Θεωρία Χορδών

Πως άρχισε η ιστορία με τις χορδές;

Η σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου (συνδυασμός κβαντικής μηχανικής και γενικής θεωρίας της σχετικότητας) δουλεύει καλά στη παρατηρούμενες συμπεριφορές και ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων.
Αλλά αυτή η θεωρία αποδίδει μόνο όταν η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής που μπορεί να αγνοηθεί και από την άλλη η σωματιδιακή θεωρία δουλεύει μόνο όταν κάνουμε πως δεν υπάρχει η βαρύτητα.

Η Γενική Σχετικότητα έχει αποδώσει πλούσια στη κατανόηση του Σύμπαντος, τις τροχιές των πλανητών, τις εκρήξεις των αστέρων και γαλαξιών, το Big Bang και πρόσφατα τις μαύρες τρύπες και τους βαρυτικούς φακούς. Πάντως η θεωρία αυτή εργάζεται καλά όταν η κβαντική θεωρία δεν χρειάζεται στην περιγραφή της Φύσης.

Έτσι με τις αδυναμίες που παρουσιάζουν οι παραπάνω θεωρίες να επεξεργαστούν όλα τα θέματα που μπαίνουν στη Φυσική (τη βαρύτητα η κβαντική θεωρία και τα κβαντικά φαινόμενα του μικρόκοσμου η γενική θεωρία της σχετικότητας), έρχεται η θεωρία της χορδής που πιστεύεται ότι θα γεφυρώσει αυτό το χάσμα.
Πρωταρχικά, η θεωρία αυτή είχε σκοπό να εξηγήσει την παρατηρούμενη σχέση μεταξύ μάζας και spin για τα αδρόνια (νετρόνια, πρωτόνια κλπ). Σε αυτό απέτυχε αν και Κβαντική Χρωμοδυναμική είχε καλύτερη θεωρία για αυτά.

Αλλά τα σωματίδια στην θεωρία της χορδής εμφανίζονται σαν διεγέρσεις χορδής , και συμπεριλαμβάνουν στις διεγέρσεις αυτές της χορδής και ένα σωματίδιο με μηδενική μάζα και spin=2.
Εαν υπήρχε μια καλή κβαντική θεωρία της βαρύτητας, τότε το σωματίδιο που θα ήταν φορέας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης θα είχε μηδενική μάζα και spin=2. Αυτό όμως ήταν γνωστό στους θεωρητικούς φυσικούς από καιρό. Αυτό το θεωρητικό σωματίδιο λέγεται βαρυτόνιο.
Αυτό οδήγησε τους πρώτους θεωρητικούς των χορδής να μην θεωρήσουν την θεωρία της χορδής σαν θεωρία των αδρονίων, αλλά της κβαντικής βαρύτητας.

Αλλά δεν ήταν αρκετό να προβλέψει το βαρυτόνιο η θεωρία της χορδής. Ο οποιοσδήποτε μπορεί να προσθέσει ένα βαρυτόνιο στην κβαντική θεωρία πεδίου, αλλά οι υπολογισμοί που προϋποθέτει για να περιγράψει τη Φύση γίνονται άχρηστοι. Και αυτό γιατί, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων συμβαίνουν σε ένα απλό σημείο του χωρόχρονου, σε μηδενική απόσταση μεταξύ των αντιδρώντων σωματιδίων.

Οι αλληλεπιδράσεις σωματιδιακής φυσικής (αριστερά) συμβαίνουν σε μηδενική απόσταση, αλλά όχι οι αντιδράσεις χορδής (δεξιά).Αυτό είναι που κάνει τη θεωρία της χορδής επιτυχημένη σαν κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Για τα βαρυτόνια, τα μαθηματικά συμπεριφέρονται τόσο άσχημα σε μηδενικές αποστάσεις που οι απαντήσεις δεν είναι ακριβείς. Στην θεωρία της χορδής, οι χορδές συγκρούονται πάνω σε μία μικρή αλλά πεπερασμένη απόσταση, και οι απαντήσεις γίνονται λογικές.

Αυτό δεν σημαίνει πως η θεωρία χορδής δεν είναι χωρίς ελλείψεις. Αλλά η συμπεριφορά μηδενικής απόστασης είναι τέτοια που μπορούμε να συνδυάσουμε κβαντική μηχανική και βαρύτητα., και μπορούμε να κουβεντιάσουμε σχετικά για μια διέγερση της χορδής που μεταφέρει την βαρυτική δύναμη.

Η νέα θεωρία Μ των χορδών

Το 1995 η θεωρία των χορδών αντικαταστάθηκαν από την Μ-Theory. Ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Edward Witten , καθηγητής στο Princeton και ειδικός στις χορδές εξηγεί ότι τo Μ της M-Theory μπορεί να εκληφθεί ως Μαγεία, Μυστήριο, ή Μεμβράνη.

Νέα στοιχεία δείχνουν ότι ίσως είναι η πιο εντυπωσιακή θεωρία από τότε που δημιουργήθηκε η θεωρία των χορδών. Η Μ-Theory παρόμοια με την θεωρία των χορδών βασίζεται στην ιδέα της υπερσυμμετρίας.

Οι φυσικοί χωρίζουν τα σωματίδια σε δυο τάξεις ανάλογα με το λεγόμενο “spin”. Η υπερσυμμετρία απαιτεί ότι για κάθε γνωστό σωματίδιο που έχει ακέραιο spin – 0 , 1 , 2, … - να υπάρχει ένα σωματίδιο με την ίδια μάζα αλλά με spin το μισό του ακεραίου (1/2, 3/2, 5/2,…) και το αντίστροφο.

Όμως, ποτέ μέχρι τώρα δεν έχει βρεθεί καμιά τέτοιου είδους συνύπαρξη τέτοιων υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Η συμμετρία (αν υπάρχει) πρέπει να σπάσει προκειμένου να εντοπιστούν από τους τωρινούς επιταχυντές. Ωστόσο οι θεωρητικοί φυσικοί ελπίζουν στην υπερσυμμετρία επειδή δίνει το υπόβαθρο πάνω στο οποίο οι ασθενείς , ισχυρές, και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις μπορούν να ενοποιηθούν με την βαρύτητα.

Η υπερσυμμετρία μετασχηματίζει τις συντεταγμένες του χώρου και του χρόνου έτσι ώστε οι νόμοι της φυσικής να είναι ίδιοι για όλους τους παρατηρητές. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein στηρίζεται πάνω σε αυτήν την συνθήκη και η υπερσυμμετρία παράγει βαρύτητα.

Στην πραγματικότητα η υπερσυμμετρία παράγει “υπερβαρύτητα” στην οποία ένα σωματίδιο με spin 2 – το γκράβιτον – μεταδίδει βαρυτικές αλληλεπιδράσεις και συνοδεύεται από το γκραβιτίνιον με spin 3/2. Η συμβατική βαρύτητα δεν έχει όρια όσον αναφορά τις πιθανές διαστάσεις του χωροχρόνου. Οι εξισώσεις μπορούν να μετασχηματιστούν σε οποιαδήποτε διάσταση. Όχι όμως και με την υπερβαρύτητα που θέτει ανώτατο όριο τις 11 διαστάσεις του χωροχρόνου.

Το 1962 ο Paul Dirac δημιούργησε ένα φανταστικό μοντέλο βασιζόμενο σε μεμβράνη. Έθεσε την ιδέα ότι ένα ηλεκτρόνιο ήταν στην πραγματικότητα μια κλειστή μεμβράνη γύρω από τον εαυτό του. Οι ταλαντώσεις, όπως πρότεινε ο Dirac, μπορεί να δημιουργήσουν σωματίδια όπως τα μυόνια, μια βαρύτερη έκδοση του ηλεκτρονίου. Αν και η απόπειρά του απέτυχε , οι εξισώσεις που χρησιμοποίησε για την μεμβράνη είναι οι ίδιες που χρησιμοποιούμε σήμερα. Ωστόσο η ιδέα της μεμβράνης αγνοήθηκε από την κοινότητα των υποστηριχτών της θεωρίας των χορδών. Η κατάσταση άλλαξε λόγο της προόδου σε ένα πολύ διαφορετικό πεδίο