Teoria Corzilor si Teoria M

Albert Einstein a fost un stralucit fizician german, faimos datorita formularii teoriei relativitatii si a altor numeroase contributii stiintifice. Inaintea mortii sale Albert Einstein a incercat sa descopere si sa formuleze o Teorie a Totului, care sa uneasca cele patru forte majore existente. Prin ea Einstein considera ca ar fi putut explica intregul univers, aceasta este teoria campurilor unificate, Einstein nu este primul fizician care a incercat sa o abordeze. Datorita contributiei lui Einstein si a altor fizicieni, s-a ajuns la enuntarea unei teorii noi, Toria Corzilor. Pana la aparitia ei fizicienii”lucrau” intr-un univers cu 11 dimensiuni, folosind o teorie care combina gravitatia cu supersimetria – supergravitatia. Intru-cat supergravitatia nu a functionat, deoarece limita cuantica nu devenea o teorie a particulelor punctuale, ideea a fost abandonata, fiind reluata ulterior in cadrul teoriei 10 dimensionale. Teoria avea o problema : in ce fel puteau uni o teorie in care acordul cu mecanica cuantica necesita 10 dimensiuni, iar alta cu 11 dimensiuni? Asa a aparut teoria M, care ne arata teoriile actuale ale corzilor sunt de fapt una si aceeasi teorie, singura diferenta e unghiul pe care l-au ales ca sa priveasca realitatea.

Teoria Corzilor

Teoria Corzilor este un concept ipotetic din fizica. Termenul provine din denumirea engleza „String Theory”, care ar insemna Teoria Corzilor. Deoarece un element esential in constructia modelului fizic este supersimetria, de multe ori Teoria Corzilor este redenumita Teoria Supercorzilor, dar in esenta ambele denumiri semnifica acelasi lucru. In Teoria Corzilor particulele elementare sunt alcatuite din corzi aflate sub excitatie. Corzile trebuie sa fie intinse sub tensiune, pentru a deveni excitate, dar aceste corzi nu sunt prinse de un suport, ele plutesc in spatiu-timp. Daca teoria corzilor este o teorie a gravitatii cuantice, atunci marimea medie a unei coarde trebuie sa fie aproximativa cu lungimea Planck, care este egala cu aproximativ 10-33 cm. Corzile pot fi inchise (sunt ca o bucata de sfoara sub forma de cerc) sau deschise (ca o bucata de sfoara), cele deschise se pot inchide si ele devenind inchise. Aceste corzi interactioneaza unele cu altele in spatiu si timp rezultand particule elementare. Diferitele forme de interactiune dintre corzi dau proprietatile fizice ale particulei.

In fizica si chimie, spinul este un moment cinetic propriu a unei particule elementare. In mecanica cuantica, spinul este deosebit de important pentru sistemele de dimensiuni atomice, cum ar fi atomii, protonii, sau electronii. Astfel de particule au anumite caracteristici neclasice iar pentru ele, impulsul unghiular intrinsec nu poate fi asociat cu o rotatie ci se refera doar la prezenta impulsului unghiular. Conceptul de spin pentru particule elementare a fost propus initial de Ralph Kronig, George Uhlenbeck, and Samuel Goudsmit, in 1925.

Bosonii, sunt particule elementare care au spinul intreg si satisfac statistica Bose-Einstein. Au fost denumiti dupa numele fizicianului indian Satyendra Nath Bose. Fermionii sunt o clasa de particulele elementare ce au spinul semiintreg, si care au fost denumite dupa fizicianul italian Enrico Fermi, considerat parintele fizicii nucleare. Conform principiului incertitudinii al lui Pauli nu pot exista doi fermion in aceeasi stare cuantica. Cele mai cunoscute particule din clasa fermionilor sunt electronii. Pentru introducerea fermionilor in Teoria Corzilor trebuie sa existe o simetrie speciala numita supersimetria. Supersimetria inseamna ca oricarui boson si corespunde un fermion. Deci supersimetria face o legatura intre bosoni si fermioni. Din pacate aceasta supersimetrie (cuplu boson-fermion) nu a fost observata in experimente efectuate in acceleratoare de particule (acceleratoare de particule: acceleratoare liniare, ciclotron, betatron).

Bosonii sunt responsabili de interactiunea nucleara slaba, care, la randul ei este responsabila pentru radioactivitate si care actioneaza asupra tuturor particulelor de materie cu spin 1/2 (de exemplu: protonii sau neutronii), dar nu actioneaza asupra particulelor cu spin 0, 1 sau 2 (cum sunt fotonii sau gravitonii ). Interactiunea nucleara slaba nu a fost inteleasa bine pana in 1967 cand Abdus Salam de la Imperial Colege, Londra, si Steven Weinberg de la Harvard au propus teorii care unificau aceasta interactiune cu forta electromagnetica, la fel cum Maxwell a unificat electricitatea cu magnetismul, cu 100 de ani inaintea lor. Interactiunea la distanta dintre doua particule de substanta se face prin intermediul unei particule virtuale, pe care o particula de substanta o emite, iar cealalta o absoarbe (analog jocului de tenis, unde mingea transfera energie si impuls de la un jucator la altul). Particulele asociate unui camp se numesc particule de camp sau cuante de camp. Teoriile fizice folosite in studiul fenomenelor fizice explica interactiunile cunoscute prin patru tipuri de forte:

– fortele tari actioneaza intre nucleoni si intre quarcuri (leaga neutronii si protonii in nuclee si quarcurile in particule elementare), au raza de actiune < 10-15 m; particula de schimb virtual in cuplajul nucleonilor este mezonul p, iar intre quarcuri este gluonul. Gluonul este o particula elementara care intermediaza interactiile tari dintre quarkuri. Are masa de repaus nula, spinul 1 si este neutra din punct de vedere electric.

– fortele electromagnetice actioneaza intre toate particulele cu sarcini electrice, au raza de actiune infinita, scad invers proportional cu patratul distantei, asigura legatura intre atomi si intre nuclee si invelisurile electronice ale acestora; interactiunea intre doua particule este mijlocita de fotonul emis si absorbit de acestea.

– fortele slabe actioneaza intre leptoni (in fizica, numele lepton desemneaza o particula de spin 1/2 care nu se supune fortei nucleare tari. Leptonii formeaza o familie separata de particule elementare, care este distincta fata de familia quark-urilor) si sunt responsabile de dezintegrarile radioactive de tip b in care apar neutrini; au raza de actiune < 10-18 m; particulele de schimb virtual sunt bosonii W si Z0, detectati prin produsele dezintegrarii (1983).

– fortele gravitationale actioneaza intre toate particulele, au raza de actiune infinita, scad invers proportional cu patratul distantei; se presupune ca particula de schimb virtual este gravitonul. Gravitonul este o particula elementara ipotetica, particula care, conform presupunerilor unor fizicieni, trebuie sa intermedieze interactia gravitationala. Desi nu a fost detectata, prezenta acestei particule se face simtita prin diverse modificari ale energiei cinetice, vitezei, a energiei de repaus a corpurilor asupra carora interactioneaza direct sau indirect. Aceasta particula teoretic ar trebui sa interactioneze cu orice alta particula elementara neradianta cunoscuta, nu are masa stationara, iar spinul ei ar fi probabil egal cu 1 sau 2. O intelegere completa a proprietatilor acestei particule va fi furnizata probabil de cuantificarea Teoriei relativitatii generalizate a lui Albert Einstein.

Deoarece gravitonul este o particula de energie radianta si este generata perpetuu de corpurile cu propietati gravifice, rezulta ca are o masa materiala de inertie liniara (impuls) si se deplaseaza cu o viteza egala cu cea a luminii sau mult mai mare. Gravitonul este posibil sa sufere in decursul timpului o deplasare spre rosu, o scadere a energiei lui chiar pana la zero. Daca gravitonul ar avea o viata vesnica atunci teoretic Universul s-ar indrepta spre o moarte termica, totul trebuind sa devina materie ponderala cu o densitate care tinde la zero. Universul nostru este format din 4 dimensiuni: sus-jos, fata-spate, stanga-dreapta si timpul. Restul, pana la 11 nu le percepem, 6 fiind infasurate iar una le contine pe cele 10. Universul nostru se afla pe o membrana infinita in lungime, dar foarte ingusta. Ciocnirea dintre membrana ce contine universul nostru si cea a unui univers paralel a dus la Big Bang.

Einstein a sustinut ca cele trei dimensiuni ale spatiului si dimensiunea timpului sunt unite intr-o singura structura de spatiu-timp. Deformarea sau curbarea structurii spatiu-timp, in geometria cu patru dimensiuni, creeaza gravitatia. Pamantul se mentine pe orbita pentru ca urmeaza curburile din structura spatiului cauzate de prezenta Soarelui. Einstein a numit aceasta imagine noua a gravitatiei „relativitatea generala”. Catastrofa disparitiei Soarelui produce unde gravitationale care se deplaseaza pana la Pamant, cu viteza luminii, si atunci se schimba traiectoria. Teoria relativitatii generale (1916) a lui Einstein, ilustreaza macrouniversul ca o tesatura elastica pe care o pot deforma si intinde stelele si planetele. Aceste deformari si curburi creeaza ceea ce simtim a fi gravitatie. Atractia gravitationala ce tine Pamantul pe orbita in jurul Soarelui este consecinta faptului ca planeta noastra urmeaza curburile si contururile pe care Soarele le creeaza in structura spatiala.

Einstein s-a gandit chiar si la o structura neobisnuita a spatiului, numita gaura de vierme (un tunel ce poate lega regiuni indepartate ale spatiului).

Conform Teoriei Corzilor, particulele elementare sunt de fapt minuscule corzi vibrante de energie, inchise sau cu capete libere. Dimensiunea aproximativa este 10 la puterea 33 cm (de 10 la puterea 18 ori mai mica decat a unui proton), fiecare mod de vibratie reprezentand o particula elementara. Daca atomul ar fi marit la diametrul sistemului solar, o coarda ar avea marimea unui copac! Asa cum corzile unui violoncel pot vibra la frecvente diferite, generand toate sunetele muzicale, Corzile vibreaza, se rasucesc si se onduleaza in moduri diferite, generand toate particulele elementare. Luati in considerare cele patru dimensiuni ale experientelor obisnuite: stanga-dreapta, inainte-inapoi, sus-jos si timp. Corzile in miscare au nevoie de inca sase sau chiar sapte extra dimensiuni, atat de minuscul rasucite si ondulate in forme complexe, incat sunt complet invizibile. Dimensiunile se asociaza cu directiile independente in care te poti misca, uneori numite „grade de libertate”. Extra dimensiunile sunt infasurate pe lungimea unei coarde. Numarul mare de dimensiuni sau grade de libertate creste complexitatea corzilor.

Fizicianul suedez Oskar Klein sugereaza sa ne uitam la cablurile ce tin semaforul. De la distanta nu poti vedea grosimea, deci au o singura dimensiune. Sa presupunem explorarea de aproape a fiecarui cablu, din punctul de vedere al unei furnici. Acum devine vizibila o a doua dimensiune, care infasoara cablul. Din punctul ei de vedere, furnica se poate misca inainte si inapoi si de asemenea in sensul acelor ceasului sau opus lor. Klein a facut presupunerea ca tesatura universului nostru ar fi ca suprafata unui cablu, care are atat dimensiuni extinse, cele trei pe care le cunoastem, cat si dimensiuni mici, ondulate, atat de mici in comparatie cu atomul, incat nu le putem vedea. Klein a sugerat ca, daca ne-am putea micsora de miliarde de ori, am gasi dimensiunile minuscule, ondulate in fiecare punct al spatiului, la fel cum o furnica ar putea explora dimensiunile ce inconjoara un cablu. Savantii au descoperit ca exista 20 de constante fundamentale care descriu caracteristicile cunoscute ale universului. Ce anume din natura regleaza atat de precis valorile acestor 20 de constante? Raspunsul ar putea fi extra dimensiunile din teoria corzilor. Pentru ca aceste configuratii minuscule, ondulate, cu sase dimensiuni din teorie, fac o coarda sa vibreze intr-un mod foarte precis care produce un foton, iar o alta coarda sa vibreze intr-un alt mod care produce un electron. Conform teoriei corzilor, gravitonii responsabili cu gravitatia, sunt ochiuri inchise, fara terminatii cu care sa se fixeze si pot trece in alte dimensiuni, slabind forta gravitatiei in raport cu celelalte forte. In anul 1984, Michael Green si John Schwarz erau convinsi ca teoria corzilor era corecta, ca corzile pot descrie gravitatia si celelalte forte, deci pot unifica forte diferite. Fizicienii teoreticieni ca Ed Witten considera in 1995 ca extra dimensiunile adaugate permit unei coarde sa se intinda, formand ceva ca o membrana, sau un „brain” (creier). O p-brana este un obiect spatio-temporal care este o solutie a ecuatiilor lui Einstein la energii joase in Teoria Corzilor. Densitatea sa energetica este cea a unui camp negravitational inchis intr-un subspatiu p-dimensional al spatiului cu 9 dimensiuni al teoriei (super)corzilor. (Care „traiesc” intr-un spatiu cu 9 dimensiuni spatiale si una temporala.).

Teoria M

Teoria M este o teorie supersimetrica si este consistenta intr-un spatiu cu unsprezece dimensiuni. Limita de energii joase a Teoriei M este Supergravitatia unsprezece dimensionala. Teoria M este ultima versiune a teoriei corzilor. Conform celei vechi, sase din cele zece dimensiuni sunt „infasurate”, noi putand observa doar universul 4-dimensional cu care suntem obisnuiti. Aceste extradimensiuni sunt „stranse” intr-o regiune a spatiului (spatiu Calabi-Yau) prea mica pentru a putea fi vizibila. Teoria M vine cu ceva in plus: unele din aceste dimensiuni ar putea fi foarte mari, chiar infinite. Super-gravitatia a avut insa ocazia sa-si ia revansa cand fizicienii incercau sa salveze Teoria Corzilor: ei au adaugat a 11a dimensiune la cele 10, iar rezultatul a fost unul surprinzator. Cele cinci versiuni ale teoriei aflate in competitie unele cu celelalte s-au dovedit a fi variante ale aceleiasi teorii fundamentale care incepea din nou sa aiba sens. Odata cu adaugarea celei a 11a dimensiuni, teoria s-a transformat astfel: corzile, despre care se presupunea ca stau la baza materiei din Univers, s-au extins si s-au combinat. Concluzia extraordinara era aceea ca toata materia din Univers era conectata la o singura structura imensa: membrana. Aceasta noua teorie a primit numele Teoria M de la membrana si a impulsionat din nou cautarea explicatiei pentru toate lucrurile din Univers. Ce se stie insa despre a 11a dimensiune? S-a descoperit repede ca se lungeste la infinit, dar este foarte mica in latime, mai precis ea masoara un milimetru impartit la 10 cu 20 de zerouri, dupa cum spune Burt Ovrut. In acest spatiu misterios pluteste universul nostru membrana, iar in curand a aparut o noua idee, aceea ca la capatul opus al dimensiunii 11 se afla un alt univers-membrana care pulseaza.

Maldacena este autorul unui spectaculos si perfect riguros din punct de vedere matematic model al unui univers cu cinci dimensiuni, a carui frontiera 4-dimensionala este Universul nostru. Si merge inca si mai departe: Universul este de fapt holografic. Asa cum o holograma „obisnuita” reprezinta proiectia unui obiect tridimensional pe o suprafata, doar ca aceasta proiectie pastreaza integral informatia imaginii originale, intreaga ei bogatie, Maldacena considera ca teoria noastra 4-dimensionala a campului este proiectia in patru dimensiuni a teoriei sale 5-dimensionale a corzilor. Tot ce vedem noi, toata realitatea Universului nostru contine intreaga informatie a unei lumi… cu o dimensiune in plus. O lume in care gravitatia „apare” in mod „natural”. De ce este nevoie de ea? Sau poate ar fi mai bine sa ne intrebam cine suntem noi de fapt. Suprafata carei lumi? Si ce se gaseste dedesubtul nostru? Sunt corzile ultima realitate? Sau aceste membrane cu diferite dimensiuni care plutesc, vibreaza, se onduleaza si genereaza astfel tot ce exista si actioneaza in lumea aceasta a noastra pe care ne luptam sa o intelegem inca de cand un creier uman a devenit pentru prima data activ?

Steven Giddings, fizician teoretician la Universitatea Californiei din Santa Barbara, ne reaminteste ca totul se intampla ca atunci cand urcam pe un munte, ajungem pe varf si de abia atunci vedem ca muntele acela nu este decat baza unui alt munte care se ridica, uneori ametitor dincolo de el. Amanand pentru inca o zi, un an, o viata, explicatia ultima. Si amintindu-ne ca mai ramane o intrebare pe care, totusi, nu o putem ocoli.