Universo elegante

Una teoría del todo?

Las partículas fundamentales del universo que los físicos tienen electrones identificados, neutrinos, quarks, etc. son

las "letras" de toda la materia. Al igual que sus homólogos lingüísticas, que parecen no tener subestructura interna más. La teoría de cuerdas proclama lo contrario. De acuerdo con la teoría de cuerdas, si pudiéramos examinar estas partículas con una precisión aún mayor: una precisión muchos órdenes de magnitud más allá de nuestra actual capacidad tecnológica-nos encontraríamos con que cada uno no es puntual, sino que consiste en una pequeña, unidimensional bucle. Al igual que una banda de goma infinitamente delgada, cada partícula contiene una vibrante, oscilante, filamento de baile que los físicos han llamado una cadena.

Son las partículas fundamentales que componen las galaxias y todo lo demás en el universo hechos de pequeña, vibrantes bucles? Así lo dicen los teóricos de cuerdas.AmpliarFoto: NASA / JPL-Caltech / Harvard-Smithsonian CfA

A pesar de que de ninguna manera es obvio, esta simple sustitución del punto de partículas constituyentes materiales con cuerdas resuelve la incompatibilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general (que, tal como está formulado actualmente, no pueden ser ambos a la derecha). La teoría de cuerdas con ello revela el nudo gordiano central de la física teórica contemporánea. Este es un gran logro, pero es sólo una parte de la razón por la teoría de cuerdas ha generado tanta expectación.

CAMPO DE SUEÑOS

En la época de Einstein, las fuerzas fuertes y débiles aún no se habían descubierto, pero se encontró con la existencia de incluso dos distintas fuerzas de la gravedad y el electromagnetismo, profundamente preocupante. Einstein no aceptó que la naturaleza se basa en un diseño tan extravagante. Este lanzó sus 30 años viaje en busca de la llamadateoría del campo unificado que él esperaba que muestran que estas dos fuerzas son realmente manifestaciones de un gran principio subyacente.Aislado Esta búsqueda quijotesca Einstein de la corriente principal de la física, que, como es comprensible, era mucho más entusiasmados con ahondar en el marco de reciente aparición de la mecánica cuántica. Le escribió a un amigo a principios de 1940, "me he convertido en un tipo viejo solitario que es conocido sobre todo porque él no usa calcetines y que se exhibe como una curiosidad en ocasiones especiales."

"Me he convertido en un tipo viejo solitario," Einstein dijo a un amigo a principios de 1940.Esta foto fue tomada en 1940, cuando Einstein era profundamente en su búsqueda en última instancia, inútil para una teoría del campo unificado.AmpliarFoto: © Bettmann / Corbis

Einstein era simplemente por delante de su tiempo. Más de medio siglo después, su sueño de una teoría unificada se ha convertido en el Santo Grial de la física moderna. Y una parte importante de la comunidad de la física y las matemáticas es cada vez más convencido de que la teoría de cuerdas puede proporcionar la respuesta. Desde un principio, que todo en su nivel más microscópico consiste en combinaciones de vibración teoría hebras cuerdas proporciona un único marco explicativo capaz de abarcar todas las fuerzas y toda la materia.

La teoría de cuerdas es a veces descrito como posiblemente la "teoría del todo".

La teoría de cuerdas proclama, por ejemplo, que las propiedades que las partículas observadas es decir, las diferentes masas y otras propiedades de ambos las partículas fundamentales y las partículas de fuerza asociados con las cuatro fuerzas de la naturaleza (las fuerzas nucleares fuerte y débil, el electromagnetismo y la gravedad ) son

un reflejo de las diversas formas en que una cuerda puede vibrar. Así como las cuerdas de un violín o de un piano tienen frecuencias de resonancia en la que prefieren vibrar patrones que nuestros oídos de los sentidos como diversas notas musicales y sus más altos armónicos, el mismo puede decirse de los bucles de la teoría de cuerdas. Pero en lugar de producir notas musicales, cada una de las cargas de masa y de la fuerza preferidas se determinan por el patrón oscilatorio de la cadena. El electrón es una cuerda vibrante de una manera, la UP-quark es una cuerda vibrante de otra manera, y así sucesivamente.

La forma en que una cadena de la teoría de cuerdas vibra pueden conferir las propiedades de varias partículas fundamentales, así como la forma de cadena de un violín vibra confiere las frecuencias de resonancia nos reconocen como diferentes notas musicales. AmpliarFoto: © Bojan Fatur / iStockphoto

Lejos de ser una colección de hechos experimentales caóticas, propiedades de las partículas en la teoría de cuerdas son la manifestación de una y la misma característica física: los patrones resonantes de vibración de la música, por así decirlo, de bucles fundamentales de la cadena. La misma idea se aplica a las fuerzas de la naturaleza también. Partículas de fuerza también se asocian con patrones particulares de vibración de la cuerda y por lo tanto todo, toda la materia y todas las fuerzas, se unificaron bajo la misma rúbrica de oscilaciones -las cuerdas microscópicos "notas" que las cadenas pueden jugar.

UNA TEORÍA PARA PONER FIN A LAS TEORÍAS

Por primera vez en la historia de la física, por lo tanto tenemos un marco con la capacidad de explicar cada característica fundamental sobre el que se construye el universo. Por esta razón, la teoría de cuerdas es a veces descrito como posiblemente la "teoría del todo" (TOE) o la "última" o "final" teoría. Estos términos descriptivos grandiosos tienen por objeto significar el más profundo posible teoría de la física-una teoría que subyace a todos los otros, uno que no requiere o incluso permitir una base más profunda explicativo.

En la práctica, muchos teóricos de cuerdas toman un enfoque más los pies en la tierra y piensa en un TOE en el sentido más limitado de una teoría que puede explicar las propiedades de las partículas fundamentales y las propiedades de las fuerzas por las que interactúan y se influyen otra. Un reduccionista acérrimo afirmaría que esto no es una limitación en absoluto, y que, en principio, absolutamente todo, desde el Big Bang hasta ensoñaciones, se puede describir en términos de procesos físicos microscópicos subyacentes que afectan a los constituyentes fundamentales de la materia. Si usted entiende todo acerca de los ingredientes, el reduccionista argumenta, usted entiende todo.

Según los teóricos de cuerdas reduccionistas, todo, desde el Big Bang y la formación de las primeras estrellas (representado aquí) a las ensoñaciones que los seres humanos han 13 mil millones de años más tarde, pueden ser descritos en términos de procesos físicos microscópicos que implican cadenas.AmpliarCrédito de la foto: NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC)

La filosofía reduccionista inflama fácilmente acalorado debate. A muchos les resulta fatua y francamente repugnante para afirmar que las maravillas de la vida y el universo son meros reflejos de partículas microscópicas que participan en una danza sin sentido completamente coreografiado por las leyes de la física. ¿Es realmente el caso que los sentimientos de alegría, tristeza o aburrimiento no son más que reacciones químicas en el cerebro reacciones entre moléculas y átomos que, aún más al microscopio, son reacciones entre algunas de las partículas fundamentales, que son en realidad sólo vibran las cuerdas?

En respuesta a esta línea de crítica, el premio Nobel Steven Weinberg advierte en Sueños de una teoría final:

En el otro extremo del espectro están los adversarios del reduccionismo que están horrorizados por lo que sienten que la desolación de la ciencia moderna. En la medida en que ellos y su mundo se pueden reducir a una cuestión de partículas o campos y sus interacciones, se sienten disminuidos por que el conocimiento .... Yo no trataría de responder a estas críticas con una charla acerca de las bellezas de la ciencia moderna.La cosmovisión reduccionista es escalofriante e impersonal. Tiene que ser aceptado como es, no porque nos guste, sino porque esa es la forma en que funciona el mundo.

Algunos están de acuerdo con esta visión cruda, otros no.

Otros han tratado de argumentar que los desarrollos tales como la teoría del caos nos dicen que los nuevos tipos de leyes entran en juego cuando el nivel de complejidad de un sistema aumenta. Entender el comportamiento de un electrón o quark es una cosa; utilizar este conocimiento para comprender el comportamiento de un tornado es otra muy distinta. Sobre este punto, la mayoría coincide. Pero las opiniones divergen sobre si los fenómenos diversos y muchas veces inesperados que pueden ocurrir en sistemas más complejos que las partículas individuales representan verdaderamente nuevos principios físicos en el trabajo, o si los principios involucrados son derivados, confiando, aunque de una manera terriblemente complicado, en los principios físicos que rige el enorme gran número de constituyentes elementales.

El descubrimiento de la teoría final no sería el fin de la ciencia. Muy por el contrario.

Mi opinión es que no representan nuevos e independientes leyes de la física. Aunque sería difícil de explicar las propiedades de un tornado en términos de la física de los electrones y los quarks, veo esto como una cuestión de punto muerto de cálculo, no un indicador de la necesidad de nuevas leyes físicas. Pero, de nuevo, hay algunos que no están de acuerdo con esta opinión.

Greene ve nuestra incapacidad para explicar las propiedades de un tornado en términos de la física de las partículas constituyentes como una cuestión de "impasse de cálculo" en lugar de una indicación de que necesitamos nuevas leyes físicas. AmpliarFoto: © Clint Spencer / iStockphoto

UN NUEVO COMIENZO PARA LA CIENCIA

¿Cuál es en gran parte fuera de toda duda, y es de primordial importancia para el viaje descrito en mi libro El universo elegante, es que incluso si se acepta el razonamiento discutible del acérrimo reduccionista, principio es una cosa y la práctica otra muy distinta. Casi todo el mundo está de acuerdo en que la búsqueda de la TOE de ninguna manera significa que la psicología, la biología, la geología, la química, o incluso la física había sido resuelto o en algún sentido subsumido. El universo es un lugar tan maravillosamente rico y complejo que el descubrimiento de la teoría final, en el sentido de que estamos describiendo aquí, no sería el fin de la ciencia.

Todo lo contrario: El descubrimiento de la TOE-la explicación del universo en su nivel más microscópico, una teoría que no se basa en ningún profunda explicación diera base firme sobre la que construir nuestra comprensión del mundo. Su descubrimiento marcaría un comienzo, no un fin. La última teoría proporcionaría un pilar inquebrantable de coherencia para siempre asegurándonos de que el universo es un lugar comprensible.

Esta característica apareció originalmente en el sitio para el programa NOVA El universo elegante.

Brian Greene es profesor de física y matemáticas en la Universidad de Columbia y un teórico de cuerdas que conduce. Es autor de The Elegant Universe: Supercuerdas, dimensiones ocultas, y la búsqueda de la Teoría de Ultimate (Norton, 1999), de la que este artículo fue adaptado con permiso del editor.

Un sentido de escala: Teoría de Cuerdas

Las cuerdas de la teoría de cuerdas son

inimaginablemente pequeña.Su cadena media, si es que existe, es de unos 10 -33 centímetros de largo. Esa es una millonésima de una milmillonésima de milmillonésima de milmillonésima parte de un centímetro. Si un átomo se magnifica con el tamaño del sistema solar, una cadena sería el tamaño de un árbol. En esta función, tratamos de darle un vago sentido de que es todo lo que es posible, de lo infinitamente pequeño es una cadena. A partir de una escala diaria, viajamos por potencias de 100 hacia abajo en mundo de sombras de una cadena. Tendrás que nos perdone por tomar una clase de licencia poética visual en imaginar lo que el mundo parece más pequeño que un quark.

LANZAMIENTO INTERACTIVO

A partir de una escala cotidiana, viajes por potencias de 100 hacia abajo en el mundo infinitesimalmente Itsy Bitsy-de cadenas.

Esta característica apareció originalmente en el sitio para el programa NOVA El universo elegante.

CERN

Explora la construcción de la madre de todos los aceleradores de partículas: el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, el laboratorio internacional de física de partículas cerca de Ginebra, Suiza. En este video, el físico David Wark informa sobre los ambiciosos objetivos de este 16 millas de largo pista de carreras circular. Diseñado para aplastar protones a una velocidad cercana a la luz, el CERN promete nuevos descubrimientos sorprendentes sobre la materia.

LANZAMIENTO VIDEODuración: 12:25

Transcripción

CERN

PBS Fecha de emisión: 10 de julio 2007

Neil deGrasse Tyson: En el cine, científicos locos que construyen máquinas del tiempo son siempre obsesionado con el poder, al igual que se necesita tantas jiggawatts de electricidad para obtener la cosa funcione.

Bueno, un montón de verdaderos científicos han estado trabajando durante años en un experimento gigante, tratando de crear partículas exóticas que no han existido en el universo desde hace 14 millones de años, de vuelta al Big Bang.

El físico y corresponsal David Wark informa de que, en cierto modo, se trata de una máquina del tiempo gigante. Al igual que en las películas, es todo acerca de la energía.

DAVE WARK: (Corresponsal): Usted nunca se imaginaría que, escondido debajo de estas montañas francesas, un ejército de trabajadores está bajo tierra, la construcción de la máquina más grande y más compleja en la Tierra.

Es un proyecto que los físicos de todo el mundo llenos de anticipación consiguió.

PEDRO FISHER: Es un gran paso, este es un gran momento.

MEENAKSHI NARAIN: Nos puede encontrar cosas que nadie ha pensado, o nos dijo antes.

STEVE AHLEN (Universidad de Boston): Es una verdadera aventura, porque no sabemos si va a funcionar.

DAVE WARK: El objetivo de este proyecto de construcción gigante es nada menos que encontrar los elementos básicos del universo de construcción.

MEENAKSHI NARAIN: La búsqueda básica de la física de partículas es, "¿Cuál es el mundo hecho de ¿Sabemos todo ¿Conocemos todos los constituyentes de la materia No los tenemos todos????"

DAVE WARK: Los científicos ya han encontrado todo un carnaval de partículas subatómicas que componen el universo.

MEENAKSHI NARAIN: Anote algunos nombres.

STEVE AHLEN: La materia como la conocemos hoy en día ...

PEDRO FISHER: Hay protones, neutrones. Eso es lo que estamos hechos.

MEENAKSHI NARAIN: El quark top ...

STEVE AHLEN: ... quark bottom

MEENAKSHI NARAIN: El hasta ...

STEVE AHLEN: ... y los quarks abajo.

MEENAKSHI NARAIN: ... el quark encanto, el quark extraño ...

STEVE AHLEN: Hubo un momento en el que acaba de nombrar todo algo tonto.

PEDRO FISHER: Hay piones, kaones ...

MEENAKSHI NARAIN: ... bosones W, Z-bosones.

PEDRO FISHER: ... cinco partículas Upsilon diferentes ... lambdas ...

STEVE AHLEN: ... gluones para la fuerza fuerte ...

PEDRO FISHER: ... omegas, sigmas.

MEENAKSHI NARAIN: ... muones.

STEVE AHLEN: ¿Quién ordenó eso?

PEDRO FISHER: Y mi favorita es la partícula tau.

DAVE WARK: Esta panoplia de partículas se llama el modelo estándar, y es nuestra mejor imagen de lo que el universo está hecho de.

Pero tan deslumbrante como es, sabemos que el carnaval es incompleta.Tiene que haber otras partículas ocultos por ahí, y necesitamos un nuevo experimento para encontrarlos.

Físicos Normalmente no llegan a viajar en helicópteros, pero hoy nos quieren ver el experimento más grande del mundo, y hasta aquí es realmente el único lugar que usted puede tener una idea de la escala.

Debajo de mí es la obra de construcción en el CERN, el laboratorio de física de partículas. El nuevo experimento es tan grande que se extiende desde las montañas en Francia, al otro lado de la frontera, al aeropuerto de Ginebra en Suiza. Eso es porque la parte principal consiste en un túnel circular de 16 millas a la redonda. El túnel es el hogar, el más poderoso acelerador de partículas más grande del mundo nunca, llamado el Gran Colisionador de Hadrones o LHC. Porque es tan grande, LHC nos permitirá profundizar en las cosas del universo que nunca hemos ido antes.

Este túnel se está llenando de gigantes electroimanes, y, de hecho, se puede ver algunos de ellos en el suelo allí mismo.

Esta es mi parada.

Cada imán tubular cuesta cerca de un millón de dólares, y el LHC tendrá más de 1.600 de ellos.

Entonces, ¿qué es esto?

MARTA Bajko (Acelerador Technology Group, CERN): Este es el imán; este es el imán que está dentro de este tubo azul grande.

DAVE WARK: Los imanes están diseñados para mantener esas pequeñas partes de un átomo llamado protones que fluyen en un haz estrecho a través del túnel. Cuando todos están conectados entre sí en un anillo, los imanes creará una pista de carreras de 16 millas para los protones.

En el anillo, los campos magnéticos potentes fuerzan los protones para dar la vuelta en un círculo, y cada vez que van ronda reciben un poco de patada de un campo eléctrico, por lo que ir cada vez más rápido hasta que, finalmente, están viajando casi a la velocidad de la luz.

MARTA Bajko: De hecho, las partículas, que están viajando en estos dos tubos. En uno de los tubos de las partículas están viajando en una dirección, en el otro tubo en la dirección opuesta.

DAVE WARK: Así que hay en realidad dos haces de partículas, yendo en direcciones opuestas?

MARTA Bajko: Exactamente. Sí.

DAVE WARK: Un haz de ir en una dirección y un haz de ir a otro lado. Y hay dos haces, porque usted va a chocar ellos?

MARTA Bajko: Exactamente.

DAVE WARK: Esta es una técnica que es familiar para los físicos. Un protón viajar cerca de la velocidad de la luz, aunque absolutamente pequeña, llevará una gran cantidad de energía. Dos de ellos viajan en direcciones opuestas llevará el doble de energía. Haz que chocan y la mayor parte de esa energía puede ser liberada en una pequeña, pero poderosa explosión.

Con suficiente energía, la explosión debería crear partículas fundamentales que nunca hemos visto antes. Si eso sucede, será en una pequeña región justo en el centro de una vasta caverna subterránea.

Este es uno de los cuatro lugares alrededor del anillo, donde los dos haces en realidad colisionar. Un rayo vendrá de un tubo de rayo pequeño, desde la mitad de ese agujero por allá, y volar por encima de mi cabeza. El segundo rayo llega a través de ese agujero por allá, y en lo alto por encima de mi cabeza, en medio de la cavidad, los dos protones chocarán.

Ahora, estamos en colisión dos diminutos protones. ¿Por qué necesitamos esta vasta caverna para averiguar lo que sucede? Bueno, con el fin de detectar si las partículas nuevas se han creado en una colisión, los investigadores tienen que llenar esta caverna con algunos de los más complejos instrumentos científicos jamás creados.

La que aquí se llama CMS.

Este es un extremo de la gran detector CMS; Todo el detector consiste en una serie de estas placas, cada una de las cuales está equipada con miles de detectores se pueden ver aquí. A medida que avanzamos hacia abajo vemos un gran número de estos que serán todos deslizaron juntos para hacer el detector final. No hay espacio para nada se desperdicia. Este gran agujero parece un agujero en el detector, pero de hecho el agujero en esos detectores es llenado por estos detectores.

Diferentes detectores recogen diferentes tipos de partículas, y emparedadas juntas van a crear un único enorme cilindro que rodea completamente el punto donde los protones chocan. Eso es importante porque, como las partículas vuelan lejos de la colisión a través del detector, dejarán pistas que forman una especie de huella digital.

Es mediante el análisis de estas huellas que los científicos deberían ser capaces de saber si una nueva partícula se creó brevemente en el momento de la colisión.

PEDRO FISHER: Es por eso que los experimentos son enormemente complicado. Tienen que identificar todas las cosas que salen de dos protones que golpean.

STEVE AHLEN: Los experimentos del LHC son, con mucho, el más difícil que jamás se han hecho en la física de alta energía, y tal vez cualquier experimento.

DAVE WARK: De hecho, los experimentos son tan complicados que se necesita físicos de docenas de países para quitárselos.

LHCMIEMBRO

DEL EQUIPO 1: Yo soy de Suiza.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 2: Yo soy de Bélgica.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 3: ... sono Italiana, Toscana.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 4: ... Francia.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 5: ... Japón.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 6: ... Austin, Texas.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 7: ... ruso.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 8: ... UK.

LHCMIEMBRO

DEL EQUIPO 9: ... California.

LHC del miembro de equipo 10: Soy de Senegal.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 11: ... Nueva Jersey.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 12: ... Colombia.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 13: ... la India, de Bombay.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 14: ... de Alemania.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 15: ... Argentina.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 16: Soy de Togo, África Occidental.

LHC del miembro de equipo 17: Yo soy de Brasil.

LHC MIEMBRO DEL EQUIPO 18: Y yo soy de la República Checa.

JIM Bensinger universidad de Brandeis): Usted conoce a la gente de todo el mundo. Hablas con ellos; a obtener su punto de vista; que el intercambio de ideas. Todos ellos tienden a ser físicos, por lo que no es tan amplia, pero me parece que eso es emocionante. Si el resto del mundo trabajó cómo lo hacemos, tendríamos muchos menos problemas.

DAVE WARK: Un problema que tienen es el análisis de la gran montaña de datos que el LHC va a producir, porque cuando se está ejecutando, que va a crear unos mil millones de colisiones de protones por segundo. Y va a estar funcionando 24/7.

Tejinder Virdee: Recibimos 40 millones de megabytes de datos creados cada segundo.

DAVE WARK: Cuarenta millones de megabytes, gigabytes 40.000, o que serían 1.000 grandes discos para su equipo doméstico cada segundo.

Tejinder Virdee: Sí, es alucinante. La cantidad de datos que estamos generando en un año es 10 veces más grande que todos los datos en la Web-almacenado World-Wide.

DAVE WARK: De hecho, la World Wide Web fue inventada aquí en el CERN para analizar los resultados de los experimentos anteriores.

Pero el LHC tiene datos de manera mucho más, tendrá el poder del sucesor de la Web, algo que se llama "la red." El uso de millones de ordenadores de todo el mundo, la rejilla se convertirá poder de computación de alta velocidad en una mercancía, como la música o el teléfono de atención, de que, algún día pronto, todo el mundo será capaz de comprar en línea.

Todo esto es parte de una búsqueda para entender el mundo en el más mínimo detalle.

Un misterio científicos les encantaría resolver es por qué algunas de las partículas ahora zumbando alrededor del universo tienen masa.

STEVE AHLEN: El hecho es que, desde el punto de vista de un físico, desde el punto de vista de un filósofo, desde un punto de vista observacional, la masa es bastante misterioso.

DAVE WARK: En nuestra mejor teoría de la materia, el Modelo Estándar, todas las partículas realmente fundamentales son como los fotones de las partículas de luz en que no tienen masa intrínseca.

Pero sabemos que los objetos en el mundo real tienen masa, y los científicos saben que las partículas como los protones y los electrones también tienen masa. Entonces, ¿dónde esa masa viene?

PEDRO FISHER: ¿Por qué las partículas tienen diferentes masas? Y ¿por qué tienen masa en absoluto? Misa no es algo que surge de forma natural a partir de una teoría.

MEENAKSHI NARAIN: Básicamente, no entendemos por qué algunas partículas llegaron en masa y otras no. ¿Que pasó? Lo que dio de masas?

DAVE WARK: La idea principal para explicar la masa es algo que se llama el campo de Higgs, un campo que creemos que impregna todo el espacio y que las partículas fundamentales interactúan.

El campo de Higgs es como algodón de azúcar cósmica; se pega a todo. Y, de acuerdo con esta idea, en realidad es que la rigidez que da partículas su masa.

Si el campo de Higgs, junto con una partícula de Higgs, realmente existe, entonces el Gran Colisionador de Hadrones debe encontrarlo. Y eso sería un triunfo para el Modelo Estándar.

Pero dado que el LHC se llevará a la caza de partículas a un nivel completamente nuevo, muchos físicos esperan que destapará tipos de materia que ni siquiera hemos soñado.

MEENAKSHI NARAIN: El mejor de los casos, en mi mente: no encontramos la partícula de Higgs, y nos encontramos con un nuevo conjunto de nuevas partículas conjunto.

STEVE AHLEN: Yo no me importa lo que encontramos. Usted sabe, yo sólo quiero salir ahí y mirar algo y ver algo que nadie ha visto antes. Eso es lo que me motiva.

PEDRO FISHER: Es sólo un viaje de descubrimiento. Está mirando hacia el cosmos y tratando de ver dónde encajamos en él.

Un viaje a través del espacio-tiempo

Nuestro sentido común nos dice que el espacio y el tiempo son, fundamentalmente, las cosas separadas.Experimentamos el espacio como una arena de 3-D en el que nuestros cuerpos se mueven, y marcamos el tiempo con relojes marcando y el envejecimiento de nuestros cuerpos. Pero la teoría revolucionaria de Albert Einstein de la relatividad especial muestra que el espacio y el tiempo son en realidad vinculados en un reino 4-D llamado espacio-tiempo. Aquí, explorar la lógica detrás de una visión asombrosa de Einstein, y jugar con una simulación que muestra cómo viajar cerca de la velocidad de la luz cambia

su experiencia del fluir del tiempo y el tejido del espacio.

LANZAMIENTO INTERACTIVO

Únete a Albert Einstein en un viaje en taxi de alta velocidad para ver por qué el espacio y el tiempo son realmente en el ojo del espectador.

Transcripción

UN VIAJE A TRAVÉS DEL ESPACIO-TIEMPO

Ver cómo el espacio y el tiempo están en el ojo del que mira

1. Einstein entendió que la velocidad de la luz no cambia nunca. Todos los observadores, sin importar dónde estén o qué tan rápido se están moviendo, medirán la misma velocidad de la luz.

2. Einstein se dio cuenta de que si la velocidad de la luz nunca cambia, entonces dos personas que se desplazan a grandes velocidades relativas entre sí experimentarán TIEMPO diferente.

Imagina un reloj hecho de dos espejos. Cada vez que la luz rebota en el espejo de fondo, el reloj avanza hacia adelante una marca.

3. Ahora, poner el reloj en una cabina imaginaria que puede viajar en un 80% la velocidad de la luz. Para el conductor del taxi, así es como el tiempo fluye:

4. Pero si estuviera de pie en un paso de peatones viendo la cabina por un zoom, deberá percibir el paso del tiempo dentro de la cabina de manera muy diferente.

Observando desde el paso de peatones, que se vería el reloj dentro de la cabina marcando mucho más lentamente. A pesar de que el haz de luz se desplaza exactamente a la misma velocidad, desde su perspectiva, está cruzando una distancia más larga, y por lo tanto tomar más tiempo para hacerlo.

5. Pero eso no quiere decir que el conductor del taxi percibe el paso del tiempo más rápido en el paso de peatones. De hecho, desde su perspectiva, es como si él está parado y el paso de peatones es el zoom por él en la otra dirección. Así que para el conductor del taxi, el tiempo pasa más lentamente en el cruce de peatones.

Los físicos llaman a este efecto TIEMPO DILATACIÓN.

6. Aún más sorprendente, la velocidad constante de la luz significa que el espacio también cambia para los observadores con respecto al otro en movimiento.

Si el conductor del taxi y en el paso de peatones están de acuerdo acerca de la velocidad de la luz, pero no están de acuerdo sobre las medidas de tiempo, también debe estar de acuerdo sobre las medidas de longitud. Es la única forma en que la velocidad de la luz, una medida de la distancia / tiempo permanecerá constante. Mira como...

7. Imagina que el conductor del taxi, ya que se acerca a su paso de peatones, enciende sus faros. La luz viaja a cerca de 1 pie / nanosegundo. Para que en el paso de peatones, se tarda 10 nanosegundos para la luz para viajar de un lado del paso de peatones a la otra. Así se calcula que la longitud del paso de peatones es de 10 pies.

Sin embargo, las medidas taxista esta longitud como menos de 10 pies.¿Como puede ser esto?

8. Recuerde que el conductor del taxi experimenta el paso del tiempo de manera diferente. Para él, parece que la luz tarda menos de 10 nanosegundos para cruzar el paso de peatones. Por lo tanto, se calcula la longitud del paso de peatones como menos de 10 pies.

Los físicos llaman a este efecto LONGITUD contracción.

9. Al igual que con la dilatación del tiempo, la situación puede invertirse: Para usted en el paso de peatones, la cabina de zoom por también parece estar contratado de longitud.

Para explorar este fenómeno relatividad especial en la acción-subida a bordo de nuestro taxi imaginario. Vea usted mismo cómo viajar cerca de la velocidad de la luz cambia el paso del tiempo y el tejido del espacio.

Tome un viaje en taxi de alta velocidad con Einstein

Vea cómo, a un observador estacionario, su longitud se contraerá como la velocidad del taxi estás en aproxima a la velocidad de la luz.

Usa tu cámara web para tomar una foto de sí mismo, o subir uno de su equipo, y lo puso en el taxi.

Mueva el control deslizante para ajustar la velocidad de la cabina, y ver cómo esto cambia tanto el espacio y el tiempo.

Relatividad Especial en pocas palabras

La relatividad del espacio y del tiempo es una conclusión sorprendente.He sabido de ella desde hace más de 25 años, pero aún así, cada vez que me siento y pienso en silencio a través de, estoy asombrado. A partir de la declaración de bien nacido que la velocidad de la luz es constante, se concluye que el espacio y el tiempo están en el ojo del espectador.

Einstein demostró que el tiempo y el espacio no son fijos entidades, como parecen a nosotros, pero son en realidad cambiante.Como explica Brian Greene, todo se basa en el estado de un observador del movimiento en comparación con la de otro observador que se mueve a una velocidad diferente. AmpliarFoto: © Tiffany Chan / iStockphoto

TIEMPO Y ESPACIO SON RELATIVOS

Cada uno de nosotros lleva nuestro propio reloj, nuestro propio monitor del paso del tiempo. Cada reloj es igualmente preciso, sin embargo, cuando nos movemos con relación a otra, estos relojes no están de acuerdo. Se caen fuera de sincronización; que miden diferentes cantidades de tiempo transcurrido entre dos eventos elegidos. Lo mismo es cierto de la distancia. Cada uno de nosotros lleva nuestro propio criterio, nuestro propio monitor de la distancia en el espacio.Cada criterio es igualmente preciso, sin embargo, cuando nos movemos con relación a otra, estas varas de medir no están de acuerdo; que miden diferentes distancias entre las ubicaciones de los dos eventos especificados.

Si el espacio y el tiempo no se comportan de esta manera, la velocidad de la luz no sería constante y dependería de estado del observador del movimiento. Pero es constante; espacio y el tiempo hacen comportarse de esta manera. Espacio y tiempo se ajustan a sí mismos de una manera exactamente compensar por lo que las observaciones de la velocidad de la luz producen el mismo resultado, independientemente de la velocidad del observador.

Obtención de los datos cuantitativos de precisión cómo las medidas del espacio y el tiempo son diferentes es más complicado, pero requiere sólo álgebra escolar. No es la profundidad de las matemáticas que hace que la relatividad especial de Einstein desafiante. Es el grado en el que las ideas son extranjeras y aparentemente incompatibles con nuestras experiencias cotidianas. Pero una vez que Einstein tenía la llave visión en la comprensión de que tenía que romper con los más de 200 años de edad, la perspectiva newtoniana en el espacio y el tiempo no era difícil de llenar en los detalles. Él fue capaz de mostrar con precisión cómo las mediciones de distancias y duraciones de una persona deben diferir de los de otra, a fin de garantizar que cada uno mide un valor idéntico a la velocidad de la luz.

Einstein nos enseñó que debemos tener en cuenta no sólo el movimiento a través del espacio, pero el movimiento a través del tiempo. Los dos están inextricablemente entrelazados. AmpliarFoto: © Mark Evans / iStockphoto

UNA IDEA EXTREMADAMENTE SIMPLE

Para tener una idea más completa de lo que encontró Einstein, imaginar que Bart tiene un monopatín con una velocidad máxima de 65 millas por hora. Si se dirige hacia el norte a la máxima velocidad-lectura, silbando, bostezando, y de vez en cuando mirando a la carretera, y luego se funde en una carretera que apunta en dirección noreste, su velocidad en dirección hacia el norte será inferior a 65 millas por hora.La razón es clara. Inicialmente, toda su velocidad se dedicó al movimiento hacia el norte, pero cuando cambió la dirección un poco de esa velocidad se desvió en movimiento hacia el este, dejando un poco menos para dirigirse hacia el norte.

La velocidad combinada del movimiento de cualquier objeto a través del espacio y su movimiento a través del tiempo es siempre exactamente igual a la velocidad de la luz.

Esta extremadamente simple idea en realidad nos permite capturar la idea central de la relatividad especial. Así es cómo:

Estamos acostumbrados al hecho de que los objetos pueden moverse a través del espacio, pero hay otro tipo de movimiento que es igualmente importante: Los objetos también moverse a través del tiempo. En este momento, el reloj en su muñeca y el reloj de la pared están marcando distancia, lo que demuestra que usted y todo a su alrededor se está moviendo sin cesar a través del tiempo, sin cesar en movimiento de un segundo a la siguiente y la siguiente. Newton creía que el movimiento a través del tiempo fue totalmente independiente del movimiento a través del espacio-pensó estas dos clases de movimiento no tenían nada que ver entre sí. Pero Einstein encontró que están íntimamente ligados.

MOTION A TRAVÉS DEL TIEMPO

De hecho, el descubrimiento revolucionario de la relatividad especial es la siguiente: Cuando nos fijamos en algo así como un automóvil estacionado, que desde su punto de vista es estacionaria no se mueve a través del espacio, es decir, la totalidad de su movimiento es a través del tiempo. El coche, su conductor, la calle, usted, su ropa está toda en movimiento a través del tiempo en sincronía perfecta: segundo seguido por segundo, marcando distancia uniforme.

Todo el "movimiento" de un automóvil inmóvil es a través del tiempo, pero en cuanto se acelera de distancia, algunos de la moción de que el coche a través del tiempo se desvía en movimiento a través del espacio. AmpliarFoto: © David Birkbeck / iStockphoto

Pero si el coche acelera de distancia, algunos de su movimiento a través del tiempo se desvía en movimiento a través del espacio. Y así como la velocidad de Bart en la dirección hacia el norte, se ralentizó cuando desvió un poco de su movimiento hacia el norte en el movimiento hacia el este, la velocidad del vehículo a través del tiempo se ralentiza cuando se desvía un poco de su movimiento a través del tiempo en movimiento a través del espacio. Esto significa que el progreso del coche a través del tiempo se ralentiza, y por lo tanto el tiempo transcurre más lentamente para el coche en movimiento y su conductor de lo que transcurre para usted y todo lo que permanece inmóvil.

Eso, en pocas palabras, es la relatividad especial.

MOVIMIENTOS COMPLEMENTARIOS

De hecho, podemos ser un poco más preciso y tomar un paso más allá de la descripción. Bart no tuvo más remedio que limitar su velocidad máxima de 65 millas por hora. Esto es importante para la historia, porque si él aceleró lo suficiente cuando ángulo noreste, podría haber compensado la desviación de velocidad y por lo tanto mantiene la misma velocidad neta hacia el norte. Pero no importa lo duro que aceleró el motor de la patineta, su total de velocidad de la combinación de su velocidad hacia el norte y su velocidad hacia el este-permanecido fija en el máximo de 65 millas por hora. Y así, cuando cambió su dirección un poco hacia el este, que causó una disminución necesariamente norte velocidad.

La relatividad especial declara una ley similar para todo el movimiento: la velocidad combinada de movimiento de cualquier objeto a través del espacio y su movimiento a través del tiempo es siempre exactamente igual a la velocidad de la luz. Al principio, es posible retroceder instintivamente de esta declaración ya que estamos acostumbrados a la idea de que nada más que la luz puede viajar a la velocidad de la luz.Pero esa idea familiar se refiere unicamente al movimiento a través del espacio. Ahora estamos hablando de algo relacionado, pero más rico: el movimiento combinado de un objeto a través del espacio y el tiempo.

El hecho clave, Einstein descubrió, es que estos dos tipos de movimiento son siempre complementarios. Cuando el coche aparcado que estaba buscando a velocidades de distancia, lo que realmente sucede es que algunos de su movimiento velocidad de la luz es desviada por el movimiento a través del tiempo en movimiento a través del espacio, manteniendo su total combinado sin cambios. Dicho desvío significa unassailably que el movimiento del automóvil a través del tiempo se ralentiza.

Debido a que el movimiento a través de tiempo y espacio siempre debe sumar a la velocidad de la luz, cuando un objeto (como un fotón) se mueve por el espacio a la velocidad de la luz, Einstein razonó, no hay "espacio" para el movimiento a través del tiempo, y el tiempo, en consecuencia, , se detiene. AmpliarFoto: © Barbara Henry / iStockphoto

TIEMPO DE PARADA

Como ejemplo, imagine Bart podría ir 500000000 mph en su patineta, eso es cerca de tres cuartas partes de la velocidad de la luz, que es de aproximadamente 670 millones mph y su hermana Lisa, que está de pie todavía, podía ver su reloj mientras aceleraba pasado su. Vería que estaba corriendo alrededor de dos tercios de lo más rápido que el suyo.Por cada tres horas que pasaron en el reloj de Lisa, ella vería que sólo dos habían pasado Bart. Su rápido movimiento a través del espacio habría demostrado una fuga significativa de su velocidad a través del tiempo.

Esto no es juego de palabras diestro, juego de manos, o ilusión psicológica. Así es como funciona el universo.

Por otra parte, se alcanza la máxima velocidad por el espacio cuando todo movimiento velocidad de la luz a través del tiempo está completamente desviada en movimiento velocidad de la luz a través del espacio-una forma de entender por qué es imposible ir por el espacio a una mayor que la velocidad de la luz. Luz, que siempre viaja a la velocidad de la luz a través del espacio, es especial, ya que siempre se logra esa desviación totales.

Y así como conducir hacia el este no deja de movimiento para viajar al norte, que se mueve a velocidad de la luz a través del espacio no deja ningún movimiento para viajar a través del tiempo! El tiempo se detiene cuando se viaja a la velocidad de la luz a través del espacio. Un reloj usado por una partícula de luz no marque nada. Light se da cuenta de los sueños de los Ponce de Leí³n y la industria de los cosméticos: Es no envejece.

LA NATURALEZA DE LA NATURALEZA

Como esta descripción deja claro, los efectos de la relatividad especial son más pronunciados cuando la velocidad (a través del espacio) son una fracción significativa de la velocidad de la luz. Pero la naturaleza desconocida, complementaria de movimiento a través del espacio y el tiempo siempre se aplica. Cuanto menor sea la velocidad, más pequeña es la desviación de prerelativity física del sentido común, es decir, pero la desviación es todavía allí, para estar seguro.

Puede que no, de hecho, no podemos, intuitivamente comprender la relatividad del espacio y el tiempo. Sin embargo, esa es la forma en que el universo funciona, dice Greene. Aquí, el cometa Hale-Bopp.AmpliarFoto créditos: © tpuerzer / iStockphoto

En verdad. Esto no es juego de palabras diestro, juego de manos, o ilusión psicológica. Así es como funciona el universo.

En 1971, Joseph Hafele y Richard Keating volaron el estado de la técnica de los relojes atómicos de cesio-viga alrededor del mundo en un comercial de Pan Am chorro. Cuando compararon los relojes volado en el avión con relojes idénticos dejado inmóvil en el suelo, se encontraron con que había transcurrido menos tiempo en los relojes en movimiento.La diferencia era pequeña-unos pocos cientos de mil millonésimas de segundo, pero fue precisamente en el acuerdo con los descubrimientos de Einstein. Usted no puede conseguir mucho más tuercas y pernos que eso.

Brian Greene es profesor de física y matemáticas en la Universidad de Columbia. Él es el autor de La Tela del Cosmos, de la que fue extraído este ensayo y en el que se basa la serie NOVA cuatro partes que se estrenará en el otoño de 2011. Greene es también el autor de El universo elegante el tema de una serie NOVA de tres partes que salió al aire en 2003, y la realidad oculta.

Un salto cuántico en Informática

Imagina un ordenador futurista tan poderoso que podía resolver rápidamente los problemas que incluso un superordenador de hoy iba a necesitar miles de millones de años para lidiar con. Si bien aún no existe, prototipos de una máquina tan mágico están

actualmente en funcionamiento en el MIT, la clasificación de los rompecabezas de la física cuántica que ninguna computadora ordinaria podía manejar. En esta entrevista, el MIT ingeniero mecánico Seth Lloyd, quien ayudó a establecer el campo de la computación cuántica, describe su potencial revolucionario.

Seth Lloyd piensa que los ordenadores cuánticos similares a éste no sólo tendrán aplicaciones prácticas, sino también ayudar a resolver los misterios de la totalmente extraño y super-pequeño reino cuántico. AmpliarFoto: © WGBH Educational Foundation

LIMONADA EXTRAÑA

NOVA: La mecánica cuántica nos ha enseñado que la naturaleza es bastante raro. ¿Se puede tomar ventaja de eso?

Seth Lloyd: La mecánica cuántica es raro, eso es sólo la forma en que es. Es una cosa triste, pero es verdad. De hecho, hay un fenómeno curioso que las personas que reciben sus premios Nobel en la mecánica cuántica no creen en la mecánica cuántica, porque es muy raro, empezando por Einstein. Einstein recibió el Premio Nobel por el efecto fotoeléctrico, todo acerca de la mecánica cuántica y fotones, sin embargo, nunca creyó en la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica es algo completamente extraño y contradictorio. No podemos creer que las cosas pueden estar aquí [en un sólo lugar] y no [en otro lugar] al mismo tiempo. Y sin embargo, esa es una pieza fundamental de la mecánica cuántica. Entonces la pregunta es, la vida nos está tratando limones extraños, podemos hacer un poco de limonada raro de todo esto?

Bueno, si usted puede tener algo que es aquí y allá al mismo tiempo, entonces usted puede tener un bit cuántico [de la información], o Q-bit como se le llama a veces, que pueden registrarse con eficacia cero y uno al mismo tiempo. Si puede hacer eso, usted puede comenzar a procesar la información de alguna manera cobarde, la mecánica cuántica, que nadie entiende, que le permite tomar ventaja de esta rareza cuántica.

Vamos a retroceder a algunos conceptos básicos. ¿Cómo funciona una información tradicional tienda de informática?

Por supuesto. Una computadora digital tradicional como el que tengo en mi escritorio funciona descomponiendo la información en sus más pequeños trozos posibles. La porción más pequeña de información es un poco. Un poco se piensa normalmente que ser cero o uno. Lo que hace una computadora no es más que el busto hasta la información en los trozos más pequeños y luego voltear ellos realmente, realmente, realmente rápidamente de una manera sistemática.

Es que la información que cero o uno, algo físico, como un interruptor?

Sí. El físico de IBM Rolf Landauer le gustaba decir "la información es física." Es un lema, pero realmente es cierto en el sentido de que cada vez que procesamos la información, ya sea en un ordenador o en nuestro cerebro, que la información está representada por algo. En su computadora, si usted tiene un montón de electrones más aquí nos llame que un cero y un montón de electrones más allí nos llaman que un uno. Y si estos electrones van de aquí para allá, entonces cero se está convirtiendo en uno, el bit está volteando. Una computadora ordinaria es simplemente hacer que con muchos, muchos bits, miles de millones de veces por segundo.

¿Cómo es un ordenador cuántico diferente?

Piense en la miniaturización de un ordenador de modo que un bit se almacena en un electrón individual, de modo que un solo electrón aquí es cero y un solo electrón más hay. Ahora, un electrón tiene esta característica divertida en la mecánica cuántica que es realmente una onda, y esta ola puede ser a la vez aquí y allá al mismo tiempo. Y eso significa que el bit cuántico que el electrón representa registros tanto cero y uno al mismo tiempo. También menea hacia arriba y abajo muy parecido a una ola.

Así que ¿cómo hacer que esos bits cuánticos en una computadora?

Bueno, eso es más complicado! Pero la naturaleza nos provee de una gran cantidad de electrones. Y en el fondo, la naturaleza es la mecánica cuántica, por lo que todas las cosas que nosotros consideramos como partículas como los electrones tienen ondas asociadas con ellos. Si somos capaces de controlarlos de manera sistemática, entonces podemos hacer un ordenador cuántico.

Los Q-bits en el corazón de esta computadora cuántica son

superconductores circuitos más o menos del tamaño de bacterias demasiado pequeños para ver a simple vista.Desconcertante nuestras nociones de lo que es posible, estos circuitos puede funcionar en ambos sentidos simultáneamente. AmpliarFoto: © WGBH Educational Foundation

CODEBREAKING: UN "QILLER" APP

¿Por qué los ordenadores cuánticos útil? ¿Son, en cierto sentido, mejor que un ordenador estándar?

Bueno, la primera razón por la que los ordenadores cuánticos son útiles es que son simplemente genial, seamos sinceros! Al igual que, tan raro, como, Whoa! Increíble, puede que realmente sucederá? Y la respuesta es "sí", porque se puede construir ordenadores cuánticos y hemos estado construyendo durante años ahora.

Pero la segunda razón es que si usted tiene una manera diferente, y una manera fundamentalmente extraño, de registro y procesamiento de la información, entonces significa que usted puede hacer cálculos de manera que nuestros cerebros clásicos no podrían haber soñado.

Ahora, de hecho, durante muchos años, nadie podía realmente averiguar los problemas que los ordenadores cuánticos podrían resolver mejor que los clásicos y los ordenadores cuánticos eran en gran parte sólo una especie de curiosidad. Eran conocidos a ser posible en teoría. Luego, hace unos 15 años, le mostré que eran posibles en la práctica, proponiendo una manera de construir ordenadores cuánticos.Pero nadie tenía una buena aplicación para ellos.

Luego, en 1994, Peter Shore, que estaba entonces en el AT & T y ahora está en el MIT, se le ocurrió una killer app para los ordenadores cuánticos. (Y tal vez deberíamos deletrearlo Qiller porque cada vez que cuantifica algo, usted toma una carta y convertirlo en un Q.) La aplicación Qiller para ordenadores cuánticos es romper los códigos, los códigos, como los que utilizamos cada vez que utilizamos nuestras tarjetas bancarias.

¿Cómo funcionan estos códigos?

Obras criptografía de clave pública de la siguiente manera: Supongamos que quiero comprar una canción en iTunes, y yo les doy mi número de tarjeta de crédito. Bueno, si me acaba de enviar el número de mi tarjeta de crédito a través de Internet, que no sería una muy buena idea porque cualquiera que esté escuchando podría usarlo para comprar cosas que es más caro que una canción en iTunes. Así iTunes me envía lo que se llama una clave pública, y utilizo esta clave pública para cifrar mis datos de mi tarjeta de crédito. Ahora, iTunes también posee algo que se llama una clave privada, lo que les permite decodificar esa información. Así que la clave pública permitirá a nadie para codificar la información, pero sólo la persona que tiene la clave privada puede decodificar esa información.

La manera normal de hacer la criptografía de clave pública fue desarrollado por [Ron] Rivest, [Adi] Shamir y [Len] Adleman aquí en el MIT. La idea es que usted tiene un número muy largo, cientos de dígitos de longitud, y este número es el producto de dos números más pequeños. El número de larga es la clave pública, y las cifras que componen el producto son la clave privada. Así que con el fin de obtener la clave privada de la clave pública, tiene que averiguar lo que los dos números más pequeños son. Esto se conoce como el factoring, ¿verdad? Al igual que los factores de 15 son tres y cinco. Bueno, factoring 15 no es demasiado difícil, pero factorizar un número que es 500 dígitos es duro. Las computadoras cuánticas puede factorizar números grandes con facilidad, y esto es lo que Peter Shore nos dijo.

Con todo el tiempo del mundo, ¿crees que podrías averiguar lo de dos números, multiplicados entre sí, hacen de este producto 500 dígitos? Un ordenador cuántico podría-rápidamente.AmpliarFoto: © WGBH Educational Foundation

No puede un factor ordenador normal un número de 500 dígitos?

Un ordenador digital convencional, clásica podría, de hecho, el factor de un número de 500 dígitos, pero los métodos sólo conocidos son, básicamente, bueno, vamos a tratar estos dos números y multiplicarlos juntos y ver si es tan grande número. Vamos a tratar de estos otros dos números. El problema es que hay gagillions-eso es un mandato de no técnica son gagillions de números que podrían multiplicarse juntos, y para explorar todos esos números serían esencialmente tomar la edad del universo en un ordenador digital convencional, incluso los mayores superordenadores.

Entonces, ¿cómo puede un ordenador cuántico resolver el problema?

En un ordenador cuántico, en realidad se puede factorizar estos números muy, muy rápidamente. La forma en que funciona es, bueno, es muy astuto y difícil, pero todo se reduce a lo siguiente:

En este problema de factoring, hay una especie de una periodicidad oculta. Así que usted puede reformular el problema de factoring como, oh, tengo esta onda, y se menea hacia arriba y hacia abajo sobre un muy largo tiempo. Intuitivamente, la mecánica cuántica es acerca de las ondas. Y cero y uno tiene una onda que se asocia con ellos, y este número gigantesco que es cientos y cientos de dígitos de longitud también tiene ondas asociadas con ella. Ahora, las olas son famosos, ya sabes, ondulado, y los ordenadores cuánticos son rematadamente bueno en averiguar cómo las ondas rápido meneo de arriba abajo.

Peter Shore demostró que puede configurar este problema factoring por lo que si te dan la ola para este número de 500 dígitos, entonces usted puede encontrar las olas ocultos para los dos números de 250 dígitos que, cuando se multiplican entre sí, que el dar número 500 dígitos. Es muy astuto, e implica más cosas que eso, pero en su corazón cuántica, las tripas del problema cuántica, que es lo que es, la búsqueda de la periodicidad de las olas.

PREDECIR EL TIEMPO Y OTROS MILAGROS

¿Qué otros problemas podría resolver la computación cuántica?

Es difícil de encontrar problemas que los ordenadores cuánticos son mejores en la resolución de que los ordenadores clásicos, pero poco después fue propuesto el algoritmo de Shore, [informático] Lov Grover señaló que las computadoras cuánticas podrían buscar una base de datos mucho más rápido que un ordenador clásico. Así, por ejemplo, supongamos que tengo nueve bolsillos, y mi cartera está en uno de ellos. Tengo que mirar en un máximo de nueve bolsillos antes de encontrar mi billetera. Bueno, un ordenador cuántico podría hacer eso en tan sólo tres operaciones. Y si tuvieras 100 bolsillos, el ordenador cuántico podría hacerlo en 10 operaciones, o un millón de bolsas, mil operaciones. Así que un ordenador cuántico podría acelerar seriamente la capacidad de buscar una base de datos.

Más recientemente, mis colegas Aram Harrow y Avinatum Hassidim y yo aquí en el MIT mostraron que los ordenadores cuánticos podrían resolver realmente grandes conjuntos de ecuaciones como el tipo que describen el clima o el mercado de valores mucho más rápido que un ordenador clásico. Una vez más, la razón es que hay un tipo de naturaleza ondulatoria oculta a tales ecuaciones. Las olas se suman-son llamados lineal. Hemos demostrado que un ordenador cuántico podría resolver cualquier conjunto de ecuaciones lineales donde las olas están sumando, y este tipo de ecuaciones son muy comunes.

¿Cómo sería mejorar la predicción del tiempo?

Si tuviéramos un sistema de ecuaciones con muchas, muchas variables, como el tiempo, donde hay miles de estaciones meteorológicas conseguir montones y montones y montones de datos, entonces podríamos ser capaces de analizar o analizar esos datos mucho más rápido que un ordenador clásico . En la actualidad, un ordenador clásico podría tomar más tiempo de lo que realmente toma el tiempo para evolucionar para predecir el tiempo. Pero predecir el tiempo sería milagroso. Así lo creeré cuando lo vea.

Las computadoras cuánticas podrían predecir un día mejor los caminos de las grandes tormentas que las computadoras de hoy en día pueden manejar. AmpliarFoto: NOAA-NASA

¿Hay otras aplicaciones importantes para la computación cuántica?

Hay. Ordenadores clásicos tienen un tiempo muy difícil el análisis de la materia cuántica. Y hace mucho tiempo que el premio Nobel Richard Feynman especuló que las computadoras cuánticas podrían ser bueno en las burlas de las características de los sistemas físicos. Feynman dijo, bueno, si acabamos de tener un ordenador cuántico, entonces podríamos asignar la rareza cuántica del sistema que estamos tratando de analizar a la rareza cuántica de la computadora y luego en realidad podríamos averiguar qué diablos está pasando. Hace unos 10 años, demostré que, de hecho, usted puede hacer esto. Este [sistemas cuánticos que estudian] es quizás la aplicación más común de los ordenadores cuánticos en este momento.

Se ha descubierto recientemente que los sistemas de vida reales, tales como bacterias fotosintéticas de las plantas están utilizando técnicas rareza cuántica cobardes para que el transporte de energía en plantas y bacterias ser mucho, mucho más eficiente. Era una especie de arrastre porque, ya sabes, hemos descubierto todas estas técnicas cuánticas fresco, y luego nos enteramos, espera, estas bacterias han estado haciendo durante mil millones de años! Bueno, no se publican, así que está bien.

Otro ejemplo es en el plegamiento de proteínas. Cuando las proteínas se pliegan en el tipo de configuración al ser biológicamente activo, un montón de cosas cuántica va allí. Es muy difícil para simular el plegamiento de proteínas, incluso en los superordenadores gigantes.Las computadoras cuánticas podrían ser muy útil para mirar estas cosas.

VERDADERO LLEGAR

Así lo real son los ordenadores cuánticos? Parece como si en realidad tienen algunos ordenadores cuánticos haciendo cosas en este momento.

¿Qué tan real son los ordenadores cuánticos? Wow, depende de su noción de la realidad. Soy un profesor de ingeniería mecánica. Yo no me meto con preguntas sobre la naturaleza de la realidad. Por otro lado, en realidad tenemos un montón de ordenadores cuánticos que se sientan alrededor del campus del MIT.

En este momento, tenemos ordenadores cuánticos pequeños, de propósito general que puede hacer básicamente todo lo que les pide que, si pides bien. Entonces tenemos ordenadores cuánticos grandes, para fines especiales que pueden resolver problemas específicos mejor que los ordenadores clásicos pueda. Lo que no tenemos es una de propósito general computadora grande, cuanto de la clase que se necesitaría para romper códigos, infundir miedo en el corazón de la Agencia de seguridad Nacional y otras agencias de tres letras. Lo cual es probablemente una buena cosa.

¿Vamos a conseguirlos?

Es duro para construir ordenadores cuánticos a gran escala. La naturaleza no ha sido lo suficientemente amable que nos permita construir ordenadores cuánticos que tienen bits cuánticos suficientes al factor grandes números y romper códigos. Creo que probablemente va a ser un tiempo razonablemente largo camino antes de que tengamos este tipo de ordenador cuántico.

Ordenadores cuánticos de hoy son máquinas melindrosos. Después de que encierra este equipo en el aislamiento, el equipo de Lloyd debe enfriar a -459 ° F-cerca de cero absoluto, para que los superconductores Q-bits para trabajar su magia. AmpliarFoto: © WGBH Educational Foundation

¿Qué pasa con los ordenadores cuánticos que usted tiene ahora.¿Qué haces con ellos?

Con los ordenadores cuánticos de propósito especial que tienen miles o decenas de miles o, de hecho, miles de millones de bits cuánticos, que pueden simular una variedad de fenómenos cuánticos para entender cómo funcionan estos fenómenos cuánticos complicados.

Entonces tenemos ordenadores cuánticos a pequeña escala con 10 o 15 bits cuánticos, lo que puede hacer casi cualquier cosa que les pedimos. Estas son en realidad dispositivos maravillosos para la comprensión de la rareza natural de la mecánica cuántica. Los pequeños ordenadores cuánticos que hemos estado construyendo durante los últimos 15 años son, efectivamente, este entorno limitado cuántico que nos permite encontrar la manera cuántica obras arena.

Por ejemplo, uno de los mejores usos para los ordenadores cuánticos, incluyendo los de pequeña escala que tenemos ahora, es explorar los tipos y usos de enredo.

ABRAZA QUANTUM WEIRDNESS

¿Cuál es el enredo?

Bien, ahora vamos a ir a alguna rareza cuántica grave. Hasta ahora, sólo hemos encontrado rareza cuántica ordinaria, como los electrones que son aquí y allá al mismo tiempo. Pero también se puede tener dos electrones que se encuentran en algunos realmente cuántica estado no cobarde solo cero y uno, al mismo tiempo, pero cero-uno y uno-cero al mismo tiempo. Esto se llama entrelazamiento.

Al principio, no suena tan extraño. Pero, de hecho, es realmente extraño. Supongamos que tengo electrones que son cero-uno y uno-cero al mismo tiempo. Ahora, hago una medición de uno de los electrones. Bueno, si me parece éste a ser cero, el otro debe ser uno. O si encuentro éste a ser uno, el otro debe ser cero. Parece como si, al hacer una medición en este electrón, he cambiado de alguna manera el estado del otro electrón.

Eso es bastante cobarde. Esto, por cierto, es lo que Einstein realmente se opuso a la mecánica cuántica. Desafortunadamente para Einstein, es el caso. La gente ha hecho muchos experimentos [para probarlo].

¿Por qué fue entrelazamiento tan ofensivo a Einstein?

Bueno, parece como si al hacer algo aquí, que estás instantáneamente cambiar algo allí. Uno [electrónico] podría ser en el laboratorio y el otro podría ser apagado en Alpha Centauri [un sistema estelar más de cuatro años-luz de la Tierra]. Si haces algo aquí en el laboratorio y que de repente cambia algo fuera de Alpha Centauri, que viola todas las nociones de la relatividad, al igual que las señales sólo se propagan a la velocidad de la luz. No es bueno.

Entonces, ¿cómo es posible?

¡No lo sé! Mira, rareza cuántica ya viole nuestras intuiciones. Enredo viola por completo nuestras intuiciones. No sé cómo es posible, pero sé que es posible.

¿Hay usos de enredo?

Un uso bien conocido de enredo es la teleportación, que en un principio parece una locura. Pero, de hecho, resulta que con el enredo en realidad se puede teletransportar cosas. De hecho, si usted puede hacer esto a gran escala, entonces usted no tiene que ir a trabajar. Se podía entrar en el teletransportador en el hogar y se muestran en su trabajo. ("No es la computación cuántica, es desplazamientos cuántica." Lo siento, mala broma.)

de estrellas y galaxias .

Aún así, Linde no estaba satisfecho. Conseguir la inflación para iniciar y terminar en la manera correcta requiere todo ser improbablemente bien convertida. Era hermoso, pero no natural. Habría dos años más de trabajo antes de encontrar la solución: el caos. La inflación no requirió puesta a punto, se dio cuenta; que no necesitaba a tambalearse en el borde de un acantilado. Si el inflatón ubicó en un estado altamente probable y totalmente al azar, entonces en algún lugar entre el lío, no se limita para ser una región con las propiedades adecuadas para provocar inflación. De un mar de caos, una vasta isla de fin surgiría.

Ahí es donde el universo se puso de pie en el frío invierno de Moscú de 1986. Gorbachov había tomado recientemente el cargo de Secretario General del Partido Comunista y acababa de poner en marcha la perestroika reestructuración -la de los sistemas políticos, económicos y educativos rusos. Para los físicos, como Linde, esto generó un extraño silencio. El viejo sistema para conseguir trabajos académicos publicados en el extranjero había sido desechado, pero aún no había sido sustituido por uno nuevo. Así, mientras que la inflación se está desarrollando en los EE.UU., los físicos rusos se vieron obligados a esperar.

Linde esperaba en la cama. Los médicos le dijeron que estaba perfectamente sano, pero se sentía horrible, no obstante. Fue pasando el tiempo leyendo novelas policíacas cuando sonó el teléfono. Era la administración del Instituto de Física Lebedev, donde trabajaba. Ellos le dijeron que iba a viajar a Italia para dar una conferencia pública. No quería ir. Bajo Gorbachov, Linde se permitió sólo un viaje al extranjero cada año, y él no estaba dispuesto a perder en una conferencia pública en la que no estaría trabajando con otros físicos o aprender algo nuevo.Les dijo que estaba demasiado enfermo para viajar. Usted está enfermo hoy, dijeron, pero lo más probable es estar sano de nuevo pronto, ¿no? O estás diciendo que no puede ir al extranjero a todos?

Linde creció asustado. Sabía que si decía que él era incapaz de ir al extranjero, nunca podrían dejarle salir de nuevo- nunca. Tenía que demostrar que podía hacer el viaje, y rápidamente. Era un viernes. Necesitaba llegar al Hospital de la Academia de Ciencias con el fin de obtener un certificado de salud, pero que sólo estaba aprendiendo a conducir y no podía correr el riesgo de una batalla con el hielo de Moscú. Decidió que pagar por un taxi, una decisión financiera que no es fácil. El fin de semana se preparaba la documentación necesaria para viajar, y el lunes invirtió en otro taxi al Instituto. Pagó secretarios que escribir inmediatamente sus papeles, que luego pasó a todos los rincones del Instituto para llegar hasta la última firma requerida. Esa pesadilla burocrática debe haber tenido un mes y medio, y lo logró en cuatro días. Él dejó los papeles, fue a su casa, y se desplomó en la cama. Él no se levantó durante dos días.

Pronto el teléfono estaba sonando de nuevo. El viaje fue establecido, le dijeron, pero los italianos querían ver su conferencia antes de tiempo-el día después de mañana. De repente, Linde cuenta de que tenía una oportunidad de oro. Podía moverse por el sistema systemless y publicar en el extranjero! En lugar de la entrega de su conferencia pública, podría escribir un nuevo papel, darle a los poderes fácticos y se enviaría al extranjero para él, por correo diplomático, ni menos. Sólo había un problema: tenía media hora para hacerlo. Era la única manera de conseguir que escribió a máquina en el tiempo.

Linde estaba sentado con la cabeza entre las manos, rodando de un lado a otro.Piensa, piensa. Se sentía como un comprimido por resorte que le sea despedir a nuevas alturas o romper bajo la tensión. Sabía que los teóricos no pueden simplemente ordenar a las buenas ideas a voluntad-física no funciona de esa manera. Pero hoy en día, pensó, que iba a tener que hacerlo.

Treinta minutos más tarde, que había llegado con la teoría del multiverso inflacionario caótico auto-reproducción. Fue su mayor obra.

Nueva teoría de Linde alcanzó más allá de los límites de la burbuja. En su versión anterior, nuestro pequeño trozo de universo inflacionario podría surgir de algún pequeño tramo de caos. Pero mientras que nuestro universo estaba creciendo, lo que estaba sucediendo detrás de las escenas? Seguramente habría otras regiones en las que la inflación podría surgir. Serían raros, pero no importaba, crecerían tan grande tan rápidamente que pronto dominará el paisaje. Cada región inflacionario crea más de sí mismo, que es auto-reproducción. El proceso termina a nivel local dentro de cada universo isla, pero en las escalas más grandes que realice, produciendo universo tras universo tras universo. En una media hora, Linde había tomado nuestro universo único, una vez que el conjunto de todo lo que alguna vez fue o sería, y duplica que, multiplicado, mutado él, envió a través de una secuencia de espejos deformantes, hasta que surgió en el otro lado un simple mota de nuevo, una burbuja humilde, solitario en un multiverso infinito y creciente.Al ver las ondas de gravedad ... sería como un agua de peces ver.

Cuando se desarrolló por primera vez la idea de la inflación, Linde ni por un segundo pensamiento que sería tecnológicamente factible para probarlo. En principio, no eran maneras que podrían buscar las fluctuaciones de temperatura más pequeñas en el calor remanente del Big Bang, esas pequeñas fluctuaciones cuánticas que sembraron las estrellas y las galaxias, pero que era una medida de precisión que apenas podía imaginar en ese momento. Y si quería soñar aún más grande, bueno, debe haber algo incluso más fundamental fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo en sí, las ondas gravitatorias primordiales. Al ver las ondas de gravedad ... sería como un agua de peces ver. Y viendo las ondas gravitatorias primordiales ... bueno, no es sólo agua, es la primera agua, el origen del agua, el origen de todo. Pero la habilidad tecnológica que se necesitaría para hacer ese tipo de medida, era francamente impensable.querido

El patrón de modo B de BICEP2

Durante un año se sentaron en el resultado. Kuo esperaba el infierno que era real, aunque si se le pedirá que apostaría por ello, no quiso arriesgar el dinero. Tenía un temor persistente de que los B-modos no eran más que la contaminación matemática, simplemente mundana polarización E-modo de escape. El problema era que BICEP2 había estudiado sólo un pequeño trozo de cielo. Cada fragmento de los datos es sólo una pequeña línea segmento es sólo cuando nos fijamos en la forma en que esas líneas se dibujan a través de todo el cielo que surge un patrón. Si los segmentos de línea forman una serie de formas simétricas, como las ondas circulares, que es un modo E: el patrón estándar producido por las mismas fluctuaciones de densidad viejos que crean los puntos calientes y fríos en el CMB. Pero si el patrón se ve asimétrica, como molinillos que giran en una dirección dada, ese es el premio gordo. Sólo las ondas gravitatorias primordiales pueden convertir esos molinetes.

Tenían datos de un parche de 20 ° del cielo, es decir, no mucho. ¿Qué se hace con los segmentos de línea fuera hacia los bordes? Usted ve indicios de patrón de allí, tal vez un ligero arco, una sugerencia de un molinete. Pero lo que si es un círculo?Sus estadísticas comienzan a descomponerse. Así que tirar alguna señal, un sacrificio a los dioses de las barras de error. Pero cómo lograr el equilibrio justo entre la señal y la seguridad estaba lejos de ser clara.

Una noche en Stanford, después de haber tenido la cena y ayudó a los niños a la cama, Kuo notó un e-mail de su estudiante de postgrado, Tolan.

Dos años antes, Kuo había instado Tolan para encontrar una mejor manera de distinguir los correos modos de los B-modos a cabo en los bordes. Tolan comenzó a trabajar en el problema en el lado, "fuera de tuberías." Se les dijo una y otra vez, se adhieren a la tubería, que es la única manera de mantener las cosas funcionando sin problemas, y así fue. Todo el mundo trata la obra de Tolan como una especie de manía lado, por lo que sólo mantiene a él, publicar actualizaciones de vez en cuando a la página web interna del equipo.

Kuo abrió el e-mail. Tengo un anuncio preliminar de la matriz estimador. Tolan había hecho. Había encontrado una manera de separar limpiamente los B-modos de los E-modos, y él había corrido sus datos. Kuo se preparó para la decepción.EstabaSEGURO

de que la señal había desaparecido. Hizo clic en el enlace a la página web interna y escanea resultados de Tolan.

La señal no había desaparecido.

La señal se había vuelto más fuerte.

Las barras de error se habían reducido, y la certeza se habían levantado, entre tres a cinco sigma sigma. Un descubrimiento.

Esa noche, el sol se puso, pero Kuo no podía dormir.

Por la mañana se envió un correo electrónicoTolan: Si esta señal es real, esta es la carrera de casa de todos los jonrones ...

Si fuera real, sería la más cercana a nadie nunca había venido a ver el comienzo de los tiempos. Sería la prueba irrefutable de la inflación. Sería una mirada directa a los fundamentos de la mecánica cuántica del universo, sondeando la física en las energías de un billón de veces más grande que lo que los físicos de partículas podrían lograr en los túneles sagrados del LHC. Si fuera real, Kuo pudo finalmente decirle a sus diez años de edad, uno mismo la respuesta: si el universo no es infinito, es realmente maldita grande.

Es curioso, la diferencia entre el experimento y la teoría. Teoría es la materia de gran drama, llena de momentos "aha". Es gritando Arquímedes, "¡eureka!" En la bañera, es la escritura Guth, "realización espectacular" en su cuaderno, se Linde despertar a su esposa para decirle: "Yo creo que sé cómo se creó el universo." Pero experimento experimento es más como la vida. Es desordenado y ocurre gradualmente después de una buena cantidad de soldadura y los escalofríos y el giro de los tornillos. A veces los resultados son nulos, ya veces los resultados son el polvo, pero poco a poco se suma a algo tangible y real.

¿Nunca más?

Linde y su esposa estaban empacando sus cosas para una vacaciones en el Caribe.

Ellos necesitaban. Habían estado trabajando juntos de nuevo, escribiendo papel después de papel, produciendo un torbellino de trabajo. Linde no podía creer lo mucho que habían hecho. Cada vez que tenía una buena idea, que estaba convencido de que sería la última.

Como personas y como los físicos, que eran una pareja perfecta. Dónde Linde tuvo la intuición física, Kallosh tenido la intuición matemática. Lo que era difícil que un vino fácil para el otro. Vieron el universo diferente, y mientras que el proceso fue doloroso, cada uno de ellos plantearon la otra en su forma de pensar. No es que parecía tan grande en el momento. Cada vez que ellos estaban terminando otro papel, que acabaría gritando: "¡Nunca más!" Pero ellos tomaría un descanso, tal vez unas vacaciones, y luego empezaba de nuevo. Así es como lo fue en su hogar. Ideas eran alimento. Física era aire.

Linde pensó en sus años mozos. Era gracioso ahora a pensar alguna vez había preguntado exactamente lo que debería ser. Ahora comprendía que era un teórico por la misma razón un artista es un artista o un poeta es un poeta, porque es demasiado doloroso no ser.

En la puerta

Kuo caminó por el largo camino de entrada, el ritmo de mantenimiento camarógrafo detrás de él. Para Kuo, la medición en modo B fue un logro tecnológico, al final de una maratón, la sensación de saber que él había jugado una parte indeleble en el gran desarrollo de la ciencia. Pero él sabía que por Linde sería algo diferente: una victoria moral, el triunfo de la razón y la intuición, una validación de 30 años que viene. Se moría de ganas de decirle, él estaba ensayando en su mente. Cinco sigma. Claro como el día. R es igual a 0,2. Él levantó la mano para llamar a la puerta de Linde.

Epílogo

A partir de octubre de 2014, los mapas hechos por Planck sugieren que hay mucho polvo más polarizada en la Vía Láctea que los modelos teóricos habían predicho y que la señal en modo B toda medida por BICEP2 pueden deberse al polvo. Los físicos y astrónomos todavía necesitan más datos para determinar el origen de la señal y de averiguar si las ondas de gravedad están al acecho detrás del polvo. Kuo se está preparando para regresar hasta el Polo Sur en diciembre de configurar BICEP3. El campo del nuevo instrumento de vista será tres veces más grande que la de BICEP2 y medir la luz con una frecuencia de 95GHz. Mediante la comparación de sus resultados con BICEP2, Kuo y su equipo dicen que van a ser capaces de diferenciar las ondas de gravedad del polvo. En cuanto a Linde, que es difícil en el trabajo que incorpora la teoría inflacionaria en las teorías de la física fundamental, convencido de que la evidencia experimental de la inflación es abrumadora, incluso en ausencia de ondas de gravedad y motivados, como siempre, por el poder y la belleza de motivos de la teoría. Ciencia continua.