Γιατί η M-Θεωρία είναι ο κορυφαίος υποψήφιος για τη θεωρία των πάντων

Η θεωρία Μ ενοποιεί σε μία και μοναδική μαθηματική δομή και τις πέντε συνεπείς εκδοχές της θεωρίας των χορδών (καθώς και μια περιγραφή σωματιδίων που ονομάζεται υπερβαρύτητα). Μοιάζει με καθεμία από αυτές τις θεωρίες με διαφορετικά φυσικά καθεστώτα. Αυτή η Μητέρα όλων των θεωριών χορδών (γι αυτό και ονομάστηκε θεωρία Μ), περνάει μια δοκιμασία που μέχρι στιγμής καμία άλλη υποψήφια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας δεν μπόρεσε να ταιριάξει.

Δεν είναι εύκολο να είναι μια «θεωρία των πάντων» (TOE). Μια θεωρία των πάντων (TOE) έχει μια πολύ σκληρή δουλειά να κάνει. 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. Με τον ένα ή άλλο τρόπο, η καμπυλότητα του χωρο-χρόνου αναδύεται ως το συλλογικό αποτέλεσμα των κβαντισμένων μονάδων βαρυτικής ενέργειας – σωματίδια γνωστά ως βαρυτόνια (γκραβιτόνια). Αλλά οι αφελείς απόπειρες να υπολογιστεί ο τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα γκραβιτόνια οδηγεί σε ανόητα άπειρα, υποδεικνύοντας την ανάγκη για βαθύτερη κατανόηση της βαρύτητας.


Η θεωρία των χορδών (ή, πιο τεχνικά, η Μ-θεωρία) συχνά περιγράφεται ως ο κύριος υποψήφιος για τη θεωρία των πάντων στο σύμπαν μας. Αλλά δεν υπάρχουν εμπειρικά στοιχεία για αυτό, ούτε για άλλες εναλλακτικές ιδέες για το πώς η βαρύτητα θα μπορούσε να ενοποιηθεί με τις υπόλοιπες θεμελιώδεις δυνάμεις. Γιατί, λοιπόν, η M-θεωρία (των χορδών) έχει πλεονέκτημα έναντι των άλλων;

Η θεωρία λέει ότι τα βαρύτονα, καθώς και τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και οτιδήποτε άλλο, δεν είναι σημειακά σωματίδια, αλλά μάλλον ανεπαίσθητες μικροσκοπικές κορδέλες ενέργειας ή «χορδές» που δονούνται με διαφορετικούς τρόπους. Το ενδιαφέρον για τη θεωρία των χορδών αυξήθηκε 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 «διαταραγμένες», που σημαίνει ότι έσπαγαν σε κάποιες συνθήκες. Οι θεωρητικοί θα μπορούσαν να υπολογίσουν τι συμβαίνει όταν δύο χορδές βαρυτονίων συγκρούονται σε υψηλές ενέργειες, αλλά όχι όταν υπάρχει μια ακραία σύγκρουση γκραβιτονίων για να σχηματίσουν μια μαύρη τρύπα.

Στη συνέχεια, το 1995, ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Edward Witten ανακάλυψε τη Μητέρα όλων των θεωριών των χορδών. Βρήκε διάφορες ενδείξεις ότι οι διαταραγμένες θεωρίες χορδών ταιριάζουν μαζί σε μια συνεκτική, μη διαταραγμένη θεωρία, η οποία ονομάζεται Μ-θεωρία. Η Μ-θεωρία μοιάζει με κάθε μία από τις θεωρίες των χορδών σε διαφορετικά φυσικά πλαίσια αλλά έχει προβλήματα που δεν συνάδουν για μια θεωρία των πάντων. “Η θεωρία Μ του Witten είναι εντυπωσιακή, αλλά άφησε πολλά ερωτήματα αναπάντητα», εξήγησε ο David Simmons-Duffin , θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας.

Μια άλλη ερευνητική έκρηξη ακολούθησε δύο χρόνια αργότερα, όταν ο φυσικός Juan Maldacena (γνωστός για τη θεωρία ότι το Σύμπαν είναι ένα ολόγραμμα που μπορεί να ισχύει όχι μόνο σε ένα «εξωτικό», αλλά επίσης και σε ένα πιο ρεαλιστικό μοντέλο του Σύμπαντός μας.) ανακάλυψε την αντιστοιχία AdS/CFT όπου βρέθηκε ότι λύσεις υπερβαρυτικών θεωριών δίνουν πληροφορίες για τη δυαδική θεωρία πεδίου: μια σχέση ολογράμματος που συνδέει τη βαρύτητα σε μια περιοχή χωροχρόνου, που ονομάζεται χώρος αντι-de Sitter (AdS, μια κβαντική περιγραφή των σωματιδίων (που ονομάζεται «θεωρία πεδίου σύμμορφης») που κινείται γύρω από τα όρια της περιοχής αυτής.

Δηλαδή στη μία πλευρά υπάρχουν χώροι anti-de Sitter (AdS) οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε θεωρίες κβαντικής βαρύτητας, που διατυπώνονται με όρους θεωρίας χορδών ή θεωρίας Μ . Από την άλλη πλευρά της αντιστοιχίας είναι συμβατικές θεωρίες πεδίου (CFT) οι οποίες είναι θεωρίες κβαντικού πεδίου, συμπεριλαμβανομένων θεωριών παρόμοιων με τις θεωρίες Yang-Mills που περιγράφουν στοιχειώδη σωματίδια.

Ο χώρος AdS / CFT δίνει έναν πλήρη ορισμό της θεωρίας Μ για την ειδική περίπτωση των γεωμετριών χωροχρόνου AdS, οι οποίες εγχέονται με αρνητική ενέργεια που τους κάνει να κάμπτονται με διαφορετικό τρόπο από ό, τι κάνει το σύμπαν μας. Για τέτοιους φανταστικούς κόσμους, οι φυσικοί μπορούν να περιγράψουν διαδικασίες σε όλες τις ενέργειες, συμπεριλαμβανομένου, καταρχήν, του σχηματισμού και της εξάτμισης των μαύρων οπών. Οι 16.000 εργασίες που ανέφεραν την θεωρία Maldacena κατά τη διάρκεια των τελευταίων 20 ετών στοχεύουν κυρίως στη διεξαγωγή αυτών των υπολογισμών, προκειμένου να αποκτήσουν καλύτερη κατανόηση του χώρου AdS / CFT και της κβαντικής βαρύτητας.


Αυτή η βασική ακολουθία συμβάντων οδήγησε τους περισσότερους ειδικούς να θεωρήσουν τη Μ-θεωρία σαν την κορυφαία υποψήφια θεωρία των πάντων TOE, ακόμα κι αν ο ακριβής ορισμός σε ένα σύμπαν όπως ο δικός μας παραμένει άγνωστος. Το αν η θεωρία είναι σωστή είναι μια εντελώς ξεχωριστή ερώτηση. Οι χορδές που υποθέτει – καθώς και οι πρόσθετες, καμπυλωμένες χωρικές διαστάσεις που αυτές οι χορδές υποθέτουν ότι “λικνίζονται” τριγύρω – είναι 10 εκατομμύρια δισεκατομμύρια φορές μικρότερες από ότι ο επιταχυντής LHC μπορεί να επιλύσει. Και μερικές μακροσκοπικές υπογραφές της θεωρίας Μ που μπορεί να έχουν δει, όπως οι κοσμικές χορδές και η υπερσυμμετρία, δεν έχουν εμφανιστεί.

Άλλες ιδέες της υποψήφιας θεωρίας των πάντων, εν τω μεταξύ, θεωρούνται ότι έχουν ποικίλα τεχνικά προβλήματα και καμιά δεν έχει ακόμη επαναλάβει τις επιδείξεις της μαθηματικής συνέπειας που έχει η θεωρία των χορδών, όπως ο υπολογισμός σκέδασης βαρυτονίου-βαρυτονίου. (Σύμφωνα με τον Simmons-Duffin, καμιά θεωρία από τους ανταγωνιστές της έχει καταφέρει να ολοκληρώσει το πρώτο στάδιο, ή την πρώτη «κβαντική διόρθωση,» αυτού του υπολογισμού.)
Ένας φιλόσοφος υποστήριξε ακόμη ότι η κατάσταση της θεωρίας χορδών ως τη μόνη γνωστή συνεπή θεωρία μετράει ως αποδεικτικό στοιχείο πως η θεωρία αυτή είναι σωστή .

Οι μακρινοί ανταγωνιστές περιλαμβάνουν την ασυμπτωτικά ασφαλή βαρύτητα, την θεωρία Ε8, την μη μεταθετική γεωμετρία (που δεν έχει την ιδιότητα ότι a × b = b × a). και συστήματα αιτιατού φερμιονίου. 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 διορθώνεται τους υπολογισμούς που έχουν “μολυνθεί” από το άπειρο. Αλλά κανείς δεν έχει κάνει τον τρόπο για να δουλέψει.

ΥΓ
Η σκέψη που κάνουν οι σύγχρονοι φυσικοί είναι ότι όπως και η βαρύτητα το ίδιο και οι άλλες τρεις δυνάμεις της φύσης ίσως να δημιουργούνται κι αυτές από χωροχρονο-παραμορφώσεις. Για να εξηγηθεί όμως η ύπαρξη των δυνάμεων αυτών χρειαζόμαστε την ύπαρξη έξι ή επτά πρόσθετων διαστάσεων. Αν η θεωρία αυτή αληθεύει, ζούμε σε ένα Σύμπαν δέκα ή ακόμη και ένδεκα διαστάσεων! Γιατί η μόνη θεώρηση του Σύμπαντος που φαίνεται σήμερα ότι ίσως μπορέσει σύντομα να συνδέσει την Κβαντομηχανική με τη Γενική Σχετικότητα είναι η Θεωρία-Μ των Υπερχορδών.

Σύμφωνα λοιπόν με τη Θεωρία των Υπερχορδών τα σωματίδια της ύλης (τα φερμιόνια) και των δυνάμεων (τα μποζόνια) δεν αντιμετωπίζονται απλώς ως απειροελάχιστα «σημεία» αλλά ως μονοδιάστατες «θηλιές» ή «χορδές» κάθε μία από τις οποίες έχει μήκος 10^-33 εκατοστά (το μήκος του Πλανκ) αλλά μηδενικό πάχος και πάλλεται με διαφορετικό τρόπο. Σ’ αυτή τη θεώρηση η ύλη και οι δυνάμεις ενοποιούνται σε μία και μοναδική φυσική ύπαρξη, αυτή των χορδών, και διαφοροποιούνται μόνο όσον αφορά τις «νότες» που παίζει κάθε χορδή. Μ’ αυτόν τον τρόπο η Θεωρία των Υπερχορδών έχει τη δυνατότητα να ενώσει την Κβαντομηχανική με τη Γενική Σχετικότητα σε μία και μοναδική Ενοποιημένη Θεωρία Πεδίου που περιγράφει τη βαρύτητα ως μία κβαντισμένη δύναμη κάτω όμως από μία κατάσταση «υπερσυμμετρίας».

Ωστόσο, παρόλο που έως τώρα η θεώρηση αυτή παρουσιάζει μία από τις καλύτερες αντιλήψεις που έχουμε για τη φύση και την ενοποίηση των δυνάμεων και της ύλης, εντούτοις η σύγχρονη επιστήμη δεν διαθέτει ακόμη τα κατάλληλα εργαλεία μαθηματικής ανάλυσης που θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν στην πλήρη ανάπτυξή της. Οπως χαρακτηριστικά λέγεται, πρόκειται για «μια θεωρία του 21ου αιώνα, η οποία ανακαλύφθηκε νωρίτερα από την εποχή της»! Μια θεωρία που πολλοί ονομάζουν «Θεωρία των Πάντων».

Πηγή

http://physics4u.gr/blog/2018/06/15/%ce%b3%ce%b9%ce%b1%cf%84%ce%af-%ce%b7-m-%ce%b8%ce%b5%cf%89%cf%81%ce%af%ce%b1-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%ce%bf-%ce%ba%ce%bf%cf%81%cf%85%cf%86%ce%b1%ce%af%ce%bf%cf%82-%cf%85%cf%80%ce%bf%cf%88%ce%ae/