Teoria stringurilor si gravitatia

Constituenti fundamentali ai Universului, particulele identificate de fizicieni pâna în prezent ca apartinând Modelului Standard – electroni, neutrini, quarcuri s.a.m.d. – reprezinta un veritabil alfabet al materiei, scrie site-ul scientia.ro. Asemenea literelor – omoloagele lingvistice ale particulelor elementare – aceste elemente fundamentale reprezinta cele mai mici componente ale materiei identificate cu mijloacele pe care le poseda stiinta astazi. Conform celor observate pâna în prezent, se pare ca nu exista o substructura sau niste sub-particule care sa intre în componenta acestor constituenti fundamentali.

Teoria stringurilor (teoria sforilor, dupa cum mai este numita) sustine însa contrariul. Potrivit acestei teorii, daca am avea la dispozitie o tehnologie care sa ne permita sa vizualizam materia la un ordin de magnitudine mult inferior celui observabil cu instrumentele actuale, am constata ca aceste particule fundamentale nu sunt punctiforme, asa cum le descrie stiinta astazi, ci sunt constituite din minuscule bucle unidimensionale. Autorii si adeptii acestei teorii descriu stringurile (sau corzile, sforile etc.) ca pe niste filamente minuscule care vibreaza sau oscileaza într-o singura dimensiune.

Figura alaturata ilustreaza ideea principala a teoriei stringurilor, plecând de la un mar si patrunzând la scari succesiv mai mici în structura interna a acestuia si a constituentilor sai.

La ce ajuta teoria stringurilor?

Desi nicidecum evident, simpla înlocuire a particulei elementare de tip punctiform cu stringuri rezolva o incompatibilitate majora a fizicii moderne, cea dintre mecanica cuantica si teoria generala a relativitatii (teorii incompatibile în forma lor actuala). Teoria stringurilor dezleaga astfel nodul gordian al fizicii teoretice contemporane. Aceasta este o realizare extraordinara, dar reprezinta doar unul din motivele pentru care teoria stringurilor s-a bucurat de un succes imens.

Einstein si teoria unificata a câmpului

În anii în care Einstein uimea comunitatea stiintifica cu teoria relativitatii, fortele nucleare tare si slaba nu fusesera înca descoperite, iar cele doua forte fundamentale cunoscute pe atunci, gravitatia si electromagnetismul, pareau imposibil de descris în cadrul unei teorii unice. Einstein credea cu tarie în faptul ca natura poate fi descrisa în integralitatea sa pe baza unei teorii care sa demonstreze faptul ca aceste doua forte nu sunt decât manifestari diferite ale aceluiasi principiu fundamental unificator. Celebrul fizician a pornit într-o cautare ce avea sa dureze 30 de ani a unei asa-zise teorii unificate a câmpului. A fost cauza pentru care s-a izolat de comunitatea fizicienilor mai tineri care erau fascinati pe atunci de progresele înregistrate în zona mecanicii cuantice.

Desi fara succes si singur la vremea respectiva în initiativa sa de a gasi o teorie care sa descrie unitar Universul, timpul a dovedit ca întreprinderea lui Einstein a venit prea devreme. Ca de multe alte ori, Einstein fusese cu mult înaintea timpului sau. Dupa mai bine de o jumatate de secol, visul gasirii unei teorii unificate a devenit principala preocupare a fizicii teoretice. Iar o mare parte a comunitatii matematicienilor si fizicienilor considera ca teoria stringurilor este cel mai bun candidat în aceasta competitie. Plecând de la principiul ca la un nivel microscopic fundamental totul este format din corzi vibrante, teoria stringurilor ofera o platforma care reuseste sa descrie la nivel teoretic toate fortele si particulele fundamentale ale fizicii moderne.

Particulele – manifestari ale vibratiei stringurilor

Teoria stringurilor introduce ideea ca toate proprietatile particulelor observabile care fac parte din ceea ce numim actualmente Modelul Standard (si e vorba atât despre particulele fundamentale, cât si despre particulele forta asociate cu cele patru forte fundamentale – electromagnetismul, gravitatia, fortele nucleare tare si slaba), proprietati precum masele si sarcinile lor electrice diferite, sunt rezultatul diverselor moduri în care un string poate sa vibreze. Asemenea corzilor unui violoncel sau ale unui pian, care au frecvente de rezonanta specifice – pe care urechea umana le percepe ca note muzicale diferite – la fel putem privi corzile din teoria stringurilor. Numai ca, în loc sa dea nastere diverselor note muzicale, fiecare dintre caracteristicile particulelor elementare ale Modelului Standard sunt determinate de sabloanele de oscilatie ale unor asa-zise stringuri. Electronul îsi datoreaza proprietatile unui anume tip de vibratie a stringurilor, quarcul-up unui alt model de oscilatie etc.

Departe de a fi o colectie de date experimentale haotice, proprietatile particulelor, asa cum reies ele din teoria stringurilor, sunt manifestari ale acelorasi caracteristici fizice: vibratiile sau oscilatiile unor corzi (denumite si bucle sau stringuri) – constituenti unidimensionali fundamentali ai materiei. Ideea se aplica si particulelor-forta, astfel ca totul, materie sau forta, devine interpretabil prin prisma oscilatiei acestor corzi, altfel spus a “notelor muzicale” pe care ele le produc.

Sunt toti fizicienii fericiti cu teoria stringurilor?

Desi teoria stringurilor pare a fi salutara din perspectiva unificarii celor doua teorii fundamentale, mecanica cuantica si teoria generala a relativitatii, aceasta teorie nu este înca îmbratisata de majoritatea fizicienilor. Principalul argument împotriva acesteia este imposibilitatea efectuarii de experimente care sa arate ca teoria are baze reale. Desi o frumoasa constructie matematica, în acest moment nu sunt posibile masuratori la o scara atât de mica precum cea la care ar putea fi observabile stringurile. Asadar, multi fizicieni privesc teoria stringurilor ca pe o simpla teorie, iar nu ca pe o descriere a realitatii.

 Ce este gravitatia?

Se stie despre gravitatie ca este cea mai slaba dintre cele 4 forte fundamentale. Desi la scara cosmica gravitatia produce efecte colosale, la nivel atomic interactiunile gravitationale sunt mult mai slabe decât celelalte. Teoria stringurilor, cea mai populara teorie cuantica a gravitatiei care exista în prezent, ofera o posibila explicatie.

SCURTA INTRODUCERE

Se stie despre gravitatie ca este cea mai slaba dintre cele 4 forte fundamentale. Desi la scara obiectelor cosmice efectele acesteia sunt colosale, totusi, la nivel atomic, interactiunile gravitationale sunt mult mai slabe decât cele nucleare sau decât cele electromagnetice. De ce oare este asa? Cum este posibil ca un magnet de mici dimensiuni sa atraga cu usurinta un obiect metalic aflat în câmpul gravitational al unei întregi planete precum Terra? Exista o teorie care ofera o posibila explicatie. Este vorba despre cea mai populara teorie cuantica a gravitatiei care exista în prezent – teoria stringurilor.

 Teoria stringurilor descrie toate particulele fundamentale ca fiind mici stringuri, sau corzi vibrante, cu o anumita energie asociata. Modelul matematic al teoriei este construit într-un spatiu cu 9 sau 10 dimensiuni în locul celor 3 pe care noi le percepem în mod curent.

DIMENSIUNILE

Ce reprezinta o dimensiune?

Linia este o figura geometrica obisnuita. Poate fi descrisa complet doar prin capetele sale, deci prin doua puncte sau prin lungimea sa. Este un obiect unidimensional. Putem imagina si reprezenta numarul de dimensiuni asociate unui anumit obiect folosind un altul, care are cu o dimensiune mai putin decât obiectul de reprezentat, pe care sa-l deplasam la un unghi de 90 de grade fata de una din dimensiunile sale. De pilda, ne putem imagina o linie folosind un punct pe care sa-l deplasam într-o anumita directie.

În continuare, sa descriem o suprafata…

Suprafetele sunt si ele figuri geometrice care ne sunt familiare. O suprafata plana are atât lungime, cât si latime, putând fi descrisa complet dupa efectuarea a doua masuratori. Asadar, suprafetele sunt figuri geometrice bidimensionale. La fel cum am desenat o linie plecând de la un punct, putem genera o suprafata bidimensionala plecând de la o linie pe care sa o miscam într-o anumita directie, alta decât cea a lungimii sale.

Obiectele de care ne folosim în viata de zi cu zi, materialele solide întâlnite la tot pasul, au înaltime, latime si adâncime (lungime), deci trebuie sa facem trei masuratori diferite pentru a le descrie, de unde si adjectivul asociat: tridimensionale. Asa cum am generat o suprafata plecând de la o linie, putem crea o figura geometrica tridimensionala, de exemplu un cub, plecând de la un patrat pe care sa-l deplasam într-o anumita directie, pe verticala, deci la 90 de grade fata de planul format de laturile sale. Cilindrii, cuburile si sferele sunt obiecte tridimensionale.

si acum urmeaza partea cu adevarat dificila…

Dimensiunile suplimentare sunt create mutând (sau rotind) un solid tridimensional într-o anumita directie, orientata astfel încât sa nu poata fi continuta în spatiul caruia îi apartine solidul. Desi matematic este o sarcina usoara, noua, oamenilor, ne este imposibil sa reprezentam grafic sau la nivel mental o asemenea constructie geometrica.

INTENSITATEA

Fie o sursa de lumina puternica care se propaga uniform si omnidirectional. Intensitatea luminoasa într-un anume punct variaza invers proportional cu patratul distantei de la acel punct la sursa de lumina, deoarece suprafata pe care lumina o acopera creste direct proportional cu patratul distantei fata de sursa.

Aceste calcule sunt valabile doar într-un spatiu tridimensional. Într-un univers cu patru dimensiuni spatiale, intensitatea luminoasa este invers proportionala cu cubul distantei fata de sursa de lumina, iar în 5 dimensiuni variaza invers proportional cu puterea a 4-a a distantei fata de sursa de lumina. Urmând aceeasi logica, se ajunge ca într-un univers cu 10 dimensiuni intensitatea sa fie invers proportionala cu puterea a 9-a a distantei fata de sursa de lumina (adica un factor urias cu care scade valoarea intensitatii).

STRINGURI (CORZI)

Sa revenim la corzi si la teoria care le descrie. Daca reprezentam printr-o membrana cele 3 dimensiuni spatiale în care traim, atunci particulele precum electronii si quarcurile pot fi imaginate ca fiind corzi ale caror capete sunt fixate si constrânse în interiorul acestor 3 dimensiuni (fixate deci de acea membrana). Le-am putea reprezenta astfel:

Conform teoriei stringurilor, particula purtatoare a fortei gravitatiei, gravitonul, este însa o bucla închisa. Nu are capete prin fixarea carora sa fie constrânsa a „vibra” doar în cele trei dimensiuni pe care noi le percepem. Astfel ca, daca exista dimensiuni spatiale suplimentare, gravitatia se va propaga liber prin toate, si nu doar în cele 3 familiare noua (în mod similar celui descris în paragraful anterior referitor la intensitatea luminoasa). Iar aceasta propagare ar putea explica faptul ca noi percepem interactiunile gravitationale ca fiind slabe. Noi simtim doar o mica fractiune din puterea reala a gravitatiei deoarece mare parte a acesteia „se strecoara” în celelalte dimensiuni!

EXTRA-DIMENSIUNI

Si totusi, unde „se ascund” aceste dimensiuni suplimentare? O explicatie posibila (dar nu unica) este ca ele exista peste tot în jurul nostru, dar sunt atât de mici încât nu pot fi detectate. Daca privim un fir sau o sfoara dintr-un anumit material de la o distanta suficient de mare, acesta este perceputa ca fiind o linie, altfel spus o figura unidimensionala. Dar pe masura ce ne apropiem, sau daca am fi cu mult mai mici în comparatie cu grosimea acelui fir, celelalte dimensiuni ale firului ar iesi cu usurinta în evidenta. Daca privim din ce în mai în profunzime, fiecare punct al spatiului devine o figura multidimensionala. Ar putea arata cam în acest fel daca am fi suficient de mici cât sa putem percepe obiectele la aceasta dimensiune (vezi figura alaturata).

LHC

Acceleratoarele de particule precum Large Hadron Collider din Elvetia, de la CERN, ciocnesc protoni si antiprotoni la energii enorme, poate suficiente chiar pentru producerea pe cale artificiala a gravitonilor. Dac? acest lucru se va întâmpla, este posibil sa fim capabili sa detectam aparitia lor în cele trei dimensiuni accesibile oamenilor, pentru a fi apoi, foarte repede, martorii disparitiei lor în acele misterioase dimensiuni ascunse simturilor noastre!

sursa:www.scientia.ro

Save