¿De la mecánica cuántica a la teoría cuántica de campos y a la teoría de cuerdas?

Question

Hoy, durante una sesión de estudio muy "singular", puede que haya interiorizado por qué la mecánica cuántica no era suficiente, y la teoría cuántica de campos tiene sentido. Parece que las razones son que

• Cuando se utiliza un potencial en la mecánica cuántica, violamos explícitamente la relatividad especial porque la información tendría que viajar más rápido que la luz

• En la QFT la creación y la aniquilación de partículas se entienden muy bien como implicaciones naturales de lo que puede ocurrir si la energía cinética de las especies que se combinan es mayor que la masa en reposo de algún par creado

• El espacio y el tiempo no están en "igualdad de condiciones" en la QM

• Los procesos de descomposición son una cuestión irritante

Estas cosas están empezando a significar algo para mí. ¿Cuál es la razón de ser de la teoría de cuerdas, qué hace natural y claro que la QFT se queda corta?

Answer 1

Hay que tener muy presente la estructura de la física actual.

La mecánica cuántica es la teoría que comenzó como no relativista con la ecuación de Schrodinger para los potenciales, y se convirtió en relativista con las ecuaciones de Dirac y Klein Gordon y Maxwwell cuantizada. La mecánica cuántica tiene postulados que utilizados con las soluciones de las ecuaciones diferenciales describen correctamente los problemas de potencial de una sola partícula y ha sido validada empezando por el átomo de hidrógeno, etc.

La teoría cuántica de campos se basa en las soluciones de las ecuaciones anteriores y se ha desarrollado para describir las interacciones mecánicas cuánticas que son un problema de muchos cuerpos, como puede verse en cualquier Diagrama de Feynman . Teoría del campo cuántico se basa en las soluciones de partículas libres de las ecuaciones QM anteriores y obedece a la postulados de la mecánica cuántica . Los operadores de creación y aniquilación actúan sobre la función de onda básica apropiada del problema en cuestión.

El éxito del SU(3)xSU(2)xU(1) modelo de física de partículas que ha unificado las tres interacciones , fuerte, débil, electromagnética, conducen al santo grial de unificar las interacciones gravitacionales a las otras tres. Eso es lo que lleva a teoría de las cuerdas modelos que se están volviendo importantes. La cuantificación de la gravedad sólo existe como teorías de campo efectivo, porque ningún programa de renormalización puede eliminar las singularidades inherentes a los intercambios de espín dos de orden superior de los gravitones. Se ha demostrado que la teoría de cuerdas tiene una estructura de grupo que puede acomodar el modelo estándar y también una representación de una partícula de espín dos que puede asignarse al gravitón; con los modelos supesimétricos los cálculos de órdenes superiores dan resultados finitos, que es la razón por la que hay tanto esfuerzo en la investigación de la teoría de cuerdas. El problema es que no se ha encontrado ningún modelo definitivo entre los miles de posibles, hasta ahora.

Answer 2

Como ha dicho en su pregunta, la teoría cuántica de campos es muy importante; toma las ideas de la mecánica cuántica y las aplica a los campos, como la fuerza electromagnética (de hecho, la electrodinámica cuántica fue el comienzo de la teoría cuántica de campos). La teoría cuántica de campos tiene muchas pruebas que la apoyan, y sigue siendo un trabajo en curso. La teoría de cuerdas, sin embargo, es muy diferente. En realidad, la teoría de cuerdas tiene muy pocas pruebas que la respalden. Ahora mismo, es básicamente una idea, y lo que la apoya son las dualidades plasmadas en la teoría-m. Ahora, en cuanto a las ventajas de la teoría de cuerdas:

1. Algunos científicos creen que su uso del principio antrópico es una ventaja (para explicar esto en pocas palabras, la teoría de cuerdas predice tantos universos que algunos científicos creen que esto explica el ajuste fino de, por ejemplo, la constante cosmológica, aunque hay más en el principio antrópico y esta cuestión que eso).
2. Proporciona un marco para combinar la física de partículas y la relatividad general.
3. Actualmente, el modelo de física que utilizamos se llama modelo estándar. Aunque este modelo es increíblemente útil, hay algunas cosas que no puede hacer, por ejemplo, no incorpora la gravedad. Los científicos esperan que la teoría de cuerdas pueda crear una vía para combinar la teoría cuántica y la gravedad.
4. El Big Bang no lo explica todo sobre los inicios del universo y la inflación cósmica es la teoría que se cree que es nuestra mejor opción para avanzar. La inflación cósmica necesita una partícula llamada inflatón, cuyas propiedades no pueden deducirse de la inflación cósmica pero sí de la teoría de cuerdas.

Sin embargo, hay que tener en cuenta al leer esto que la teoría de cuerdas no tiene una base tan sólida como la teoría cuántica de campos. Hay muchos problemas que resolver, y no hay realmente ninguna evidencia para ello. Espero que esto sirva de ayuda.

Aquí está el artículo de Wikipedia sobre la teoría de cuerdas, que profundiza en algunos de estos aspectos y también explica algunos de los problemas y las matemáticas de la teoría de cuerdas: https://en.wikipedia.org/wiki/String_theory