Θεωρία Ενοποιημένου Πεδίου: Συνδέοντας τα πάντα

Συνδέοντας τα πάντα

Για αιώνες, οι ερευνητές προσπάθησαν να περιγράψουν όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης και πώς αλληλεπιδρούν σε μια ενιαία θεωρία. 

Αυτή η ενοποιημένη θεωρία πεδίου κατέρρευσε όμοια με τον Albert Einstein, ο οποίος εργάστηκε στη θεωρία εδώ και πολλά χρόνια. 

Στη φυσική, ένα πεδίο είναι μια περιοχή υπό την επίδραση κάποιας δύναμης, όπως η βαρύτητα ή ο ηλεκτρομαγνητισμός. Μια θεωρία πεδίου αναφέρεται γενικά στο γιατί συμβαίνουν φυσικά φαινόμενα και πώς αυτά τα φαινόμενα αλληλεπιδρούν με τη φύση. 

Οι τέσσερις βασικές δυνάμεις είναι:

Ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση: Ο ηλεκτρομαγνητισμός αναφέρεται σε αλληλεπιδράσεις που επηρεάζουν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, ιδιαίτερα για τύπους φωτός. Το σωματίδιο για αυτή τη δύναμη ονομάζεται φωτόνιο.

Ισχυρή αλληλεπίδραση: Αυτή είναι η δύναμη που συνδέει μαζί νετρόνια (ουδέτερα φορτισμένα σωματίδια) και πρωτόνια (θετικά φορτισμένα σωματίδια) σε έναν πυρήνα μέσα στο άτομο, που είναι η βασική μονάδα ενός χημικού στοιχείου. Το σωματίδιο για αυτή τη δύναμη είναι το γκλουόνιο.

Αδύνατη αλληλεπίδραση: Η δύναμη αυτή προκαλεί ορισμένους τύπους ραδιενέργειας και δραστηριοποιείται σε μικρά σωματίδια όπως ηλεκτρόνια, κουάρκ και νετρίνα. Τα σωματίδια αυτής της δύναμης είναι τα μποζόνια W και Z.

Βαρυτική αλληλεπίδραση: Η βαρύτητα είναι η ελκυστική αλληλεπίδραση που επηρεάζει όλα τα κομμάτια του σύμπαντος, μεγάλα ή μικρά. Ενώ δεν ανακαλύφθηκε, το θεωρητικό σωματίδιο για αυτή τη δύναμη θα ήταν το βαρυτόνιο (gravitonio).

Το έργο του Αϊνστάιν

Ο σκωτσέζος φυσικός James Clerk Maxwell δημιούργησε την πρώτη θεωρία πεδίων στα μέσα του 19ου αιώνα, σχετικά με τον ηλεκτρομαγνητισμό. Στη συνέχεια, στις αρχές της δεκαετίας του 1900, ο Αϊνστάιν υποστήριξε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας, η οποία έχει να κάνει με τη θεωρία πεδίου της βαρύτητας.

Ο Αϊνστάιν προσπάθησε να αναπτύξει μια ενοποιημένη θεωρία πεδίων τη δεκαετία του 1920, αλλά εμποδίστηκε επειδή τότε μόνο κάποιες από τις δυνάμεις ήταν γνωστές. Ενώ ο ηλεκτρομαγνητισμός και η βαρύτητα αναγνωρίστηκαν καλά, οι μελέτες του ατόμου ήταν σε νηπιακό στάδιο. την εποχή εκείνη, το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο ήταν τα μόνα γνωστά υποατομικά σωματίδια , σύμφωνα με την Αμερικανική Φυσική Εταιρεία. 

Ο Αϊνστάιν (που συνεργάστηκε αρχικά με τον Jacob Grommer) βασίστηκε στο έργο άλλων επιστημόνων, οι οποίοι προσπαθούσαν να αποδόσουν τον χώρο-χρόνο σε πέντε διαστάσεις. Συγκεκριμένα, το έργο του Αϊνστάιν στον χωροχρόνο θα έχει τέσσερις διαστάσεις και ένα επιπλέον σύνολο εξισώσεων (που αντιπροσωπεύουν τις εξισώσεις Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό) θα είναι η πέμπτη. Οι επιστήμονες που εργάστηκαν σε αυτό το πρόβλημα περιλαμβάνουν τον Hermann Weyl, τον Theodor Kaluza και τον Oskar Klein.

Το πρώτο βιβλίο του Einstein για τη θεωρία ήταν το 1922, απηχώντας το έργο που δημοσίευσε ο Kaluza το 1921. Αργότερα στην καριέρα του, σύμφωνα με το APS, (Association for Physiological Science) ο Αϊνστάιν προσπάθησε επίσης αναπτύξει μια ενοποιητική θεωρία που θα γενικεύσει τον μετρικό τανυστή (ο οποίος μετρά την καμπυλότητα του χώρου και του χρόνου) . Ο Αϊνστάιν προσπάθησε και τις δύο μεθόδους τις τελευταίες τρεις δεκαετίες της ζωής του, χωρίς επιτυχία. Ζήτησε ακόμη και να του φέρουν τις σημειώσεις του την ημέρα πριν πεθάνει, είπε η APS.

Νεότερες προσεγγίσεις

Ένας περιορισμός με το έργο του Αϊνστάιν ήταν αρχικά η απόρριψη του, και στη συνέχεια η άγνοια του για την κβαντική θεωρία (την οποία αναγνώρισε καθώς περνούσαν τα χρόνια). Αλλά ακόμη και σήμερα, οι επιστήμονες που είναι εξοικειωμένοι με την κβαντική θεωρία έχουν επίσης δυσκολία να καταλήξουν σε μια ενοποιημένη θεωρία.

Υπάρχουν πολλές προσεγγίσεις που εξετάζονται, αλλά η πιο ελπιδοφόρα, σύμφωνα με την APS, περιλαμβάνει την θεωρία των χορδών. Η θεωρία "περιγράφει όλα τα στοιχειώδη σωματίδια ως δονητικές χορδές, με διαφορετικούς τρόπους δονήσεων που παράγουν διαφορετικά σωματίδια". 

Στη δεκαετία του 1980, οι φυσικοί (με επικεφαλής τον John Schwarz και Michael Green) κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η θεωρία των χορδών θα μπορούσε να λειτουργήσει λόγω των δονήσεων. Παρόμοια με το πώς ένα βιολί παίζει διαφορετικές νότες, η θεωρία έλεγε ότι, διαφορετικές δονήσεις σε χορδές της φύσης θα δημιουργούσαν διαφορετικά σωματίδια. Στα μέσα της δεκαετίας του '90, ο Edward Witten πρότεινε ακριβέστερες θεωρίες από την θεωρίας των χορδών, που τώρα ονομάζεται θεωρία-Μ (*). Το έργο του επέκτεινε τις διαστάσεις της θεωρίας των χορδών από έξι σε επτά και έδειξε νέα συστατικά της θεωρίας (συμπεριλαμβανομένων των βράνων ή αντικειμένων με μεμβράνη σε διάφορες διαστάσεις). 

"M-Theory"

Οι εργασίες σε αυτόν τον τομέα αναδύονται πολύ, αλλά οι ερευνητές προσπαθούν να μάθουν περισσότερες φυσικές ιδιότητες της στοιχειοσειράς μελετώντας τα υποατομικά σωματίδια που παράγονται σε επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC). Μεταξύ άλλων κατευθύνσεων, τα πειράματα στον LHC προορίζονται να αναζητήσουν υπερσυμμετρία ή υποτιθέμενη μαθηματική ιδιότητα, όπου κάθε είδος σωματιδίων θα έχει σωματίδια έναν συνεργάτη σωματιδίων. 

Οι φυσικοί προειδοποιούν ότι η αδυναμία της θεωρίας χορδών δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί από τα δεδομένα. Υπάρχουν επίσης και άλλες προσεγγίσεις στην ενοποιημένη θεωρία πεδίων, όπως η κβαντική βαρύτητα, η οποία προσπαθεί να περιγράψει τη βαρύτητα στους όρους των κβαντικών μαθηματικών. 

(*) Η Μ-Θεωρία που αποτελεί γενίκευση της θεωρίας υπερχορδών ζει σε έναν χώρο 11 διαστάσεων και εκτός από χορδές (αντικείμενα διάστασης 1) περιλαμβάνει και τις λεγόμενες βράνες, αντικείμενα με μεγαλύτερη διάσταση, 2, 3, 4,…κλπ (προφανώς η διάσταση των βράνων δεν μπορεί να υπερβεί την διάσταση 11, που είναι η διάσταση του χώρου που ζει η Μ-θεωρία). Οι βράνες που έχουν διάσταση 2 λέγονται μεμβράνες. Τα σωμάτια προκύπτουν από τις ταλαντώσεις των βράνων (πχ για την περίπτωση των μεμβρανών, βράνες  διάστασης 2,  θυμηθείτε τους ήχους που παράγονται από την παλλόμενη επιφάνεια ενός τυμπάνου κοκ).

Διαβάστε σχετικά:

Μπορεί η κβαντική μηχανική να εξηγήσει την ύπαρξη του χωροχρόνου

Αν η θεωρία των χορδών είναι λάθος;

Ζούμε σε ένα  Πολλαπλό Σύμπαν;

Οι τέσσερις θεμελιώδεις  δυνάμεις της φύσης

12 Πράγματα που πρέπει να γνωρίζουμε για την Σχετικότητα

Η Θεωρία της Γενικής  Σχετικότητας του Αϊνστάιν

Η σχετικότητα του Αϊνστάιν

Τι είναι η βαρύτητα;