Θεωρία Χορδών.

[Δροσος Γεωργιος]

Τι απέγινε η Θεωρία Χορδών;

Στις αρχές του 21ου αιώνα, πολλοί φυσικοί πίστευαν ότι η θεωρία των χορδών μπορούσε να μας δώσει τις οριστικές απαντήσεις για όλα τα μυστήρια του σύμπαντος… Τις έχει δώσει όντως;

Σε γενικές γραμμές, η θεωρία των χορδών είναι ένα μαθηματικό πλαίσιο που αντικαθιστά τα σημειακά σωματίδια με μονοδιάστατες «χορδές» ως τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ύλης. Αρχικά προτάθηκε ως εξήγηση για ένα διαφορετικό φαινόμενο, αλλά γρήγορα τράβηξε την προσοχή των φυσικών που εργάζονταν για την ενοποίηση της κβαντομηχανικής και της γενικής σχετικότητας – δύο εξαιρετικά επιτυχημένες και εξίσου έγκυρες θεωρίες που είναι γνωστό ότι δεν ταιριάζουν μεταξύ τους.Ακολούθησαν δύο “επανάστασεις των υπερχορδών”, οι οποίες σημείωσαν εντυπωσιακά βήματα στην χαρτογράφηση των λεπτομερειών για το πώς η θεωρία χορδών θα μπορούσε να αποτυπώσει την πολυπλοκότητα του σύμπαντός μας. Ο ενθουσιασμός γύρω από την θεωρία των χορδών φυσικά μεταδόθηκε στους λάτρεις της επιστήμης στις δεκαετίες του 1990 και του 2000, παράγοντας διάσημα ντοκιμαντέρ όπως το The Elegant Universe του PBS 

https://www.pbs.org/wgbh/nova/series/the-elegant-universe/

και μια πληθώρα δημοφιλών και ακαδημαϊκών βιβλίων.Ωστόσο, με την αλλαγή του αιώνα, η δημοσιότητα γύρω από την θεωρία χορδών φάνηκε να εξασθενεί. Ομολογουμένως, η κοινή γνώμη είναι ασταθής και αδιάφορη, και το γεγονός ότι οι μη ακαδημαϊκοί δεν ενδιαφέρονται δεν σημαίνει ότι η ιδέα έχει πεθάνει. Παρ’ όλα αυτά, αν το εργαλείο Ngram της Google αποτελεί ένδειξη, τότε η επιρροή της θεωρίας χορδών έχει κλονιστεί την τελευταία δεκαετία περίπου.Εννοείται πως οι φυσικοί δεν έχουν εγκαταλείψει το κυνήγι μιας θεωρίας των πάντων. Αλλά είναι η θεωρία των χορδών η κύρια υποψήφια ως η θεωρία των πάντων – αν υπήρξε ως τέτοια ποτέ; Ή μήπως υπάρχουν τώρα καλύτερες εναλλακτικές λύσεις; Έχει πραγματικά μειωθεί η δημοφιλία της και η επιδραστικότητά της; Κι αν ναι, γιατί;

Τι απέγινε λοιπόν η θεωρία χορδών; Είναι το ερώτημα που τέθηκε σε γνωστούς φυσικούς οι οποίοι έδωσαν τις παρακάτω απαντήσεις.

Daniel Whiteson (Φυσικός σωματιδίων, University of California, Irvine και ATLAS Collaboration at CERN):

https://sites.uci.edu/daniel/
Η θεωρία των χορδών δεν είναι νεκρή! Η μεγαλύτερη αντίρρηση εναντίον της είναι ότι οι προβλέψεις της αφορούν πράγματα σε μικροσκοπική κλίμακα που δεν μπορούμε ακόμη να ελέγξουμε πειραματικά, επομένως δεν έχει παράσχει μια διαψεύσιμη πρόβλεψη. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν θα το κάνει ποτέ. Η θεωρία ομάδων ήταν μια μαθηματική παραξενιά επί έναν αιώνα πριν ανακαλύψουμε ότι ήταν απαραίτητη για την περιγραφή της σωματιδιακής φυσικής και της κβαντικής θεωρίας πεδίου. Δεν είμαι οπαδός της κατηγοριοποίησης των πραγμάτων σε «επιστήμη» ή «μη επιστήμη», γιατί ποιος ξέρει ποια ιδιαίτερη περιέργεια θα οδηγήσει σε μια ανακάλυψη;

John H. Schwarz (Θεωρητικός φυσικός, California Institute of Technology. ανακάλυψε τον μηχανισμό Green-Schwarz, οποίος πυροδότησε την πρώτη επανάσταση των υπερχορδών το 1984):

https://www.johnschwarz.caltech.edu/
Η θεωρία των χορδών απογειώθηκε [γύρω στο 1984] και έκτοτε είναι πολύ ενεργή. Τα ετήσια συνέδρια θεωρίας χορδών εξακολουθούν να είναι δυναμικά και συνήθως έχουν αρκετές εκατοντάδες συμμετέχοντες. […] Ένα μεγάλο μέρος της κοινότητας της θεωρητικής φυσικής σωματιδίων είναι πλέον πεπεισμένο ότι βρισκόμαστε στο σωστό δρόμο για να ανακαλύψουμε τη σωστή ενοποιημένη θεωρία του σύμπαντός μας (και πολλοί επικριτές έχουν μετανιώσει).
Ωστόσο, συνειδητοποιούμε επίσης ότι υπάρχουν πολλά περισσότερα που πρέπει να κατανοηθούν και μπορεί να χρειαστεί πολύς χρόνος για να αποκτήσουμε πειραματικά στοιχεία που να υποστηρίζουν αυτή τη θεωρία.

Peter Woit (Φυσικομαθηματικός, Columbia University. συγγραφέας του Not Even Wrong και του αντίστοιχου ιστότοπου):

https://www.math.columbia.edu/~woit/
Η ιδέα της θεωρίας χορδών ως μιας νέας θεμελιώδους ενοποιημένης θεωρίας έχει πεθάνει εδώ και πολύ καιρό. Για να το απλοποιήσουμε λίγο, χρειάζεται δέκα χωροχρονικές διαστάσεις, αλλά εμείς βλέπουμε μόνο τέσσερις, οπότε πρέπει να απαλλαγούμε από έξι. Τα απλά σενάρια που το κάνουν αυτό δεν μοιάζουν με τον πραγματικό κόσμο. Τα περίπλοκα μπορούν να σας δώσουν σχεδόν τα πάντα, οπότε (στην ουσία) δεν προβλέπουν τίποτα.
Το τελευταίο καρφί στο φέρετρο της θεωρίας των χορδών ήταν τα αρνητικά αποτελέσματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) σχετικά με την υπερσυμμετρία, η οποία είναι ένα κρίσιμο μέρος των περισσότερων σεναρίων και το μόνο πράγμα που έχει κάποια ελπίδα να φανεί πειραματικά. Ο όρος «θεωρία χορδών» έχει χρησιμοποιηθεί για να συμπεριλάβει ένα τεράστιο φάσμα διαφορετικών ιδεών που προέκυψαν από την προσπάθεια να λειτουργήσει μια ενοποιημένη θεωρία. Οι περισσότεροι «θεωρητικοί των χορδών» τώρα δεν εργάζονται πάνω στην αποτυχημένη ενοποιημένη θεωρία αλλά σε πολύ διαφορετικά θέματα.
Από αυτό έχουν προκύψει μερικές σημαντικές νέες ιδέες στα μαθηματικά, αλλά καμία νέα εικόνα για τη θεμελιώδη φυσική στον κόσμο μας. Συγκεκριμένα, ενώ οι άνθρωποι μελετούν πολλές «κβαντικές βαρύτητες», αλλά αυτές είναι θεωρίες που δεν εξηγούν την κβαντική βαρύτητα στον τετραδιάστατο κόσμο μας.

Thomas Van Riet (Θεωρητικός φυσικός, Leuven University. ασχολείται με την υπερβαρύτητα, τη θεωρία χορδών, την ολογραφία και την κοσμολογία):

https://www.kuleuven.be/wieiswie/en/person/00055735
Ναι, [έχει μειωθεί η δημοφιλία της θεωρίας των χορδών]. Ο λόγος είναι ότι πριν από 20 χρόνια οι άνθρωποι που προωθούσαν την επιστήμη και έγραφαν προτάσεις για χρηματοδότηση υποσχέθηκαν τον ουρανό με τ’ άστρα. Ήταν κάτι που στην πραγματικότητα ποτέ δεν είχε νόημα. Γνωρίζαμε επίσης πριν από 20 χρόνια ότι η θεωρία χορδών έχει ένα λεγόμενο τοπίο (landscape) θεμελιωδών καταστάσεων και επομένως δεν έχει μοναδικές προβλέψεις.
Αλλά βλέπουμε ότι οι λεγόμενες εναλλακτικές δεν μπορούν να ανταγωνιστούν καθόλου, ενώ παραμένει κοινωνιολογικό αίνιγμα το πώς κατάφεραν να παρουσιαστούν ως ισότιμες επιλογές. Επιτρέψτε μου να είμαι σαφής, είναι υπέροχο που οι άνθρωποι μελετούν άλλες επιλογές. Αλλά απλά δεν υπάρχει λόγος να πούμε ότι πέτυχαν μια κβαντομηχανική περιγραφή της βαρύτητας.
Λένε ότι χωρίς πείραμα δεν μπορούμε να χαρακτηρίσουμε μια θεωρία καλύτερη από μια άλλη. Αυτό είναι εντελώς λάθος. Υπάρχουν πολλοί έλεγχοι συνέπειας, οι οποίοι είναι παράλογα δύσκολο να περάσουν. Μπορείτε να υπολογίσετε την εντροπία της μαύρης τρύπας; Οι θεωρητικοί των χορδών μπόρεσαν να την υπολογίσουν σε πολύ ιδανικές συνθήκες και αναπαρήγαγαν τον διάσημο τύπο του Hawking για την εντροπία της μαύρης τρύπας!
Εδώ είναι που η επιστήμη μπορεί να προχωρήσει χωρίς πειραματικά δεδομένα και είναι ένα σημείο που παρεξηγείται σε μεγάλο βαθμό από τους φιλοσόφους: στη φυσική μελετάμε συνεχώς α-φύσικα πράγματα… Αλλά αυτό σημαίνει ότι δημιουργούμε ιδανικές συνθήκες, ώστε να είμαστε σε θέση να κάνουμε υπολογισμούς και να ελέγξουμε ένα πλαίσιο. Στην κβαντική βαρύτητα, το ίδιο το παιχνίδι της μαθηματικής συνέπειας είναι τόσο ισχυρό που κάνει την αναζήτηση θεωριών σχεδόν να συγκλίνει μοναδικά προς τις χορδές.
Παρομοίως, η θεωρία χορδών μπορεί να είναι απλώς ένα μοντέλο-παιχνίδι. Αλλά ακόμα κι αυτό είναι υπέροχο! Μπορώ για παράδειγμα, σε αυτό το μοντέλο, να ψάξω έναν χώρο με μια μοναδικότητα Μεγάλης Έκρηξης και να αναρωτηθώ, πώς το αντιμετωπίζει αυτή η θεωρία; Πρέπει να δώσει μια απάντηση, αφού είναι μια μαθηματικά πλήρης θεωρία. Έτσι, πρέπει να σας πει πώς μοιάζει η αρχή του χρόνου σε αυτό το μοντέλο (παιχνίδι;).

Carlo Rovelli (Θεωρητικός φυσικός, Centre de Physique Théorique de Luminy in France. Ο Rovelli συμμετείχε στην διατύπωση της loop quantum gravity, μιας αντίπαλης θεωρίας της θεωρίας χορδών):

https://www.cpt.univ-mrs.fr/~rovelli/
Ειδικά τα τελευταία 10 ή 5 χρόνια, για την μεγάλη κοινότητα των φυσικών, η ελκυστικότητα της θεωρίας χορδών έχει μειωθεί σημαντικά. Για τρεις λόγους. Ο πρώτος είναι ότι η θεωρία έχει δείξει πως ένας αριθμός φυσικών προβλέψεων θα μπορούσε να επαληθευτεί, όπως υπερσυμμετρικά σωματίδια που θα παρατηρούνταν από τον [LHC], μια αρνητική κοσμολογική σταθερά, η παραγωγή μικροσκοπικών μαύρων τρυπών σε πειράματα σωματιδιακής φυσικής, τροποποιήσεις του νόμου του Νεύτωνα σε μικρή κλίμακα και ούτω καθεξής. Καμία από αυτές τις προβλέψεις δεν αποδείχθηκε σωστή.
Αυτές οι επαναλαμβανόμενες αποτυχίες δεν καταστρέφουν εντελώς τη θεωρία, η οποία μπορεί πάντα να «προσαρμοστεί» ώστε να αντιμετωπίσει το αρνητικό αποτέλεσμα. Αλλά έχουν κλονίσει την εμπιστοσύνη στη θεωρία για την πλειοψηφία των επιστημόνων.
Ο δεύτερος λόγος, πιθανώς ακόμη πιο σημαντικός, είναι ότι η θεωρία τράβηξε μεγάλη προσοχή στις δεκαετίες του 1980 και του 1990, επειδή υποσχόταν να λύσει ανοιχτά ερωτήματα στη σωματιδιακή φυσική. Για παράδειγμα, ο υπολογισμός των ελεύθερων παραμέτρων του Καθιερωμένου Μοντέλου από πρώτες αρχές, η κατανόηση του γιατί υπάρχουν τρεις γενιές σωματιδίων, και ούτω καθεξής. Η θεωρία των χορδών δεν τα κατάφερε ποτέ. Αυτή η αποτυχία έχει επίσης μειώσει την αξιοπιστία της υπόθεσης των χορδών.
Ο τρίτος λόγος είναι ότι μετά από 50 χρόνια δεν έχουμε ακόμη μια καλά καθορισμένη διατύπωση της θεωρίας χορδών. Έχουμε ένα συνονθύλευμα σχετικών αποτελεσμάτων, αλλά καμία σαφή συνολική θεωρία που να καθορίζεται από ένα καλά διατυπωμένο σύνολο εξισώσεων.

Hiroshi Ooguri (Theoretical physicist, California Institute of Technology. συνέβαλε σημαντικά στις μαθηματικές εξελίξεις στη θεωρία χορδών):

https://ooguri.caltech.edu/
Η ενοποίηση της κβαντομηχανικής με την «γενική» σχετικότητα είναι 25 φορές πιο δύσκολη από την ενοποίησή της με την «ειδική» σχετικότητα. […] Χρειάστηκαν στους φυσικούς 50 χρόνια για να αναπτύξουν ένα συγκεκριμένο μοντέλο βασισμένο στην κβαντική θεωρία πεδίου για να περιγράψουν φαινόμενα σωματιδιακής φυσικής (το Καθιερωμένο Πρότυπο) και άλλα 40 χρόνια για να επιβεβαιώσουν όλες τις προβλέψεις του (η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs).
Επομένως, θα μπορούσε κανείς να ισχυριστεί ότι θα χρειαστούν 1.250 χρόνια για να κατασκευαστεί ένα ρεαλιστικό μοντέλο του σύμπαντος από τη θεωρία χορδών και άλλα 1.000 χρόνια για να επαληθευτεί πειραματικά. Τώρα, δεν νομίζω ότι θα χρειαζόταν τόσο πολύς χρόνος, αλλά αυτό καταδεικνύει πόσο δύσκολο είναι το πρόβλημα. Επομένως, θα περίμενα ότι η επίτευξη μιας τέτοιας ενοποίησης θα παράγει 25 φορές πιο ικανοποιητικά αποτελέσματα και θα έχει 25 φορές μεγαλύτερο αντίκτυπο σε ένα ευρύ φάσμα φυσικής και μαθηματικών.
Προς το παρόν, η θεωρία χορδών είναι η μόνη υποσχόμενη υποψήφια για την επίτευξη ενοποίησης. Καμία άλλη πρόταση δεν έχει συγκρίσιμη επίδραση σε ένα ευρύ φάσμα επιστημών ή αντίστοιχο μαθηματικό βάθος. Έτσι, κατά κάποιο τρόπο, εμείς οι θεωρητικοί φυσικοί αναπτύσσουμε μια γλώσσα για να κατανοήσουμε τη φύση.
Ένα πράγμα που θέλω να επισημάνω είναι ότι, φυσικά, ο τελικός μας στόχος είναι να ενοποιήσουμε τη γενική σχετικότητα και τη κβαντομηχανική και στη συνέχεια να το ελέγξουμε πειραματικά. Ελπίζω ότι θα υπάρξει ένα θετικό αποτέλεσμα, αλλά αν απορριφθεί, αυτό είναι επίσης πρόοδος στην επιστήμη, οπότε θα το δεχτώ.

Cumrun Vafa (Θεωρητικός φυσικός, Harvard University. Ο Vafa βραβεύθηκε το 2017 με το Breakthrough Prize στη Φυσική για την εργασία του στην εφαρμογή της θεωρίας χορδών στη μελέτη των μαύρων τρυπών και του σύμπαντος):

https://www.cumrunvafa.org/
Τα αινίγματα συχνά εμφανίζονται ανά ζεύγη, που το καθένα λειτουργεί ως λύση του άλλου! Αυτό φαίνεται να συμβαίνει σήμερα στη φυσική. Πρόσφατες κοσμολογικές παρατηρήσεις από δύο ομάδες, DESI και DES, στα δεδομένα τους του 2024 και 2025, βρήκαν ενδείξεις ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας, το οποίο υποθέτει ότι ο σκοτεινός τομέας δεν μειώνεται με τον χρόνο, δεν ταιριάζει με τα δεδομένα. Προς το παρόν, το μοντέλο μας που βασίζεται στη θεωρία χορδών είναι το καλύτερο μοντέλο που προσαρμόζεται στα δεδομένα τους!»
Παράλληλα, βρίσκονται σε εξέλιξη πειράματα στην Αυστρία και στις ΗΠΑ που στοχεύουν στην άμεση ανίχνευση της σκοτεινής διάστασης [υποθετική επιπλέον διάσταση στη θεωρία χορδών]… Αυτά τα πειράματα απέχουν λίγα χρόνια από την παραγωγή των πρώτων δεδομένων τους.
Φαίνεται λοιπόν ότι τόσο οι κοσμολογικές παρατηρήσεις μεγάλης κλίμακας όσο και τα επιτραπέζια πειράματα μικρής κλίμακας βρίσκονται στον δρόμο για να επιβεβαιώσουν τις προβλέψεις της θεωρίας χορδών. Ίσως βρισκόμαστε στο κατώφλι μιας σημαντικής επιστημονικής ανακάλυψης. Θα πρέπει να έχουμε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα μέσα σε 5 έως 10 χρόνια.

Το συντομότερο κεφάλαιο σε βιβλίο Φυσικής

πηγή: https://gizmodo.com/whatever-happened-to-string-theory-2000686064