Η θεωρία των υπερχορδών, στη δημοφιλή γλώσσα, αντιπροσωπεύει το σύμπαν ως μια συλλογή δονούμενων κλώνων ενέργειας - χορδών. Αποτελούν το θεμέλιο της φύσης. Η υπόθεση περιγράφει επίσης άλλα στοιχεία - βράνες. Όλη η ύλη στον κόσμο μας αποτελείται από δονήσεις χορδών και βράνων. Φυσικό επακόλουθο της θεωρίας είναι η περιγραφή της βαρύτητας. Γι' αυτό οι επιστήμονες πιστεύουν ότι κρατά το κλειδί για την ενοποίηση της βαρύτητας με άλλες δυνάμεις.
Έννοια που εξελίσσεται
Η θεωρία του ενοποιημένου πεδίου, η θεωρία υπερχορδών, είναι καθαρά μαθηματική. Όπως όλες οι φυσικές έννοιες, βασίζεται σε εξισώσεις που μπορούν να ερμηνευτούν με συγκεκριμένους τρόπους.
Σήμερα κανείς δεν ξέρει ακριβώς ποια θα είναι η τελική εκδοχή αυτής της θεωρίας. Οι επιστήμονες έχουν μια μάλλον αόριστη ιδέα για τα γενικά στοιχεία του, αλλά κανείς δεν έχει καταλήξει ακόμη σε μια οριστική εξίσωση που θα κάλυπτε όλες τις θεωρίες υπερχορδών, και πειραματικά δεν μπόρεσε ακόμη να το επιβεβαιώσει (αν και ούτε να το διαψεύσει). Οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει απλοποιημένες εκδοχές της εξίσωσης, αλλά μέχρι στιγμής δεν περιγράφει ακριβώς το σύμπαν μας.
Θεωρία υπερχορδών για αρχάριους
Η υπόθεση βασίζεται σε πέντε βασικές ιδέες.
- Η θεωρία των υπερχορδών προβλέπει ότι όλα τα αντικείμενα στον κόσμο μας αποτελούνται από δονούμενα νήματα και μεμβράνες ενέργειας.
- Προσπαθεί να συνδυάσει τη γενική σχετικότητα (βαρύτητα) με την κβαντική φυσική.
- Η θεωρία των υπερχορδών θα ενοποιήσει όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος.
- Αυτή η υπόθεση προβλέπει μια νέα σύνδεση, υπερσυμμετρία, μεταξύ δύο θεμελιωδώς διαφορετικών τύπων σωματιδίων, τα μποζόνια και τα φερμιόνια.
- Η ιδέα περιγράφει μια σειρά από πρόσθετες, συνήθως μη παρατηρήσιμες διαστάσεις του Σύμπαντος.
Χορδές και μπράνες
Όταν εμφανίστηκε η θεωρία τη δεκαετία του 1970, τα νήματα ενέργειας σε αυτήν θεωρήθηκαν μονοδιάστατα αντικείμενα - χορδές. Η λέξη "μονοδιάστατη" σημαίνει ότι η συμβολοσειρά έχει μόνο 1 διάσταση, το μήκος, σε αντίθεση, για παράδειγμα, με ένα τετράγωνο, το οποίο έχει και μήκος και ύψος.
Η θεωρία χωρίζει αυτές τις υπερχορδές σε δύο τύπους - κλειστές και ανοιχτές. Μια ανοιχτή χορδή έχει άκρα που δεν ακουμπούν μεταξύ τους, ενώ μια κλειστή χορδή είναι ένας βρόχος χωρίς ανοιχτά άκρα. Ως αποτέλεσμα, διαπιστώθηκε ότι αυτές οι συμβολοσειρές, που ονομάζονται χορδές του πρώτου τύπου, υπόκεινται σε 5 κύριους τύπους αλληλεπιδράσεων.
Οι αλληλεπιδράσεις βασίζονται στην ικανότητα μιας συμβολοσειράς να συνδέει και να διαχωρίζει τα άκρα της. Δεδομένου ότι τα άκρα των ανοιχτών χορδών μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν κλειστές χορδές, είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια θεωρία υπερχορδών που να μην περιλαμβάνει κυκλικές χορδές.
Αυτό αποδείχθηκε σημαντικό, καθώς οι κλειστές χορδές έχουν ιδιότητες, πιστεύουν οι φυσικοί, που θα μπορούσαν να περιγράψουν τη βαρύτητα. Επιστήμονες δηλαδήσυνειδητοποίησε ότι η θεωρία υπερχορδών, αντί να εξηγεί τα σωματίδια της ύλης, μπορεί να περιγράψει τη συμπεριφορά και τη βαρύτητά τους.
Μετά από πολλά χρόνια, ανακαλύφθηκε ότι, εκτός από τις χορδές, άλλα στοιχεία είναι απαραίτητα για τη θεωρία. Μπορούν να θεωρηθούν σαν σεντόνια, ή branes. Οι χορδές μπορούν να στερεωθούν στη μία πλευρά ή και στις δύο πλευρές.
Κβαντική βαρύτητα
Η σύγχρονη φυσική έχει δύο κύριους επιστημονικούς νόμους: τη γενική σχετικότητα (GR) και την κβαντική. Αντιπροσωπεύουν εντελώς διαφορετικούς τομείς της επιστήμης. Η κβαντική φυσική μελετά τα μικρότερα φυσικά σωματίδια και το GR, κατά κανόνα, περιγράφει τη φύση στην κλίμακα των πλανητών, των γαλαξιών και του σύμπαντος στο σύνολό του. Οι υποθέσεις που επιχειρούν να τις ενοποιήσουν ονομάζονται θεωρίες κβαντικής βαρύτητας. Το πιο πολλά υποσχόμενο από αυτά σήμερα είναι το string.
Τα κλειστά νήματα αντιστοιχούν στη συμπεριφορά της βαρύτητας. Συγκεκριμένα, έχουν τις ιδιότητες ενός γκραβιτόν, ενός σωματιδίου που μεταφέρει τη βαρύτητα μεταξύ των αντικειμένων.
Ενώσεις Δυνάμεων
Η θεωρία χορδών προσπαθεί να συνδυάσει τις τέσσερις δυνάμεις - ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις και βαρύτητα - σε μία. Στον κόσμο μας, εκδηλώνονται ως τέσσερα διαφορετικά φαινόμενα, αλλά οι θεωρητικοί χορδών πιστεύουν ότι στο πρώιμο σύμπαν, όταν υπήρχαν απίστευτα υψηλά επίπεδα ενέργειας, όλες αυτές οι δυνάμεις περιγράφονται από χορδές που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Υπερσυμμετρία
Όλα τα σωματίδια στο σύμπαν μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους: μποζόνια και φερμιόνια. Θεωρία χορδώνπροβλέπει ότι υπάρχει μια σχέση μεταξύ τους, που ονομάζεται υπερσυμμετρία. Στην υπερσυμμετρία, πρέπει να υπάρχει ένα φερμιόνιο για κάθε μποζόνιο και ένα μποζόνιο για κάθε φερμιόνιο. Δυστυχώς, η ύπαρξη τέτοιων σωματιδίων δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά.
Η υπερσυμμετρία είναι μια μαθηματική σχέση μεταξύ στοιχείων φυσικών εξισώσεων. Ανακαλύφθηκε σε έναν άλλο τομέα της φυσικής και η εφαρμογή του οδήγησε στη μετονομασία της υπερσυμμετρικής θεωρίας χορδών (ή θεωρία υπερχορδών, στη δημοφιλή γλώσσα) στα μέσα της δεκαετίας του 1970.
Ένα από τα οφέλη της υπερσυμμετρίας είναι ότι απλοποιεί σε μεγάλο βαθμό τις εξισώσεις επιτρέποντας την εξάλειψη ορισμένων μεταβλητών. Χωρίς υπερσυμμετρία, οι εξισώσεις οδηγούν σε φυσικές αντιφάσεις όπως άπειρες τιμές και φανταστικά επίπεδα ενέργειας.
Επειδή οι επιστήμονες δεν έχουν παρατηρήσει τα σωματίδια που προβλέπονται από την υπερσυμμετρία, εξακολουθεί να είναι μια υπόθεση. Πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι ο λόγος για αυτό είναι η ανάγκη για μια σημαντική ποσότητα ενέργειας, η οποία σχετίζεται με τη μάζα από την περίφημη εξίσωση Αϊνστάιν E=mc2. Αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να υπήρχαν στο πρώιμο σύμπαν, αλλά καθώς ψύχθηκε και η ενέργεια εξαπλώθηκε μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, αυτά τα σωματίδια κινήθηκαν σε χαμηλά επίπεδα ενέργειας.
Με άλλα λόγια, οι χορδές που δονούνταν ως σωματίδια υψηλής ενέργειας έχασαν την ενέργειά τους, μετατρέποντάς τες σε στοιχεία χαμηλότερης δόνησης.
Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι οι αστρονομικές παρατηρήσεις ή τα πειράματα με επιταχυντές σωματιδίων θα επιβεβαιώσουν τη θεωρία αποκαλύπτοντας ορισμένα από τα υπερσυμμετρικά στοιχεία με υψηλότεροενέργεια.
Πρόσθετες μετρήσεις
Μια άλλη μαθηματική συνέπεια της θεωρίας χορδών είναι ότι έχει νόημα σε έναν κόσμο με περισσότερες από τρεις διαστάσεις. Υπάρχουν επί του παρόντος δύο εξηγήσεις για αυτό:
- Οι επιπλέον διαστάσεις (έξι από αυτές) έχουν καταρρεύσει ή, με την ορολογία της θεωρίας χορδών, συμπυκνώνονται σε απίστευτα μικρά μεγέθη που δεν θα γίνουν αντιληπτά ποτέ.
- Είμαστε κολλημένοι στο 3D brane και οι άλλες διαστάσεις εκτείνονται πέρα από αυτό και είναι απρόσιτες για εμάς.
Μια σημαντική γραμμή έρευνας μεταξύ των θεωρητικών είναι η μαθηματική μοντελοποίηση του τρόπου με τον οποίο αυτές οι επιπλέον συντεταγμένες μπορεί να σχετίζονται με τις δικές μας. Τα τελευταία αποτελέσματα προβλέπουν ότι οι επιστήμονες θα μπορούν σύντομα να ανιχνεύσουν αυτές τις επιπλέον διαστάσεις (εάν υπάρχουν) σε επερχόμενα πειράματα, καθώς μπορεί να είναι μεγαλύτερες από ό,τι αναμενόταν προηγουμένως.
Κατανόηση του σκοπού
Ο στόχος για τον οποίο επιδιώκουν οι επιστήμονες όταν εξερευνούν τις υπερχορδές είναι μια «θεωρία των πάντων», δηλαδή μια ενιαία φυσική υπόθεση που περιγράφει ολόκληρη τη φυσική πραγματικότητα σε θεμελιώδες επίπεδο. Εάν είναι επιτυχής, θα μπορούσε να διευκρινίσει πολλές ερωτήσεις σχετικά με τη δομή του σύμπαντός μας.
Εξήγηση ύλης και μάζας
Ένα από τα κύρια καθήκοντα της σύγχρονης έρευνας είναι η εύρεση λύσεων για πραγματικά σωματίδια.
Η θεωρία χορδών ξεκίνησε ως μια έννοια που περιγράφει σωματίδια όπως τα αδρόνια σε διάφορες υψηλότερες καταστάσεις δόνησης μιας χορδής. Στα περισσότερα σύγχρονα σκευάσματα, το θέμα που παρατηρείται σε μαςσύμπαν, είναι το αποτέλεσμα δονήσεων χορδών και βράνων με τη χαμηλότερη ενέργεια. Οι υψηλότερες δονήσεις δημιουργούν σωματίδια υψηλής ενέργειας που επί του παρόντος δεν υπάρχουν στον κόσμο μας.
Η μάζα αυτών των στοιχειωδών σωματιδίων είναι μια εκδήλωση του πώς οι χορδές και οι βράνες τυλίγονται σε συμπαγείς επιπλέον διαστάσεις. Για παράδειγμα, σε μια απλοποιημένη περίπτωση όπου διπλώνονται σε σχήμα ντόνατ, που ονομάζεται torus από μαθηματικούς και φυσικούς, μια χορδή μπορεί να τυλίξει αυτό το σχήμα με δύο τρόπους:
- σύντομη θηλιά στο μέσο του torus;
- ένας μακρύς βρόχος γύρω από ολόκληρη την εξωτερική περιφέρεια του δακτύλου.
Ένας σύντομος βρόχος θα είναι ελαφρύ σωματίδιο και ένας μεγάλος βρόχος θα είναι βαρύς. Το τύλιγμα των χορδών γύρω από σπειροειδείς συμπαγείς διαστάσεις παράγει νέα στοιχεία με διαφορετικές μάζες.
Η θεωρία των υπερχορδών εξηγεί συνοπτικά και ξεκάθαρα, απλά και κομψά τη μετάβαση του μήκους σε μάζα. Οι διπλωμένες διαστάσεις εδώ είναι πολύ πιο περίπλοκες από το torus, αλλά στην αρχή λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο.
Είναι ακόμη πιθανό, αν και δύσκολο να φανταστεί κανείς, ότι η χορδή τυλίγεται γύρω από τον τόρο σε δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα ένα διαφορετικό σωματίδιο με διαφορετική μάζα. Οι μπράνες μπορούν επίσης να τυλίξουν επιπλέον διαστάσεις, δημιουργώντας ακόμα περισσότερες δυνατότητες.
Προσδιορισμός χώρου και χρόνου
Σε πολλές εκδοχές της θεωρίας υπερχορδών, οι διαστάσεις καταρρέουν, καθιστώντας τις μη παρατηρήσιμες στο τρέχον επίπεδο ανάπτυξης της τεχνολογίας.
Προς το παρόν δεν είναι σαφές εάν η θεωρία χορδών μπορεί να εξηγήσει τη θεμελιώδη φύση του χώρου και του χρόνουπερισσότερα από όσα έκανε ο Αϊνστάιν. Σε αυτό, οι μετρήσεις αποτελούν το υπόβαθρο για την αλληλεπίδραση των χορδών και δεν έχουν ανεξάρτητο πραγματικό νόημα.
Επεξηγήσεις έχουν προσφερθεί, δεν έχουν αναπτυχθεί πλήρως, σχετικά με την αναπαράσταση του χωροχρόνου ως παραγώγου του συνολικού αθροίσματος όλων των αλληλεπιδράσεων συμβολοσειρών.
Αυτή η προσέγγιση δεν ανταποκρίνεται στις ιδέες ορισμένων φυσικών, γεγονός που οδήγησε σε κριτική της υπόθεσης. Η ανταγωνιστική θεωρία της κβαντικής βαρύτητας βρόχου χρησιμοποιεί την κβαντοποίηση του χώρου και του χρόνου ως σημείο εκκίνησης. Μερικοί πιστεύουν ότι θα καταλήξει να είναι απλώς μια διαφορετική προσέγγιση στην ίδια βασική υπόθεση.
Κβαντισμός της βαρύτητας
Το κύριο επίτευγμα αυτής της υπόθεσης, εάν επιβεβαιωθεί, θα είναι η κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Η τρέχουσα περιγραφή της βαρύτητας στη γενική σχετικότητα δεν συνάδει με την κβαντική φυσική. Το τελευταίο, επιβάλλοντας περιορισμούς στη συμπεριφορά των μικρών σωματιδίων, οδηγεί σε αντιφάσεις κατά την προσπάθεια εξερεύνησης του Σύμπαντος σε εξαιρετικά μικρή κλίμακα.
Ενωση δυνάμεων
Επί του παρόντος, οι φυσικοί γνωρίζουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις: τη βαρύτητα, τις ηλεκτρομαγνητικές, τις ασθενείς και τις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Από τη θεωρία χορδών προκύπτει ότι κάποτε ήταν όλες εκδηλώσεις ενός.
Σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, δεδομένου ότι το πρώιμο σύμπαν ψύχθηκε μετά τη μεγάλη έκρηξη, αυτή η μεμονωμένη αλληλεπίδραση άρχισε να διασπάται σε διαφορετικές που είναι ενεργές σήμερα.
Πειράματα υψηλής ενέργειας θα μας επιτρέψουν μια μέρα να ανακαλύψουμε την ενοποίηση αυτών των δυνάμεων, αν και τέτοια πειράματα είναι πολύ πέρα από την τρέχουσα εξέλιξη της τεχνολογίας.
Πέντε επιλογές
Μετά την επανάσταση των υπερχορδών το 1984, η ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε με πυρετώδεις ρυθμούς. Ως αποτέλεσμα, αντί για μία έννοια, υπήρχαν πέντε, ονομαζόμενοι τύποι I, IIA, IIB, HO, HE, καθένας από τους οποίους περιέγραψε σχεδόν πλήρως τον κόσμο μας, αλλά όχι πλήρως.
Φυσικοί, ταξινομώντας τις εκδόσεις της θεωρίας χορδών με την ελπίδα να βρουν έναν παγκόσμιο αληθινό τύπο, έχουν δημιουργήσει 5 διαφορετικές αυτάρκεις εκδοχές. Ορισμένες από τις ιδιότητές τους αντανακλούσαν τη φυσική πραγματικότητα του κόσμου, άλλες δεν αντιστοιχούσαν στην πραγματικότητα.
Μ-θεωρία
Σε ένα συνέδριο το 1995, ο φυσικός Edward Witten πρότεινε μια τολμηρή λύση στο πρόβλημα των πέντε υποθέσεων. Με βάση τη δυαδικότητα που ανακαλύφθηκε πρόσφατα, έγιναν όλες ειδικές περιπτώσεις μιας ενιαίας γενικής ιδέας, που ονομάζεται M-θεωρία των υπερχορδών του Witten. Μία από τις βασικές έννοιές του ήταν οι branes (συντομογραφία για τη μεμβράνη), θεμελιώδη αντικείμενα με περισσότερες από 1 διαστάσεις. Αν και ο συγγραφέας δεν πρόσφερε μια πλήρη έκδοση, η οποία δεν είναι ακόμη διαθέσιμη, η M-θεωρία των υπερχορδών αποτελείται εν συντομία από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
- 11-διάσταση (10 χωρική συν 1 χρονική διάσταση);
- δυαδότητες που οδηγούν σε πέντε θεωρίες που εξηγούν την ίδια φυσική πραγματικότητα.
- branes είναι χορδές με περισσότερες από 1 διαστάσεις.
Οι
Συνέπειες
Ως αποτέλεσμα, αντί για μία, υπήρχαν 10500 λύσεις. Για ορισμένους φυσικούς, αυτό προκάλεσε κρίση, ενώ άλλοι αποδέχθηκαν την ανθρωπική αρχή, η οποία εξηγεί τις ιδιότητες του σύμπαντος από την παρουσία μας σε αυτό. Μένει να δούμε πότε οι θεωρητικοί θα βρουν άλλοτρόπος προσανατολισμού στη θεωρία υπερχορδών.
Ορισμένες ερμηνείες υποδηλώνουν ότι ο κόσμος μας δεν είναι ο μόνος. Οι πιο ριζοσπαστικές εκδοχές επιτρέπουν την ύπαρξη ενός άπειρου αριθμού συμπάντων, μερικά από τα οποία περιέχουν ακριβή αντίγραφα των δικών μας.
Η θεωρία του Αϊνστάιν προβλέπει την ύπαρξη ενός κουλουριασμένου χώρου, που ονομάζεται σκουληκότρυπα ή γέφυρα Αϊνστάιν-Ρόζεν. Σε αυτή την περίπτωση, δύο απομακρυσμένες τοποθεσίες συνδέονται με ένα σύντομο πέρασμα. Η θεωρία υπερχορδών επιτρέπει όχι μόνο αυτό, αλλά και τη σύνδεση μακρινών σημείων παράλληλων κόσμων. Είναι ακόμη δυνατή η μετάβαση μεταξύ συμπάντων με διαφορετικούς νόμους της φυσικής. Ωστόσο, είναι πιθανό η κβαντική θεωρία της βαρύτητας να καταστήσει αδύνατη την ύπαρξή τους.
Πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι η ολογραφική αρχή, όταν όλες οι πληροφορίες που περιέχονται στον όγκο του χώρου αντιστοιχούν στις πληροφορίες που καταγράφονται στην επιφάνειά του, θα επιτρέψει μια βαθύτερη κατανόηση της έννοιας των ενεργειακών νημάτων.
Μερικοί πιστεύουν ότι η θεωρία υπερχορδών επιτρέπει πολλαπλές διαστάσεις του χρόνου, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ταξίδι μέσα από αυτές.
Επιπλέον, στο πλαίσιο της υπόθεσης, υπάρχει μια εναλλακτική στο μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης, σύμφωνα με την οποία το σύμπαν μας εμφανίστηκε ως αποτέλεσμα σύγκρουσης δύο βράνων και περνάει από επαναλαμβανόμενους κύκλους δημιουργίας και καταστροφής.
Η τελική μοίρα του σύμπαντος απασχολούσε πάντα τους φυσικούς και η τελική εκδοχή της θεωρίας χορδών θα βοηθήσει στον προσδιορισμό της πυκνότητας της ύλης και της κοσμολογικής σταθεράς. Γνωρίζοντας αυτές τις αξίες, οι κοσμολόγοι μπορούν να καθορίσουν εάν το σύμπαν θα το κάνεισυρρικνωθεί μέχρι να εκραγεί για να ξεκινήσει ξανά από την αρχή.
Κανείς δεν ξέρει πού μπορεί να οδηγήσει μια επιστημονική θεωρία μέχρι να αναπτυχθεί και να δοκιμαστεί. Ο Αϊνστάιν, γράφοντας την εξίσωση E=mc2, δεν περίμενε ότι θα οδηγούσε στην εμφάνιση πυρηνικών όπλων. Οι δημιουργοί της κβαντικής φυσικής δεν γνώριζαν ότι θα γινόταν η βάση για τη δημιουργία ενός λέιζερ και ενός τρανζίστορ. Και παρόλο που δεν είναι ακόμη γνωστό σε τι θα οδηγήσει μια τόσο καθαρά θεωρητική ιδέα, η ιστορία δείχνει ότι κάτι εξαιρετικό σίγουρα θα αποδειχθεί.
Για περισσότερα σχετικά με αυτήν την εικασία, δείτε τη Θεωρία Υπερχορδών του Andrew Zimmerman για τα Ανδρείκελα.
