Teoria corzilor a fost descoperită din întâmplare?
În fizică, Teoria corzilor este un cadru teoretic ce are potențialul de a revoluționa înțelegerea despre univers, acționând ca o „Teorie a Totului”. Aceasta își propune să unifice cei doi piloni ai fizicii moderne – teoria generală a relativității (gravitația) a lui Albert Einstein și mecanica cuantică (fizica celor mai mici particule, la scară atomică și subatomică, unde legile clasice nu se aplică) – care sunt în prezent incompatibili din punct de vedere matematic.
Aspecte ale teoriei corzilor
Corzi, nu particule: în loc de particule punctuale (cum ar fi electronii sau quarcii), teoria corzilor propune drept constituenți fundamentali ai universului „corzi” de energie minuscule, unidimensionale, care vibrează.
Moduri vibraționale: așa cum o coardă muzicală produce note diferite, aceste corzi vibrează la frecvențe diferite, corespunzătoare diferitelor particule cu mase și sarcini specifice.
Gravitația cuantică: una dintre stările vibraționale ale unei corzi corespunde în mod natural gravitonului, o particulă care poartă forța gravitațională. Acest lucru face ca teoria corzilor să fie un candidat puternic pentru o teorie cuantică a gravitației care a scăpat mult timp fizicienilor.
Dimensiuni suplimentare: pentru ca teoria să fie consistentă din punct de vedere matematic, necesită 10 sau 11 dimensiuni (în loc de cele 4 pe care le experimentăm: 3 spațiale + 1 temporală). Aceste dimensiuni suplimentare sunt „compactate” sau curbate la scări atât de mici (aproximativ lungimea Planck) încât sunt nedetectabile.
Teoria M: în anii 1990, fizicienii și-au dat seama de faptul că cinci teorii diferite ale corzilor erau de fapt limite diferite ale unui singur cadru general 11-dimensional, cunoscut sub numele de Teoria M.
Descoperirea teoriei corzilor
Teoria corzilor a fost descoperită în mare parte „accidental” sau, mai precis, prin serendipitate, la sfârșitul anilor 1960. În 1968, Gabriele Veneziano căuta o formulă matematică pentru a descrie interacțiunea tare (legarea protonilor și neutronilor), nu pentru a crea o nouă teorie fundamentală, și a descoperit că funcția beta a lui Euler se potrivea surprinzător de bine, înainte ca alți fizicieni să-și dea seama că aceste formule descriau de fapt corzile vibrante și, mai târziu, gravitonul.
Deși originile sale au fost accidentale, teoria corzilor a devenit una dintre cele mai ambițioase încercări de a reconcilia mecanica cuantică și relativitatea generală, deși rămâne controversată din cauza lipsei de dovezi observaționale directe.
Etapele acestei descoperiri fortuite:
Punctul de plecare (Accidentul): în timp ce încerca să modeleze hadronii și interacțiunea tare, Gabriele Veneziano a descoperit că funcția beta a lui Euler satisfacea în mod neașteptat proprietățile matematice dorite, fără a înțelege inițial fizica subiacentă.
Greșeala inițială: formula lui Veneziano părea a fi o soluție matematică pentru particulele punctuale, dar ulterior s-a descoperit că descrie vibrațiile unor corzi minuscule, nu ale unor particule punctuale.
Reinterpretarea: câțiva ani mai târziu, fizicienii și-au dat seama că aceste corzi nu descriau cu exactitate interacțiunea tare, ci conțineau o particulă fără masă corespunzătoare gravitonului, particula ipotetică a gravitației.
Reorientarea: în 1974, John Henry Schwarz, Joel Scherk și Tamiaki Yoneya au descoperit că aceste vibrații corespundeau proprietăților gravitonului, particula ipotetică a gravitației, transformând astfel teoria într-o teorie unificată. Ceea ce a început ca o încercare de a explica fizica nucleară a devenit, prin acest lanț neașteptat de evenimente, o încercare de a construi o teorie unificată a gravitației și mecanicii cuantice.
O schimbare de paradigmă: această teorie a apărut din încercarea de a rezolva o problemă, care în cele din urmă a iluminat un domeniu complet diferit al fizicii (gravitația cuantică).
Starea actuală: teoria corzilor este acum o teorie matematică extrem de dezvoltată, dar rămâne nedemonstrată experimental.
Pe scurt, este unul dintre cele mai faimoase exemple despre cum căutarea de soluții la probleme specifice poate duce la descoperiri fundamentale neașteptate în fizica teoretică.
Cine este Gabriele Veneziano
Gabriele Veneziano, născut pe 7 septembrie 1942 la Florența, este un fizician teoretician italian, considerat părintele teoriei corzilor. Și-a desfășurat majoritatea activităților științifice la CERN din Geneva, Elveția, și a deținut catedra de Particule Elementare, Gravitație și Cosmologie la Collège de France din Paris din 2004 până în 2013, la vârsta pensionării. Membru al Academiei Franceze de Științe.
O incursiune în istoria teoriei corzilor sau cum o soluție sugerată la o anumită problemă a iluminat de fapt un domeniu mult mai larg
Fizica teoretică a trecut prin trei revoluții majore la începutul secolului al XX-lea: mecanica cuantică și cele două teorii ale relativității, restrânsă și generală.
Mecanica cuantică descrie infinitul mic, comportamentul materiei și energiei la scară atomică și subatomică, unde legile clasice nu se aplică.
Relativitatea restrânsă și faimoasa sa formulă E = mc² descriu fizica obiectelor care se mișcă cu viteze apropiate de viteza luminii. Aceasta arată că timpul și spațiul nu sunt absolute, ci relative, viteza luminii în vid rămânând constantă.
Relativitatea generală descrie forța gravitațională ca provenind din curbura spațiu-timpului. Este o teorie geometrică, care postulează că prezența de masă și energie conduce la “curbura” spațiului, și că această curbură influențează traiectoria altor obiecte, inclusiv a luminii, în urma forțelor gravitaționale.
Luate împreună, acestea au revoluționat înțelegerea asupra spațiu-timpului, materiei și interacțiunilor fundamentale. Implicațiile acestei revoluții nu sunt încă pe deplin înțelese astăzi.
Într-adevăr, nu știm cum să folosim acest cadru pentru a descrie anumite situații extreme, cum ar fi spațiu-timpul din interiorul găurilor negre sau în momentul Big Bang-ului – două situații în care efectele cuantice și gravitaționale sunt simultan semnificative. În această interacțiune complexă se află misterul central al „gravitației cuantice”, un mister pe care fizica modernă încearcă să-l dezlege și pentru care teoria corzilor oferă un cadru care unifică relativitatea generală și fizica cuantică.
Din perspectiva istoriei științei, un aspect remarcabil al acestei teorii sofisticate este că a fost, de fapt, descoperită din întâmplare, într-un domeniu cu totul diferit de gravitația cuantică: cel al fizicii particulelor subatomice!
Gabriele Veneziano și particulele subatomice
Gabriele Veneziano pe malul faimosului lac Annecy (departamentul Haute-Savoie) – locul preferat al persoanele singure, datorită peisajelor sale încântătoare – în vara în care a dat, din întâmplare, peste o formulă care avea să ducă la descoperirea teoriei corzilor
Geneva, sfârșitul anilor 1960. Gabriele Veneziano, în vârstă de 26 de ani, tocmai își terminase doctoratul în fizică nucleară în Israel și era în vizită la CERN. La acea vreme, fizicienii teoreticieni din întreaga lume se confruntau cu o problemă dificilă: metoda care le permisese să înțeleagă interacțiunile dintre electroni și lumină / fotoni (numită acum teoria cuantică a câmpului) părea să nu funcționeze pentru a descrie interacțiunile dintre alte particule subatomice.
În special, interacțiunea nucleară tare (forta care leagă împreună protonii și neutronii din nucleul atomilor), care guvernează interacțiunile dintre elementele fundamentale ale materiei: protoni, neutroni etc., nu era înțeleasă. Aceste particule formează o adevărată menajerie de particule numite hadroni.
Apoi a fost explorată o nouă abordare: „bootstrap-ul”. Neputând găsi teoria potrivită pentru a descrie hadronii individual, fizicienii și-au pus întrebarea invers: ce proprietăți generale trebuie să satisfacă orice teorie? Răspunsul: cel puțin, trebuie să satisfacă simultan cerințele mecanicii cuantice și ale relativității restrânse.
Această abordare, de exemplu, arată că o interacțiune fundamentală nu poate depăși o anumită intensitate fără a încălca legile mecanicii cuantice (la fel ca existența unei viteze maxime în relativitate). Pe scurt: dacă amesteci legile mecanicii cuantice cu cele ale relativității restrânse, nu totul este permis, iar posibilele legi fizice devin extrem de constrânse.
În acest context, Gabriele Veneziano a propus, în 1968, o funcție matematică foarte particulară – funcția Beta a lui Euler – pentru a modela hadronii și interacțiunile acestora. La acea vreme, nu se cunoștea teoria care permitea explicarea originii acestei formule: se știa doar că aceasta satisfacea, pentru prima dată, toate proprietățile matematice dorite. Lucrarea sa a avut un succes imediat, deoarece formula răspundea simultan la multe întrebări.
Serendipitatea și teoria corzilor
Serendipitatea (fenomenul sesizării anumitor aspecte ale descoperirilor științifice întâmplătoare) este adesea idealizată ca un accident fericit. Însă în știință, aceasta ia o formă mai subtilă: apare din interacțiunea între un context de cercetare fertil și capacitatea de a recunoaște că o soluție găsită pentru o anumită problemă aruncă de fapt lumină asupra unui domeniu mult mai larg.
Cazul formulei lui Veneziano este emblematic. La câțiva ani după articolul lui Veneziano, fizicienii Leonard Susskind, Yoichiro Nambu și Holger Bech Nielsen și-au dat seama (independent) că această formulă descria de fapt nu hadroni, ci „corzi cuantice”, adică obiecte microscopice filiforme (filamentare) care vibrează ca niște corzi minuscule de vioară.
Și aici devine cu adevărat interesant.
Corzile și… gravitonul?
Începând cu anii 1970, pe măsură ce această interpretare a fost explorată, au apărut și alte indicii tulburătoare. Teoria pare să conțină invariabil o anumită particulă: gravitonul, despre care se presupune că poartă forța gravitației cuantice. În plus, necesită existența unor dimensiuni spațiale suplimentare – un preț care atunci părea prea mare pentru o teorie menită să descrie hadronii!
Și mai presus de toate, cum ar putea o teorie inventată pentru a descrie interacțiunile materiei din nucleul atomic să conțină o teorie care descrie cu totul altceva – gravitația cuantică?
Cum în aceeași perioadă (în jurul anului 1973), teoria cuantică a câmpurilor, a ajuns să explice interacțiunile tari datorită descoperirii cromodinamicii cuantice și, în special, a libertății asimptotice, modelul lui Veneziano a fost marginalizat în acest context.
Însă câțiva fizicieni vizionari, precum Joel Scherk și John Schwarz, au presimțit că această teorie, datorită gravitonului său misterios, poseda un potențial unic pentru abordarea gravitației cuantice.
Zece ani mai târziu, în 1984, Michael Green și John Schwarz au confirmat această intuiție și au demonstrat că teoria corzilor este într-adevăr o veritabilă teorie a gravitației cuantice.
Astfel, vedem că descoperirea teoriei corzilor este un exemplu excelent de serendipitate: o teorie născută dintr-o anumită întrebare luminează esența unui aspect complet diferit al științei.
Gabriele Veneziano a adus, de asemenea, contribuții semnificative la dezvoltarea teoriei corzilor, în special prin studierea legăturilor acesteia cu structura microscopică a spațiu-timpului.
Teoria corzilor, astăzi
Astăzi, teoria corzilor este mult mai mult decât o simplă teorie candidată a gravitației cuantice. Alături de teoria cuantică a câmpurilor, aceasta constituie un cadru conceptual și matematic de o bogăție inegalabilă, capabil să unifice idei din fizica particulelor, relativitate, teoria câmpurilor, teoria haosului și matematică pură și să producă progrese conceptuale și tehnice în aceste domenii.
De exemplu, modelul lui Veneziano și generalizările sale, despre care se știe acum că provin din teoria corzilor, prezintă proprietăți matematice remarcabile legate de funcția zeta a lui Riemann. Aceste proprietăți sunt explicate fizic prin modul în care două corzi deschise se unesc pentru a forma o coardă închisă.
Mai mult, programul „bootstrap”, care a dat naștere teoriei corzilor, cunoaște o renaștere: datorită puterii computerelor moderne și ideilor din teoria corzilor și teoria câmpurilor, fizicienii aplică aceste concepte pentru a descrie o gamă largă de fenomene, de la tranzițiile de fază (schimbarea stării de agregare a materiei: topire, congelare, fierbere, sublimare, condensare) la fizica hadronică și chiar la gravitația cuantică.
Rămâne, însă, un mister fundamental: de ce această teorie, născută „din întâmplare”, pare atât de natural potrivită pentru a descrie gravitația cuantică? A fost într-adevăr o coincidență… sau o indicație că singura modalitate de a unifica cele trei teorii, care stau la baza fizicii secolului XX, este teoria corzilor? Este foarte posibil să avem un răspuns la această întrebare matematică în anii următori.
© CCC