TEORÍA de la CUERDA

En memoria de Joe Polchinski, el maestro de Brane

Esta semana, la comunidad de físicos de alta energía, de aquellos de nosotros fascinados por partículas, campos, cuerdas, agujeros negros y el universo en general, está de luto por la pérdida de uno de los grandes físicos teóricos de nuestro tiempo, Joe Polchinski. Me duele profundamente escribir estas palabras.

Todos los que lo conocieron personalmente extrañarán sus cualidades especiales: su sonrisa infantil, su sentido del humor un poco perverso, su manera encantadora de detenerse a mitad de la frase para pensar profundamente, su atletismo y su competitividad amistosa. Todos los que conocieron su investigación sentirán la ausencia de su particular forma de genio, su visión excepcional, su combinación única de habilidades, que intentaré esbozar a continuación. Aquellos de nosotros que tuvimos la suerte de conocerlo personalmente y científicamente, bueno, perdemos dos veces.

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Polchinski – Joe, para todos sus colegas – tenía uno de esos cerebros que funciona la magia, y funciona mágicamente. Las mentes científicas son tan individuales como personalidades. Cada físico tiene una combinación única de talentos y habilidades (y debilidades); en la jerga moderna, cada uno de nosotros tiene una superpotencia o dos. Rara vez encuentras dos científicos que tengan los mismos.

Joe tenía varias superpotencias, y eran realmente fuertes. Tenía una gran habilidad para mirar viejos problemas y verlos bajo una nueva luz, a menudo volcando la sabiduría convencional o reafirmando esa sabiduría de una manera nueva y más clara. Y tenía una habilidad técnica prodigiosa, lo que le permitía seguir cálculos difíciles hasta el final, en caminos que nos habrían disuadido a la mayoría de nosotros.

Uno de los mayores privilegios de mi vida fue trabajar con Joe, no una sino cuatro veces. Creo que puedo contarte un poco sobre él y sobre algunos de sus mayores logros, a través de la lente de esa experiencia inolvidable.

[A mis colegas: esta publicación fue escrita obviamente en circunstancias difíciles, y es posible que mi memoria de eventos distantes sea nebulosa y errónea. Acepto cualquier corrección que desee sugerir.]

Nuestros trabajos entre 1999 y 2006 fueron una especie de secuencia, destinada a comprender más a fondo la conexión profunda entre la teoría cuántica de campos -el lenguaje de la física de partículas- y la teoría de cuerdas, hoy mejor conocida como candidata para una teoría cuántica de la gravedad. En cada uno de esos documentos, como en muchos otros miles escritos después de 1995, la contribución más influyente de Joe a la física jugó un papel central. Este fue el descubrimiento de objetos conocidos como “D-branas”, que encontró en el contexto de la teoría de cuerdas. (El término es una generalización de la palabra ‘membrana’).

Ya puedo escuchar a los Lee Smolins y Peter Woits del mundo gritándome. ” Un descubrimiento en la teoría de cuerdas “, gritarán  algunos, golpeando la mesa, ” una teoría no probada que ni siquiera está mal, no debería llamarse un descubrimiento en  física “. No les hagas caso; ni siquiera están cerca, como verán al final de mis comentarios.

El gran D-scovery

En 1989, Joe, trabajando con dos jóvenes científicos, Jin Dai y Rob Leigh, exploraba algunos detalles de la teoría de cuerdas y realizaba un pequeño ejercicio matemático. Normalmente, en la teoría de cuerdas, las cuerdas son pequeñas líneas o bucles que se pueden mover libremente en cualquier lugar que quieran, al igual que las partículas que se mueven en esta habitación. Pero en algunos casos, las partículas no son, de hecho, libres de moverse; podrías, por ejemplo, estudiar partículas que están atrapadas en la superficie de un líquido o atrapadas en un fino bigote de metal. Con cuerdas, puede haber un nuevo tipo de atrapamiento que las partículas no pueden tener: podrías atrapar un extremo, o ambos extremos, de la cuerda dentro de una superficie, mientras permites que la mitad de la cuerda se mueva libremente. El lugar donde  el final de una cuerda puede quedar atrapado – ya sea un punto, una línea, una superficie o algo más exótico en dimensiones más altas – es lo que ahora llamamos “D-brane”.  [La `D ‘surge por razones técnicas poco interesantes.]

Joe y sus compañeros de trabajo llegaron al pozo gordo, pero aún no se habían dado cuenta. Lo que descubrieron, en retrospectiva, fue que las D-branas son una  característica automática de la teoría de cuerdas. No son opcionales; no puede elegir estudiar teorías de cuerdas que no las tienen. Y no son solo superficies o líneas que se quedan quietas. Son objetos físicos que pueden vagar por el mundo. Tienen masa y crean efectos gravitacionales. Pueden moverse y dispersarse el uno al otro. ¡Son tan reales, e igual de importantes, que las cuerdas mismas!

D-Branes

Fig. 1: D branas (en verde) son objetos físicos sobre los que puede terminar una cadena fundamental (en rojo).

Fue como si Joe y sus colaboradores empezaran tratando de entender por qué el pollo cruzó la carretera, y terminaron descubriendo la existencia de bicicletas, automóviles, camiones, autobuses y aviones a reacción. Fue así de inesperado, y tan rico.

Y, sin embargo, nadie, ni siquiera Joe y sus colegas, se dieron cuenta de lo que habían hecho. Rob Leigh, el coautor de Joe, tenía la oficina junto a la mía durante un par de años, y escribimos cinco artículos juntos entre 1993 y 1995. Sin embargo, creo que Rob mencionó su trabajo en D-branes una o dos veces, en pasando, y nunca me lo explicó en detalle. Su trabajo tuvo menos de veinte citas cuando comenzó el año 1995.

En 1995, la comprensión de la teoría de cuerdas dio un gran salto adelante. Ese fue el momento en que se dio cuenta de que los cinco tipos conocidos de teoría de cuerdas son lados diferentes del mismo dado, que realmente solo hay una teoría de cuerdas. Apareció una avalancha de documentos en los que ciertos agujeros negros y generalizaciones de agujeros negros (hilos negros, superficies negras y similares) desempeñaron un papel central. Las relaciones entre ellos fueron fascinantes, pero a menudo confusas.

Y luego, el 5 de octubre de 1995, apareció un documento que cambió toda la discusión , para siempre. Era Joe, explicando D-branes a aquellos de nosotros que apenas habíamos oído hablar de su trabajo anterior, y demostrando que muchos de estos agujeros negros, cuerdas negras y superficies negras eran en realidad D-branas disfrazadas. Su papel hizo todo más claro, más simple y más fácil de calcular; Fue un éxito inmediato. A comienzos de 1996 tenía 50 citas; doce meses después, el recuento de citas se aproximaba a 300.

¿Y qué? Ideal para teóricos de cuerdas, pero sin ninguna conexión para experimentar y el mundo real. ¿De qué nos sirve el resto de nosotros? Paciencia. Solo estoy llegando a eso.

¿Qué tiene que ver con la naturaleza?

Nuestra comprensión actual del maquillaje y el funcionamiento del universo está en términos de partículas. Los objetos materiales están hechos de átomos, ellos mismos hechos de electrones que orbitan alrededor de un núcleo; y el núcleo está hecho de neutrones y protones. Aprendimos en la década de 1970 que los protones y neutrones están hechos de partículas llamadas quarks y antiquarks y gluones, específicamente, de un “mar” de gluones y unos pocos pares de quarks / anti quark, dentro de los cuales se encuentran tres quarks adicionales sin anti-quarks. socio de quark … a menudo llamado “ quarks de valencia ”. Llamamos protones y neutrones, y todas las demás partículas con tres quarks de valencia, “bariones”. (Tenga en cuenta que no hay partículas con solo un quark de valencia, o dos, o cuatro; todo lo que obtiene son bariones, con tres).

En las décadas de 1950 y 1960, los físicos descubrieron partículas de vida corta muy parecidas a protones y neutrones, con un mar similar, pero que contienen un quark de valencia y un anticorte de valencia. Las partículas de este tipo se conocen como “mesones”. Esbocé un mesón típico y un barión típico en la Figura 2. (El mesón más simple se llama “pión”, es la partícula más común producida en las colisiones de protones y protones en el Gran Colisionador de Hadrones).

 

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Pero la imagen del quark / gluon de mesones y bariones, allá por la década de 1960, era solo una idea, y estaba en competencia con una propuesta de que los mesones son pequeños hilos. Estos no son, me apresuro a agregar, las cadenas de “teoría del todo” que aprendes en los libros de Brian Greene, que son mil millones de millones de veces más pequeños que un protón. En una teoría de cuerdas de la “teoría del todo”, a menudo todos los tipos de partículas de la naturaleza, incluidos los electrones, los fotones y los bosones de Higgs, son cadenas minúsculas. De lo que estoy hablando es de una teoría de cuerdas de la “teoría de los mesones”, una idea mucho menos ambiciosa, en la cual solo los mesones son cuerdas. Son mucho más grandes: casi tanto como un protón es ancho. Eso es pequeño para los estándares humanos, pero inmenso en comparación con las cadenas de la teoría de todo.

¿Por qué la gente pensaba que los mesones eran cuerdas? ¡Porque había evidencia experimental para eso! (Aquí hay otro ejemplo .) Y esa evidencia no desapareció después de que se descubrieron los quarks. En cambio, los físicos teóricos entendieron gradualmente por qué los quarks y los gluones pueden producir mesones que se comportan como cuerdas. Si gira un mesón lo suficientemente rápido (y esto puede suceder por accidente en experimentos), su quark de valencia y anti quark pueden separarse, y el mar de objetos entre ellos forma lo que se llama un “tubo de flujo”. Consulte la Figura 3. [ En ciertos superconductores, tubos de flujo algo similares pueden atrapar campos magnéticos.] Es una especie de cuerda gruesa en lugar de una delgada, pero aún así, comparte suficientes propiedades con una cuerda en la teoría de cuerdas que puede producir resultados experimentales que son similares a las predicciones de la teoría de cuerdas.

SpinningMeson

Y así, desde mediados de la década de 1970 en adelante, la gente confiaba en que las teorías de campos cuánticos como la que describe los quarks y los gluones pueden crear objetos con un comportamiento fibroso. Varios físicos, incluidos algunos de los más famosos y respetados, hicieron una afirmación más audaz y ambiciosa: la teoría cuántica de campos y la teoría de cuerdas están profundamente relacionadas, de alguna manera fundamental. Pero no pudieron ser precisos al respecto; tenían pruebas contundentes, pero nunca fueron del todo claras ni convincentes.

En particular, había un importante rompecabezas sin resolver. Si los mesones son cadenas, ¿qué son los bariones? ¿Qué son protones y neutrones, con sus tres quarks de valencia? ¿Qué aspecto tienen si los gira rápidamente? Los bocetos dibujados por la gente se parecían a la Figura 3. Un barión se convertiría en tres tubos de flujo unidos (con uno posiblemente mucho más largo que los otros dos), cada uno con su propio quark de valencia al final. En una historieta fibrosa, ese barión tendría tres cuerdas, cada una con un extremo libre, con las cuerdas atadas a algún tipo de unión. Esta unión de tres cuerdas fue llamada un “vértice bariónico”. Si los mesones son cuerdas pequeñas, los objetos fundamentales en una teoría de cuerdas, ¿cuál es el vértice bariónico desde el punto de vista de la teoría de cuerdas? ¿Dónde se esconde, de qué está hecho, en las matemáticas de la teoría de cuerdas?

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[Expertos: Tenga en cuenta que el vértice no tiene nada que ver con los quarks. Es una propiedad del mar, específicamente, de los gluones. Por lo tanto, en un mundo con solo gluones, un mundo cuyas cuerdas forman ingenuamente bucles sin extremos, aún debe ser posible, con energía suficiente, crear un par vértice-antivertexto. Por lo tanto, la teoría de campo predice que estos vértices debenexistir en teorías de cuerdas cerradas, aunque están limitadas linealmente.

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Nadie sabía. ¿Pero no es interesante que la característica más destacada de este vértice es que es un lugar donde el final de una cuerda puede quedar atrapado ?

Todo cambió en el período 1997-2000. Siguiendo las ideas de muchos otros físicos, y utilizando las D-branas como la herramienta esencial, Juan Maldacena finalmente hizo la conexión entre la teoría cuántica de campos y la teoría de cuerdas precisa. Pudo relacionar las cuerdas con la gravedad y las dimensiones extra, que puede leer en los libros de Brian Greene, con la física de las partículas en solo tres dimensiones espaciales, similares a las del mundo real, con solo fuerzas no gravitacionales. Pronto quedó claro que el pensamiento más ambicioso y radical de los años 70 era correcto: que casi todas las teorías cuánticas de campo, con sus partículas y fuerzas, alternativamente pueden considerarse como una teoría de cuerdas. Es un poco análogo a la forma en que una pintura se puede describir en inglés o en japonés:campos / partículas y cadenas / gravedad son, en este contexto, dos idiomas muy diferentes para hablar exactamente de lo mismo.

La saga del vértice del barión dio un giro en mayo de 1998, cuando Ed Witten mostró cómo aparece un vértice similar en los ejemplos de Maldacena . [Nota agregada: me había olvidado que dos días después del trabajo de Witten, David Gross e Hirosi Ooguri presentaron un hermoso y amplio artículo , cuya sección sobre bariones contiene muchas de las mismas ideas.]Como era de esperar, este vértice era una D-brana, específicamente una partícula D, un objeto sobre el cual las cuerdas que se extienden desde los quarks que se mueven libremente podrían terminar. Todavía no era del todo satisfactorio, porque los gluones y quarks en los ejemplos de Maldacena vagan libremente y no forman mesones ni bariones. En consecuencia, el vértice baryon no es realmente un objeto físico; si haces uno, rápidamente se difunde en la nada. Sin embargo, el trabajo de Witten hizo obvio lo que estaba pasando. En la medida en que los mesones del mundo real se puedan ver como cadenas, los protones y neutrones del mundo real se pueden ver como cadenas asociadas a una D-brane .

BaryonPuzzle2.png

No pasó mucho tiempo antes de que los teóricos encontraran ejemplos más realistas, con bariones reales. No recuerdo quién encontró uno primero, pero sí sé que uno de los primeros ejemplos apareció en mi primer artículo con Joe, en el año 2000. 

Trabajando con Joe

Ese proyecto surgió durante mi visita de septiembre de 1999 al KITP (Instituto Kavli de Física Teórica) en Santa Bárbara, donde Joe era miembro de la facultad. Algún tiempo antes había estudiado una teoría de campo (llamada N = 1 * ) que difería de los ejemplos de Maldacena solo ligeramente, pero en la que se forman los objetos de tipo mesón. Una de las primeras conversaciones que escuché cuando llegué a KITP fue por Rob Myers, sobre una extraña propiedad de D-branes que había descubierto. Durante esa charla, establecí una conexión entre la observación de Myers y una característica de la teoría de campo N = 1 *, y tuve uno de esos momentos “aha” para los que viven los físicos. De repente, supe lo que debe ser la teoría de cuerdas que describe la teoría de campo N = 1 *.

Pero para mí, la respuesta fueron malas noticias. Para resolver los detalles era evidente que iba a requerir un conjunto muy difícil de cálculos, utilizando aspectos de la teoría de cuerdas sobre los que no sabía casi nada [brances curvados no holomorfos en geometría curvada de alta dimensión.] Lo mejor que podía hacer, si trabajara solo, sería escribir un trabajo conceptual con muchas imágenes y muchas más conjeturas que hechos demostrables.

Pero yo estaba en KITP. Joe y yo habíamos tenido una buena relación personal durante algunos años, y sabía que encontramos preguntas similares emocionantes. Y Joe era el maestro de las brañas; él sabía todo sobre D-branes. Así que decidí que mi mejor esperanza era persuadir a Joe para que se uniera a mí. Me involucré en un poco de persuasión persistente. Muy afortunadamente para mí, valió la pena.

Volví a la costa este, y Joe y yo fuimos a trabajar. Cada semana o dos Joe enviaba algunas notas de investigación con algunos cálculos preliminares en teoría de cuerdas. Tenían un nivel tan alto de sofisticación técnica, y tan pocos detalles pedagógicos, que me sentía como un niño; Apenas podía entender lo que estaba haciendo. Hicimos un progreso lento. Joe hizo un cálculo de calentamiento importante, pero me resultó muy difícil de seguir. Si el cálculo de la teoría de cuerdas de calentamiento fuera tan complejo, ¿teníamos alguna esperanza de resolver el problema completo? Incluso Joe estaba un poco preocupado.

Resultado de la imagen para polchinski joeY luego, un día, recibí un mensaje que resonó con un cacareo triunfante, una especie de “¡los conseguimos!” Que cualquier persona que conociera a Joe reconocerá. ¡A través de un truco espectacular, había descubierto cómo utilizar su ejemplo de calentamiento para facilitar el problema! En lugar de meses de trabajo por delante, estábamos esencialmente listos.

Desde entonces, ¡fue muy divertido! Casi todas las semanas tenían el mismo patrón. Pensaría en un fenómeno de la teoría cuántica de campos que conocía, uno que debería ser visible desde el punto de vista de las cuerdas, como el vértice del barión. Sabía lo suficiente sobre D-branes para desarrollar un argumento heurístico sobre cómo debería aparecer. Llamaría a Joe y le contaría al respecto, y tal vez le enviaría un boceto. Unos días más tarde, un conjunto de notas llegaría por correo electrónico, que contiene un cálculo completo que verifica el fenómeno. Cada cálculo era único, una pequeña joya, que implica una investigación distintiva de las D-branas de forma exótica que se sientan en un espacio curvo. Fue impresionante presenciar la velocidad con la que Joe trabajó, la amplitud y profundidad de su talento matemático y su incomparable comprensión de estas branas.

[Expertos: no es instantáneamente obvio que la teoría N = 1 * tiene bariones físicos, pero sí; tienes que elegir el vacío correcto, donde la teoría es parcialmente Higgsed y parcialmente confinante. Luego, para deducir, a partir del trabajo de Witten, cuál es el vértice del barión, debes comprender los cruces de la brana (que conocí de los días de Hanany-Witten): el operador del vértice barión D5-brane de Witten crea un vértice bariónico físico en forma de D3 -brane 3-ball, cuyo límite es una NS 5-brane 2-sphere ubicada en un punto en las tres dimensiones habituales. Y finalmente, un barión físico es un vértice con n cadenas que están conectadas a D5-brane de 2 esferas cercanas. Vea el capítulo VI, secciones B, C y E, de nuestro documento de 2000.]

A lo largo de nuestros años de colaboración, siempre fue así cuando necesitábamos ir de cabeza en las ecuaciones; Joe inevitablemente me dejó en el polvo, sacudiendo la cabeza con incredulidad. Esa es en parte mi debilidad … Soy bastante promedio (para un físico) cuando se trata de cálculo. Pero mucho de eso fue Joe siendo increíblemente bueno en eso.

Afortunadamente para mí, la colaboración fue agradable, porque casi siempre podía seguir el ritmo de Joe en cuestiones conceptuales, a veces corriendo por delante de él. Entre mis recuerdos favoritos como científico están los momentos en que le enseñé a Joe algo que él no sabía; se quedaría en silencio por unos segundos, asintiendo rápidamente, con una mirada intencionada, con los ojos entrecerrados y la boca ligeramente abierta, mientras absorbía la punta. “Uh-huh … uh-huh …”, solía decir.

Pero apareció otro lado de Joe en nuestro segundo trabajo. Mientras charlábamos en el pasillo KITP, incluso antes de decidir exactamente en qué pregunta íbamos a trabajar, ¡Joe de repente adivinó la respuesta! ¡Y no pude hacer que le explicara qué problema había resuelto, y mucho menos la solución, durante varios días! Fue bastante desorientador.

Esta fue otra característica clásica de Joe. A menudo sabía que había encontrado la respuesta a un acertijo (y casi siempre tenía razón), pero no pudo decir nada comprensible hasta que tuvo unos días para pensar y convertir sus ideas en ecuaciones. Durante nuestra colaboración, esto sucedió varias veces. (Nunca dije “usa tus palabras, Joe …”, pero quizás debería haberlo hecho). De alguna manera su mente estaba trabajando en lugares donde el lenguaje no funciona, de una manera que ninguno de nosotros fuera de su cerebro podrá entender. En él, había algo de un oráculo.

Mirando hacia el horizonte

Nuestros intereses divergieron gradualmente después de 2006; Me centré en el Gran Colisionador de Hadrones [también conocido como el Gran Colisionador de D-brane] , mientras que Joe, después de algunas otras exploraciones, terminó pensando en los horizontes de los agujeros negros y la paradoja de la información. Pero disfruté de su trabajo desde lejos, especialmente cuando, en 2012, Joe y tres colegas (Ahmed Almheiri, Don Marolf y James Sully) hicieron estallar la idea de la complementariedad del agujero negro , que se esperaba fuera la solución a la paradoja. [ Expliqué este tema aquí , y también mencioné una charla que Joe dio al respecto aquí .] Los restos aún arden y la paradoja permanece.

Entonces Joe cayó enfermo, y comenzamos a perderlo, a una edad demasiado joven. Uno de sus últimos obsequios para nosotros fueron sus memorias , que nos enseñaron a cada uno algo sobre él que nosotros no sabíamos. Finalmente, el viernes pasado, cruzó el horizonte sin retorno. Si no hay firewall allí, ahora lo sabe.

¿Qué, quizás ya nos preguntemos, será el legado científico de Joe dentro de unas décadas? Es difícil prever cómo se verá el trabajo de un teórico dentro de un siglo; la ciencia cambia de maneras inesperadas, y lo que parece no tener importancia ahora puede volverse central en el futuro … como fue el camino para las propias D-branas en el transcurso de la década de los noventa. Para aquellos de nosotros que trabajamos hoy, las D-branas en la teoría de cuerdas son claramente el descubrimiento más importante de Joe, aunque sus contribuciones a nuestra comprensión de los agujeros negros, las cuerdas cósmicas y los aspectos de la teoría de campo no serán olvidados pronto o nunca. ¿Pero quién sabe? Para el año 2100, la teoría de cuerdas puede ser la teoría aceptada de la gravedad cuántica, o simplemente puede ser una herramienta poco conocida para el estudio de los campos cuánticos.

Sin embargo, incluso si este último fuera el destino de la teoría de cuerdas, todavía sospecho que será D-branes por lo que Joe es recordado. Porque, como he intentado aclarar, son reales . Realmente real. Hay uno en cada protón, uno en cada neutrón. Nuestros cuerpos los contienen en billones de billones. Para esa visión, esa contribución elemental al conocimiento humano, nuestros descendientes pueden culpar a Joseph Polchinski.

Gracias por todo, Joe. Te extrañaremos terriblemente Con mucha frecuencia nos enseñaste nuevas formas de mirar el mundo, e incluso a nosotros mismos.

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