Brana

Brana, objeto extendido en una o más dimensiones espaciales, que surge en la teoría de cuerdas y en otras teorías unificadas propuestas de mecánica cuántica y relatividad general. Una 0-brana es un objeto de dimensión cero, un punto; una 1-brana es un objeto unidimensional, una cuerda; una 2-brana es un objeto bidimensional, una membrana; y una p-brana es un objeto p-dimensional. Como algunas versiones de la teoría de cuerdas tienen 9 dimensiones espaciales, las p-branas pueden existir para valores de p hasta 9.

En la década de 1980 se investigaron por primera vez las branas como una posible generalización de la teoría de cuerdas, que se basa en la cuantización de objetos unidimensionales. Los estudios de la dinámica de las cuerdas a finales de los 80 y principios de los 90 revelaron que la propia teoría de cuerdas contiene una variedad de branas. Hay varios tipos de branas, entre ellas las cuerdas fundamentales cuya cuantización define la teoría de cuerdas; las branas negras, que son soluciones a las ecuaciones de Einstein que se asemejan a los agujeros negros pero se extienden en algunas dimensiones en lugar de ser esféricas; y las D-branas, que tienen la propiedad distintiva de que las cuerdas fundamentales pueden terminar en ellas con los puntos finales de las cuerdas pegados a la brana.

La idea de que el espacio podría tener más de tres dimensiones se remonta al trabajo del físico finlandés Gunnar Nordström, que propuso una teoría de la gravedad y el electromagnetismo con cuatro dimensiones espaciales en 1914. El matemático alemán Theodor Kaluza, en 1919, y el físico sueco Oskar Klein, en 1925, propusieron una teoría espacial de cuatro dimensiones, tras el descubrimiento de la relatividad general por parte de Einstein en 1916. En la relatividad general, la gravedad surge de la forma del espaciotiempo. Kaluza y Klein demostraron que con dimensiones adicionales, otras fuerzas como el electromagnetismo podrían surgir de la misma manera. En las teorías con branas, la materia podría estar pegada a una brana incrustada en las dimensiones superiores. Esto plantea nuevas posibilidades para entender las leyes de la física en términos de la geometría del espaciotiempo. Una consecuencia sorprendente es que las dimensiones adicionales podrían ser mucho mayores de lo esperado. En lugar de tener un tamaño de 10-33 cm como en la teoría original de Kaluza-Klein, podrían tener un tamaño de 10-16 cm, lo suficientemente grande como para ser visto por los aceleradores de partículas, y si fueran aún más grandes, podrían ser visibles en otros experimentos de laboratorio u observaciones astrofísicas.

Las ramas también aparecen en algunos modelos de inflación cosmológica en el universo primitivo. La inflación requiere una fuente de energía del vacío, que naturalmente es suministrada por la masa en reposo de las branas, mientras que la transición de la inflación a la expansión ordinaria puede entenderse a partir de la descomposición de las branas en materia ordinaria y radiación.

Las estructuras matemáticas y los principios físicos que subyacen a la teoría de cuerdas aún no se comprenden del todo, pero la introducción de las branas ha dado lugar a muchos avances. En particular, las inesperadas coincidencias entre las propiedades de las branas negras y las D-branas llevaron al físico argentino-estadounidense Juan Maldacena al descubrimiento en 1997 de la dualidad anti de Sitter/teoría de campos conformes (AdS/CFT). Se trata de la construcción de una teoría cuántica de la gravedad, un problema hasta entonces no resuelto, en términos de los bien conocidos campos gauge de Yang-Mills de la física de partículas. La dualidad AdS/CFT ha dado lugar a conexiones inesperadas entre la gravedad y muchas otras áreas de la física y ha resuelto algunos rompecabezas de larga data en la aplicación de la mecánica cuántica a los agujeros negros.

Dado que las branas son omnipresentes en la teoría de cuerdas, es posible que se descubran por muchas vías: mediante aceleradores de partículas, en observaciones del universo primitivo e incluso como cuerdas cósmicas que se extienden por el universo actual. Todas estas vías son especulativas, pero en todas ellas se podrán realizar observaciones mucho mejores.