Αν η θεωρία των χορδών είναι λάθος;

Αν πράγματι είναι, τότε η σκοτεινή ύλη, η σκοτεινή ενέργεια 

και ο κοσμικός πληθωρισμός είναι σε μεγάλο πρόβλημα.

Η συμβατική θεωρία των υπερχορδών απαιτεί επιπλέον διαστάσεις στο διάστημα πέρα από τις τρείς συνηθισμένες, μήκος, πλάτος, ύψος.

Οι επιστήμονες στηρίζουν τις ελπίδες τους να ενοποιήσουν τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης σε μια ενιαία ιδέα που δημιουργήθηκε κατά τη διάρκεια των τριών δεκαετιών από χιλιάδες μαθηματικούς και φυσικούς. Η ιδέα καλείται «η θεωρία των υπερχορδών».

Τα βασικά συστατικά της είναι μονοδιάστατες χορδές καθαρής ενέργειας που υπάρχουν σε ένα σύμπαν 10-διαστάσεων, τέσσερις από τις οποίες είναι οι οικείες χωρικές μας διαστάσεις (μήκος, πλάτος, ύψος) και ο χρόνος. Οι κραδασμοί και η κίνηση των χορδών δημιουργούν τον ίδιο το χώρο του χώρου μαζί με όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις και τα στοιχειώδη σωματίδια της φύσης.

Τώρα, φανταστείτε ένα μέλλον στο οποίο οι φυσικοί παραδίδονται σε άσχημα νέα: αδιάσειστα δεδομένα που αποδεικνύουν ότι η θεωρία των υπερχορδών δεν λειτουργεί στον φυσικό μας κόσμο. Δεν είμαστε καθόλου κοντά σε μια τέτοια κρίση σήμερα, όμως είναι απογοητευτικό να καταλάβουμε ότι χάνουμε άν το καλύτερο στοίχημα της φυσικής αποδεικνύεται πλήρες αδιέξοδο.

Οι επιστήμονες στο CERN θα χρησιμοποιήσουν τον ανιχνευτή ATLAS του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC)Large Hadron Collider για να συντρίψουν μαζί τις δέσμες πρωτονίων υψηλής ταχύτητας. Τα προκύπτοντα υποατομικά συντρίμματα θα πρέπει να αποκαλύπτουν τις θεμελιώδεις διεργασίες των σωματιδίων. Το πείραμα ATLAS είναι μία από τις μεγαλύτερες προσπάθειες συνεργασίας που επιχειρήθηκε ποτέ στις φυσικές επιστήμες. Το έργο περιλαμβάνει 2.500 φυσικούς από 169 ιδρύματα σε 37 χώρες. CERN CLAUDIA MARCELLONI

Επιπλέον διαστάσεις

Η θεωρία Superstring (υπερχορδών) βασίζεται σε τρεις βασικές ιδέες που παραμένουν πειραματικά αδιευκρίνιστες μετά από 30 χρόνια έρευνας: η αρχή της υπερσυμμετρίας, οι πρόσθετες χωρικές διαστάσεις και η βαρύτητα ως δύναμη που ορίζεται από την ανταλλαγή κβαντικών σωματιδίων.

Η υπερσυμμετρία είναι μια μαθηματική αρχή που επιτρέπει σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη, όπως τα φωτόνια και τα γκλουόνια, να μετασχηματίζονται το ένα στο άλλο. Επιτρέπει επίσης την ενοποίηση της βαρύτητας με άλλες δυνάμεις επειδή το σωματίδιο της, το οποίο ορισμένοι αποκαλούν το βαρυτόνιο, μπορεί να μετατραπεί σε έναν από τους άλλους φορείς δύναμης. Αν και αυτή η ιδέα είναι μαθηματικά κομψή και βάζει τη βαρύτητα σε ισότιμη βάση με τις άλλες δυνάμεις, κανείς δεν έχει εντοπίσει ποτέ, για παράδειγμα, μια μεταστροφή φωτονίων σε ένα γκλουόνιο. Ευτυχώς, υπάρχουν άλλοι τρόποι αναζήτησης της υπερσυμμετρίας.

  Αν η φύση ακολουθεί την υπερσυμμετρία, τότε κάθε φυσιολογικό σωματίδιο έχει έναν υπερμεταφορέα: Τα ηλεκτρόνια συνεργάζονται με "selectons", τα φωτόνια με "photinos", τα quark με "squarks" και ούτω καθεξής. Αυτοί οι σούπερ συνεργάτες δεν έχουν εντοπιστεί ακόμη, αλλά οι επιστήμονες έχτισαν έναν νέο επιταχυντή, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στην Ελβετία για να τα βρουν. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι στα πειράματα με το LHC θα εμφανιστούν τουλάχιστον μερικά από τα ελαφρύτερα υπερσωματίδια. Μια τέτοια επιτυχία θα ήταν ένα προοίμιο για την επιβεβαίωση της πιο περίεργης ιδέας της φυσικής των τελευταίων 80 ετών - επιπλέον διαστάσεις στο διάστημα.

Ο χώρο-χρόνος είναι μόνο η αρχή

 Η συμβατική θεωρία των υπερχορδών απαιτεί επιπλέον διαστάσεις στο διάστημα πέρα από τις τρείς συνηθισμένες, μήκος, πλάτος, ύψος. Αυτές οι πρόσθετες διαστάσεις δίνουν στους φυσικούς επιπλέον "λαβές" από τις οποίες μπορούν να διαμορφώσουν όχι μόνο μια βελτιωμένη θεωρία της βαρύτητας αλλά και τις ιδιότητες των γνωστών σωματιδίων τους.

  Στην πραγματικότητα σχηματίζουν τους δικούς τους κλειστούς, έξι διαστάσεων χώρους που πρέπει να είναι παντού. Διαφορετικά, τα σωματίδια θα πάρουν διαφορετικά ιδιότητες καθώς κινούνται μέσα από τον τρισδιάστατο κόσμο μας. Υπάρχουν τρισεκατομμύρια πιθανών έξι διαστάσεων γεωμετρίες, καθεμία από τις οποίες αποκαλύπτει ένα μοναδικό σύμπαν με συγκεκριμένους φυσικούς νόμους, σωματίδια και δυνάμεις. Ποιο είναι το δικό μας;

  Μερικοί ερευνητές αισθάνονται ότι υπάρχουν όλες οι γεωμετρικές δυνατότητες στο multiverse (πολυσύμπαν) - η συλλογή όλων των πιθανών συμπάντων με όλους τους δυνατούς φυσικούς νόμους που επιτρέπονται λογικά από τη θεωρία των υπερσυστημάτων. Το δικό μας, λοιπόν, είναι ένα Σύμπαν Goldilocks, όπου ακριβώς η σωστή έξι-διαστάσεων γεωμετρία επιτρέπει την ύπαρξη της ζωής όπως την ξέρουμε. Ίσως υπάρχουν 100¹⁰⁰ που αποτυγχάνουν σ’ αυτήν την πρόκληση. Μπορεί να υπάρχουν και άλλα στα οποία θα μπορούσαν να αναπτυχθούν νέες, αδιανόητες δυνατότητες ζωής.

  Αν πράγματι υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις, θα αλλάξουν τη συμπεριφορά της βαρύτητας σε μικρές αποστάσεις. Το 2003, ο John Price του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Boulder και οι συνεργάτες του ανακοίνωσαν μια εξαιρετικά ακριβή μέτρηση της βαρύτητας σε κλίμακες ενός δέκατου του χιλιοστού. Η ομάδα δεν έβλεπε καμία απόκλιση από το αντίστροφο τετράγωνο νόμο της βαρύτητας, στον οποίο η δύναμη έλξης μειώνεται από το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των σωμάτων. Έτσι, το κυνήγι συνεχίζεται κάτω από αυτό το όριο για να δοκιμάσει άλλες έξτρα-διαστατικές δυνατότητες.

"Έχουμε αρκετές συμβουλές από πειράματα και θεωρητικές ιδέες που μας κάνουν να πιστεύουμε ότι πιθανόν είναι εκεί έξω", λέει ο Joseph Lykken, φυσικός στο Fermi

Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών στην Batavia του Illinois. "Γι 'αυτό είμαστε τόσο ενθουσιασμένοι που τις αναζητούμε".

Αν οι επιστήμονες επικυρώσουν τη θεωρία των υπερχορδών, θα δούμε τη γέννηση της πρώτης ενοποιημένης περιγραφής του φυσικού κόσμου. Στην πορεία θα πρέπει να συμφιλιωθούμε με την ιδέα ενός πολυσύμπαντος στο οποίο μπορεί να υπάρχουν τρισεκατομμύρια άλλα σύμπαντα, το καθένα με τους δικούς του φυσικούς νόμους, δυνάμεις και σωματίδια.

Αλλά τι θα συμβεί εάν όλες αυτές οι ιδέες είναι λάθος; Η θεωρία των χορδών θα έμενε στην ιστορία ως η πιο θεαματική λάθος στροφή που έχει κάνει ποτέ η επιστήμη. Θα έχει στείλει χιλιάδες φυσικούς σε ένα θεαματικό κυνηγητό αγριόχηνας, ενώ παράλληλα φέρνοντας επανάσταση στα σκοτεινά υποκείμενα σε καθαρά μαθηματικά.

Να ξεχάσουμε την υπερσυμμετρία;

Εάν δεν υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις, τότε δεν υπάρχει ούτε και η υπερσυμμετρία. Χωρίς τους δύο αυτούς ακρογωνιαίους λίθους της Θεωρίας των χορδών, οι φυσικοί θα έμεναν με αυτό που αναφέρουν ως πρότυπο μοντέλο.

  Το πρότυπο μοντέλο συνδυάζει τη θεωρία ηλεκτροπαραγωγής (EW) - τον ίδιο τον συνδυασμό ηλεκτρομαγνητισμού και την αδύναμη πυρηνική δύναμη - με μια ξεχωριστή θεωρία της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD). Κάθε μέρος συμπεριφέρεται σαν ένα τρένο σε ξεχωριστή τροχιά. Αλλά ακριβώς όπως ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός ενοποιήθηκαν στον ηλεκτρομαγνητισμό, το πρότυπο μοντέλο EW και QCD είναι τόσο παρόμοιο που και αυτά πρέπει να είναι ενωμένα.

  Οι μεγάλες θεωρίες ενοποίησης (GUTS) προσπάθησαν να κάνουν ακριβώς αυτό. Οι φυσικοί εργάστηκαν με δεκάδες προοπτικές μεταξύ του 1975 και του 1980. Οι περισσότεροι απέτυχαν. Πολλοί προέβλεπαν ότι το πρωτόνιο, το θεμέλιο των ατομικών πυρήνων, θα εξασθενίσει γρήγορα. κάποιοι εισήγαγαν τα ταχύτερα από το φως τα ταχυόνια ως νέα φυσικά σωματίδια.

  Κανένας δεν αποδείχθηκε ότι δούλευε πολύ καλά, όταν οι φυσικοί ξεκαθάρισαν τα πολύπλοκα μαθηματικά τους και τα σύγκριναν με τον πραγματικό κόσμο. Ο φυσικός Mark Srednicki στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας της Σάντα Μπάρμπαρα, παραπονέθηκε κάποτε σε έναν υποψήφιο: "Είναι αδύνατο να πάρετε αυτόν τον σωρό σκουπίδια για να βγάλετε κάτι σαν το πρότυπο μοντέλο".

  Από ορισμένες απόψεις, ένας κόσμος χωρίς θεωρία υπερχορδών δεν είναι τόσο κακός. Το πρότυπο μοντέλο και η συνηθισμένη γενική σχετικότητα υποστηρίζουν ότι όλοι οι αστρονόμοι πρέπει να περιγράψουν με ακρίβεια τα περισσότερα από τα φαινόμενα που μελετούν, από την εξέλιξη των γαλαξιών και τις εκρήξεις των υπερκαινοφανών, στην ακραία φυσική των άστρων νετρονίων και των μαύρων τρυπών.

  Όσο για την ενοποίηση, ο αείμνηστος φυσικός Richard Feynman είπε κάποτε: "Ίσως είναι δύσκολο για τους φυσικούς να ενοποιήσουν τη βαρύτητα με τις άλλες δυνάμεις επειδή η φύση δεν είχε ποτέ σκοπό να ενοποιηθούν στην πρώτη θέση".

Κοσμικό πρόβλημα

Οι αστρονόμοι έχουν επίσης ανακαλύψει ότι υπάρχει πολύ περισσότερο στο σύμπαν από αυτό που μπορούμε να δούμε. Το πρότυπο μοντέλο δεν έχει απολύτως καμία θέση για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, συστατικά που αποτελούν το 95 τοις εκατό των βαρυτικών "ουσιών του σύμπαντος;

Και χειροτερεύει. Χωρίς υπερσυμμετρία, μερικοί φυσικοί έχουν αποδείξει ότι η ενέργεια του κενού χώρου θα ήταν τόσο τεράστια που το σύμπαν θα είχε άμεση κατάρρευση.

Μόνο με την κατανόηση της φυσικής πέρα από το πρότυπο μοντέλο μπορούμε να ελπίζουμε να καταλάβουμε πώς εργάζονται το κενό και η σκοτεινή πλευρά του σύμπαντος. Και μόνο η θεωρία των χορδών φαίνεται να μπορεί να χρησιμεύσει ως ένας αξιόπιστος μαθηματικός οδηγός σε αυτό το μεγαλύτερο σύμπαν.

Μια άλλη μεγάλη καταστροφή στην αστρονομία θα είναι η κατανόηση μας για τις μεγαλύτερες δομές του σύμπαντος και την ευρεία κλίμακα του σύμπαντος που αποκαλύφθηκε από μελέτες του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (CMB).

Ο πληθωρισμός, μια υπερ-γρήγορη επέκταση του σύμπαντος όταν ήταν μικρότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό ενός τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, εξηγεί τις παρατηρήσεις του CMB που έγιναν από δορυφόρους, όπως ο Ανιχνευτής Ανισοτροπίας Μικροκυμάτων Wilkinson (WMAP) της NASA. Αλλά δεν μπορεί να λογοδοτήσει για δομή μικρής κλίμακας που οδήγησε στο σχηματισμό γαλαξιών. Μόνο επιστρέφοντας στην εποχή πριν από την διόγκωση, που συχνά ονομάζεται εποχή κβαντοβαρύτητας ή η εποχή Planck, οι κοσμολόγοι μπορούν να εξηγήσουν γιατί το σημερινό σύμπαν φαίνεται  με τον τρόπο που το κάνει, στη γαλαξιακή κλίμακα.

Το πρότυπο μοντέλο και η απλή γενική σχετικότητα δεν αρκούν. Μόνο κάποια μεγαλύτερη, πιο περιεκτική θεωρία μπορεί να οδηγήσει τον δρόμο. "Είναι δύσκολο να βρούμε ένα σοβαρό χαρτί σχετικά με τη φαινομενολογία των σωματιδίων που δεν χρησιμοποιεί με κάποιο τρόπο τα εργαλεία της θεωρίας των υπερχορδών", λέει ο φυσικός Leonard Susskind του Πανεπιστημίου του Stanford. "Επιπλέον, όλοι συμφωνούμε ότι η προέλευση των στοιχειωδών σωματιδίων είναι πιθανότατα στην κλίμακα Planck και δεν μπορεί να γίνει κατανοητή χωρίς μια καλή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. "

Στη δεκαετία του '80, όταν ο Alan Guth στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και ο Andrei Linde, τώρα στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ανέπτυξαν για πρώτη φορά την ιδέα του πληθωρισμού, δεν είχαν καμία σχέση με τη θεωρία των χορδών, τις πρόσθετες διαστάσεις ή την υπερσυμμετρία. Οι βελτιώσεις στον πληθωρισμό έρχονται μόνο με το δανεισμό ιδεών από τη θεωρία των χορδών.

Τέλος του παιχνιδιού 

Χωρίς τη θεωρία περί υπερχορδών, θα χάναμε τιςενδιαφέρουσες φιλοσοφικές προοπτικές για το multiverse (πολυσύμπαν), με την απεριόριστη και αιώνια δημιουργικότητά του στην αναπαραγωγή νέων συμπάντων. Δεν έχουμε τα μαθηματικά για την κάλυψη του χάσματος ανάμεσα στην καθημερινή φυσική και στις υψηλές ενέργειες όπου λειτουργεί η κβαντική βαρύτητα. Ο δρόμος για τη δημιουργία μιας κβαντικής περιγραφής της βαρύτητας θα είναι σκοτεινός.

Πιο άμεσα, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια θα παραμείνουν απίστευτα αινιγματικές, παραγκωνισμένες από τυχόν ενδείξεις από το πού προέρχονται. Οι αστρονόμοι μπορούν να ζήσουν χωρίς να γνωρίζουν τις κβαντικές ιδιότητες της βαρύτητας. Αλλά για να μάθουμε ότι το 95 τοις εκατό του κόσμου δεν είναι γνωστό θα ήταν ένα πικρό χάπι για τους αστρονόμους να το καταπιούν.

Θα είναι ακόμη χειρότερο για τους φυσικούς. Χωρίς ένα λογικό πλαίσιο στο οποίο θα θέτουν και θα απαντούν σε ερωτήσεις, οι δικές μας απόψεις σχετικά με τα θεμελιώδη στοιχεία του φυσικού κόσμου θα μεταβιβάζονταν σε σημασιολογικές αψιμαχίες. Άλλες επιπτώσεις μας εμποδίζουν απλά να γυρίσουμε το θεωρητικό ρολόι πίσω στη δεκαετία του '70.

"Θα αγνοούσαμε τον τεράστιο όγκο μαθηματικών γνώσεων που έχει αποκτηθεί, κατά τα επόμενα χρόνια, ως επί το πλείστον από τη θεωρία των χορδών », εξηγεί ο Susskind,« δεν πρόκειται να συμβεί». Οι αλλαγές στη θεωρητική μας κατανόηση της κβαντικής θεωρίας πεδίου, της βαρύτητας και των μαύρων οπών είναι εντελώς μη αναστρέψιμες. Τα μαθηματικά της θεωρίας των υπερχορδών έχουν ακόμη δουλέψει για την πυρηνική φυσική και τις βαριές συγκρούσεις ιόντων καθώς και για τη φυσική συμπυκνωμένων υλικών. "Ιστορικά, υπάρχουν πολλά παραδείγματα επιστημόνων που αναγκάζονται να εγκαταλείψουν τις ιδέες τους. Η κοσμολογία σταθερής κατάστασης διήρκεσε σχεδόν 30 χρόνια πριν η επιστήμη την πετάξει στην άκρη. Ενώ η θεωρία χορδών είναι σποραδικά πειραματικά επικυρωμένη, η κατάσταση δεν είναι τόσο διαφορετική από τη γενική σχετικότητα στις πρώτες της ημέρες, όταν τα δύσκολα μαθηματικά έκαναν τον υπολογισμό μιας πρόβλεψης εξαιρετικά δύσκολη.

Ο φυσικός επιστήμονας Ed Witten του πανεπιστημίου του Princeton, , περιέγραψε κάποτε τη θεωρία των χορδών, καθώς η φυσική του 21ου αιώνα γνώρισε πολύ καιρό πριν. Ας ελπίσουμε ότι δεν αντιπροσωπεύει ούτε ένα κομμάτι των μαθηματικών του  25^ου αιώνα.

Αναρτήθηκε από: Seler Tr - ek-kentron

Πηγή

Διαβάστε σχετικά:

Μπορεί η κβαντική μηχανική να εξηγήσει την ύπαρξη του χωροχρόνου

Ζούμε σε ένα  Πολλαπλό Σύμπαν;

Ενιαία Θεωρία Πεδίου: 

Οι τέσσερις θεμελιώδεις  δυνάμεις της φύσης

12 Πράγματα που πρέπει να γνωρίζουμε για την Σχετικότητα

Η σχετικότητα του Αϊνστάιν

Η Θεωρία της Γενικής  Σχετικότητας του Αϊνστάιν

Τι είναι η βαρύτητα;