Garett Lisi en su teoría del todo

Guau, miren esas ecuaciones asesinas. Que dulce. En realidad, durante los siguientes 18 minutos voy a hacer lo mejor posible para describir la belleza de la física de partículas sin usar ecuaciones. Resulta que podemos aprender mucho del coral El coral es un animal muy hermoso e inusual. Cada cabeza de un coral consiste en miles de pólipos individuales. Estos pólipos están continuamente brotando y ramificándose en vecinos genéticamente idénticos. Si imaginamos que éste es un coral hiper-inteligente, podemos separar un individuo y hacerle una pregunta razonable. Podemos preguntarle cómo fue exactamente que llegó a esta ubicación particular comparada con sus vecinos - - si fue sólo suerte, el destino, ¿o qué?

Ahora, luego de amonestarnos por subir la temperatura demasiado, el nos dirá que nuestra pregunta fue completamente estúpida. Sepan que estos corales pueden ser bastante malvados, y tengo alguna cicatrices de surfeo que lo prueban. Pero este pólipo seguirá diciéndonos que sus vecinos son claramente copias idénticas de sí mismo. Que él también estuvo en todas esas ubicaciones, pero experimentándolas como individuos separados. Para un coral, ramificarse en diferentes copias es la cosa más natural del mundo.

A diferencia de nosotros, un coral hiper-inteligente estaría perfectamente preparado para entender la mecánica cuántica. Las matemáticas de la mecánica cuántica describen de forma muy precisa cómo funciona nuestro universo. Y nos dicen que nuestra realidad está continuamente derivándose en diferentes posibilidades, igual que un coral. Es algo complicado para que nuestra mente humana comprenda, ya que solo tenemos la oportunidad de experimentar una posibilidad. La rareza cuántica fue descritpta por primera vez por Erwin Schrödinger y su gato. Al gato le gusta más esta versión. (Risas) En esta versión, Schrödinger se encuentra en una caja con una muestra radioactiva que, por leyes de mecánica cuántica, se ramifica en un estado en el cual irradia y otro estado en el que no. (Risas) En la rama en el cual la muestra irradia, dispara un detonador que libera un veneno y mata a Schrödinger. Pero en la otra rama de la realidad, él sigue vivo. Estas realidades son experimentadas separadamente, por cada individuo. En lo que respecta a cada uno, el otro no existe.

Esto nos parece raro, porque cada uno de nosotros solo experimenta una existencia individual, y no podemos ver otras ramas. Es como si cada uno de nosotros, al igual que Schrödinger, fuéramos un tipo de coral ramificándonos en diferentes posibilidades. Las matemáticas de la mecánica cuántica nos dicen que así es como funciona el mundo a pequeñas escalas. Se puede resumir en la siguiente oración: Todo lo que puede suceder, sucede. Eso es la mecánica cuántica. Pero esto no significa que todo sucede. El resto de la física intenta describir qué puede ocurrir y qué no. La física nos dice que todo se reduce a la geometría y a las interacciones de partículas elementales. Y las cosas pueden ocurrir sólo si estas interacciones están perfectamente equilibradas.

Ahora continuaré describiendo cómo sabemos acerca de estas partículas, qué son, y cómo funciona este equilibrio. En esta máquina, un rayo de protones y anti-protones es acelerado a velocidades muy cercanas a la de la luz y acercados hasta colisionarlos, produciendo un rayo de energía pura. La energía se convierte inmediatamente en una ráfaga de partículas semi-atómicas, con detectores y computadoras usadas para descubrir sus propiedades. Esta máquina enorme, el Gran Colisionador de Hadrones ubicado en el CERN, en Ginebra tiene una circunferencia de 17 millas (27 km) y, cuando está en funcionamiento, consume cinco veces la misma potencia que consume la ciudad de Monterrey. No podemos predecir específicamente qué particulas se producirán en cada colisión individual. La mecánica cuántica nos dice que todas las posibilidades suceden. Pero la física sí nos dice qué partículas se pueden producir. Estas partículas deben tener la misma masa y energía como la que es llevada por el protón y anti-protón. Cualquier partícula con más masa que este límite de energía no es producida, y por lo tanto no la podemos ver. Es por esto que el nuevo acelerador de partículas es tan emocionante. Va a impulsar este límite de energía siete veces más de lo que jamás se haya hecho antes, por lo que esperamos ver nuevas partículas, muy pronto.

Pero antes de hablar sobre lo que esperamos ver permítanme describir las partículas que ya conocemos. Hay un zoológico entero de partículas subatómicas. La mayoría de nosotros está familiarizado con los electrones. Un montón de gente en esta sala se gana la vida jugando con ellos. (Risas) Pero el electrón también tiene un compañero neutro llamado neutrino, carente de carga eléctrica, y con una diminuta masa. En contraste, los quarks arriba-y-abajo tienen masas muy grandes, y se combinan en tríos para hacer los protones y neutrones dentro de los átomos. Todas estas partículas de masa vienen en variantes zurdas y diestras, y tienen compañeras anti-partículas con cargas opuestas. Esta partículas conocidas también tienen, menos conocidas, segundas y terceras generaciones, con las mismas cargas pero masas mucho mayores. Todas estas partículas de masa interactúan con las partículas de fuerza. La fuera electromagnética interactúa con materia cargada eléctricamente a través de partículas llamadas fotones. También existe una fuerza débil llamada, no muy originalmente, la fuerza débil que interactúa sólo con materia zurda. La fuerza fuerte actúa entre quarks que transportan un diferente tipo de carga, llamada carga de color, y vienen en tres diferentes tipos: rojo, verde y azul. Pueden culpar Murray Gell-Mann por estos nombres - son su culpa. Finalmente, existe la fuerza de la gravedad, que interactúa entre materia a través de su masa y spin.

Lo más importante para entender aquí es que existe un tipo diferente de carga asociada a cada una de estas fuerzas. Estas cuatro fuerzas diferentes interactúan con materia de acuerdo a las cargas correspondientes de cada partícula. Una partícula que aún no ha sido vista, pero que estamos casi seguros que existe es la partícula de Higgs que le da masa a todas estas otras partículas. El objetivo principal del Gran Colisionador de Hadrones es poder observar esta partícula de Higgs, y estamos casi seguros que lo conseguirá. Pero el mayor misterio es qué más podríamos ver. Y les voy a mostrar una bella posibilidad hacia el final de esta charla.

Ahora, si contamos todas estas diferentes partículas usando sus diferente spins y cargas, existen 226. Son un montón de partículas para seguirles el rastro. Y resulta extraño que la naturaleza tuviera tantas partículas elementales. Pero si las graficamos de acuerdo a sus cargas, algunos bellos patrones emergen. La carga más conocida es la carga eléctrica. Los electrones tienen una carga eléctrica, negativa, y los quarks tienen cargas eléctricas en tercios. Así que cuando dos quarks arriba y un quark abajo son combinados para hacer un protón, tiene una carga eléctrica total de más uno. Las partículas también tienen anti-partículas con cargas opuestas. Ahora, resulta que las cargas eléctricas en realidad tienen una combinación de otras dos cargas: hiper-carga y carga débil. Si separamos la hiper-carga y la carga débil y graficamos las cargas de las partículas en este espacio bi-dimensional de cargas, la carga eléctrica es donde las partículas se apoyan a lo largo de la dirección vertical. Las fuerzas electromagnética y débil interactúan con la materia de acuerdo a su hiper-carga y carga débil, lo cual genera este patrón. Esto es llamado el Modelo Electro-débil Unificado, y fue confeccionado en 1967.

La razón por la cual la mayoría de nosotros sólo conocemos la carga eléctrica y no éstas dos, es debido a la partícula de Higgs. La partícula de Higgs, aquí a la izquierda, tiene una gran masa y rompe la simetría del patrón electro-débil. Hace a la fuerza débil, muy débil dándole a las partículas débiles una gran masa. Como esta partícula Higgs masiva se apoya sobre la dirección horizontal en este diagrama, los protones del electromagnetismo se mantienen sin masa e interactúan con la carga eléctrica sobre la dirección vertical en este espacio de cargas. Así que la fuerzas electromagnéticas y débil son descriptas por este patrón de carga de partículas en un espacio bi-dimensional. Podemos incluir la fuerza fuerte separando las dos direcciones de carga y graficando las cargas de las partículas de fuerza en quarks sobre estas direcciones. Las cargas de todas las partículas conocidas puede ser graficadas en un espacio cuatri-dimensional de cargas, y proyectado hacia abajo sobre dos dimensiones como éstas para que podamos verlas.

Cuando las partículas interactúan, la naturaleza mantiene las cosas en perfecto balance a través de estas cuatro direcciones de carga. Si una partícula y anti-partícula colisiona, crea un ráfaga de energía y una carga total de cero en las cuatro direcciones de carga. En este punto, cualquier cosa puede ser creada mientras tenga la misma energía y mantenga una carga total de cero. Por ejemplo, esta partícula de fuerza débil y su anti-partícula pueden ser creadas en una colisión. En sucesivas interacciones, las cargas deben mantenerse balanceadas. Una de las partículas débiles puede decaer en un electrón y un anti-neutrino, y estas tres aún mantienen una carga total de cero. La naturaleza siempre mantiene un equilibrio perfecto. Por lo tanto, estos patrones de carga no son sólo lindos. Nos dicen qué interacciones son válidas y pueden ocurrir. Y podemos rotar este espacio de cargas en cuatro dimensiones para tener una mejor visión de la interacción fuerte, que tiene esta linda simetría hexagonal. En una interacción fuerte, una partícula fuerte, como ésta, interactúa con un quark de color, como este verde, para dar un quark de diferente color - este rojo. Y las interacciones fuertes están ocurriendo millones de veces cada segundo, en cada átomo de nuestro cuerpos, manteniendo junto el núcleo del átomo.

Pero estas cuatro cargas, correspondientes a tres fuerzas no son el fin de la historia. Podemos incluir también dos cargas más correspondientes a la fuerza gravitatoria. Cuando incluimos éstas, cada partícula de masa tiene dos spin diferentes, spin-arriba y spin-abajo. Asi que todos se separan, y dan un lindo patrón en un espacio de cargas de seis dimensiones. Podemos rotar este patrón en seis dimensiones, y ver que es bastante lindo. Actualmente, este patrón coincide con nuestro mejor conocimiento sobre cómo está construida la naturaleza a escalas pequeñas a partir de estas partículas elementales. Esto es lo que sabemos con certeza. Algunas de estas partículas están bien al límite de lo que hemos podido alcanzar con experimentos. A parti de este patrón, ya sabemos la física de las partículas de estas pequeñas escalas. La forma en que funciona el universo a estas escalas es muy bello.

Pero ahora voy a discutir algunas nuevas y viejas ideas sobre cosas que aún no conocemos. Queremos expandir este patrón usando únicamente matemáticas, y ver si podemos vislumbrar el panorama completo. Queremos encontrar todas las partículas y fuerzas que componen la imagen del universo. Y queremos usar esta imagen para predecir nuevas partículas que veremos cuando los experimentos alcancen energías aún mayores.

Entonces, existe una vieja idea en la física de partículas de que este patrón de cargas conocido, que no es muy simétrico, podría emerger a partir de un patrón más perfecto que se rompe, así como la partícula de Higgs desarma el patrón electro-débil para dar origen al electromagnetismo. Para lograr esto, debemos introducir nuevas fuerzas con nuevas direcciones de carga. Cuando introducimos una nueva dirección, debemos advinar qué cargas tienen las partículas a lo largo de esta dirección, y luego podemos rotarla junto con las otras. Si adivinamos sabiamente, podemos construir las cargas estándar en seis dimensiones de carga como una simetría parcial de este patrón más perfecto en siete dimensiones de carga.

Esta elección particular corresponde a una gran teoría unificada presentada por Pati y Salam en 1973. Cuando vemos este nuevo patrón unificado, podemos ver algunos agujeros donde parecen faltar partículas. Así funcionan las teorías unificadas. Un físico busca patrones más grande y simétricos que incluyan el patrón ya establecido como subconjunto. El patrón mayor nos permite predecir la existencia de particular que nunca han sido vistas. Este modelo de unificación predice la existencia de estas dos nueva partículas de fuerza, quede deberían actuar muy similar a la fuerza débil, solo que más débiles.

Ahora podemos rotar este conjunto de cargas en siete dimensiones y considerar un curioso hecho sobre las partículas de masa: las segunda y tercera generación de materia tienen exactamente las mismas cargas en el espacio hexa-dimensional de cargas que la primera generación. Estas partículas no son identificadas únicamente por sus seis cargas. Se apoyan cada una arriba da la otra en el espacio de carga estándar. Sin embargo, si trabajamos en un espacio de carga octa-dimensional, entonces podemos asignar cargas únicas a cada partícula. Luego podemos girar éstas en ocho dimensiones, y ver cómo luce el patrón completo. Aquí podemos ver la segunda y tercera generación de materia, que ahora se relaciona con la primera generación a través de una simetría llamada "trialidad".

Este patrón particular de cargas en ocho dimensiones en realidad forma parte de la estructura geométrica más bella de las matemáticas. Es un patrón del grupo Lie excepcional más grande: E8. Este grupo Lie es una figura suave, curvada con 248 dimensiones. Cada punto de este patrón corresponde a una simetría sobre esta forma bella y compleja. One pequeña parte de esta figura E8 puede ser usada para describir el espacio curvo de la teoría general de la relatividad de Einstein que explica la gravedad. Junto con la física cuántica, la geometría de esta figura podría describir todo sobre el funcionamiento del universo a sus más pequeñas escalas. Y el patrón de esta figura viviendo en un espacio de carga octa-dimensional es exquisitamente bello, y resume miles de posibles interacciones entre estas partículas elementales, cada una de las cuales es simplemente una faceta de esta complicada figura.

A medida que lo giramos, podemos ver varios de los otros patrones intrincados contenidos en éste. Y con una rotación particular, podemos observar a través de este patrón en ocho dimensiones a lo largo del eje de simetría y ver todas las particular de una. Es un objeto muy hermoso, y como en cualquier unificación, podemos ver algunos huecos donde nuevas partículas son necesarias para completar este patrón. Hay 20 huecos donde las nuevas partículas deberían estar, dos de los cuales han sido llenados por las de Pati y Salam. Por su ubicación en este patrón, sabemos que estas nuevas partículas deberían ser campos escalares como la partícula de Higgs, pero tener carga de color e interactuar con la fuerza fuerte. Agregar estas nuevas partículas completa este patrón, dándonos el completo E8.

Este patrón E8 tiene raíces matemáticas muy profundas. Para muchos, es considerado la estructura más hermosa de las matemáticas. Es una perspectiva fantástica que este objeto de gran belleza matemática pudiese describir la verdad sobre la interacción de partículas a las menores escalas imaginables. Y esta idea de que la naturaleza es descripta por matemáticas no es para nada nueva. En 1623, Galileo escribió esto: "El gran libro de la naturaleza, continúamente abierto a nuestra contemplación, está escrito en el lenguaje de las matemáticas Sus personajes son triángulos, círculos y otras figuras geométricas, sin las cuales es humanamente imposible entender una sola palabra del mismo; sin éstas, uno vaga en círculos sobre un oscuro laberinto"

Creo firmemente que esto es cierto, y he intentado seguir la guía de Galileo describiendo las matemáticas de la física de partículas usando sólo triángulos, círculos y otra figuras geométricas. Obviamente, cuando otro físicos y yo realmente trabajamos en esto, las matemáticas involucradas pueden asemejarse a un oscuro laberinto. Pero es tranquilizador pensar que el corazón de estas matemáticas es pura y hermosa geometría. Junto con la mecánica cuántica, esta matemática describe nuestro universo como un coral E8 en crecimiento, con partículas interactuando en todas las ubicaciones, de todas las formas posibles de acuerdo a un hermoso patrón. Y a medida que más partes del patrón salen a la vistas con nuevas máquinas como el Gran Colisionador de Hadrones, posiblemente seamos capaces de ver si la naturaleza usa este patrón E8 o uno diferente.

Este proceso de descubrimiento es una aventura maravillosa en la que estar involucrado. Si el GCH encuentra partículas que encajen en este patrón E8 eso va a estar muy, muy bueno. Si el GHC encuentra nuevas partículas, pero éstas no encajan en este patrón - bueno, eso va a estar muy interesante, pero será malo para esta teoría E8. Y, por supuesto, malo para mi personalmente. (Risas) Ahora, ¿qué tan malo podría ser eso? Bueno, muy malo. (Risas)

Pero predecir cómo funciona la naturaleza es un juego muy riesgoso. Esta teoría y otras similares son a largo plazo. Uno realiza un montón de trabajo duro sabiendo que muchas de estas ideas probablemente terminen no reflejando la verdad de la naturaleza. Así es el trabajo trabajo en física teórica: hay un montón de extinciones. En este sentido, las nuevas teorías físicas son muy similares a las empresas start-up Como cualquier gran inversión, puede ser difícil emocionalmente tener que abandonar una línea de investigación cuando no está funcionando. Pero en la ciencia, si algo no funciona, tiene que tirarlo y probar algo diferente.

Ahora, la única forma de mantener la cordura y obtener la felicidad en el medio de esta incertidumbre es mantener un balance y perspectiva en la vida. Ahora, yo he intentado lo mejor posible vivir una vida equilibrada. (Risas) Yo intento balancear mi vida equitativamente entre la física, el amor y el surf, mis propias tres direcciones de carga. (Risas) De esta forma, incluso si la física en la que trabajo termina en nada, aún se que he vivido una buen vida. E intento vivir en lugares hermosos. La mayor parte de los últimos diez años he vivido en la isla de Maui, un lugar muy hermoso. Ahora, uno de los grandes misterios del universo para mis padres es como he conseguido sobrevivir todo ese tiempo sin involucrarme en nada relacionado con empleo tiempo completo. (Risas)

Les voy a compartir mi secreto. Esta era una vista de mi oficina casera en Maui. Y ésta, y ésta. Y pueden haber notado que estas hermosas vistas son similares, pero en ubicaciones ligeramente diferentes. Eso es porque este solía ser mi casa y oficina en Maui. (Risas) He escogido una vida muy inusual. Pero el no preocuparme de la renta me ha permitido gastar mi tiempo haciendo lo que amo. Vivir una vida nómade ha sido duro por momentos, pero me ha permitido vivir en lugares hermosos y mantener un balance en mi vida que me ha hecho feliz. Me permite pasar un montón de tiempo con coral hiper-inteligente. Pero también disfruto mucho de la compañía de personas hiper-inteligentes. Por lo que estoy muy feliz de haber sido invitado hoy aquí. Muchas gracias. (Aplausos)

Chirs Anderson: Probablemente entendí dos por-ciento de eso, pero aún así me encantó. Así que voy a sonar un poco tonto. Tu Teoría del Todo --

Garret Lisi: Estoy acostumbrado al coral.

CA: Correcto, la razón por la cual atrajo la atención de alguna gente es porque, si estás en lo cierto, permitirá unificar la gravedad y la teoría cuántica. Entonces ¿dices que deberíamos pensar en el universo en su corazón, que las cosas más pequeñas que existen son de alguna forma un objeto E8 de posibildades? Quiero decir, existe alguna escala sobre eso, en la más pequeña escala, en tu mente, o ...?

GL: Bueno, justo ahora el patrón que acabo de mostrar corresponde a lo que conocemos sobre física de partículas elementales, que ya de por sí corresponden a una muy hermosa figura. Y esa es la que que dije que conocemos con certeza. Y esa figura tiene notables similaridades, y la forma en que encaja en este patrón E8 podría ser el resto de la imagen. Y este patrón de puntos que les he mostrado en realidad representa simetrías de este objeto de altas dimensiones que estaría deformándose, moviendo y baliando sobre el espacio tiempo que nosotros percibimos. Y eso sería lo que explicaría todas estas partículas elementales que vemos.

CA: Pero un teórico de cuerdas, como yo lo entiendo, explica a los electrones en términos de cuerdas mucho más pequeñas vibrando -- Se que no te gusta la teoría de cuerdas -- vibrando dentro de él. ¿Cómo deberíamos pensar en un electrón en relación con el E8?

GL: No, sería una de las simetrías de esta figura E8. Entonces lo que sucede es que, mientras la figura se mueve sobre el espacio tiempo se está enroscando. Y la dirección que se enrosca a medida que se mueve es la partícula que vemos. Entonces, sería --

CA: El tamaño de la figura E8, ¿cómo se relaciona con el del electrón? Siento que preciso ese dato para hacerme la imagen. Es mayor o menor?

GL: Bueno, hasta donde sabemos, los electrones son partículas puntuales así que esto iría hasta la escala más chica posible. Entonces la forma en que estas cosas son explicadas en la teoría cuántica es, todas las posibilidades se están expandiendo y desarrollando a la vez. Y por eso es que uso la analogía con el coral. Y de esta forma, la forma en que entra en juego el E8 sería como una figura que está atada en cada punto en el espacio tiempo. Y, como dije, la forma en que se enrosca la figura, la dirección a lo largo de la cual se enrosca a medida que se mueve sobre su superficie curva, es lo son las partículas elementales, en si mismas. Entonces a través de la teoría cuántica, se manifiestan como puntos e interactúan de esa forma. No se si seré capaz de explicar esto más claramente. (Risas)

CA: En realidad no importa. Está evocando un especie de sentido de asombro, y definitivamente quiero entender más sobre esto. Pero muchas gracias por venir. Eso fue absolutamente fascinante. (Aplausos)