Într-un articol din revista Quanta, fizicianul și matematicianul olandez Robbert Dijkgraaf folosește metafora spațială a „peisajului” pentru a explica importanța revoluționară a teoriei de coarde pentru înțelegerea universului.
Principala dilemă a fizicii cuantice
Imaginează-ți că Alice și Bob sunt rugați să gătească cina. Alice adora mâncarea chinezească, Bob iubește italianul. Fiecare dintre ei își alege rețeta preferată, cumpără de la un magazin local și urmează clar instrucțiunile. Dar când scot mâncarea din cuptor, amândoi sunt destul de surprinși. Ambele feluri de mâncare se dovedesc a fi exact la fel. Nu ne putem imagina decât întrebările existențiale pe care le pun Alice și Bob. Cum pot face diferite ingrediente să facă aceleași feluri de mâncare? Ce înseamnă chiar să gătești mâncare chinezească sau italiană? Sau au abordat atât de greșit procesul de gătit?
Aceasta este o ilustrare a dilemei centrale a fizicienilor cuantici. Au găsit multe exemple despre cum două concepte complet diferite pot descrie același sistem fizic. În cazul fizicii, în loc de carne și sosuri, particulele și forțele acționează ca ingrediente, rețetele sunt formule de interacțiune, iar procesul de gătit este o procedură de discretizare care pune probabilitatea fenomenelor fizice în conformitate cu formulele. La fel ca Alice și Bob, oamenii de știință sunt uimiți de felul în care rețetele diferite duc la aceleași rezultate.
Natura a avut capacitatea de a-și alege legile fundamentale? Din câte știm, Albert Einstein credea într-un sens că nu exista decât o singură cale, bazată pe câteva principii de bază, de a construi un univers elegant, funcțional. Din punctul său de vedere, dacă cercetăm esența fizicii la un nivel suficient de profund, atunci ajungem la concluzia că există o singură și unică modalitate posibilă de interacțiune a tuturor angrenajelor ceasului universal - materie, radiație, forțe, spațiu și timp.
Teoria șirurilor ca „teorie a tot”
Video promotional:
Modelul standard actual al fizicii particulelor este un mecanism inert format dintr-un set slab de ingrediente. Dar, în ciuda unicității aparente, Universul nostru este doar una dintre nenumăratele lumi posibile. Nu avem nici cea mai mică idee de ce această configurație particulară a particulelor și a forțelor care acționează asupra lor stau la baza ordinii noastre mondiale.
De ce există șase „arome” de quark, trei „generații” de neutrini și o particulă Higgs? În plus, nouăsprezece constante fizice fundamentale (cum ar fi masa și sarcina unui electron) sunt incluse în modelul standard. Se pare că valorile acestor „parametri liberi” nu au niciun sens profund. Pe de o parte, fizica particulelor este un exemplu de eleganță. Pe de altă parte, este doar o teorie frumoasă.
Dacă lumea noastră este doar una dintre multe, atunci ce facem cu lumile alternative? Punctul de vedere actual este absolut opusul ideii lui Einstein de un univers unic. Fizicienii moderni acoperă un spațiu imens de probabilități și încearcă să înțeleagă logica interconexiunilor sale. De la prospectorii aurului, ei au evoluat în geografi și geologi, cartografiind peisajul și studiind în detaliu forțele care îl modelează.
O etapă în acest proces a fost nașterea teoriei de coarde. Momentan este singura candidată la titlul de „teorie a tot”. Vestea bună este că nu există parametri liberi în teoria șirurilor. Nu se pune problema carei teorii de coarde descrie universul nostru, deoarece este unic. Lipsa oricărei funcții suplimentare duce la consecințe radicale. Toate numerele din natură trebuie determinate de fizica însăși. Acestea nu sunt „constante ale naturii”, ci pur și simplu variabile obținute din ecuații (uneori, deși incredibil de complexe).
Vești proaste, domnilor. Spațiul soluției pentru teoria șirurilor este vast și complex. Acest lucru este normal pentru fizică. În mod tradițional, se disting legile fundamentale, bazate pe ecuațiile matematice și pe soluțiile acestor ecuații. De obicei, există mai multe legi și un număr infinit de soluții. Să luăm legile lui Newton. Sunt crocante și elegante, dar descriu o gamă incredibil de largă de fenomene, de la un măr care cade până la o orbită lunară. Cunoscând starea inițială a sistemului, aceste legi pot fi folosite pentru a descrie starea acestuia în momentul următor. Nu ne așteptăm sau nu solicităm o soluție universală care să descrie totul.
Peisaj ecumenic
În teoria șirurilor, unele dintre elementele care sunt privite în mod obișnuit ca legi sunt de fapt soluții. Acestea sunt determinate de forma și dimensiunea dimensiunilor suplimentare ascunse. Spațiul tuturor acestor soluții este adesea denumit „peisaj”, dar acest lucru este spus prea ușor. Chiar și cele mai impresionante peisaje montane palid de vastitatea acestui spațiu. Și deși geografia sa nu a fost încă studiată pe deplin, este sigur să spunem că continentele sale sunt imense.
Una dintre cele mai sofisticate ipoteze este că totul este posibil interconectat. Dacă scuturăm bine universul, am putea trece de la o lume ipotetică la alta, schimbând ceea ce suntem obișnuiți să considerăm legile imuabile ale naturii și să obținem o nouă combinație de particule elementare care alcătuiesc realitatea noastră.
Dar cum explorăm vastul peisaj al modelelor fizice ale universului, care ar putea avea cu ușurință sute de dimensiuni? Gândiți-vă la ea ca la o întindere în mare parte de sălbăticie, o mare parte din ea ascunsă sub straturi groase de complexitate irezistibilă. Locurile livrabile pot fi găsite doar la granițe. Aici viața este simplă și gratuită. Iată modelele de bază pe care le înțelegem perfect. Ele nu sunt foarte importante în descrierea lumii reale, dar servesc ca un punct de plecare convenabil pentru explorarea imediata vecinătate.
Un bun exemplu este electrodinamica cuantică (QED), o teorie care descrie interacțiunile dintre materie și lumină. Acest model are un parametru, numit „constantă de structură fină”, care exprimă puterea interacțiunii dintre doi electroni. Numeric, este aproape de 1/137. În QED, toate procesele pot fi considerate ca provenind din interacțiuni elementare. De exemplu, repulsia a doi electroni poate fi gândită ca un schimb de fotoni. Electrodinamica cuantică propune să ia în considerare toate modalitățile posibile prin care doi electroni pot schimba fotoni.
În practică, acest lucru înseamnă că fizicienii se confruntă cu nevoia de a calcula sume infinite de o mare complexitate. Dar teoria oferă și o cale de ieșire: fiecare schimb suplimentar de fotoni adaugă o condiție în care constanta de structură fină este ridicată la puterea următoare. Deoarece numărul acestor schimburi este relativ mic, condițiile suplimentare nu au prea mult impact. Ele pot fi neglijate prin apropierea de valoarea „reală”. Vom găsi aceste teorii ușor cuplate în avanposturile peisajului. Aici forțele sunt slabe și are sens să vorbim despre lista ingredientelor - particule elementare - și rețeta interacțiunii lor. Dar, dacă ne lăsăm locurile locuibile și ne adâncim în sălbăticie neclintită, fiecare condiție suplimentară va deveni din ce în ce mai importantă. Acum nu mai distingem între particule individuale. Se dizolvătransformându-se într-o pânză încâlcită de energie, ca ingredientele unei plăcinte în cuptor.
Cu toate acestea, nu toate se pierd. Uneori se vede un alt avanpost la capătul cărării. Cu alte cuvinte, un alt model bine controlat, de data aceasta constând dintr-un set complet diferit de particule și forțe. În astfel de cazuri, există două rețete alternative pentru aceeași fizică de bază, ca în cazul mesei Alice și Bob. Aceste descrieri conjugate se numesc modele duale, iar conexiunea dintre ele se numește dualitate. Aceste opuse pot fi văzute ca o mare generalizare a celebrului dualism undă-particule descoperit de Heisenberg. În cazul lui Alice și Bob, aceasta are forma unei conversii între rețetele chinezești și italiene.
Totul este interconectat
De ce este atât de interesant din punct de vedere fizic? În primul rând, presupunerea că multe modele (dacă nu toate) fac parte dintr-un spațiu imens interconectat este una dintre cele mai surprinzătoare descoperiri ale fizicii cuantice moderne. Aceasta este o schimbare de perspectivă demnă de a fi numită „schimbare de paradigmă”. În loc de un arhipelag de insule împrăștiate, explorăm un vast continent.
Într-un anumit sens, studiind un model suficient de profund, vom putea să le înțelegem pe toate. Putem explora relația dintre aceste modele concentrându-ne pe conturul general al structurii lor. Este important de menționat că acest fenomen depinde foarte mult de faptul că teoria coardelor este în concordanță cu lumea reală. Această proprietate este inerentă fizicii cuantice, care este imuabilă indiferent de ceea ce se dovedește a fi „teoria a tot”.
Mai dramatică este concluzia că toate teoriile tradiționale ale fizicii fundamentale trebuie să meargă la praful istoriei. Particule, câmpuri, forțe, simetrii - toate acestea nu sunt altceva decât artefacte ale unei vieți libere la ieșirile unui peisaj nesfârșit de o complexitate de neconceput. Pare incredibil, sau cel puțin extrem de limitat, vizionarea fizică în termenii blocurilor elementare.
Poate că există o structură fundamental nouă, care unește legile fundamentale ale naturii și ignoră toate conceptele cu care suntem obișnuiți. Subtilitățile matematice și eleganța teoriei de coarde este o motivație tentantă de a accepta acest punct de vedere. Dar să fim sinceri. Foarte puține idei moderne despre ceea ce va ocupa locul particulelor și câmpurilor sunt „suficient de nebune ca să fie adevărate”, după cum a spus Niels Bohr.
