¿LA FÍSICA TEÓRICA ESTÁ DESPERDICIANDO NUESTRAS MEJORES MENTES VIVAS EN TONTERÍAS?

El panorama de cuerdas puede ser una idea fascinante que está llena de potencial teórico, pero no predice nada que podamos observar en nuestro Universo. Esta idea de belleza, motivada por la resolución de problemas "no naturales", no es suficiente por sí sola para alcanzar el nivel requerido por la ciencia. (Universidad de Cambridge)

La historia de la física está llena de grandes ideas de las que has 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 del tecnicolor y el modelo de estado estacionario. y cosmología plasmática. 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, sumido en una sinfonía de ideas, las carreras en física teórica de alta energía que se centran en estos temas a menudo tienen éxito. Por otro lado, elegir otros temas significa hacerlo solo. La idea de "belleza" o "naturalidad" ha sido un principio rector en 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 continuar adhiriéndose a este principio es exactamente lo que nos lleva por mal camino.

El nuevo libro, Lost In Math, aborda algunas ideas increíblemente grandes, incluida la noción de que la física teórica está sumida en el pensamiento grupal y la incapacidad de confrontar sus ideas con la dura luz de la realidad, que no proporciona (hasta ahora) evidencia para respaldarlas. . (Sabine Hossenfelder / Libros básicos)

Imagine que se le dio un problema hipotético de elegir dos multimillonarios de una lista y estimar la diferencia en su patrimonio neto. Imagina que son anónimos, y que no sabrás cuál vale más, dónde se ubican en la lista de multimillonarios de Forbes o cuánto vale realmente cualquiera de ellos en este momento.

Podemos llamar a la primera A , la segunda B , y la diferencia entre ellos C , donde A - B = C . Incluso sin ningún otro conocimiento acerca de ellos, hay una cosa importante que se puede afirmar sobre C : es muy poco probable que va a ser mucho, mucho más pequeño que una o B . En otras palabras, si A y B están en los miles de millones de dólares, entonces es probable que C también esté en los miles de millones, o al menos en los 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. (E. Siegel / datos de Forbes)

Por ejemplo, A podría ser Pat Stryker (# 703 en la lista), digamos, 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 oportunidad 50/50 de ser positiva o negativa, pero en la mayoría de los casos, va a ser del mismo orden de magnitud (en un factor de 10 o así) de ambos A y B .

Pero no siempre será así. Por ejemplo, la mayoría de los más de 2,200 multimillonarios en el mundo valen menos de $ 2 mil millones, y hay cientos de entre $ 1 mil millones y $ 1.2 mil millones. Si eligiera dos de ellos al azar, no lo sorprendería terriblemente si la diferencia en su patrimonio neto fuera solo de unas pocas decenas de millones de dólares.

Los empresarios Tyler Winklevoss y Cameron Winklevoss discuten sobre bitcoin con Maria Bartiromo en FOX Studios el 11 de diciembre de 2017. Los primeros 'multimillonarios de bitcoin' en el mundo, su patrimonio neto es prácticamente idéntico, pero hay una razón subyacente detrás de por qué. (Astrid Stawiarz / Getty Images)

Sin embargo, podría sorprenderte si la diferencia entre ellos era solo de unos pocos miles de dólares, o si era cero. "Qué improbable", pensarías. Pero podría no ser tan improbable 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 un patrimonio neto idéntico? ¿O que los hermanos Collison, Patrick y John (cofundadores de Stripe), valían la misma cantidad en unos pocos cientos de dólares?

No. Esto no sería sorprendente, y expone una verdad sobre los números grandes: en general, si A es grande y B es grande, entonces A - B también será grande ... pero no lo será si hay alguna razón por la cual A y B están muy juntos. Verá, la distribución de multimillonarios no es completamente aleatoria, por lo que podría haber alguna razón subyacente para que estas dos cosas aparentemente no relacionadas estén realmente relacionadas. (¡En el caso de 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 neutrinos mismos son al menos 4 millones de veces más ligeros que el electrón: una diferencia mayor que la existente entre todas las otras partículas. Todo el camino en el otro extremo de la escala, la escala de Planck se sitúa en un premonitorio de 10¹⁹ GeV. Hitoshi Murayama de http://hitoshi.berkeley.edu/)

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

Si no conociera alguna razón subyacente por la que estas masas deberían ser tan diferentes, supondría que había 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 restauran 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. (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. Una serie de grandes ideas surgieron de este razonamiento, particularmente en el campo de la física de partículas. Los bosones de calibre en la fuerza de fuga eléctrica surgieron de esta línea de pensamiento, al igual que el mecanismo de Higgs y, como se confirmó hace solo unos 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, con el último resistor, el Bosón de Higgs, cayendo en el LHC a principios de esta década. (E. Siegel / Más allá de la galaxia)

Otro gran éxito fue la inflación cósmica. El Universo necesitaba 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 se han confirmado muchas de sus predicciones , tales como:

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

Las fluctuaciones cuánticas que ocurren durante la inflación se extienden por todo el 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 hoy, así como a las fluctuaciones de temperatura observadas en el CMB. (E. Siegel, con imágenes derivadas de ESA / Planck y el grupo de trabajo interagencial DoE / NASA / NSF sobre investigación CMB)

Pero a pesar del éxito de estos argumentos de naturalidad, no siempre dan fruto.

Hay una cantidad anormalmente pequeña de violación de PC en las fuertes desintegraciones. La solución propuesta (una nueva simetría conocida como la simetría de Peccei-Quinn) ha tenido cero de sus nuevas predicciones confirmadas. La diferencia en la escala de masa entre la partícula más pesada y la escala de Planck (el problema de la jerarquía) fue la motivación para la supersimetría; De nuevo, se ha confirmado cero de sus predicciones. La falta de naturalidad del Modelo Estándar ha llevado a nuevas simetrías en forma de Gran Unificación y, más recientemente, Teoría de Cuerdas, que (nuevamente) no ha confirmado ninguna de sus predicciones. Y el valor anormalmente bajo pero no nulo de la constante cosmológica ha llevado a las predicciones de un tipo específico de multiverso que ni siquiera se puede probar. Esto también, por supuesto, no está confirmado.

Las partículas del modelo estándar y sus contrapartes supersimétricas. Se ha descubierto un poco menos del 50% de estas partículas, y un poco más del 50% nunca ha mostrado rastro de que existan. A raíz de las ejecuciones I y II en el LHC, gran parte del espacio de parámetros interesante para SUSY desapareció, incluidas las versiones más simples que satisfacen los criterios del "Milagro WIMP". (Claire David / CERN)

Sin embargo, a diferencia del pasado, estos callejones sin salida continúan representando los campos en los que los principales teóricos y experimentadores se agrupan para investigar. Estos callejones sin salida, que no han dado fruto literalmente para dos generaciones de físicos, continúan atrayendo fondos y atención, a pesar de estar posiblemente desconectados de la realidad por completo. En su nuevo libro, Lost In Math , Sabine Hossenfelder confronta hábilmente esta crisis, entrevistando a científicos convencionales, premios 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 dejado que las ilusiones sobre qué secretos guarda la naturaleza nublan nuestro juicio?" con un rotundo "¡sí!"

Una asimetría entre los bosones y los ant 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 GUT SU (5) más simples. (E. Siegel)

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 enfrentar la posibilidad de haber desperdiciado sus vidas persiguiendo el fantasma de una idea, pero de eso se trata ser teórico. Usted ve algunas piezas de un rompecabezas incompleto y adivina cuál es realmente la imagen completa; La mayoría de las veces te equivocas. Quizás, en estos casos, todas nuestras conjeturas han estado equivocadas. En mi intercambio favorito, 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 solo logra convencernos de que eran buenas ideas para las clases de problemas que anteriormente lograron resolver. No hay garantía de que sean buenas guías para los problemas actuales;

Si eres un físico teórico de partículas, un teórico de cuerdas o un fenomenólogo, especialmente si sufres de disonancia cognitiva, este libro no te gustará. Si eres un verdadero creyente en la naturalidad como la luz guía de la física teórica, este libro te irritará tremendamente. 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 gran e incómodo "sí". Aquellos de nosotros que somos físicos intelectualmente honestos hemos estado viviendo con este malestar durante muchas décadas. En el libro de Sabine, Lost In Math , esta incomodidad ahora está disponible para el resto de nosotros.

Fuente: Medium, por Ethan Siegel.