StringsFizica particulelor reprezintă pentru fizică ceea ce vânarea animalelor mari era pentru biologia de teren. În timp ce teoreticienii îşi etalează modelele matematice, fizicienii particulelor sunt pe teren, purtând căşti de protecţie şi folosind acceleratoare enorme.

 

 

 

 

În  ″The Trouble With Physics″ (Problema cu fizica), Lee Smolin ne poartă într-o călătorie prin istoria şi ştiinţa fizicii şi identifică o separare sociologică ca reprezentând miezul problemei: teoria corzilor (numită şi teoria stringurilor) este un domeniu teoretic analizat de oameni de ştiinţă care au o viziune asupra lumii care ar avea ca fundament particula.

Înainte să vă explic semnificaţia concluziei lui Smolin, este important să înţelegem ce este teoria corzilor, ce problemele încearcă aceasta să rezolve şi care sunt motivele din cauza cărora, în opinia lui Smolin, aceasta a eşuat.

Copii cu  probleme

Smolin identifică cinci mari provocări cu care se confruntă fizica:


1) Combinarea teoriei generale a relativităţii şi a teoriei cuantice într-o teorie teorie unificată şi completă (teorii incompatibile în forma lor actuală)
2) Soluţionarea problemei dependenţei de observator în cadrul teoriei cuantice
3) Să  determinăm dacă particulele şi forţele pot fi unificate în cadrul teoriei cuantice
4) Să explicăm modul în care constantele modelului standard al fizicii particulelor sunt "alese" de către natură
5) Să explicăm  conceptele de: materie întunecată şi energie întunecată


De-a lungul ultimelor decenii, teoria corzilor a apărut ca o mare speranţă pentru rezolvarea acestor cinci provocări. Pentru cei care nu sunt familiarizaţi, teoria corzilor este o teorie matematică a fizicii particulelor, care descrie toate particulele subatomice din univers (protoni, neutroni, electroni, quarcuri, fotoni, etc) ca fiind mici corzi care vibrează. Asemeni corzilor unei vioare care au frecvenţe de rezonanţă specifice pe care urechea umană le percepe ca note muzicale diferite, particulele produse de către o coardă depind de modul în care aceasta vibrează. Odată ce teoreticienii  au înţeles acest lucru esenţial, restul conta mai puţin pentru a obţine dinamica vibraţiilor care produc particulele pe care noi le-am observat în natură. Nu vă faceţi griji. Ar trebui să putem finaliza acest lucru înainte de masa de prânz.


Au trecut 25 de ani şi au propuse 11 dimensiuni ale Universului, dar nu fost multe succese. Smolin apreciază cu notă maximă teoria corzilor modul de abordare a celei de-a treia probleme, o notă de trecere pentru modul în care se adresează primei probleme şi o notă mică pentru modul de "atacare" a celorlalte trei probleme.

Dar cum este posibil să fie aşa? Răspunsul, dragi "compuşi" de corzi vibrante multi-dimensionale, se află în egală măsură în sinea noastră, precum în stele. Problema nu este doar faptul că matematica teoriei corzilor este complexă, deşi cu siguranţă este. Nu doar faptul că zonele realităţii pe care teoria stringurilor le explică sunt în afara posibilităţilor de testare, deşi aşa stau lucrurile. În plus faţă de aceşti factori, Smolin ne spune, este faptul că însăşi sociologia ştiinţelor fizice a atras fizicieni, asemeni moliilor care sunt atraşi de o flacără, într-o capcană făcută chiar de ei.

Tentaţia unificării

Ceea ce fizica urmăreşte, în esenţă, este să unifice. În pieptul fiecărui fizician bate o inimă care nu îşi doreşte nimic mai mult decât să descopere că două lucruri complicate sunt de fapt un lucru simplu. În secolul precedent, unificarea electricităţii cu magnetismul în electromagnetism, a electricităţii şi a energiei nucleare slabe într-o energie electroslabă şi a spaţiului şi timpului în spaţiu-timp a însemnat apariţia unor teorii complet noi şi a unui şir de premii Nobel care a urmat acestora. Dar chiar mai mult decât atât, aceste unificări ne-au oferit o imagine a Universului care este mai simplă şi mai elegantă decât cea anterioară.

Luaţi în considerare celebra ecuaţie a lui Einstein: E = mc2. Matematica din spatele acestei ecuaţii este atât de simplă, încât orice elev de liceu ar trebui să fie capabil să o înţeleagă. Cu toate acestea, se unifică două concepte care anterior păreau complet independente: materia este energie. Aceasta este eleganţă. Cu un secol înainte de Einstein, nu doar credeam că materia şi energia sunt independente, dar se credea că de fapt căldura este o substanţă fizică. Acest punct de vedere ciudat asupra Universului a fost înlocuit cu o unificare atât de elegantă, încât  ne aşteptăm ca oamenii să fie capabili să-l înţeleagă înainte ca aceştia să fie destul de mari ca să  conducă un autovehicul. Acesta este Sfântul Graal al fizicii. Şi după cum ştim cu toţii, atunci când vine vorba de Graal, este important de a alege... cu înţelepciune.

Interpretarea lui Smolin este că teoreticienii stringurilor au căzut într-o capcană şi că acea capcana este urmarea faptului că aceştia au atacat matematica în acelaşi fel în care experimentatorii au abordat datele. Problema majoră este faptul că  matematica nu reprezintă doar un set de date. Sociologia agresivă a fizicii experimentale care ″nu ia prizonieri″ are o constrângere naturală: rezultatele. Ipoteza poate fi pe cât de îndrăzneaţă şi de contra-intuitivă pe cât se poate, deoarece la sfârşit vom vedea ce va rezulta din accelerator. Dar, atunci când cercetările dumneavoastră sunt matematică pură, trebuie să fiţi mai conservatori, rămânând în cadrul graniţelor stabilite prin observaţie şi sugerând experimente pentru a fi efectuate, înainte de a merge mai departe.

În căutarea unei teorii elegante a totului, teoreticienii stringurilor s-au eliberat de orice constrângeri şi în acest fel s-au depărtat de ştiinţa însăşi. Atât de completă este această  desprindere de ştiinţă de fapt,  încât Smolin a citat teoreticieni remarcaţi ai corzilor apreciind că probabil aceasta este ştiinţa însăşi care trebuie să se schimbe pentru a se adapta teoriei corzilor şi că tradiţiile demodate cum ar fi efectuarea unor experimente şi obţinerea de rezultate ar trebui să facă loc ideii conform căreia fiecare model matematic solid este de fapt un univers fizic real şi principiului antropic, care este un termen elegant pentru designul inteligent. Atât de multe sacrificate pentru "eleganţă"...

Fiecare capitol din cartea lui Smolin disecă un aspect al acestui insucces al teoriei stringurilor, folosind o combinaţie dintre perspectiva istorică, anecdotă şi ştiinţă popularizată. Proza lui se mişcă atât de uşor între poveşti despre istoria timpurie a fizicii cuantice, întâlniri ale tinerilor fizicieni cu marele Einstein şi descrieri uşor digerabile de teorii complexe, că abia se remarcă atunci când se schimbă contextul. Textul lui Smolin nu este despre fizică. Este fizica însăşi. Şi nu doar ştiinţa fizicii, dar şi despre istoria şi cultura acesteia. Dacă fizica cuantică nu ne-a învăţat nimic altceva, ne-a învăţat că observatorul afectează obiectul observării, iar Smolin a urmărit  lumea fizicii aşa cum nu a făcut-o nici un alt scriitor al ştiinţei popularizate.

 

 

Stringurile încurcate

Ok, deci ce anume nu a mers bine cu teoria corzilor? Observaţiile făcute de Smolin sunt mult prea nuanţate pentru a le prezenta cu acurateţe aici, dar o aproximare bună sună ceva de genul:

Dependenţa de background. În primul rând, teoria corzilor nu este independentă de background. În conformitate cu Smolin, o teoria totului - cum se pretinde teoria corzilor - este descalificată atunci când nu este independentă de background. Independenţa de background înseamnă că o teorie nu se bazează pe circumstanţe fizice care nu provin din concepte proprii teoriei. Teoria corzilor, ca şi teoria cuantică, este dependentă de background prin faptul că se bazează pe existenţa timpului şi a spaţiului. Corzile vibrează în spaţiu de-a lungul timpului, iar teoria corzilor nu spune ce sunt spaţiul şi timpul sau cum au apărut acestea.

Există mai multe probleme cu acest aspect. Probleme atât de evidente că până şi Einstein le-ar putea înţelege. Dispunând de înţelegerea limitată a gravitaţiei cuantice a timpului său, Einstein a putut vedea totuşi că orice teorie a gravitaţiei cuantice a trebuit să fie independentă de background. Deoarece gravitaţia este despre timp şi spaţiu. Deci, timpul şi spaţiul trebuie să varieze cu însuşi câmpul cuantic pe care îl descrie gravitaţia cuantică. Ca atare, nu se poate afirma despre acest câmp că există în timp şi spaţiu, deoarece acesta constituie de fapt timpul şi spaţiul.

Teoria cuantică nu trebuie să fie independentă de background, deoarece descrie comportamentul materiei şi energiei în timp şi spaţiu. Timpul şi spaţiul sunt asumate. Teoria relativităţii este o teorie de  independentă de background. Aceasta nu depinde de existenţa timpului şi spaţiului. Timpul şi spaţiul emerg din relativitate. Dar teoria relativităţii nu este o teorie cuantică. Aceasta este problema fundamentală în ceea ce priveşte reconcilierea teoriei cuantice cu cea a relativităţii: una este cuantică şi dependentă de background, cealaltă este independentă de background, dar nu şi cuantică.

Teoria corzilor abordează această problemă prin încercarea de a descrie natura cuantică a gravitaţiei într-un mod dependent de background. Pare evident în retrospectivă  că teoria unui lucru nu trebuie să depindă de existenţa acestui lucru.

Dependenţa de background, după cum se vede, este piatră de moară atârnată în jurul gâtului teoriei corzilor. Motivul îl reprezintă toate aceste dimensiuni suplimentare de care toată lumea este aşa de entuziasmată. Cei familiarizaţi cu teoria corzilor îşi vor aminti că se postulează că Universul nostru este format nu din patru, ci din unsprezece dimensiuni. Motivul datorită căruia nu putem vedea aceste dimensiuni suplimentare este faptul că acestea sunt înfăşurate atât de strâns într-o regiune mică a spaţiului (spatiu Calabi-Yau)  încât devin invizibile pentru noi cei de aici, obişnuiţi cu spaţiul 4 dimensional, tocmai după cum  o coardă pare a fi  de la distanţă unidimensională, dar văzută mai îndeaproape este de fapt tridimensională. Teoria corzilor descrie fiecare punct din spaţiu-timp ca fiind înfăşurat de o hipersferă cu unsprezece dimensiuni, iar aceste sfere sunt aranjate în cele trei dimensiuni ale spaţiu-timpului cu care suntem familiarizaţi.

Prima problemă este că nimeni nu a văzut niciuna dintre aceste dimensiuni. Acestea sunt doar prezise matematic. Şi prin "prezis matematic" ne referim la "ecuaţiile teoriei corzilor care nu sunt suficient de consistente, aşa că am adăugat grade suplimentare de libertate (extra-dimensiuni) până s-a întâmplat astfel."

Cea de-a doua problemă este că aceste dimensiuni nu acţionează aşa cum teoria relativităţii spune că  ar trebui ca acestea să acţioneze. Principiul fundamental al teoriei relativităţii generale este că spaţiu-timpul este flexibil. Se curbează şi se resuceşte. Dar nici uneia dintre dimensiunile suplimentare legate nu li se permite să varieze în prezenţa  câmpurilor gravitaţionale. Pentru că le-ar destabiliza şi ar duce la implozia Universului.

Acest lucru conduce la a treia problemă, care este de fapt problema zero, care asemeni corzilor, revine înapoi la prima problemă: natura falsă a acestor dimensiuni este rezultatul chiar a problemei psihosociale care afectează dezvoltarea întregii teorii. Este o eroare fractală cu imagini mici proprii încorporate în sine. Şi aberaţia este aceasta: dimensiunile suplimentare nu au fost adăugate pentru că au fost observate, au fost adăugate fiind necesare matematic pentru a face ca teoria corzilor să se potrivească cu datele existente. Aceasta este o greşeală cardinală. Se transformă teoria totului într-o teorie a ceva şi o teorie a ceva este o teorie a nimicului.

Teoriile ştiinţifice ar trebui să stabilească limite. Ele ar trebui să facă afirmaţii despre ceea ce reprezintă şi ceea ce nu reprezintă o parte a teoriei. Acesta este modul în care sunt făcute predicţii şi sunt efectuate experimente: la limita dintre cunoscut şi necunoscut. Poţi ştii ceea ce nu ştii numai dacă teoria clarifică ce e real şi ce nu e astfel. Oamenii de ştiinţă numesc aceste teorii care nu reuşesc să clarifice acest aspect "nici măcar în mod greşite".

Din când în când - aspect reflectat şi în carte - observăm faptul că teoria corzilor se "scufundă", moment în care este "salvată" de o  nouă formulare, un nou set de constrângeri şi de ce nu, de o dimensiune în plus sau două, menite să explice o constatare nouă sau să-şi dorească ivirea la orizont a unor sute de trilioane de soluţii. Este exact opusul  modului în care ar trebui să funcţioneze știința. Dacă teoria corzilor este atât de flexibilă încât să poată fi modelată pentru a se potrivi oricărei observaţii  posibile, atunci aceasta nu este nici un fel de teorie, deoarece este în esenţă imposibil de dovedit ca fiind falsă.

În acest moment din păcate, oamenii de ştiinţă respectaţi au început să susţină faptul că ştiinţa în sine este problema  teoriei corzilor. Îmi trece prin minte o altă aşa-numită "teorie" care pretinde acelaşi lucru şi  sincer prezenţa sa nu este foarte binevenită.


Călătorul întunecat

Există numeroase puncte slabe ale  teoriei corzilor descrise în carte, de la adăugarea de noi dimensiuni pentru rezolvarea unor aspecte teoretice deficitare la catalogul în continuă dezvoltare al soluţiilor, dar un aspect care este de remarcat aici este cel al energiei întunecate.

Energia întunecată este numele atribuit fenomenului neexplicabil care pare să accelereze expansiunea Universului. Ea este adesea legată de constanta cosmologică a lui Einstein, pentru că este matematic şi conceptual similară cu cea introdusă de Einstein din motive eronate. Pentru Einstein, constanta cosmologică a fost necesară pentru a explica ceea ce credea el că reprezenta un Univers aflat în echilibru, nici în expansiune, nici care se contractă. Odată ce el a fost convins de realitatea Big Bang-ului, el a numit constanta cosmologică  "cea mai mare greşeală a sa." Dar, la fel cum este nevoie de o constantă cosmologică pentru a stabiliza un univers despre care teoria spune că ar trebui să fie în expansiune sau să se restrângă, este necesar de asemenea, o constantă cosmologică pentru a accelera expansiunea unui univers. Şi, spre deosebire de Einstein, energia întunecată, noua noastră constantă cosmologică este folosită pentru a descrie un fenomen care a fost observat, dar la care nu ne-am aşteptat,  nu unul la care ne-am aşteptat, dar nu l-am observa. Reiese că  avem mai multe motive să suspectăm  că acest fenomen este valabil.

Din motive înţelese doar de către cei superiori mie, teoria corzilor, aşa cum a fost formulată înainte de descoperirea  energiei întunecate, a exclus categoric existenţa energiei întunecate. Cu alte cuvinte, singura predicţie solidă, testabilă realizată de teoria corzilor... o predicţie considerată în acel moment destul de sigură ... s-a dovedit a fi complet eronată.

Aşa că, natural, teoria corzilor a fost reformulată, cu un nou set de constrângeri suplimentare cu privire la cele şapte dimensiuni care descriu un univers aproape la fel de stabil ca şi arahidele sfărâmicioase. Chiar dacă teoria corzilor se dovedeşte a fi adevărată, în acest moment eleganţa se află mult în spatele oglinzii retrovizoare.

O nouă speranţă

Dar încă nu este totul pierdut. Smolin doreşte să clarifice faptul că teoria corzilor nu este o pierdere completă de timp. A contribuit prin unele rezultate la cele 5 mari întrebări, chiar dacă este posibil să nu fie o teorie a totului, când este "strunită" în mod adecvat, pare a fi o teorie verosimilă. Şi cea mai mare slăbiciune a teoriei corzilor este, de asemenea, marea sa calitate. Fiind aproape matematică pură, chiar dacă în final nu se dovedeşte a fi o teorie fizică, cercetările care au fost efectuate legate de această teorie au contribuit extrem de mult la matematica extra-dimensiunilor şi chiar şi la celelalte teorii ale gravitaţiei cuantice, precum teoria gravităţii cuantice cu bucle.

Smolin subliniază de asemenea că mai există mulţi alţi teoreticieni muncind în spatele cortinelor care au studiat aceste aspecte cu mult timp în urmă şi care îşi construiesc propriile teorii.  Unii dintre ei au şi rezultate. Cele mai interesante teorii care se desprind din rândul acestora nu încep asemeni teoriei corzilor cu o singură ipoteză unificatoare în care totul, începând de la radiaţia cosmică şi până la chiuveta de bucătărie trebuie să fie integrat indiferent de cât de multe dimensiuni va trebui să adăugăm. Încep cu una sau mai multe din cele cinci mari întrebări şi  reîncep pornind de la felul în care ar trebui să fie o formulă care are sens, una care să accepte faptul că nu există (sau că sunt puţine şanse să existe) o integrare magică.

În cele din urmă, ceea ce Smolin susţine nu este infirmarea  teoriei corzilor, ci evadarea din convenţionalismul teoriei corzilor. Una dintre caracteristicile fizicienilor specializaţi în fizica particulelor este că aceştia nu lucrează şi nu colaborează bine unii cu alţii. Ei nu trebuie să o facă pentru că singurul lor stăpân este acceleratorul menţionat mai sus. Dar cultura teoriei ar trebui să fie diferită, spune Smolin. Teoria ar trebui să fie colaborativă, nu competitivă. Soluţiile trebuie să fie simple, nu complexe. Problemele ar trebui să fie privite din orice unghi. Teoreticienii ar trebui să fie deschişi oricărei idei care ar putea să îi apropie de obiectivul lor, nu să se încredinţeze în mod ideologic adevărului dezvăluit. Şi până când nu vom fi martorii acestor extra-dimensiuni misterioase, acestea rămân doar o viziune sfântă, nu o constatare empirică.

În cei câţiva ani de la publicarea cărţii, un grup tot mai mare de sceptici şi-a făcut apariţia. Este foarte posibil, în acest punct, ca teoria corzilor să se confrunte cu o reacţie serioasă şi să fie retrogradată, devenind o rezervă din dulapul de istorie, urmând să fie scoasă peste câteva decenii, atunci când o nouă generaţie de rebeli vor dezbate obiectivul existent în acel moment, indiferent care va fi acesta. Ar fi păcat să se întâmple acest lucru, pentru că indiferent de câte cusururi are, teoria corzilor a avut o contribuţie însemnată şi nu ar trebui să fie respinsă în mod necugetat. Ar fi o prostie să facem acest lucru. Ar fi tragic. Ar fi... uman.

 



Traducere după: http://io9.com/5890789/the-trouble-with-string-theory?popular=true.
Traducerea: Ecaterina Pavel