Anul 1968. Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen si Yoichiro Nambu, trei fizicieni teoreticieni, marcheaza, poate fara sa stie, un punct de cotitura in istoria nu numai a fizicii, ci a stiintei in general. Ei stabilesc principiile faimoasei teorii a corzilor.
Teoria Corzilor s-a nascut din necesitatea de a unifica doua lumi, cea a relativitatii generale si cea a mecanicii cuantice , care, pana atunci, pareau total neconectate. Mecanica cuantica a fost capabila sa explice originea cuantica a gravitatiei. Si aceasta Teorie a Corzilor a fost capabila sa faca asta.
Reducerea naturii elementare a Universului la siruri unidimensionale care vibreaza intr-un spatiu-timp de 10 dimensiuni nu a fost doar eleganta, ci a si permis sa puna bazele pentru mult asteptata unificare a legilor Cosmosului: Teoria Totului.
Problema este ca, atunci cand aceasta teorie a fost avansata, ne-am dat seama ca ceea ce credeam ca este o singura teorie, erau de fapt cinci cadre teoretice diferite. Si in acest context, in 1995, s-a nascut cea mai uimitoare teorie din istorie si, cu siguranta, cea mai complicata de inteles. Teoria M. Pregateste-te ca capul tau sa explodeze, pentru ca astazi vom explica fundamentele ipotezei care vrea sa unifice cele cinci teorii ale corzilor intr-una singura .
De ce s-a nascut Teoria Corzilor?
Inainte de a intra in fascinanta M-Theory, trebuie sa punem putin context. Si pentru aceasta, trebuie sa intelegem mai intai ce este Teoria Corzilor si de ce formularea ei a fost necesara la sfarsitul anilor 1960.
Dupa cum bine stim, exista patru forte fundamentale in Univers: electromagnetismul, forta nucleara slaba, forta nucleara puternica si gravitatia. Relativitatea generala a lui Einstein ne permite sa prezicam perfect natura acestor forte la nivel macroscopic si chiar atomic. Toate fortele Universului, atata timp cat nu mergem la nivel subatomic, se explica prin predictiile relativitatii speciale.
Dar ce se intampla cand calatorim la nivel subatomic? Practic, totul se destrama. Intrand in lumea cuantica, trecem intr-o lume noua care nu urmeaza legile fizice pe care le cunoastem. O lume care joaca dupa propriile reguli. Si intelegerea acestor reguli a fost si este una dintre cele mai mari ambitii ale Fizicii.
In acest context, fizica cuantica a teoretizat existenta unor particule subatomice elementare care, in principiu, explica natura cuantica a fortelor fundamentale ale Universului. Si spunem „in principiu”, deoarece modelul standard al particulelor subatomice le explica aproape pe toate. Dar exista unul care esueaza: gravitatia .
Am gasit particulele subatomice responsabile de electromagnetism, forta nucleara slaba si forta nucleara puternica, dar nu exista nicio urma a particulei responsabile de gravitatie. Cu alte cuvinte, nu putem explica natura cuantica a gravitatiei. Si daca una dintre cele patru forte fundamentale nu poate fi explicata prin modelul de particule subatomice, atunci cu siguranta ne-am inselat. Trebuia sa incepi de la zero.
Si tocmai asta au facut Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen si Yoichiro Nambu, cei trei fizicieni teoreticieni care, intre 1958 si 1969, au pus bazele Teoriei Corzilor, una dintre ipotezele care ne apropie cu totul de Teoria Corzilor. De indata ce problemele lor vor fi rezolvate si vom putea explica natura cuantica a gravitatiei prin aceste siruri, vom fi unificat lumea relativitatii generale cu cea a mecanicii cuantice. Din acest motiv s-a nascut Teoria Corzilor. Pentru a intelege natura elementara a gravitatiei .
Inainte de teoria corzilor, nu puteam explica natura cuantica a atractiei gravitationale.
Prima revolutie a corzilor: cele 5 teorii
La sfarsitul anilor 1960 si odata cu formularea Teoriei Corzilor, a inceput o revolutie autentica in lumea fizicii . Atat de mult incat si-a primit propriul nume: Prima revolutie a corzilor. Nu au muncit prea mult la nume, nu. Dar ce ne spune exact aceasta teorie?
Avem un articol in care avem in profunzime principiile Teoriei Corzilor. Va incurajam sa-l cititi daca doriti sa aflati mai multe detalii pentru ca in articolul de astazi vrem sa patrundem in M-Theory, asa ca vom explica doar cele mai fundamentale lucruri.
Teoria Corzilor este o ipoteza care apara ideea ca cea mai elementara natura a Universului nu ar fi particulele subatomice ale modelului standard, ci ca ar exista un nivel de organizare mai mic decat cel subatomic: corzile.
Dar ce sunt aceste siruri? Teoria postuleaza ca sirurile ar fi fire unidimensionale care vibreaza in spatiu-timp si care, in functie de modul lor de vibratie, dau nastere la particule subatomice. Adica, originea fundamentala a fortelor Universului se gaseste in modul de vibrare a acestor fire de o singura dimensiune.
Calculele matematice ale teoriei permit existenta atat a corzilor deschise (corzi extinse) cat si a sirurilor inchise (inele). Corzile deschise ajuta la explicarea naturii cuantice a electromagnetismului, a fortei nucleare slabe si a fortei nucleare puternice. Dar, si aici vine lucrul incredibil, corzile inchise permit gravitatiei sa se potriveasca, pentru prima data, in lumea cuantica. Atractia gravitationala s-ar datora inelelor de siruri emise de corpuri cu masa si care le impletesc in spatiu.
Ei bine, totul este fantastic, nu-i asa? Destul de simplu. “Simplu”. Da, dar este un lucru de retinut. Si este ca pentru ca calculele matematice ale teoriei sa functioneze, trebuie sa presupunem ca exista 10 dimensiuni in Univers . Cele patru pe care le cunoastem (trei spatiale si una temporala) si alte sase figuranti pe care nu le putem percepe dar prin care sirurile, in teorie, s-ar putea misca. Ti explodeaza capul? Ei bine, nu te plange pentru ca atunci cand s-a formulat teoria a fost necesar sa se presupuna existenta a 26 de dimensiuni. Au redus-o la 10. Suntem norocosi.
Dar odata ce acceptam existenta a zece dimensiuni, functioneaza totul? Doar daca. Dar nu. Exista o mica problema. Si te-am mintit. Teoria corzilor nu este o teorie. Exista de fapt cinci teorii.
Adica, in lumea superstringurilor (ele sunt denumite dupa reducerea celor 26 de dimensiuni la 10), exista cinci cadre teoretice. Cinci modele total diferite (bine, nu total, dar destul de diferite) care explica cum functioneaza corzile.
In acest sens, Teoria Corzilor este alcatuita din cinci teorii: TIP I, TIP IIA, TIP IIB, Heterotic SO (32) si Heterotic E8E8. Nu va faceti griji pentru nume, deoarece explicatia lui este doar istorica. Si daca vrei sa intelegi diferentele dintre ele, nici nu-ti face griji. Daca nu suntem fizicieni teoreticieni, nu vom intelege nimic. Retineti ca in fiecare dintre ele, sirurile se comporta diferit si interactioneaza unic intre ele.
Prin urmare, am avut cinci fete ale aceleiasi monede. Dar asta insemna oare ca exista doar un singur corect si ca patru trebuiau aruncate? Nu, sarace. Fiecare dintre cele cinci era perfect valabil in cadrul modelului sau. Prin urmare, eforturile de a gasi o teorie „buna” a corzilor au fost zadarnice. Si in acest context, cand Edward Witten, un fizician matematician american, a tinut o prelegere in 1995, vorbind despre o noua teorie care a unificat aceste cinci teorii ale corzilor, lumea stiintei s-a schimbat pentru totdeauna. S-a nascut Teoria M.
A doua revolutie a corzilor: teoria M
Dupa ce au fost puse bazele Teoriei Corzilor in 1968, in 1995, Edward Witten a marcat a doua revolutie prin crearea M-Theory . El realiza ceva incredibil si de neconceput in acel moment: unificarea celor cinci teorii a corzilor aparent fara legatura intr-una singura.
Si inainte de a incepe sa descriem elementele de baza ale teoriei M, sa clarificam un lucru: Teoria sirurilor este o programa prescolara prin comparatie. Da, dupa cum auzi. In comparatie cu teoria M, teoria corzilor este cel mai simplu lucru din lume. Si daca o teorie care ne obliga sa ne gandim la corzi unidimensionale care vibreaza in spatiu-timp zece dimensiuni este o joaca de copii, imaginati-va cat de complicata este Teoria M.
Potrivit lui Witten, numele „M” este supus interpretarii personale. Sunt cei care cred ca „M” provine din mister, mama sau magie. Eu personal cred ca vine din Mordor. Dar, lasand la o parte consideratiile personale, de ce s-a nascut aceasta teorie?
Fizicienii doreau o teorie a corzilor inevitabila. Ce inseamna asta? Ei doreau o teorie a corzilor din care sa iasa explicatia pentru toate celelalte legi ale Universului, fara a o cauta. Adica am vrut sa putem, din cadrul matematicii teoriei, sa prezicem evenimente despre care stim. Cand nu putem impiedica indeplinirea unei teorii (deci este inevitabil), suntem pe drumul cel bun.
Si cu String Theory (the String Theories) eram cu adevarat pe drumul cel bun, dar in anii 90 pur si simplu am stagnat. Am ajuns la un scenariu in care erau cinci frati care nu s-au inteles. Cinci teorii ale corzilor care se certau mereu si, din moment ce erau in regula din perspectiva lor, era imposibil sa gasesti mult asteptata Teorie a Totului. Am vrut o teorie unificatoare. Daca ar exista cinci teorii unificatoare, nu am unifica nimic.
Si, desi teoriile heterotice au fost cele mai indragite, celelalte trei au functionat si in cadrul lor teoretic. Adica, desi doua dintre ele erau cele mai promitatoare, pe celelalte nu le-am putut respinge.
In loc sa ramanem doar cu una, a trebuit sa le facem pe toate cele cinci surori sa inceteze sa ne certam. A trebuit sa le unificam pe toate intr-o singura teorie, ceva ce parea imposibil pana cand a aparut M-Theory . Si acum pregateste-te ca capul tau sa explodeze.
Branele, superstringurile si multiversul: ce ne spune M-Theory?
Inainte de a incepe, si ca scuza in avans, am dori sa-l citam pe Richard Feynman, unul dintre fondatorii fizicii cuantice. „Daca crezi ca intelegi mecanica cuantica, nu intelegi mecanica cuantica”. Dupa ce am clarificat acest lucru, putem incepe. Vor fi lucruri pe care nu le vei intelege. Nimeni nu le intelege. Nimic nu se intampla.
Teoria M este o ipoteza care unifica cele cinci teorii ale corzilor intr-un singur cadru teoretic postuland existenta a 11 dimensiuni in Univers in care hipersuprafetele intre 0 si 9 dimensiuni cunoscute sub numele de brane servesc drept puncte de ancorare pentru corzi. unidimensional deschis sau inchis. .
S-a inteles ceva? Nu minti. Este imposibil. Dar sa mergem pas cu pas. Cand studiem Teoria Corzilor de TIP IIA, modelele matematice ne dau ideea ca poate aparea o noua dimensiune in spatiu-timp. Adica, in loc de zece dimensiuni, este posibil din punct de vedere matematic (dupa model) si fizic ca in Univers sa existe 11 dimensiuni.
„Si ce diferenta mai face unul?” Deja. Poate parea ca din moment ce avem 10 dimensiuni, nimic nu se intampla sa aiba 11. Eroare. Da, ce e. Schimba absolut totul. Cand coardele sunt intr-un regim de complement puternic (interactioneaza foarte puternic intre ele), a unsprezecea dimensiune apare in spatiu-timp.
Dar de ce schimba totul? Pentru ca in dimensiunea a unsprezecea, sirurile nu mai sunt siruri. Ce sunt corzile in dimensiunea a 10-a devin membrane in dimensiunea a 11-a . Pentru a intelege („get it”), atunci cand mai adaugam o dimensiune, sirurile de tip IIA nu mai sunt fire unidimensionale si devin membrane bidimensionale (am adaugat una) care traiesc incolaciti in aceste dimensiuni.
Prin urmare, M-Theory nu este o teorie a corzilor. Este o teorie a membranelor. Ei bine, nu, de fapt exista si siruri. Dar incetul cu incetul. Aceste membrane care ies „prin magie” din teoria insasi atunci cand adaugam o dimensiune se numesc brane.
Iar membranele bidimensionale (bidimensionale) care apar din teoria corzilor IIA sunt cunoscute sub denumirea de brane M-2. Si aceste membrane bidimensionale, ceea ce inseamna ca au lungime si latime, dar sunt infinit de subtiri (pentru ca nu exista o a treia dimensiune a inaltimii), pot exista foarte bine in acest cadru ipotetic cu 11 dimensiuni.
Dar exista doar brane bidimensionale? Omule, cele doua dimensiuni sunt in regula pentru ca ne putem imagina (desi putin), dar nu. Teoria M permite existenta branelor in oricare dintre cele 9 dimensiuni spatiale (atunci ar mai fi una in plus care este temporala dar nu conteaza). Si aceste brane sunt ceea ce sunt cunoscute sub numele de hipersuprafete.
Sa recapitulam. Teoria M ne spune ca nu ar exista doar siruri unidimensionale, ci si membrane (sau hipersuprafete) care pot avea toate dimensiunile posibile de la 0 la 9. Adica de la dimensiunea spatiala 0 (un punct) pana la dimensiunea spatiului 9 (noua dimensiuni rulate intre ele).
Vorbim, deci, de D-branele (iar D-ul poate fi un numar de la 0 la 9), care ar fi hipersuprafete in spatiu-timp. Dar ce legatura are asta cu sirurile? Ei bine, totul. Si este ca aceste membrane ar fi locul unde sunt ancorate sirurile unidimensionale.
Adica, M-Theory ne spune ca aceste brane care apar in mod natural prin adaugarea unei dimensiuni la model ar fi suprafete de ancorare pentru corzi . Capetele sirurilor deschise (fire extinse) ar calatori cu viteza luminii, da, dar intotdeauna fixate fix in aceste membrane. Cele doua capete pot fi pe aceeasi brana sau un capat pe o brana si celalalt capat pe brana paralela.
Dar ceea ce este cu adevarat important nu este doar faptul ca aceasta ancorare a corzilor pe brane face posibila intelegerea naturii particulelor subatomice elementare, ci si ca explica originea cuantica a gravitatiei.
Si este ca se poate intampla ca capetele unui sir deschis sa se uneasca si ca sirul inchis rezultat, incapabil sa ramana ancorat de hipersuprafata, sa paraseasca brana . Si asta intareste ideea ca atractia gravitationala se datoreaza „calatoriei” inelelor de siruri.
Daca luam ca punct de plecare o brana D3 (cu trei dimensiuni spatiale, precum Universul pe care il putem percepe), am „vede” inelele de siruri ca entitati care parasesc Universul nostru. Am avea ceea ce este cunoscut in fizica cuantica ca graviton, care este particula subatomica ipotetica care ar explica natura cuantica a gravitatiei.
Aceasta iesire de siruri inchise din brane ar explica de ce gravitatia este o forta atat de slaba . Si este ca parasirea branelor ar face ca interactiunea lor sa fie diluata in dimensiunile transversale. Adica dincolo de brana tridimensionala in care se afla. Cu alte cuvinte, gravitatia ar fi rezultatul energiei reziduale lasate in urma de corzi cand parasesc brana. Si intrucat este diluata in spatiu-timp, atractia gravitationala este cea mai slaba dintre toate. Celelalte trei (electromagnetismul si cele doua nucleare) s-ar datora unor corzi ancorate, deci ar fi mai puternice.
Dar cum unifica cele cinci teorii ale corzilor? Ei bine, pentru ca in fiecare dintre ele, prin adaugarea unei dimensiuni, existenta branelor de dimensiuni specifice este posibila din punct de vedere matematic. Unindu-le pe toate, putem avea brane care merg de la dimensiunea 0 la 9. Adica prin unificarea celor cinci cadre teoretice, avem cele 9 hipersuprafete de care avem nevoie pentru fundamentele Teoriei M.
Nu ti-a explodat capul inca? Bine. Pentru ca acum vom vorbi despre un ultim lucru. Si este ca odata ce problemele sale matematice au fost rezolvate, aceasta teorie ar face posibila empiric existenta asa-numitului multivers. Da, ar putea exista mai multe Universuri in afara de al nostru.
Existenta acestor hipersuprafete sau brane ar insemna ca ar exista 10 la puterea a 500 (da, un 10 urmat de 500 de zerouri) diferite combinatii ale respectivelor brane (sa spunem ca exista toate aceste moduri posibile prin care cele 9 dimensiuni pot fi rulate sus). Si fiecare dintre ele ar putea da nastere unui Univers in care corzile sunt ancorate de membrane unice. Prin urmare, in fiecare combinatie, corzile ar vibra intr-un anumit fel, astfel incat legile Cosmosului in cauza ar fi si ele unice.
Prin urmare, in acest „hiperspatiu” al branelor, ar putea exista atatea Universuri cate combinatii posibile de hipersuprafete, care ar deschide evident usa catre Universuri paralele pe care, desi se afla acolo, intre siruri, nu le-am putea percepe niciodata.
Pe scurt, M-Theory este una dintre cele mai ambitioase teorii ale umanitatii si ca, prin aceasta unificare a celor cinci teorii ale corzilor, este cel mai aproape ne apropiem de o Teorie a Totului. Cel mai aproape suntem de a intelege natura fundamentala a tuturor lucrurilor se afla in Teoria M, o ipoteza absolut fascinanta care ne arata cat de departe sunt fiintele umane capabile sa inteleaga mediul inconjurator.
