Supercorzile si teoria M
Ideea că “particulele punctiforme” au un comportament destul de asemănător cu cel al corzilor a aparut în 1968, cand fizicianul italian Gabriele Veneziano (n. 1942), considerat parintele teoriei cozilor, încerca sa găseasca o explicație pentru “captivitatea cuarcilor“. Cuarcii sunt particule elementare sensibile la forta nucleara tare, care formeaza “hadronii“, din care fac parte neutronul și protonul.
[Un cuarc este o particulă elementară sensibila la interacțiunea tare. Cuarcii formeaza hadronii. Există șase tipuri de cuarci: cuarcul up (u), cuarcul down (d), cuarcul strange (s), cuarcul charm (c), cuarcul bottom (b) și cuarcul top (t). Numele de cuarci a fost dat acestor particule de Murray Gell-Mann și vine de la un roman al lui James Joyce, “Veghea lui Finnegan” (Finnegan’s Wake, 1939). Acestia sunt fermioni cu sarcina fracționară.
Astazi se știe că nucleonii, adica protonii și neutronii sunt, de fapt, formati din cuarci, ca si toti ceilalti hadroni cunoscuti sub numele de mezoni π și K. Cuarcii sunt legati intre ei în hadroni prin schimbul particulelor fara masă similare fotonului forțelor electromagnetice, gluonii.
Hadronii obisnuiti sunt clasificati în functie de componentii lor in două subfamilii: barionii (hadronii fermionici), precum protonii și neutronii, formati din trei cuarci si mezonii (hadronii bosonici), precum pionii formati din perechi cuarc / anticuarc.]
Asadar, chiar dacă s-a reusit să se puna in evidenta existența cuarcilor in interiorul hadronilor prin intermediul acceleratoarelor de particule, nu s-a observat niciodata un cuarc izolat. Ceea ce in prezent este explicat prin intermediul cromodinamicii cuantice, atunci era un mister complet, și Veneziano a încercat o analogie cu corzile pentru a justifica faptul că, atunci când se încearca să se separe doi cuarci “tragand” de oricare dintre ei, nu se face decat sa se creeze două perechi de cuarci. Situația este exact aceeași dacă se încearca să se izoleze o extremitate a unui elastic trăgând de ea: nu se va face decât să se rupă elasticul și sa se obțina două “perechi de extremitati”, adică, doua elastice.
Compoziția in cuarci a celor mai cunoscute particule (dintre care protonul și neutronul)
Ilustrarea fenomenului de apariție a cuarcilor, atunci când se incearca, de exemplu, separarea a doi cuarci care formează o pereche. Principiul fizic consta in faptul că energia furnizată in timpul tractiunii sfarseste prin a se materializa sub forma de cuarci înainte de a se reuși izolarea cuarcilor.
Prin urmare, Veneziano a propus ideea conform careia acesti cuarci nu au o existență reală, și că obiectele fundamentale din spatele lor sunt corzile. Chiar dacă această idee a eșuat rapid în cadrul fizicii cuarcilor, teoreticienii au început să se concentreze mai mult asupra fizicii corzilor cuantice, “teoria corzilor”.
Printre principalele diferențe fata de particulele cuantice punctiforme, figureaza faptul că fiind extinsa, chiar izolata si în vid, o coarda cuantica se poate afla in niveluri de energie diferite, fiecare corespunzând unui mod de vibrație diferit. Astfel, într-un studiu, care a fost în primul rând matematic, s-a observat că in “spectrul de oscilație” (= ansamblul nivelurilor de energie ale corzii), figura o “particulă” fara masă și de spin egal cu 2. De fapt, fiecare mod de vibrație al unei corzi cuantice este perceput ca o particula punctiforma de energie (= masa) diferita.
Ceea ce ar fi fost într-adevăr un inconvenient, în cadrul inițial al fizicii cuarcilor, a devenit astfel un mare avantaj atunci când, în 1974, John Schwarz și Joel Scherk si-au dat seama că acest model aparent inutil pentru fizica nucleară s-ar putea dovedi foarte promițător daca s-ar schimba cadrul pentru punerea sa în aplicare. O particulă de masă nula și de spin 2 aminteste in mod inevitabil de graviton, particula care trebuie să conțină o teorie cuantică a gravitației, și, astfel, ar deveni foarte posibil ca si corzile sa conduca la o teorie cuantică a gravitației, ideea fiind pur și simplu faptul că spatiu-timpul este compus din aceste corzi, ceea ce, ca și în cazul gravitației cuantice cu bucle, ar elimina in mod natural unii termeni infiniti. Cu toate acestea, in scurt timp, au apărut mai multe dificultăți, deoarece o alta particulă prezisă de teorie era un tahion și ca, în plus, pentru coerența ansamblului, spațiu-timpul trebuia să aiba 26 de dimensiuni.
O coarda inchisa si una deschisa.
Cele mai simple corzi posibile: deschise sau închise, fara indicatii cu privire la eventuale grade de libertate interne.
Reprezentarea modurilor de excitație posibile pentru o coarda ale cărei extremitati sunt fixate. Cu cat numărul de “noduri” este mai mare, cu atat coarda poseda mai multa energie. In mod analog, diferite tipuri de (super)corzi sunt caracterizate prin diferite spectre ale căror moduri de oscilație (= particule) depind de simetriile presupuse. Cu cat un mod este superior, cu atat particula corespunzătoare este mai masiva.
De altfel, se stie de la începutul anilor 1970 ca visul de unificare a interacțiunilor, care privea la începutul secolului gravitația și electromagnetismul, nu era, probabil, atât de utopic pentru că in 1967, fizicianul pakistanez Abdus Salam și fizicianul american Steven Weinberg (bazându-se pe rezultatele lui Sheldon Glashow) au descoperit, independent unul de altul, acelasi mod de a descrie intr-o maniera unificata electromagnetismul și interacțiunea slabă (care guverneaza anumite dezintegrari), prin intermediul unei singure si unice interactiuni, interactiunea electroslaba. In plus, un element-cheie al acestei teorii a fost introducerea unui nou câmp scalar (denumit câmp Higgs, după fizicianul Peter Higgs), și a unui mecanism de “rupere spontană de simetrie“, carea explica faptul ca fotonul este fara masa, in timp ce bosonii vectori ai interacțiunii slabe sunt masivi.
Această teorie și previziunile sale directe au fost verificate la CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire – Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară – cel mai mare laborator din lume pentru cercetarea particulelor elementare), bosonul lui Higgs rămânand totodata sa fie detectat. Dar, înainte ca totul sa fie verificat experimental, un formalism similar a fost introdus pentru a se încerca să se găsească o descriere unificată a interacțiunii electroslabe cu interacțiunea dintre cuarci. Din păcate, acest lucru nu parea să funcționeze la fel de bine din diverse motive tehnice, care vor fi trecute sub tacere: ideea unei “mari unificari ” a celor trei interactiuni precedente părea să păstreze statutul unei frumoase idei matematice fara legătură cu fizica reala.
Cu toate acestea, unii fizicieni, încercand să studieze care erau simetriile cele mai generale posibile care pot fi încorporate în teoriile fizicii particulelor, au observat că nu se poate “face orice”, combinand simetriile spațiale și interne (legate de numere cuantice), și ca exista un fel de “simetrie maximală” combinand aceste două concepte intr-o maniera subtila, “supersimetria“. Aceasta simetrie consta in a asocia fiecarei particule bosonice un fermion de aceeași masă și invers, ceea ce are diverse avantaje foarte importante, în special pentru eliminarea problemelor infiniturilor care apar în calcule.
Supersimetria, fiind inițial o simetrie globală a spațiu-timpului (deci care implică grupul lui Poincaré), formularea sa locală a devenit “supergravitația“, o altă generalizare descoperita din teoria lui Einstein care a fost recent reactualizata datorita „teoriei M”. Cu toate acestea, este ușor de constatat că supersimetria nu se realizează în natură, deoarece nu există nici un boson cu aceeasi masa ca electronul, ceea ce înseamnă că, daca este introdusa într-o teorie, trebuie, de asemenea, să se explice de ce aceasta este abandonata. Totodata, se dovedeste că, dacă se încearca să aplice simultan ideea “marii unificari” și cea a “supersimetriei” (globale), toate problemele par să dispară, cel puțin în ceea ce privește teoria.
Asadar, se poate arăta că, din motive tehnice, adăugarea unei supersimetrii într-o teorie este un mod foarte eficient de a “scăpa” de un potențial tahion. Astfel, in 1981, fizicianul american Michael Green, ca și compatriotul său, John Henry Schwarz au dezvoltat o nouă teorie a corzilor, sau mai degrabă a “supercorzilor”, bazata pe ideea lui Joël Scherk și John Henry Schwarz, dar în care nici un tahion nu subzista, din cauza utilizării supersimetriilor.
Pentru toate motivele menționate mai sus, s-a ajuns ca teoria corzilor să fie văzută ca o posibilă modalitate de a unifica într-un cadru cuantic, toate interacțiunile, supercorzile fiind atât caramida elementara pentru materie, interacțiuni, dar si pentru spatiu-timp. In plus, această teorie a supercorzilor, prevedea, de asemenea, numărul de dimensiuni ale spațiu-timpului în care corzile “trăiau” și erau “doar” 10 dimensiuni, nicidecum 26. Acest surplus de șase dimensiuni, fata de cele 4 clasice, a motivat reactualizarea ideii de compactificare a dimensiunilor, insa cu apariția varietatilor matematice mult mai complexe decât simplele bucle propuse de Klein: varietatile Calabi-Yau.
Grilă Calabi. Conform teoriei corzilor, Universul are dimensiuni suplimentare infasurate intr-o structura de tip Calabi-Yau. Ilustrarea principiului constand in compacticarea a 6 dimensiuni ale unui spațiu-timp avand 10 dimensiuni pentru a obtine un spațiu-timp cu 4 dimensiuni (clasic) avand, in fiecare punct al acestuia din urma, o varietate Calabi-Yau.
Utilizarea simultană a conceptelor de supersimetrie, unificare și compactificare în teoria corzilor a dat naștere la ceea ce se numește “prima revoluție a supercorzilor.” Aceasta a fost prima revoluție, deoarece in anii 1990, “a doua revoluție” a fost declanșată de E. Witten, P. Townsend și J. Polchinski, acestea arătand că cele cinci teorii ale superstringurilor, aparute in prima revoluție, ar putea fi percepute ca 5 “limite” diferite ale unei teorii mai mari, “teoria M” (expresie în care semnificatia lui M nu a fost efectiv stabilita, osciland intre “magie”, “mister” si “membrană”), care cuprindea, de asemenea, o supergravitație în 11 dimensiuni studiata în trecut.
Aceasta a doua revoluție a insemnat, de asemenea, introducerea obiectelor matematice extinse, de diverse dimensiuni, pe care supercorzile ar fi “agățate”, numite “brane“. Ceea ce a motivat, de altfel, o serie întreagă de noi modele cosmologice (“cosmologia branara“), atunci când au fost descoperit modele matematice ale Universului în care intreaga materie se afla pe o brana 3-dimensionala (care ar fi ceea ce se considera a fi Universul), in care doar gravitatia avea posibilitatea de a „se plimba” prin dimensiunile suplimentare.
Originalitatea acestui model, în raport cu cele anterioare comportand dimensiuni suplimentare, este aceea că, daca materia este limitata pe brana tridimensionala, dimensiunile suplimentare nu sunt în mod necesar foarte mici și ar putea avea o marime de cativa microni, chiar de aproape un milimetru. Acest lucru ar implica abateri de la legea lui Newton la scara mica, acolo unde aceasta nu a fost intotdeauna foarte bine testata.
Dar aceasta idee, ca si predecesoarele sale, raman pentru moment un pic neclare și incomplete, deoarece, în ciuda numeroaselor succese teoretice pe care multi le-au interpretat ca semne foarte favorabile, teoria-M, presupusa a se afla în spatele tuturor acestor lucruri, nu este cunoscuta. Totodata, o etapa foarte importanta fost parcursa odata cu înțelegerea importanței noțiunii de “dualitate” și descoperirea unor astfel de relații de dualitate intre modelele supercorzilor, ceea ce înseamnă că modele a priori foarte diferite par, in final, sa descrie aceeași situație fizică.
Ilustrarea relațiilor de dualitate existand intre diversele teorii ale superstringurilor si teoria M. Dualitatea S conectează două teorii care sunt de așa natură incat, dacă într-una obiectele fizice interacționează slab intre ele, atunci în teoria duală există o interacțiune puternică între imaginile lor. Acestea sunt deci scari ale energiei opuse. Dualitatea T, la rândul său, conectează teoriile scarilor spațiale opuse: dacă una se refera la lucruri mici, cealalta descrie obiecte de mari dimensiuni.
Ilustrarea principiului “branelor” pe care ar fi “fixate” supercorzile
Astfel, această noțiune de dualitate ii face pe unii să creadă că alte abordări foarte diferite pentru a descrie fizica intr-o maniera geometrica si unificata, nu ar fi probabil decat alte fatete ale teoriei M. Printre aceste teorii și /sau idei, in prezent foarte diferite, figureaza, de exemplu, ” geometria non-comutativa ” a matematicianului francez Alain Connes, care consta in a lucra cu “coordonatele spațiale”, care nu sunt numere uzuale, ci obiecte matematice, cum ar fi faptul ca produsul A B a două dintre ele este diferit de produsul B A.
O altă abordare cu potențial foarte interesant este “teoria twistor-ilor” a lui Roger Penrose, teorie care pare, de asemenea, o continuare foarte naturala a relativității generale. Ideea de bază a lui Penrose este, de asemenea, legata de un fel de dualitate, deoarece pornind de la constatarea că un eveniment (punct) al spațiu-timpului este caracterizat in mod unic de datele conului de lumina asociat, a decis sa lucreze într-un spațiu geometric abstract ale cărui “puncte” sunt geodezicele nule delimitand conul.
In acest fel, aparea in mod natural, un spațiu complex de la care pornind, Penrose spera să cuantifice gravitatia. Desi opiniile fizicienilor teoreticieni (care lucrau asupra teoriilor mai “conventionale”), asupra sanselor de succes ale lui Penrose ramaneau destul de impartite, acesta a anunțat in scurt timp faptul că a descoperit ca procedura sa, care nu necesita adăugarea nici unei dimensiuni, permitea descoperirea varietatilor Calabi-Yau introduse in teoria supercorzilor, aceste varietati cu 6 dimensiuni putand fi, de asemenea, considerate ca fiind cu 3 dimensiuni complexe.
Dupa sumara descriere a celor mai moderne teorii, se observa faptul că situația ramane un pic confuza, teoriile fiind foarte numeroase, complexe și inca incomplete. Astfel, este foarte posibil ca printre acestea, multe care par a priori foarte diferite sa fie de fapt fatete ale aceleiași teorii, a teoriei M, de exemplu. Dar trebuie înțeles că dezvoltarea lor este, în mod inevitabil, un pic “hazardata”, în sensul că instrumentele matematice adecvate, adesea nu au fost încă inventate (sau descoperite), iar acest lucru se va petrece treptat. Totodata, într-un viitor nu prea îndepărtat vor exista, probabil, ceva mai multe cunoștințe, odata cu punerea in functiune, în următorul deceniu, a Marelui Accelerator de Hadroni (Large Hadron Collider, abreviat, LHC), acceleratorul de particule construit la Centrul European de Cercetări Nucleare (CERN), între Munții Alpi și Munții Jura, lângă Geneva.
Acesta ar trebui să ajunga la energii până acum neexplorate și în care mai multe teorii menționate aici sa ofere noi efecte spre a fi observate. Printre previziunile cele mai frapante, figureaza posibilitatea de a vedea coliziuni de protoni și ioni, generand mini găuri negre cu durata de viata foarte scurta, identice cu cele prezise de Hawking. Găurile negre, par într-adevăr sa fie fundamentale pentru teoria M, înțelegerea lor fiind în schimb îmbunătățita prin utilizarea teoriilor în care gravitația este (parțial) cuantificata.
Cu toate acestea, indiferent de teoria care va aparea în viitor, dupa testarea cu succes a LHC-ului, cu siguranta conceptia despre spatiu-timp care va trebui adoptata in viitor va fi chiar mai revoluționara decât cea prevăzută de Einstein, unele idei recente parand chiar sa susțina „Mitul Pesterei” al lui Platon, conform caruia oamenii nu ar observa decat proiecțiile lumii “reale”. De asemenea, este foarte probabil ca, în spiritul multora dintre cele mai recente rezultate teoretice, sa nu se schimbe doar conceptul de spațiu-timp, ci mai degrabă sa se gaseasca o formulare precisa noului concept deja lansat de mai multe decenii: materie-spatiu-timp.
© CCC
Continuare… Teoria corzilor si teoria M
Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului