תיאוריית המיתרים. האם אי פעם חשבת שהיקום הוא כמו צ'לו? נכון - היא לא באה. כי היקום אינו כמו צ'לו. אבל זה לא אומר שאין לה חוטים. בואו נדבר היום על תורת המיתרים.
כמובן, מיתרי היקום כמעט ואינם דומים לאלו שאנו מדמיינים. בתיאוריית המיתרים, מדובר בגדי אנרגיה רוטטים קטנים להפליא. חוטים אלה דומים יותר ל"גומיות "קטנטנות שיכולות להתפתל, להימתח ולהתכווץ מכל הבחינות. אולם כל זה לא אומר שאי אפשר "לשחק" עליהם את הסימפוניה של היקום, כי לפי תיאורטיקנים של מחרוזות, כל מה שקיים מורכב מ"חוטים "אלה.
סתירה בפיזיקה
במחצית השנייה של המאה ה -19, פיסיקאים חשבו שלא ניתן לגלות דבר רציני במדעם. הפיזיקה הקלאסית האמינה כי לא נשארו בו בעיות רציניות, וכל מבנה העולם נראה כמו מכונה ניתנת לאיתור באגים וניבוי. הצרה, כרגיל, קרתה בגלל שטויות - אחד ה"עננים "הקטנים שנשארו עדיין בשמי המדע הצלולים והמובנים. כלומר, כאשר מחשבים את אנרגיית הקרינה של גוף שחור לחלוטין (גוף היפותטי שסופג לחלוטין את תקרית הקרינה עליו בכל טמפרטורה, ללא קשר לאורך הגל - NS).
חישובים הראו שאנרגיית הקרינה הכוללת של כל גוף שחור לחלוטין חייבת להיות גדולה לאין שיעור. כדי להתרחק מאבסורד כה ברור, הציע המדען הגרמני מקס פלאנק בשנת 1900 כי אור גלוי, צילומי רנטגן וגלים אלקטרומגנטיים אחרים יכולים להיפלט רק על ידי כמה חלקים נפרדים של אנרגיה, שאותם כינה קוואנטים. בעזרתם ניתן היה לפתור בעיה מסוימת של גוף שחור לחלוטין. עם זאת, ההשלכות של השערת הקוונטים על הדטרמיניזם עדיין לא מומשו. עד שמדען גרמני אחר, ורנר הייזנברג, גיבש את עקרון אי הוודאות המפורסם בשנת 1926.
מהותו מסתכמת בעובדה שבניגוד לכל הטענות הרווחות בעבר, הטבע מגביל את יכולתנו לחזות את העתיד על בסיס חוקים פיזיים. אנחנו כמובן מדברים על העתיד וההווה של חלקיקים תת -אטומיים. התברר שהם מתנהגים בצורה שונה לחלוטין מאיך שעושים כל דבר במקרוקוסמוס שסביבנו. ברמה התת -אטומית, מרקם החלל הופך לא אחיד וכאוטי. עולם החלקיקים הזעירים כה סוער ובלתי מובן עד שהוא מתנגד לשכל הישר. המרחב והזמן בו כל כך מעוותים ושזורים זה בזה עד שאין מושגים רגילים של שמאל וימין, למעלה ותחתון, ואפילו לפני ואחרי.
אין דרך לומר בוודאות באיזו נקודה בחלל חלקיק זה או אחר נמצא ברגע נתון, ומהו רגע המומנטום שלו. יש רק הסתברות מסוימת למצוא חלקיק במגוון אזורים של זמן-מרחב. נראה כי חלקיקים ברמה התת -אטומית "נמרחים" בחלל. יתר על כן, גם "מעמד" החלקיקים אינו מוגדר: במקרים מסוימים הם מתנהגים כמו גלים, באחרים הם מציגים את תכונות החלקיקים. זה מה שפיסיקאים מכנים את הדואליות של חלקיקי הגל של מכניקת הקוונטים.
בתורת היחסות הכללית, כאילו במצב עם חוקים מנוגדים, המצב שונה מהותית. החלל נראה כמו טרמפולינה - בד חלק שחפצי המסה יכולים להתכופף ולמתוח. הם יוצרים עיוותים של מרחב -זמן - מה שאנו חווים כחומרת הכבידה.מיותר לציין כי תורת היחסות הכללית ההרמונית, הנכונה והצפויה נמצאת בסכסוך בלתי מסיס עם "החוליגן האקסצנטרי" - מכניקת הקוונטים, וכתוצאה מכך, המקרוקוסמוס אינו יכול "לעשות שלום" עם המיקרוקוסמוס. כאן נכנסת תורת המיתרים.
תורת המיתרים מגלמת את חלומם של כל הפיסיקאים לאחד בין תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים הסותרים ביסודם, חלום שעד סוף ימיו רדף את אלברט איינשטיין "הצועני והנודד" הגדול ביותר.
מדענים רבים מאמינים שכל דבר, החל בריקוד הגלקסיות המעודן ועד הריקוד המטורף של חלקיקים תת -אטומיים, יכול בסופו של דבר להיות מוסבר על ידי עקרון פיזי בסיסי אחד בלבד. אולי - אפילו חוק אחד המאחד את כל סוגי האנרגיה, החלקיקים והאינטראקציות באיזו נוסחה אלגנטית.
היחסות הכללית מתארת את אחד הכוחות המפורסמים ביותר של היקום - כוח הכבידה. מכניקת הקוונטים מתארת שלושה כוחות נוספים: הכוח הגרעיני החזק, הדביק פרוטונים ונויטרונים יחד באטומים, אלקטרומגנטיות והכוח החלש, המשתתף בהתפרקות רדיואקטיבית. כל אירוע ביקום, החל מהיינון של האטום ועד לידתו של כוכב, מתואר על ידי האינטראקציות של החומר באמצעות ארבעת הכוחות הללו.
בעזרת מתמטיקה מתוחכמת ניתן היה להראות כי לאינטראקציות האלקטרומגנטיות והחלשות יש אופי משותף, המשלב אותן לכדי חשמל יחיד. לאחר מכן נוספה להם אינטראקציה גרעינית חזקה - אך כוח הכבידה אינו מצטרף אליהם בשום צורה. תורת המיתרים היא אחד המועמדים הרציניים ביותר לשילוב בין כל ארבעת הכוחות, ועל כן אימוץ כל התופעות ביקום - לא בכדי היא מכונה "תורת הכל".
בהתחלה היה מיתוס
עד כה, לא כל הפיזיקאים מתלהבים מתורת המיתרים. ועם שחר הופעתה היא אכן נראתה רחוקה לאין שיעור מהמציאות. עצם הולדתה היא אגדה.
בסוף שנות השישים חיפש הפיזיקאי התיאורטי האיטלקי הצעיר גבריאל ונציאנו משוואות שיכולות להסביר אינטראקציות גרעיניות חזקות - הדבק החזק ביותר שמחזיק את גרעיני האטומים יחדיו ומחבר פרוטונים ונויטרונים. על פי האגדה, הוא איכשהו נתקל בספר מאובק על ההיסטוריה של המתמטיקה, בו מצא פונקציה לפני מאתיים שנה, שנכתב לראשונה על ידי המתמטיקאי השוויצרי לאונרד אוילר. תארו לעצמכם את הפתעתו של ונציאנו כשגילה שהפונקציה אוילר, שנחשבה במשך זמן רב לא יותר מסקרנות מתמטית, מתארת את האינטראקציה החזקה הזו.
איך היה באמת? הנוסחה היא כנראה תוצאה של שנים רבות של עבודה של ונציאנו, והמקרה רק עזר לעשות את הצעד הראשון לקראת גילוי תורת המיתרים. תפקידו של אוילר, שהסביר באורח פלא את האינטראקציה החזקה, קיבל חיים חדשים.
בסופו של דבר הוא משך את עינו של הפיזיקאי התיאורטי האמריקאי הצעיר לאונרד סוסקינד, שראה שקודם כל, הנוסחה מתארת חלקיקים שאין להם מבנה פנימי ויכולים לרטוט. חלקיקים אלה התנהגו בצורה כזו שהם לא יכולים להיות רק חלקיקי נקודה. סוסקינד הבין כי הנוסחה מתארת חוט הדומה לרצועה אלסטית. היא לא יכלה רק למתוח ולהתכווץ, אלא גם להסס, להתפתל. לאחר שתיאר את תגליתו, הציג סוסקינד את הרעיון המהפכני של מיתרים.
לרוע המזל, הרוב המכריע של עמיתיו בירך את התיאוריה בקור רוח למדי.
דגם סטנדרטי
בזמנו, המדע המיינסטרימי ייצג חלקיקים כנקודות, לא כמחרוזות. במשך שנים, פיסיקאים חקרו את התנהגותם של חלקיקים תת -אטומיים, התנגשו בהם במהירות גבוהה ולמדו את ההשלכות של התנגשויות אלה. התברר שהיקום הרבה יותר עשיר ממה שאפשר לדמיין. זה היה "פיצוץ אוכלוסין" אמיתי של חלקיקים אלמנטריים. סטודנטים לתארים מתקדמים מאוניברסיטאות פיזיקה רצו לאורך המסדרונות בצעקות שגילו חלקיק חדש - אין אפילו מספיק אותיות לייעודם.אך, למרבה הצער, ב"בית החולים ליולדות "של חלקיקים חדשים, מדענים לא הצליחו למצוא את התשובה לשאלה - מדוע יש כאלה רבים ומאיפה הם באים?
זה גרם לפיזיקאים להעלות תחזית יוצאת דופן ומדהימה - הם הבינו שאפשר להסביר את הכוחות הפועלים בטבע גם באמצעות חלקיקים. כלומר, ישנם חלקיקי חומר, וישנם חלקיקים הנושאים אינטראקציות. כזה, למשל, הוא פוטון - חלקיק אור. ככל שחלקיקי המוביל האלו - אותם פוטונים שחלקיקי החומר מחליפים - האור בהיר יותר. מדענים ניבאו שהחלפה הספציפית הזו של חלקיקי נשא היא לא יותר ממה שאנו תופסים ככוח. זה אושר על ידי ניסויים. כך הצליחו הפיזיקאים להתקרב לחלומו של איינשטיין לאחד כוחות.
מדענים מאמינים שאם נחזור קדימה לרגע שאחרי המפץ הגדול, כשהיקום היה טריליוני מעלות חמים יותר, החלקיקים-נשאי האלקטרומגנטיות והאינטראקציה החלשה יהפכו לבלתי ניתנים להבחנה ויתאגדו לכוח אחד הנקרא אלקטרוביק. ואם נחזור עוד יותר אחורה בזמן, אזי האינטראקציה החלשה -אלקטרונית תשלב עם החזקה לכדי "מעצמת -על" אחת.
בעוד כל זה עדיין ממתין להוכחה, מכניקת הקוונטים הסבירה לפתע כיצד שלושה מארבעת הכוחות מתקשרים ברמה התת -אטומית. והיא הסבירה יפה ועקבית. התמונה המסודרת הזו של אינטראקציות התפרסמה בסופו של דבר כמודל הסטנדרטי. אבל, אבוי, לתיאוריה המושלמת הזו הייתה בעיה אחת גדולה - היא לא כללה את הכוח המפורסם ביותר ברמת המאקרו - כוח הכבידה.
לגבי תורת המיתרים, שלא הספיקה "לפרוח", הגיע "הסתיו", היא הכילה בעיות רבות מדי כבר מהלידה. לדוגמה, חישובי התיאוריה ניבאו את קיומם של חלקיקים, שככל שהתבססה במהירות, לא היו קיימים. זהו מה שנקרא tachyon - חלקיק הנע בחלל ריק מהר יותר מהאור. בין היתר התברר שהתיאוריה דורשת עד 10 מדידות. באופן לא מפתיע, זה היה מבלבל מאוד עבור הפיזיקאים, כי ברור שזה יותר ממה שאנו רואים.
עד 1973, רק כמה פיזיקאים צעירים עדיין התמודדו עם החישובים המסתוריים של תורת המיתרים. אחד מהם היה הפיזיקאי התיאורטי האמריקאי ג'ון שוורץ. במשך ארבע שנים ניסה שוורץ לאלף את המשוואות השובבות, אך ללא הועיל. בין שאר הבעיות, אחת המשוואות הללו המשיכה לתאר חלקיק מסתורי שלא היה לו מסה ולא נצפה בטבע.
המדען כבר החליט לנטוש את עבודתו הרעה, ואז זה עלה בראשו - אולי משוואות תורת המיתרים מתארות, בין היתר, את כוח הכבידה? עם זאת, הדבר רמז על שינוי בגודל "הגיבורים" העיקריים של התיאוריה - מחרוזות. בהנחה שהמחרוזות קטנות במיליארדים ובמיליארדי פעמים מאטום, הפכו אנשי המחרוזת את פגם התיאוריה ליתרון שלה. החלקיק המסתורי שג'ון שוורץ ניסה כל כך להיפטר ממנו פעל כעת כגרביטון - חלקיק שחיפשו אותו זמן רב ואשר יאפשר העברת כוח הכבידה לרמה הקוונטית. כך השלימה תורת המיתרים את הפאזל בכוח המשיכה שלא נמצא במודל הסטנדרטי. אך, אבוי, הקהילה המדעית לא הגיבה אפילו לגילוי זה. תורת המיתרים נותרה על סף הישרדות. אבל זה לא מנע את שוורץ. רק מדען אחד שמוכן לסכן את הקריירה שלו למען מחרוזות מסתוריות רצה להצטרף לחיפוש שלו - מייקל גרין.
בובות קינון תת אטומיות
למרות הכל, בתחילת שנות השמונים, לתורת המיתרים עדיין היו סתירות בלתי פתירות, הנקראות אנומליות במדע. שוורץ וגרין החלו לחסל אותם. ומאמציהם לא היו לשווא: מדענים הצליחו לחסל כמה מהסתירות של התיאוריה. תארו לעצמכם את השתאותם של שני אלה, שכבר התרגלו לכך שהתעלמה מהתיאוריה שלהם, כאשר תגובת הקהילה המדעית פוצצה את העולם המדעי. בתוך פחות משנה, מספר תאורטיקני המיתרים זינק למאות.אז זכתה תורת המיתרים בתואר Theory of Everything. נראה כי התאוריה החדשה מסוגלת לתאר את כל מרכיבי היקום. ואלו המרכיבים.
כל אטום, כידוע, מורכב מחלקיקים קטנים עוד יותר - אלקטרונים, המקיפים סביב גרעין, המורכבים מפרוטונים ונייטרונים. פרוטונים ונויטרונים, בתורם, מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר - קווארקים. אבל תורת המיתרים אומרת שקווארקים אינם מסתיימים בכך. קווארקים מורכבים מחוטי אנרגיה מתפתלים זעירים הדומים למיתרים. כל אחד מהמחרוזות האלה קטן להפליא.
מספיק קטן שאם האטום יגדל לגודל מערכת השמש, המחרוזת תהיה בגודל של עץ. כשם שתנודות שונות של מחרוזת צ'לו יוצרות את מה שאנו שומעים, כמו תווים מוזיקליים שונים, מצבי רטט שונים של המיתר מעניקים לחלקיקים את המאפיינים הייחודיים שלהם - מסה, מטען וכו '. האם אתה יודע כיצד, באופן יחסי, הפרוטונים בקצה הציפורן שונים מהגרביטון שטרם נפתח? רק סט המיתרים הזעירים המרכיבים אותם והדרך שבה מיתרים אלה רוטטים.
כמובן, כל זה יותר ממדהים. מאז ימי יוון העתיקה, הפיסיקאים התרגלו לכך שכל דבר בעולם הזה מורכב ממשהו כמו כדורים, חלקיקים זעירים. ועכשיו, בלי להספיק להתרגל להתנהגות הבלתי הגיונית של הכדורים האלה, הנובעים ממכניקת הקוונטים, הם מוזמנים לנטוש לחלוטין את הפרדיגמה ולפעול עם כמה שאריות ספגטי …
ממד חמישי
למרות שמדענים רבים מכנים את תורת המיתרים ניצחון של המתמטיקה, עדיין יש לה כמה בעיות - ובעיקר היעדר הזדמנות לבדוק אותה בניסוי בעתיד הקרוב. אף מכשיר אחד בעולם, לא קיים ואינו מסוגל להופיע בפרספקטיבה, אינו מסוגל "לראות" את המיתרים. לכן, כמה מדענים, אגב, אפילו שואלים את השאלה: האם תורת המיתרים היא תיאוריה של פיזיקה או פילוסופיה?.. נכון, אין צורך כלל לראות את המיתרים "במו עיניהם". במקום זאת, הוכחת תורת המיתרים דורשת משהו אחר - מה שנשמע כמו מדע בדיוני - אישור לקיומם של ממדים נוספים של מרחב.
על מה זה? כולנו רגילים לשלושה ממדים של מרחב וחד פעמי. אבל תורת המיתרים מנבאת גם ממדים אחרים - מיותרים. אבל נתחיל לפי הסדר.
למעשה, רעיון קיומם של ממדים אחרים מקורו לפני כמעט מאה שנה. זה עלה בדעתו של המתמטיקאי הגרמני הלא ידוע אז תיאודור קלוזה בשנת 1919. הוא הציע אפשרות לנוכחות של ממד אחר ביקום שלנו, שאיננו רואים. אלברט איינשטיין גילה את הרעיון הזה, ובהתחלה הוא אהב אותו מאוד. אולם מאוחר יותר הוא פקפק בנכונותו, ועיכב את פרסום קלוזה במשך שנתיים תמימות. אולם בסופו של דבר המאמר עדיין פורסם, והמימד הנוסף הפך לסוג של תחביב של גאון הפיזיקה.
כידוע, איינשטיין הראה כי כוח הכבידה אינו אלא עיוות של ממדי זמן-מרחב. קלוזה הניח כי אלקטרומגנטיות יכולה להיות גם אדוות. למה אנחנו לא רואים את זה? קלוזה מצא את התשובה לשאלה זו - אדוות האלקטרומגנטיות יכולות להתקיים בממד מוסתר נוסף.
אבל איפה זה?
התשובה לשאלה זו ניתנה על ידי הפיזיקאי השבדי אוסקר קליין, שהציע כי הממד החמישי של קלוזה מסולסל פי מיליארדי ממידותיו של אטום אחד, ולכן איננו יכולים לראות אותו. הרעיון של קיומו של הממד הזעיר הזה שנמצא סביבנו הוא לב ליבה של תורת המיתרים.
אך למעשה, המשוואות של תורת המיתרים דורשות אפילו לא אחת, אלא שש ממדים נוספים (בסך הכל, עם ארבעת המוכרים, יש בדיוק 10 מהם). לכולם צורה מורכבת ומעוקלת מאוד. וכולם קטנים באופן בלתי נתפס.
כיצד ממדים זעירים אלה יכולים להשפיע על עולמנו הגדול? על פי תורת המיתרים, הגורם המכריע הוא שהצורה קובעת הכל.כאשר אתה לוחץ על מקשים שונים בסקסופון, אתה מקבל צלילים שונים. הסיבה לכך היא שכאשר אתה לוחץ על מקש כזה או אחר או שילוב ביניהם, אתה משנה את צורת החלל בכלי נגינה שבו האוויר מסתובב. הודות לכך, צלילים שונים נולדים.
תורת המיתרים מאמינה שהמידות המעוקלות והמעוותות של החלל מופיעות בצורה דומה. הצורות של הממדים הנוספים הללו מורכבות ומגוונות, וכל אחת רוטטת את המיתר שנמצא בתוך ממדים כאלה בדרכים שונות דווקא בגלל צורותיו. אחרי הכל, אם נניח למשל שמחרוזת אחת רוטטת בתוך קנקן, והשנייה בתוך קרן עמוד מעוקלת, אלה יהיו תנודות שונות לחלוטין. עם זאת, אם להאמין לתורת המיתרים, הצורות החוץ-ממדיות הן למעשה הרבה יותר מורכבות מקנקן.
איך העולם עובד
המדע כיום יודע קבוצת מספרים שהם קבועי יסוד של היקום. הם קובעים את המאפיינים והמאפיינים של כל מה שסביבנו. בין קבועים כאלה, למשל, מטען האלקטרונים, קבוע הכבידה, מהירות האור בוואקום … ואם נשנה מספרים אלה אפילו מספר קטן של פעמים, התוצאות יהיו קטסטרופליות. נניח שהגברנו את כוחו של הכוח האלקטרומגנטי. מה קרה? אנו עשויים לגלות לפתע שהיונים נהדפו יותר זה מזה, וההיתוך התרמו -גרעיני, שגורם לכוכבים לזרוח ולהקרין חום, פתאום לא התקלקל. כל הכוכבים ייצאו החוצה.
אבל מה הקשר לתורת המיתרים על ממדיה הנוספים? העובדה היא שלדבריה, המידות הנוספות הן שקובעות את הערך המדויק של הקבועים הבסיסיים. צורות מדידה מסוימות גורמות למחרוזת אחת לרטוט בצורה מסוימת, ולייצר את מה שאנו רואים כפוטון. בצורות אחרות, המיתרים רוטטים בצורה שונה ויוצרים אלקטרון. באמת, אלוהים מוסתר ב"דברים הקטנים " - הצורות הזעירות האלה הן שקובעות את כל הקבועים הבסיסיים של העולם הזה.
תיאוריה של מחרוזת על
באמצע שנות השמונים, תורת המיתרים קיבלה מראה מלכותי ודקיק, אך בלבול שרר בתוך האנדרטה הזו. בתוך שנים ספורות צצו עד חמש גרסאות של תורת המיתרים. ולמרות שכל אחת מהן בנויה על מחרוזות ומימדים נוספים (כל חמשת הגרסאות משולבות לתיאוריה של מחרוזת על כללית - NS), פרטי הגרסאות הללו התבדלו באופן משמעותי.
אז, בגרסאות מסוימות, למחרוזות היו קצוות פתוחים, באחרות הן דמו לטבעות. ובחלק מהגרסאות התיאוריה אפילו דרשה לא 10 אלא 26 מדידות. הפרדוקס הוא שכל חמשת הגרסאות כיום יכולות להיקרא נכונות באותה מידה. אבל מי באמת מתאר את היקום שלנו? זוהי תעלומה נוספת בתורת המיתרים. לכן פיסיקאים רבים ויתרו שוב על התיאוריה "המטורפת".
אך הבעיה העיקרית בחוטים, כפי שכבר הוזכר, היא חוסר האפשרות (לפחות לעת עתה) להוכיח את קיומם בניסוי.
כמה מדענים, עם זאת, עדיין אומרים כי בדור הבא של המאיצים יש הזדמנות מינימלית מאוד, אך עדיין, לבחון את השערת המידות הנוספות. למרות שהרוב, כמובן, בטוחים שאם זה אפשרי, אז, אבוי, זה לא אמור לקרות בקרוב מאוד - לפחות בעוד עשרות שנים, לכל היותר - אפילו בעוד מאה שנים.
המאמר פורסם במגזין Naked Science # 14.