Astronomie

Teoria corzilor, între susținere și contestare. Teste experimentale și perspective de viitor

---

În istoria fizicii se observă o tendinţă continuă spre reducerea teoriilor fizice la o teorie globală, universal valabilă. În acest context şi fizicienii contemporani întreprind eforturi considerabile de a unifica cele patru tipuri de interacţiuni fizice într-o interacţiune unică. Unificarea interacţiunilor devine conceptul de bază al fizicii particulelor elementare.

Ideea unificării interacţiunilor a început de pe vremea lui Galileo Galilei, care susţinea că legile fizice, descoperite pe Pământ, rămân aceleaşi oriunde în Univers.

Isaac Newton a dezvoltat ideile predecesorului său stabilind trei principii fundamentale ale mecanicii clasice şi extinzând forţa de atracţie terestră la una de atracţie universală.

O sută cincizeci de ani mai târziu, J. Maxwell a demonstrat teoretic că două interacţiuni – electrică şi magnetică – considerate până atunci separate, sunt aspecte înrudite ale unuia şi aceluiaşi fenomen. A avut loc unificarea electromagnetică.

Începând cu anul 1916, Albert Einstein a încercat, dar fără succes, să elaboreze o teorie unitară a interacţiunilor gravitaţionale şi electromagnetice.

Evoluţia post-einsteiniană a unificării a continuat în anii 1960 –1970. Fizicienii americani S. Glashov, S. Weiberg şi pakistanezul A. Salam (Premiul Nobel pentru fizică în 1979) au reuşit contopirea interacţiunii electromagnetice cu cea slabă, denumită interacţiune electroslabă, şi au prezis existenţa a trei particule-mesager care o mediază, numite weakoni (din engleză, weak – slab). Weakonul încărcat pozitiv W⁺, cel negativ W^– şi cel neutru Z⁰ au fost detectaţi ulterior de olandezul S. van Meer şi italianul Carlo Rubbia (Premiul Nobel pentru fizică în 1984) în acceleratorul de la Centrul European de Cercetări Nucleare (CERN).

În prezent, au loc tentative intense de a unifica interacţiunea electroslabă şi cea tare. Teoria respectivă are denumirea de teoria marii unificări (GUT, Grand Unified Theory).

Încă o direcţie de lucru a fizicienilor, şi mai ambiţioasă, este sinteza interacţiunii gravitaţionale cu cea electroslabă şi cu cea tare, numită „superunificare”.

Succesele posibile ar conduce la o interacţiune unică şi la elaborarea unei teorii, numite teorie generală (TOE, Theory of Everything) sau „teorie a totului”. S-a estimat că această interacţiune unică se manifesta în condiţii specifice care ar fi existat acum 13,7 miliarde de ani, când o explozie primordială de energie şi materie a marcat apariţia Universului, un eveniment numit convenţional „Big Bang” („Marea Explozie”).

Teoria „Big Bang” repune în discuţie şi încearcă să răspundă la o întrebare „veşnică” a omenirii – cea a originii lumii: Lumea a apărut la un moment dat sau a existat veşnic? Opinii contrare s-au conturat încă din antichitate: Aristotel era adeptul unui univers etern, în timp ce pentru învăţătorul său Platon acesta a fost creat de Demiurg. Astrofizicienii de astăzi (majoritatea cărora susţin teoria „Big Bang”) au reuşit să restabilească tabloul evolutiv al Universului.

Teoria corzilor

Teoria corzilor a început să fie dezvoltată la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970. A fost inițiată de fizicianul italian Gabriele Veneziano în 1968, inițial pentru a explica forța nucleară tare, înainte de a evolua într-o teorie candidat pentru descrierea tuturor interacțiunilor fundamentale.

Principalele momente ale evoluției sale:

1968 (începuturi): Gabriele Veneziano a descoperit că funcția “beta” a lui Euler poate descrie mezonii (particule subatomice).

1970-1971: Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen și Leonard Susskind au interpretat independent această formulă, sugerând că particulele sunt de fapt corzi vibrante.

Anii ’70-’80: teoria a trecut de la explicarea hadronilor la încercarea de a fi o “teorie a totului” (unificarea relativității generale cu mecanica cuantică).

Deși a apărut acum mai bine de 50 de ani, teoria corzilor continuă să fie un domeniu activ de cercetare teoretică, în ciuda faptului că nu a fost confirmată experimental.

Dincolo de lumina reflectoarelor, fizicienii teoreticieni continuă, totuși, să caute un model matematic care să poată explica particulele și forțele universului.

Teoria corzilor este o descriere matematică a naturii care necesită ca spațiul să posede mai multe dimensiuni suplimentare dincolo de cele trei obișnuite. Aceste dimensiuni suplimentare, prea mici pentru a fi observate în viața obișnuită, pot lua multe forme posibile sau geometrii (precum reprezentările artistice de mai sus ale varietăților Calabi-Yau) care pot influența proprietățile universului și ale particulelor subatomice.

Oamenii de știință care caută secretele universului ar dori să realizeze un model care să arate cum se potrivesc toate forțele și particulele naturii. Ar fi frumos să se îmbine ca niște piese de Lego sau ca un puzzle. Dar poate o variantă mai bună ar fi să se conecteze totul prin corzi.

Nu prin corzi literale, desigur – ci prin bucle minuscule sau fragmente de energie vibrantă. Iar „îmbinarea” trebuie să fie matematică, nu prin intermediul unor bucăți de plastic cu formă corectă. De zeci de ani, mulți fizicieni au sperat că ecuațiile care implică o „coardă” deosebit de mică ar putea oferi teoria care rezolvă misterele subatomice supreme ale naturii.

Teoria corzilor, așa cum este numită, a dobândit un fel de recunoaștere culturală vagă, apărând în seriale TV populare precum The Big Bang Theory și NCIS. În rândul fizicienilor, reacțiile la această teorie au fost mixte. După mai multe descoperiri promițătoare în anii 1980 și 1990, teoriile corzilor au căzut oarecum în dizgrație pentru că nu și-au îndeplinit promisiunile.

Printre acestea s-a numărat și furnizarea modului corect de includere a gravitației în teoria cuantică a particulelor subatomice. O alta a fost dezvăluirea matematicii că multiplele forțe fundamentale ale naturii sunt doar urmași diferiți ai unei forțe unificate. Promisiuni încă nerespectate.

Totuși, în perioada de la retragerea teoriei corzilor din lumina reflectoarelor, un număr considerabil de pasionați ai teoriei corzilor au lucrat pentru a lega toate capetele libere. Succesul rămâne evaziv, dar s-au făcut progrese reale. Întrebările care îi chinuie pe fizicieni, nu numai despre cele mai mici fragmente de materie, ci și despre proprietățile întregului univers, ar putea ceda eforturilor teoreticienilor corzilor.

„Multe dintre problemele nerezolvate din fizica particulelor și cosmologie sunt profund interconectate”, scriu fizicienii Fernando Marchesano, Gary Shiu și Timo Weigand în Revista Anuală a Științei Nucleare și a Particulelor din 2024. Teoria corzilor ar putea oferi calea către rezolvarea acestor probleme.

Ecuațiile realității

O abordare majoră în această căutare este de a afla dacă teoria corzilor poate explica ceea ce este cunoscut sub numele de Modelul Standard al fizicii particulelor. Dezvoltat în ultima parte a secolului al XX-lea, Modelul Standard oferă un fel de listă care enumeră toate particulele de bază ale naturii. Unele furnizează elementele constitutive ale materiei, altele transmit forțe între particulele de materie, guvernând modul în care acestea se comportă.

Modelul Standard al particulelor elementare

Modelul Standard al fizicii particulelor descrie forțele cunoscute ale naturii și particulele subatomice. Acestea includ quarci, leptoni și bosoni. Protonii și neutronii sunt compuși din quarci up și down. Leptonii includ electroni și neutrini. Fotonii transmit forța electromagnetică; gluonii țin particulele împreună în nucleul atomic; iar particulele W și Z transmit forța nucleară slabă, importantă pentru unele forme de radioactivitate. Bosonul Higgs este implicat în conferirea de masă unor particule. (CERN)

Este destul de simplu să desenezi o diagramă care să afișeze aceste particule. Ai nevoie de 12 pătrățele pentru particulele de materie – șase quarci și șase leptoni. Ai nevoie de patru pătrățele pentru particulele de forță (cunoscute colectiv sub numele de bosoni) plus un pătrățel pentru bosonul Higgs, o particulă necesară pentru a explica de ce unele particule au masă. Dar matematica care stă la baza diagramei este extrem de complexă, o combinație de ecuații care fac ca hieroglifele să pară autoexplicative.

Aceste ecuații funcționează superb pentru a explica, practic, rezultatele întregului comportament al fizicii particulelor. Dar Modelul Standard nu poate fi întreaga poveste a universului. „În ciuda succesului incredibil al Modelului Standard în descrierea fizicii particulelor observate până la scările energetice accesibile în prezent, există argumente convingătoare pentru care este incomplet”, scriu Marchesano și colaboratorii săi.

În primul rând, ecuațiile sale nu includ gravitația, care nu are niciun loc pe diagrama Modelului Standard. Iar matematica Modelului Standard lasă multe întrebări fără răspuns, cum ar fi de ce unele dintre particule au masele precise pe care le au. Matematica Modelului Standard nu include nici misterioasa materie întunecată care se ascunde în interiorul și între galaxii și nici nu explică de ce spațiul gol este infuzat cu o formă de energie care face ca universul să se extindă cu o rată accelerată.

Ce s-a întîmplat cu 4 miliarde de ani în urmă, când a început accelerarea Universului? Care este cauza ei? Se presupune că o energie necunoscută, numită „energia întunecată”, prevalează asupra efectelor gravitaţiei şi accelerează Universul. Cine este purtătorul acestei energii şi care este mecanismul de funcţionare rămâne deocamdată un mister.

Unii fizicieni care investighează aceste probleme cred că teoria corzilor poate ajuta, deoarece o versiune a Modelului Standard bazată pe corzi va conține calcule matematice suplimentare care ar putea explica deficiențele sale. Cu alte cuvinte, dacă teoria corzilor este corectă, Modelul Standard ar fi doar un segment al descrierii matematice complete a realității din teoria corzilor. Problema este că teoria corzilor descrie multe versiuni diferite ale realității. Asta pentru că corzile există într-un tărâm cu multiple dimensiuni ale spațiului dincolo de cele trei obișnuite.

Teoreticienii corzilor recunosc că viața de zi cu zi se desfășoară foarte bine într-o lume tridimensională. Prin urmare, dimensiunile suplimentare ale lumii corzilor trebuie să fie prea mici pentru a fi observate: trebuie să se micșoreze sau să se „compactifice” la dimensiuni submicroscopice. Este similar modului în care o furnică care trăiește pe o foaie vastă de hârtie ar percepe o suprafață bidimensională fără să realizeze vreodată că hârtia are o a treia dimensiune, foarte mică.

Nu numai că dimensiunile suplimentare ale teoriei corzilor trebuie să se micșoreze, dar se pot micșora și în nenumărate configurații diferite, sau geometrii ale vidului spațiului. Una dintre aceste geometrii posibile ar putea fi forma corectă a dimensiunilor micșorate pentru a explica proprietățile Modelului Standard.

„Modelul Standard… caracteristicile, întrebările și puzzle-urile pot fi reformulate în termenii geometriei dimensiunilor suplimentare”, scriu Marchesano și colaboratorii săi.

Deoarece matematica teoriei corzilor poate fi exprimată în mai multe forme diferite, teoreticienii trebuie să exploreze mai multe căi posibile pentru a găsi cea mai fructuoasă formulare. Până în prezent, au fost găsite abordări bazate pe corzi care descriu multe caracteristici ale Modelului Standard. Dar sunt necesare geometrii diferite de compactificare a vidului pentru a explica fiecare caracteristică. Provocarea, subliniază Marchesano și colegii săi, este de a găsi o geometrie pentru vid care să combine toate aceste caracteristici simultan, încorporând în același timp caracteristici care descriu universul cunoscut.

Compactificarea vidului este un concept fundamental în fizica teoretică, în special în teoria corzilor, care se referă la procesul prin care dimensiunile suplimentare ale spațiu-timpului (peste cele 4 dimensiuni cunoscute: 3 spațiale + 1 temporală) sunt „strânse” sau compactificate la dimensiuni extrem de mici, imperceptibile.

O compactificare reușită a dimensiunilor suplimentare, de exemplu, ar produce un vid în spațiu care ar conține cantitatea corespunzătoare de „energie întunecată”, sursa expansiunii accelerate a universului. Și candidații pentru materia întunecată cosmică ar trebui să apară și în matematica corzilor. De fapt, un set suplimentar complet de particule de forță și materie reiese din ecuațiile corzilor care implică o proprietate matematică numită supersimetrie. „Aproape toate modelele teoriei corzilor care seamănă cu Modelul Standard prezintă supersimetrie la scara compactificării”, scriu Marchesano și coautorii săi.

Versiunile teoriei corzilor care conțin particule supersimetrice sunt denumite „teoria supercorzilor”. Astfel de „superparticule” au fost mult timp suspectate că alcătuiesc materia întunecată a universului. Dar încercările de a le detecta în spațiu sau de a le crea în acceleratoarele de particule au fost până acum nereușite.

În ceea ce privește gravitația, particulele care transmit forța gravitațională apar în mod natural în matematica teoriei corzilor – una dintre marile atracții ale teoriei, de la bun început. Dar faptul că multe formulări ale teoriei corzilor includ gravitația nu ne spune care formulare oferă descrierea corectă a lumii reale.

Testele sunt posibile

Dacă teoria corzilor este corectă, înseamnă că particulele fundamentale ale naturii nu ar fi obiectele punctuale zero-dimensionale ale teoriei standard. În schimb, ar rezulta particule diferite din moduri diferite de vibrație ale unei corzi unidimensionale, fie o buclă, fie un fragment cu capete atașate la obiecte spațiale multidimensionale numite brane. Astfel de corzi ar fi aproximativ mai mici decât un atom într-o asemenea măsură încât un atom este mai mic decât sistemul solar. Foarte mici, fără nicio modalitate fezabilă de a le detecta direct. Cantitatea de energie necesară pentru a sonda scări atât de mici este mult dincolo de raza de acțiune a oricărei tehnologii practice actuale.

Dar dacă teoria corzilor poate explica Modelul Standard, aceasta ar conține și alte caracteristici ale realității care ar fi accesibile experimentelor, cum ar fi tipurile de particule care nu sunt incluse în diagrama Modelului Standard. „Construcțiile corzilor care realizează Modelul Standard conțin întotdeauna sectoare suplimentare… la o scară energetică ce ar putea fi testată în viitorul apropiat”, scriu Marchesano și colegii săi.

În cele din urmă, teoria corzilor rămâne o candidată promițătoare pentru a pune cap la cap toate piesele puzzle-ului cosmic. Dacă funcționează, oamenii de știință ar putea în sfârșit să dezlege misterele despre modul în care relația fizicii cuantice cu gravitația și proprietățile particulelor și forțelor naturii sunt toate profund legate. „Teoria corzilor”, scriu Marchesano și colegii săi, „are toate ingredientele pentru a ne ajuta să înțelegem această conexiune profundă”.

Problema teoriei corzilor

Teoria corzilor este un subiect captivant: ideea că universul pe care îl percepem cu toate particulele și forțele sale este doar o manifestare a unei lumi minuscule și ciudate de corzi vibrante, încolăcite în dimensiuni prea mici pentru ca experimentele noastre actuale să le poată atinge. Este ușor de înțeles de ce a captivat imaginația publicului și de ce evangheliștii teoriei corzilor, precum Brian Greene (autorul cărții “Universul elegant”) și Steven Hawking, sunt nume bine-cunoscute, în ciuda faptului că teoria corzilor este extrem de matematică și complicată.

Teoria corzilor există de peste 50 de ani, dar încă nu a produs o singură predicție măsurabilă și testabilă. În ciuda numeroaslor eforturi ale fizicienilor străluciți, în ciuda frumuseții și eleganței ideilor, teoria corzilor nici măcar nu poate fi considerată o teorie în sensul obișnuit.

Pentru un om de știință, o teorie este un cadru de idei care face predicții testabile despre lume. Teoria corzilor (dincolo de conceptele de bază: existența corzilor, numărul de dimensiuni etc.) vine în prea multe varietăți pentru a fi numărate, nu reușește să producă nici măcar aceleași rezultate pe care le-au obținut teoriile de succes din fizica particulelor și nu a spus încă nimic nou care să poată fi căutat.

O parte a problemei este amploarea teoriei: corzile, dacă există, sunt încolăcite atât de strâns fiind atât de mici, încât ar fi nevoie de multă energie pentru a le desfășura – de multe ori mai multă energie decât pot gestiona cele mai puternice acceleratoare de particule actuale. Dar aceasta nu este singura problemă: ar fi frumos dacă teoria corzilor ar avea efecte testabile (la scări la care să poată fi testate), chiar dacă corzile în sine nu sunt accesibile.

Nimic din toate acestea nu înseamnă că teoria corzilor este falsă sau greșită. Problema este și mai rea decât atât: teoria corzilor nu este nici măcar testabilă (deoarece nu face predicții testabile), nici falsificabilă (nu o poți exclude din același motiv).* Deci ar putea foarte bine să fie corectă! Dar nu este încă o teorie: este mai degrabă o proto-teorie, una care ar putea face pași importanți către îndeplinirea vastei sale promisiuni de adevărată Teorie a Totului.

În afară de aspectele fizicii teoretice, pot exista feeling-uri foarte amestecate despre teoria corzilor. Este incontestabil interesantă, iar cei mai buni susținători ai săi sunt foarte buni în a inspira interes nu doar pentru corzi, ci și pentru știință în general.

Pe de o parte, nu se dorește spargerea bulei oamenilor care găsesc inspirație în teoria corzilor, iar pe de altă parte, poate teoria corzilor are un PR atât de bun încât este sortită să dezamăgească pe măsură ce anii continuă să treacă fără nicio formă de confirmare.

Pentru mulți oameni de știință, teoria corzilor este calea de urmat pentru fizica teoretică, dar evident că acest lucru nu este adevărat – există multe alternative, deși inevitabil nu multe par promițătoare. Poate că oamenii de știință, ca și comunitate, nu fac un serviciu prea bun publicului permițând teoriei corzilor să acapareze lumina reflectoarelor. În cele din urmă, judecătorul este dovada, iar până când teoria corzilor nu oferă ceva cu care să se compare aceste dovezi, este foarte prematur să fie promovată ca soluție la toate problemele din fizica modernă.

* Trebuie menționat că teoria corzilor este falsificabilă în anumite domenii: deoarece se bazează pe relativitate și teoria cuantică pentru structura sa de bază, dacă oricare dintre aceste paradigme majore eșuează, și teoria corzilor va eșua. (Dacă se demonstrează că supersimetria (SUSY) este falsă, și teoria corzilor se va prăbuși, dar SUSY este, de asemenea, dificil de exclus complet.) Totuși, în acest caz este în joc mult mai mult decât teoria corzilor!

“Modă, credință și fantezie în noua fizică a universului” de Roger Penrose

Fizicianul Roger Penrose, laureat al Premiului Nobel, pune sub semnul întrebării unele dintre cele mai la modă idei din fizica actuală, inclusiv teoria corzilor. Ce legătură pot avea ideile la modă, credința oarbă sau fantezia pură cu încercarea științifică de a înțelege universul?

Cu siguranță, fizicienii teoreticieni sunt imuni la simple tendințe, credințe dogmatice sau zboruri ale fanteziei? De fapt, aclamatul fizician și autor de bestselleruri Roger Penrose susține că cercetătorii care lucrează la frontierele extreme ale fizicii sunt la fel de susceptibili la aceste forțe ca oricine altcineva.

În această carte provocatoare, el susține că moda, credința și fantezia, deși uneori productive și chiar esențiale în fizică, pot duce cercetătorii de astăzi pe căi greșite în trei dintre cele mai importante domenii ale domeniului – teoria corzilor, mecanica cuantică și cosmologia.

Argumentând că teoria corzilor s-a îndepărtat de realitatea fizică prin postularea a șase dimensiuni ascunse suplimentare, Penrose avertizează că natura la modă a unei teorii ne poate întuneca judecata cu privire la plauzibilitatea acesteia.

În cazul mecanicii cuantice, succesul său uimitor în explicarea universului atomic a condus la o credință necritică că aceasta trebuie aplicată și obiectelor cu masă rezonabilă, iar Penrose răspunde sugerând posibile schimbări în teoria cuantică.

Trecând la cosmologie, el susține că majoritatea ideilor fantastice actuale despre originile universului nu pot fi adevărate, dar că în spatele lor s-ar putea afla o realitate și mai sălbatică.

În cele din urmă, Penrose descrie modul în care moda, credința și fantezia i-au modelat în mod ironic propria operă, de la teoria twistorilor, o posibilă alternativă la teoria corzilor care începe să dobândească un statut la modă, până la „cosmologia ciclică conformă”, o idee atât de fantastică încât ar putea fi numită „cosmologia nebună conformă”. Rezultatul este o critică importantă a unora dintre cele mai semnificative evoluții din fizica de astăzi, formulată de una dintre cele mai eminente figuri ale sale.

Laureatul Nobel Roger Penrose critică vehement teoria corzilor, respingând-o ca fiind „modă” mai degrabă decât știință validă, deoarece se bazează pe 10 sau 11 dimensiuni în loc de cele patru observabile ale noastre, ceea ce o face o conexiune „prea slabă” cu realitatea. Penrose susține că îi lipsește testabilitatea experimentală și pierde timpul cu prea multe dimensiuni nevăzute și ghemuite.

Roger Penrose explică de ce crede că teoria corzilor nu este o teorie fizică validă

Sir Roger Penrose, fizician și matematician laureat al Premiului Nobel, este unul dintre criticii notabili ai teoriei corzilor, considerând că aceasta se îndepărtează de fizica bazată pe observații și experimente.

Principalele critici aduse de Penrose teoriei corzilor:

Lipsa suportului observațional: Penrose susține că teoria corzilor este mai degrabă o construcție matematică speculativă decât o teorie fizică validă, deoarece nu oferă predicții testabile în universul observabil.

Lipsa dovezilor: Penrose susține că teoria corzilor nu are predicții experimentale care pot fi testate, ceea ce o face „modă” speculativă și „fantezie” mai degrabă decât fizică.

Probleme de dimensionalitate: teoria corzilor necesită 10 sau 11 dimensiuni pentru a funcționa, în timp ce universul nostru funcționează în patru, ceea ce Penrose consideră fundamental defectuos.

Dimensiuni ascunse neobservate: teoria necesită un număr mare de dimensiuni spațiale suplimentare (de obicei 10 sau 11) care nu sunt detectate, ceea ce Penrose critică ca fiind o inventare de “universuri” neobservabile, în loc să explice realitatea fizică directă.

Problema “Bandwagon” (Efectul de turmă): în lucrarea sa “Drumul către realitate”, Penrose exprimă îngrijorarea că popularitatea imensă a teoriei corzilor a creat un “efect de turmă” (bandwagon effect) în fizica teoretică. El consideră că mulți cercetători se alătură acestui domeniu de frică să nu rămână în urmă, direcționând resurse și atenție departe de alte teorii alternative. Prin Efectul de turmă sugerează că popularitatea teoriei corzilor este determinată de presiunea academică și de concurență, determinând cercetătorii să urmeze tendințele în loc să urmărească noi căi independente.

Preferința pentru alte modele și alternativa propusă: Penrose tinde să favorizeze alte abordări ale gravitației cuantice și cosmologiei, cum ar fi Cosmologia Ciclică Conformă (CCC), care nu se bazează pe ipotezele teoriei corzilor. El pledează pentru abordări alternative, cum ar fi propria sa Teorie a Twistorilor sau Cosmologia Ciclică Conformă, despre care consideră că sunt mai ancorate fizic.

Penrose a declarat în interviuri că „teoria corzilor este moartă” în contextul faptului că este o descriere realistă a lumii noastre, argumentând că aceasta s-a abătut de la responsabilitatea fundamentală a fizicii de a se mapa la fenomene observabile.

Deși recunoaște importanța căutării unei teorii cuantice a gravitației, Penrose consideră că teoria corzilor a consumat prea multă energie intelectuală fără a oferi rezultate concrete comparabile cu fizica clasică sau relativitatea generală.

Teoria corzilor se confruntă cu o critică severă

Teoria corzilor nu a fost dovedită „greșită” în sensul că este infirmată empiric, dar se confruntă cu o criză severă în ceea ce privește validitatea sa științifică din cauza lipsei de predicții testabile după decenii de cercetare. Deși rămâne un candidat robust din punct de vedere matematic pentru o „Teorie a Totului” (unificând gravitația cu mecanica cuantică), principala sa problemă este falsificarea – în prezent nu poate fi testată prin niciun experiment fezabil cu tehnologia actuală.

Motivele pentru care teoria corzilor este pusă la îndoială și starea sa actuală:

Argumente pentru care teoria corzilor ar putea fi greșită (fundături sau impasuri):

Lipsa dovezilor experimentale: după aproape 50 de ani, niciun experiment nu a confirmat corzile vibrante minuscule fundamentale, , pe care le propune.

Problema „peisajului”: teoria corzilor sugerează că există peste 10⁵⁰⁰ soluții posibile (sau diferite tipuri de universuri), cunoscute sub numele de „peisaj”. Acest număr vast înseamnă că teoria poate fi modificată pentru a se potrivi aproape oricărei observații, ceea ce face aproape imposibilă realizarea unei predicții specifice, unice, care să poată fi testată.

Dimensiuni neobservabile: teoria corzilor necesită 10 sau 11 dimensiuni pentru a funcționa, care sunt ascunse („compactificate”) la scări mult prea mici pentru detectarea curentă.

Predicții eșuate: speranțele timpurii pentru teoria corzilor se bazau pe supersimetrie (SUSY), care prezice că pentru fiecare particulă de materie există o particulă de forță asociată. Acceleratorul de particule Large Hadron Collider (LHC) nu a reușit să găsească dovezi pentru acești parteneri supersimetrici.

De ce nu este abandonată sau de ce ar putea fi corectă

Unificare elegantă: această teorie rămâne unul dintre puținele cadre matematice care unește cu succes relativitatea generală (gravitația) cu mecanica cuantică fără a produce infinități în calcule.

Utilitate matematică: teoria corzilor a creat instrumente noi și utile în matematică (cum ar fi simetria oglindă) și fizică, cum ar fi corespondența AdS/CFT, care leagă teoriile complexe ale corzilor de teoriile mai simple ale câmpului cuantic.

Limitări tehnologice: mulți fizicieni susțin că teoria nu este în mod inerent neștiințifică, dar că tehnologia noastră nu este încă suficient de avansată pentru a atinge scările energetice necesare (scara Planck) pentru a o testa.

Concluzie: teoria corzilor este tratată în prezent mai mult ca un cadru matematic decât ca o teorie științifică validă. Este „vie” ca cercetare teoretică, dar „blocată” în capacitatea sa de a descrie universul nostru specific.

Oamenii de știință susțin că au găsit „primele dovezi observaționale care susțin teoria corzilor”, ceea ce ar putea dezvălui în sfârșit natura energiei întunecate

Fizicienii au propus un nou model al spațiu-timpului care ar putea oferi „primele dovezi observaționale care susțin teoria corzilor”, sugerează un nou studiu.

Fizicienii susțin că ar fi găsit o explicație mult așteptată pentru energia întunecată, forța misterioasă care determină expansiunea accelerată a universului, sugerează un nou studiu.

Calculele lor sugerează că, la cele mai mici scări, spațiu-timpul se comportă într-un mod profund cuantic, ca o spumă cuantică, diferind drastic de structura netedă și continuă pe care o experimentăm în viața de zi cu zi. Conform descoperirilor lor, coordonatele spațiu-timpului nu se „comută” – ceea ce înseamnă că ordinea în care apar în ecuații afectează rezultatul. Acest lucru este similar cu modul în care se comportă poziția și viteza unei particule în mecanica cuantică.

Spuma cuantică (altă denumire, spuma spațiu-timp) este un concept în mecanica cuantică elaborat de John Wheeler în 1955. Spuma se presupune a fi conceptualizată ca fundament al texturii universului.

Conform geometriei cuantice, spațiu-timpul trebuie să fie “văzut” la scări diferite. La scările cele mai mari, acesta este neted (și, eventual, curb), ca în relativitatea generală.

Începand de la scara lungimii lui Planck (aproximativ 10^-33 cm), este de așteptat ca fluctuațiile să fie foarte importante și absolut deloc de neglijat. Astfel, spațiul ni se pare continuu, dar la scări incredibil de mici, acesta se dezvăluie a fi o spumă cuantică pe care teoria gravitației cuantice își propune să o descrie geometric.

Una dintre cele mai izbitoare consecințe ale acestui spațiu-timp cuantic, așa cum este prezis de teoria corzilor, este că duce în mod natural la accelerație cosmică. Mai mult, cercetătorii au descoperit că rata cu care această accelerație scade în timp se aliniază remarcabil de bine cu cele mai recente observații de la Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).

„Privit prin prisma muncii noastre, ați putea considera rezultatul DESI ca fiind prima dovadă observațională care susține teoria corzilor și poate primele consecințe observabile ale teoriei corzilor și ale gravitației cuantice”, a declarat co-autorul studiului, Michael Kavic, profesor la SUNY Old Westbury.

Misterul expansiunii universului

În 1998, două echipe independente – Supernova Cosmology Project și High-Z Supernova Search Team – au descoperit că expansiunea universului nu încetinea, așa cum se credea anterior, ci accelera. Au ajuns la această concluzie studiind supernovele îndepărtate, care păreau mai difuze, mai estompate decât se aștepta. Această accelerație implica prezența unei entități misterioase care pătrundea în spațiu, denumită ulterior energie întunecată.

Cu toate acestea, originea energiei întunecate a rămas evazivă. O ipoteză populară sugerează că aceasta provine din fluctuațiile cuantice ale vidului, similare cu cele observate în câmpul electromagnetic. Totuși, când fizicienii au încercat să calculeze rata de expansiune pe baza acestei idei, au ajuns la o valoare care era cu 120 de ordine de mărime mai mare – o discrepanță uimitoare.

Fluctuațiile cuantice ale vidului reprezintă schimbări temporare ale cantității de energie într-un punct din spațiu, apărute din particule virtuale care apar și dispar spontan în perechi particulă-antiparticulă. Conform mecanicii cuantice, vidul nu este gol, ci un câmp activ de energie.

Fluctuațiile vidului generează perechi particulă-antiparticulă virtuale care se anihilează rapid una pe cealaltă. Aceste fluctuații conferă vidului o energie diferită de zero, numită și energie de vid sau spumă cuantică. Acest fenomen fundamental sugerează că vidul este departe de a fi inactiv, fiind un mediu dinamic care influențează structura universului la scară microscopică.

Observațiile recente ale DESI au complicat și mai mult imaginea. Conform Modelului Standard al particulelor elementare, dacă energia întunecată ar fi pur și simplu o energie a vidului, densitatea sa ar trebui să rămână constantă în timp. Cu toate acestea, datele DESI indică faptul că rata de accelerare nu este fixă, ci scade în timp – lucru pe care Modelul Standard nu îl prevede.

O vedere exterioară a Instrumentului Spectroscopic de Energie Întunecată (DESI) montat pe Telescopul Mayall de 4 metri de la Observatorul Național Kitt Peak din Arizona. 

Rezolvarea misterului cu ajutorul teoriei corzilor

Pentru a aborda aceste inconsecvențe, cercetătorii au apelat la teoria corzilor, unul dintre principalii candidați pentru o teorie cuantică a gravitației. Spre deosebire de Modelul Standard, care tratează particulele elementare ca fiind punctuale, teoria corzilor propune că acestea sunt de fapt obiecte minuscule, vibrante, unidimensionale, numite corzi. Aceste corzi, în funcție de modurile lor de vibrație, dau naștere la diferite particule – inclusiv gravitonul, purtătorul cuantic ipotetic al gravitației.

Într-o nouă lucrare care a fost publicată în baza de date preprint arXiv, dar care nu a fost evaluată de colegi, fizicienii Sunhaeng Hur, Djordje Minic, Tatsu Takeuchi (Virginia Tech), Vishnu Jejjala (Universitatea din Witwatersrand) și Michael Kavic au aplicat teoria corzilor pentru a analiza spațiu-timpul la nivel cuantic.

Prin înlocuirea descrierii particulelor din Modelul Standard cu cadrul din teoria corzilor, cercetătorii au descoperit că spațiu-timpul în sine este inerent cuantic și necomutativ, ceea ce înseamnă că ordinea în care apar coordonatele în ecuații contează.

Această abatere radicală de la fizica clasică le-a permis să derive proprietățile energiei întunecate nu doar din date experimentale, ci direct dintr-o teorie fizică fundamentală. Modelul lor nu numai că a produs o densitate a energiei întunecate care se potrivește îndeaproape cu datele observaționale, dar a și prezis corect că această energie ar trebui să scadă în timp, aliniindu-se cu descoperirile DESI.

Unul dintre cele mai izbitoare aspecte ale rezultatului lor este că valoarea energiei întunecate depinde de două scale de lungime extrem de diferite: lungimea Planck, scara fundamentală a gravitației cuantice, care este de aproximativ 10⁻³³ centimetri; și mărimea universului, care are un diametru de miliarde de ani-lumină. O astfel de conexiune între cea mai mică și cea mai mare scară din cosmos este extrem de neobișnuită în fizică și sugerează că energia întunecată este profund legată de natura cuantică a însuși spațiu-timpului.

„Acest lucru sugerează o legătură mai profundă între gravitația cuantică și proprietățile dinamice ale naturii, despre care se presupunea că sunt constante”, a spus Kavic. „S-ar putea dovedi că o neînțelegere fundamentală pe care o purtăm cu noi este aceea că proprietățile definitorii de bază ale universului nostru sunt statice, când, de fapt, nu sunt.”

Teste experimentale și perspective de viitor

Deși explicația echipei privind expansiunea accelerată a universului este o descoperire teoretică semnificativă, sunt necesare teste experimentale independente pentru a confirma modelul lor. Cercetătorii au propus modalități concrete de a-și testa ideile.

„Există multe implicații ale abordării noastre asupra gravitației cuantice”, a declarat Djordje Minic, fizician la Virginia Tech și coautor al lucrării.

O serie de dovezi „implică detectarea modelelor complicate de interferență cuantică, ceea ce este imposibil în fizica cuantică standard, dar ar trebui să apară în gravitația cuantică”, a adăugat Minic.

Interferența apare atunci când undele, cum ar fi undele de lumină sau de materie, se suprapun și fie se amplifică, fie se anulează reciproc, creând modele caracteristice. În mecanica cuantică convențională, interferența urmează reguli bine cunoscute, implicând de obicei două sau mai multe căi cuantice posibile.

Cu toate acestea, interferența de ordin superior – prezisă de unele modele ale gravitației cuantice – sugerează interacțiuni mai complexe care depășesc aceste modele standard.

Detectarea unor astfel de efecte în laborator ar fi un test revoluționar al gravitației cuantice.

„Acestea sunt experimente practice care ar putea fi efectuate în viitorul apropiat – în termen de trei până la patru ani.”

Între timp, cercetătorii nu așteaptă confirmări experimentale. Ei continuă să își perfecționeze înțelegerea spațiu-timpului cuantic, precum și să exploreze căi suplimentare pentru testarea teoriei lor.

Dacă se confirmă, descoperirile lor ar marca un progres major nu numai în explicarea energiei întunecate, ci și în furnizarea primelor dovezi tangibile pentru teoria corzilor – un obiectiv propus de mult timp în fizica fundamentală.

© CCC