NOVA | Profesori | Universul elegant | Știința supercorzilor | PBS

Știința supercorzilor

Fizicienii de astăzi se luptă cu o dilemă. Ei au acceptat două teorii distincte care explică modul în care funcționează universul: Teoria generală a relativității a lui Albert Einstein, care descrie universul la o scară foarte mare, și mecanica cuantică, care descrie universul la o scară foarte mică. Ambele teorii au fost susținute în mod covârșitor de dovezile experimentale.

Din păcate, aceste teorii nu se completează una pe cealaltă. Relativitatea generală, care descrie modul în care funcționează gravitația, implică un univers neted și fluid, cu deformări și curbe în țesătura spațiu-timp. Mecanica cuantică – cu principiul său de incertitudine – implică faptul că, la o scară infinitezimală, universul este un loc turbulent și haotic, unde evenimentele pot fi prezise doar cu ajutorul unor probabilități. În două cazuri în care trebuie aplicate ambele teorii concurente – pentru a descrie big bang-ul și adâncimile găurilor negre – ecuațiile cedează.

Majorității fizicienilor le este greu să accepte faptul că universul funcționează în conformitate cu două teorii separate (și uneori contradictorii). Ei cred că este mai probabil ca universul să fie guvernat de o singură teorie care să explice toate observațiile și datele.

Vânătoarea unei singure teorii

Din acest motiv, fizicienii sunt în căutarea unei teorii unificate. O astfel de teorie ar reuni sub o singură umbrelă toate cele patru forțe ale naturii: gravitația, cea mai slabă dintre cele patru, așa cum este explicată de relativitatea generală; și electromagnetismul și forțele puternice și slabe, așa cum sunt explicate de teoria cuantică a câmpurilor. Einstein a urmărit o teorie unificată, încercând să unească electromagnetismul și gravitația.

Teoria supercorzilor, numită și teoria corzilor, este formularea actuală a acestei căutări în curs. Teoria corzilor încearcă să unifice toate cele patru forțe și, prin aceasta, să unifice relativitatea generală și mecanica cuantică. La baza sa se află o idee destul de simplă – toate particulele sunt alcătuite din mici șiruri de energie care vibrează. (Teoria corzilor își trage numele de la aspectul de corzi al acestor fire de energie). Spre deosebire de corzile obișnuite, aceste corzi au lungime (în medie de aproximativ 10-33 de centimetri), dar nu au grosime. Teoria corzilor presupune că particulele care alcătuiesc toată materia pe care o vedeți în univers – și toate forțele care permit materiei să interacționeze – sunt alcătuite din mici șiruri de energie care vibrează.

Teoria acceptată în prezent și verificată experimental cu privire la modul în care funcționează universul la scări subatomice susține că toată materia este compusă din – și interacționează prin – particule punctiforme. Cunoscută sub numele de Modelul Standard, această teorie descrie particulele elementare și trei dintre cele patru forțe fundamentale care servesc drept elemente constitutive ale lumii noastre (a se vedea graficul Particule elementare și graficul Particule ale forțelor fundamentale pentru o listă a acestor particule). Această teorie nu include gravitația.

În teoria corzilor, fiecare tip de particulă elementară de materie – și fiecare tip de particulă purtătoare de forță fundamentală care mediază interacțiunile dintre particulele de materie – corespunde unui model unic de vibrație a corzilor, oarecum așa cum note diferite cântate de o vioară corespund unor vibrații unice ale corzilor. Modul în care vibrează o coardă determină proprietățile – cum ar fi sarcina, masa și spinul – particulei pe care o reprezintă. Ecuațiile teoriei corzilor ar putea da naștere unor particule elementare precum cele cunoscute în prezent (electroni, quarci, fotoni etc.), dar, deoarece nu se pot face încă predicții numerice detaliate, este dificil de știut dacă sortimentul de modele de vibrație posibile reprezintă în mod corect toate particulele cunoscute de materie și purtătoare de forță. Corzile pot fi fie deschise, fie închise pentru a forma o buclă. Faptul că o coardă este deschisă sau închisă determină tipul de interacțiuni pe care le poate suferi.

Natura corzilor este cea care unifică relativitatea generală și mecanica cuantică. În cadrul teoriei cuantice a câmpurilor, particulele interacționează pe o distanță zero în spațiu-timp. În cadrul teoriei generale a relativității, particula purtătoare de forță teoretică pentru gravitație, gravitonul, nu poate funcționa la distanță zero. Corzile ajută la rezolvarea acestei dileme. Pentru că sunt unidimensionale și au lungime, ele „pătează” interacțiunile pe distanțe mici. Această uniformizare netezește spațiu-timpul suficient pentru ca gravitonul să interacționeze cu alte particule de câmp cuantic, unificând astfel cele două seturi de legi.

Un preț greu de plătit

Dar teoria corzilor, cu toată eleganța sa, are un preț. Pentru ca teoria să fie coerentă, universul trebuie să aibă mai mult de trei dimensiuni spațiale. De fapt, teoria corzilor prezice un univers cu nouă dimensiuni spațiale și una temporală, pentru un total de 10 dimensiuni. (Cea mai recentă versiune a teoriei corzilor prevede 11 dimensiuni.) Cele nouă dimensiuni spațiale constau în cele trei dimensiuni extinse pe care le experimentăm în viața de zi cu zi, plus șase dimensiuni teoretice minuscule, încolăcite, care nu pot fi văzute cu ajutorul tehnologiilor existente. Aceste șase dimensiuni suplimentare apar în fiecare punct al lumii tridimensionale familiare. Existența a mai mult de trei dimensiuni spațiale este un concept atât de greu de înțeles încât nici măcar teoreticienii corzilor nu îl pot vizualiza. Aceștia folosesc adesea analogii pentru a ajuta la vizualizarea acestor abstracțiuni.

De exemplu, imaginați-vă o bucată de hârtie cu o suprafață plană, bidimensională. Dacă înfășurați această suprafață, ea va forma un tub, iar o dimensiune va deveni curbată. Acum imaginați-vă că continuați să rulați suprafața până când aceasta este rulată atât de strâns încât dimensiunea interioară curbată pare să dispară și tubul arată pur și simplu ca o linie. În mod similar, dimensiunile suplimentare prezise de teoria corzilor sunt atât de strâns curbate încât par să dispară în experiența de zi cu zi.

Aceste dimensiuni curbate pot lua anumite configurații complexe cunoscute sub numele de forme Calabi-Yau. Din păcate, există zeci de mii de variante ale acestor forme și este dificil de știut care dintre ele ar putea reprezenta corect dimensiunile suplimentare ale universului nostru. Este important să știm care dintre ele sunt corecte, deoarece forma acestor dimensiuni suplimentare este cea care determină modelele vibrațiilor corzilor. Aceste modele, la rândul lor, reprezintă toate componentele care permit universului cunoscut să existe.

Aceste dimensiuni suplimentare ar putea fi la fel de mici ca 10-35 de metri sau la fel de mari ca o zecime de milimetru. Alternativ, dimensiunile suplimentare ar putea fi la fel de mari sau mai mari decât propriul nostru univers. Dacă acesta este cazul, unii fizicieni cred că gravitația s-ar putea scurge prin aceste dimensiuni suplimentare, ceea ce ar putea ajuta la explicarea motivului pentru care gravitația este atât de slabă în comparație cu celelalte trei forțe.

Se potrivește

Teoria corzilor cere, de asemenea, ca fiecare particulă de materie cunoscută să aibă o „super” particulă purtătoare de forță corespunzătoare încă nedescoperită și ca fiecare particulă purtătoare de forță cunoscută să aibă o „super” particulă de materie corespunzătoare încă nedescoperită. Această idee, cunoscută sub numele de supersimetrie, ajută la stabilirea unei relații între particulele de materie și particulele purtătoare de forță. Numite superparticule (a se vedea „Particule și sparticule” de mai jos), aceste particule teoretizate sunt considerate a fi mai masive decât omologii lor cunoscuți, ceea ce ar putea fi motivul pentru care ele nu au fost încă observate cu acceleratoarele și detectoarele de particule actuale.

* Gravitonul și bosonul Higgs nu au fost încă confirmate experimental. găsiți o listă completă a particulelor și a superparticulelor propuse în „Particule elementare” la www.pbs.org/nova/elegant/.

Potențialul a ceea ce teoria corzilor ar putea ajuta să explice este imens. Ar putea dezvălui ce s-a întâmplat în momentul în care a început universul. Teoria big bangului descrie doar ceea ce s-a întâmplat după prima fracțiune extrem de mică de secundă. Conform teoriilor convenționale, înainte de aceasta, universul s-a micșorat până la dimensiunea zero – o imposibilitate. Sub auspiciile teoriei corzilor, este posibil ca universul să nu se fi micșorat niciodată până la punctul în care a dispărut, ci mai degrabă să fi început la o dimensiune minusculă – dimensiunea unei singure corzi.

Teoria corzilor ar putea ajuta, de asemenea, la dezvăluirea naturii găurilor negre, care, deși prezise de relativitatea generală, nu au fost niciodată explicate pe deplin la nivel cuantic. Folosind un tip de teorie a corzilor, fizicienii au descris matematic găuri negre miniaturale fără masă care – după ce au suferit modificări în geometria dimensiunilor suplimentare ale teoriei corzilor – apar ca particule elementare cu masă și sarcină. Unii teoreticieni cred acum că găurile negre și particulele fundamentale sunt identice și că diferențele percepute de acestea reflectă ceva asemănător cu tranzițiile de fază, cum ar fi trecerea apei lichide în gheață.

Teoria corzilor deschide, de asemenea, ușa către diferite ipoteze despre evoluția și natura spațiului și a timpului, cum ar fi modul în care ar fi putut arăta universul înainte de big bang sau capacitatea spațiului de a se rupe și de a se repara sau de a suferi modificări topologice.

Când a început totul

Teoria corzilor nu este complet nouă. Ea a evoluat încă de la sfârșitul anilor 1960. La un moment dat, existau cinci variante ale teoriei. Apoi, la mijlocul anilor 1990, a apărut o teorie cunoscută sub numele de teoria M, care a unificat cele cinci teorii. Teoria M este considerată cel mai recent pas în evoluția teoriei corzilor (vezi „Teoria M, magie, mister, mamă?” la dreapta).

Cea mai recentă întruchipare a teoriei corzilor – teoria M – a scos la iveală faptul că cele cinci versiuni anterioare ale teoriei corzilor erau doar cinci aspecte diferite ale unei singure teorii.

Nicio parte a teoriei corzilor nu a fost confirmată experimental. Acest lucru se datorează în parte faptului că teoreticienii nu înțeleg încă suficient de bine teoria pentru a face predicții definitive testabile. În plus, se crede că corzile sunt atât de mici – mai puțin de o miliardime de miliardime din dimensiunea unui atom – încât tehnologiile, cum ar fi acceleratoarele și detectoarele actuale, nu sunt suficient de puternice pentru a le detecta (a se vedea „Seeking the Fundamental” de mai jos). Deși teoria corzilor nu poate fi încă verificată experimental, fizicienii speră că unele dintre fațetele sale pot fi susținute de dovezi circumstanțiale, cum ar fi demonstrarea existenței:

• Dimensiuni suplimentare. Fizicienii speră că acceleratoarele de particule actuale sau viitoare vor putea ajuta la indicarea existenței unor dimensiuni suplimentare. Detectoarele ar putea măsura energia lipsă care s-ar fi scurs din dimensiunile noastre în acele dimensiuni suplimentare, oferind, eventual, dovezi că aceste dimensiuni există.

• Particule superparticulare. Cercetătorii vor folosi acceleratoarele de particule actuale și de generație următoare pentru a căuta particulele superpartenere prezise de teoria corzilor.

• fluctuații în radiația de fond. Universul este străbătut de o radiație uniformă de temperatura foarte scăzută de 2,7 grade Kelvin. Se crede că aceasta a rămas de la temperatura inițială foarte ridicată a big bang-ului. Comparând temperaturile din diferite locații de pe cer, aflate la o distanță de numai 1 grad, s-au constatat diferențe de temperatură extrem de mici (de ordinul sutimiilor de grad Kelvin). Oamenii de știință caută diferențe de temperatură și mai mici, de o formă specifică, care ar putea fi rămase din primele momente ale big bang-ului, când este posibil să fi fost atinse energiile necesare pentru a crea corzile.

În căutarea particulelor fundamentale

În timp ce fizicienii care folosesc acceleratoare de coliziuni au găsit dovezi pentru majoritatea particulelor de materie și de forță care alcătuiesc Modelul Standard, ei încă mai caută o particulă purtătoare de forță teoretică numită bosonul Higgs. Acest grafic arată energiile la care au fost descoperite sau teoretizate unele particule și unificări de forță (cercuri solide) și indică energiile care pot fi cercetate cu acceleratoarele de coliziune actuale sau planificate (cercuri goale). Fizicienii speră că acceleratorul de particule Large Hadron Collider al CERN din Elveția și Franța – programat să intre în funcțiune în 2007 – ar putea dezvălui dovezi ale bosonului Higgs, precum și indicii ale gravitonului teoretizat și ale particulelor superparticulare evazive. Unificarea forțelor puternică și electro-slabă sau găsirea corzilor teoretizate pare să necesite sondarea unor energii mult peste ceea ce oferă tehnologiile actuale. Cu toate acestea, unii teoreticieni cred că energia corzilor ar putea fi mai aproape de energiile acceleratoarelor actuale sau planificate.

.