¿La teoría de cuerdas proporciona predicciones experimentales cuantitativas? [duplicar]

Posible duplicado:
¿Qué experimento refutaría la teoría de cuerdas?

Observamos cuidadosamente las cosas, observamos patrones y luego construimos teorías que predicen.

La teoría de cuerdas es frecuentemente criticada por no proporcionar una predicción experimental cuantitativa.

¿Cuáles son los problemas que impiden que esta teoría produzca predicciones experimentales cuantitativas?

¿No hay ningún experimento sugerido por los teóricos de cuerdas para verificar la validez de su teoría? ¿El problema es matemático? (o simplemente requiere muchos equipos dimensionales... es broma).

No estoy criticando la teoría porque para hacer eso debo entenderla primero, pero no la he estudiado. Sólo quiero saber.

Respuestas (2)

Permítanme hacer una analogía que se debe a Wati Taylor.

Toma a Einstein y, digamos, a Ketterle, enciérralos en una habitación y dales dos piedras, un reloj ordinario, papel y lápiz. Luego déles la tarea de verificar la relatividad general (GR) experimentalmente. Fracasarán, inevitablemente.

Esto no se debe a que GR sea "incorrecto" o, como algunos dirían, "ni siquiera sea incorrecto", sino a que el equipo experimental no es adecuado para una prueba estricta.

Afortunadamente para GR, hubo observaciones sobre los cambios del perihelio y la flexión de la luz que eventualmente convencieron a los escépticos (o, más probablemente, los escépticos se extinguieron).

La teoría de cuerdas es una teoría cuántica de la gravedad que hace un montón de predicciones en la escala de Planck. Sin embargo, no tenemos ningún experimento actual que sea lo suficientemente bueno para ser sensible a la física de la escala de Planck.

Por cierto, el mismo problema se aplica básicamente a CUALQUIER teoría cuántica de la gravedad: por lo general, están a salvo del experimento ...

Ahora, la teoría de cuerdas es más ambiciosa y no solo hace predicciones gravitacionales cuánticas, sino que también restringe la física de baja energía. Sin embargo, no está claro si estas restricciones son lo suficientemente estrictas como para ser de relevancia observacional. Estoy seguro que otros tendrán que decir más sobre el paisaje de string vacua, así que me detendré aquí.

¿Cuáles son las predicciones en la escala de Planck?
Probablemente las más drásticas sean las excitaciones de Kaluza-Klein y las dimensiones extra.
Daniel, hay una diferencia. GR, incluso si uno está cerrado en una habitación, puede dar resultados que al menos en principio se pueden comprobar. ¿Es ese el caso en la teoría de cuerdas? Además, las "dimensiones adicionales" no son una predicción, sino un requisito. Eso no es lo mismo.
Sí, ese es el caso de la teoría de cuerdas. La torre infinita de excitaciones sería evidente en un acelerador, al igual que las dimensiones adicionales.
MBN: No estoy de acuerdo. Las dimensiones extra son una predicción, y muy precisa. No será fácil probar esta predicción con la tecnología actual, que es el punto principal de mi respuesta. Pero si algún experimento ingeniosamente diseñado encontrara evidencia convincente de 6 dimensiones adicionales, ¿cómo no sería esto una confirmación de la teoría de cuerdas? Tal vez me estoy perdiendo tu punto.
"Extra Dimensions" no es un (Gedanken-)experiment, un Gedankenexperiment sería "qué veríamos si tuviéramos una lupa para la escala de Planck" (sin dimensiones adicionales, supongo, porque los fotones las ignoran).
Daniel, no sé si no entendiste mi punto. Puede ser que simplemente me equivoque en esto. Es solo que para mí, el número de dimensiones parece una entrada (requisito) y no una salida (predicción) de la teoría.
En otras teorías, digamos el modelo estándar o la relatividad general, el número de dimensiones es de hecho una entrada. Pero en la teoría de cuerdas ciertamente no es una entrada, ¡es una predicción! Puede intentar formular la teoría de cuerdas en cualquier dimensión, pero la cancelación de anomalías lo fijará en 10. De todos modos, no es la única predicción de la teoría de cuerdas, por lo que si encontrar 6 dimensiones adicionales experimentalmente no lo convence, tendrá que hacerlo. espera las excitaciones de Kaluza-Klein...
La pregunta, de nuevo, es cómo esperamos que las dimensiones extra, los modos de Kaluza-Klein, SUSY y otras predicciones de la teoría de cuerdas se manifiesten en un entorno experimental, preferiblemente el LHC. ¿Cómo se incorporan estos ingredientes a los cálculos de amplitudes de dispersión para los procesos del LHC? Por supuesto, esta demanda es válida para todos los marcos propuestos para la gravedad cuántica, no solo para la teoría de cuerdas. Las afirmaciones en negrita deben estar respaldadas por cálculos en negrita.
@space_cadet Es posible que estas características no se manifiesten en absoluto en el LHC, que es de alguna manera el punto de la analogía de Wati. Pero en ausencia de datos experimentales, uno todavía puede guiarse por la consistencia interna y la simplicidad conceptual, al igual que Einstein en su construcción de la relatividad general.
Pero Daniel, precisamente por eso creo que no es una predicción. Para mí una predicción es algo que se deriva de la teoría. Aquí necesitas 10 dimensiones para formular la teoría. Eso es un requisito, no una predicción.
@Daniel si un acelerador de partículas de $ 8 mil millones no es suficiente para proporcionar pruebas de la teoría de cuerdas o cualquier otra teoría, ¿entonces qué es? No es como si pudieras comparar el LHC con "dos piedras, un reloj ordinario, papel y lápiz". ¿Y de qué sirve la teoría de cuerdas (o cualquier otra) si no puede proponer algunas explicaciones (falsables) para los aspectos incompletos del Modelo Estándar y la cosmología, como las masas de los neutrinos, la violación de CP, la inflación y la leptogénesis?
Bueno, @stringpheno cubre algunos de estos aspectos en su respuesta, así que no importa.
@MBN: por supuesto, es una predicción. La hipótesis propuesta aquí es "si la teoría fibrosa es correcta", entonces "hay dimensiones adicionales". Puede falsificar esta hipótesis (y, por lo tanto, la teoría) al no medir (o en un número diferente al predicho) dimensiones adicionales.
@Marek: Para mí, una predicción es algo así: aquí está la teoría, hacemos algunos cálculos y obtenemos algo. El caso de las dimensiones extra es diferente. Antes de que tengamos la teoría, tenemos que postular la existencia de dimensiones adicionales. Así que es un postulado no una predicción.
@MBN: ¿así que tampoco estaría de acuerdo en que el teorema CFT no es una predicción de QFT? Para que cualquier teoría sea consistente, se requiere que la simetría CFT se mantenga (y esta es una predicción comprobable y ahora está bien probada). De manera similar, para que la teoría de cuerdas sea consistente, necesita cierta dimensión (tenga en cuenta que también puede formular la teoría en otras dimensiones, simplemente no será consistente, de manera similar a cómo puede formular una teoría cuántica inconsistente que viola CFT) y esto nuevamente puede probarse experimentalmente. Creo que su definición de predicción es innecesariamente estricta para los propósitos físicos habituales.
@Marek: ¿Qué es el teorema CFT? Aquí hay otro ejemplo. El principio de equivalencia no es una predicción de la relatividad general, aunque es una declaración precisa que puede probarse experimentalmente.
@MBN: Quise decir el teorema CPT, lo siento. En cualquier caso, todos estos ejemplos son bastante similares y aquí estamos discutiendo sobre una definición de predicción. Mi definición es que si la teoría requiere que algo sea cierto, ya es una predicción. Es completamente irrelevante si se trata de un axioma o un teorema en la teoría, lo único importante es que la declaración dada se cumple en la teoría dada. Por alguna razón, excluye los axiomas como predicciones, pero esto obviamente es incorrecto, ya que puede haber una descripción equivalente de la teoría que tiene esos axiomas como teoremas que se derivan de otros axiomas.
Bien, porque una predicción de una teoría debe venir después de que la teoría sea formulada, no antes. Si cuenta los axiomas como predicciones, puede agregar cualquier cantidad de hechos bien conocidos a una teoría dada y, por lo tanto, aumentar la cantidad de sus predicciones. Por ejemplo, agregue la declaración de que la superficie de la Tierra es esférica a los axiomas de la mecánica cuántica y ahora tiene QM prediciendo la forma de la Tierra. Sé que esto es extremo y no como lo es con la teoría de cuerdas, pero entiendes mi punto. Si hay una formulación de ST sin la suposición de 10 dimensiones, me encantaría verla.

La firma fibrosa más obvia sería la observación de resonancias Regge a energías cercanas a la escala de cuerdas. Si las dimensiones adicionales son muy grandes, es decir, la escala de la cuerda es muy baja (soy extremadamente escéptico acerca de esta posibilidad), tales firmas podrían incluso ser observadas por el LHC. Consulte este documento para ver los cálculos detallados de las amplitudes de dispersión y las secciones transversales: http://arxiv.org/abs/0807.3333 . Lea el resumen al final del documento.

Una predicción más genérica/menos específica es la existencia de supercompañeros en alguna escala por debajo de la escala de la cuerda. En los escenarios fenomenológicamente interesantes, por ejemplo, las compactaciones de Calabi Yau de la cuerda heterótica, se obtiene algún tipo de supergravedad N=1 D=4. Desafortunadamente, no existe una predicción única para los detalles del espectro de partículas porque existen diferentes mecanismos de ruptura de la supersimetría y el espectro depende de eso. Sin embargo, en tales compactaciones, generalmente se espera algún tipo de mediación gravitatoria posiblemente mezclada con mediación de escala alta. Además, también hay que especificar en qué rincón de la teoría M se está trabajando, por ejemplo, Heterótico, Tipo IIB, Tipo IIA, teoría M sobre G2, teoría F, etc., lo que da como resultado ciertas restricciones en la forma del superpotencial y el potencial de Kahler. Por ejemplo, en la esquina G2 sin flujos, el superpotencial es puramente no perturbativo porque todos los módulos de compactación disfrutan de la simetría PQ heredada de la simetría de calibre de la forma 3 de supergravedad 11D. Por lo tanto, se puede hacer una declaración genérica de que los acoplamientos de Yukawa tendrán jerarquías exponenciales y la escala de ruptura de SUSY puede suprimirse exponencialmente en relación con la escala de Planck. Además, en este sector, la ruptura de SUSY está naturalmente mediada por la gravedad porque en 7 dimensiones los 3 ciclos que soportan los sectores visible y oculto generalmente no se cruzan, etc. Una vez que se especifican el mecanismo de ruptura de SUSY y el parche de la teoría M, uno puede ser capaz para calcular el espectro de partículas en la escala de cadena/GUT y ponerle fuertes restricciones de arriba hacia abajo y combinarlas con los requisitos de abajo hacia arriba. De esta forma se pueden obtener varios escenarios comprobables parametrizados por muy pocos diales fenomenológicos. Todo el problema del paisaje exponencialmente grande puede desacoplarse de manera efectiva cuando uno está interesado en este tipo de preguntas (ruptura SUSY y el espectro de partículas). Para ser más específicos sobre el último punto, en el vacío de flujo Tipo IIB, la contribución de los flujos al superpotencial puede tomar un número exponencialmente grande de valores, sin embargo, los términos F correspondientes para los módulos de estructura compleja siguen siendo cero y el El único parámetro fenomenológicamente relevante será el valor del superpotencial de flujo, que es solo un parámetro de entrada, ¡cuya dependencia microscópica detallada de los flujos es irrelevante para el cálculo del espectro de partículas! Todo el problema del paisaje exponencialmente grande puede desacoplarse de manera efectiva cuando uno está interesado en este tipo de preguntas (ruptura SUSY y el espectro de partículas). Para ser más específicos sobre el último punto, en el vacío de flujo Tipo IIB, la contribución de los flujos al superpotencial puede tomar un número exponencialmente grande de valores, sin embargo, los términos F correspondientes para los módulos de estructura compleja siguen siendo cero y el El único parámetro fenomenológicamente relevante será el valor del superpotencial de flujo, que es solo un parámetro de entrada, ¡cuya dependencia microscópica detallada de los flujos es irrelevante para el cálculo del espectro de partículas! Todo el problema del paisaje exponencialmente grande puede desacoplarse de manera efectiva cuando uno está interesado en este tipo de preguntas (ruptura SUSY y el espectro de partículas). Para ser más específicos sobre el último punto, en el vacío de flujo Tipo IIB, la contribución de los flujos al superpotencial puede tomar un número exponencialmente grande de valores, sin embargo, los términos F correspondientes para los módulos de estructura compleja siguen siendo cero y el El único parámetro fenomenológicamente relevante será el valor del superpotencial de flujo, que es solo un parámetro de entrada, ¡cuya dependencia microscópica detallada de los flujos es irrelevante para el cálculo del espectro de partículas!

Otra predicción genérica de compactaciones de cuerdas viene en la huella de la topología no trivial en el espectro de partículas en 4D. En particular, las compactaciones de cuerdas suelen implicar la existencia de una serie de partículas con propiedades similares. La multiplicidad de generaciones de SM es uno de esos ejemplos y, aunque todavía no está claro por qué solo hay tres generaciones, está claro que generalmente se espera tener varias generaciones. De particular interés son los llamados axiones, que son partículas pseudoescalares ultraligeras, los socios de algunos (o todos en el caso G2) de los módulos geométricos. Uno de estos axiones puede proporcionar naturalmente una solución dinámica al problema de CP fuerte y la simetría PQ que lo hace tan ligero puede rastrearse directamente hasta la simetría de calibre del campo de tipo RR correspondiente en 10D. Dependiendo de la topología, en realidad puede haber cientos de tales partículas cuya existencia sería un completo misterio desde el punto de vista de la teoría del campo efectivo 4D. Las implicaciones experimentales de tal "Axiverse" se describen en detalle aquí:http://arxiv.org/abs/0905.4720

En una nota relacionada, en una compactación genérica también se espera una gran cantidad de campos de módulos: escalares en 4D EFT. Estos campos ganan grandes masas (genéricamente en la escala de masa gravitino o muy por encima de ella) e interactúan con el sector visible a través de operadores suprimidos de Planck. Su presencia puede tener un gran impacto en la cosmología porque algunos de los módulos geométricos terminan siendo tan livianos como el gravitino y pueden tener una vida bastante larga si la escala de ruptura SUSY es baja. Por lo tanto, pueden llegar a dominar la densidad de energía del universo después de la inflación y debe revisarse la historia cosmológica térmica estándar. Esta es un área de investigación muy activa y hay muchos buenos artículos sobre el tema.

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