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La física teórica está trabajando en tonterías. . .

¿Está la física teórica desperdiciando nuestras mejores mentes vivientes en tonterías?
 Forbes

Comenzó con una explosión. . .
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras



El paisaje de cuerda podría ser una idea fascinante llena de potencial teórico, pero no predice nada que podamos observar en nuestro Universo. Esta idea de belleza, motivada por resolver problemas "no naturales", no es suficiente por sí misma para elevarse al nivel requerido por la ciencia. Crédito de la imagen: Universidad de Cambridge

Por Ethan Siegel, para Forbes Junio 12 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas, exclusivamente.

 
La historia de la física está llena de grandes ideas de las que ha oído hablar, como el Modelo Estándar, el Big Bang, la Relatividad General, etc. Pero también está lleno de ideas brillantes de las que probablemente no haya oído hablar, como el Modelo Sakata, la teoría Technicolor, el Modelo de estado estable y la Cosmología de plasma. Hoy tenemos teorías que están muy de moda, pero sin ninguna evidencia de ellas: supersimetría, gran unificación, teoría de cuerdas y el multiverso.

Debido a la forma en que el campo está estructurado, atascado en una adulación de ideas, las carreras en física teórica de alta energía que se enfocan en estos temas a menudo son exitosas. Por otro lado, elegir otros temas significa hacerlo solo. La idea de "belleza" o "naturalidad" ha sido un principio rector en la física durante mucho tiempo, y nos ha llevado a este punto. En su nuevo libro, Lost In Math, Sabine Hossenfelder argumenta de manera convincente que seguir apegándose a este principio es exactamente lo que nos está llevando por mal camino.


El nuevo libro, Lost In Math, aborda algunas ideas increíblemente grandes, incluida la noción de que la física teórica está atascada en el pensamiento grupal y la incapacidad de confrontar sus ideas con la dura realidad, que proporciona (hasta ahora) ninguna evidencia que los respalde . Crédito de la imagen: Sabine Hossenfelder / Basic Books

Imagínese que le dieron un problema hipotético de sacar a dos multimillonarios de una lista y estimar la diferencia en sus valores netos. Imagina que son anónimos, y que no sabrás cuál vale más, dónde figuran en la lista de multimillonarios de Forbes, o cuánto vale alguno de los dos en este momento.

Podemos llamar al primero A, el segundo B y la diferencia entre ellos C, donde A - B = C. Incluso sin ningún otro conocimiento sobre ellos, hay una cosa importante que puedes decir sobre C: es muy poco probable que será mucho, mucho más pequeño que A o B. En otras palabras, si A y B tienen ambos miles de millones de dólares, entonces es probable que C también sea de miles de millones, o al menos de cientos de millones.


Cuando tiene dos números grandes, en general, y toma su diferencia, la diferencia será del mismo orden de magnitud que los números originales en cuestión. Crédito de la imagen: E. Siegel / datos de Forbes

Por ejemplo, A podría ser Pat Stryker (# 703 en la lista), digno de, digamos, $ 3,592,327,960. Y B podría ser David Geffen (# 190), con un valor de $ 8,467,103,235. La diferencia entre ellos, o A - B, es entonces - $ 4,874,775,275. C tiene una posibilidad de 50/50 de ser positivo o negativo, pero en la mayoría de los casos, será del mismo orden de magnitud (dentro de un factor de 10) de A y B.

Pero no siempre será. Por ejemplo, la mayoría de los más de 2,200 multimillonarios en el mundo valen menos de $ 2 mil millones, y hay cientos que valen entre $ 1 mil millones y $ 1,2 mil millones. Si eligiera dos de ellos al azar, no le sorprendería terriblemente si la diferencia en su valor neto fuera solo de algunas decenas de millones de dólares.


Los empresarios Tyler Winklevoss y Cameron Winklevoss discuten bitcoin con Maria Bartiromo en FOX Studios el 11 de diciembre de 2017. Los primeros 'multimillonarios bitcoin' en el mundo, sus patrimonios son prácticamente idénticos, pero hay una razón subyacente detrás de por qué. Crédito de la imagen: (Astrid Stawiarz / Getty Images)

Sin embargo, podría sorprenderle si la diferencia entre ellos fuera de solo unos pocos miles de dólares o cero. "Qué improbable", pensarías. Pero podría no ser tan poco probable después de todo.

Después de todo, no sabes qué multimillonarios estaban en tu lista. ¿Te sorprendería saber que los gemelos Winklevoss - Cameron y Tyler, los primeros multimillonarios de Bitcoin - tenían patrimonios idénticos? ¿O que los hermanos Collison, Patrick y John (co-fundadores de Stripe), valen la misma cantidad dentro de unos pocos cientos de dólares?

No. Esto no sería sorprendente, y expone una verdad sobre los grandes números: en general, si A es grande y B es grande, entonces A - B también será grande ... pero no lo será si hay alguna razón que A y B están muy juntos. La distribución de multimillonarios no es completamente aleatoria, como ves, por lo que puede haber alguna razón subyacente para que estas dos cosas aparentemente no relacionadas estén realmente relacionadas. (¡En el caso de los Collisons o Winklevosses, literalmente!)


Las masas de los quarks y leptones del modelo estándar. La partícula modelo más pesada es el quark top; el no-neutrino más ligero es el electrón. Los propios neutrinos son al menos 4 millones de veces más livianos que el electrón: una diferencia mayor que la existente entre todas las demás partículas. Todo el camino en el otro extremo de la escala, la escala de Planck se cierne en un presentimiento 10 ^ 19 GeV. Crédito de la imagen: Hitoshi Murayama de http://hitoshi.berkeley.edu/

Esta misma propiedad es verdad en física. El electrón, la partícula más liviana que compone los átomos que encontramos en la Tierra, es más de 300,000 veces menos masiva que el quark top, la partícula más pesada del Modelo Estándar. Los neutrinos son al menos cuatro millones de veces más livianos que el electrón, mientras que la masa de Planck, la llamada escala de energía "natural" para el Universo, es aproximadamente 1017 (o 100,000,000,000,000,000) veces más pesada que el quark top.

Si no conociera ninguna razón subyacente por la cual estas masas deberían ser tan diferentes, supondría que hay alguna razón para ello. Y tal vez hay uno. Este tipo de pensamiento se conoce como un argumento de ajuste o "naturalidad". En su forma más simple, establece que debería haber algún tipo de explicación física de por qué los componentes del Universo con propiedades muy diferentes deberían tener esas diferencias entre ellos.


Cuando se restablecen las simetrías (en la parte superior del potencial), se produce la unificación. Sin embargo, la ruptura de simetrías, en la parte inferior de la colina, corresponde al Universo que tenemos hoy, completo con nuevas especies de partículas masivas. Al menos, para algunas aplicaciones. Crédito de la imagen: Luis Álvarez-Gaumé y John Ellis, Nature Physics 7, 2-3 (2011)

En el siglo XX, los físicos usaron argumentos de naturalidad con gran efecto. Una forma de explicar las grandes diferencias de escala es imponer una simetría a altas energías, y luego estudiar las consecuencias de romperla a una energía más baja. De este razonamiento surgieron varias ideas geniales, particularmente en el campo de la física de partículas. Los bosones gauge en la fuerza electrodébil surgieron de esta línea de pensamiento, al igual que el mecanismo de Higgs y, como se confirmó hace unos pocos años, el bosón de Higgs. Todo el Modelo Estándar se construyó sobre este tipo de simetrías y argumentos de naturalidad, y la naturaleza coincidió con nuestras mejores teorías.


Las partículas y antipartículas del Modelo Estándar ahora se han detectado directamente, y el último rechazo, el Bosón de Higgs, cayó en el LHC a principios de esta década. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy

Otro gran éxito fue la inflación cósmica. El Universo tenía que haber sido afinado en gran medida en las primeras etapas para producir el Universo que vemos hoy. El equilibrio entre la tasa de expansión, la curvatura espacial y la cantidad de materia y energía dentro de ella debe haber sido extraordinaria; parece ser antinatural. La inflación cósmica fue un mecanismo propuesto para explicarlo, y desde entonces ha confirmado muchas de sus predicciones, tales como:

  • un espectro de fluctuaciones casi invariable de escala,
  • la existencia de sobredensidades y subdensidades superhorizonte,
  • con imperfecciones de densidad que son de naturaleza adiabática,
  • y un límite superior a la temperatura alcanzada en el Universo temprano, después de Big Bang.


Las fluctuaciones cuánticas que ocurren durante la inflación se extienden a través del Universo, y cuando termina la inflación, se convierten en fluctuaciones de densidad. Esto conduce, con el tiempo, a la estructura a gran escala en el Universo actual, así como a las fluctuaciones de temperatura observadas en el CMB. Crédito de la imagen: E. Siegel, con imágenes derivadas de ESA / Planck y el grupo de trabajo interagencial DoE / NASA / NSF sobre la investigación de CMB

Pero a pesar de los éxitos de estos argumentos de naturalidad, no siempre dan fruto.

Hay una cantidad anormalmente pequeña de violación de CP en las fuertes caídas. La solución propuesta (una nueva simetría conocida como la simetría de Peccei-Quinn) ha confirmado cero de sus nuevas predicciones. La diferencia en la escala de masas entre la partícula más pesada y la escala de Planck (el problema de la jerarquía) fue la motivación para la supersimetría; una vez más, se confirmó el cero de sus predicciones. La falta de naturalidad del Modelo Estándar ha dado lugar a nuevas simetrías en forma de Grand Unification y, más recientemente, String Theory, que (una vez más) no ha confirmado ninguna de sus predicciones. Y el valor antinaturalmente bajo pero no cero de la constante cosmológica ha llevado a las predicciones de un tipo específico de multiverso que ni siquiera puede ser probado. Esto también, por supuesto, no está confirmado.


Las partículas del Modelo Estándar y sus contrapartes supersimétricas. Se ha descubierto algo menos del 50% de estas partículas, y algo más del 50% nunca han demostrado que existan. Después de Runs I y II en el LHC, gran parte del espacio de parámetros interesante para SUSY se ha ido, incluidas las versiones más simples que satisfacen los criterios de 'Miracle WIMP'. Crédito de la imagen: Claire David / CERN

Sin embargo, a diferencia de en el pasado, estos callejones sin salida continúan representando los campos en los que los principales teóricos y experimentales se agrupan para investigar. Estos callejones sin salida, que no han dado fruto para literalmente dos generaciones de físicos, continúan atrayendo financiación y atención, a pesar de estar completamente desconectados de la realidad. En su nuevo libro, Lost In Math, Sabine Hossenfelder confronta hábilmente esta crisis, entrevistando a los principales científicos, galardonados con el Premio Nobel y contrarios (no chiflados) por igual. Puedes sentir su frustración y también la desesperación de muchas de las personas con las que habla. El libro responde a la pregunta de "¿hemos permitido ilusiones sobre los secretos que la naturaleza oculta nuestro juicio?" con un rotundo "¡sí!"


Una asimetría entre los bosones y los antin bosones comunes a las grandes teorías unificadas como la unificación SU (5) podría dar lugar a una asimetría fundamental entre la materia y la antimateria, similar a lo que observamos en nuestro Universo. La estabilidad experimental del protón, sin embargo, descarta las más simples SU (5) GUT.

El libro es una lectura salvaje, profunda y estimulante que haría dudar a cualquier persona razonable en el campo que aún sea capaz de introspección. A nadie le gusta enfrentarse a la posibilidad de haber desperdiciado sus vidas persiguiendo un fantasma de una idea, pero de eso se trata el ser un teórico. Ves algunas piezas de un rompecabezas incompleto y adivinas cuál es la imagen completa; la mayoría de las veces, estás equivocado. Tal vez, en estos casos, todas nuestras suposiciones han sido incorrectas. En mi intercambio favorito, ella entrevista a Steven Weinberg, quien se basa en su vasta experiencia en física para explicar por qué los argumentos de naturalidad son buenas guías para los físicos teóricos. Pero él solo logra convencernos de que eran buenas ideas para las clases de problemas que anteriormente tenían éxito en resolver. No hay garantía de que sean buenos indicadores para los problemas actuales; de hecho, demostrablemente no lo han sido.


Una proyección bidimensional de una variedad Calabi-Yau, un método popular para compactar las dimensiones extra e indeseadas de la teoría de cuerdas. La conjetura de Maldacena dice que el espacio anti-de Sitter es matemáticamente dual para conformar las teorías de campo en una dimensión menos. Esto puede no tener ninguna relevancia para la física de nuestro Universo. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia Commons Lunch

Si usted es un físico de partículas teórico, un teórico de cuerdas o un fenomenólogo,— particularmente si sufre de disonancia cognitiva— no le gustará este libro. Si eres un verdadero creyente en la naturalidad como la luz que guía la física teórica, este libro te irritará enormemente. Pero si usted es alguien que no tiene miedo de hacer esa gran pregunta de "¿lo estamos haciendo todo mal?", La respuesta podría ser un "sí" grande e incómodo. Aquellos de nosotros que somos físicos intelectualmente honestos hemos estado viviendo con esta incomodidad durante muchas décadas. En el libro de Sabine, Lost in Math, esta incomodidad ahora se hace accesible para el resto de nosotros.


— Divulgación completa: Ethan Siegel recibió una copia de revisión de Lost In Math sin cargo.

El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.

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