Teoria coardelor

Fond

Prezentările teoriei corzilor destinate publicului larg trebuie să explice mai întâi fizica. Unele dintre controversele legate de teoria corzilor sunt rezultatul unor neînțelegeri despre fizică. O neînțelegere frecventă chiar și pentru oamenii de știință este presupunerea că o teorie se dovedește a fi adevărată în explicarea lumii naturale ori de câte ori predicțiile sale sunt reușite. O altă neînțelegere este aceea că oamenii de știință fizici anteriori, inclusiv chimiștii, au explicat deja lumea. Acest lucru duce la neînțelegerea că teoreticienii corzilor au început să facă ipoteze ciudate după ce au devenit în mod inexplicabil "eliberați de adevăr".

Domeniul clasic

Fizica newtoniană

Legea gravitației universale (UG) a lui Newton, la care se adaugă cele trei legi galileene ale mișcării și alte câteva presupuneri, a fost publicată în 1687. Teoria lui Newton a modelat cu succes interacțiunile dintre obiectele de o dimensiune pe care o putem vedea, o gamă de fenomene numite în prezent domeniul clasic. Legea lui Coulomb a modelat atracția electrică. Teoria câmpului electromagnetic a lui Maxwell a unificat electricitatea și magnetismul, în timp ce optica a apărut din acest domeniu.

Cu toate acestea, vitezaluminii a rămas aproximativ aceeași atunci când este măsurată de un observator care călătorește în câmpul său, deși adăugarea vitezelor a prezis că câmpul este mai lent sau mai rapid în raport cu observatorul care călătorește cu sau împotriva lui. Așadar, în raport cu câmpul electromagnetic, observatorul a continuat să piardă viteză. Cu toate acestea, acest lucru nu a încălcat principiul relativității al lui Galileo, care spune că legile mecanicii funcționează la fel pentru toate obiectele care prezintă inerție.

Prin legea inerției, atunci când unui obiect nu i se aplică nicio forță, obiectul își păstrează viteza, adică viteza și direcția. Un obiect care se află fie în mișcare uniformă, adică cu viteză constantă într-o direcție neschimbată, fie în repaus, adică cu viteză zero, suferă de inerție. Acesta prezintă invarianță galileeană - interacțiunile sale mecanice decurg fără variație - numită și relativitate galileeană, deoarece nu se poate percepe dacă se află în repaus sau în mișcare uniformă.

Teoria relativității

Relativitatea specială

În 1905, teoria specială a relativității a lui Einstein a explicat acuratețea atât a câmpului electromagnetic al lui Maxwell, cât și a relativității galileene, afirmând că viteza câmpului este absolută - o constantă universală - în timp ce spațiul și timpul sunt fenomene locale în raport cu energia obiectului. Astfel, un obiect aflat în mișcare relativă se scurtează pe direcția impulsului său (contracția Lorentz), iar desfășurarea evenimentelor încetinește (dilatarea timpului). Un pasager aflat pe obiect nu poate detecta schimbarea, deoarece toate dispozitivele de măsurare de la bordul acelui vehicul au suferit contracția lungimii și dilatarea timpului. Numai un observator extern care se află în repaus relativ măsoară obiectul în mișcare relativă ca fiind scurtat de-a lungul traseului său de deplasare și evenimentele sale încetinite. Relativitatea specială a lăsat teoria lui Newton - care afirmă că spațiul și timpul sunt absolute - în imposibilitatea de a explica gravitația.

Prin intermediul principiului echivalenței, Einstein a dedus că fie gravitația, fie accelerația constantă sunt experiențe imposibil de distins care ar putea avea un mecanism fizic comun. Mecanismul sugerat a fost contracția progresivă a lungimii și dilatarea timpului - o consecință a densității locale de energie în spațiul 3D - care stabilește o tensiune progresivă în interiorul unui obiect rigid, eliberând tensiunea acestuia prin deplasarea spre locul cu cea mai mare densitate de energie. Relativitatea specială ar fi un caz limitat al unui câmp gravitațional. Relativitatea specială s-ar aplica atunci când densitatea de energie în spațiul 3D este uniformă și, prin urmare, câmpul gravitațional este uniformizat de la un loc la altul, motiv pentru care un obiect nu suferă nicio accelerație și, prin urmare, nicio gravitație.

Relativitatea generală

În 1915, teoria generală a relativității a lui Einstein a explicat gravitația cu ajutorul unui spațiu-timp 4D modelat ca o mulțime lorentziană. Timpul este o dimensiune fuzionată cu cele trei dimensiuni spațiale, deoarece fiecare eveniment din spațiul 3D - 2D pe orizontală și 1D pe verticală - implică un punct de-a lungul unei axe temporale 1D. Chiar și în viața de zi cu zi, se afirmă sau se implică ambele. Se spune sau cel puțin se înseamnă: "Ne întâlnim la clădirea 123 Main Street intersecție cu Franklin Street în apartamentul 3D pe 10 octombrie 2012 la ora 21:00". Prin omiterea sau lipsa coordonatei temporale, se ajunge la locația corectă în spațiu atunci când evenimentul căutat este absent - este în trecut sau în viitor, poate la ora 18:00 sau la ora 12:00.

Prin convergența spațiului și a timpului și presupunându-le pe ambele în raport cu densitatea de energie din vecinătate și prin stabilirea singurei constante sau absolute ca fiind nici măcar masa, ci viteza luminii în vid, relativitatea generală a dezvăluit echilibrul și simetria neimaginată până atunci a lumii naturale. Orice obiect se deplasează întotdeauna cu viteza luminii de-a lungul unei linii drepte - echivalentul său, pe o suprafață curbă, numită geodezică sau linie a lumii - singura cale de minimă rezistență, ca o cădere liberă prin spațiu-timpul 4D a cărei geometrie se "curbează" în vecinătatea masei/energiei.

Un obiect cu viteza luminii în vid se deplasează cu viteza maximă în spațiul 3D, dar nu prezintă nicio evoluție a evenimentelor - este înghețat în timp -, în timp ce un obiect nemișcat în spațiul 3D se deplasează complet de-a lungul timpului 1D, experimentând viteza maximă de desfășurare a evenimentelor. Universul afișat este relativ la o anumită locație, însă odată ce se precizează masa/energia din acea vecinătate, ecuațiile lui Einstein prezic ceea ce se întâmplă - sau s-a întâmplat sau se va întâmpla - oriunde în univers. Noțiunea popularizată că relativitatea din teoria lui Einstein sugerează subiectiv sau arbitrar a fost spre un oarecare regret al lui Einstein, care mai târziu a considerat că ar fi trebuit să o numească teoria generală.

Cosmologie

Particulele mesager ale câmpului electromagnetic, fotonii, transportă o imagine atemporală prin univers, în timp ce observatorii din acest câmp au suficientă curgere în timp pentru a decoda această imagine și a reacționa prin deplasarea în spațiul 3D, dar nu pot depăși niciodată această imagine atemporală. Starea universului la mai puțin de 400 000 de ani de la presupusul big bang care a dat naștere universului nostru este considerată a fi afișată sub forma fondului cosmic de microunde (CMB).

În 1915, se credea că universul era format în întregime din ceea ce numim acum galaxia Calea Lactee și că era static. Einstein a operat ecuațiile sale recent publicate ale câmpului gravitațional și a descoperit consecința că universul se extinde sau se micșorează. (Teoria este operabilă în ambele direcții - invarianța temporală.) El a revizuit teoria adăugând o constantă cosmologică pentru a echilibra în mod arbitrar universul. Aproape de 1930, datele telescopice ale lui Edwin Hubble, interpretate prin relativitatea generală, au arătat că universul se afla în expansiune.

În 1916, în timp ce se afla pe un câmp de luptă din Primul Război Mondial, Karl Schwarzschild a operat ecuațiile lui Einstein, iar soluția Schwarzschild a prezis găurile negre. Câteva decenii mai târziu, astrofizicienii au identificat o gaură neagră supermasivă în centrul probabil al fiecărei galaxii. Se pare că găurile negre conduc formarea și menținerea galaxiilor prin reglarea formării și distrugerii stelelor.

În anii 1930, s-a observat că, în conformitate cu relativitatea generală, galaxiile s-ar destrăma dacă nu ar fi înconjurate de materie invizibilă care să le țină împreună, iar în anii 1970 materia întunecată a început să fie acceptată. În 1998 s-a dedus că expansiunea universului, nu încetinește, ci se accelerează, ceea ce indică o densitate energetică imensă - suficientă pentru a accelera atât materia vizibilă, cât și materia întunecată - în tot universul, un câmp vast de energie întunecată. Se pare că se cunoaște mai puțin de 5% din compoziția universului, în timp ce celelalte 95% sunt misterioase - materie și energie întunecată.

Tărâmul cuantic

Mecanisme ciudate

În anii 1920, pentru a cerceta funcționarea câmpului electromagnetic la scări minuscule de spațiu și timp, a fost dezvoltată mecanica cuantică (QM). Cu toate acestea, electronii - particulele de materie care interacționează cu fotonii care sunt purtătorii de forță ai câmpului electromagnetic - păreau să sfideze cu totul principiile mecanice. Niciunul nu putea prezice locația unei particule cuantice de la un moment la altul.

În cadrul experimentului cu fante, un electron ar călători printr-o gaură plasată în fața sa. Cu toate acestea, un singur electron ar trece simultan prin mai multe găuri, oricât de multe ar fi plasate în fața sa. Un singur electron ar lăsa pe placa de detecție un model de interferență ca și cum particula unică ar fi o undă care a trecut prin toate găurile simultan. Și totuși, acest lucru se întâmpla doar atunci când nu era observat. Dacă lumina ar fi fost îndreptată asupra evenimentului așteptat, interacțiunea fotonului cu câmpul ar fi fixat electronul într-o singură poziție.

Cu toate acestea, în virtutea principiului incertitudinii, locația și momentul exact al oricărei particule cuantice nu pot fi determinate cu certitudine. Interacțiunea particulei cu instrumentul de observare/măsurare deviază particula astfel încât o determinare mai mare a poziției sale duce la o determinare mai mică a momentului său și viceversa.

Teoria câmpului cuantificat

Extinzând mecanica cuantică la nivelul unui câmp, a apărut un model coerent. De la o locație la alta, probabilitatea ca particula să existe acolo crește și scade ca un val de probabilitate - o densitate de probabilitate crescătoare și descrescătoare. Atunci când nu este observată, orice particulă cuantică intră în superpoziție, astfel încât chiar și o singură particulă umple întregul câmp, oricât de mare ar fi acesta. Cu toate acestea, particula nu se află cu siguranță oriunde în câmp, ci acolo cu o probabilitate definită în raport cu faptul că ar fi fost sau nu în locația adiacentă. Forma de undă a câmpului electromagnetic al lui Maxwell a fost generată de o acumulare de evenimente probabilistice. Nu particulele, ci forma matematică, era constantă.

Setarea câmpului la relativitatea specială a permis predicția întregului câmp electromagnetic. Astfel a apărut teoria cuantică a câmpului relativist (QFT). Pentru câmpul electromagnetic, este vorba de electrodinamica cuantică relativistă (QED). În ceea ce privește câmpul slab și electromagnetic împreună, este vorba de teoria relativistă a câmpului electrodezvoltat (EWT). În ceea ce privește câmpul puternic, este vorba de cromodinamica cuantică relativistă (QCD). În ansamblu, acesta a devenit Modelul standard al fizicii particulelor.

Divizia în fizică

Atunci când modelul standard este stabilit la relativitatea generală pentru a include masa, apar densități de probabilitate de infinit. Se presupune că acest lucru este incorect, deoarece probabilitatea variază în mod normal de la 0 la 1-0% până la 100% probabilitate. Unii fizicieni teoreticieni suspectează că problema se află în modelul standard, care reprezintă fiecare particulă printr-un punct cu dimensiunea zero care, în principiu, poate fi infinit de mic. Cu toate acestea, în fizica cuantică, constanta lui Planck este unitatea minimă de energie în care poate fi împărțit un câmp, ceea ce poate fi un indiciu cu privire la cea mai mică dimensiune pe care o poate avea o particulă. Așadar, se încearcă cuantificarea gravitației - dezvoltarea unei teorii a gravitației cuantice.

Concept

Cadru

String presupune că, la scara microscopică, spațiu-timpul 4D al lui Einstein este un câmp de distribuții Calabi-Yau, fiecare conținând 6 dimensiuni spațiale încolăcite, nefiind astfel extins în cele 3 dimensiuni spațiale prezentate în domeniul clasic. În teoria corzilor, fiecare particulă cuantică este înlocuită de o coardă 1D de energie vibrantă a cărei lungime este lungimea Planck. Pe măsură ce coarda se mișcă, ea trasează lățimea și devine astfel 2D, o foaie a lumii. Pe măsură ce o coardă vibrează și se deplasează în spațiul Calabi-Yau 6D, coarda devine o particulă cuantică. Cu această abordare, apare cu ușurință ipoteticul graviton - care se preconizează că va explica relativitatea generală.

Teorii

Teoria corzilor a început ca o teorie a corzilor bosonice, ale cărei 26 de dimensiuni acționează ca mai puține. Totuși, aceasta a modelat doar bosonii, care sunt particule de energie, omițând fermionii, care sunt particule de materie. Așadar, teoria corzilor bosonice nu putea explica materia. Totuși, prin adăugarea supersimetriei la teoria bosonică a corzilor, s-a ajuns la fermioni, iar teoria corzilor a devenit teoria supercorzilor, explicând și materia.

(În versiunile teoriei cuantice a câmpurilor care includ supersimetria (SUSY), fiecare boson are un fermion corespunzător și viceversa. Altfel spus, fiecare particulă de energie are o particulă de materie corespunzătoare și fiecare particulă de materie are o particulă de energie corespunzătoare, însă partenerul neobservabil este mai masiv și, prin urmare, super. Acești superparteneri ar putea părea o predicție extravagantă, totuși mulți teoreticieni și experimentaliști favorizează versiunile supersimetrice ale Modelului Standard, ale căror ecuații trebuie altfel modificate în mod extravagant și uneori arbitrar pentru a menține succesul predictiv sau coerența matematică, dar cu alinierea superpartenerilor).

Controverse

Nedemonstrabil-nestiințific?

Afirmația teoriei corzilor, conform căreia toate moleculele sunt corzi de energie, a atras critici dure. Există mai multe versiuni ale teoriei corzilor, dar niciuna nu reușește să prezică cu succes datele observaționale explicate de modelul standard. În prezent, se știe că teoria M are nenumărate soluții, prezicând adesea lucruri ciudate și necunoscute ca existând. Unii susțin că teoreticienii corzilor selectează doar predicțiile dorite.

Afirmația conform căreia teoria corzilor nu face predicții testabile este falsă, deoarece face multe. Nicio teorie - un model predictiv și poate explicativ al unui anumit domeniu al fenomenelor naturale - nu este verificabilă. Toate teoriile fizice convenționale până la modelul standard au făcut afirmații despre aspecte neobservabile ale lumii naturale. Chiar și modelul standard are diverse interpretări cu privire la lumea naturală. Atunci când Modelul Standard este operat, se face adesea o versiune cu supersimetrie, dublând numărul de specii de particule identificate până în prezent de fizicienii particulelor.

Nimeni nu poate măsura spațiul în mod literal, dar Newton a postulat spațiul și timpul absolut, iar teoria lui Newton a făcut predicții explicite, extrem de ușor de testat și cu succes de predicție timp de 200 de ani, dar teoria a fost totuși falsificată ca explicație a naturii. Fizicienii acceptă că nu există o astfel de forță de atracție care să atragă direct materia de materie, cu atât mai puțin că această forță traversează instantaneu universul. Cu toate acestea, teoria lui Newton este încă paradigmatică pentru știință.

Dimensiuni ascunse?

Ideea dimensionalității ascunse a spațiului poate părea ocultă. Unii teoreticieni ai gravitației cuantice cu buclă - un concurent pentru gravitația cuantică - consideră că teoria corzilor este fundamental greșită, presupunând că spațiul are o formă până când particulele îl modelează. Altfel spus, ei nu se îndoiesc că spațiul are diverse forme, ci doar consideră că particulele determină forma spațiului, nu invers. Se pare că vortexul spațiu-timp prezis de relativitatea generală este confirmat.

Dacă este interpretat ca fiind adevărat în mod natural, Modelul Standard, care reprezintă o particulă cuantică ca un punct 0D, indică deja faptul că spațiu-timpul este o mare de forme învolburate, spumă cuantică. Teoreticienii corzilor tind să creadă că natura este mai elegantă, o credință pe care teoreticianul buclelor Lee Smolin o respinge ca fiind romantică, în timp ce folosește Sinteza Modernă a biologiei ca pe un dispozitiv retoric. Experimentele de detectare a dimensiunilor spațiale adăugate au eșuat până în prezent, dar există încă posibilitatea ca semnele acestora să apară.

Atât de multe soluții?

Teoria M are multe trilioane de soluții. Leonard Susskind, unul dintre liderii teoriei corzilor, interpretează plasticitatea soluțiilor teoriei corzilor ca fiind un suport paradoxal care rezolvă misterul de ce există acest univers, deoarece teoria M arată că nu este decât o variantă a unui model general care întotdeauna rezultă aproximativ.

Relativitatea generală a adus multe descoperiri care, în 1915, erau aproape de neimaginat, cu excepția ficțiunii. O soluție a ecuațiilor lui Einstein care urmărea să explice dinamica particulelor cuantice, Podul Einstein-Rosen prezice o scurtătură care leagă două puncte îndepărtate în spațiu-timp. Denumit în mod obișnuit gaură de vierme, Podul Einstein-Rosen este pus la îndoială, dar nu și infirmat, demonstrând fie că nu toate consecințele unei teorii trebuie să fie exacte, fie că realitatea este destul de bizară în moduri neobservabile.

Multe lumi

Chiar și modelul standard al fizicii particulelor sugerează posibilități bizare pe care relatările populiste despre știință fie le omit, fie le menționează ca fiind curiozități inexplicabile. Teoria primește în mod convențional interpretarea de la Copenhaga, conform căreia câmpul este doar posibilități, niciuna reală până când un observator sau un instrument interacționează cu câmpul, a cărui funcție de undă se prăbușește atunci și lasă doar funcția sa de particule, doar particulele fiind reale. Cu toate acestea, colapsul funcției de undă a fost doar presupus - nu a fost confirmat experimental și nici măcar modelat matematic - și nu s-a găsit nicio abatere de la funcția de undă în domeniul cuantic sau de la funcția particulelor în domeniul clasic.

În 1957, Hugh Everett a descris interpretarea sa "Starea relativă". Everett susținea că funcția de undă nu se prăbușește și, întrucât se presupune că toată materia și interacțiunile sunt construite din particule de undă cuantice, toate variațiile posibile ale câmpului cuantic - indicate de ecuațiile matematice - sunt reale și se produc simultan, dar au cursuri diferite ale istoriei. Conform acestei interpretări, tot ceea ce interacționează cu câmpul se alătură stării câmpului care este relativă la starea observatorului - el însuși o formă de undă în propriul său câmp cuantic - în timp ce cele două interacționează pur și simplu într-o formă de undă universală care nu se prăbușește niciodată. Până acum, interpretarea multor fizicieni a tranziției aparente de la domeniul cuantic la cel clasic nu este colapsul funcției de undă, ci decoerența cuantică.

În decoerență, o interacțiune cu câmpul duce observatorul într-o singură constelație determinantă a câmpului cuantic și, astfel, toate observațiile se aliniază cu acea nouă stare cuantică combinată. Teza lui Everett a inspirat interpretarea "Many worlds", prin care în cadrul universului nostru se preconizează că există lumi paralele virtuale sau potențial infinite, care sunt reale, dar fiecare la o distanță minusculă de celelalte lumi. Deoarece forma de undă a fiecărei lumi este universală - nu se prăbușește - și relațiile sale matematice sunt invariante, lumile paralele pur și simplu umplu golurile și nu se ating.

Multe universuri

Einstein s-a îndoit că găurile negre, așa cum prevede soluția Schwarzschild, sunt reale. În prezent, unii presupun că găurile negre nu există ca atare, ci sunt energie întunecată, sau că universul nostru este atât o gaură neagră, cât și energie întunecată. Soluția Schwarzschild a ecuațiilor lui Einstein poate fi extinsă la maximum pentru a prezice o gaură neagră care are o față inversă - un alt univers care iese dintr-o gaură albă. Poate că Big Bang-ul universului nostru a fost jumătate dintr-un Big Bounce, o prăbușire a ceva până la o gaură neagră, iar universul nostru a ieșit pe partea cealaltă ca o gaură albă.

Particulele sunt corzi?

Fizicienii se îndoiesc pe scară largă de faptul că particulele cuantice sunt cu adevărat puncte 0D, așa cum sunt reprezentate în Modelul Standard, care oferă formalism - dispozitive matematice ale căror accidente vasculare cerebrale prezic fenomene de interes în urma introducerii de date - și nu o interpretare a mecanismelor care determină aceste fenomene. Cu toate acestea, teoreticienii corzilor tind să conchidă în mod optimist că corzile sunt atât reale, cât și explicative, nu doar dispozitive predictive. Este cu mult peste capacitatea acceleratoarelor de particule din prezent să propulseze orice particule de sondare la niveluri de energie suficient de ridicate pentru a depăși energia proprie a unei particule cuantice și a determina dacă aceasta este o stringă. Cu toate acestea, această limitare există și în cazul testării altor teorii ale gravitației cuantice. Evoluțiile sugerează alte strategii pentru a "observa" structura particulelor cuantice.

În mod paradoxal, chiar dacă testele ar confirma că particulele sunt corzi de energie, acest lucru nu ar dovedi în mod concludent nici măcar faptul că particulele sunt corzi, deoarece ar putea exista alte explicații, poate o deformare neașteptată a spațiului, deși particula este un punct 0D cu o soliditate reală. Chiar și atunci când predicțiile reușesc, există multe explicații posibile - problema subdeterminării - iar filozofii științei, precum și unii oameni de știință, nu acceptă nici măcar succesul predictiv fără cusur ca fiind o verificare a explicațiilor teoriei de succes, dacă acestea sunt prezentate ca oferind realism științific, o descriere adevărată a lumii naturale.

Materia este energie?

Discuțiile despre fizicienii de particule care testează particulele prezise de fizicienii teoreticieni prin ciocnirea particulelor în acceleratoare sugerează că particulele cuantice sunt mici particule newtoniene pe care experimentatorii le deschid pentru a le dezvălui structura. În schimb, atunci când două particule, fiecare cu o anumită masă - măsurată în termeni de energie sub formă de electronvolți - sunt ciocnite, ele se pot combina într-o particulă cu acea masă/energie combinată, iar particula generată este "observată" pentru a se verifica dacă corespunde predicției.

Fizicienii consideră că toate particulele sunt energie. Teoreticienii teoriei buclelor, uneori în rivalitate cu teoria corzilor, susțin că spațiu-timpul însuși se transformă în particule. Faptul că materia este o variantă specială a energiei a fost o consecință a teoriei speciale a relativității a lui Einstein, iar Einstein a formalizat echivalența masă-energie, E=mc ². Atunci când fotonii suficient de energici se ciocnesc, ei se pot combina și pot genera crearea de materie-materie. Toate particulele au antiparticule, iar atomii de materie au antiatomi de antimaterie, a căror unire anihilează particulele și materia, lăsând în același timp energie.

Evoluții

O evoluție inspirată este descoperirea simetriei în oglindă, prin care spațiile Calabi-Yau tind să vină în perechi, astfel încât soluțiile care anterior erau dificile în modul vibrațional extrem al unei corzi pot fi rezolvate prin intermediul geometriei spațiului Calabi-Yau în oglindă în domeniul opus.

Teoria corzilor este de obicei rezolvată prin intermediul teoriei conforme a câmpurilor, o teorie cuantică a câmpurilor în spațiul 2D. Se confirmă faptul că moleculele pot colapsa în 2D. Iar electronul, mult timp presupus a fi o particulă elementară, se pare că se împarte în trei entități care transportă separat cele trei grade de libertate ale electronului atunci când moleculele care conțin electronii sunt canalizate pe o cale 1D.