teoria

Teoria corzilor - Teoria tuturor sau a nimicului

După finalizarea teoriei generale a relativității, Einstein a început să lucreze la așa-numita teorie a totul. O teorie care ar face posibilă descrierea atât a celor mai mari obiecte și structuri cosmice, cât și a electronilor de dimensiuni mici.

Majoritatea oamenilor de știință din acea perioadă au văzut eforturile sale ca pe dorința utopică a unui vechi geniu. Prin urmare, când Einstein a murit, nimeni nu a continuat pe urmele sale mult timp. Teoria unificată a revenit la activitatea fizicienilor teoretici doar în ultimii douăzeci de ani. Iar cel mai bun candidat pentru aceasta este teoria corzilor.

Dușmani veșnici

Teoria mecanicii cuantice este literalmente din bun simț. Determinarea poziției exacte a particulelor a înlocuit determinarea probabilității apariției lor în diferite locații. El descrie fotonii și atomii (dar și unele molecule) odată ca puncte, uneori ca unde, sau ca ambele în același timp. Cu toate acestea, în ciuda tuturor particularităților, predicțiile sale sunt în perfectă concordanță cu observațiile experimentale și, până în prezent, nu există o descriere mai precisă a obiectelor la nivel atomic.

Teoria generală a relativității pentru schimbare include lumea macro - galaxii, stele, universul în ansamblu. Permite oamenilor de știință să înțeleagă gravitația și toate efectele asociate cu aceasta. Este o teorie „clasică” în sensul că se descurcă fără probabilități și incertitudini.

Scopul principal al fizicii teoretice moderne este de a uni aceste două teorii într-o singură teorie a totul. Ar folosi un limbaj mecanic cuantic comun pentru toate cele patru forțe fundamentale ale naturii, permițându-i să descrie fiecare obiect din univers. 1

Dar până acum, toate eforturile „unificatoare” ale fizicienilor au eșuat întotdeauna. De fapt, ele au apărut întotdeauna infinite în ecuațiile teoriilor pline de speranță, ceea ce este o prostie fizică. Nu există o probabilitate infinită ca obiectul să se afle într-un loc dat. Unirea mecanicii cuantice cu teoria generală a relativității reprezintă, prin urmare, cea mai complexă problemă pe care fizica teoretică a întâlnit-o până acum.

Ce îi motivează pe oamenii de știință să încerce deloc? Probabil cel mai bun exemplu este big bang-ul. Universul timpuriu a fost atât de extrem de dens încât descrierea acestuia necesită teoria relativității, dar în același timp atât de mică încât nu ne putem lipsi de mecanica cuantică în descrierea sa. Astfel, o teorie unificatoare ar putea dezvălui răspunsurile la unele dintre cele mai vechi și fundamentale întrebări ale omenirii: originea universului și natura fundamentală a spațiului și a timpului.

În prezent, cel mai bun candidat pentru teoria tuturor este adesea considerat a fi teoria M, care se bazează pe teoria corzilor.

Răspuns nou la vechea întrebare

Concepția teoriei șirurilor nu poate fi atribuită unei singure persoane. A fost un efort pe termen lung al mai multor oameni de știință.

Bazele sale au fost puse de fizicianul italian Gabriele Veneziano în 1968. În calitate de angajat al CERN, el a studiat coliziunile de particule pentru a înțelege natura puterii nucleare puternice. Analizând datele măsurate, el a descoperit legătura dintre proprietățile acestei forțe și notația matematică cunoscută sub numele de funcția beta Euler. Cu toate acestea, îi lipsea o idee fizică despre ceea ce descrie de fapt această formulă matematică.

Aproximativ doi ani mai târziu, o echipă internațională de oameni de știință condusă de fizicianul american Leonard Susskind a venit cu ea. Cercetătorii au arătat că rezultatele observate ale coliziunilor de particule pot fi explicate ca acțiunea unei fibre mici și extrem de subțiri, care poate fi descrisă matematic prin funcția beta. Fibra a fost denumită ulterior șir.

Dar această primă teorie de corzi nu a avut prea mult succes. O analiză mai precisă a coliziunilor ulterioare de particule a arătat că predicțiile sale nu erau de acord cu experimentul.

În ciuda obstacolelor evidente, studiul ei a început să fie studiat de fizicianul teoretic John Henry Schwarz. El l-a modificat matematic în forma pe care a numit-o teoria superstring. Acest lucru a făcut deja posibilă explicarea noilor rezultate observate la acceleratoare.

În același timp, totuși, teoria superstring-urilor a prezis că coliziunile de particule cu energie ridicată ar trebui să producă particule foarte neobișnuite cu masa camerei și rotirea zero. 2 Întrucât nimeni nu le-a observat până atunci (și de fapt până în zilele noastre), părea un alt eșec al teoriei șirurilor.

Declinul și învierea în continuare

Cu toate acestea, Schwarz, în comparație cu alte teorii, a constatat că aceste particule neobișnuite ar putea fi gravitoni - cuantica prin care se propagă gravitația. Particule similare sunt, de exemplu, fotoni care transmit lumină. Gravitonul a reprezentat coșmarul fizicienilor teoretici. Nimeni nu a reușit să-l încorporeze într-o descriere cuantică-mecanică uniformă a celor trei forțe fundamentale rămase fără a crea ecuații infinite fără sens în ecuații.

Teoria corzilor a reprezentat astfel nu numai o descriere cuantică a unei forțe nucleare puternice, ci și toate cele patru. A fost o râvnită teorie unificatoare. Cu toate acestea, nici această nouă descoperire nu a inspirat comunitatea științifică. Ecuațiile Schwarz originale au trebuit modificate matematic de mai multe ori. În plus, a devenit clar că rezultatele corecte puteau fi obținute numai după luarea în considerare a celor șase dimensiuni spațiale suplimentare. 2 Acest lucru a fost ciudat, pentru a spune cel puțin, deoarece fizica a avut întotdeauna trei dimensiuni spațiale și una temporală pentru a descrie lumea.

Nu ne putem imagina dimensiuni superioare. Ele pot fi descrise doar matematic. Se pare că toți ating o dimensiune aproximativ la nivelul lungimii Planck (valoarea lungimii Planck este de aproximativ 1,616 × 10 -35 m) și sunt înfășurați într-o formațiune complicată, care, conform descoperitorilor săi, se numește Calabi - Soiul Yau. Aceste dimensiuni suplimentare există în fiecare punct din lumea tridimensională pe care o cunoaștem. Cu toate acestea, datorită dimensiunilor lor miniaturale, instrumentele științifice actuale nu le pot captura.


Reprezentarea aproximativă a soiului Calabi - Yau (sursa: domeniul public)

În plus, la mijlocul anilor 1990, au apărut încă patru teorii consistente ale șirurilor, ceea ce este prea mult pentru o teorie unificatoare. Oamenii de știință căutau o singură „ecuație universală”.

Dar fizicianul american Edward Witten a descoperit că toate cele cinci teorii ale superstringurilor reprezintă de fapt doar descrieri aproximative ale unei așa-numite teorii M, care funcționează cu unsprezece dimensiuni. M înseamnă magie, mister sau membrană engleză. O analiză matematică detaliată a teoriei M a relevat că, pe lângă șirurile de la cel mai mic nivel, există și structuri arbitrare mari numite porți. Acestea restricționează mișcarea capetelor șirurilor deschise. (Există două tipuri de corzi - deschise, care seamănă cu o bucată de fir cu capete libere și închise. Acestea au ambele capete conectate.)

Deși teoria M este cel mai important candidat pentru teoria tuturor, ea prezintă idei atât de abstracte încât mulți oameni de știință se îndoiesc de corectitudinea ei și o consideră mai degrabă o jucărie matematică. Teoria șirurilor în sine se referă și la aceasta. Și ea descrie obiecte atât de mici încât dispozitivele lor actuale nu le pot detecta nici indirect și este îndoielnic dacă acest lucru va reuși vreodată.

Dovada lipsește

Pe de altă parte, este posibil ca oamenii de știință să fie capabili să descopere cel puțin unele dintre implicațiile macroscopice ale teoriilor de suprasolicitare. Calculele au arătat că, cu cât un șir conține mai multă energie, cu atât oscilează mai repede. Cu toate acestea, dintr-un anumit moment, furnizarea suplimentară de energie nu va afecta metoda vibrației, ci va determina o creștere a dimensiunilor (extensiei) șirului, în timp ce nu există nicio limită pentru creșterea acestuia.

Astfel, concentrând o cantitate suficientă de energie într-un singur punct din spațiu, experimentatorii ar putea mări (extinde) șirurile într-o formă observabilă. Principalul obstacol este din nou posibilitățile tehnice.

Susținătorii teoriilor supercordurilor, totuși, susțin că s-au format deja corzi lungi, într-un univers extrem de fierbinte imediat după Big Bang. Și, deși probabil că nu mai există astăzi, este posibil să fi lăsat urme ușoare pe care le-am putea descoperi în radiațiile relicvei cosmice. Deci teoria corzilor miniaturale poate fi confirmată în cele din urmă prin observații astronomice.

Alte calcule bazate pe teoria M prezic chiar că șirurile pot atinge dimensiuni de aproximativ 10-18 m chiar și în circumstanțe normale. Aceasta este o valoare de aproximativ o sută de milioane de miliarde de ori mai mare decât dimensiunile asumate inițial, corespunzătoare lungimii lui Planck. Corespunde aproximativ cu dimensiunea quarkurilor. 3 Deși astfel de dimensiuni pot părea prea mici, oamenii de știință au putut observa semne ale șirurilor de această dimensiune, de exemplu, în acceleratoarele de particule timp de câteva decenii.

Am reușit să vă aducem acest articol datorită sprijinului oferit de Patreone. O contribuție simbolică ne va ajuta, de asemenea, să publicăm mai multe articole de calitate.

Note
1. Forțele naturale de bază includ interacțiunea nucleară puternică și slabă, electromagnetismul și gravitația.
2. Conform teoriei șirurilor, proprietățile particulelor apar ca urmare a diferitelor moduri de a vibra corzile. Cu toate acestea, cele trei dimensiuni nu au oferit suficient „spațiu” pentru a satisface modelele vibraționale necesare pentru a produce toate proprietățile observate ale materiei și, în același timp, ecuațiile au fost corecte matematic. Calculele au arătat că condițiile necesare pot fi îndeplinite numai în dimensiuni suplimentare, cel puțin în zece.
3. Aceste rezultate pot fi obținute cu condiția ca întregul nostru univers să fie o poartă tridimensională.