¿Por qué son necesarias las dimensiones adicionales?

Question

Algunas teorías tienen más de 4 dimensiones de espaciotiempo. Pero en el mundo real sólo observamos 4 dimensiones del espaciotiempo, cf. por ejemplo este Puesto de Phys.SE.

1. ¿Por qué las teorías (por ejemplo, la teoría de cuerdas) que requieren más dimensiones son tomadas en serio por los científicos?

2. ¿Hay alguna prueba de que estas dimensiones adicionales existen?

3. ¿Existe una explicación sencilla para la necesidad [o un fuerte indicio] de las dimensiones adicionales?

Answer 1

3+1 sólo describe el "escenario" vacío donde suceden las cosas.
Un escenario vacío es insuficiente para describir el mundo.
Como respuesta las dos líneas anteriores parecen ser suficientes, pero diré un poco más.
Parece tan difícil demostrar, como refutar, su enfoque radical. Si alguien pudiera demostrar que 3+1 es suficiente esta pregunta no estaría aquí. Creo que usted es suponiendo que que 3+1 es toda la historia. Presumir no es bueno.
El objetivo de la física es explorar la mejor representación del mundo y a veces es necesario "complicarse" un poco para ver más claro. La teoría Kaluza-Klein tiene una dimensión más: carga . Esto tiene que ser visto como una propiedad inherente a los "actores" (en última instancia, el campo), y para mí este tipo de representación tiene sentido.
¿Cómo de seguro estamos de que 3+1+1 no es suficiente? Creo que este camino tiene más que explorar antes de considerar ir a dimensiones más altas, pero esto no es más que una sensación personal.
Como ejemplo: El electromagnetismo ocurre en el mundo 3+1 (y el conjunto de números 'reales' es suficiente: amplitudes reales, frecuencias reales, fases reales, etc.) pero la representación matemática es mucho más conveniente cuando usamos números 'complejos' en lugar de 'reales'.
No hablo en defensa de ninguna teoría "estrábica", pero me parece poco inteligente ser tan radicalmente simplista y decir que 3+1 es suficiente.

Answer 2

Una pregunta metafísica similar surgió en escépticos.stackexchange

Desde el punto de vista de los físicos las teorías sólo pueden ser falsificadas experimentalmente . Como se indica en el enlace, los láseres atómicos podrían ser capaces de medir directamente las propiedades del espacio. Actualmente sólo se puede demostrar indirectamente que el concepto de espacio-tiempo como una entidad/objeto físico real se ajusta a los datos de las mediciones (por ejemplo, las ondas gravitacionales de los Doppelpulsars predichas por ART). Pero no se puede medir el espacio como si se utilizara un microscopio de fuerza atómica para "tocar" los átomos

En la actualidad, sigue siendo una cuestión metafísica si se asume que el espacio es sólo un concepto matemático descriptivo o un objeto del mundo real. La protofísica sostiene que la geometría es sólo un conjunto de herramientas matemáticas para describir el universo, el espacio-tiempo no es un objeto.

Una buena pregunta podría ser, ¿se puede describir un espaciotiempo de 4 dimensiones con un espaciotiempo de más dimensiones de forma consistente, hay algún tipo de redundancia matemática? O el concepto matemático de dimensionalidad es tan único que forzaría propiedades muy específicas de la física que intentamos modelar dentro de él. Esto es una especie de principio de la Navaja de Ockhams. Una explicación física debe ser lo más simple posible. Actualmente estas teorías multidimensionales del todo (TOE) necesitan estas dimensiones adicionales para modelar la física que intentan describir, pero también dan muchas soluciones no falsables, cuantas más, más dimensiones utilizan, según parece. Así que esta es la frontera entre la física de laboratorio y la metafísica/filosofía. No se puede argumentar de forma lógica aquí sin hipótesis ad-hoc y suposiciones subjetivas.

Answer 3

1. Por la esperanza de cuantificar la gravedad y unificarla con otras fuerzas. El primer intento de unificar fuerzas con pequeñas dimensiones extra fue Teoría Kaluza-Klein que añadió una sola dimensión para unificar la gravedad con el electromagnetismo. La teoría de cuerdas también puede incluir las interacciones nucleares fuerte y débil.
2. Todavía no hay nada empírico, pero hay numerosas propuestas sobre cómo podríamos conseguirlo, en función del tamaño de estas dimensiones. Hay un bonito beneficio teórico de ellas: se pliegan en un colector, y la forma y el tamaño de los agujeros de ese colector determinan respectivamente las leyes de la física y las constantes en ellas, por lo que en principio la teoría de cuerdas puede explicar toda la física sólo en términos de la forma que adoptan estas dimensiones (que los teóricos suelen esperar que sea una Colector de Calabi-Yau ). Lamentablemente, estamos muy lejos de saber qué forma tiene.
3. Este La página se puede resumir como "no hay una explicación fácil, pero haré varios intentos de explicación medio fácil". Las primeras teorías de cuerdas sólo consideraban bosones, y requerían $26$ dimensiones; las teorías de cuerdas posteriores son supersimétricas para incorporar fermiones, y requieren $10$ . El enlace anterior se concentra en las razones $26$ es especial en el primer caso; ligeras variaciones de los mismos argumentos explican $10$ en el segundo caso.

Answer 4

Su línea de argumentos es buena.

El lenguaje es algo muy confuso. Por eso -> Hay muchos aspectos diferentes de lo que se llama Dimensión tanto en física como en matemáticas.

En matemáticas, la dimensión se define como una parte del método de coordenadas de Descarte.

Por otro lado, en física la dimensión se define como la capacidad de VIAJAR. Asi que en mi habitacion puedo ir hacia adelante y hacia atras pero en el tiempo solo puedo ir hacia adelante, por lo tanto estrictamente hablando el tiempo tampoco es una dimension fisica. Pero en las matemáticas, dado que el tiempo puede utilizarse como parámetro, puede convertirse fácilmente en una dimensión.

Así, en la física teórica estamos en 3+1 dimensiones, en las matemáticas puede ser cualquier cosa, y en la vida real sólo 3.

Descubrir una nueva dimensión es algo muy complicado - primero se necesita una BUENA teoría que permita construir un experimento que demuestre que algo PUEDE viajar en la 4ª o 5ª dimensión.