Lo que está pidiendo nos obliga a saber lo imposible, ¡y eso es predecir revoluciones científicas! Sin embargo, es una pregunta divertida!
A fines del siglo XIX, los físicos contemporáneos de la época casi no tenían idea de la tremenda revolución paradigmática que iba a ocurrir en la física, debido a los esfuerzos de Maxwell, Einstein, Bohr y muchos otros.
De lo que puedo especular son algunos de los enormes problemas sobresalientes en física que me resultan más interesantes, y la comprensión que estos problemas puedan acarrear.
Materia oscura:
- ¿Cuál es el mejor uso de internet?
- Muchas personas están en contra de la religión (especialmente las de Abraham) o ya no les importa. ¿Morirán pronto las principales religiones monoteístas?
- ¿Cuánto tiempo tomará que las imágenes dejen de ser incriminatorias?
- Creo que puedo ver el futuro. ¿Con quién puedo hablar sobre esto?
- ¿Cuál será el futuro de la IA en el futuro?
El problema es esencialmente el siguiente: la teoría de la relatividad general (GR) de Einstein predice que cuanto más te alejes del centro de una galaxia, las cosas más lentas a esa distancia deberían girar alrededor del centro galáctico. Esta caída debería comportarse de cierta manera, según Einstein, y deberíamos poder verla mirando otras galaxias. Ahora, a cierta distancia del centro de las galaxias, este modelo funciona bien, pero en algún punto se rompe y más allá de ese punto, a medida que avanzas, la velocidad a la que giran las cosas en torno a la galaxia permanece más o menos constante. Esto es totalmente diferente a lo que predice la teoría de Einstein, ¡entonces algo claramente no está bien! la opinión predominante es que hay un montón de cosas que se transportan en masa distribuidas alrededor de las galaxias de tal manera que permiten que la teoría de Einstein coincida con lo que observamos. Esto es lo que llamamos materia oscura. “Oscuro” aquí simplemente significa que no sabemos qué es esto.
Actualmente hay una buena razón para sospechar que la materia oscura puede considerarse como una partícula desconocida que se puede agregar al modelo estándar de física de partículas (SM) , que describe todas las partículas (de mecánica cuántica) ** que sabemos que existen y cómo interactúan. Actualmente, se está realizando una gran cantidad de investigaciones para probar y establecer qué tipo de partícula podría describir la Materia Oscura, y además hay mucho trabajo experimental que intenta medir mejor sus efectos.
Otra forma posible de explicar la materia oscura es decir que los recursos genéticos simplemente fallan a escalas muy grandes (en escalas comparables a los tamaños de galaxias, por lo tanto, ¡por qué no notamos tales cosas aquí en la Tierra en nuestra vida cotidiana!) Y eso en estas Las escalas necesitan ser modificadas. Dicho enfoque se conoce con el nombre de Dinámica Newtoniana Modificada (MOND), que recibe su nombre porque propone modificar la ley de fuerza gravitacional habitual de Newton en escalas muy grandes. Este enfoque ha tenido cierto éxito, pero el consenso es con el enfoque en el párrafo anterior.
Erik Verlinde propuso recientemente (¡y polémicamente!) Una propuesta completamente fascinante que provenía de una dirección completamente diferente. Esta propuesta es muy abstracta y no la entiendo en detalle, pero la idea básica es que la forma en que la gravedad emerge de una teoría cuántica subyacente modifica la gravedad en grandes escalas. En este enfoque, el espacio-tiempo “emerge” de una teoría cuántica subyacente (veré esto más adelante), que es la idea del espacio-tiempo emergente. Notará una aparente similitud entre este enfoque y MOND en el sentido de que lo que Verlinde está proponiendo es una forma de explicar por qué MOND puede ocurrir desde una teoría cuántica subyacente del espacio-tiempo . Han aparecido algunos artículos desde que se detallan las posibles pruebas de esta idea, pero no sé dónde está el consenso. Si tal enfoque es verdadero , podría conducir a una reformulación verdaderamente radical de la física . Estoy siendo más que un poco sensacionalista allí, pero lo que estoy ofreciendo es solo una dirección en la que podría ocurrir la próxima revolución física.
Gravedad Cuántica:
¡Este es probablemente el problema más pertinente en física desde el punto de vista de un purista! Revisemos dónde estamos en términos de lo que sabemos sobre el universo. En escalas muy grandes, las leyes de la naturaleza parecen estar muy bien descritas por GR, pero a escalas muy pequeñas la historia es completamente diferente, y está descrita por la mecánica cuántica (QM) . Ahora, en cualquier escala que nos interese observar, las leyes de la naturaleza parecen concordar perfectamente con una u otra de estas configuraciones. Sin embargo, hay un problema muy real y muy fundamental con esta situación; ¡Ambas teorías son realmente incompatibles entre sí! En particular, las predicciones de cada teoría discrepan fundamentalmente. En la teoría de Einstein, el espacio-tiempo es una entidad continua, determinista y dinámica. En la mecánica cuántica, los fenómenos son discretos y no deterministas. Lo que idealmente nos gustaría entonces, es una teoría que pueda combinar con éxito las predicciones de GR y QM . Tal teoría la llamamos gravedad cuántica *** , y es la búsqueda de esta teoría que ha ocupado legiones de grandes teóricos (incluido Einstein) durante el último siglo.
Esta no es simplemente una pregunta para la investigación del cielo azul. Hay algunas preguntas realmente importantes e interesantes para las que simplemente necesitamos una teoría de la gravedad cuántica, como preguntar qué causó / fue el Big Bang. ¿Cuál es la naturaleza fundamental del espacio y el tiempo?
Entonces, ¿qué hemos estado haciendo hasta el siglo pasado? Bueno, hay muchos enfoques y podría decirse que solo un subconjunto de estos tiene un potencial justificado. Dicho esto, es perfectamente posible que algo completamente diferente pueda aparecer en la escena en cualquier momento y altere completamente nuestra vista.
El enfoque más famoso para resolver este problema es la teoría de la teoría, la teoría de que los objetos fundamentales en la naturaleza son objetos unidimensionales extendidos. Esta teoría tiene automáticamente un método para combinar (¡no necesariamente de la manera correcta!) GR y QM integrados, porque las cadenas cerradas cuánticas tienen estados sin masa que son gravitones. Los gravitones son partículas hipotéticas que deberían aparecer a bajas energías en una teoría de la gravedad cuántica **** y el hecho de que la teoría de cuerdas las tenga es extremadamente alentador. ¡Lo que también hace la teoría de cuerdas es potencialmente permitir que uno incorpore todas las otras interacciones en la naturaleza también! Déjame explicar lo que sucede con una analogía. Piense en una cuerda vibrante y en los diferentes armónicos que resuenan cuando podría tocarla, por ejemplo. En la teoría cuántica de cuerdas, estos diferentes armónicos se comportan exactamente como partículas de mecánica cuántica. La energía de un armónico dado corresponde, en la teoría cuántica de cuerdas, a la masa de la partícula cuántica correspondiente. Si observamos los armónicos que corresponden a las partículas sin masa , vemos que para las cuerdas abiertas, estas se parecen a las partículas que transportan la fuerza del SM, mientras que para las cuerdas que son bucles (o equivalentes que no tienen extremos abiertos) no tienen masa. Los estados se ven exactamente como gravitones.
Así que todo esto es bastante extraño y hermoso, pero ¿es la idea correcta? Bueno, hay muchas razones alentadoras para pensar así, como el hecho de que, por la simple suposición de que los objetos fundamentales en la naturaleza son cadenas cuánticas, se obtiene una teoría que no solo parece una teoría de la gravedad cuántica, sino también una que se parece a ella. ¡Puede describir todas las fuerzas a la vez! Entonces, ¿puede realmente hacer esto? La respuesta, por ahora, es que no lo sabemos. Si bien tenemos que hacer un trabajo para obtener la teoría de cuerdas para predecir el tipo de partículas que vemos en el SM, por ejemplo, nadie sabe cómo hacerlo correctamente, de una manera que coincida exactamente con el SM. Otro gran problema es la supersimetría. Durante décadas, muchos teóricos han sospechado que la supersimetría (esencialmente otra simetría de la naturaleza aún no vista) es probablemente cierta, por varias razones bien motivadas. Pero un creciente cuerpo de evidencia sugiere que la supersimetría es casi seguro que no es cierto . Si este es el caso, la teoría de cuerdas está en serios problemas , porque se basa en que la supersimetría es verdadera (al menos en grandes energías más allá de lo que podemos ver actualmente) para poder describir la materia. Si tu teoría no puede describir la materia, está bastante muerta como un intento de describir la naturaleza. La teoría de cuerdas también predica que hay muchas dimensiones adicionales que no observamos. Entonces, además de describir exactamente cómo vemos el SM desde la teoría de cuerdas, debemos explicar al mismo tiempo por qué no vemos las dimensiones adicionales. La forma en que se presentan las dimensiones adicionales varía de “gran problema” a “predicción emocionante”, dependiendo de sus gustos / ¡dónde podría haber alguna lealtad en su línea de investigación!
¿Qué más hay ahí? El enfoque que popularmente se enmarca como un antagonista de la teoría de cuerdas es la Gravedad Cuántica de Bucles (LQG). Lo que esta teoría hace es comenzar por construir una teoría del espacio-tiempo cuántico en sí mismo. En esta teoría, no pensamos que los estados cuánticos estén en / en el espacio-tiempo, pensamos, a la inversa, que el espacio-tiempo se construye a partir de los estados cuánticos. La idea es que desea una teoría cuántica del espacio-tiempo que esté de acuerdo con la teoría de Einstein en escalas muy grandes en comparación con la escala de Planck , la escala sobre la cual los efectos de la gravedad cuántica deben ser evidentes (¡aproximadamente 10 ^ -33 metros!). Esta teoría ha tenido cierto éxito y ha hecho la emocionante propuesta de que el Big Bang fue en realidad un rebote . Uno de los mayores problemas no resueltos de esta teoría es uno muy fundamental, a saber, que a gran escala la teoría debería reproducir esencialmente la teoría de Einstein, como he mencionado. En un caso abstracto, tridimensional (¡a diferencia de nuestro (¡al menos!) Universo tridimensional!) Esto funciona bien, pero nadie ha demostrado que esto funcione en el caso cuatridimensional que describe nuestro universo.
La investigación sobre este problema de la gravedad cuántica está en curso y hay muchos otros enfoques fascinantes, que incluyen:
Teoría del conjunto causal
Triangulación Dinámica Causal
Gravedad Entrópica / Termodinámica
Teorías finitas ultravioletas del GR cuántico.
Anuncio / CFT
y otros.
Curiosamente, si una propuesta como la de Erik Verlinde resulta ser cierta, ¡puede ser que comprender estos problemas de la materia oscura y la gravedad cuántica pueda apuntar a la misma solución!
El consenso general es que, sin embargo, este problema se resuelve puede requerir una revisión completamente radical de las leyes físicas fundamentales. Exactamente a dónde nos llevará esta historia, todavía no lo sabemos, ¡pero llegar a eso seguramente implicará una nueva revolución científica en la física!
Esta historia sigue y sigue, y se podría continuar con otros hermosos indicios de grandeza en esta dirección, como el principio holográfico , la termodinámica del agujero negro , la Correspondencia de AdS / CFT y otras cosas durante mucho tiempo, pero ahora es el momento. Dirigí mis asteriscos …
* En realidad, en escalas tan grandes como galaxias, la teoría de Newton funciona extremadamente bien, y es suficiente para renunciar a hacer cálculos con la relatividad general.
** En realidad, el SM describe campos cuánticos, por lo que es lo que llamamos una teoría de campos cuánticos. Los “cuantos” de los campos en el SM son las partículas mecánicas cuánticas que vemos en la naturaleza.
*** Si la gravedad cuántica resulta ser tan ajena como algunos anticipan, puede ser que lo que consideramos como mecánica cuántica o gravedad ya no sean fundamentales para la teoría, en cuyo caso la “gravedad cuántica” resultará ser un nombre inapropiado Sin embargo, la idea de una teoría que pueda reconciliar con éxito ambas teorías, como sea que decidamos llamarla, sigue siendo muy significativa.
**** que conocemos porque los GR cuantificados ingenuamente (que describen los gravitones interactivos) es una teoría perfectamente efectiva de la gravedad cuántica a bajas energías, muy por debajo de la escala de Planck. Debido a que esta es solo una teoría efectiva, no tenemos derecho a suponer que los gravitones son fundamentales para la gravedad cuántica .
