Las branas son entidades físicas conjeturadas por la teoría M y su vástago, cosmología de branas.
En la teoría M, se postula la existencia de p-branas y d-branas (ambos nombres provienen parasintéticamente de "membrana"). Las p-branas son objetos de dimensionalidad espacial p (por ejemplo, una cuerda es una 1-brana). En cosmología de branas, el término "brana" se utiliza para referirse a los objetos similares al universo cuadridimensional que se mueven en un "bulk" (sustrato) de mayor dimensión. Las d-branas son una clase particular de p-branas.
Descripción
Según la teoría de cuerdas, las membranas existen en la undécima dimensión, en realidad son infinitas. Se dice que cada membrana corresponde a un universo, por ejemplo a nuestro universo le corresponde una membrana y las otras membranas serían universos paralelos. Según algunos físicos el universo es una membrana esférica, los bordes de las membranas forman ondulaciones las cuales están en constante movimiento, se dice que estas membranas se mueven con "forma de olas" en esta dimensión (11ª). Esta dimensión es sumamente delgada e infinitamente larga, estas membranas están en movimiento como las olas en el mar, es decir, las membranas serían burbujas en olas de mar que al chocar inician el big bang; es decir, el big bang es un fenómeno que ocurre una y otra vez.
En el marco de la teoría de cuerdas, la membrana (M) es un conjunto de dimensiones presente, ampliando sus límites.
Se ha llegado a explicar la causa del "Big Bang" por el choque de dos membranas, así, la explosión producida sería la causa del nacimiento y expansión del universo.
La materia y la energía sólo puede transmitirse a través de las cuatro primeras dimensiones, excepto la gravedad que puede difundirse en las once. La materia de una puede alterar el espaciotiempo de otra paralela. De hecho, fenómenos similares fueron los que indujeron la teoría.
Las membranas podrían estar separadas por distancias pequeñísimas unas de otras, incluso, según resultados experimentales, a millonésimas de milímetro. Gracias a este hecho se intentaría explicar por qué la gravedad parece menos fuerte de lo que en realidad es.
Las formas más postuladas son la de membranas planas y paralelas entre sí y la de paraboloide hiperbólico (silla de montar).
Si las membranas son planas y paralelas, la gravedad quedaría encajonada entre ambas, fluctuando entre una y la otra, pero siempre manteniéndose constante. Por el contrario, si las membranas adoptaran la forma de silla de montar, irían perdiendo paulatinamente energía y, por tanto, materia, hasta desaparecer sumido en la difusión por las once dimensiones.
P-brana
En física teórica, las P-branas o branas son términos de la teoría de supercuerdas usada para referirse a estructuras tipo membrana de una a once dimensiones, que representan objetos físicos de esta teoría. Una brana es una variedad diferenciable cuyo movimiento tiene lugar en un espacio-tiempo de gran número de dimensiones (diez u once dependiendo del tipo de teoría usada).
Se basaba originalmente en conclusiones sobre cuerdas unidimensionales. Para mediados de los años 90 llegó a ser evidente que las teorías de cuerdas se podían ampliar también hasta incluir objetos no 1-dimensionales llamados p-branas. El nombre "p-brana" viene de una generalización de la "membrana de dos dimensiones" a los p-branas de p dimensiones. Las cuerdas se pueden pensar como 1-branas. Las teorías de P-branas pueden contener varios componentes fundamentales por ejemplo objetos puntuales (0-branas), membranas de dos dimensiones (2-branas), objetos tridimensionales (3-branas), y objetos de otras dimensiones hasta ocho o nueve. la teoría M parece contener membranas de hasta 5-branas.
D-brana
En física teórica, las D-branas son una clase especial de P-branas, nombradas en honor del matemático Johann Dirichlet por el físico Joseph Polchinski. Las condiciones de contorno de Dirichlet se han utilizado desde hace mucho en el estudio de líquidos y de la teoría del potencial, donde implican especificar una cierta cantidad a lo largo de toda una frontera. En la dinámica de fluidos, la fijación de una condición de límite de Dirichlet podía significar asignar una velocidad del fluido conocida a todos los puntos en una superficie; al estudiar electrostática, se puede establecer condiciones límite de Dirichlet por la fijación de los valores conocidos del voltaje en localizaciones particulares, como las superficies de los conductores. En cualquier caso, las localizaciones en las cuales se especifican los valores se llaman una D-brana. Estas construcciones adquieren importancia especial en teoría de cuerdas, porque las cuerdas abiertas deben tener sus puntos finales unidas a D-branas.
Las D-branas se clasifican típicamente por su dimensión, que es indicada por un número escrito después de la D. Una D0-brana es un solo punto, una D1-brana es una línea, una D2-brana es un plano, y una D25-brana llena el espacio hiper-dimensional considerado en la teoría de la cuerda bosónica.
D-branas en teoría de cuerdas
Fondo teórico
La mayoría de las versiones de la teoría de cuerdas implican dos tipos de cuerda: cuerdas abiertas con puntos finales desligados y cuerdas cerradas que forman lazos cerrados. Explorando las consecuencias de la acción Nambu-Goto, queda claro que la energía puede fluir a lo largo de una cuerda, deslizándose hasta el punto final y desapareciendo. Esto plantea un problema: la conservación de la energía establece que la energía no debe desaparecer del sistema. Por lo tanto, una teoría consistente de cuerdas debe incluir lugares en los cuales la energía pueda fluir cuando deja una cuerda; estos objetos se llaman D-branas. Cualquier versión de la teoría de cuerdas que permite cuerdas abiertas debe incorporar necesariamente D-branas, y todas las cuerdas abiertas debe tener sus puntos finales unidos a estas branas. Para un teórico de cuerdas, las D-branas son objetos físicos tan "reales" como las cuerdas y no sólo entes matemáticos que reflejan un valor.
Se espera que todas las partículas elementales sean estados vibratorios de las cuerdas cuánticas, y es natural preguntarse si las D-branas están hechas de alguna modo con las cuerdas mismas. En un sentido, esto resulta ser verdad: entre el espectro de las partículas que las vibraciones de la cuerda permiten, encontramos un tipo conocido como taquión, que tiene algunas propiedades raras, como masa imaginaria. Las D-branas se pueden imaginar como colecciones grandes de taquiones coherentes, de un modo parecido a los fotones de un rayo láser.
Las cuerdas que están restringidas a D-branas se pueden estudiar por medio de una teoría cuántica de campos de 2 dimensiones renormalizable.
Cosmología de Mundo de Branas
Esto tiene implicaciones en la cosmología, porque la teoría de cuerdas implica que el universo tienen más dimensiones que lo esperado (26 para las teorías de cuerdas bosónicas y 10 para las teorías de supercuerdas) tenemos que encontrar una razón por la cual las dimensiones adicionales no son evidentes. Una posibilidad sería que el universo visible es una D-brana muy grande que se extiende sobre tres dimensiones espaciales. Los objetos materiales, conformados de cuerdas abiertas, están ligados a la D-brana, y no pueden moverse "transversalmente" para explorar el universo fuera de la brana. Este panorama se llama una Cosmología de branas. La fuerza de la gravedad no se debe a las cuerdas abiertas; los gravitones que llevan las fuerzas gravitacionales son estados vibratorios de cuerdas cerradas. Ya que las cuerdas cerradas no tienen por qué estar unidas a D-branas, los efectos gravitacionales podrían depender de las dimensiones adicionales perpendiculares a la brana.
Agujeros negros
Otro uso importante de D-branas ha sido el estudio de los agujeros negros. La teoría de D-branas permite asignar los estados cuánticos de los agujeros negros.
Cosmología de branas
La cosmología de branas se refiere a varias teorías de la física de partículas y de la cosmología motivadas por la teoría de supercuerdas y teoría M.
Las branas y el “bulk”
La idea central es que la parte visible de nuestro universo de cuatro dimensiones está limitada a una brana dentro de un espacio de dimensionalidad superior llamado el "Bulk", o “Mole“ o “Bulto“ en español. Las dimensiones adicionales, compactas, están enrolladas en un espacio de Calabi-Yau. En el modelo del "bulk", otras branas pueden estar moviéndose a través del bulk. Interacciones con el Bulk, y posiblemente con otras branas, pueden influenciar nuestro universo-brana y de allí que puede introducir efectos no vistos en más modelos cosmológicos estándar.
Explicación de la debilidad de la gravedad
Esta es una de las características atractivas de esta teoría, en la que explica del porque la debilidad de la gravedad lo es con respecto al resto de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, solventando el llamado problema de jerarquía. En el escenario de branas, las otras tres fuerzas de la naturaleza, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte, están confinadas como cuerdas ancladas a nuestra 3-brana universo, difiriendo la gravedad, que se piensa sea como una cuerda cerrada no anclada, y por lo tanto, gran parte de su fuerza atractiva "filtra" o se escapa al "bulk". Como consecuencia de ello, la fuerza de la gravedad debe aparecer con más fuerza en las pequeñas escalas, donde menos fuerza gravitacional se ha "filtrado".
Modelos basados en la cosmología de branas
Existen dos grandes grupos de teorías basados en la cosmología de branas. El primer grupo mezcla aspectos de la teoría M con la cosmología inflacionaria. El segundo grupo, de más reciente formulación, argumenta la existencia de una cosmología de branas basada en la teoría M sin recurrir al modelo inflacionario. El modelo de Randall-Sundrum (RS1 y RS2) se puede ajustar a los criterios de cualquier modelo de ambos grupos.
En la cosmología inflacionaria el universo adquiere sus características observables (problema del horizonte, planitud y de monopolos magnéticos) después del Big Bang, mientras tanto en los modelos ecpirótico y cíclico las características observables derivan de un momento previo al big bang debido a un choque entre branas. El cosmólogo Alexander Vilenkin argumenta que en los modelos inflacionarios el tiempo esta autocontenido dentro del universo marcando el Big Bang su comienzo (tiempo finito). Mientras tanto el cosmólogo Neil Turok propone que en los modelos donde se dan los choques entre branas el tiempo ya existía antes del Big Bang (tiempo infinito).
Modelo del multiverso
En los modelos basados en la cosmología inflacionaria se puede imaginar un infinito océano que debido a las fluctuaciones de la física cuántica se forman branas como burbujas en el agua hirviendo. De está forma surgen de momento a momento Big Bangs y unas burbujas desaparecen y otras crecen (inflación) debido a las mismas fluctuaciones. Figuradamente cada universo se podría considerar como una burbuja (brana) nadando en un océano infinito de agua hirviendo (falso vacío). La formulación de esta teoría esta fuertemente influenciada por la interpretación de la mecánica cuántica de Hugh Everett.
Modelo del universo cíclico
En los modelos basados en el choque de branas, a diferencia de los modelos inflacionarios, cada brana ya existía antes del big bang y las características que llevaban antes del choque se imprimen en las características del siguiente universo formado después del choque. Los modelos pre-big bang, ecpirótico y cíclico pertenecen a este grupo de teorías.
