Los Teóricos De Cuerdas Simulan El Big Bang

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Los teóricos de cuerdas han usado matrices para modelar el nacimiento del universo, el momento en que tres dimensiones espaciales se liberaron de las otras seis y se expandieron para producir la estructura 3d del universo.

Los físicos japoneses han creado un modelo de teoría de cuerdas que simula el nacimiento del universo. En su modelo, el Big Bang fue un "evento de ruptura de simetría", una fluctuación que causó que tres dimensiones espaciales se liberaran de las otras seis dimensiones de la teoría de cuerdas, y luego se desplegaran rápidamente para producir la estructura 3D observada en nuestro universo.

Teoría de cuerdas: una propuesta de "teoría de todo" que une la mecánica cuántica y la relatividad general en una imagen completa: modela partículas elementales como líneas oscilantes ("cuerdas") en lugar de puntos sin dimensiones. Para que las matemáticas funcionen, la teoría de cuerdas requiere que haya 10 dimensiones: nueve de espacio y una de tiempo. Nuestro universo parece tener solo tres dimensiones espaciales, dicen los teóricos de las cuerdas, porque los otros seis están acurrucados en paquetes indetectiblemente pequeños llamados variedades de Calabi-Yau, que tienen un minúsculo de 10 ^ -33 centímetros de diámetro.

Al igual que muchos otros aspectos subyacentes de la teoría de cuerdas, no hay ningún experimento factible que pueda verificar que estas variedades existen y, por lo tanto, que el universo realmente tiene una estructura espacial de 9 dimensiones. Y si lo hace, los físicos se preguntan por qué tres de esas dimensiones serían enormes y las otras seis extremadamente pequeñas. No obstante, el marco de la teoría de cuerdas es convincente porque explica con gracia la mayoría de los aspectos del universo que observamos, desde el electromagnetismo hasta la gravedad y la termodinámica de los agujeros negros.

La nueva investigación, realizada por Sang-Woo Kim de la Universidad de Osaka, Jun Nishimura de la Organización de Investigación del Acelerador de Alta Energía (KEK) y Asato Tsuchiya de la Universidad de Shizuoka, muestra que la teoría de cuerdas explica de manera plausible el origen del universo y su aparente estructura 3D. "Hemos podido ver cómo las tres direcciones comienzan a expandirse en algún momento", dijo Nishimura a Los pequeños misterios de la vida. [¿Tiene el universo una ventaja?]

Para realizar el cálculo, los físicos utilizaron una reformulación de la teoría de cuerdas denominada modelo de matriz IIB, que presenta la teoría en forma de matrices: cuadrículas rectangulares de expresiones matemáticas que describen las propiedades del universo. Los elementos de las matrices se pueden combinar matemáticamente para simular cómo las cadenas podrían haber interactuado para formar el universo como se ve hoy.

"En la formulación del modelo matricial para la teoría de supercuerdas, se supone que las matrices son los grados fundamentales de libertad, y la imagen de cadena emerge cuando uno toma el límite de un tamaño de matriz infinitamente grande", escribió Nishimura en un correo electrónico. Con matrices infinitamente grandes y poco manejables, los físicos aproximaron la estructura del universo trabajando con matrices finitas, la mayor de las cuales tenía 32 filas y 32 columnas.

El método usual para hacer cálculos de la teoría de cuerdas es usar la teoría de la perturbación, en la cual todas las posibles interacciones entre cadenas se consideran juntas en un cálculo de una interacción única. Pero las ecuaciones que describen las interacciones de las cadenas son tan complicadas que este método solo funciona cuando todas las interacciones posibles entre las cadenas son muy débiles: pequeñas perturbaciones en lugar de colisiones de alta energía y compactaciones que habrían ocurrido en el universo primitivo. Las matrices, por otro lado, pueden ser simuladas numéricamente por supercomputadoras, por lo que la reformulación de la teoría de cuerdas en un modelo matricial permite a los físicos calcular cómo se desarrollarían los eventos a energías extremadamente altas, como las del momento en el Big Bang. "Esto no fue posible con la formulación convencional de la teoría de supercuerdas", escribió Nishimura.

"Lo que hacemos en esta simulación es generar cientos o miles de matrices, cada una de las cuales describe toda la historia del universo durante un intervalo de tiempo finito. Luego tenemos que tomar un promedio sobre las matrices para obtener información física sobre cómo El universo evoluciona en el tiempo ", explicó Nishimura.

Las matrices más grandes ofrecían destellos de ventanas más grandes en el tiempo. Las simulaciones con matrices de 32 x 32, las más grandes del experimento, tardaron dos meses en completarse en una supercomputadora, y permitieron a los investigadores observar la evolución del universo desde el Big Bang hasta el inicio de la inflación, un período de expansión exponencial, solo 10 ^ -36 segundos después.

Un resultado clave del experimento fue que, por sí solo, el universo modelo de nueve dimensiones se hinchó espontáneamente en tres direcciones, mientras que sus otras seis dimensiones espaciales permanecieron estrechamente envueltas. Este evento de ruptura de simetría fue descrito por las filas y columnas cambiantes de variables en las matrices; Las operaciones matemáticas en las matrices produjeron las coordenadas del espacio, y con cada paso del tiempo, las coordenadas aumentaron en tres direcciones (mientras que permanecieron sin cambios en las otras seis). Para aquellos que podían interpretarlos, las matrices cambiantes expresaban, en términos matemáticos, el nacimiento del espacio-tiempo.

Los investigadores dijeron que la ruptura espontánea de la simetría resultó de una fluctuación cuántica, una violación momentánea en la ley de conservación de la energía, que está permitida por las reglas de la mecánica cuántica. "El espacio-tiempo tiene ciertas incertidumbres... según lo dictado por la relación de incertidumbre de Heisenberg.Uno de nuestros hallazgos importantes es que esta naturaleza cuántica del espacio-tiempo favorece tres direcciones espaciales extendidas en lugar de otros casos. La forma en que el espacio-tiempo cuántico evoluciona hacia uno clásico como lo percibimos ahora, es un tema importante que planeamos abordar en un futuro cercano ", escribió Nishimura.

Para investigar esta y otras preguntas sobre la evolución del universo de acuerdo con la teoría de cuerdas, los investigadores deben explorar una ventana de tiempo más allá del inicio de la inflación, y para hacer esto, deben simular matrices aún más grandes. "Estamos trabajando en ello ahora", señaló.

La nueva investigación se detallará en un próximo artículo en la revista Physical Review Letters.

Esta historia fue proporcionada por Life's Little Mysteries, un sitio hermano de WordsSideKick.com. Sigue a Natalie Wolchover en Twitter @nattyover. Sigue los pequeños misterios de la vida en Twitter @llmysteries, luego únete a nosotros en Facebook.


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