Teoria M (M-theory) – “Sfântul Graal” al fizicii cuantice

Teoria M (M-theory) a fost propusă, în 1994, de către fizicianul şi matematicianul american Edward Witten, considerat a fi unul dintre oamenii de ştiinţă eminenţi ai epocii actuale. Teoria M, deşi în curs de elaborare încă, relansează, prin fundamentul său matematic relativ simplu şi coerent, preocuparea fizicienilor de a reuni şi de a compatibiliza teoria relativităţii generale, elaborată de Albert Einstein, şi principiile mecanicii cuantice, în tentativa de a înţelege cum funcţionează legile Universului şi spre ce se îndreaptă acesta, implicit lumea noastră. Natura pare să respecte riguros regulile după care a fost creată, iar oamenii de ştiinţă sunt încă în căutarea unor explicaţii viabile.

Michio Kaku, specialist american în fizica teoretică şi futurolog, consideră că Teoria M ar putea fi adevărata “Teorie a Totului”. Chiar si excepţionalul fizician şi cosmolog britanic, Stepen Hawking, care s-a stins în urmă cu un an şi care, la rândul său, a fost preocupat de această idee, accepta că: “Teoria M s-ar putea să fie singurul candidat valabil pentru ceea ce ar însemna Teoria completă a Universului”.

“Teoria Totului” (Theory of everything), o teorie unică, demonstrabilă, în care fenomenele, mecanismele lumii şi ale Universului să fie atât de bine şi de coerent argumentate încât prezenţa lui Dumnezeu, a Marelui Arhitect, ar deveni inutilă, este “Sfântul Graal” al fizicii moderne.

Precum “Sfântul Graal”, potirul mitic, înzestrat cu puteri miraculoase, făcut dintr-o singură piatră preţioasă, în care s-ar afla sângele lui Iisus Hristos, i-a fascinat pe cavalerii plecaţi în căutarea lui, secole de-a rândul, aşa pare a fi “Teoria Totului” pentru lumea ştiinţifică de astăzi.

De altfel, Edward Witten şi colaboratorii săi, de la Institute for Advanced Study, din Princeton, SUA, în momentul în care au lansat Teoria M, nu au precizat ce semnifică majuscula M, din denumirea aleasă, dar s-au făcut o serie de speculaţii în acest sens – poate veni de la “mister”, “matrice”, “membrană”, “magic”?

Contextul în care a apărut Teoria M

Până în 1994, nenumăraţi fizicieni au încercat să unifice, într-o singură teorie coerentă, noţiunile de spaţiu-timp, materie, energie şi cele patru interacţiuni elementare, responsabile pentru toate fenomenele fizice din Univers: interacţiunea nucleară forte, interacţiunea electromagnetică, interacţiunea nucleară slabă şi interacţiunea gravitaţională.

La începutul secolului al XX-lea, a fost descoperit atomul, considerat multă vreme ca fiind cel mai mic element de materie, descoperindu-se ulterior că acesta, la rândul său, este alcătuit din protoni, neutroni şi electroni. După anii 1960, au fost puse în evidenţă şi alte particule elementare: hadronul, gluonul, quarcul etc..

Un pas uriaş în această zonă a fost făcut odată cu descoperirea bosonului Higgs (Particula lui Dumnezeu), în 2012, de către cercetătorii de la CERN (Organizatia Europeană pentru Cercetare Nucleară). Existenţa acestei particule fundamentale fusese postulată încă din 1964, când fizicianul Peter Higgs formulase “Teoria particulelor elementare” sau “Modelul standard”.

Bosonul Higgs, cu o durată de viaţă foarte scurtă, este cel care dă masă obiectelor. Prin urmare, dacă bosonul Higgs nu ar exista, nici materia nu ar exista şi nici Universul, aşa cum îl cunoaştem în prezent. Nu se ştie însă exact de unde vine şi unde se duce, motiv pentru care a fost pus în relaţie cu posibilitatea existenţei universurilor paralele sau a unei realităţi adiacente lumii noastre.

Marea realizare a anilor 1980, în domeniul fizicii teoretice, a fost enunţarea “Teoriei coardelor” (Teoria stringurilor), potrivit căreia toate particulele şi toate formele de energie din Univers se construiesc pornind de la nişte elemente ipotetice unidimensionale, numite “coarde”. Mai mult, potrivit Teoriei coardelor, Universul ar avea un număr mult mai mare de dimensiuni (până la 10), decât cele cunoscute, adică patru – trei pentru spaţiu şi una pentru timp.

Coardele vibrează în diferite dimensiuni, spun adepţii acestei teorii, şi, după felul în care vibrează, pot fi simţite în spaţiul nostru format din trei dimensiuni ca particule de materie, de lumină sau gravitaţie. Prin urmare, orice formă de materie sau de energie rezultă din vibraţia coardelor.

Problema care s-a ivit odată cu această teorie a coardelor, a fost că fizicienii, pornind de la premise diferite, au dezvoltat cinci teorii şi nu una. În acest context, fizicianul Edward Witten a propus Teoria M, potrivit căreia cele cinci teorii ale coardelor ar fi, în realitate, cazuri particulare ale unei teorii mai generale, care presupune 11 coarde – M-Theory.

M-Theory, Multiversul, Teoria Totului şi singularitatea cosmică

Cu fiecare pas făcut în cercetarea ştiinţifică, în fizica cuantică mai ales, specialiştii s-au apropiat tot mai mult de “Teoria Totului”, care să explice existenţa întregului Univers, drum deschis de Albert Einstein, prin teoria relativităţii generale, care descrie comportamentul materiei la scara cosmică.

Marea dificultate în acest demers a fost şi este încă armonizarea noilor teorii cu Big Bang-ul, numit şi “Singularitate cosmică”, adică situaţia în care toate ecuaţiile pe care se fundamentează diversele teorii îşi pierd coerenţa.

Michio Kaku, fizicianul american care a întâmpinat cu entuziasm Teoria M, mărturisea că: “Problema fundamentală a cosmologiei este că toate legile fizicii sunt anulate de momentul Big Bang. Ne dedicăm viaţa demonstrând legile Universului şi transpunându-le în ecuaţii matematice, dar pentru momentul Începutului, pentru miezul Universului, mai există o piesă pe care nu o cunoaştem şi care transcende legile fizice”.

Susţinătorii Teoriei Multiversului sau a universurilor posibile, în sensul fizicii, nu din perspectivă filosofică, susţin, ipotetic deocamdată, că există “evenimente contrafactuale”, adică situaţii care s-ar fi putut produce, dar nu s-au produs, si care influenţează rezultatele experienţei. Fenomentul contrafactualităţii este atât de spectaculos, încât a fost declarat de către revista “New Scientist” drept “una dintre cele şapte minuni ale lumii cuantice”.

În anii 1950, fizicianul Hugh Everett este primul care a avansat ideea că lumea noastră coexistă cu alte universuri, care se divizează în continuu în alte universuri inaccesibile unul altuia, astfel încât, spune Everett, fiecare dintre aceste lumi conţine o versiune a fiecărei persoane, care parcurge situaţii diferite în acelaşi moment.

În 2002, un alt fizician, David Deutsch, în cartea sa “The Structure of the Multiverse”, pare a fi găsit explicaţia pentru o problemă îndelung disputată – lumina este undă sau fascicul de particule? Deutsch susţine că imaginea în formă de undă, generată de fotoni, se datorează unui efect de interferenţă în multivers. Când un foton traversează o fantă, acesta intră în coliziune cu un alt foton, invizibil, din alt univers şi îşi schimbă traiectoria. Aşadar, fiecărui foton vizibil din lumea noastră îi corespunde un foton invizibil dintr-o altă lume.

Astrofizicianul englez Stephen Hawking a adus şi el contribuţii esentiale asupra unui principiu fundamental al teoriei relativităţii – Big Bang-ul şi singularitatea timp-spaţiu, preocuparea sa, de-a lungul întregii activităţi ştiinţifice, fiind aceea de a ajunge la o înţelegere completă a Universului: “De ce există şi de ce este aşa cum este?”.

Pornind de la Teoria relativităţii, a lui Albert Einstein, potrivit căreia o gaură neagră este o singularitate gravitaţională, astrofizicianul formulează “Paradoxul Hawking”, care spune că o gaură neagră se poate “evapora” prin emisie de radiaţii, lăsând în urma sa o “urmă” electromagnetică, fără nicio informaţie despre materia absorbită, ceea ce nu este compatibil cu legile fizicii cuantice, potrivit cărora nicio informaţie nu dispare. Ulterior, Hawking a reformulat acest “paradox”, afirmând că, probabil, informaţia rămâne într-un “orizont al evenimentului”, într-o formă inutilă şi haotică.

În privinţa Teoriei stringurilor, Stephen Hawking formulează una dintre cele mai îndrăzneţe posibilităţi, aceea că fundamentele Universului ar fi nişte corzi de materie care vibrează într-un spaţiu-timp cu zece dimensiuni, teorie aplicabilă şi la scară astronomică şi la scară atomică, idee fundamentală pentru Teoria Totului.

M-Theory – cea mai plauzibilă variantă pentru o Teorie completă a Universului

Teoria M, a fizicianului şi matematicianului american Edward Witten, pare a se apropia cel mai mult de atât de căutata Teorie a Totului. Witten a adăugat la cele 10 dimensiuni din Teoria stringurilor (Teoria coardelor) încă una, a 11-a dimensiune, iar rezultatul a fost surprinzător. În felul acesta, cele cinci teorii ale coardelor s-au dovedit a fi, aşa cum precizase autorul teoriei M, cazuri particulare ale aceleiaşi teorii.

Adăugându-se a 11-a dimensiune, care se “lungeşte” la infinit, având o lăţime de 1 milimetru impărţit la 1 urmat de 20 de zerouri, coardele s-au extins şi s-au combinat într-un mod coerent, conducând spre concluzia că toată materia din Univers este conectată la o uriaşă structură, numită Membrană (care a dat şi numele acestei teorii) şi care ar putea fi explicaţia pentru tot ceea ce există în Univers.

Deja o nouă idee este avansată de specialişti, aceea că, dincolo de universul nostru membrană, la capătul celei de-a 11-a dimensiuni, pulsează un alt univers-membrană.

S-au găsit, în felul acesta, răspunsuri şi pentru ce înseamnă Big Bang, dintr-o astfel de perspectivă. Mai exact, în dimensiunea a 11-a, universurile-membrană se mişca în continuu, ca nişte valuri, unele se îndepărtează, altele se ciocnesc (nu în mod uniform, ci în momente si puncte diferite), situaţie în care are loc Big Bang-ul.

Universurile paralele au forme diferite, sunt fie precum colile de hârtie, fie precum o gogoaşă cu gaură la mijloc, au dimensiuni şi caracteristici specifice. Dacă într-un anume univers, protonul, particulă elementară stabilă, cu sarcina electrică pozitivă, care constituie nucleul atomului de hidrogen, este instabil, atomii se dizolvă, ADN-ul nu se poate forma, deci nu există viaţă inteligentă. Dar dacă, într-o fracţiune de secundă, în anume universuri se dezvoltă viaţa, pot exista nenumărate universuri paralele în care să trăiască civilizaţii.

La momentul actual, marea provocare pentru fizicieni este să creeze universuri paralele în laborator, pentru a vedea în ce măsură modelul teoretic la care au ajuns este viabil.

Nimeni nu poate şti, nici chiar cercetătorii din domeniu, în pofida progresului excepţional pe calea cunoaşterii, dacă “Teoria M” va fi “Teoria Totului”, care să ofere explicaţii şi argumente pentru tot ce există. Poate că timpul, aşa cum ne-am obişnuit să-l gândim, în succesiunea trecut-prezent-viitor, nu există. Poate plutim într-o “membrană” şi nimeni nu va putea anticipa când universul nostru membrană va întâlni un altul şi un alt Big Bang se va produce. Sau, poate, mai există ceva, mai subtil, care scapă legilor fizicii, demonstrabile sau ipotetice. Cine ar putea spune cu certitudine dacă “Teoria M”, cea mai recentă şi cea mai spectaculoasă, va rămâne doar “Sfântul Graal” al fizicii, o etapă în perpetua căutare a omului a ceva care să-i aducă certitudini despre lumea aceasta şi a Marelui Univers sau va însemna mai mult de atât.