Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen

Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen sinó que són boles de cordes.

Segons alguns càlculs de la teoria de les supercordes, els forats negres no existeixen, sinó que es formarien objectes amb propietats similars anomenats "Boles de pelussa, o en anglès conegudes com a "fuzzballs". Aquestes boles difuses de supercordes tindrien signatures particulars en forma d'ones gravitacionals durant les col·lisions d'estrelles que erròniament pensem que són autèntics forats negres.

Clic a la imatge per engrandir. Imatge d'un artista que mostra l'origen del senyal observat pels detectors d'ones gravitacionals LIGO i VIRGO el 21 de maig de 2019 (GW190521). Devia ser una col·lisió de forats negres. Crèdit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Entrevista: com mesurar les ones gravitatòries?  Les ones gravitatòries són distorsions de l'espai-temps predites per Einstein. Seria possible mesurar-los amb les eines adequades. L'editor literari Dunod va entrevistar Pierre Binétruy, professor del laboratori d'Astropartícules i Cosmologia de la Universitat Diderot de París, per saber més sobre aquestes ones misterioses i com podríem detectar-les (en francés).

Des de la detecció de les ones gravitacionals l'any 2015 i en menor grau gràcies a les imatges de la col·laboració del Telescopi Event Horizon, es podria creure que l'existència de forats negres és un fet provat. Ho podem pensar, però encara no podem afirmar-ho i una publicació recent a la famosa i reconeguda revista Physical Review D aporta aigua al molí d'aquells que pensen que no només els forats negres no existeixen sinó que aviat serà possible demostrar-ho. gràcies a l'astronomia gravitacional i als avenços en detectors com LIGO i VIRGO.

L'article sobre aquest tema prové d'un equip de físics amb seu a la Universitat de Roma “La Sapienza”, la principal universitat italiana, i és de lliure accés a arXiv. Per entendre de què va tot això, tornem a principis dels anys vuitanta, quan el que s'anomenava l'època daurada de la teoria del forat negre estava arribant a la seva fi, i les teories de la supergravetat i, en menor mesura, les supercordes estaven en auge.

Després del seu impressionant treball en astrofísica, Subrahmanyan Chandrasekharva ser guardonat amb el Premi Nobel de Física l'any 1983. Com és habitual per al lliurament d'aquest premi, el guardonat va fer una conferència. Al final de la del gran astrofísic indi, trobem observacions fascinants sobre la teoria matemàtica dels forats negres, que són aproximadament les que venen a continuació del vídeo.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Subramanyan Chandrasekhar rebent la seva medalla i diploma durant la cerimònia del Premi Nobel a la Sala de Concerts d'Estocolm, Suècia, el 10 de desembre de 1983. Crèdit: Nobel Prize.

"No sé si la importància total del que vaig dir està clara. Deixi'm explicar. Els forats negres són objectes macroscòpics amb masses que varien des d'unes poques masses solars fins a milers de milions de masses solars. Quan es poden considerar estacionaris i aïllats, tots, cadascun d'ells, es descriuen exactament per la solució de Kerr. Aquest és l'únic cas conegut en què tenim una descripció exacta d'un objecte macroscòpic.

Els objectes macroscòpics que ens envolten estan governats per una varietat de forces, descrites per diverses aproximacions de diverses teories físiques.

D'altra banda, els únics elements de construcció dels forats negres són els nostres conceptes bàsics d'espai i temps. Són, doncs, gairebé per definició, els objectes macroscòpics més perfectes de l'Univers. I com que la teoria de la relativitat general ens proporciona una família de solucions que només depenen de dos paràmetres per a la seva descripció, també són els objectes més simples de l'Univers".

Aquesta senzilla observació és a l'arrel de la famosa paradoxa de la informació sorgida del descobriment de Stephen Hawking de la famosa radiació quàntica dels forats negres.

De fet, les observacions de Chandrasekhar es refereixen a la teoria dels forats negres deduïda rigorosament de la teoria de la relativitat general d'Einstein. Com Hawking i un altre Premi Nobel de Física, Roger Penrose demostraran abundantment amb els seus col·legues, en el marc d'aquesta teoria hem de considerar que el que defineix un forat negre és només l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i absolutament no l'existència d'una singularitat de l'espai-temps. Aquest horitzó d'esdeveniments és una superfície tancada que constitueix una frontera que envolta una regió de la qual només es pot entrar i no sortir mai, perquè per fer-ho caldria superar la velocitat de la llum. De vegades es descriu com una membrana que només es pot travessar en una direcció i com totes les membranes és de fet un objecte dinàmic que pot vibrar, deformar-se, estirar però que tindria la particularitat de no poder-se trencar mai.

L'entropia i la teoria paradoxal de la informació dels forats negres

Però segons els càlculs de Hawking, descrivint quànticament el comportament de la llum i la matèria al voltant d'un forat negre, aquests objectes molt compactes començarien a irradiar com ho faria un cos escalfat, més precisament el que anomenem cos negre. Tanmateix, segons la teoria de la termodinàmica aquesta radiació implica que un forat negre té una quantitat anomenada entropia. En tots els sistemes físics coneguts, una gran entropia s'associa a un objecte molt complex en el sentit que està formada per partícules molt nombroses descrites per un nombre molt gran de paràmetres i per a les quals hauria de disposar d'una gran quantitat d'informació per caracteritzar-les. Quan un gas cau en un forat negre, aquesta informació ja no està disponible per a un observador extern. També és impossible, per les mateixes raons, comunicar-se amb una sonda que travessaria l'horitzó i disposar d'informació valuosa sobre el que veuria aquesta sonda, ja que no podria enviar ones de ràdio  fora del forat negre a més, qualsevol informació continguda només en la memòria de aquesta sonda es perdria irremeiablement ja que no es pot comunicar fora del forat negre.

A la pràctica, doncs, ja que la definició d'informació i entropia donada a partir del treball de Claude Shannon i John von Neumann, la pèrdua d'informació generada per l'horitzó d'esdeveniments dóna lloc a l'entropia. Hawking, en particular, havia demostrat abans del seu descobriment de la radiació dels forats negres que la superfície de l'horitzó d'esdeveniments ha d'augmentar quan un forat negre s'empassa alguna cosa i això d'acord amb la llei del creixement de l'entropia de la termodinàmica si se identificar el valor de l'entropia d'un forat negre com el producte de la superfície del seu horitzó per una constant de proporcionalitat adequada.

Tenint en compte les declaracions de Chandrasekhar, immediatament s'entén que alguna cosa no funciona. Els forats negres es caracteritzen rigorosament per un nombre reduït de paràmetres, massa, moment cinètic i la càrrega, independentment del fet que l'objecte d'una massa determinada que hi cauria sigui un bloc de ferro o un llibre amb molta més informació.

Com a resultat, els forats negres no haurien de poder contenir molta informació i part d'ella no s'amagaria, sinó que es destruiria, o almenys això és el que es podria deduir ingènuament a primera vista, de manera que els forats negres no haurien de ser capaços de poder ser dotats d'una forta entropia d'una manera coherent amb els principis fonamentals de la física coneguda, al contrari del que impliquen les lleis de la termodinàmica i la mecànica quàntica aplicada a aquests objectes, a partir de la teoria de la relativitat general d'Einstein.

Ens trobem, doncs, davant d'una paradoxa que és precisament la de la informació amb forats negres. Hauria d'existir paràmetres amagats en un nombre molt gran darrere del petit nombre de paràmetres que descriuen un forat negre i les solucions de la teoria d'Einstein només serien descripcions artificialment simplificades d'un sistema físic que podria contenir tants graus de llibertat (posicions i velocitats de partícules) que un gas com diuen els físics en el seu argot. Per tant, els forats negres no haurien de ser objectes perfectament "llisos" i simples de la mateixa manera que la Terra no és una esfera de matèria perfectament esfèrica formada per un material senzill i coherent.

Durant gairebé una dècada, l'estudi d'aquesta paradoxa ha donat lloc a nous problemes, un dels quals va ser descobert per Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski i James Sully. Es coneix com el "tallafoc» (firewall en anglès).

N'hi ha prou amb saber que una de les solucions a aquesta paradoxa és admetre que els forats negres sí que es comporten en moltes situacions astrofísiques i físiques com si a la pràctica tinguessin un horitzó d'esdeveniments, però això en l'absolut no és cert. Un horitzó d'esdeveniments només seria el que anomenem en física un concepte efectiu i no fonamental, de la mateixa manera que és pràctic considerar que l'aigua o l'aire són fluids continus que permeten càlculs amb les equacions de Navier-Stokes, mentre que en realitat sabem bé que estan formats de molècules.

Un gas de supercordes autogravitant

Sovint s'ha argumentat que una teoria quàntica de la gravitació i el seu acoblament a la matèria permetria resoldre totes les preguntes que queden sense resposta amb els forats negres, en particular eliminant les singularitats al cor de les solucions del forat negre conegudes a la relativitat general. Durant anys els físics i, en particular, Samir Mathur, de la Universitat Estatal d'Ohio, han argumentat que aquest ha de ser realment el cas utilitzant la teoria de supercordes que implicaria que més enllà de l'etapa de col·lapse de l'estrella de neutrons convertint-se en un forat negre, l'objecte una mica més compacte format seria de fet una bola de supercordes anomenada Bola de pelussa, una teoria que li devem precisament a Samir Mathur.

Si suposem que les partícules de matèria i fins i tot totes les partícules quàntiques fonamentals, gluons i bosons de Brout-Englert-Higgs inclòs, són supercordes vibrants, aleshores els càlculs mostren que la matèria d'una estrella que s'esfondra indefensament per sota de l'horitzó d'esdeveniments associat amb el forat negre en què sembla convertir-se no hauria d'acabar per sota de la forma d'un punt de densitat infinita a el lloc on l'espai-temps mateix és aniquilat segons la teoria no quàntica d'Einstein, al cor d'un forat negre. Les supercadenes quàntiques s'estirarien i s'allargarien fins al punt de formar una mena de gas quàntic difús ocupant tot el volum dins d'un horitzó d'esdeveniments que només seria efectiu, una mica com els que tenen lloc a la superfície del Sol.

Però, com provar aquesta teoria?

Clic a la imatge per engrandir. El treball més famós del físic indi, CV Vishveshwara (1938-2017), és el descobriment dels modes quasi-normals dels forats negres. El 1970 va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitatòria tornarà al seu estat original emetent ones gravitatòries d'una forma característica determinada pel que s'anomenen modes quasi-normals. Les freqüències (complexes) d'aquests modes quasi-normals per als forats negres de Schwarzschild són independents de la forma d'aquesta pertorbació i es caracteritzen completament per la massa del forat negre. Més tard, aquest resultat es va generalitzar al cas dels forats negres Kerren en rotació. Els modes quasi-normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació de modes quasi-normals es considera una manera d'establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.

Modes quasi-normals característics dels forats negres

El senyal de les ones gravitacionals detectades per LIGO i VIRGO sobre col·lisions de forats negres ja era un argument fort a favor de l'existència de forats negres en la teoria de la relativitat general, però encara no és del tot concloent a dia d'avui. De fet, el que realment estem intentant destacar, ja que aquests detectors, i d'altres com el KAGRA, augmenten de sensibilitat és el que anomenem modes quasi-normals de l'horitzó d'esdeveniments dels forats negres i ja tenim pistes en aquesta direcció.

Els modes quasi-normals ja es coneixen en la física clàssica com a campanes que es toquen. Es produeix un so que s'esmorteix amb el temps i aquest so es pot dividir en diverses freqüències i ones elementals particulars, anàlogues als modes normals que componen una corda vibrant sense amortiment notable. Aquests modes quasi-normals constitueixen una mena de targetes d'identitat espectrals d'un forat negre en l'espai-temps corbat igual que l'espectre brillant d'elements per a la composició de l'atmosfera de l'estrelles.

Tanmateix, com hem dit, un horitzó d'esdeveniments pot comportar-se com una membrana vibrant i, per tant, en teoria és possible demostrar l'existència d'aquesta membrana amb els seus modes de vibració propis, quasi-normals, mitjançant l'anàlisi del senyal gravitacional d'una col·lisió d'un forat negre. És una mica com escoltar el "so" del forat negre i comprovar que es comporta com el que esperaries que faci un forat negre.

En l'article que es ve publicar, donada la complexitat dels càlculs amb la teoria de les boles de pelussa, els investigadors van voler fer una prova més senzilla sobre la col·lisió de dues d'aquestes boles de corda i tenir una idea del senyal gravitatori produït. Van fer simulacions numèriques pel que fa al comportament d'un espai-temps descrit per una teoria de supergravetat en quatre dimensions anomenades tipus N=2 i capturant la geometria d'una solució de tipus bola de pelussa per al que seria un forat negre eficaç pertorbat externament.

Aleshores, els càlculs mostren que inicialment el senyal obtingut és similar al dels modes quasi-normals d'un forat negre recentment format per la fusió de dos forats negres en col·lisió, però al cap d'un cert temps el senyal ja no inclou els modes que descriuen un horitzó i, per tant, delata el fet que només és efectiu. Com a avantatge, els mateixos càlculs mostren que també podríem destacar els ecos gravitacionals, un fenomen descrit anteriorment, i que vindrien aquí de les ones gravitacionals que es propaguen dins de la bola de supercordes.

Segons els investigadors, LIGO i VIRGO algun dia haurien de ser capaços de detectar aquest senyal.

Ho he vist aquí.

Un gran misteri cosmològic

El descobriment d'una segona estructura ultra gran a l'espai llunyà desafia encara més allò que entenem sobre l'univers. El descobriment d'una segona estructura ultra gran a l'univers remot ha posat encara més en dubte alguns dels supòsits bàsics de la cosmologia.

El Gran Anell del Cel es troba a 9.200 milions d'anys llum de la Terra. Té un diàmetre d'uns 1.300 milions d'anys llum i una circumferència d'uns 4.000 milions d'anys llum. Si poguéssim sortir i veure'l directament, el diàmetre del Gran Anell necessitaria unes 15 llunes plenes per cobrir-lo.

Es tracta de la segona estructura ultra gran descoberta per l'estudiant de doctorat de la University of Central Lancashire (UCLan) Alexia López, que fa dos anys també va descobrir l'Arc Gegant al Cel. Sorprenentment, el Gran Anell i l'Arc Gegant, de 3.300 milions d'anys llum de diàmetre, es troben al mateix veïnatge cosmològic: es veuen a la mateixa distància, al mateix temps còsmic i estan separats només 12 graus al cel.

Clic a la imatge per engrandir. Una imatge artística de com es veuria el gran anell (mostrat en blau) al cel. Crèdit de la imatge de fons: Stellarium.

Alexia comenta: "Cap d'aquestes dues estructures ultra grans és fàcil d'explicar en la nostra comprensió actual de l'univers. I les mides ultra grans, les formes distintives i la proximitat cosmològica sens dubte ens han d'estar dient una cosa important, però què exactament?"

"Una possibilitat és que el Gran Anell estigui relacionat amb les Oscil·lacions Acústiques Bariòniques (BAO). Les BAO sorgeixen d'oscil·lacions a l'univers primitiu i avui haurien d'aparèixer, almenys estadísticament, com petxines esfèriques en la disposició de les galàxies. No obstant, l'anàlisi detallada del Gran Anell va revelar que no és realment compatible amb l'explicació BAO: el Gran Anell és massa gran i no és esfèric”.

Podrien caldre altres explicacions, explicacions que s'apartin del que generalment es considera l'entesa estàndard en cosmologia. Una possibilitat podria ser una teoria diferent, la Cosmologia Cíclica Conformada (CCC), proposada pel premi Nobel Sir Roger Penrose. Els anells de l'univers podrien ser un senyal de la CCC.

"Podríem esperar potser una estructura excessivament gran en tot el nostre univers observable. Tot i això, el Gran Anell i l'Arc Gegant són dues estructures enormes i fins i tot veïnes cosmològicament, cosa que resulta extraordinàriament fascinant", apuntava Alexia López.

Una altra explicació podria ser l'efecte del pas de cordes còsmiques. Les cordes còsmiques són "defectes topològics" filamentosos de grans dimensions que podrien haver-se creat a l'univers primitiu. Un altre premi Nobel, Jim Peebles, va plantejar recentment la hipòtesi que les cordes còsmiques podrien tenir un paper a l'origen d'algunes altres peculiaritats en la distribució a gran escala de les galàxies.

A més, el Gran Anell desafia el Principi Cosmològic, com ho va fer anteriorment l'Arc Gegant. I si el Gran Anell i l'Arc Gegant formen junts una estructura encara més gran, el desafiament al Principi Cosmològic es torna encara més convincent.

Aquestes grans estructures -i n'hi ha d'altres trobades per altres cosmòlegs- desafien la nostra idea de com és una regió "mitjana" de l'espai. Superen el límit de mida del que es considera teòricament viable i plantegen desafiaments potencials al Principi Cosmològic.

Comenta Alexia: "El Principi Cosmològic suposa que la part de l´univers que podem veure es considera una 'mostra justa' de com esperem que sigui la resta de l´univers. Esperem que la matèria estigui distribuïda uniformement per tot l´espai quan veiem l´univers a gran escala, per la qual cosa no hi hauria d'haver irregularitats perceptibles per sobre d'una certa grandària”.
 

Els cosmòlegs calculen que el límit teòric actual de la mida de les estructures és de 1.200 milions d'anys llum, però aquestes dues estructures són molt més grans: l'Arc Gegant és gairebé tres vegades més gran i la circumferència del Gran Anell és comparable a la longitud de l'Arc Gegant.

A partir de les teories cosmològiques actuals, pensàvem que estructures d'aquesta escala no eren possibles. Es podia esperar una sola estructura d'aquesta mida a tot l'univers observable. No obstant, el Gran Anell i l'Arc Gegant són dues estructures enormes i fins i tot veïnes cosmològicament, cosa que resulta extraordinàriament fascinant.

Clic a la imatge per engrandir. El Gran Anell està centrat prop de 0 a l'eix x, abastant aproximadament de -650 a +650 a l'eix x (equivalent a 1.300 milions d'anys llum).

"Aquestes dades que estem veient estan tan lluny que han trigat la meitat de la vida de l'univers a arribar fins a nosaltres, així que d'una època en què l'univers era unes 1,8 vegades més petit del que és ara" diu Alexia López

El Gran Anell apareix com un anell gairebé perfecte al cel, però l'anàlisi posterior d'Alexia revela que té més aviat forma d'espiral, com un llevataps, que està alineat cara a cara amb la Terra. L'Arc Gegant, que té aproximadament 1/15 del radi de l'univers observable, es mostra com una enorme mitja lluna, gairebé simètrica, de galàxies a l'univers remot. Té el doble de mida que la cridanera Gran Muralla Sloan de galàxies i cúmuls que s'observa a l'univers relativament proper.

"El Gran Anell i l'Arc Gegant es troben a la mateixa distància de nosaltres, a prop de la constel·lació del Bover, cosa que significa que van existir a la mateixa època còsmica, quan l'univers tenia només la meitat de la seva edat actual", va comentar Alexia. "També es troben a la mateixa regió del cel, a 12 graus de distància quan s'observa el cel nocturn".

Identificar dues extraordinàries estructures ultra grans en una configuració tan propera planteja la possibilitat que juntes formin un sistema cosmològic encara més extraordinari.

Aquestes dades que estem observant estan tan lluny que han trigat la meitat de la vida de l'univers a arribar fins a nosaltres, per això procedeixen d'una època en què l'univers era unes 1,8 vegades més petit del que és ara" . El Gran Anell i l'Arc Gegant, tant individualment com junts, ens ofereixen un gran misteri cosmològic mentre treballem per comprendre l'univers i el desenvolupament.

Alexia, juntament amb el seu assessor, el Dr. Roger Clowes, tots dos de l'Institut Jeremiah Horrocks d'UCLan, i el seu col·laborador Gerard Williger, de la Universitat de Louisville (EUA), van descobrir la nova estructura observant les línies d'absorció als espectres dels quàsars de l'Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Utilitzant el mateix mètode que va conduir al descobriment de l'Arc Gegant, van observar els sistemes d'absorció de Magnesi-II (o MgII, que vol dir que l'àtom ha perdut un electró) retroil·luminats per quàsars, que són galàxies remotes superlluminoses. Aquests quàsars, molt distants i molt brillants, actuen com a llums gegants que il·luminen galàxies distants, però molt més febles, que altrament passarien desapercebudes.

Alexia va presentar els seus descobriments sobre el Gran Anell a la 243a reunió de la Societat Astronòmica Americana (AAS), celebrada el 10 de gener. L'AAS convida els investigadors amb troballes potencialment revolucionàries a compartir els seus treballs amb la comunitat astronòmica mundial.

Ho he vist aquí.

Dossier. La matèria fosca; 7 Els candidats

En aquest dossier es presenten les diferents pistes que porten a la hipòtesi de la matèria fosca, així com diverses propostes que s'han fet per intentar dilucidar-ne la naturalesa.

Es consideren diferents possibilitats per resoldre el problema de la matèria fosca. Aquests no són exclusius: la solució pot ser una barreja de diversos ingredients (o de cap!). En l'estat actual de comprensió de les coses, sembla que ens trobem davant de dos problemes diferenciats: el de la matèria fosca bariònica (aquesta fracció de barions que sabem que està present pels arguments exposats anteriorment, però que no podem veure) i el de la matèria fosca no bariònica (que representa el component principal).

Clic per engrandir. Entre els candidats bariònics: els forats negres. Crèdit: alex_aldo, Adobe Stock

Primer revisarem alguns candidats bariònics, després mirarem els candidats no bariònics, la naturalesa dels quals encara és molt hipotètica. Finalment presentarem un enfocament radicalment diferent, que consisteix a suposar que no hi ha matèria fosca, que és un fals problema, a causa de la nostra incomprensió de les lleis de la gravitació (com va ser el cas del moviment de Mercuri).

Matèria fosca bariònica

Objectes astrofísics

No és insensat imaginar que existeix a l'Univers matèria que no emet prou llum per ser vista directament. Al cap i a la fi, la majoria dels objectes que ens envolten a la vida quotidiana no emeten llum, només els veiem perquè estan il·luminats per fonts externes. Per tant, la idea de la matèria fosca bariònica és bastant natural, en última instància. Aquests són els principals candidats que es poden haver considerat en un moment o altre:

• núvols d'hidrogen H2 molecular
• nanes marrons
• nanes blanques
• estrelles de neutrons
• forats negres

Cadascuna d'aquestes hipòtesis pot donar lloc a proves experimentals, ja que cap d'aquests objectes és perfectament invisible, hauria de ser possible veure'ls directament. Posem-los per ordre:

Els núvols moleculars poden conduir a l'emissió de radiació gamma quan són travessades per raigs còsmics (partícules carregades d'alta energia, res a veure amb la radiació cosmològica de la qual hem parlat anteriorment) que conté la galàxia, també poden absorbir part de la radiació que els travessa quan es mira un objecte col·locat darrere.

Les nanes marrons, les nanes blanques (veure les imatges a continuació) i estrelles de neutrons són objectes de tipus estel·lars que emeten radiació en certes longituds d'ona. Les nanes blanques tenen la propietat de poder refredar-se i, per tant, morir (mentre que la majoria d'altres tipus d'estrelles s'escalfen durant la seva evolució), tant que es pot imaginar que l'Univers en conté moltes en forma extingida i, per tant, poc visibles. De fet, donada l'edat de la nostra galàxia, podem determinar la brillantor de les nanes blanques més febles que conté (són les més antigues), i el Telescopi Espacial Hubble passa a ser capaç de detectar-les. Difícil d'amagar, així que...

Clic per engrandir. Nana marró de 0,06 masses solars (60 vegades la massa de Júpiter), vista per Chandra a través d'una erupció de raigs X.

 

Clic per engrandir. Espectacular naixement en una nebulosa. Al mig, Sirius B, una nana blanca força difícil de veure (la taca superior) a causa de l'encegament provocat per Sirius A (l'objecte principal).

Els forats negres, com de fet les nanes marrons, les nanes blanques, les estrelles de neutrons i fins a cert punt els núvols moleculars compactes, es poden detectar pel fenomen de lent gravitacional, que descriurem més endavant.

Sembla que cap d'aquests candidats pot tenir realment totes les propietats necessàries per resoldre el problema de la matèria fosca, encara que només es busqui destacar la petita fracció de la naturalesa bariònica. Els intents de detectar un excedent d'aquests objectes han fracassat parcialment (vegeu més avall, microlents gravitacionals). A més, diverses d'aquestes solucions no són satisfactòries des del principi, perquè no s'entén realment com una quantitat significativa de nanes blanques o forats negres, per exemple, es podria formar durant la història de l'Univers.

El gas primordial

És possible detectar els grans núvols primordials d'hidrogen, gràcies a les seves propietats d'absorció: observant una font molt llunyana (desplaçament cap al vermell de l'ordre de 2 o més) d'on en coneixem l'espectre, podem veure les línies d'absorció provocades per aquests núvols. La línia d'absorció de cada núvol es veu desplaçada al vermell per un factor que depèn de la distància a la qual es trobi. Aleshores observem en l'espectre dels quàsars tot un munt de línies corresponents a tots els núvols que es troben a la línia de visió. Parlem d'un bosc alfa de Lyman (Lyman alfa és el nom de la transició atòmica que dóna lloc a cadascuna de les línies individuals). El seu estudi és de gran importància en Cosmologia, d'una banda perquè permet estudiar la manera com es distribueixen els núvols a l'espai (i així provar els models de formació de les grans estructures) i d'altra banda perquè es pot mesurar la quantitat de gas present a les regions investigades. El resultat net és que la densitat de gas observada és molt coherent amb les prediccions de la nucleosíntesi primordial. En altres paraules, "aconseguim detectar tots els barions de l'Univers primordial, i realment no hi ha cap problema de matèria fosca bariònica a gran escala".

Clic per engrandir. Bosc alfa de Lyman obtingut en una simulació numèrica, dins d'una caixa de 30 milions d'anys llum per costat.

Matèria fosca no bariònica

Neutrins

També es pot considerar la possibilitat que el neutrins formin part de la matèria fosca. Els neutrins són partícules que interactuen molt poc amb la matèria, i que segons el model del Big Bang hauria d'estar present en una quantitat comparable a la dels fotons de la radiació còsmica de fons. Per tant, la seva densitat és molt coneguda, i si aconseguim determinar-ne la seva massa, llavors podem deduir immediatament la seva contribució a la matèria fosca. La qüestió de la massa dels neutrins té una història turbulenta, però en els darrers anys, una sèrie d'experiments específics han comportat limitacions molt fortes sobre aquestes masses. Aquests, per començar, no són zero: els neutrins són efectivament partícules massives. Tanmateix, no són suficients perquè els neutrins constitueixin una part important de la matèria fosca.

A més, són massa lleugers per explicar que les grans estructures es podrien haver format. Els neutrins, amb massa feble, viatgen a la velocitat propera a la de la llum a mesura que les grans estructures s'esfondren. Més endavant veurem per què això fa que els neutrins siguin candidats pobres a la matèria fosca.

Clic per engrandir. El detector de neutrins Kamiokande, vist durant el seu ompliment. Les parets estan revestides amb fotodetectors, que aquí veiem netejant-los per l'equip de la barca (dreta).

Les pistes de la física de partícules

La física de partícules descriu els fenòmens elementals de la natura. Tots els fenòmens que observem semblen implicar camps quàntics que tenen propietats poc intuïtives, amb característiques que atribuiríem a les ones i d'altres que atribuiríem a les partícules. La teoria que descriu aquests fenòmens s'anomena teoria quàntica de camps.

De fet, no n'hi ha prou amb tenir una teoria. Per estar convençuts d'això, tornem a la mecànica clàssica. Aquesta teoria indica la manera com es posa en moviment un cos, en funció de les forces a les quals està sotmès. No diu res sobre quines són aquestes forces, i per entendre el moviment dels planetes, a més, cal suposar que la llei de l'atracció gravitatòria té una forma particular. És el mateix en la física de partícules, i has de fer suposicions sobre les interaccions entre les partícules. Als físics els hi agrada basar aquestes hipòtesis en arguments de simetria, i resulta que les simetries simples condueixen a un model que té en compte els fenòmens observats, especialment en el domini d'altes energies, s'anomena, Model estàndard de la física de partícules. Aquest enfocament va conduir a la unificació de la interacció feble i la interacció electromagnètica.

Tot i el seu èxit, el model estàndard no ho explica tot. Per exemple, no permet entendre per què l'Univers que observem està fet de matèria sense una contrapartida notable en antimatèria, o per què totes les partícules conegudes tenen càrregues elèctriques que són múltiples enters d'una càrrega elemental, per citar alguns exemples. Això fa creure als investigadors que hi ha un model més complet, potser basat en una teoria més completa, que proporciona aquestes explicacions. S'han proposat aquestes extensions del model estàndard, que inclouen:

- Les teories de la gran unificació, que suposen que les diferents interaccions (interacció electromagnètica, interacció feble, interacció forta) són diferents facetes de la mateixa interacció fonamental.

- Teories supersimètriques, que parteixen de simetries més extenses que en el model estàndard.

- Teories de cordes, en què els objectes fonamentals ja no són punts (com les partícules), sinó que es poden veure com a cordes. Aquestes cordes tenen diversos modes d'excitació (com la vibració d'una corda de guitarra), que es pot identificar amb diferents partícules. Així, les diferents partícules només serien les diferents excitacions d'un mateix objecte fonamental, i les reaccions entre partícules serien les transicions d'un mode de vibració a un altre, possiblement acompanyades d'una separació de la corda en diverses peces. Tingueu en compte que aquestes teories de cordes es basen generalment en la supersimetria i sobre la unificació.

Aquestes pistes encara són només teòriques, en el sentit que cap d'elles està recolzada per confirmació experimental. També cal destacar que, fins i tot a nivell purament teòric, encara hi ha problemes de coherència i obstacles conceptuals. Aquestes teories prediuen l'existència de noves partícules:

-  partícules supersimètriques (per exemple: neutralins),
-  axió,
-  neutrins pesats,
-  Q-balls,
-  Wimpzillas, criptons... (s'esmenten aquests noms per excitar la curiositat del lector. Els físics són molt juganers, i dediquen una part important de la seva imaginació a inventar noms per a nous objectes que inventen o descobreixen).

La majoria d'aquestes partícules són inestables i es desintegren espontàniament en altres partícules. Tanmateix, alguns poden ser estables (o almenys tenir una vida útil molt llarga). Si una partícula estable tan nova pot existir, i si s'hagués pogut crear en qualsevol moment del passat de l'Univers, es pot imaginar que l'Univers actual està ple d'elles i que aquesta partícula constitueix matèria fosca.

Per resumir aquesta complicada imatge, diguem que s'adaptaria bé als físics de partícules si una teoria substituís o completés el model estàndard, i s'adaptaria bé als astrofísics també perquè les noves partícules podrien constituir matèria fosca. Fem una ullada més de prop a un exemple particular d'aquesta llista: el neutralí.

Els neutralins: matèria fosca “freda”

Entre els candidats que ofereix la física de partícules, el neutralí juga un paper força important. És una partícula nova introduïda per supersimetria. És neutre, és estable en algunes versions de supersimetria i podria ser matèria fosca. Aclarim aquest darrer punt: les propietats que importen per determinar si una partícula pot constituir matèria fosca són la seva massa i la seva secció transversal (la seva capacitat de reaccionar amb una altra partícula quan s'uneixen).

Comencem detallant la importància de la massa: com més massiva sigui una partícula, menor serà la seva velocitat per a una energia determinada. Això implica que en qualsevol moment de l'evolució cosmològica, les partícules molt lleugeres són relativistes mentre que les més pesades no ho són. Tanmateix, quan les fluctuacions de densitat comencen a col·lapsar-se sobre si mateixes per formar el que més tard es convertiran en les primeres grans estructures còsmiques (galàxies, cúmul de galàxies i supercúmuls), la situació és completament diferent tant si les partícules de matèria fosca són relativistes com si no.

En el primer cas (parlem de matèria fosca calenta), poden escapar ràpidament tan bon punt han format una sobre-densitat, que tendeix a frenar el seu col·lapse posterior, sobretot a petites escales espacials. La formació de les estructures comença llavors amb les grans escales espacials, els supercúmuls de galàxies, que amb el temps es fragmenten per donar cúmuls de galàxies, després galàxies. Estem parlant d'un escenari de dalt a baix (top-down en anglès).

En el segon cas (aleshores parlem de matèria fosca freda), el fenomen anterior no es produeix i primer es formen les estructures petites (galàxies, petits cúmuls de galàxies). Les grans estructures es formen posteriorment, per aplec i fusió de les estructures més petites. Estem parlant d'un escenari de baix a dalt.

Pel que fa a la secció transversal, també és una magnitud crucial, perquè determina la quantitat de partícules que poden sobreviure a les nombroses reaccions que tendeixen a disminuir la seva densitat durant l'expansió cosmològica. El neutralí és bastant notable en aquest sentit, perquè la física de partícules proporciona una sèrie de seccions transversals (i no una sola secció transversal, malauradament) que condueix a densitats relíquies (aquest és el terme habitual per a la densitat de partícules supervivents) que corresponen aproximadament a la densitat de matèria fosca. Això és molt encoratjador i la hipòtesi neutralí és una de les preferides dels astrofísics. Un punt menys encoratjador és que aquí ens trobem davant d'una certa paradoxa: que una partícula sigui abundant a l'Univers avui, la seva secció transversal no ha de ser massa gran, per tant ha de ser relativament poc reactiva. Com que és per les seves reaccions que detectem les partícules, això implica que serà més difícil de detectar!

Observem per acabar que els càlculs de la densitat de les relíquies ja permeten excloure determinades propostes de solució al problema de la matèria fosca. De fet, algunes partícules tindrien seccions transversals massa petites, i la seva densitat de relíquia avui dia seria molt més gran que la densitat total de l'Univers, cosa que no és acceptable. Per tant, podem eliminar aquestes partícules de la llista de candidats. Això permet, per exemple, excloure determinats valors dels paràmetres de supersimetria, per als quals el neutralí seria massa abundant avui dia.

Les modificacions en les lleis de la gravetat

Dimensions addicionals

Per altres motius, alguns teòrics investiguen la possibilitat que el nostre Univers tingui més de 4 dimensions. Això pot semblar una idea molt descabellada, ja que no veieu aquestes dimensions addicionals. De fet, hi ha dues raons per les quals potser no veiem aquestes dimensions addicionals, encara que existissin:

- Són “compactes”, és a dir enrotllats sobre ells mateixos a escales submicroscòpiques.
- Forces diferents de la gravetat no hi tenen cap efecte.

Aquesta hipòtesi també pot conduir a l'existència de diverses partícules noves, que podrien constituir matèria fosca. També comporta una modificació de la llei de la gravitació a curta distància. Això podria proporcionar una manera de validar-lo o invalidar-lo.

En aquest mateix ordre d'idees, es preveu que patim la influència gravitatòria del que conté un altre espai, connectat al nostre per aquestes dimensions addicionals. Les manifestacions de la matèria fosca serien llavors l'efecte d'un món paral·lel sobre el nostre. Fixeu-vos que podríem enfonsar-nos molt ràpidament en el deliri més total, si ens conforméssim amb aquesta manera de presentar les coses, que s'assembla més a un episodi de Star Trek que de la ciència. De fet, els científics, quan expressen aquestes hipòtesis tan especulatives, ho fan (en general) en el marc de desenvolupaments teòrics precisos i controlats. En aquest cas, les teories que impliquen dimensions addicionals sovint se situen en el marc de la teoria de cordes.

Una altra modificació de la gravitació: Mond

També s'ha proposat empíricament que les lleis de la gravitació no són lleis newtonianes, ni les proporcionades per la relativitat general. Un grup d'investigadors es va preguntar quina forma hauria de tenir una força d'atracció gravitatòria per explicar els moviments interns de les galàxies, sense dependre de la matèria fosca. Van plantejar una "teoria" que anomenen Mond, un acrònim de MOdified Newtonian Dynamics (Dinàmica Newtoniana Modificada). Aquest enfocament comença amb una idea interessant, però es troba amb diversos problemes greus. Pateix una certa manca de coherència teòrica. Es construeix des del principi amb un enfocament no relativista, i no resol el problema de la matèria fosca a nivell cosmològic. Finalment, assenyalarem que és possible posar en competició els diferents models de matèria fosca en la interpretació de certs sistemes molt ben observats, com els cúmuls de galàxies. Resulta que MOND sempre arriba als darrers llocs, la qual cosa posa aquesta hipòtesi en una mala posició.

Més enllà de la Relativitat General

Finalment, es pot considerar que la nostra possible incomprensió de la gravitació es remunta a la font, que la relativitat general mateixa ha de ser qüestionada.

Veure:

Capítol anterior: 6 Les propietats
Capítol següent: 8 La recerca de la prova experimental 1

Ho he vist aquí.

La Teoria de Cordes. Una introducció detallada (i IV)

Per apreciar el que la Teoria de Cordes proposa aconseguir i com intenta aconseguir aquestes propostes, cal recordar la present formulació de la física de partícules elementals i camps. Després de revisar els principis bàsics de la física de partícules, passarem a la descripció dels fonaments de la Teoria de Cordes en termes no tècnics.

Partícules elementals i camps

Considera la força familiar de l'electromagnetisme. En el nivell més simple (aplicable a molts fenòmens a escales de distància quotidianes) està descrit per un "camp clàssic". En aquest marc, un imant exerceix una força sobre un altre imant atès que cada un d'ells és una font de camp electromagnètic, impregnant tot l'espai però fent-se més feble com més llunyana és la distància a la font. El camp no necessita d'un mitjà en què recolzar-se, i pot imaginar-se com una pertorbació del buit. Postular l'existència de tal camp, subjecte a les "equacions d'ona", explica, d'una forma unificada, tots els fenòmens associats a l'electricitat i magnetisme en un punt.

La Teoria de Camps de Electromagnetisme Clàssica col·lapsa a distàncies molt curtes, o en presència de camps molt forts. Això fa necessari assumir que aquest camp no és només un nombre en cada punt de l'espai i temps, sinó un "operador quàntic", que té propietats matemàtiques definides però bastant complicades. El camp quàntic es redueix al clàssic sota les circumstàncies habituals, però difereix notablement d'aquest en alguns règims de distància o energia.

En la Teoria Quàntica, un camp no és només una cosa associat a ones, sinó també relacionat amb les partícules per virtut de la ben coneguda dualitat ona-partícules. Una partícula elemental és un tipus d'excitació coherent d'un camp quàntic. Així doncs, el camp electromagnètic ha de ser associat a una partícula fonamental que es trobi en la natura. De fet, tal partícula existeix i se la coneix com "fotó". Una imatge intuïtiva d'una interacció electromagnètica, com és descrita per la Teoria Quàntica, és que el que fa de camp és intercanviat entre els objectes que interactuen. Així doncs, un parell d'imants, quan s'aproximen l'un a l'altre, intercanvien fotons, i és aquest intercanvi el que condueix la força entre ells. Es podria dir que l'existència del fotó està predita per l'existència d'interaccions electromagnètiques quàntiques.

Extraordinàriament, totes les interaccions que es necessiten per explicar la Química (i, fins on coneixem, la Biologia) són electromagnètiques per naturalesa. Els àtoms interactuen electromagnèticament per formar molècules i compostos. D'alguna manera, per tant, podríem afirmar que l'electromagnetisme (el qual està correctament descrit per la Teoria de Camps Quàntics) és una "Teoria Unificada de la Química". Això no redueix de cap manera la importància de la investigació química! De vegades, la Teoria Unificada subjacent no és l'eina més pràctica per respondre a les preguntes que els químics volen fer. Però tot i així és profundament satisfactori estar segurs que l'electromagnetisme és la teoria completa que en principi subjacent i unifica tots els fenòmens químics. Tindrem més a dir sobre la idea de Teoria Unificada en el que segueix. 

Com l'electromagnetisme, cada interacció fonamental ha de tenir la seva pròpia partícula intermediària. Precisament les tres altres classes d'interaccions fonamentals que coneixem. Una d'elles és la familiar força gravitatòria, mentre que les altres dues són forces nuclears que només van ser descobertes en aquest segle (referit al Segle XX, l'article és de 1999): les forces "nuclear forta" i la "nuclear feble". La primera és, en particular, responsable de mantenir units als protons i neutrons que conformen el nucli d'un àtom, mentre que la següent és una força totalment diferent i dóna lloc a fenòmens com la descomposició atòmica. La força feble és l'única que viola la simetria esquerra-dreta o paritat. La gravitació, com l'electromagnetisme, és una força de llarg abast, aquesta és la raó per la qual es coneixen des de fa temps. Les dues forces nuclears dèbils són de curt abast, i, per tant, no són observades comunament a les escales quotidianes.

Per tant, podem preguntar quina és la partícula elemental associada a cadascuna d'aquestes interaccions. Per a la gravitació, associem el "gravitó", una partícula que no ha estat observada directament però que es pensa que existeix. Per la força nuclear forta associem un conjunt de partícules anomenades "gluons" a causa de les seves propietats d'unió similars a la cola (de "glue", cola en anglès), i per la força nuclear feble associem un altre conjunt de partícules anomenades "bosons W i Z". Hi ha proves de pes per a l'existència dels gluons, mentre que els bosons W i Z produïts en els acceleradors s'han observat directament. Segons això, tenim llavors un resum de totes les forces fonamentals i els portadors d'aquesta força coneguts o que creiem que existeixen avui dia.

Les cinc teories de cordes

Els intents inicials per compactar aquestes cinc teories a 4 dimensions van afavorir fortament a la corda heterótica I (8) x E (8). Amb les cordes SO (32) (heterótica i de Tipus I) la violació de paritat natural en 10 dimensions sembla ser destruïda per compactació, per tant la teoria resultant en 4 dimensions podria no descriure el món real, en el qual hi ha violació de paritat. Això era també cert per a cordes del Tipus IIB. D'altra banda, la Teoria de Tipus IIA té ja conservació de la paritat en 10 dimensions, i pel que sabíem fins fa poc sobre compactació, aparentment no podria induir violació de paritat. El quadre modern és considerablement diferent. Les cinc Teories de Cordes estan en realitat connectades unes amb altres, per tant d'alguna manera, són diferents límits d'una mateixa teoria. Aquesta única teoria no s'entén encara perfectament, però pot portar-nos a una violació de paritat en 4 dimensions. Així doncs, el que una Teoria de Cordes compactifiqui depèn de la conveniència de cada un: efectes que són complexos d'estudiar en una formulació són molt més senzills en la teoria dual.

La dilació

Mereixen discussió algunes altres propietats de les Teories de Supercordes. Una d'elles és la que fa a la qüestió de l'acoblament constant de la teoria. Les Teories de Camp Quàntic normalment contenen un paràmetre ajustable el qual determina la força de les interaccions. En realitat, com vam veure en una secció prèvia, aquest paràmetre depèn de l'escala d'energia a la qual té lloc la interacció. Aquesta pot ser petita a algunes energies i gran en altres, per exemple en la Teories de Interaccions Fortes el paràmetre és gran a baixes energies, portant a un confinament permanent dels quarks dins de les partícules com protons i neutrons, mentre que és feble a altes energies, portant a un dibuix en què el els protons i neutrons es fabriquen per quarks pràcticament sense interacció. Aquest "flux" de l'acoblament amb l'escala d'energia és característic de la majoria de Teories de Camps Quàntics on tenen lloc infinits en el càlcul d'amplituds disperses. No obstant això, la Teoria de Supercordes està lliure d'infinits donat la naturalesa extensa de les cordes. D'aquesta manera s'esperaria que la Teoria de Cordes contingués un acoblament constant que és un nombre fix, el qual hem de determinar per comparació amb els experiments.

El que succeeix a la pràctica és bastant diferent. En lloc d'un acoblament constant, totes les Teories de Cordes tenen una partícula escalar que governa la força de les interaccions. Tècnicament, el camp associat a aquestes partícules pot tenir un valor constant definit en un "buit" donat de la teoria, i aquest valor actua com l'acoblament constant. Aquesta és una meravellosa propietat atès que suggereix que la força de les interaccions de les cordes podria d'alguna manera estar determinat de manera auto-consistent per la teoria a lligar d'una entrada experimental. Això podria potencialment contestar un profunda qüestió plantejada per Dirac i altres: en electrodinàmica, per què el que fa de la càrrega elèctrica té un valor aproximadament igual a l'arrel quadrada de, que es pot obtenir experimentalment? 

Al nostre actual nivell de coneixement, encara que sabem que la dilació és present en totes les Teories de Cordes i que determina la força d'interacció, encara no sabem com determinar el valor que pren el camp en el buit. És més, a causa de la supersimetria, el valor sembla ser indeterminat i pot ser qualsevol que vulguem, la qual cosa és gairebé com prendre un paràmetre numèric lliure en la teoria. No obstant això, a baixes energies, esperem que la supersimetria es trenqui. En aquesta situació, el valor del buit per a la dilació podria quedar determinat. Comprendre això és un dels objectius que els teòrics de cordes esperen aconseguir en el futur.

 Camps Gauge de Tensors

Esmentem que les Teories de Cordes de Tipus II tenen exòtics "camps gauge de tensors" el paper va ser misteriós durant molt de temps. Tot i que el paper de tals camps no s'aclarirà en el present article, és important per comprendre la dualitat de cordes. Aquí ens centrarem en un camp tensor en particular el qual està present en realitat -encara que no ho hàgim esmentat fins ara- en les cinc Teories de Cordes. Aquest és l'anomenat "camp tensor de segon ordre", el qual és com un fotó però amb un índex de vector extra sota transformacions de Lorentz. Sota transformacions de Lorentz, el fotó (indicat com A) es transforma com un vector, diferent de camp tensor (indicat com B) que és ubic en la Teoria de Cordes, el qual es transforma com el producte de dos vectors, d'aquí que es conegui com "tensor de segon ordre". La pregunta que volem fer és bastant simple: així com una partícula puntual (com l'electró) pot carregar-se sota el camp d'un fotó, hi ha algun objecte dinàmic en la Teoria de Cordes que estigui "carregat" sota B? Això és important, ja que tal càrrega pot ajudar a dotar un objecte d'estabilitat. A la vida real, els electrons són estables a causa de que transporten la mínima unitat de càrrega elèctrica i són els objectes carregats de tal tipus més lleugers. A causa de la conservació de la càrrega, no hi ha, a més, res en el que puguin decaure! Atès que B està present en totes les Teories de Cordes, es podria sospitar que aquesta també està dotada d'algun encara apropiat objecte dinàmic carregat amb aquesta propietat d'estabilitat. 

La resposta resulta ser meravellosament simple: els objectes que porten càrregues sota un camp tensor de segon ordre són cordes. Així és, en totes les Teories de Cordes Tancades (tipus IIA, IIB i les dues cordes heteròtiques) les cordes fonamentals porten càrregues unitàries sota B i això a més es garanteix que és estable.

L'argument que porta a aquesta conclusió és bastant simple. En la mecànica quàntica, una partícula carregada té un terme acoblat EA integrat al llarg de la trajectòria (anomenada "línia del món" en teories relativistes) de la partícula. Aquí, i és el que fa de càrrega elèctrica, i pot escollir-se que sigui 1 en les unitats adequades. En la Teoria de Cordes Tancades, es troba que les cordes fonamentals tenen una interacció anàloga que consisteix a B integrat sobre la seva trajectòria, la qual cosa és bidimensional donat que la corda mateixa té una extensió espacial i es propaga en el temps. Aquesta interacció ens diu que la corda fonamental porta la unitat de càrrega sota aquest camp gauge de tensors i que a més és estable. La situació és més delicada per Teories de Cordes Obertes, per tant no les tractarem aquí.

Condicions de frontera per a cordes obertes

La propietat final de la Teoria de Cordes de 10 dimensions que volem discutir aquí són les condicions de frontera a les cordes obertes. Al contrari que en les cordes tancades, les cordes obertes tenen extrems, i això significa que al definir la configuració espacial de la corda, hem de definir les condicions de frontera en aquests extrems. L'elecció més natural seria permetre que aquests extrems es localitzessin en qualsevol punt de l'espai. En efecte, aquesta és l'única opció compatible amb la invariància de translació i la invariància de Lorentz en 10 dimensions. Si "ancorem" aquests extrems d'alguna manera, distingiríem alguna de les 9 dimensions espacials d'altres. Matemàticament, les condicions de frontera que permeten que els extrems d'una corda estigui localitzada en qualsevol punt de l'espai, i així doncs satisfer la invariància de Lorentz, són anomenades condicions de frontera de Neumann, conegut per l'estudi d'equacions diferencials en espais amb frontera. Les alternatives condicions de frontera de Dirichlet, les quals restringeixen als extrems de les cordes a caure en superfícies definides de l'espai, són clarament incompatibles amb la invariància de translació i de Lorentz, i poden mantenir-major part d'aquestes invariàncies.

No obstant això, les condicions de frontera de Neumann (les quals durant molt de temps van ser considerades com les úniques raonables per a cordes obertes) van resultar ser massa restrictives i perdien alguns profunds fenòmens dinàmics de la Teoria de Cordes. La raó és la següent. Considera una Teoria de Camp Quàntic ordinària de partícules puntuals. Encara que la teoria subjacent té invariància de translació i de Lorentz, els estats individuals de la teoria no la tenen. Per exemple, encara que l'estat de buit d'aquesta teoria és invariant en translació, la teoria també té estats de partícules úniques i de partícules múltiples en el seu espectre. Aquests estats involucren partícules localitzades en posicions fixes (per exemple, imagina l'estat d'una partícula individual en repòs en un punt definit). No és sorprenent que aquest estat trenqui la invariància de translació.

A més es podria imaginar que si assignem condicions de frontera per a cordes obertes que violin les invariàncies de translació i de Lorentz, obtenim un estat definit de la teoria, diferent de l'estat de buit. Això resulta ser cert, i té una varietat de conseqüències profundes i meravelloses. Suposa com en el primer exemple, que assignem condicions de frontera de Dirichlet als extrems d'una corda oberta, al llarg de les 9 coordenades espacials (x1, x2, ..., x9). Això limita a l'extrem de la corda a caure en una posició de l'espai, mentre la resta de la corda és lliure de fluctuar. Per exemple, podem restringir l'extrem a caure en l'origen d'algun sistema de coordenades. Llavors aquests punts es converteixen en "especials", i efectivament es comporta com una partícula puntual. Per exemple, trenca les invariànces de translació i de Lorentz exactament de la mateixa manera que ho faria un estat de partícula puntual és una teoria de camp de 10 dimensions. Però aquest estat no és una de les excitacions similars a les partícules puntuals d'una corda tancada que hem discutit! És més aviat al contrari, és un objecte definit per la propietat de que les cordes obertes acaben en ell. D'això resulta que es pot assignar una massa i càrrega definida a tal objecte, i que aquest es comporta just com una partícula elemental. Aquesta és la comunament anomenada "partícula D", on la "D" és un recordatori que sorgeix assignant condicions de frontera de Dirichlet per als extrems de les cordes obertes.

Fins aquí hem discutit dues possibles condicions de frontera: Neumann a les 9 direccions, o Dirichlet en les 9 dimensions. Podem postular fàcilment un híbrid entre les dues, segons Neumann en 2 direccions i Dirichlet en les altres 7. Això correspon a una corda oberta que està "clavada" sobre una superfície espacial bidimensional. Llavors, igual que per la partícula D, estarem forçat a interpretar la superfície completa com a objecte dinàmic que s'estén en dues direccions espacials, conegut comunament com a membrana. A més, només assignant aquestes condicions de frontera, hem produït un estat quàntic de la Teoria de Cordes que s'estén en l'espai com una membrana. Un tema diferent és si la membrana és estable. Ho serà si està carregada sota algun camp gauge generalitzat, igual que la corda era estable a causa de la seva càrrega sota el camp de tensors de segon ordre. Efectivament, és senzill veure que una membrana pot estar carregada sota un camp de tensors de tercer ordre, a causa de que la trajectòria de la membrana té una superfície tridimensional en l'espai-temps. Això té lloc en la Teoria de cordes de tipus IIA, on en efecte, l'espectre conté un camp de tensors de tercer ordre. D'aquí que la Teoria de Cordes de tipus IIA no sigui només una teoria de partícules i cordes, sinó també de membranes.

Això es pot generalitzar fàcilment si assignem p condicions de frontera Neumann i 9-p Dirichlet. L'estat corresponent s'estén en p direccions espacials i és anomenat p-brana de Dirichlet, o Dp-brana per escurçar.

 Corda oberta acabant en una p-brana de Dirichlet

Aquest tipus d'objecte pot ser difícil de visualitzar en el nostre estret món de només 3 dimensions espacials, però té molt espai per propagar-se en 9 dimensions espacials!. Fins aquí veiem que les Teories de Cordes no són només Teories de Cordes. Contenen d'una forma molt natural, objectes estesos anomenats branes en el seu espectre. Nota que entre altres coses, les D-branes proveeixen una explicació del paper dels exòtics camps gauge de tensors en les Teories de Cordes de Tipus II: doten a les branes d'estabilitat.

En l'estudi de la Teoria de Cordes, les branes resulten ser tan importants com les cordes, de fet, es podria dir que una corda fonamental és només un tipus especial de p-brana amb p = 1. S'hauria de tenir cura, però , en adonar-se que la corda fonamental no és una brana de Dirichlet com l'hem definit. Està postulada des del principi, i no definida en termes sinó alguna cosa en el que acabar. Les branes de Dirichlet són especials precisament perquè estan definides a través de cordes fonamentals que acaben en elles. Això ens permet estudiar-les usant tècniques comunes de Teoria de Pertorbació de Cordes.

Compactació

Finalment, tornem a les relacions entre el món de 10 dimensions descrit a dalt, (amb 9 dimensions espacials i una temporal) i el món real de 4 dimensions en què habitem (3 dimensions espacials i una temporal). El requeriment clau és que les dimensions espacials amb les que vam començar no haurien de ser observables físicament. En l'esperit de Kaluza i Klein, hem d'assumir a més que 6 dimensions espacials estan "enrotllades" sobre si mateixes, mentre que les 3 restants s'estenen fins a l'infinit (o al menys a distàncies molt grans). El concepte d'"espai" està enquadrat en la noció de "varietat", cosa que localment sembla l'espai comú però pot tenir curvatures i altres propietats no trivials. En particular, una varietat que estigui "corbada" de la manera que desitgem es coneix com "compacte". Així doncs, la forma més senzilla de connectar la Teoria de Cordes amb el món real és postular que 6 dimensions espacials formen una varietat compacta, la grandària és tan petita que no som capaços de detectar la seva existència directament amb les investigacions disponibles.

Les investigacions teòriques d'aquest escenari de compactació han revelat una rica connexió amb la branca de les matemàtiques que coneixem com Geometria Algebraica. La connexió sembla haver estat útil en ambdues direccions, mentre que els resultats coneguts a les matemàtiques no ajuden a tenir major coneixement de les varietats que poden ser potencialment rellevants per a la Teoria de Cordes, la configuració de la Teoria de Cordes també va provar ser útil per extreure nous resultats matemàtics (no tenim temps per entrar en detalls). Una classe especial de varietat de 6 dimensions amb propietats molt especials, coneguda com a varietat de Calabi-Yau, va resultar tenir propietats que, quan s'usen com la varietat de compactació en Teoria de Cordes, ens porten a temptadores teories realistes en 4 dimensions espai-temporals. El contingut i dinàmica de la partícula detallada en una teoria de 4 dimensions depenen de l'elecció de la varietat de Calabi-Yau, per tant no és com si la varietat fos completament inobservable. De fet, d'aquesta manera nosaltres ens ho cuinem i ens ho mengem, la varietat de Calabi-Yau seria responsable del "zoo" de partícules elementals observades en el món real, però no seria observable directament com una col·lecció de dimensions espacials extra, alguna cosa bona atès que tals dimensions extra encara no han estat observades, fins ara.

Inicialment, la classe de teories més realista es va trobar es va trobar començant amb la corda heterótica I (8) x E (8) en 10 dimensions i compactant-la en una varietat de Calabi-Yau adequada. Per exemple, d'aquesta manera es poden recuperar les teories en 4 dimensions amb grups gauge prou grans com per incloure'ls en els grups SU (3), SU (2) i U (1) associats al model estàndard (i no gaire més portaria a interaccions addicionals no observades). La teoria de quatre dimensions viola la paritat, ja que la corda heterótica subjacent viola la paritat i el procés de compactació en aquest cas no elimina la violació de paritat. A més de les partícules gauge, hi ha partícules materials (fermions) que qualitativament tenen la classe adequada de "números quàntics" per ser identificats amb els fermions coneguts a la natura, com ara electrons, muons, neutrins, quarks, etc. I, per descomptat, tenim la gravetat en quatre dimensions, atès que les Teories de Cordes descriuen la gravetat en 10 dimensions i la compactació no destrueix aquesta propietat.

A un nivell ampli, aquesta és una prova convincent que estem sobre la pista correcta. No obstant això, es mantenen una varietat de problemes. Per exemple, per raons associades amb el problema jeràrquic endèmic en la gran unificació, les compactacions que han estat afavorides donen lloc a una Teoria supersimètrica en 4 dimensions. Però això encara deixa oberta la pregunta de com i per què es trenca la supersimetria a baixes energies per donar lloc al món aparentment no supersimètric en què vivim. A més d'això, les partícules elementals més lleugeres que sorgeixen d'oscil·lacions de cordes de fet no tenen prou en 10 dimensions, i aquestes donen lloc a una multitud de partícules exactament sense massa en 4 dimensions després de la compactació. Això contrasta de forma poc favorable amb la realitat, l'única partícula exactament sense massa al món, fins on coneixem, són els fotons i gravitons. L'electró del món real no té massa zero, mentre que l'electró derivat de la corda (encara que té la càrrega apropiada així com altres nombre quàntics) és aparentment no massiu. Es creu que les masses per a aquestes partícules apareixeran un cop es trenqui la supersimetria, però els detalls d'aquest procés estan lluny de comprendre.

Tot i que la compactació com esbossem abans, roman com un important mecanisme per extreure la física del món real de la Teoria de Cordes, és notable assenyalar que alguns altres mecanismes s'han proposat només en els últims tres o quatre anys, sobre com extreure el contingut del model estàndard de la Teoria de Cordes. Algunes d'aquestes noves idees diuen superar el problema jeràrquic i altres problemes associats a la compactació convencional que apuntem de manera aproximada més amunt. No obstant això, encara no ens hem decidit sobre aquests competidors, i per tant ara no és el moment més adequat per revisar aquestes noves idees. En dos o tres anys hauria d'estar molt més clar si està clar o no un escenari detallada, consistent i tractable per connectar la Teoria de Cordes amb el món real.

Un problema íntimament relacionat en la connexió de la Teoria de Cordes amb la natura és el problema de la "constant cosmològica". La Teoria de la Gravetat admet un paràmetre que a grans trets descriu l'energia total del buit. La presència de aquest paràmetre tindria conseqüències observables espectaculars i afectaria la raó de l'expansió de l'Univers. Això ens permet posar un límit molt estricte al valor real el paràmetre a partir d'experiments. Com una Teoria de la Gravetat fonamental, la Teoria de Cordes hauria de predir el valor d'aquest paràmetre,  però en lloc d'això, ens diu alguna cosa bastant insatisfactori sobre ell.

En la Teoria de Supercordes, mentre que no es trenqui la supersimetria, la constant cosmològica és exactament zero a causa de la cancel·lació produïda pels bosons i fermions. S'ha pensat durant molt temps que això era consistent amb els experiments (recentment s'ha suggerit que, en efecte, el paràmetre ha de ser diferent de zero però extremadament petit). Però el problema és que la supersimetria es trenca en el món real, i després de la ruptura de la supersimetria la constant cosmològica pren generalment un valor diferent de zero i extremadament gran, aproximadament 100 ordres de magnitud per sobre del límit experimental!. Això és un altre problema jeràrquic. El problema no és específic de la Teoria de Cordes, sinó més bé, està en la Teoria de Cordes, com el primer candidat seriós per a una Teoria de la Gravetat Quàntica, de la qual esperem una solució correcta, i que encara no ha arribat, tot i que de nou, hi ha una gran quantitat de noves idees en els últims anys.

Conclusions importants

Hi ha hagut una investigació qualitativa d'algunes característiques elementals de la Teoria de Cordes. S'ha focalitzat durant molt de temps en les propietats que s'han conegut durant una dècada, i les quals són descrites com "Teoria perturbativa de Cordes". Malgrat això, des de 1994, han tingut lloc importants avanços en la Teoria de Cordes no-perturbativa.

La física no-perturbativa és l'estudi dels efectes físics que no poden descriure en termes d'ordre a ordre o de petits acoblaments constants. Un efecte no perturbatiu típic és la unió de dues partícules, per exemple un electró i un positró, per formar una nova partícula, en aquest cas el positroni. Per a una força d'interacció zero no hauria unió, la qual cosa és físicament molt diferent de la valor real on la unió és possible. Això significa, com hauria de ser obvi, que no es pot aproximar un estat de frontera en termes de partícules sense frontera. L'absència de coneixement sobre els efectes no pertorbatius en la física teòrica vol dir que la teoria, fins i tot si és correcta, està seriosament incompleta i no pot ser usada per a estudiar fenòmens importants que és el que s'intenta descriure.

Amb la present formulació de la Teoria de Cordes (comparada amb la Teoria de Camps Quàntics) estem en aquest cas. Tot i que no hem superat aquesta seriosa incompletesa, una nova aproximació a la Teoria de Cordes ens ha ajudat a fer importants incursions en el territori no perturbatiu. La tècnica clau ha estat fer servir consistència interna i triar simulacions com a evidències per afirmar la veritat de certes conjectures sobre l'estructura no pertorbativa. Aquesta aproximació ha destapat el paper de noves simetries anomenades "dualitats" en la Teoria de Cordes.


Bibliografia Per un article introductori com aquest, és apropiat citar només uns pocs llibres clau més que els articles d'investigació originals. El lector comú es beneficiarà dels capítols introductoris d'aquests llibres, mentre que els lectors més avançats trobaran una llista de referències tècniques en ells.
* "Superstring Theory", MB Green, JH Schwarz and E. Witten, Cambridge University Press (1987).
* "String Theory", J. Polchinski, Cambridge University Press (1998).
* "Gauge Fields and Strings", AM Polyakov, Harwood Academic, 1987.
* "Lectures on String Theory", Sr. Lust and S. Theisen, Springer-Verlag, 1989 (Lecture Notes in Physics, 346).
* "Introduction to Superstring Theory", I. Kiritsis, Leuven Univ. Press, 1998 (Leuven Notes in de Matemàtiques and Theoretical Physics, Vol. 9).

Sobre l'autor:

Sunil Mukhi va néixer a Bombai l'any 1956. És membre de l'Institut Tata per a Investigació Fonamental a Mumbai, Índia, al Departament de Física Teòrica. Les seves investigacions tracten sobre les partícules elementals de la física, més específicament Teoria de Camps Quàntics i Teoria de Cordes.

Anar al capítol 3.
Anar al capítol 1

Autor de l'original Sunil Mukhi
Traducció de l'anglès: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-Bit

La Teoria de Cordes: Una introducció detallada (III)

El Postulat de les Cordes

Una Teoria de Cordes

El descobriment de la Teoria de Cordes com a potencial Teoria Unificada va ser gairebé per accident. En un context no relacionat amb la unificació de forces, els investigadors dels anys 70 es van preguntar quina teoria podria ser capaç de descriure una corda quàntica fonamental -un objecte amb una extensió espacial finita, el qual no podria ser descrit en termes de constituents més bàsics. Aquest era certament un nou i interessant problema matemàtic en un context físic.

Aquesta corda estaria descrita de forma clàssica donant la situació d'un objecte estès com una línia (recta o corba) en l'espai en un moment donat. La corda podria ser tancada, com un bucle, o oberta, amb dos extrems.

Així com una partícula té una massa intrínseca, una corda tindria una tensió intrínseca. De la mateixa manera que una partícula està subjecta a les lleis de la relativitat especial, una corda també seria relativista. Finalment, s'hauria d'idear una "mecànica quàntica" de cordes en analogia amb aquestes per partícules puntuals.

La presència d'una tensió intrínseca vol dir que la Teoria de Cordes posseeix una escala de massa inherent, un paràmetre fonamental juntament amb les dimensions de la massa. Això defineix l'escala d'energia a la qual els efectes "cordistes" (efectes associats a l'oscil·lació de la corda) es farien importants.

Fins i tot sense fer càlculs, es pot predir a partir de l'experiència que una corda quàntica hauria de tenir moltes maneres d'oscil·lació espaiats infinitament de forma discreta, gairebé igual que les cordes d'un instrument musical. Totes aquestes maneres estarien localitzats efectivament en el veïnatge de la corda, i es comportarien com partícules elementals amb diferents masses relacionades amb la freqüència d'oscil·lació de les cordes. Així doncs, una sola espècie de cordes produiria moltes excitacions similars a les partícules. Podria explicar-se el zoo de partícules elementals d'aquesta forma, com sorgint d'una corda?

Els detalls haurien d'haver estat relativament senzills, però van aparèixer alguns resultats inesperats. Una corda és com una col·lecció infinita de partícules puntuals, restringides a mantenir-juntes per formen un objecte continu. D'aquesta manera té, efectivament, infinits graus de llibertat, una cosa sempre perillosa! Les matemàtiques de les cordes relativistes eren bastant senzilles al nivell de la teoria clàssica, però a l'intentar passar-les a la teoria quàntica, els investigadors van descobrir que el nombre total de dimensions espacials està fixat de forma única a 26. Per tant, les cordes quàntiques podrien existir només en un món amb 25 (en lloc de 3) dimensions espacials, més el temps. L'excitació per trobar, per primera vegada, una condició de consistència matemàtica que determina el nombre de dimensions espacials, en lloc de tractar aquest número com una entrada experimental, va ser d'alguna forma suavitzat per l'absurd valor predit per aquest número.

L'entusiasme estava bastant aigualit pel descobriment que fins i tot en 26 dimensions espacials, la corda tenia una desagradable característica addicional. El seu espectre d'excitacions similars a les partícules incloïa una partícula en la que la massa és un nombre imaginari, un "taquió", que es creia generalment que era un objecte no físic. 

No dissuadits per aquests obstacles, els teòrics van notar que la teoria comptava encara amb una altra sorpresa. Després del taquió, la següent partícula en l'espectre d'oscil·lació de la corda era una partícula amb espín 2 i sense massa. Una partícula sense massa pot propagar-se a grans distàncies, per tant la força a la qual fa de mediador és una força de llarg abast. Com hem vist, una partícula d'espín 2 que hi ha en una força de llarg abast és just l'ingredient perdut en la nostra recerca de la descripció fonamental de la natura: el gravitó. Vam aprendre que els intents previs per incorporar el gravitó van fallar per raons tècniques associades a la Teoria de Camps Quàntics. Era la Teoria de Cordes prou potent com per superar aquests obstacles?

Aquí apareix el principal avanç a causa del que la Teoria de Cordes s'ha convertit en una cosa tan important com ho és avui. La naturalesa de les cordes -que tenen extensió i no són punts- acudeix a reparar les inconsistències que sempre havien plagat les Teories Quàntiques de la Gravitació. Tot i que els diagrames que descriuen la dispersió de les partícules puntuals tenen punts definits on una partícula es divideix en dos, el corresponent diagrama per a cordes disperses és completament suau (Figura inferior). Aquest simple fet és en última instància responsable d'eliminar les singularitats en el procés de dispersió gravitatòria el qual fa a la gravetat quàntica inconsistent i per al qual no s'ha trobat remei. Així doncs, tot i les 26 dimensions i de la partícula no física del taquió, es va trobar que la Teoria de Cordes contenia una prometedora solució al problema de la gravetat. 

Teoria de Supercordes

Aquesta promesa va començar a fer-se més convincent quan es va trobar una Teoria de Supercordes millor, la qual no tenia taquions, i que no requeria les 26 dimensions espacials, però que mantenia la partícula sense massa semblant al gravitó. Extraordinàriament, aquesta va enllaçar totes les idees que trobem en les seccions prèvies: supersimetria, unificació i la proposta de Kaluza-Klein.

En la teoria de cordes, el taquió apareix com una excitació amb massa quadrada negativa. Des del punt de vista d'un observador a la corda, aquesta excitació apareix com un estat d'energia negativa. Aquesta estava connectat a un fet familiar en la mecànica quàntica: a causa de el famós Principi de Incertesa, l'energia mínima d'un sistema localitzat tendeix a no desaparèixer. La presència d'un taquió en la Teoria de Cordes podria ser matemàticament rastrejat per la presència d'aquest "punt d'energia zero" que no desapareix en els sistemes quàntics típics. Per tant si podem identificar sistemes quàntics especials on el punt d'energia zero desaparegui, possiblement seríem capaços d'inventar una Teoria de Cordes Especial sense cap taquió.

Els sistemes quàntics sense punts d'energia zero tenen lloc en presència de supersimetria. Esmentem prèviament que aquest supersimetria relaciona els graus de llibertat bosònics i fermiònics. Les energies de punt zero associades a aquests dos tipus de graus de llibertat resulten ser de signe oposat, i es cancel·len idènticament en un sistema supersimétric. Tot i que la ruta històrica a aquest descobriment és bastant més complicada, la nostra moderna comprensió és que aquesta és la clau per a una Teoria de Cordes que no té taquions: "La Teoria de Supercordes".

Anar de la Teoria de Cordes a la de Supercordes finalment va desembocar en una proposta que sembla realment apropiada per descriure el món real, o al menys més apropiada que les anteriors propostes. En la Teoria de Supercordes, el postulat bàsic és, com abans, que les vibracions d'un únic tipus de cordes porta a una multitud de partícules elementals. Però a causa de la supersimetria, no existeixen taquions. Com a afegit, la condició de consistència en el nombre de dimensions espai-temporals canvia quan s'introdueix la supersimetria. Així doncs, en lloc de 26, la Teoria de Supercordes requereix de només 10 dimensions espai-temporals. Finalment, la presència d'una partícula "gravitó" és mantinguda per la Teoria de Supercordes, per tant encara és una Teoria de la Gravetat, de fet, de "supergravetat", l'extensió supersimètrica de la gravetat.

Propietats de la Teoria de Supercordes

L'objecte fonamental en la Teoria de Supercordes és la supercorda: una corda amb graus de llibertat extra que la fan supersimètrica. Després de la llarga cadena de desenvolupaments que hem discutit, i que han portat a la formulació d'aquesta teoria, és hora de discutir la teoria i la seva rellevància per al món real en alguns detalls.

Cinc Teories Diferents

Una corda pot ser oberta, amb dos extrems, o tancada, com un bucle. El postulat físic natural per interaccions entre dues cordes obertes és que quan els seus extrems es toquen, es poden unir en una corda oberta de major grandària. No obstant això, si els dos extrems d'una corda es toquen, poden unir-se per formar una corda tancada. D'aquesta manera, les teories de cordes obertes contenen també, de forma inevitable, a les de cordes tancades (Figura a sota). 

A l'inrevés no és cert. Un parell de cordes tancades poden unir-se quan coincideixen un parell de punts, per formar una única corda tancada. Així doncs, pot haver teories amb només cordes tancades però no obertes. Això dóna com a resultat que la prescripció més natural porta a una possible única teoria de cordes, anomenada Teoria de Supercordes de tipus I, i dues teories de cordes tancades diferents, anomenades Teories de Cordes de tipus IIA i IIB. Un enginyós híbrid de la supercorda de la Teoria de Cordes ordinària (no supersimètrica), anomenat "corda heterótica", es va descobrir també, i hi ha dues d'aquestes teories, fent un total de cinc en conjunt. Actualment tenim un millor coneixement de per què aquestes són les úniques cinc Teories de Supercordes i com estan mútuament interrelacionades.

L'excitació més lleugera d'una Teoria de Cordes pot ser descrita com una Teoria de Camp Quàntic amb un cert nombre de partícules elementals, per tant descriurem el contingut d'aquesta teoria de camp, ignorant temporalment, el fet que hi ha infinites excitacions de cordes d'energia incremental. Per a una corda oberta, la teoria de baixa energia és una teoria de camp en 10 dimensions espai-temporals amb un gravitó (sense massa) i una col·lecció de camps "gauge" molt semblants als camps que descriuen als fotons, bosons W i Z i gluons en el món real. Així doncs, les interaccions del tipus trobat en la naturalesa (gravetat i forces gauge) són incorporades en el Tipus I de la Teoria de Supercordes, encara que en 10 dimensions. Les partícules de matèria fermiónica estan també presents. Estan carregades sota interaccions gauge, anàlogues al fet que els electrons tenen càrrega elèctrica o els quarks porten una "càrrega de color". També, els fermions tenen una "quiralitat" definida, el que significa que la Teoria de Tipus I en 10 dimensions viola la paritat o simetria esquerra-dreta, així com ho fan les interaccions febles en el món real. Això és extremadament esperançador, pel fet que totes aquestes partícules i interaccions, son seguides del simple postulat d'una consistent Teoria de Supercordes obertes! 

Hi ha també alguns punts negatius obvis. El grup de simetria associat a les partícules gauge de la corda Tipus I en 10 dimensions és SO (32), molt més gran del grup de simetria esperat de les interaccions forta, feble i electromagnètica en el món real, la qual cosa és el producte de SU (3), SU (2) i O (1). Per tant veiem que tenim massa forces i els seus corresponents portadors. També, totes les partícules que apareixen a la teoria de baixa energia són exactament sense massa, força diferent del que electrons o quarks del món real els quals tenen una massa definida. Finalment, estem en un nombre incorrecte de dimensions espai-temporals, 10 en lloc de 4. Però cap d'aquests és un autèntic obstacle. A energies extremadament altes, per tot el que sabem, el món real podria semblar de 10 dimensions i tenir grans quantitats de partícules gairebé sense massa i un grup de simetria gauge molt gran. Per tant s'hauria de considerar la Teoria de Supercordes en 10 dimensions amb aquesta llum, com un candidat a la descripció dels límits d'alta energia del món real. Per connectar això amb el món de baixa energia hem d'encarar temes com compactació a 4 dimensions i trencaments de simetria.

Les Teories de Supercordes de Tipus IIA i IIB són una mica diferents. Aquestes contenen un gravitó sense massa, però no tenen les partícules de tipus "gauge" que estan presents en la Teoria de Cordes de Tipus I. Hi ha partícules de matèria fermiónica, però en absència de portadors de força del tipus habitual, aquests no poden transportar càrregues. Els fermions estan en paritat conservativa en la teoria de tipus IIA i en paritat violada en el tipus IIB. Finalment, hi ha alguns camps exòtics anomenats "camps gauge de tensors", els quals amb aproximadament com un spin més alt anàleg al del fotó. No obstant això, els fermions i altres partícules sense massa no estan carregades pel que fa a aquestes. Tot això va ser inicialment percebut com descoratjador i aquestes teories van ser catalogades durant molts anys com a exòtiques i irrellevants en la finalitat de trobar una teoria unificada de la natura. Recents desenvolupaments han demostrat que aquesta visió era falsa. El procés de compactificación pot en realitat produir partícules gauge i fermions carregats sota interaccions gauge. Aquesta és una de les conseqüències de les simetries de dualitat que es discutiran en altres articles d'aquesta col·lecció.

Finalment, descriurem la corda híbrida heterótica. Aquesta estava basada en l'observació que les excitacions d'una corda tancada són similars a petites ones que viatgen en un sentit o en el contrari voltant de la corda. Aquests dos tipus d'ones (anomenats "de moviment dreta" i "de moviment esquerra" per raons òbvies) no interactuen uns amb altres fins i tot encara que es propaguin en la mateixa corda. Per tant és significatiu combinar ones de moviment esquerra comuns amb ones de moviment dreta supersimètriques (més que tenir ambdós tipus d'ones supersimètriques, com en les cordes de tipus II). La corda heterótica està basada en aquesta idea.

Se'ns presenta un misteri immediatament: vam veure que les cordes ordinàries són consistents en 26 dimensions mentre que les supercordes viuen en 10 dimensions. Com poden aparellar-se i en quantes dimensions viuria la teoria resultant? La resposta va venir d'una adaptació de la idea de Kaluza-Klein. Prenem 16 de les 26 dimensions per corbar en petits cercles. Llavors la teoria de 10 dimensions resultant està combinada en la teoria híbrida descrita més amunt. Per tant la teoria final té 10 dimensions, però les seves ones de moviment esquerra tenen un origen de 26 dimensions, i per tant tenen graus ocults de llibertat corresponents a les 16 dimensions extra. Extraordinàriament, aquests graus ocults de llibertat estan manifestats com camps gauge, i els grups de simetria depenen de les mides d'aquestes dimensions compactes i de la forma del tor format per les 16 dimensions compactes. Això dóna com a resultat que la consistència de la Teoria de Cordes resultant permet només dues eleccions per a aquest tor. Una opció porta a un grup de simetria gauge de SO (32), per tant la teoria resultant recorda molt a la Teoria de Supercordes de Tipus I (oberta). L'altra opció porta a alguna cosa bastant nova: el grup de simetria gauge és un producte del grup excepcional E (8) amb si mateix. Aquesta és l'anomenada corda heterótica I (8) x E (8). Aquesta és la cinquena i darrera Teoria de Supercordes en 10 dimensions. Així com la corda de tipus I, les Teories de Cordes heterótiques tenen violació de paritat en 10 dimensions.

Per apreciar el que la Teoria de Cordes proposa aconseguir i com intenta aconseguir aquestes propostes, cal recordar la present formulació de la física de partícules elementals i camps. Després de revisar els principis bàsics de la física de partícules, passarem a la descripció dels fonaments de la Teoria de Cordes en termes no tècnics. 

La Teoria de Cordes, també coneguda per noms com "Teoria de Supercordes" i de vegades "Teoria M", és una idea que ha estat donant voltes durant força temps, unes dues dècades. És, al mateix temps, una continuació lògica de nocions teòriques establertes fa ja gairebé mig segle, i un nou i radical paradigma en la física fonamental.

Potser és aquesta paradoxal naturalesa de la Teoria de Cordes el que explica el per què atrau tanta atenció avui dia. Els desenvolupaments en aquest àmbit han arribat a la portada dels diaris més d'una vegada en els últims anys, tot i no tenir una prova experimental directa que la Teoria de Cordes és la teoria fonamental de la natura.

Anar al capítol 2.

Continua al capítol 4.

Autor de l'original Sunil Mukhi
Traducció de l'anglès: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-Bit