Universul ar putea avea mai multe dimensiuni decât ne dăm seama?

Teoria corzilor, sau teoria stringurilor, este o pretinsă teorie a totului prin care fizicienii speră că într-o bună zi vor explica… totul.

Toate forțele, toate particulele, toate constantele, toate lucrurile sub un singur acoperământ teoretic, în care tot ceea ce vedem este rezultatul unor minuscule corzi vibrante. Teoreticienii lucrează la această idee încă din anii 1960, iar unul dintre primele lucruri de care și-au dat seama este că pentru ca teoria să funcționeze, trebuie să existe mai multe dimensiuni decât cele patru obișnuite.

Dar această idee nu este atât de hazardată pe cât pare.

Dezastru dimensional

Premisa de la care se pornește este simplă: deoarece o particulă punctuală ridică probleme, se poate imagina că aceasta are o extensie spațială (dar foarte, foarte, foarte mică), astfel încât ceea ce este descris ca fiind o particulă sa fie, de fapt, dacă este privită (de foarte, foarte, foarte aproape), rezultatul vibrației unui mic filament de materie, o coardă.

Există două tipuri de bază ale teoriilor corzilor: cele cu bucle ale corzilor închise care se pot rupe în corzi deschise (corzi deschise) și cele cu bucle ale corzilor închise care nu se pot rupe în corzi deschise (corzi închise).

În teoria corzilor, mici bucle care vibrează fără excepție (în teorie, ele sunt obiectul fundamental al realității) se manifestă ca particule diferite (electroni, quarci, neutrino etc.) și ca purtători de forță¹ ai naturii (fotoni, gluoni, gravitoni etc.). Modul în care fac acest lucru este prin vibrațiile lor. Fiecare coardă este atât de minusculă, încât ni se pare că este doar o particulă asemănătoare punctului, dar fiecare coardă poate vibra în moduri diferite, la fel cum se pot produce note diferite dintr-o coardă de chitară. (Teoria corzilor în sprijinul tentativei de unificare)

[¹Purtător de forță: în teoria cuantică a câmpurilor, purtătorii de forță sau particulele mesager sau particulele intermediare sunt particulele care dau naștere forțelor între particule. Aceste particule sunt pachete de energie (cuante) ale unui anumit tip de câmp. Există un tip de câmp pentru fiecare tip de particule elementare. De exemplu, există un câmp electromagnetic a cărui cuantă este fotonul (cuantă de lumină).]

Fiecare mod de vibrație se crede că se referă la un alt tip de particulă. Deci, toate corzile care vibrează într-un fel sunt electroni, toate corzile care vibrează într-un alt mod sunt fotoni și așa mai departe. Ceea ce înțelegem ca fiind coliziuni de particule sunt, din punctul de vedere al teoriei corzilor, mai multe corzi care se unesc și se scindează.

Dar pentru ca matematica să funcționeze, trebuie să existe mai mult de patru dimensiuni în universul nostru. Acest lucru se datorează faptului că spațiu-timpul nostru obișnuit nu oferă corzilor suficiente  „camere” pentru a vibra în toate modurile de care au nevoie pentru a se exprima pe deplin în toate varietățile de particule din lume. Acestea sunt pur și simplu prea limitate.

Cu alte cuvinte, corzile nu doar vibrează, ci vibrează hiperdimensional.

Coardă închisă

Coardă deschisă

Versiunile actuale ale teoriei corzilor necesită 10 dimensiuni în total, în timp ce o teorie și mai ipotetică, cunoscută sub denumirea de Teoria M, necesită 11. Dar când privim în jur universul, vedem doar cele trei dimensiuni spațiale obișnuite, plus dimensiunea timpului. Suntem destul de siguri că, dacă universul ar avea mai mult de patru dimensiuni, am fi observat până acum.

Cum se poate reconcilia cerința teoriei corzilor pentru dimensiuni suplimentare cu experiențele noastre cotidiene din univers?

Dimensiune înfășurată și compactă

Din fericire, teoreticienii corzilor au putut să indice un antecedent istoric pentru această noțiune aparent radicală.

Teoriile moderne Kaluza-Klein unifică Teoria electromagnetică a lui Maxwell cu Teoria einsteiniană a Relativităţii Generale şi Gravitaţiei. Această teorie (Kaluza-Klein modernă, 5-D), furnizează informaţia ştiinţifică şi baza tehnică, pentru elaborarea de modele ale galaxiilor, sistemelor solare, prefigurând călătoria spre stele.

Povestea sus-amintitei teorii, a început în 1919, când Theodor Kaluza a unificat Electromagnetismul maxwellian cu Relativitatea Generală şi Gravitaţia, prin adăugarea unei a cincea dimensiuni spaţiului-timp minkowskian.

Ideea i-a venit lui Kaluza după modelul elaborat de Hermann Minkowski, care a utilizat a patra dimensiune, suplimentară, pentru a rezolva probemele Teoriei Generale a Relativităţii şi Gravitaţiei, formând astfel fascinantul continuum spaţio-temporal în patru dimensiuni, prin adăugarea la spaţiul tridimensional a unui timp complex.

[Timpul complex este, desigur, exprimat în numere complexe; dar orice număr complex are două părţi: una reală şi una imaginară. Ideea de timp cu două dimensiuni sau bi-dimensionalitatea timpului este sugestivă ca justificare, prin intuire, a Planului Temporal. Două dimensiuni temporale formează, firesc, un plan temporal.

Oamenii îşi imaginează timpul ca pe o axă trecut-prezent-viitor. Un timp complex, geometric vorbind, este un plan complex, cu traiectorii temporale curbe, mai ales pentru lumea particulelor elementare, care se deplasează cu viteze foarte mari, frizând viteza luminii, adică pentru mecanica cuantică, relativitate, gravitaţie, astronomie, cosmologie.]

În 1919, la scurt timp după ce Albert Einstein și-a publicat teoria Relativității Generale, matematicianul și fizicianul Theodor Kaluza se juca cu ecuațiile, doar pentru a se distra. Și a găsit ceva deosebit de interesant când a adăugat o a cincea dimensiune la ecuații – nu s-a întâmplat nimic. Într-adevăr, ecuațiilor relativității nu le pasă  de numărul de dimensiuni; este altceva ce trebuie adăugat pentru a face teoria să se aplice universului nostru.

Dar apoi Kaluza a adăugat o distorsiune specială la acea a cincea dimensiune, făcând-o să se înfășoare în jurul său, în ceea ce el a numit „condiția cilindrului” (o extra dimensiune rulată cilindric). Această cerință a făcut să apară ceva nou: Kaluza a refăcut ecuațiile obișnuite ale relativității generale în cele patru dimensiuni obișnuite, plus o nouă ecuație care reproducea expresiile electromagnetismului.

Se părea că, prin adăugarea dimensiunilor, legile fizicii ar fi putut fi unificate.

Privind retrospectiv, aceasta era o pistă falsă.

La rândul său, Oskar Klein (1926), a aplicat teoria lui Kaluza asupra Mecanicii Cuantice, care se foloseşte în teoria modernă a stringurilor.

Mai bine de 70 de ani, oamenii de ştiinţă au avut dificultăţi în a corela teoria Kaluza-Klein cu realitatea fizică, cu toate că folosea o extra dimensiune.

Astfel, fizicianul Oskar Klein, a încercat să dea ideii lui Kaluza o interpretare în termeni de mecanică cuantică. El a descoperit că dacă această a cincea dimensiune exista și era responsabilă în vreun fel de electromagnetism, acea dimensiune trebuia să fie ghemuită, înfășurându-se în jurul ei înseși (la fel ca în ideea inițială a lui Kaluza), dar mult mai mică, până la 10^-35 metri.

Presupunerea iniţială a unei extra dimensiuni rulată cilindric, şi de aceea nesesizabilă, a fost modificată, dar teoriile stringurilor şi super stringurilor nu au dus la interpretări acceptabile ale lumii fizice.

Abia în 1998, savanţii Wesson şi Overduin, au demonstrat că a cincea dimensiune soluţionează „Space-Time-Matter Continuum“, Continuumul Spaţiu-Timp-Materie.

Numeroasele varietăți ale teoriei corzilor

Dacă o dimensiune suplimentară (sau dimensiuni) este într-adevăr atât de mică, este normal faptul că nu am observat-o până acum. Este atât de mică încât nu am putea spera să o analizăm direct prin experimentele noastre cu energii înalte (fizica particulelor elementare este cunoscută și ca fizica energiilor înalte).

Și dacă aceste dimensiuni sunt înfășurate pe ele însele, atunci de fiecare dată când te deplasezi în spațiul cu patru dimensiuni, te deplasezi într-adevăr în jurul acestor dimensiuni suplimentare de miliarde de miliarde de ori.

Și acestea sunt dimensiunile în care trăiesc corzile din teoria corzilor.

Odată cu o perspectivă matematică suplimentară, s-a constatat că cele șase dimensiuni spațiale suplimentare necesare în teoria corzilor trebuie să fie înglobate într-un set particular de configurații, cunoscute sub denumirea de varietăți Calabi-Yau, după numele a doi fizicieni proeminenți. Dar nu există o varietate unică care să fie permisă de teoria corzilor.

Există în jur de 10 ^200.000 de varietăți.

O varietate Calabi-Yau din nenumăratele varietăți posibile

Se pare că atunci când ai nevoie de șase dimensiuni pentru a te înfășura pe tine însuți și le oferi aproape orice modalitate posibilă de a o face, acestea… se adaugă.

Există o mulțime de moduri diferite de a se înfășura aceste dimensiuni în sine. Și fiecare configurație posibilă va afecta modul în care vibrează corzile în interiorul lor. Întrucât modul în care vibrează corzile determină modul în care se comportă aici în lumea macroscopică, fiecare alegere a varietății conduce către un univers distinct, cu propriul set de legi ale fizicii.

Deci o singură varietate poate da naștere lumii așa cum o experimentăm noi. Dar care?

Din păcate, teoria corzilor nu poate da un răspuns, cel puțin nu încă. Problema este că teoria corzilor nu este finalizată – avem doar diverse metode de aproximare prin care sperăm să ne apropiem de realitate, dar acum nu avem idee cât de aproape suntem de realitate. Deci, nu avem o tehnologie matematică pentru urmărirea lanțului, de la o varietate specifică la o vibrație specifică a corzii și până la legile fizicii universului.

Răspunsul teoreticienilor corzilor este ceva numit “Peisaj”, un multivers al tuturor universurilor posibile prezise de diferitele varietăți, cu universul nostru care este doar un punct printre multe altele.

Și aici se află astăzi teoria corzilor, undeva în acest “Peisaj”.

© CCC