Fizicienii descoperă că universul „dorește” în secret ca teoria corzilor să existe: A apărut în mod natural din reguli simple ale fizicii

Fizicienii ar fi descoperit un indiciu surprinzător care sugerează că teoria corzilor — ideea fascinantă conform căreia Universul este construit din corzi vibrante de o mărime inimaginabil de mică — ar putea fi mult mai mult decât o simplă fantezie matematică. Într-o întorsătură de situație remarcabilă, în loc să presupună încă de la început că aceste corzi existau, cercetătorii au pornit de la câteva reguli simple privind comportamentul particulelor la energii extreme. Rezultatul? Ecuațiile au produs în mod natural, complet de la sine, amprentele caracteristice ale teoriei corzilor. Această descoperire oferă un nou impuls pentru ceea ce cercetătorii consideră «Sfântul Graal» al științei moderne: unificarea mecanicii cuantice cu forța gravitației.

Deși studiul, publicat recent în prestigioasa revistă Physical Review Letters, nu reprezintă o dovadă experimentală fizică, el demonstrează matematic că teoria nu este o invenție arbitrară, ci o consecință inevitabilă a legilor Universului.

Ce este teoria corzilor și de ce are nevoie fizica de ea?

Gândește-te astfel: dacă ai continua să împarți un măr în bucăți din ce în ce mai mici, ai ajunge în cele din urmă la molecule, apoi la atomi și, mai târziu, la particulele minuscule din interiorul atomilor, precum protonii, quark-urile și gluonii. Dar, conform teoriei corzilor, călătoria nu se oprește deloc aici. La scări incredibile, de aproximativ un miliard de miliarde de ori mai mici decât un proton, fizicienii propun că absolut totul ar putea fi alcătuit din aceste corzi vibrante minuscule.

Teoria corzilor a apărut pentru prima dată în anii 1960 ca o posibilă modalitate de a rezolva una dintre cele mai formidabile probleme ale fizicii: combinarea mecanicii cuantice (care guvernează cele mai mici particule) cu relativitatea generală (teoria lui Einstein care descrie gravitația și structura la scară largă a universului). Oamenii de știință s-au străduit mult timp să unească aceste două lumi, deoarece ecuațiile se transformă adesea în infinități matematice imposibile atunci când gravitația este introdusă la scări cuantice.

Teoria corzilor oferă o posibilă ieșire din acest impas. Conform acestei teorii, fiecare particulă, inclusiv gravitonul ipotetic care ar transporta forța gravitațională, provine din vibrațiile diferite ale unor corzi minuscule. Mai mult, matematica din spatele ei impune ca aceste corzi să existe în cel puțin 10 dimensiuni, în loc de cele patru dimensiuni pe care le experimentăm noi, oamenii.

Rămâne însă un obstacol major și frustrant: testarea directă a teoriei corzilor ar necesita energii atât de extreme, încât cercetătorii ar avea nevoie de un accelerator de particule de dimensiunea unei galaxii întregi.

Fizica „bootstrap” și teoria corzilor

Deoarece experimentele directe sunt practic imposibile cu tehnologia actuală, fizicienii explorează alte metode ingenioase. O strategie extrem de promițătoare este cunoscută sub numele de abordarea „bootstrap”. În loc să pornească de la o teorie detaliată, oamenii de știință încep cu câteva principii generale pe care cred că natura trebuie să le respecte și apoi pur și simplu determină ce legi apar în mod natural.

Practic, prin metoda «bootstrap», fizicienii elimină toate variantele matematice imposibile sau paradoxale. Impunând doar condiția ca particulele să respecte legile logice ale probabilității la coliziuni extreme, ecuațiile i-au condus direct, prin proces de eliminare, la teoria corzilor.

Într-un nou studiu intitulat „Strings from Almost Nothing” (Corzi din aproape nimic), acceptat pentru publicare în Physical Review Letters, cercetători de la Caltech, Universitatea din New York (NYU) și Institutul de Fizică a Energiilor Înalte din Barcelona au folosit exact această strategie pentru a investiga comportamentul particulelor la energii extrem de mari. Pornind de la doar câteva ipoteze despre modul în care particulele se împrăștie în timpul coliziunilor, ei au ajuns în mod neașteptat direct la caracteristicile esențiale ale teoriei corzilor.

„Corzile au apărut pur și simplu. Nu am pornit deloc de la vreo ipoteză despre corzi, dar soluția a conținut semnăturile fundamentale ale corzilor.”, a spus Clifford Cheung, profesor de fizică teoretică și director al Forumului Leinweber pentru Fizică Teoretică de la Caltech, citat de Science Daily.

Deși descoperirile nu demonstrează experimental teoria corzilor, Cheung subliniază că rezultatele sunt uimitoare, deoarece ar fi fost posibile nenumărate rezultate matematice diferite. În schimb, calculele au indicat cu precizie o singură soluție.

Turnul infinit al particulelor

O altă caracteristică fascinantă care reiese din aceste calcule este cunoscută sub numele de spectrul corzilor. La sfârșitul anilor 1960, fizicianul teoretician italian Gabriele Veneziano de la CERN a dezvoltat o funcție matematică care descria un misterios „turn” de particule observat în experimentele cu coliziuni. Aceste particule apăreau într-o secvență specifică, în care masa și spinul creșteau în pași perfect ordonați.

„Pe vremea lui Veneziano, coliderele de particule observau această ploaie de resturi care ieșeau din coliziuni, particule cu mase diferite. Era fascinant și nimeni nu avea nicio idee despre ce se întâmpla. Veneziano a scris o funcție pentru a descrie toate masele, dezvăluind un turn infinit de particule”, explică Cheung.

Cercetătorii au realizat ulterior că acest model uimitor seamănă izbitor cu armonicele unei coarde vibrante. Când o coardă de vioară este ciupită, aceasta produce un ton principal împreună cu o serie de armonici. Teoria corzilor propune că particulele apar din modele vibraționale similare.

În 1974, fizicianul de la Caltech John Schwarz și fizicianul francez Joël Scherk au recunoscut că teoria corzilor ar putea include și gravitația. Această descoperire monumentală a creat una dintre primele legături semnificative între teoria corzilor și relativitatea generală.

„La fel ca toți fizicienii de particule din acea epocă, nu aveam niciun interes anterior pentru gravitație. Teoriile corzilor se comportă bine la energii foarte mari, spre deosebire de teoria generală a relativității a lui Einstein, care supraviețuiește ca o aproximare la energie scăzută. Prin urmare, chiar dacă multe lucruri nu erau încă înțelese, eram foarte entuziasmați că o anumită versiune a teoriei corzilor ar putea oferi o teorie cuantică unificată a totului”, adaugă Schwarz.

Astfel, conform teoriei corzilor, moduri vibraționale diferite generează particule diferite. Un foton, de exemplu, ar proveni dintr-o coardă deschisă care vibrează în modul său cel mai simplu, în timp ce se consideră că gravitonul provine dintr-o coardă închisă care vibrează.

De ce gravitația cuantică „se destramă”

Noul studiu s-a concentrat pe amplitudinile de împrăștiere — expresii matematice care descriu rezultatele coliziunilor de particule. Când oamenii de știință folosesc relativitatea generală pentru a calcula coliziuni la energii extrem de mari, aproape de scara Planck, matematica pur și simplu cedează și produce infinități.

„Dacă iei relativitatea generală și împrăștii la energii foarte mari la așa-numita scară Planck – care este cu aproximativ 19 ordine de mărime mai mare decât masa unui proton – obții un rezultat care nu are sens. Totul se prăbușește complet”, spune Cheung.

Aici intervine un mecanism elegant: teoria corzilor evită aceste infinități printr-o proprietate numită ultrasoftness (ultra-moliciune). La energii extrem de mari, corzile „împrăștie” efectiv interacțiunile, prevenind comportamentul violent care determină în mod normal eșecul ecuațiilor.

„Într-un cadru al teoriei corzilor, pe măsură ce creșteți transferul de energie între particule, veți observa o scădere rapidă a probabilității ca particulele să se împrăștie. Este ca și cum particulele nici măcar nu ar vrea să se împrăștie unele de altele, ci mai degrabă să treacă liber. Amplitudinile de împrăștiere nu tind spre infinit. Se comportă mai bine.”, continuă Cheung.

Pentru studiul lor, cercetătorii au folosit acest comportament ultrasoft ca una dintre ipotezele lor de pornire. Au inclus, de asemenea, o altă condiție strictă numită „zerouri minime”, care limitează numărul de puncte în care probabilitățile de împrăștiere dispar.

„În mod remarcabil, coerența impune ca amplitudinile de împrăștiere nu numai să interacționeze, ci și să nu interacționeze în puncte cinematice speciale numite «zerouri». Ipoteza «zerourilor minime» impune cel mai redus număr de astfel de puncte de dispariție permis matematic de ecuații”, detaliază Cheung.

Folosind doar aceste ipoteze de bază, echipa a demonstrat că matematica rezultată reproduce în mod natural caracteristicile definitorii ale teoriei corzilor, inclusiv faimosul său spectru de mase și spinuri ale particulelor.

„Detaliile precise ale teoriei corzilor au apărut automat, inclusiv turnul infinit de particule masive care se rotesc și formează «armonicele» corzii pentru care teoria este faimoasă”, punctează coautorul Grant N. Remmen (PhD ’17), bursier postdoctoral James Arthur la Universitatea din New York.

Reînvierea unei idei vechi cu instrumente moderne

Cheung compară excelent abordarea bootstrap cu rezolvarea unui puzzle sudoku. La început îți sunt furnizate doar câteva reguli simple, iar aceste reguli te ghidează, în cele din urmă, către o singură soluție corectă.

„Ironia profundă este că această idee de bootstrap pe care o urmărim acum cu instrumente și idei moderne este extrem de retro. Este o idee veche. Descoperirea inițială a spectrului Veneziano și lucrarea lui John Schwarz au adoptat o abordare similară. Ei nu au pornit de la modelele teoriei corzilor, ci soluțiile au rezultat din principii de bază.”, explică Cheung.

Studiul se bazează, de asemenea, pe lucrările anterioare ale fizicianului Steven Frautschi de la Caltech și ale fizicianului Geoffrey Chew de la UC Berkeley, care au fost pionieri absoluți ai abordării bootstrap în fizica particulelor în anii 1960. Munca lor a oferit unele dintre primele indicii privind spectrul infinit de particule, care a fost legat ulterior de teoria corzilor.

„Ideea bootstrap devenise depășită, dar acum oameni precum Cliff o reînvie și o modernizează. Acum avem o mai bună înțelegere a ipotezelor de bază pe care le putem formula, precum și tehnici mai solide pentru a transpune aceste ipoteze în proprietăți ale amplitudinilor de împrăștiere și ale altor mărimi observabile.”, concluzionează Hirosi Ooguri, profesorul Fred Kavli de fizică teoretică și matematică la Caltech și titularul catedrei de conducere Kent și Joyce Kresa din cadrul Diviziei de fizică, matematică și astronomie.

Astfel, chiar dacă construirea unui accelerator de particule de dimensiunea unei galaxii rămâne de domeniul SF-ului, matematica modernă confirmă un lucru fascinant: la cel mai profund nivel al său, Universul pare să funcționeze cu adevărat ca o simfonie a corzilor vibrante.”

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU