Pentru a intelege pe deplin de unde a aparut universul, de ce Big Bang-ul a avut loc acum 13,7 miliarde de ani si ce a existat inainte de acesta, daca a existat ceva, trebuie sa intelegem mai bine singularitatile, cum ar fi cele din gaurile negre, si singularitatea care a marcat nasterea universului in sine. Pentru a realiza acest lucru, majoritatea oamenilor de stiinta sunt de acord ca este necesara o “teorie cuantica a gravitatiei”, cunoscuta si sub numele de “gravitatia cuantica” sau “unificare” sau “teoria a tot ceea ce exista”, teorie care combina relativitatea generala si teoria cuantica. Acestea pot parea a fi niste concepte fundamental incompatibile si nici Einstein, care si-a dedicat cea mai mare parte a vietii teoriei unificarii, nu a reusit sa gaseasca o astfel de sinteza. Totusi eforturile in acest sens continua si astazi.
In anii 1970, cea mai buna candidata pentru o teorie unificata era probabil “supergravitatia”, o teorie care combina principiile supersimetriei si relativitatii generale. Insa, desi abordarea parea a fi promitatoare, curand a devenit evident ca toate calculele implicate erau atat de lungi si de dificile, incat nu ar fi putut fi niciodata dovedite. Cu toate acestea, in anul 1984, a existat o schimbare de opinie in lumea fizicii teoretice in favoarea teoriei superstringurilor, o schimbare de paradigma care este mentionata uneori ca “Prima Revolutie a Superstringurilor”.
Teoria superstringurilor
Teoria superstringurilor fusese postulata pentru prima oara la sfarsitul anilor 1960, ca rezultat al muncii lui Gabriele Veneziano, Leonard Susskind si a altor oameni de stiinta. Aceasta teorie priveste blocurile de constructie a materiei nu ca pe niste particule, ci ca pe niste minuscule “corzi” vibrationale unidimensionale de energie, care au lungime insa nu au nicio alta dimensiune. O coarda poate fi deschisa sau inchisa, iar istoria unei corzi de-a lungul timpului este reprezentata printr-o fasie bidimensionala (in cazul corzilor deschise) sau un tub (pentru corzile inchise). S-ar putea parea ca exista o neconcordanta intre ideea unui univers compus din corzi si particulele pe care le observam in experimente. Insa, asta se datoreaza faptului ca aceste corzi sunt atat de mici incat nu le putem determina forma, astfel incat ele apar ca niste elemente lipsite de caracteristici – ca diferenta dintre un fir de praf vazut cu microscopul si cu ochiul liber. Pentru a va face o imagine cu privire la dimensiunile implicate, o coarda in comparatie cu un electron este la fel de mica precum este un soarece in comparatie cu intregul sistem solar.
Adevarata frumusete a teoriei corzilor este faptul ca aceasta priveste totul in univers, toata materia si toate fortele, ca fiind formate dintr-un singur ingredient. Corzile sunt compuse din masa-energie extrem de concentrata care vibreaza ca niste corzi de vioara, fiecare vibratie distincta corespunzand unei particule fundamentale (un electron, un foton , etc.). Emisia sau absorbtia unei particule de catre alta este reprezentata de divizarea sau unirea corzilor, iar fortele care actioneaza asupra particulelor corespund cu alte corzi care leaga corzile de particule intr-o retea complexa. Prin urmare, conform teoriei corzilor, universul este un fel de simfonie, iar legile fizicii sunt armoniile sale. Insa, vibratiile corzilor apar intr-o lume cu zece dimensiuni, fiecare punct unidimensional din spatiul nostru obisnuit constand de fapt intr-o structura geometrica complexa in sase dimensiuni. Calitatea vibrationala a acestor mici fire de energie este ceea ce inlocuieste particulele si campurile in descrierea cuantica a universului. Puterea vibratiilor este ceea ce vedem in lume ca fiind masa, iar modelele de vibratii sunt fortele fundamentale.
Dimensiuni suplimentare in spatiu-timp
Speculatiile privind integrarea dimensiunilor suplimentare in spatiu-timp pornesc de la ideile fizicianului polonez Theodor Kaluza din anul 1919 si de la cele ale fizicianului suedez Oscar Klein din anul 1926. Acestia s-au intrebat de ce nu ar fi posibil ca electromagnetismul sa fie unificat cu gravitatia intr-un univers teoretic de cinci dimensiuni, sau poate forta electromagnetica se poate lega de o curbura din a cincea dimensiune (la fel cum gravitatia se datoreaza unei curburi in spatiul-timp cvadridimensional).
De fapt, teoria stringurilor a inceput ca o teorie in 26 de dimensiuni, fiind apoi redusa la teoria de zece dimensiuni, cunoscuta sub numele de “teoria superstringurilor” (prescurtare pentru “teoria stringurilor supersimetrice”). Relativitatea generala, care interpreteaza gravitatia ca fiind o curbura in spatiul-timp cvadridimensional, se bazeaza pe preceptele de baza ale teoriei stringurilor intr-un mod care ar putea fi in concordanta cu mecanica cuantica – se spera ca mult cautata sinteza intre gravitatie si teoria cuantica va aparea in mod natural. De fapt, ar putea fi posibil ca toate fortele fundamentale din natura sa fie adunate intr-o “teorie a tot ceea ce exista”, cunoscuta drept gravitatia cuantica.
Teoria superstringurilor ar putea, de asemenea, sa explice o alta problema care i-a bulversat pe fizicieni timp de ani de zile, si anume: de ce gravitatia este atat de slaba in comparatie cu celelalte forte fundamentale? Daca aceste corzi, care sunt prea mici pentru a putea fi vazute sau masurate, incorporeaza alte dimensiuni, atunci s-ar putea ca efectele gravitatiei sa poata fi simtite in intregime numai la nivelul dimensiunilor mai inalte pe care noi nu le putem percepe. Cu toate acestea, simplul fapt ca aceste corzi sunt prea mici pentru a putea fi vazute i-a facut pe unii oameni sa se intrebe daca teoria stringurilor este stiinta sau daca se incadreaza in domeniul filosofiei.
Totusi, validarea teoriei superstringurilor consta doar in matematica si ramane abstracta si teoretica, in special datorita faptului ca noi nu putem observa niste obiecte atat de mici si nici nu putem vizualiza in mod clar aspectele multidimensionale. Mai mult decat atat, au fost dezvoltate cel putin cinci teorii diferite si concurente ale superstringurilor, niciuna din acestea nefiind concludenta, cu toata eleganta pe care o poseda. Totusi, in urma contributiei lui Ed Whitten din 1995, exista cateva dovezi conform carora includerea unei dimensiuni suplimentare ar putea impaca aceste teorii concurente, demonstrand ca este vorba doar de cinci moduri diferite de a privi acelasi lucru.
Teoria-M
Teoria superstringurilor ar putea fi in concordanta cu teoria supergravitatiei. Odata cu adaugarea celei de-a 11-a dimensiuni, caramida fundamentala a universului nu mai este o coarda, ci o “membrana”, ceea ce duce la denumirea teoriei: “teoria membranei” sau “teoria-M”. Totusi, curand a deveni clar faptul ca aceasta noua dimensiune era si mai bizara decat celelalte dimensiuni spatiale ale teoriei superstringurilor.
Teoria-M si incorporarea celei de-a 11-a dimensiuni se afla de asemenea in concordanta cu existenta unui multivers, o solutie convenabila la multe din problemele din fizica teoretica insa, in cele din urma, imposibil de dovedit. De exemplu, daca membranele se misca si se onduleaza, asa cum se presupune ca fac, atunci evenimentele ca singularitatile (si Big Bang-ul in sine) pot fi vizualizate ca fiind rezultatul coliziunilor intamplatoare intre membrane, unde Big Bang-ul universului nostru a fost doar una dintre intalnirile constante intre membranele din universuri paralele.
Aceasta viziune a celei de-a 11-a dimensiuni sugereaza un loc mult mai activ si mai violent decat vizualizarile timpurii ale membranelor care plutesc cu seninatate in spatiu. Asta sugereaza ca timpul poate fi urmat prin singularitatea initiala a Big Bang-ului universului pe care il stim pana la universul paralel care i-a dat nastere – o solutie posibila la o problema pe care fizicienii o dezbat inca de cand teoria Big Bang-ului a fost introdusa. Toate acestea evoca ideea destul de tulburatoare a unui numar infinit de universuri, fiecare cu legi fizice diferite, unde universul nostru este doar un membru nesemnificativ (parte a unui multivers infinit unde Big Bang-urile au loc tot timpul).
Insa, existenta unor universuri paralele pare sa ofere solutii plauzibile pentru cele mai multe probleme ale teoriei. De exemplu, unii fizicieni cred ca teoria-M ar putea explica slabiciunea aparenta a gravitatiei in universul nostru – daca acele corzi pe care noi le experimentam ca fiind gravitatia (cunoscute sub numele de gravitoni) nu sunt corzi deschise legate de universul nostru tridimensional, ci sunt bucle inchise care astfel sunt libere sa evadeze in alte dimensiuni pe care noi nu le putem experimenta. Sau, in mod alternativ, daca noi experimentam doar mici scurgeri ale intregii forte de la alte universuri apropiate.
Totusi, teoria superstringurilor nu este singura candidata la “teoria a tot ceea ce exista”. De fapt, unii fizicieni cred ca aceasta a fost un dezastru pentru stiinta, intrucat multe genii au pornit astfel in cautarea unor cai verzi pe pereti. Alte abordari includ: “gravitatia cuantica cu bucle” (unde spatiul este reprezentat de o structura de retea numita “retea de rotire”, iar particulele sunt tesute si impletite din lungimi de spatiu Planck, evoluand in timp in etape discrete), “triangulatie dinamica de cauzalitate” (o abordare independenta care incearca sa arate modul in care tesatura spatiu-timp evolueaza), “seturi de cauzalitate” (o abordare care presupune ca spatiul-timp este in esenta discret si ca evenimentele din spatiu-timp sunt legate de un scop partial), si o teorie mai recenta numita “o teorie exceptional de simpla a tot ceea ce exista”.
