Μπορεί η Θεωρία των Χορδών να "ενώσει" την επιστήμη;

Εάν το σύμπαν μας είναι ένα «κοσμικό βιολί», η Θεωρία των Χορδών, με τη συνδρομή της τεχνολογίας, ίσως, κάποτε μας βοηθήσει να «ακούσουμε» τις πρωταρχικές νότες του.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, ο θρυλικός Στίβεν Χόκινγκ «τάραξε» τα ασάλευτα για δεκαετίες θεμέλια της θεωρητικής φυσικής, προδικάζοντας το τέλος της, καθώς μία «Θεωρία των Πάντων», δηλαδή ένα ενιαίο πλαίσιο, ικανό να ενώσει όλες τις δυνάμεις της φύσης, θα μπορούσε να ανακαλυφθεί μέχρι το τέλος του 20^ου αιώνα.

Ο πρωτοπόρος Άγγλος θεωρητικός φυσικός, κοσμολόγος και συγγραφέας, κατά την τελετή αναγόρευσής του σε Λουκασιανό Καθηγητή Μαθηματικών στο πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ –μία από τις πλέον φημισμένες ακαδημαϊκές έδρες στον κόσμο, στην οποία κάθισαν μεταξύ άλλων ο Ισαάκ Νεύτωνας και ο Πολ Ντιράκ– έδωσε μία διάλεξη με τίτλο «Είναι ορατό το τέλος της θεωρητικής φυσικής;». Τότε πρόβλεψε λοιπόν, ότι ήμασταν κοντά σε μία θεωρία που θα μπορούσε να ενώσει τους αντικρουόμενους κλάδους της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής.

Αρκετές δεκαετίες αργότερα, το χάσμα παραμένει. Από τη μία πλευρά βρίσκεται η γενική σχετικότητα του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει τη βαρύτητα και το σύμπαν σε μεγάλη κλίμακα: από αστέρια και πλανήτες μέχρι μαύρες τρύπες. Από την άλλη βρίσκεται η κβαντομηχανική με τους παράξενους κανόνες των πιθανοτήτων, οι οποίοι διέπουν τον υποατομικό μικρόκοσμο των σωματιδίων. Όταν οι θεωρητικοί φυσικοί προσπαθούν να «συγχωνεύσουν» τις δύο αυτές θεωρίες, τα μαθηματικά δεν «βγαίνουν». Και το πρόβλημα οφείλεται, κατά κύριο λόγο, στη βαρύτητα, καθώς είναι η μόνη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος που περιγράφονται από τη γενική σχετικότητα, μαζί με τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ισχυρή και την ασθενή πυρηνική δύναμη, που η κβαντική θεωρία δεν μπορεί να εκφράσει.

Σήμερα, γνωρίζουμε ότι ο Χόκινγκ του 1980 ήταν υπερβολικά αισιόδοξος. Άλλωστε, στην πορεία αναθεώρησε τις εκτιμήσεις του. Ωστόσο, παρόλο που ο ίδιος απεβίωσε το 2018, η αναζήτηση για ένα μοναδικό θεωρητικό πλαίσιο που θα εξηγεί πλήρως και θα συνδέει όλες τις φυσικές πτυχές του σύμπαντος, παραμένει ζωντανή.

Μικροσκοπικές μπάλες μπιλιάρδου & δονούμενες χορδές βιολιού

Ο κόσμος της επιστήμης συχνά φαντάζει χαοτικός και δυσνόητος σε όσους και όσες δεν έχουν τις γνώσεις να τον αποκωδικοποιήσουν, εντούτοις ο τρόπος με τον οποίο τον προσεγγίζουν πολλές φορές οι ερευνητές και οι ερευνήτριες είναι στην πραγματικότητα διασκεδαστικός!

Για παράδειγμα, μία από τις θεωρίες που φιλοδοξούν να «ενώσουν την επιστήμη» είναι αυτή των Χορδών. Ονομάζεται έτσι, διότι προτείνει ότι τα δομικά στοιχεία της φύσης δεν είναι σωματίδια αλλά χορδές. Ενώ λοιπόν άλλες θεωρίες αναπαριστούν τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της φύσης ως απειροελάχιστα σωματίδια –ηλεκτρόνια, κουάρκ και φωτόνια– που μοιάζουν με μικροσκοπικές μπάλες μπιλιάρδου, η εν λόγω θεωρία προτείνει ότι αν μπορούσαμε να τα κοιτάξουμε από πολύ κοντά, δεν θα βλέπαμε σημεία αλλά μικροσκοπικές δέσμες ενέργειας.

Δηλαδή; Ας πούμε ότι το σύμπαν είναι ένα «κοσμικό βιολί». Όπως ακριβώς μια χορδή βιολιού μπορεί να δονείται σε διαφορετικές συχνότητες προκειμένου να παράγει μια Ντο δίεση, ένα Σολ ή ένα Φα, οι «κοσμικές» χορδές δονούνται με διαφορετικούς τρόπους για να δημιουργήσουν τα σωματίδια που βλέπουμε. Στη μία συχνότητα δόνησης εκδηλώνεται το ηλεκτρόνιο, ενώ σε μια άλλη γίνεται κουάρκ ή φωτόνιο.

Το σημαντικό, εδώ, είναι, ότι αντικαθιστώντας τις «μικροσκοπικές μπάλες μπιλιάρδου» με τις «δονούμενες χορδές βιολιού», η βαρύτητα και ο κβαντικός κόσμος δύνανται να συναντηθούν σε ένα κοινό μαθηματικό πεδίο μέσω ενός δονούμενου σωματιδίου με τις ιδιότητες του βαρυτονίου.

Τι είναι πάλι αυτό; Το βαρυτόνιο (graviton) είναι ένα υποθετικό στοιχειώδες σωματίδιο, ο φορέας της βαρύτητας. Αντίστοιχα με το φωτόνιο στον ηλεκτρομαγνητισμό, προτείνεται από την κβαντική θεωρία πεδίων ως το σωματίδιο που μεταδίδει τη βαρυτική έλξη. Εντούτοις, η ύπαρξή του δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά, καθώς απαιτείται η ενοποίηση της κβαντομηχανικής με τη γενική σχετικότητα. Αυτό δηλαδή που προσπαθεί να πετύχει η ενοποιημένη Θεωρία των Πάντων και η Θεωρία των Χορδών.

Ένα CERN στο μέγεθος του γαλαξία

Αν και η Θεωρία των Χορδών έχει –θεωρητικά– τις προδιαγραφές να γίνει η Θεωρία των Πάντων, είναι δύσκολο να δοκιμαστεί πειραματικά, καθώς τα αποτελέσματά της γίνονται ορατά σε κλίμακες πολύ μικρές μεν, τεράστιας ενέργειας δε.

Αυτό θα μπορούσε να λάβει χώρα σε έναν επιταχυντή που εξερευνά την εσωτερική δομή των σωματιδίων, προκαλώντας τις μεταξύ τους συγκρούσεις και διασπάσεις. Ωστόσο, ακόμη και ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο ευρωπαϊκό κέντρο πυρηνικών ερευνών CERN της Γενεύης, ο μεγαλύτερος σε μέγιστη ενέργεια επιταχυντής στον κόσμο, δεν έχει αρκετή ισχύ για να διασπάσει τα σωματίδια σε χορδές.

Είναι ενδεικτικό ότι για να «δούμε» ή να διερευνήσουμε κάτι τόσο μικρό, όσο οι χορδές που εικάζεται ότι απαρτίζουν τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της φύσης, θα χρειαζόμασταν έναν επιταχυντή σωματιδίων τρισεκατομμύρια φορές πιο ισχυρό από αυτόν του CERN, δηλαδή έναν επιταχυντή περίπου στο μέγεθος του γαλαξία μας!

Δεδομένου ότι κάτι τέτοιο δεν είναι εφικτό, οι σύγχρονοι επιστήμονες και επιστημόνισσες αναζητούν την αρχή των πάντων μέσω πιο δημιουργικών οδών: Ψάχνουν ανεπαίσθητα αποτυπώματα χορδών στην κοσμική ακτινοβολία που έχει απομείνει από το Bing Bang και χρησιμοποιούν προηγμένα μαθηματικά για να βρουν έμμεσους τρόπους προκειμένου να επαληθεύσουν τη θεωρία. Μπορεί, λοιπόν, να χάσαμε την προθεσμία του Στίβεν Χόκινγκ για μια ενοποιημένη Θεωρία των Πάντων, εντούτοις, το «κοσμικό βιολί» που αποκαλούμε σύμπαν εξακολουθεί να παίζει. Και προσεχώς, η τεχνολογία ίσως, μας βοηθήσει να το «ακούσουμε» μέσα από τη Θεωρία των Χορδών.