Si la teoría de cuerdas es inconsistente con las observaciones, ¿por qué aún no ha sido rechazada?

Question

No soy experto en teoría de cuerdas, pero he estado leyendo al respecto. Me ha sorprendido mucho porque parece ser inconsistente con observaciones, pero aún no ha sido rechazada. Ejemplos:

Sobre las implicaciones cosmológicas del Pantano de cuerdas

Criterio 2: La restricción actual de modo B $\epsilon < 0.0044$ corresponde a $|V|/V<0.09$, en tensión con el segundo criterio del Pantano de cuerdas $|V|/V>cO(1)$. Las mediciones próximas serán lo suficientemente precisas para detectar valores de $r$ a nivel de $0.01$; no detectar requeriría $|V|/V0.035$. Los modelos de meseta, favorecidos por algunos cosmólogos como los más simples que encajan con las observaciones actuales, requieren $|V|/V0.02$ durante los últimos 60 e-folds, lo cual está en mayor tensión con el segundo criterio del Pantano de cuerdas.

Esto parece implicar que este segundo criterio del Pantano de cuerdas es inconsistente con las observaciones por al menos un orden de magnitud, posiblemente dos.

Ejemplo #2:

La fórmula conjeturada, propuesta en el artículo del 25 de junio por Vafa, Georges Obied, Hirosi Ooguri y Lev Spodyneiko y explorada posteriormente en un segundo artículo publicado dos días después por Vafa, Obied, Prateek Agrawal y Paul Steinhardt, dice, simplemente, que a medida que el universo se expande, la densidad de energía en el vacío del espacio vacío debe disminuir más rápido que a cierta velocidad. La regla parece ser cierta en todos los modelos simples basados en teoría de cuerdas de universos. Pero viola dos creencias extendidas sobre el universo real: considera imposibles tanto la imagen aceptada de la expansión actual del universo como el modelo principal de su explosivo nacimiento.

Entonces, la teoría de cuerdas es inconsistente con la inflación, la energía oscura y la teoría del Big Bang. Incluso si se argumenta que la evidencia observacional detrás de la inflación no es totalmente sólida, seguramente los otros dos deberían estar bastante fundamentados. ¿Por qué la teoría de cuerdas aún no ha sido rechazada? O, incluso si la teoría de cuerdas en sí misma no ha sido rechazada, ¿por qué estas problemáticas conjeturas del Pantano no lo han sido?

Me resulta extraño cómo los teóricos de cuerdas parecen estar emocionados por los desarrollos (como en el Ejemplo #2 anterior) cuando aparentemente son fatales para la teoría. La única explicación posible que veo es que la teoría de cuerdas no ha sido refutada, simplemente ha encontrado dificultades - pero si ese es el caso, entonces me recuerda un poco a la cosmología de estado estacionario vs. la teoría del Big Bang del pasado, y poder recurrir a uno de los $10^{500}$ posibles universos en la teoría de cuerdas como "solución" no parece para nada atractivo.

Answer 1

Sin duda sabes que la teoría de cuerdas tiene un sinfín de vacíos. La mayoría de estos vacíos pueden descartarse de inmediato, por ejemplo, porque tienen el número incorrecto de dimensiones macroscópicas, o por razones similares. Pero entre aquellos que permanecen como posibilidades - poseyendo las posibilidades cualitativas correctas - es extremadamente difícil calcular algo comprobable.

El interés en las "hipótesis del pantano" - hipótesis de que ciertas cosas son imposibles en la teoría de cuerdas - es que podrían acelerar dramáticamente la comprensión de la teoría y su aplicación a la realidad. Por ejemplo, si un espacio de Sitter metaestable que dura por duraciones cosmológicas realmente es imposible en la teoría de cuerdas, entonces la energía oscura necesita ser explicada de alguna otra manera, por ejemplo, a través de la quintaesencia. Las hipótesis del pantano también podrían tener implicaciones concretas para los valores permitidos de los parámetros en la teoría de campo efectiva.

Pero la palabra clave es, potencialmente. Ninguna de estas hipótesis ha sido probada. Es un poco como en matemáticas, donde existen varias proposiciones de alto nivel (hipótesis de Riemann generalizada, conjetura abc...) que nunca han sido probadas, pero la mayoría de la gente cree que son verdaderas y han descubierto muchas de las consecuencias adicionales, si son ciertas. La investigación del pantano sigue teniendo este carácter conjetural, y las hipótesis del pantano aún son desafiadas por las personas que construyeron un paisaje de vacíos de Sitter tentativos para la teoría de cuerdas en los años 2000. Esas construcciones tienen ciertos ingredientes heurísticos, no totalmente rigurosos, que las hipótesis del pantano implican que deben ser defectuosos. Por lo tanto, hay un debate técnico en curso sobre si son viables o no.

(Las implicaciones de las hipótesis del pantano para la realidad del paisaje de la teoría de cuerdas, y el paradigma de la selección antrópica dentro de la inflación eterna, serían otra razón por la que hay un gran interés. Después de todo, el pantano se define como el espacio de teorías de campo que no están en el paisaje.)

Podría decirse que sin el debate del pantano, la teoría de cuerdas estaría estancada con justificaciones antrópicas ambiguas para las características observadas del mundo, o la lenta mejora técnica en la capacidad de calcular las propiedades de las partículas. El debate del pantano es una oportunidad para avanzar en un tercer frente.

Answer 2

Como físico experimental responderé al título. Los ejemplos de inconsistencia en la pregunta tratan de muchas suposiciones sobre observaciones y modelos cosmológicos, y son respondidos por @MitchellPorter.

¿Si la teoría de cuerdas es inconsistente con las observaciones, por qué aún no ha sido rechazada?

El modelo estándar de física de partículas es una encapsulación de todos los datos acumulados sobre partículas hasta ahora. Una teoría del todo (TOE) que es el objetivo de la teoría de cuerdas y el Santo Grial para la mayoría de los teóricos, debería ser capaz de incrustar el modelo estándar, ya que son los datos, además de ofrecer una solución para la cuantización de la gravedad (que es relevante para los modelos cosmológicos).

Las teorías de cuerdas son las únicas propuestas hasta ahora que incrustan el modelo estándar (pueden ajustarse a los datos) y permiten la cuantización de la gravedad. Esto se hace mediante una asignación de los niveles cuánticos de la cuerda a los niveles de energía de $SU(3)\times SU(2) \times U(1)$, ya que estos grupos existen en las vibraciones de la cuerda genérica. Eso, junto con un nivel vibracional apropiado para representar gravitones, es lo que mantiene el interés en las teorías de cuerdas y sus extensiones vivas.

Existen miles de posibles versiones de teorías de cuerdas, y los teóricos no han logrado definir una de manera que la fenomenología pueda volverse activa, y ahí es donde nos encontramos ahora en cuanto a la teoría de cuerdas siendo la teoría de física de partículas.

Por lo tanto, las teorías de cuerdas son consistentes con los innumerables datos de física de partículas.

Answer 3

La aparente "incompatibilidad" de la teoría de cuerdas con la existencia de vacíos de de Sitter e inflación es simplemente un agudizamiento de la aparente "incompatibilidad" de la teoría cuántica de campos, la gravedad cuántica semi-clásica y la holografía con soluciones cosmológicas de de Sitter y la inflación.

Existe una fuerte tensión entre las cosmologías de de Sitter y la física teórica actual, no solo con la teoría de cuerdas. Permítanme enumerar algunos ejemplos:

1. Un famoso problema con el espacio de de Sitter es la incompatibilidad semi-clásica entre la finitud de la entropía de un parche causal dado en el espacio de de Sitter dada por la fórmula de Hawking-Gibbons y la existencia de operadores hermitianos que realizan los generadores de simetría del grupo de de Sitter en d dimensiones. Observa lo robustos que son los argumentos (basados en simetría, unitariedad y consideraciones holográficas sin más entradas físicas) que han planteado el problema y cuán drásticas son las consecuencias.

2. Inestabilidades infrarrojas. Una vez más, los argumentos que indican problemas infrarrojos se derivan de expectativas básicas sobre la unión de la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad.

3. Ausencia de holografía. El espacio de de Sitter no tiene límites. ¿Dónde espera alguien "localizar" el lado "CFT" de la teoría gravitatoria a granel? Si bien se han desarrollado heroicos intentos de establecer una correspondencia dS/CFT, la verdad es que no está claro que realmente funcionen, y en cualquier caso, el lado CFT (que vive en la superficie de tiempo infinito en un futuro remoto) parece mucho más exótico de lo que se espera por razones físicas.

4. Transiciones mediadas por instantones entre diferentes vacíos de de Sitter, nucleación de burbujas, inestabilidades de Coleman de Luccia y otros problemas fundamentales con vacíos del tipo de Bunch-Davies y muchos otros están maravillosamente resumidos en "Sobre los límites de la teoría cuántica de campos efectiva: inflación eterna, paisajes y otras bestias míticas".

5. La dificultad inherente de tener una teoría de campos térmicos siempre interactiva en un espacio compacto sin límites (ausencia de fórmula LSZ y una definición adecuada de los elementos de la matriz S).

Existen muchos otros problemas. Pero quiero enfatizar fuertemente que la teoría de cuerdas no es el único paradigma que aparentemente conspira contra la existencia cuántica de un vacío de de Sitter. Casi toda la física teórica, desde la mecánica cuántica, hasta la relatividad general, hasta principios fundamentales (simetrías y unitariedad), hasta expectativas básicas de la gravedad cuántica (como la holografía y extensiones de la complementariedad de agujeros negros) parece estar conspirando contra la existencia de vacíos de tipo de Sitter. Incluso si alguien rechaza la teoría de cuerdas, todos los problemas posteriores siguen estando presentes.

¿Implican los argumentos anteriores que deberíamos rechazar la teoría cuántica de campos y nuestras suposiciones básicas sobre la gravedad cuántica? ¡Por supuesto que no! La aparente incompatibilidad de algunos modelos particulares y principios generales de la teoría cuántica de campos y la gravedad cuántica semi-clásica con nuestras observaciones no puede descartar a estos últimos como paradigmas; lo mismo ocurre con la teoría de cuerdas.

Incluso la energía oscura y la inflación serían incompatibles con el paisaje. Eso no implica que un universo no pueda ser descrito como un estado "excitado" que podría decaer en una solución de paisaje dentro de la teoría de cuerdas (ver Espacio de de Sitter como un estado de Glauber-Sudarshan y El espacio de de Sitter de cuatro dimensiones es un estado de Glauber-Sudarshan en la teoría de cuerdas) de la misma manera que se puede usar la mecánica cuántica para describir los estados excitados de un sistema (no solo sus estados fundamentales).

Answer 4

Dado que esta pregunta abre un gran debate, me gustaría contribuir. No estoy diciendo que las respuestas dadas por @anna v y @Mitchell Porter no sean buenas y sólidas, me gustaría agregar algo muy rápidamente.

Incluso si, -y eso es un gran "si"- la teoría de cuerdas en su formulación actual se demuestra que es inconsistente con los datos, ha proporcionado una gran cantidad de información en teorías de calibre. Esto es importante por sí mismo y ha sido el caso incluso antes de los años de AdS/CFT -ver los setups de Hanany-Witten, por ejemplo.

Además, a la luz del AdS/CFT como un sólido ejemplo del principio holográfico, ha proporcionado muchos ejemplos de duales de gravedad/teoría de calibre donde puedes probar cómo funciona el principio holográfico en ambos lados e intentar aprender algo más fundamental sobre la gravedad cuántica.

A través del AdS/CFT también ha arrojado luz sobre teorías de calibre fuertemente acopladas, sistemas de materia condensada, física de plasmas anisotrópicos, etc.

También hemos obtenido lecciones para las matemáticas puras debido a la teoría de cuerdas.

Supongo que mi argumento se puede resumir brevemente de la siguiente manera: incluso si resulta ser incorrecta o incompleta, es un gran campo de juego para muchas disciplinas y tal vez tenga que enseñarnos más.

Answer 5

La teoría de cuerdas no hace predicciones claras y definitivas, por lo que no puede ser refutada a partir de observaciones

La pregunta es realmente sobre la filosofía de la ciencia. Y, dependiendo del filósofo de la ciencia que sigas, llegarás a diferentes conclusiones sobre el problema de la teoría de cuerdas.

Por ejemplo, Karl Popper -para simplificar mucho un argumento grande- argumentó que la buena ciencia se trata de hacer hipótesis refutables. Es decir, la ciencia que vale la pena hacer consiste en proponer una teoría audaz y claramente comprobable empíricamente que, cuando se realizan experimentos, proporciona un resultado claro pero que, al menos en principio, podría demostrar que la teoría es falsa.

Imagina sugerir una ley para la fuerza de la gravedad basada en una relación cúbica entre la fuerza y la distancia. Observaciones simples muestran que esto no explica el movimiento gravitacional observado. Teoría descartada. Nueva teoría: es una ley de inversa distancia cuadrada. Eso parece consistente con la mayoría de las observaciones. Pero más tarde no puede explicar algunas observaciones sutiles sobre la órbita de Mercurio. Un problema hasta que llegó Einstein y una mejor teoría que sí coincide con las observaciones alcanzables. Repetir ad infinitum.

Cada teoría tenía alguna diferenciación clara basada en qué observaciones podía explicar. SI las observaciones fallaban, la teoría era reemplazada por una mejor.

El problema con la teoría de cuerdas es que no es así. En el intento de explicar la unificación de todas las fuerzas, los teóricos buscaron una idea matemática general que unificara todas en un solo marco. Hubo algunas pistas de las ideas matemáticas de la era de Einstein. Pero lo que surgió no fue un solo modelo matemático con predicciones claras, sino una familia de soluciones ajustables con más respuestas posibles de las que hay partículas en el universo (según algunos análisis).

En resumen, no hay una teoría de cuerdas. Hay tantas variaciones de la teoría de cuerdas que muchas de ellas pueden explicar cualquier observación que podamos hacer. Eso realmente no encaja en lo que Popper clasificaría como ciencia.

En respuesta a esto, muchos teóricos de cuerdas han rechazado a Popper a favor de abogar por una definición de teoría científica que valore más la belleza del marco matemático que las predicciones empíricas. Si tomas en serio su punto de vista, no tiene sentido intentar probar la teoría de cuerdas a partir de observaciones reales. Lo cual es afortunado, ya que, en todos los años de desarrollo de la teoría de cuerdas, no ha surgido ninguna prueba empírica útil de validez en el mundo real de observaciones.

Algunos físicos han cuestionado la utilidad de la búsqueda de teorías hermosas que no hacen predicciones claras y comprobables. Un buen ejemplo reciente es "Lost in math: how beauty leads physics astray" de Hossenfelder.

Pero la respuesta a la pregunta es que una familia de teorías que puede explicar cualquier cosa en la realidad no explica nada y no puede ser rechazada por observaciones reales.