Teoria corzilor si unificarea celor patru forte in univers

Nevoia de a descoperi o teorie fundamentala care sta la baza tuturor fenomenelor naturale, a fost exprimata inca de la inceputul civilizatiei. De la reducerea materiei la “pamant, aer, foc, apa”, am progresat in mod considerabil. Chimia a redus toata materia la aproximativ o suta de tipuri de atomi, numite “elemente”. Insa, la randul lor, acestea constau in particule mici care interactioneaza intre ele. Acum intelegem destul de bine cum sa reducem intreaga materie la o colectie mare de particule elementare. Interactiunile dintre ele sunt atribuite schimbului de alte particule, numite “transportori de forta”. In continuare vom vorbi despre ce inseamna unificarea celor patru forte in univers.

Din punct de vedere experimental, se stie ca exista doar patru forte fundamentale in natura. Doua dintre acestea sunt foarte familiare: forta electromagnetica si forta gravitationala. Celelalte doua sunt invizibile, in afara cazului in care studiem adancul nucleului unui atom. Acestea se numesc “forte nucleare” si exista in doua varietati, “cea slaba” si “cea puternica”. Forta nucleara slaba este responsabila pentru dezintegrarea radioactiva, in timp ce forta nucleara puternica leaga protonii si neutronii impreuna pentru a forma nucleul.

Modelul standard – succese si neajunsuri

Cea mai fundamentala teorie din ziua de azi, care a fost confirmata in mod substantial prin experimente, este “modelul standard” a trei interactiuni: electromagnetica, nucleara slaba si nucleara puternica. In acest model, particule ca electronii, muonii, neutrinii si quarcii alcatuiesc materia. Ele interactioneaza prin intermediul fortelor discutate mai sus. Transportorii de forta sunt reprezentati de celelalte particule, cum ar fi fotonii si recent descoperitii gluoni si bosonii W si Z.

Modelul standard ne ofera o reteta pentru calcularea ratelor la care au loc interactiunile. Putem masura aceleasi rate intr-un accelerator sau alt laborator, si le putem compara cu teoria. Rezultatul acestei comparatii a fost foarte reusit si, in cele din urma, a condus la mai multe premii Nobel in domeniul fizicii. In anul 1979, premiul Nobel a fost acordat teoreticienilor Sheldon Glashow, Abdus Salam si Steven Weinberg, care au propus teoria interactiunilor electromagnetice si nucleare slabe. In anul 1984, acest premiu a fost acordat lui Carlos Rubbia si Simon van der Meer, pentru detectarea particulelor W si Z prezise de model. Premiile Nobel din anii 1976, 1988, 1990 si 1995 au fost acordate pentru alte experimente care au coroborat aspectele modelului standard, iar premiul din anul 1999 a fost acordat teoreticienilor Gerardus ‘t Hooft si Martinus Veltman, pentru elucidarea teoriei matematice care il sustine.

In ciuda tuturor acestor lucruri, astazi se crede ca modelul standard este aproximativ si incomplet. Acesta nu include gravitatia, care este cea de-a patra forta a naturii, poate chiar cea mai cunoscuta dintre cele patru. Se crede ca gravitatia este mediata prin schimbul de gravitoni si, din cauza unor probleme de coerenta matematica, nimeni nu a fost capabil sa incorporeze gravitatia in modelul standard. Deci, acesta este cu siguranta incomplet. O alta problema legata de acest model este ca existenta fortelor distincte si a transportorilor lor trebuie sa fie presupusa. Einstein a sperat ca va exista o teorie unificata, in care toate fortele cunoscute vor proveni dintr-una singura, intr-un fel. Electricitatea si magnetismul erau considerate a fi doua forte distincte, insa acum stim ca ele sunt aspecte diferite ale aceleiasi forte, cea electromagnetica. Ar putea acelasi tip de unificare sa fie valabila pentru toate cele patru forte pe care astazi le vedem ca fiind diferite?

Teorii unificate

O teorie unificata ar fi un cadru matematic, in care toate tipurile diferite de forte si particule apar in mod natural. Noi nu ar trebui sa fim nevoiti sa fixam masele si sarcinile particulelor din experiment, ci teoria ar trebui sa fixeze valorile corecte in mod automat. De ce electronul cantareste atat cat o face? De ce particulele interactioneaza cu o anumita forta si nu cu alta? In modelul standard, noi doar presupunem ca aceste valori sunt cele masurate in experimente, insa intr-o teorie unificata aceste valori ar trebui sa fie prezise. In mod evident, acest lucru este un obiectiv ambitios. Acest lucru sugereaza ca teoria ar trebui sa aiba un grad mai mare de eleganta si coerenta matematica. Pentru a descoperi teoria unificata, trebuie sa ne uitam prin acele modele fizice care seamana cu natura in mare masura si, in plus, indeplinesc criteriile de mai sus. Numai intr-o etapa ulterioara, dupa ce structura detaliata a teoriei este inteleasa, putem verifica daca aceasta descrie lumea noastra.

Einstein a fost printre primii oameni de stiinta care a propus ca o astfel de teorie unificata trebuie sa existe, si acesta s-a straduit sa gaseasca teoria potrivita. Astazi am putea fi pe punctul de a implini visul lui Einstein. Teoria corzilor este in prezent cel mai promitator exemplu al unei teorii unificate. Oamenii de stiinta nu sunt inca siguri daca teoria corzilor descrie natura in mod corect, insa aceasta descrie in general o lume similara cu a noastra, si este dotata cu o frumusete si o coerenta de un grad uimitor.

Teoria corzilor – o posibila teorie unificata

Ideea fizica a teoriei corzilor este extrem de simpla. In loc de mai multe tipuri de particule elementare, presupunem ca in natura exista un singur tip de obiect asemanator cu o coarda. Coarda nu este facuta din nimic, ci este fundamentala si alte lucruri sunt realizate din ea. La fel ca niste corzi muzicale, aceasta coarda fundamentala poate vibra, si fiecare mod de vibratie poate fi privit ca o particula elementara, la fel cum modurile unei corzi muzicale sunt percepute drept note distincte. Astfel, teoria corzilor este cu siguranta un model de particule elementare. Marea surpriza este ca ecuatiile matematice care descriu corzile sunt extrem de limitate de coerenta. Majoritatea ecuatiilor pe care oamenii de stiinta s-au gandit sa le scrie s-au dovedit a fi incompatibile, doar unele dintre ele fiind permise.

Cercetatorii care au studiat ecuatiile teoriei corzilor au descoperit curand o multime de surprize. In primul rand, printre particulele care apar ca vibratii ale corzii, au fost gasite cateva care sunt foarte similare cu electronii, muonii, neutrinii si quarcii (particulele de materie cunoscute). Mai sunt cateva care sunt similare cu fotonii, bosonii W si Z si gluonii (transportorii de forta cunoscuti). De asemenea, s-a gasit si o particula asemanatoare cu gravitatia, cel de-al patrulea transportor al fortei.

Acum, din moment ce structura teoriei este unica, putem elabora care sunt tipurile de interactiuni dintre aceste particule. In mod surprinzator, la energii scazute, interactiunile sunt de acelasi tip care figureaza in modelul standard si, ca bonus, deasemenea obtinem interactiunea gravitationala pe care a descoperit-o initial Einstein. Deci, in mare, teoria corzilor prezice tipurile potrivite de particule si tipurile potrivite de interactiuni intre acestea. Faimoasa inconsecventa matematica uimeste prin absenta sa in teoria corzilor. Este ca si cum gravitatia are nevoie de corzi pentru a exista.

In afara de surprizele de mai sus, exista si altele care au fost descoperite in ultimul deceniu. In teoria corzilor, faptul ca exista trei dimensiuni spatiale in lumea noastra ar putea fi deasemenea prezis, mai degraba decat presupus. Dimensiunea de “spatiu-timp” este variabila in teoria corzilor, in sensul ca trebuie sa intelegem si sa rezolvam ecuatii pentru a o determina. Acest lucru nu a fost realizat inca, datorita complexitatii teoriei. Daca raspunsul va fi patru (trei de spatiu si una de timp), atunci vom fi explicat unul din cele mai profunde mistere de la inceputul civilizatiei. Daca raspunsul este altul, atunci teoria corzilor ar putea fi teoria gresita a naturii, desi am putea totusi sa invatam ceva de la aceasta care sa ne ajute in gasirea teoriei corecte.