În 1980, Stephen Hawking a susținut prima sa prelegere ca „profesor Lucasian” la Universitatea din Cambridge. Prelegerea se intitula „Is the end in sight for theoretical physics?” („Se vede sfârșitul fizicii teoretice?”).
Hawking, care ulterior avea să-mi devină coordonator de doctorat, a prezis că o teorie a totului – care să unifice ramurile aflate în conflict ale relativității generale, ce descrie universul la scară mare, și mecanica cuantică, ce guvernează microcosmosul atomilor și particulelor – ar putea fi descoperită până la sfârșitul secolului al XX-lea.
Patruzeci și cinci de ani mai târziu încă nu există o teorie a totului definitivă.
Principala candidată este teoria stringurilor, un cadru care descrie toate forțele și particulele, inclusiv gravitația. Teoria stringurilor propune ca elementele fundamentale ale naturii să nu fie particule punctiforme precum quarcurile (care alcătuiesc particulele din nucleul atomic), ci stringuri (corzi) vibrante.
Sugerează că, dacă am putea privi în adâncul electronilor, am vedea bucle de stringuri vibrând exact ca cele ale unei viori. Modelele diferite de vibrație ale stringurilor corespund unor particule diferite.
Teoria stringurilor unifică toate forțele naturii. Forțe care par foarte diferite, precum gravitația și electricitatea, ar fi, în esență, profund înrudite. Forțele sunt legate prin așa-numitele dualități: aceleași fenomene fundamentale pot fi descrise în moduri diferite.
Forța gravitațională este descrisă în termeni de geometrie, forme și poziții. Alte forțe sunt descrise prin concepte matematice diferite, incluzând algebra și numerele.
Unificarea forțelor implică astfel relații profunde între ramuri ale matematicii. Matematicienii, în special Robert Langlands, propuseseră deja astfel de relații, iar teoria stringurilor furnizează explicații fizice pentru ele.
Deși teoria stringurilor ar putea fi teoria totului, ea este dificil de testat experimental. Efectele sale devin vizibile la scări foarte mici și la energii foarte mari.
Acceleratoarele de particule explorează structura internă a particulelor prin ciocnirea și dezintegrarea lor. Totuși, chiar și cele mai mari acceleratoare, ca cel de la CERN, în Elveția, nu dispun de suficientă energie pentru a sparge particulele în stringuri.
Indicii în cosmos
Cum putem testa experimental teoria stringurilor dacă nu putem atinge energii suficient de mari în acceleratoare? Răspunsul ar putea fi în observarea cerului.
Universul foarte timpuriu era dens și fierbinte, iar „supă primordială” ar fi fost compusă din stringuri. Putem observa istoria universului imprimată în observațiile actuale, de la cartografierea galaxiilor până la măsurătorile radiației cosmice ce umple spațiul și reprezintă o relicvă a Big Bangului.
La începutul secolului al XX-lea, astronomul american Edwin Hubble a arătat că universul se extinde. Galaxiile se îndepărtează unele de altele.
La sfârșitul secolului, observațiile detaliate ale expansiunii au arătat că aceasta este, de fapt, accelerată. Galaxiile se îndepărtează astăzi mai repede decât o făceau acum un milion de ani.
Ce determină această accelerare? Gravitația este o forță atractivă, deci încetinește expansiunea universului. Accelerarea este produsă de un nou tip de energie, răspândită în întregul spațiu. Oamenii de știință o numesc „energie întunecată”, iar aceasta reprezintă aproximativ 70% din energia universului.
Nu știm exact ce este energia întunecată. Cea mai plauzibilă explicație este că reprezintă energia cuantică intrinsecă a universului. În lumea cuantică, particulele nu pot sta nemișcate, fără energie. Există mereu o vibrație cuantică minimă și o energie asociată.
Atomii răciți până la zero absolut încă au energie datorită mișcării lor cuantice. Energia întunecată ar putea fi explicată ca energia cuantică fundamentală a tuturor forțelor și particulelor din natură, inclusiv gravitația.
Experimentele delimitează tot mai precis proprietățile energiei întunecate. Desi, un observator din Arizona, SUA, cartografiază galaxii și quasari. Telescoapele spațiale Euclid și Roman vor măsura universul cu o precizie fără precedent, cartografiind istoria a miliarde de galaxii pe perioade de miliarde de ani.
Rezultate recente de la Desi sugerează că energia întunecată se schimbă în timp într-un mod compatibil cu modelele teoriei stringurilor – deși acest lucru trebuie încă verificat prin măsurători suplimentare.
Acest lucru nu dovedește corectă teoria stringurilor, deoarece aceasta poate produce o varietate de universuri diferite, cu modele diferite ale energiei întunecate. Totuși, rezultatele Desi sugerează că interpretarea energiei întunecate ca energie cuantică a stringurilor ar putea fi corectă. Desigur, există și alte fenomene, în afara stringurilor, care ar putea explica schimbarea energiei întunecate.
Euclid și Roman vor face măsurători extrem de precise și vor putea exclude multe astfel de teorii ale energiei întunecate și unele variante specifice ale teoriei stringurilor – restrângând domeniul pe care teoreticienii ar trebui să se concentreze.
O altă cale de a verifica teoria stringurilor ar putea fi găurile negre. Odată ce ceva cade într-o gaură neagră, nu mai poate scăpa. În interiorul unei găuri negre acționează forțe foarte puternice, iar particulele sunt dezintegrate.
Încă nu înțelegem exact ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre, dar teoria stringurilor ne învață cum păstrează o gaură neagră informația despre ceea ce a căzut în ea.
Asta deoarece teoria stringurilor presupune că nu există o „singularitate” în interiorul unei găuri negre – un punct cu densitate și gravitație infinită – ci că obiectele sunt distribuite în sfere de stringuri numite „fuzzballs”.
Măsurători viitoare, mai precise, ale undelor gravitaționale (ondulații ale structurii spațiu-timpului) vor căuta semnalele subtile ale comportamentului cuantic din interiorul găurilor negre, prezise de teoria stringurilor. Dacă găurile negre sunt „fuzzballs”, ele ar trebui să producă un semnal diferit în momentul fuziunii, mai lung și conținând ecouri. Mai mult, dacă există dimensiuni suplimentare, așa cum propune teoria stringurilor, găurile negre ar putea oscila în moduri diferite, detectabile.
Pe lângă observațiile cosmologice, oamenii de știință pot efectua experimente mentale, la fel cum a făcut Einstein în teoriile sale ale relativității. Teoria stringurilor a dus la noi perspective nu doar în matematică, ci și în alte domenii ale științei. De exemplu, teoria stringurilor s-a dovedit utilă în înțelegerea modului în care pot fi utilizate sistemele cuantice în calcul.
Nu cred că o înțelegere completă a unei teorii a totului este foarte aproape, dar în cei 45 de ani de la prelegerea lui Hawking am învățat cu siguranță foarte multe. Iar în acest moment, lucrurile par promițătoare pentru teoria stringurilor.
> Citește și:
- Problema cu teoria stringurilor
- Ce este teoria stringurilor?
- Cum explică teoria stringurilor gravitația?
Traducere după String theory: scientists are trying new ways to verify the idea that could unite all of physics de Marika Taylor, profesor, University of Birmingham.
