Πώς η Θεωρία των Χορδών προκύπτει από δύο βασικά αξιώματα της Φυσικής

Σύνοψη

• Νέα μελέτη από ερευνητές του Caltech, του NYU και του Ινστιτούτου Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (IFAE) της Βαρκελώνης αποδεικνύει ότι η Θεωρία των Χορδών μπορεί να παραχθεί χωρίς να τεθεί ως αρχική υπόθεση η ύπαρξη των ίδιων των χορδών.
• Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τη μέθοδο «bootstrap», βασιζόμενοι αποκλειστικά στον τρόπο με τον οποίο τα σωματίδια πρέπει θεωρητικά να σκεδάζονται (να αλληλεπιδρούν) σε ακραία υψηλές ενέργειες.
• Το θεωρητικό μοντέλο προέκυψε μέσα από δύο βασικές παραδοχές: την «υπερ-απαλότητα» των αλληλεπιδράσεων και το «ελάχιστο μηδέν» της συμπεριφοράς των σωματιδίων.
• Το αποτέλεσμα καταδεικνύει ότι η Θεωρία των Χορδών δεν είναι απλώς μια αυθαίρετη μαθηματική κατασκευή, αλλά ίσως η μοναδική λογική συνέπεια των νόμων της φυσικής στην κλίμακα Planck.
• Η εξέλιξη αυτή δίνει νέα ώθηση στα θεωρητικά τμήματα φυσικής παγκοσμίως που μελετούν την κβαντική βαρύτητα.

Για περισσότερο από μισό αιώνα, η θεωρητική φυσική αντιμετωπίζει ένα αγεφύρωτο χάσμα. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein περιγράφει με απόλυτη ακρίβεια τον μακρόκοσμο, την εξέλιξη του σύμπαντος και τη βαρύτητα. Αντίθετα, το Καθιερωμένο Πρότυπο της κβαντομηχανικής εξηγεί εξαιρετικά τη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων, δηλαδή τον μικρόκοσμο. Το πρόβλημα εμφανίζεται όταν οι επιστήμονες προσπαθούν να συνδυάσουν τις δύο θεωρίες για να περιγράψουν ακραία φαινόμενα, όπως ο πυρήνας μιας μαύρης τρύπας ή η στιγμή του Big Bang.

Όταν οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας εφαρμόζονται σε κλίμακες όπου κυριαρχεί η κβαντομηχανική, τα αποτελέσματα καταρρέουν. Συγκεκριμένα, οι υπολογισμοί για την αλληλεπίδραση υποθετικών σωματιδίων βαρύτητας (βαρυτόνια) σε πολύ υψηλές ενέργειες καταλήγουν στο άπειρο. Στα μαθηματικά της φυσικής, το άπειρο υποδηλώνει λανθασμένη προσέγγιση. Εκεί ακριβώς επεμβαίνει η Θεωρία των Χορδών. Υποστηρίζει ότι τα στοιχειώδη σωματίδια δεν είναι σημεία μηδενικών διαστάσεων, αλλά μονοδιάστατες δομές που πάλλονται. Διαφορετικές συχνότητες ταλάντωσης αντιστοιχούν σε διαφορετικά σωματίδια. Αν και τα μαθηματικά της Θεωρίας των Χορδών, τα οποία απαιτούν 10 διαστάσεις, λύνουν το πρόβλημα των απείρων, η πλήρης έλλειψη πειραματικής επιβεβαίωσης καθιστά τη θεωρία αμφιλεγόμενη.

Σύμφωνα με τη νέα έρευνα των Caltech, NYU και του ευρωπαϊκού IFAE, η Θεωρία των Χορδών δεν απαιτεί την αυθαίρετη παραδοχή της ύπαρξης χορδών. Μέσω της αναλυτικής μεθόδου «bootstrap», οι φυσικοί απέδειξαν ότι τα μαθηματικά των χορδών προκύπτουν αυτόματα από δύο θεμελιώδεις αρχές: την «υπερ-απαλότητα» κατά την αλληλεπίδραση των σωματιδίων σε κλίμακες Planck και το «ελάχιστο μηδέν» της ομαλής κίνησης τους.

Η μέθοδος Bootstrap: Χτίζοντας το Σύμπαν από τα θεμέλια

Το μεγαλύτερο εμπόδιο για την πειραματική επαλήθευση της Θεωρίας των Χορδών είναι η ενεργειακή κλίμακα. Για να «δούμε» μια χορδή, θα χρειαζόμασταν έναν επιταχυντή σωματιδίων με μέγεθος ίσο με τον γαλαξία μας. Αδυνατώντας να βασιστούν σε πειραματικά δεδομένα, οι Clifford Cheung (Caltech), Grant N. Remmen (NYU) και η ομάδα του Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) της Βαρκελώνης, ακολούθησαν έναν εναλλακτικό δρόμο: τη μέθοδο “bootstrap”.

Η μέθοδος αυτή δεν προσπαθεί να κατασκευάσει μια θεωρία από την αρχή, υποθέτοντας την ύπαρξη των χορδών. Αντίθετα, θέτει αυστηρούς κανόνες για το πώς πρέπει να συμπεριφέρεται η φύση και ελέγχει ποιες θεωρίες επιβιώνουν. Στη μελέτη τους, η οποία έγινε δεκτή για δημοσίευση στο Physical Review Letters, οι ερευνητές αναρωτήθηκαν πώς ακριβώς θα πρέπει να σκεδάζονται τα σωματίδια όταν συγκρούονται σε ακραία υψηλές ενέργειες.

«Οι χορδές απλώς προέκυψαν», εξηγεί ο Clifford Cheung, καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Caltech. «Δεν ξεκινήσαμε με καμία υπόθεση σχετικά με χορδές, αλλά στη συνέχεια η λύση περιείχε τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά τους».

Τα δύο αξιώματα της ανακάλυψης

Η σημαντική αυτή πρόοδος βασίστηκε αποκλειστικά σε δύο λογικές παραδοχές για τη δυναμική των σωματιδίων:

1. Υπερ-απαλότητα: Η υπόθεση αυτή ορίζει ότι σε ακραία υψηλές ενέργειες, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων πρέπει να «απαλύνουν» ή να εξομαλύνονται. Αυτή η μηχανική συμπεριφορά διασφαλίζει ότι τα μαθηματικά δεν θα εκτροχιαστούν καταλήγοντας στο άπειρο. Στην ουσία, τα σωματίδια συμπεριφέρονται με τρόπο που διαχέει την ενέργεια, κάνοντας την καταγραφή των φαινομένων μαθηματικά διαχειρίσιμη.
2. Το «Ελάχιστο Μηδέν»: Η δεύτερη παραδοχή αναφέρει ότι τα σωματίδια, υπό αυτές τις εξαιρετικά ακραίες συνθήκες, τείνουν να κινούνται με τον πιο ομαλό, γραμμικό και απρόσκοπτο τρόπο που επιτρέπουν οι νόμοι της φυσικής.

Ο συνδυασμός αυτών των δύο θεμελιωδών κανόνων λειτούργησε ως φίλτρο. Όταν οι επιστήμονες εφάρμοσαν αυτούς τους κανόνες στις μαθηματικές εξισώσεις, όλες οι πιθανές θεωρίες για την κβαντική βαρύτητα αποκλείστηκαν, εκτός από μία.

Η αυστηρή εφαρμογή των αξιωμάτων οδήγησε τους ερευνητές σε ένα πολύ συγκεκριμένο αποτέλεσμα. «Οι ακριβείς λεπτομέρειες της Θεωρίας των Χορδών αναδύθηκαν αυτόματα, συμπεριλαμβανομένου του άπειρου πύργου τεράστιων περιστρεφόμενων σωματιδίων που σχηματίζουν τις “αρμονικές” της χορδής, για τις οποίες η θεωρία είναι διάσημη», αναφέρει ο Grant N. Remmen του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης (NYU).

Αυτό σημαίνει ότι τα διαφορετικά σωματίδια (ηλεκτρόνια, κουάρκ, βαρυτόνια) είναι απλώς διαφορετικοί τρόποι ταλάντωσης, όπως ακριβώς οι διαφορετικές νότες παράγονται από το πάτημα διαφόρων τάστων στην κιθάρα.

Η επόμενη μέρα για την Κβαντική Βαρύτητα

Η μελέτη δεν αποδεικνύει πειραματικά τη Θεωρία των Χορδών. Αυτό παραμένει, με τα σημερινά τεχνολογικά μέσα, αδύνατο. Αποδεικνύει όμως ότι, από αυστηρά μαθηματική σκοπιά, η Θεωρία των Χορδών είναι η πιο συνεπής και ίσως η αναπόφευκτη απάντηση στους νόμους του Σύμπαντος. Εάν δεχτούμε ότι οι ακραίες αλληλεπιδράσεις πρέπει να παραμένουν μαθηματικά πεπερασμένες (αποφεύγοντας το άπειρο), τα μαθηματικά των χορδών προκύπτουν οργανικά.

Καθώς οι αναβαθμίσεις σε ευρωπαϊκούς επιταχυντές όπως ο LHC στο CERN της Ελβετίας συνεχίζονται, η επιβεβαίωση της «ομαλότητας» στις σωματιδιακές συγκρούσεις δίνει σταδιακά ενδείξεις για τη θεωρία. Είναι πλέον σαφές ότι η Θεωρία των Χορδών, έπειτα από δεκαετίες αμφισβήτησης, αποκτά μια συμπαγή και αυτόνομη δικαιολόγηση που βασίζεται στους καθαρούς νόμους της σκέδασης σωματιδίων.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!