criptón es una hipotética partícula superpesada, que se cree que existe en un sector oculto de la teoría de cuerdas . Se ha propuesto como una partícula candidata para explicar el contenido de materia oscura del universo . Se ha demostrado que los criptones que surgen en el sector oculto de un modelo GUT SU (5) volteado derivado de supercuerdas son metaestables y su vida útil supera la edad del universo. Su lenta descomposición puede proporcionar una fuente para los rayos cósmicos de energía ultraalta ( UHECR ).
modelo cíclico (o modelo oscilante ) es uno de varios modelos cosmológicos en los que el universo sigue ciclos infinitos, o indefinidos, autosostenidos. Por ejemplo, la teoría del universo oscilante considerada brevemente por Albert Einstein en 1930 teorizó un universo siguiendo una serie eterna de oscilaciones, cada una de las cuales comienza con un big bang y termina con un gran crujido ; en el ínterin, el universo se expandiría por un período de tiempo antes de que la atracción gravitatoria de la materia haga que se colapse nuevamente y sufra un rebote .
Descripción general [ editar ]
En la década de 1920, los físicos teóricos, sobre todo Albert Einstein , consideraron la posibilidad de un modelo cíclico para el universo como una alternativa (eterna) al modelo de un universo en expansión . Sin embargo, el trabajo de Richard C. Tolman en 1934 mostró que estos primeros intentos fracasaron debido al problema cíclico: según la Segunda Ley de la Termodinámica , la entropía solo puede aumentar. [1] Esto implica que los ciclos sucesivos crecen cada vez más. Extrapolando en el tiempo, los ciclos anteriores al actual se vuelven cada vez más cortos y culminan nuevamente en un Big Bang y, por lo tanto, no lo reemplazan. Esta situación desconcertante se mantuvo durante muchas décadas hasta principios del siglo XXI, cuando se descubrió recientemente.El componente de energía oscura proporcionó una nueva esperanza para una cosmología cíclica consistente. [2] En 2011, una encuesta de cinco años de 200,000 galaxias y que abarcó 7 mil millones de años de tiempo cósmico confirmó que "la energía oscura está alejando a nuestro universo a velocidades aceleradas". [3] [4]
Un nuevo modelo cíclico es el modelo de cosmología brane de la creación del universo , derivado del modelo ekpyrotic anterior . Fue propuesto en 2001 por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton y Neil Turok de la Universidad de Cambridge . La teoría describe un universo que estalla en existencia no solo una vez, sino repetidamente a lo largo del tiempo. [5] [6] La teoría podría explicar por qué una forma de energía repulsiva conocida como la constante cosmológica , que está acelerando la expansión del universo, es varios órdenes de magnitud más pequeña de lo que predice el Big Bang estándar. modelo.
Un modelo cíclico diferente basado en la noción de energía fantasma fue propuesto en 2007 por Lauris Baum y Paul Frampton de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill . [7]
El modelo Steinhardt-Turok [ editar ]
En este modelo cíclico, dos planos orbitales paralelos o M-branas chocan periódicamente en un espacio de dimensión superior. [8] El universo visible de cuatro dimensiones se encuentra en una de estas branas . Las colisiones corresponden a una reversión de la contracción a la expansión, o una gran crisis seguida inmediatamente por una gran explosión . La materia y la radiación que vemos hoy se generaron durante la colisión más reciente en un patrón dictado por las fluctuaciones cuánticas creadas antes de las branas. Después de miles de millones de años, el universo alcanzó el estado que observamos hoy; Después de miles de millones de años adicionales, finalmente comenzará a contraerse nuevamente. Energía oscuracorresponde a una fuerza entre las branas y cumple el papel crucial de resolver los problemas de monopolo , horizonte y planitud . Además, los ciclos pueden continuar indefinidamente en el pasado y en el futuro, y la solución es un atractivo , por lo que puede proporcionar una historia completa del universo.
Como demostró Richard C. Tolman , el modelo cíclico anterior fracasó porque el universo sufriría la inevitable muerte térmica termodinámica . [1] Sin embargo, el nuevo modelo cíclico evade esto al tener una expansión neta en cada ciclo, lo que evita que se acumule entropía . Sin embargo, sigue habiendo importantes problemas abiertos en el modelo. La principal de ellas es que los branes en colisión no son comprendidos por los teóricos de las cuerdas, y nadie sabe si el espectro invariante de la escala será destruido por la gran crisis. Por otra parte, al igual que con la inflación cósmica , mientras que el carácter general de las fuerzas (en el ekpyroticescenario, se conoce una fuerza entre branas) requerida para crear las fluctuaciones de vacío , no hay candidato de la física de partículas . [9]
El modelo Baum-Frampton [ editar ]
Este modelo cíclico más reciente de 2007 hace un supuesto técnico diferente con respecto a la ecuación de estado de la energía oscura que relaciona la presión y la densidad a través de un parámetro w . [7] [10] Asume w<−1 (una condición llamada energía fantasma ) a lo largo de un ciclo, incluso en la actualidad. (Por el contrario, Steinhardt-Turok supone que w nunca es menor que -1). En el modelo Baum-Frampton, un septillionth (o menos) de un segundo (es decir, 10-24 segundos o menos) antes del posible Big Rip , se produce un cambio y solo un parche causal se mantiene como nuestro universo. El parche genérico no contiene quark , lepton oportador de la fuerza ; Sólo la energía oscura , y así su entropía se desvanece. El proceso adiabático de contracción de este universo mucho más pequeño se lleva a cabo con una entropía en constante desaparición y sin materia, sin agujeros negros que se desintegraron antes del cambio.
La idea de que el universo "se vuelve vacío" es una nueva idea central de este modelo cíclico, y evita muchas dificultades para confrontar la materia en una fase de contratación, como la formación excesiva de estructuras , la proliferación y expansión de los agujeros negros , así como pasar por transiciones de fase. como las de QCD y restauración de simetría electrodébil. Cualquiera de estos tendería fuertemente a producir un rebote prematuro no deseado, simplemente para evitar la violación de la segunda ley de la termodinámica . La sorprendente wLa condición <−1 puede ser lógicamente inevitable en una cosmología verdaderamente infinita debido al problema de la entropía. Sin embargo, muchos cálculos técnicos de respaldo son necesarios para confirmar la consistencia del enfoque. Aunque el modelo toma ideas de la teoría de cuerdas , no necesariamente está comprometido con cadenas o dimensiones más altas , pero estos dispositivos especulativos pueden proporcionar los métodos más rápidos para investigar la consistencia interna . El valor de w en el modelo Baum-Frampton se puede hacer arbitrariamente cerca de, pero debe ser menor que, -1.
Otros modelos cíclicos [ editar ]
- Cosmología cíclica conforme: una teoría general basada en la relatividad debida a Roger Penrose en la que el universo se expande hasta que toda la materia se desintegra y se convierte en luz, por lo que no hay nada en el universo que tenga alguna escala de tiempo o distancia asociada. Esto permite que se vuelva idéntico al Big Bang, así que comienza el siguiente ciclo.
- Cosmología cuántica de bucles que predice un "puente cuántico" entre las ramas cosmológicas en contracción y expansión.
D-branas , abreviaturas de la membrana de Dirichlet , son una clase de objetos extendidos en los que las cuerdas abiertas pueden terminar con las condiciones de los límites de Dirichlet , después de lo cual reciben su nombre. D-branas fueron descubiertas por Dai, Leigh y Polchinski , e independientemente por Hořava en 1989. En 1995, Polchinski identificó D-branas con soluciones de supergravedad de p-brana negra , un descubrimiento que desencadenó la Segunda Revolución de Supercuerdas y condujo a holográficas y Dualidades de la teoría m .
Las D-branas se clasifican típicamente por su dimensión espacial , que se indica por un número escrito después de la D. Una D0-brana es un punto único, una D1-brana es una línea (a veces llamada "D-string"), una D2-brane es un plano, y una D25-brane llena el espacio dimensional más alto considerado en la teoría de cuerdas bosónicas . También hay instantáneas D (–1) -branes, que se localizan tanto en el espacio como en el tiempo .
Antecedentes teóricos [ editar ]
Las ecuaciones de movimiento de la teoría de cuerdas requieren que los puntos finales de una cadena abierta (una cadena con puntos finales) satisfagan uno de los dos tipos de condiciones de contorno: la condición de límite de Neumann , que corresponde a los puntos finales libres que se mueven a través del espacio-tiempo a la velocidad de la luz, o Condiciones de límite de Dirichlet , que fijan el punto final de la cadena. Cada coordenada de la cadena debe satisfacer una u otra de estas condiciones. También pueden existir cadenas con condiciones de frontera mixtas, donde los dos puntos finales satisfacen las condiciones de frontera NN, DD, ND y DN. Si las dimensiones espaciales p satisfacen la condición de límite de Neumann, entonces el punto final de la cadena se limita a moverse dentro de un hiperplano p-dimensional. Este hiperplano proporciona una descripción de una Dp-brana.
Aunque es rígido en el límite de acoplamiento cero, el espectro de cadenas abiertas que terminan en una D-brana contiene modos asociados con sus fluctuaciones, lo que implica que las D-branas son objetos dinámicos. CuandoLas D-branas son casi coincidentes, el espectro de cuerdas que se extienden entre ellas se vuelve muy rico. Un conjunto de modos produce una teoría de calibre no abeliana en el volumen mundial. Otro conjunto de modos es un Matriz dimensional para cada dimensión transversal de la brana. Si estas matrices conmutan, pueden ser diagonalizadas, y los valores propios definen la posición deD-branas en el espacio. Más generalmente, las branas se describen mediante una geometría no conmutativa, que permite un comportamiento exótico como el efecto de Myers , en el que una colección de Dp-branas se expande en una D (p + 2) -brane.
La condensación de taquiones es un concepto central en este campo. Ashoke Sen ha argumentado que en la teoría de cuerdas Tipo IIB , la condensación del taquión permite (en ausencia de flujo de formas de Neveu-Schwarz ) una configuración de D-brana arbitraria que se puede obtener de una pila de D9 y anti-D9-branas.Edward Witten ha demostrado que tales configuraciones serán clasificadas por la teoría K del espacio-tiempo . La condensación de taquiones todavía es poco conocida. Esto se debe a la falta de una teoría de campo de cadena exacta que describa la evolución fuera de shell del taquión.
Cosmología del universo-membrana [ editar ]
Esto tiene implicaciones para la cosmología física . Debido a que la teoría de cuerdas implica que el Universo tiene más dimensiones de las que esperamos, 26 para las teorías de cuerdas bosónicas y 10 para las teorías de supercuerdas, debemos encontrar una razón por la cual las dimensiones adicionales no sean evidentes. Una posibilidad sería que el Universo visible sea de hecho una D-brana muy grande que se extiende sobre tres dimensiones espaciales. Los objetos materiales, hechos de cuerdas abiertas, están vinculados a la D-brana, y no pueden moverse "en ángulo recto con la realidad" para explorar el Universo fuera de la brana. Este escenario se llama cosmología brane . La fuerza de la gravedad es no debido a las cuerdas abiertas; los gravitonesLos que llevan fuerzas gravitacionales son estados vibracionales de cuerdas cerradas . Debido a que las cuerdas cerradas no tienen que estar unidas a las D-branas, los efectos gravitacionales podrían depender de las dimensiones adicionales ortogonales de la brana.
D-brana de dispersión [ editar ]
Cuando dos D-branas se acercan entre sí, la interacción es capturada por la amplitud de un anillo de bucle de las cadenas entre las dos branas. El escenario de dos branas paralelas que se acercan entre sí a una velocidad constante puede asignarse al problema de dos branas estacionarias que giran entre sí en cierto ángulo. La amplitud del anillo produce singularidades que corresponden a la producción en la cubierta de cuerdas abiertas estiradas entre las dos branas. Esto es cierto independientemente de la carga de las D-branas. A velocidades de dispersión no relativistas, las cadenas abiertas pueden describirse mediante una acción efectiva de baja energía que contiene dos campos escalares complejos que se acoplan mediante un término. Así, como el campo.Cambios (separación de las branas), la masa del campo. cambios Esto induce la producción de cuerdas abiertas y, como resultado, las dos branas dispersas quedarán atrapadas.
Teorías gauge [ editar ]
La disposición de las D-branas restringe los tipos de estados de cadena que pueden existir en un sistema. Por ejemplo, si tenemos dos branas D2 paralelas, podemos imaginar fácilmente cuerdas que se extienden desde la brana 1 hasta la brana 2 o viceversa. (En la mayoría de las teorías, las cadenas son objetos orientados : cada una lleva una "flecha" que define una dirección a lo largo de su longitud.) Las cadenas abiertas permisibles en esta situación se dividen en dos categorías, o "sectores": las que se originan en la brana 1 y terminan en la brana 2, y las que se originan en la brana 2 y terminan en la brana 1. Simbólicamente, decimos que tenemos los sectores [1 2] y [2 1]. Además, una cuerda puede comenzar y terminar en la misma brana, dando los sectores [1 1] y [2 2]. (Los números dentro de los paréntesis se llaman índices Chan-Paton, pero en realidad son solo etiquetas que identifican las branas.) Una cadena en el sector [1 2] o [2 1] tiene una longitud mínima: no puede ser más corta que la separación entre las branas. Todas las cuerdas tienen cierta tensión, contra la cual uno debe tirar para alargar el objeto; este tirón funciona en la cuerda, agregando a su energía. Debido a que las teorías de cuerdas son por naturaleza relativistas , agregar energía a una cadena es equivalente a agregar masa, por la relación de Einstein E = mc 2 . Por lo tanto, la separación entre D-branas controla la masa mínima que pueden tener las cuerdas abiertas.
Además, la colocación de un punto final de una cuerda en una brana influye en la forma en que la cuerda puede moverse y vibrar. Debido a que los estados de partículas "emergen" de la teoría de cuerdas como los diferentes estados vibracionales que la cadena puede experimentar, la disposición de las D-branas controla los tipos de partículas presentes en la teoría. El caso más simple es el sector [1 1] para un D p -brane, es decir, las cadenas que comienzan y terminan en cualquier D-brana particular de p dimensiones. Al examinar las consecuencias de la acción Nambu-Goto (y aplicar las reglas de la mecánica cuántica para cuantificar la cadena), se encuentra que entre el espectro de partículas hay uno que se parece al fotón., el cuanto fundamental del campo electromagnético. El parecido es preciso: a p versión -dimensional del campo electromagnético, obedeciendo a una p análogo dimensional de las ecuaciones de Maxwell , existe en cada D p -brane.
En este sentido, entonces, se puede decir que la teoría de cuerdas "predice" el electromagnetismo: las D-branas son una parte necesaria de la teoría si permitimos que existan cadenas abiertas, y todas las D-branas tienen un campo electromagnético en su volumen.
Otros estados de partículas se originan a partir de cuerdas que comienzan y terminan en la misma D-brana. Algunas corresponden a partículas sin masa como el fotón; También en este grupo hay un conjunto de partículas escalares sin masa. Si una grúa D p está incrustada en un espacio-tiempo de d dimensiones espaciales, la brana transporta (además de su campo Maxwell) un conjunto de escalas sin masa d - p (partículas que no tienen polarizaciones como los fotones que forman la luz). Curiosamente, hay tantos escalares sin masa como direcciones perpendiculares a la brana; La geometría de la disposición de las branas está estrechamente relacionada con la teoría cuántica de campos de las partículas que existen en ella. De hecho, estos escalares sin masa sonExcitaciones de oro de la brana, correspondientes a las diferentes formas en que se puede romper la simetría del espacio vacío. La colocación de una D-brana en un universo rompe la simetría entre ubicaciones, porque define un lugar en particular, asignando un significado especial a una ubicación en particular a lo largo de cada una de las direcciones d - p perpendiculares a la brana.
La versión cuántica del electromagnetismo de Maxwell es solo un tipo de teoría gauge , una teoría U (1) donde el grupo gauge está formado por matrices unitarias de orden 1. Las D-branas pueden usarse para generar teorías gauge de orden superior, en el siguiente manera:
Considere un grupo de N separadores D p separados, dispuestos en paralelo por simplicidad. Las branas están etiquetadas 1,2, ..., N por conveniencia. Existen cadenas abiertas en este sistema en uno de los muchos sectores: las cadenas que comienza y termina en alguna brana i dar brana que un campo de Maxwell y algunos campos escalares sin masa en su volumen. Las cuerdas que se extienden desde la brana i a otra brana jTiene propiedades más intrigantes. Para empezar, vale la pena preguntar qué sectores de cadenas pueden interactuar entre sí. Un mecanismo sencillo para una interacción de cadena es que dos cadenas se unan a los puntos finales (o, a la inversa, para que una cadena se "divida en el medio" y haga dos cadenas "secundarias"). Dado que los puntos finales están restringidos para estar en D-branas, es evidente que una cadena [1 2] puede interactuar con una cadena [2 3], pero no con una [3 4] o una [4 17]. Las masas de estas cuerdas se verán influenciadas por la separación entre las branas, como se discutió anteriormente, por lo que, para simplificar, podemos imaginar las branas apretadas cada vez más cerca, hasta que se encuentran una encima de la otra. Si consideramos dos branas superpuestas como objetos distintos, entonces todavía tenemos todos los sectores que teníamos antes,
Los estados de masa cero en el espectro de partículas de cadena abierta para un sistema de N de D-branas coincidentes producen un conjunto de campos cuánticos interactivos que es exactamente una teoría del calibre U( N ). (La teoría de cuerdas contiene otras interacciones, pero solo son detectables a energías muy altas). Las teorías de los indicadores no se inventaron a partir de cuerdas bosónicas o fermiónicas; se originaron en un área diferente de la física y se han vuelto bastante útiles por derecho propio. En todo caso, la relación entre la geometría D-brane y la teoría de la galga ofrece una herramienta pedagógica útil para explicar las interacciones de la galga, incluso si la teoría de cuerdas no es la "teoría de todo".
Agujeros negros [ editar ]
Otro uso importante de D-branes ha sido en el estudio de los agujeros negros . Desde la década de 1970, los científicos han debatido el problema de los agujeros negros que tienen entropía . Considere, como un experimento mental , dejar caer una cantidad de gas caliente en un agujero negro. Dado que el gas no puede escapar de la atracción gravitatoria del agujero, su entropía parece haberse desvanecido del universo. Para mantener la segunda ley de la termodinámica , uno debe postular que el agujero negro ganó cualquier entropía que originalmente tenía el gas infaling. Intentando aplicar la mecánica cuántica al estudio de los agujeros negros, Stephen HawkingDescubrió que un agujero debería emitir energía con el espectro característico de la radiación térmica. La temperatura característica de esta radiación de Hawking está dada por
- ,
donde G es Newton 's constante gravitacional , M es del agujero negro de masa y k B es la constante de Boltzmann .
Usando esta expresión para la temperatura de Hawking, y suponiendo que un agujero negro de masa cero tiene entropía cero, se pueden usar argumentos termodinámicos para derivar la " entropía de Bekenstein ":
La entropía de Bekenstein es proporcional a la masa del agujero negro al cuadrado; Debido a que el radio de Schwarzschild es proporcional a la masa, la entropía de Bekenstein es proporcional a la superficie del agujero negro . De hecho,
El concepto de entropía del agujero negro plantea una interesante interrogante. En una situación normal, un sistema tiene entropía cuando un gran número de "microestados" diferentes pueden satisfacer la misma condición macroscópica. Por ejemplo, dada una caja llena de gas, muchas disposiciones diferentes de los átomos de gas pueden tener la misma energía total. Sin embargo, se creía que un agujero negro era un objeto sin rasgos distintivos (en la frase de John Wheeler , " Los agujeros negros no tienen pelo "). ¿Cuáles son, entonces, los "grados de libertad" que pueden dar lugar a la entropía del agujero negro?
Los teóricos de cuerdas han construido modelos en los que un agujero negro es una cuerda muy larga (y por lo tanto muy masiva). Este modelo da un acuerdo aproximado con la entropía esperada de un agujero negro de Schwarzschild, pero todavía no se ha encontrado una prueba exacta de una manera u otra. La principal dificultad es que es relativamente fácil contar los grados de libertad que poseen las cuerdas cuánticas si no interactúan entre sí. Esto es análogo al gas ideal estudiado en la termodinámica de introducción: la situación más fácil de modelar es cuando los átomos de gas no tienen interacciones entre sí. Desarrollar la teoría cinética de los gases en el caso de que los átomos o las moléculas del gas experimenten fuerzas entre partículas (como la fuerza de van der Waals).) Es más dificil. Sin embargo, un mundo sin interacciones es un lugar poco interesante: lo más importante para el problema del agujero negro, la gravedad es una interacción, y por lo tanto, si el "acoplamiento de cuerda" se desactiva, ningún agujero negro podría surgir. Por lo tanto, calcular la entropía del agujero negro requiere trabajar en un régimen donde existen interacciones de cuerdas.
Extender el caso más simple de cadenas no interactivas al régimen donde podría existir un agujero negro requiere supersimetría . En ciertos casos, el cálculo de entropía realizado para el acoplamiento de cadena cero sigue siendo válido cuando las cadenas interactúan. El desafío para un teórico de cuerdas es idear una situación en la que pueda existir un agujero negro que no "rompa" la supersimetría. En los últimos años, esto se ha hecho construyendo agujeros negros a partir de D-branas. El cálculo de las entropías de estos agujeros hipotéticos da resultados que concuerdan con la entropía de Bekenstein esperada. Desafortunadamente, los casos estudiados hasta ahora involucran espacios de dimensión superior, como las D5-branas en el espacio de nueve dimensiones, por ejemplo. No se aplican directamente al caso familiar, los agujeros negros de Schwarzschild observados en nuestro propio universo.
Historia [ editar ]
Las condiciones de los límites de Dirichlet y las D-branas tuvieron una larga "prehistoria" antes de que se reconociera su significado completo. Condiciones de frontera de Dirichlet / Neumann mixtasWarren Siegel consideró por primera vez en 1976 como un medio para reducir la dimensión crítica de la teoría de cuerdas abiertas de 26 o 10 a 4 (Siegel también cita un trabajo no publicado de Halpern, y un documento de 1974 de Chodos y Thorn, pero una lectura de este último el documento muestra que en realidad se trata de fondos de dilatación lineal, no de condiciones de contorno de Dirichlet). Este documento, aunque profético, se notó poco en su época (una parodia de 1985 de Siegel, "The Super-g String", contiene una descripción casi inexistente de mundos de salvado). Las condiciones de Dirichlet para todas las coordenadas, incluido el tiempo euclidiano (que definen lo que ahora se conoce como D-instantones) fueron introducidas por Michael Green en 1977 como un medio para introducir una estructura puntual en la teoría de cuerdas, en un intento de construir una teoría de cuerdas delinteracción fuerte . Las compactaciones de cuerdas estudiadas por Harvey y Minahan, Ishibashi y Onogi, y Pradisi y Sagnotti en 1987–89 también emplearon condiciones de contorno de Dirichlet.
El hecho de que la dualidad T intercambia las condiciones usuales de los límites de Neumann con las condiciones de los límites de Dirichlet fue descubierto independientemente por Horava y por Dai, Leigh y Polchinski en 1989; este resultado implica que tales condiciones de frontera deben aparecer necesariamente en las regiones del espacio de módulos de cualquier teoría de cadenas abiertas. El Dai et al. el papel también señala que el locus de las condiciones de los límites de Dirichlet es dinámico, y acuña el término Dirichlet-brane (D-brane) para el objeto resultante (este papel también se orienta hacia otro objeto que surge bajo la cadena de dualidad T). Un artículo de 1989 de Leigh mostró que la dinámica de D-brane se rige por la acción Dirac-Born-Infeld.. D-instantones fueron extensamente estudiados por Green en la década de 1990, y se muestran mediante Polchinski en 1994 para producir el e -1 / g efectos de cadena nonperturbative anticipados por Shenker . En 1995 demostró que Polchinski D-branas son las fuentes de eléctricos y magnéticos campos Ramond-Ramond que son requeridos por la dualidad de cadena , [1] que lleva a un rápido progreso en la comprensión de la teoría de cuerdas no perturbativa.
No hay comentarios:
Publicar un comentario