar la correspondencia AdS / CFT, ya que esta era la única forma en que sentían que podían lograr su objetivo.
"Nuestras herramientas básicas son la corrección de errores cuánticos, la correspondencia AdS / CFT, y teoría cuántica de campos, ", Dijo Harlow." Probablemente el punto más importante para transmitir aquí es que aunque AdS / CFT es una hermosa teoría de la gravedad cuántica, no es la teoría de la gravedad cuántica en nuestro mundo. Es un modelo de juguete del tipo que a los físicos les gusta estudiar (como la famosa vaca esférica). Creemos, sin embargo, que las lecciones que aprendamos en este modelo de juguete deben trasladarse a nuestro mundo siempre que tengamos cuidado ".
Hace unos pocos años, un grupo de investigación diferente que también incluyó a Harlow mostró que la holografía funciona en la gravedad cuántica de una manera similar a cómo funciona la corrección de errores cuánticos en la computación cuántica. En la correspondencia AdS / CFT, La geometría del espacio-tiempo en el espacio anti-de Sitter surge del entrelazamiento cuántico en la teoría del campo conforme. Harlow y sus colegas demostraron que los datos geométricos emergentes son, De hecho, códigos de corrección de errores cuánticos, desde el punto de vista de CFT.
El conocimiento de esta investigación anterior fue esencial para probar el teorema en el estudio reciente de los investigadores. En su nuevo estudio, Ooguri y Harlow descubrieron que la forma en que funciona la corrección de errores cuánticos no es compatible con ninguna simetría. Por lo tanto, una vez que se fusionan la mecánica cuántica y la gravedad, ninguna simetría es exacta.
"Generalmente se ha creído que la simetría es un concepto fundamental en la naturaleza, "Dijo Ooguri." Muchos físicos creen que debe haber un hermoso conjunto de leyes en la naturaleza, y que una forma de cuantificar la belleza es mediante la simetría. Parte de la simetría puede estar oculta en nuestro mundo (o 'rota espontáneamente, "en términos de física), pero pueden manifestarse si miramos la naturaleza a un nivel más fundamental. Demostramos que la creencia expresada en lo anterior es incorrecta. Las leyes de la naturaleza en el nivel más fundamental, donde se unifican la mecánica cuántica y la gravedad, no tienen simetría global ".
El estudio llevado a cabo por Ooguri y Harlow aporta información clave al campo de la física, descartando la posibilidad de simetrías globales en una amplia clase de teorías de la gravedad cuántica. Sus hallazgos tienen implicaciones para numerosas áreas de estudio, por ejemplo, predecir la inestabilidad de los protones.
"Nuestros hallazgos predicen que el protón no debería ser estable, "Dijo Harlow." No es obvio, pero también predice la existencia de monopolos magnéticos:objetos aislados que portan carga magnética. Hasta aquí, nunca hemos visto un objeto así, pero la gente todavía los está buscando. Desafortunadamente, nuestros resultados no son lo suficientemente fuertes como para decir cuántos monopolos deberían existir, donde deberían estar, o cuánto tiempo tenemos que esperar para ver la desintegración de un protón ".
En su trabajo futuro, A Harlow y Ooguri les gustaría cuantificar cómo se rompe la simetría. Hasta aquí, simplemente han demostrado que la gravedad cuántica no puede tener ninguna simetría sin aclarar cómo se desarma. Por ejemplo, sus hallazgos sugieren que el protón debería decaer, sin embargo, no aclaran cómo se descompone o cuánto tiempo puede vivir antes de que lo haga. Estas son preguntas muy importantes, que los investigadores esperan abordar en sus investigaciones futuras.
"El Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo de la Universidad de Tokio, del cual soy el director, participa en el proyecto Hyper-Kamiokande que se construirá en la mina de zinc Kamioka en la zona montañosa central de Japón, ", Agregó Ooguri." Uno de los objetivos del proyecto es ver si el protón se desintegra y, para ello, los experimentadores construirán un gran tanque de agua en la mina. Según nuestro teorema, los protones deberían decaer. Pero, no podemos decirles a los experimentadores qué tan grandes deben ser los tanques de agua para que puedan ver la desintegración de los protones en un período de tiempo razonable. Este es un ejemplo de por qué cuantificar cómo se rompe la simetría sería crucial. Daniel y yo tenemos alguna idea sobre cómo cuantificar la forma en que se rompe la simetría y ahora continuamos nuestra investigación en esta dirección ".
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