Escribe un discurso sobre Hawking ¡Urgente! !

En esta charla quiero describir un nuevo y apasionante mecanismo que puede cambiar nuestra visión del universo y de la realidad misma. Este concepto es que podemos vivir en una membrana o superficie en un espacio más grande.

La palabra brana, escrita BRANE, fue propuesta por mi colega Paul Townsend para expresar la generalización de las branas en dimensiones altas. Es el mismo juego de palabras que mente, y sospecho que lo hizo a propósito. Creemos que vivimos en un espacio tridimensional, lo que significa que podemos usar tres números para indicar la ubicación de los objetos en una habitación. Pueden estar a cinco pies de la pared norte, a tres pies de la pared este y a dos pies del piso. , o en A gran escala, pueden ser latitud, longitud y altitud. A mayor escala, podemos usar tres números para indicar la ubicación de las estrellas en una galaxia: la latitud de la galaxia, la longitud de la galaxia y la distancia desde el centro de la galaxia. Al igual que los tres números originales que marcaban la ubicación, podemos usar el cuarto número para marcar la hora. De esta manera, podemos describirnos como viviendo en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones. En un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, podemos usar cuatro números para indicar un evento, tres de los cuales indican la ubicación del evento y el cuarto indica. el tiempo.

Einstein se dio cuenta de que el espacio-tiempo no es plano, y que la materia y la energía en el espacio-tiempo lo doblan o incluso deforman. Esto fue verdaderamente un golpe de genialidad de su parte. Según la relatividad general, los objetos como los planetas intentan moverse en línea recta a través del espacio-tiempo, pero como el espacio-tiempo es curvo, sus trayectorias parecen estar curvadas por un campo gravitacional. Es como si pusieras un peso que representa una estrella sobre una membrana de goma, el peso abollaría la membrana de goma y la doblaría hacia la estrella. Ahora bien, si haces rodar bolitas sobre un trozo de goma, las pelotas representan planetas y orbitan alrededor de la estrella. Hemos confirmado que el espacio y el tiempo se curvan a partir de los sistemas GPS, los sistemas de navegación equipados en barcos, aviones y algunos automóviles. Funciona comparando señales de varios satélites. Si se supone que el espacio-tiempo es plano, se calculará incorrectamente la posición.

Tres dimensiones de espacio y una dimensión de tiempo es todo lo que vemos. Entonces, ¿por qué deberíamos creer que no podemos recordar sus dimensiones adicionales que no pueden observarse? ¿Son sólo ciencia ficción o son consecuencias científicas que se pueden ver? La razón por la que tomamos en serio las dimensiones adicionales es que, aunque la teoría general de la relatividad de Einstein es consistente con todo lo que observamos, la teoría predice su propio fracaso. Cuando Roger Penrose y yo hablamos de la relatividad general, predijimos que el espacio-tiempo tiene un comienzo en el Big Bang y un final en un agujero negro. Aquí es donde la relatividad general falla. Esto hace imposible predecir cómo comenzó el universo o qué le pasaría a alguien que cayera en un agujero negro.

La razón por la que la relatividad general falla en el big bang o en los agujeros negros es que no tiene en cuenta el comportamiento de la materia a pequeña escala. En circunstancias normales, la curvatura del espacio-tiempo es muy pequeña y está en la escala del campo relativo, por lo que no se ve afectada por fluctuaciones de corto alcance. Pero al principio y al final del tiempo, el espacio-tiempo se comprime en un solo punto. Para abordar esto, queremos combinar una teoría a muy gran escala, llamada relatividad general, con una teoría a pequeña escala, llamada mecánica cuántica. Esto crea un TOE, la Teoría del Todo, que puede usarse para describir el universo entero desde el principio hasta el final.

Hemos pasado treinta años buscando esta teoría y hasta ahora creemos que tenemos una candidata, llamada teoría M. De hecho, la teoría M no es una teoría separada, sino una red de teorías. Todas las cosas teóricas son físicamente equivalentes, lo cual es consistente con la filosofía científica positivista.

En esta filosofía, una teoría no es más que un modelo matemático que describe y organiza las observaciones. (Filosofía positivista. Una teoría es simplemente un modelo matemático que describe y codifica las observaciones). No se puede preguntar si una teoría refleja la realidad porque no tenemos una forma independiente de la teoría de determinar qué es real. Incluso los objetos que nos rodean y que se consideran obviamente reales no son, desde un punto de vista positivista, más que un modelo construido en nuestra mente para interpretar la información de nuestros nervios visuales y sensoriales.

Cuando al Dr. Johnson le dijeron la opinión del obispo Berkeley de que "nada es real", pateó una piedra con el dedo del pie y rugió, así que lo refuté.

Pero es posible que todos estemos conectados a una simulación por computadora gigante, y cuando enviamos una señal motora para balancear un pie virtual sobre una piedra virtual, envía una señal de dolor. Quizás seamos sólo personajes de un juego de computadora jugado por extraterrestres. Bromas aparte, la cuestión es que podemos tener varias descripciones diferentes del universo, y todas ellas predicen las mismas observaciones. No podemos decir que una descripción sea más realista que otra, sólo que es más conveniente para una situación concreta. Por tanto, todas las teorías de la red de la teoría M se encuentran en una posición similar. Ninguna teoría puede pretender ser más real que el resto.

Impresionantemente, muchas teorías en la red de la teoría M tienen dimensiones espacio-temporales superiores a las cuatro que experimentamos. ¿Son reales estas dimensiones adicionales? Debo admitir que alguna vez tuve dudas sobre el mantenimiento adicional. Sin embargo, la red de la teoría M encaja tan perfectamente y tiene tantas correspondencias inesperadas que creo que no creer en ella sería como si Dios pusiera fósiles en rocas para inducir a Darwin a descubrir la teoría de la evolución.

En algunas teorías de estas redes, el espacio-tiempo tiene diez dimensiones, y en otras, once. Esta es otra señal más del hecho de que el espacio y el tiempo y sus dimensiones no son cantidades absolutas independientes de la teoría, sino simplemente un concepto derivado que depende de un modelo matemático particular. Entonces, para nosotros, el espacio-tiempo parece tener cuatro dimensiones, pero en la teoría M es de diez u once dimensiones. ¿Cómo sucede esto? ¿Por qué no podemos observar otras seis o siete dimensiones?

La respuesta tradicional a esta pregunta, que todavía se acepta generalmente hoy en día, es que todas las dimensiones adicionales están curvadas en un espacio de pequeña escala, y las cuatro dimensiones restantes son casi planas. Es como un cabello humano. Si lo miras desde lejos, parece una línea unidimensional. Pero si lo miras con lupa y ves su grosor, el cabello es efectivamente tridimensional. En el caso del espacio-tiempo, una lupa suficientemente potente debería revelar la dimensión extra del rizo, si es que existe. De hecho, podemos sondear el espacio a distancias muy cortas utilizando partículas producidas por grandes aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones que se está construyendo en Ginebra. Al menos, hasta ahora no hemos detectado evidencia de dimensiones adicionales más allá de cuatro. Si esta imagen es correcta, entonces las dimensiones adicionales se curvarían a menos de una billonésima parte de un centímetro.

Lo que acabo de describir es la forma tradicional de abordar dimensiones extra. Significa que el único lugar donde tenemos buenas posibilidades de detectar dimensiones adicionales es en los primeros días del universo. Sin embargo, recientemente algunas personas han propuesto una idea más radical, según la cual la escala de una o dos dimensiones en la dimensión extra puede ser mucho mayor, o incluso infinita. Debido a que estas grandes dimensiones adicionales no se ven en los aceleradores de partículas, se debe suponer que todas las partículas de materia están confinadas a una brana o superficie del espacio-tiempo y no pueden propagarse libremente a través de grandes dimensiones adicionales. La luz también debe estar confinada a la brana, de lo contrario habríamos detectado grandes dimensiones adicionales, como ocurre con las fuerzas nucleares entre partículas.

La gravedad, por otro lado, es una fuerza universal entre todas las formas de energía o masa. No puede limitarse a la membrana, sino que debe impregnar todo el espacio. Dado que la gravedad no sólo puede disiparse, sino también dispersarse en grandes cantidades en dimensiones adicionales, su atenuación con la distancia debería ser mayor que la de la electricidad. La electricidad está confinada a la membrana. Sin embargo, sabemos por observaciones de órbitas planetarias que la atracción gravitacional del Sol disminuye a medida que el planeta se aleja del Sol, de la misma manera que la fuerza eléctrica disminuye con la distancia.

Entonces, si vivimos en una brana, debe haber alguna razón por la cual la gravedad no se extiende lejos de la brana, sino que se restringe a su vecindad. Una posibilidad es que la dimensión adicional acabe en una segunda brana de sombra, no muy lejos de aquella en la que vivimos. No podemos ver esta brana de sombra porque la luz sólo puede viajar a lo largo de la brana, no a través del espacio entre las dos branas. Sin embargo, podemos sentir la atracción gravitacional de los objetos en la brana de sombra. Puede haber galaxias en la sombra, estrellas en la sombra o incluso personas en la sombra, que pueden sorprenderse por la atracción gravitacional que sienten por el material de nuestra brana. Para nosotros, esos objetos oscuros aparecen como materia oscura, que es materia invisible. Pero su gravedad se puede sentir.

De hecho, tenemos evidencia de materia oscura en nuestra propia galaxia.

La cantidad de materia que podemos ver no es suficiente para que la gravedad mantenga unidas a las galaxias en rotación. A menos que haya algún tipo de materia oscura, la galaxia se desintegrará. De manera similar, la cantidad de materia que observamos en los cúmulos de galaxias no es suficiente para evitar que se dispersen, por lo que debe haber materia oscura presente. Por supuesto, una brana de sombra no es una condición necesaria para la materia oscura. La materia oscura puede ser simplemente una forma de materia difícil de observar, como los débiles (partículas pesadas que interactúan débilmente), o las enanas marrones y las estrellas de baja masa que nunca se calientan lo suficiente como para quemar hidrógeno.

Debido a que la gravedad diverge en la región entre nuestra brana y la brana de sombra, la atracción gravitacional entre dos objetos cercanos en nuestra brana disminuirá con la distancia más que la fuerza eléctrica, que se localiza en la membrana. Podemos medir el comportamiento de la gravedad a corto alcance en el laboratorio utilizando instrumentos inventados por Lord Cavendish de Cambridge. Hasta ahora no hemos visto ninguna diferencia en la electricidad, lo que significa que las membranas no pueden estar a más de un centímetro de distancia. Esto es pequeño según los estándares astronómicos, pero enorme en comparación con los límites superiores de otras dimensiones adicionales. Se están realizando nuevas mediciones de la gravedad a distancias cortas para probar el concepto de "mundo brana".

Otra posibilidad es que la dimensión extra no termine en la segunda brana, sino que sea infinita pero muy curvada como la superficie de la silla de montar. Lisa Langdahl y Raman Sundrum señalan que esta curvatura funciona de manera similar a una segunda brana. La influencia gravitacional de un objeto sobre una brana no se extenderá hasta el infinito en dimensiones adicionales. Como en el modelo de la brana sombra, el campo gravitacional decae en distancias largas lo suficiente como para explicar las mediciones de laboratorio de las órbitas planetarias y la gravedad, pero la gravedad cambia más rápidamente en distancias cortas. Sin embargo, existe una diferencia importante entre el modelo de Landahl-Sandrum y el modelo de brana sombra. Los objetos que se mueven bajo la influencia de la gravedad generarán ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son ondas en la curvatura del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Al igual que las ondas electromagnéticas de luz, las ondas gravitacionales también deben transportar energía, una predicción confirmada por observaciones de púlsares binarios.

Si realmente vivimos en una membrana en el espacio-tiempo con dimensiones adicionales, las ondas gravitacionales generadas por el movimiento de los objetos sobre la membrana se propagarán a otras dimensiones. Si hay una segunda brana de sombra, se reflejarán hacia atrás y quedarán atrapadas entre las dos branas. Por otro lado, si solo hay una brana y las dimensiones adicionales se extienden infinitamente, como en el modelo de Landahl-Sandrum, todas las ondas gravitacionales escaparán, quitando energía de nuestro mundo brana. Esto parece violar un principio físico básico, la ley de conservación de la energía. Significa que la energía total permanece sin cambios. Sin embargo, sólo porque nuestra visión de lo sucedido se restringe a la brana, parece que se viola la ley. Un ángel que puede ver dimensiones adicionales sabe que la energía es constante, pero se emite más energía.

Sólo las ondas gravitacionales cortas pueden escapar de la membrana, y la fuente de sólo un gran número de ondas gravitacionales cortas parece provenir de los agujeros negros. Un agujero negro en una brana se extenderá hasta convertirse en un agujero negro en una dimensión extra. Si un agujero negro es pequeño, será casi redondo. Es decir, la longitud que se extiende hacia la dimensión extra es la misma que la escala de la brana. Por otro lado, un enorme agujero negro en la membrana se extenderá hasta formar un "pastel negro". Está restringido a la vecindad de la brana y su espesor en la dimensión extra es mucho menor que su ancho en la brana.

Hace algunos años descubrí que los agujeros negros no son completamente negros: emiten todo tipo de partículas y radiación, y actúan como cuerpos calientes. Las partículas y la radiación, como la luz, se emiten a lo largo de la membrana porque la materia y la electricidad están confinadas a la membrana. Sin embargo, los agujeros negros también irradian ondas gravitacionales, que no se limitan a la brana y se propagan a dimensiones adicionales. Si el agujero negro es grande y tiene forma de tarta, las ondas gravitacionales permanecerán cerca de la brana, lo que significa que el agujero negro pierde energía y masa al ritmo esperado en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Entonces, el agujero negro se evaporará lentamente, reduciendo su tamaño, hasta que se vuelva lo suficientemente pequeño como para que las ondas gravitacionales que emite comiencen a escapar libremente a dimensiones adicionales. Para alguien que está en la brana, el agujero negro equivale a emitir radiación oscura, que es una radiación que no es observable directamente en la brana, pero cuya existencia se puede inferir del hecho de que el agujero negro está perdiendo masa. Esto significa que el estallido final de radiación del agujero negro en evaporación parece menos intenso de lo que realmente es, lo que puede explicar por qué aún no hemos observado estallidos de rayos gamma, que son producidos por los agujeros negros moribundos.

Aunque hay otra explicación aburrida, y es que no hay muchos agujeros negros de este tipo, cuya masa es lo suficientemente pequeña como para evaporarse a más tardar en la etapa actual del universo. Es una pena, porque si se hubiera descubierto un agujero negro de baja masa, habría ganado el Premio Nobel.

Existen varias teorías sobre la creación del mundo membrana. Una versión se llama modelo de brana sombra del universo ekpirótico. El nombre Ekpyrotic es un poco confuso, pero proviene del griego y significa movimiento y cambio. En el escenario ekpirótico, se cree que nuestra brana, así como la brana de la sombra, existen indefinidamente. Fueron iniciados en lo estático del pasado infinito. Una fuerza muy pequeña entre las membranas hace que se muevan entre sí, y las membranas chocarán y se atravesarán entre sí, generando una gran cantidad de calor y radiación. Se cree que esta colisión es el Big Bang, el comienzo de la fase de expansión térmica del universo.

Hay muchas cuestiones técnicas sin resolver sobre si las membranas pueden colisionar y comportarse de esta manera. Sin embargo, incluso si la membrana tiene las propiedades requeridas, el escenario ekpirótico es, en mi opinión, insatisfactorio. Requiere que la membrana esté en una configuración que esté alineada con una precisión increíble al comienzo del tiempo infinito en el pasado. Cualquier ligero cambio en las condiciones iniciales de la brana estropearía las colisiones, produciendo un universo en expansión muy irregular que no se parecía en nada al universo casi liso que observamos ahora. Si las branas parten de su estado fundamental, o estado de menor energía, es natural que las condiciones iniciales estén especificadas con precisión. Pero si existe un estado de energía más bajo, las membranas permanecerán allí y nunca chocarán. Pero, de hecho, la membrana parte de un estado inestable y debe llevarse artificialmente a este estado. Tiene que ser una mano bastante firme para que las condiciones iniciales sean tan precisas. Pero si uno puede hacer esto, puede hacer que la membrana se inicie de cualquier manera.

En mi opinión, la explicación más atractiva para el origen del mundo brana es que surgió espontáneamente como fluctuaciones en el vacío. La formación de una película es algo así como la formación de burbujas de vapor en agua hirviendo. El agua líquida contiene miles de millones de moléculas de H2O, que están acopladas entre sus vecinos más cercanos y apiñadas. Cuando el agua se calienta, las moléculas se mueven más rápido y rebotan entre sí. Estas colisiones accidentalmente dan a las moléculas velocidades tan altas que grupos de ellas pueden liberarse de sus enlaces y formar pequeñas burbujas de vapor rodeadas de agua caliente. La burbuja crecerá o se encogerá de forma aleatoria a medida que más moléculas del líquido se unan al vapor, o viceversa. La mayoría de las burbujas de vapor pequeñas colapsarán nuevamente hasta convertirse en líquido, pero algunas crecerán hasta un cierto tamaño crítico, más allá del cual es casi seguro que la burbuja continuará creciendo. Son estas enormes burbujas en expansión las que observamos cuando el agua hierve.

El comportamiento del mundo brana es muy similar. Las fluctuaciones en el vacío hacen que los mundos brana surjan de la nada en forma de burbujas. La membrana forma la superficie de la burbuja, mientras que el interior es un espacio de alta dimensión. Las burbujas muy pequeñas colapsarán y se convertirán en nada. Pero es probable que una burbuja creada por fluctuaciones cuánticas continúe expandiéndose más allá de un cierto tamaño crítico. Las personas (como nosotros) en la brana, es decir, en la superficie de la burbuja, pensarían que el universo se está expandiendo. Es como dibujar galaxias en la superficie de un globo e inflarlo para que se alejen unas de otras, pero ninguna galaxia se utiliza como centro de expansión. Esperemos que nadie desinfle la burbuja con una aguja cósmica. A medida que la membrana se expande, aumenta el volumen del espacio interior de alta dimensión. Al final queda una burbuja extremadamente grande, rodeada por la membrana en la que vivimos. La membrana, el material de la superficie de la burbuja, determinará el campo gravitacional dentro de la burbuja.

Igualmente, el campo gravitacional del interior determinará también el material de la membrana. Es como un holograma. Un holograma es una imagen de un objeto tridimensional codificada en una superficie bidimensional. Todo lo que sabía sobre los hologramas era que en una imagen había una escena de un episodio de Star Voyage, en la que aparecía yo junto a Newton y Einstein. (Luego hay un cortometraje en blanco y negro, en el que tres maestros y una persona que parece un capitán están jugando a las cartas y discutiendo algunas cosas en la cabina de una nave espacial. Como el diálogo es en inglés, mi nivel es limitado y no puedo entender el significado.) De manera similar, lo que consideramos espacio-tiempo de cuatro dimensiones puede ser simplemente un holograma de eventos que ocurren en la región interna de una burbuja de cinco dimensiones.

En este caso, ¿qué es real? ¿Es una burbuja o una membrana? Según la filosofía positivista, ésta es una pregunta sin sentido. Debido a que no existe una prueba de la realidad independiente del modelo, o porque no tiene sentido decir cuáles son las verdaderas dimensiones del universo, las descripciones de cuatro y cinco dimensiones son equivalentes. Vivimos en un mundo con tres dimensiones de espacio y una dimensión de tiempo, y creemos saberlo todo sobre esto. Pero puede que no seamos más que la proyección parpadeante de una fogata en las paredes de la caverna de nuestra existencia. Esperemos que cualquier demonio que encontremos sea solo sombras.

Los modelos del mundo brana son un tema popular de investigación y son altamente especulativos. Pero proporcionan un nuevo comportamiento que puede verificarse mediante observaciones y podrían explicar por qué la gravedad es tan débil. Desde una base teórica básica, la gravedad puede ser bastante fuerte, pero la gravedad que se extiende en dimensiones adicionales significa que la atracción gravitacional a larga distancia sobre la brana en la que vivimos se vuelve más débil. Si la gravedad fuera más fuerte en dimensiones adicionales, sería mucho más fácil formar pequeños agujeros negros cuando colisionaran partículas de alta energía. Esto puede ser posible en el LHC, también conocido como Gran Colisionador de Hadrones, en construcción en Ginebra. Un pequeño agujero negro no se comerá la Tierra, a diferencia de las gráficas historias de terror que aparecen en los periódicos. En cambio, el agujero negro desaparecerá con una explosión de radiación de Hawking y yo ganaré el Premio Nobel. ¡Vamos LHC! Podemos descubrir un nuevo mundo de membranas.