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Dimensiones espaciales extras y Gravedad

La razón de que la gravedad es mucho más débil que otras fuerzas fundamentales de la naturaleza sigue siendo un misterio tres siglos después de que Newton propuso su ley de la gravitación . La teoría de Newton es generalizada por la teoría general de la Relatividad de Einstein ( GR ) , donde la gravedad es una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo , que está relacionada con la densidad de la materia y la energía en el mismo. Las dos teorías que explican lo infinitamente grande - Relatividad General, y lo infinitamente pequeño - el Modelo Estándar (SM ) de la física de partículas , basado en la teoría cuántica de campos , son incompatibles. El SM explica satisfactoriamente los fenómenos electromagnéticos , débiles y fuertes hasta la escala de distancias de 10-19 m accesible en el LHC , que corresponde a una energía de 103 GeV . Se espera que la gravedad para sea tan fuerte como las otras fuerzas a la escala de energía de Planck de ~ 1019 GeV correspondiente a una distancia de 10-34 m .

La gravedad se debilita con la distancia , ya que, al propagarse , se extiende a lo largo de un contorno cada vez más grande. En el espacio 3 - dimensional el contorno es una superficie de 2 dimensiones ( la de una esfera ) . Esta es la razón de la dependencia 1/r 2 de la fuerza de la gravedad en la ley de Newton . Si el espacio tiene N dimensiones adicionales , sin embargo , la superficie sería (2+N) dimensional y la ley iría como 1/r(2+N)

Es difícil aceptar que la ley 1/ r2 permanecerá hasta la escala de Planck . Una nueva ley de la gravedad surge de la teoría de cuerdas , con el objetivo de establecer una última teoría unificada de la naturaleza. La teoría predice que el universo tiene dimensiones espaciales adicionales en los que la gravedad, a diferencia de otras partículas del SM , puede ser capaz de escapar . Tal como fue concebido por la teoría de cuerdas , los gravitones , mediadores de la gravedad , al igual que todas las partículas, son, en última instancia, las vibraciones de cuerdas diminutas . Mientras que las partículas del SM son vibraciones de cuerdas abiertas , como cuerdas de violín , el gravitón es la vibración de un lazo cerrado , como una banda elástica . Cuerdas abiertas deben estar adheridas a una brana , nuestro espacio de 3 dimensiones . Por el contrario, cadenas cerradas como los gravitones no pueden quedarse atascadas . Ellos son libres para explorar el espacio completo de 10 dimensiones. Cada vibración de la cuerda representa una partícula fundamental diferente.

Existen modelos donde dimensiones extras son ( i ) finitas en tamaño y envueltas en pequeños círculos de tamaño subatómica, ( ii ) infinito en tamaño pero muy fuertemente curvadas , de modo que su volumen se concentra alrededor de nuestro universo, o (iii ) infinitas en tamaño y no curvadas , al igual que nuestras tres dimensiones ordinarias. Todos los modelos consideran gravitones que se escapan en las dimensiones extra, haciendo a la gravedad débil en nuestro espacio de 3 dimensiones .