Γιατί είναι το M-Theory ο κορυφαίος υποψήφιος για τη θεωρία των πάντων;
Δεν είναι εύκολο να είσαι «θεωρία των πάντων». Ένα TOE έχει την πολύ δύσκολη δουλειά να προσαρμόσει τη βαρύτητα στους κβαντικούς νόμους της φύσης με τέτοιο τρόπο ώστε, σε μεγάλες κλίμακες, η βαρύτητα να μοιάζει με καμπύλες στον ιστό του χωροχρόνου, όπως περιέγραψε ο Albert Einstein στη γενική θεωρία της σχετικότητας. Κάπως έτσι, η καμπυλότητα του χωροχρόνου εμφανίζεται ως το συλλογικό αποτέλεσμα κβαντισμένων μονάδων βαρυτικής ενέργειας - σωματιδίων γνωστών ως γκραβιτόνια. Ωστόσο, αφελείς προσπάθειες υπολογισμού του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα γκραβιτόνια καταλήγουν σε παράλογα άπειρα, υποδεικνύοντας την ανάγκη για μια βαθύτερη κατανόηση της βαρύτητας.
Η θεωρία χορδών (ή, πιο τεχνικά, η M-θεωρία) περιγράφεται συχνά ως ο κορυφαίος υποψήφιος για τη θεωρία των πάντων στο σύμπαν μας. Αλλά δεν υπάρχει καμία εμπειρική απόδειξη για αυτό, ή για εναλλακτικές ιδέες σχετικά με το πώς η βαρύτητα μπορεί να ενωθεί με τις υπόλοιπες θεμελιώδεις δυνάμεις. Γιατί, λοιπόν, η θεωρία χορδών/Μ έχει το πλεονέκτημα έναντι των άλλων;
Η θεωρία υποστηρίζει περίφημα ότι τα γκραβιτόνια, καθώς και τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και οτιδήποτε άλλο, δεν είναι σημειακά σωματίδια αλλά μάλλον ανεπαίσθητα μικροσκοπικές ταινίες ενέργειας ή «χορδές», που δονούνται με διαφορετικούς τρόπους. Το ενδιαφέρον για τη θεωρία χορδών εκτινάχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1980, όταν οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι έδωσε μαθηματικά συνεπείς περιγραφές της κβαντισμένης βαρύτητας. Αλλά οι πέντε γνωστές εκδοχές της θεωρίας χορδών ήταν όλες «διαταρακτικές», που σημαίνει ότι κατέρρευσαν σε ορισμένα καθεστώτα. Οι θεωρητικοί θα μπορούσαν να υπολογίσουν τι συμβαίνει όταν δύο χορδές γκραβιτόν συγκρούονται με υψηλές ενέργειες, αλλά όχι όταν υπάρχει μια συμβολή βαρβιτονίων αρκετά ακραία ώστε να σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα.
Στη συνέχεια, το 1995, ο φυσικός Edward Witten ανακάλυψε τη μητέρα όλων των θεωριών χορδών. Βρήκε διάφορες ενδείξεις ότι οι θεωρίες των διαταραχών χορδών ταιριάζουν σε μια συνεκτική μη διαταραχή θεωρία, την οποία ονόμασε M-theory. Η θεωρία Μ μοιάζει με καθεμία από τις θεωρίες χορδών σε διαφορετικά φυσικά πλαίσια, αλλά δεν έχει από μόνη της όρια στο καθεστώς εγκυρότητάς της - μια σημαντική απαίτηση για τη θεωρία των πάντων. Ή έτσι πρότειναν οι υπολογισμοί του Witten. "Ο Witten θα μπορούσε να κάνει αυτά τα επιχειρήματα χωρίς να καταγράψει τις εξισώσεις της θεωρίας Μ, κάτι που είναι εντυπωσιακό αλλά άφησε πολλά ερωτήματα αναπάντητα", εξήγησε ο David Simmons-Duffin, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια.
Μια άλλη ερευνητική έκρηξη ακολούθησε δύο χρόνια αργότερα, όταν ο φυσικός Juan Maldacena ανακάλυψε την αντιστοιχία AdS/CFT:μια σχέση που μοιάζει με ολόγραμμα που συνδέει τη βαρύτητα σε μια χωροχρονική περιοχή που ονομάζεται χώρος anti-de Sitter (AdS) με μια κβαντική περιγραφή των σωματιδίων (που ονομάζεται μια «συμμορφική θεωρία πεδίου») που κινείται στα όρια αυτής της περιοχής. Το AdS/CFT δίνει έναν πλήρη ορισμό της M-θεωρίας για την ειδική περίπτωση των χωροχρονικών γεωμετριών AdS, οι οποίες είναι εμποτισμένες με αρνητική ενέργεια που τις κάνει να κάμπτονται με διαφορετικό τρόπο από ό,τι το σύμπαν μας. Για τέτοιους φανταστικούς κόσμους, οι φυσικοί μπορούν να περιγράψουν διαδικασίες σε όλες τις ενέργειες, συμπεριλαμβανομένου, κατ' αρχήν, του σχηματισμού μαύρης τρύπας και της εξάτμισης. Οι 16.000 δημοσιεύσεις που ανέφεραν τα έγγραφα του Maldacena τα τελευταία 20 χρόνια στοχεύουν κυρίως στη διεξαγωγή αυτών των υπολογισμών προκειμένου να αποκτήσουν καλύτερη κατανόηση του AdS/CFT και της κβαντικής βαρύτητας.
Αυτή η βασική αλληλουχία γεγονότων οδήγησε τους περισσότερους ειδικούς να θεωρούν τη θεωρία Μ ως τον κορυφαίο υποψήφιο TOE, ακόμη και καθώς ο ακριβής ορισμός της σε ένα σύμπαν όπως το δικό μας παραμένει άγνωστος. Το αν η θεωρία είναι σωστή είναι ένα εντελώς ξεχωριστό ερώτημα. Οι χορδές που θέτει - καθώς και οι πρόσθετες, κυρτωμένες χωρικές διαστάσεις στις οποίες υποτίθεται ότι κινούνται αυτές οι χορδές - είναι 10 εκατομμύρια δισεκατομμύρια φορές μικρότερες από ό,τι μπορούν να επιλύσουν πειράματα όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων. Και ορισμένες μακροσκοπικές υπογραφές της θεωρίας που μπορεί να είχαν παρατηρηθεί, όπως οι κοσμικές χορδές και η υπερσυμμετρία, δεν έχουν εμφανιστεί.
Άλλες ιδέες TOE, εν τω μεταξύ, θεωρείται ότι έχουν μια ποικιλία τεχνικών προβλημάτων και καμία δεν έχει ακόμη επαναλάβει τις επιδείξεις μαθηματικής συνέπειας της θεωρίας χορδών, όπως ο υπολογισμός σκέδασης βαρυτονίου-βαρυτονίου. (Σύμφωνα με τον Simmons-Duffin, κανένας από τους ανταγωνιστές δεν κατάφερε να ολοκληρώσει το πρώτο βήμα ή την πρώτη «κβαντική διόρθωση» αυτού του υπολογισμού.) Ένας φιλόσοφος έχει υποστηρίξει μάλιστα ότι η θέση της θεωρίας χορδών ως η μόνη γνωστή συνεπής θεωρία μετράει ως απόδειξη ότι η θεωρία είναι σωστή.
Οι μακρινοί ανταγωνιστές περιλαμβάνουν ασυμπτωτικά ασφαλή βαρύτητα, θεωρία Ε8, μη αντιμεταθετική γεωμετρία και αιτιώδη φερμιόνια συστήματα. Η ασυμπτωτικά ασφαλής βαρύτητα, για παράδειγμα, υποδηλώνει ότι η δύναμη της βαρύτητας μπορεί να αλλάξει καθώς πηγαίνετε σε μικρότερες κλίμακες με τέτοιο τρόπο ώστε να θεραπεύονται οι υπολογισμοί που μαστίζονται από το άπειρο. Κανείς, όμως, δεν έχει βρει ακόμα το κόλπο.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο TheAtlantic.com.
