Μετρώντας τα «Καθιερωμένα Πρότυπα» της θεωρίας των χορδών

Posted on 27/10/2018

0


Πόσες θεωρίες στοιχειωδών σωματιδίων μπορούν να προκύψουν από την θεωρία των χορδών; Μόνο 10723, λένε οι Andrei Constantin, Yang-Hui He και Andre Lukas στην δημοσίευση με τίτλο «Counting String Theory Standard Models» . 

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) είναι η φυσική θεωρία που περιγράφει τα δομικά συστατικά της ύλης και τις μεταξύ τους ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Δεν περιλαμβάνει καμία περιγραφή των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων.

 Πως γίνεται η θεωρία των χορδών να μας οδηγεί σε 10723 Καθιερωμένα Πρότυπα Στοιχειωδών Σωματιδίων;  Πόσο παράλογος είναι ένας τέτοιος ισχυρισμός; Μήπως πρόκειται για όμορφες μαθηματικές ακροβασίες που οδηγούν την φυσική σε αδιέξοδο;

Τέτοιου είδους προβληματισμούς, για το πως η αναζήτηση της ομορφιάς οδηγεί τους φυσικούς σε όμορφους μαθηματικούς λαβύρινθους και την φυσική σε λάθος κατεύθυνση, πραγματεύεται η θεωρητικός φυσικός Sabine Hossenfelder στο βιβλίο της «Lost in Math«. Υποστηρίζει πως η πίστη στην ομορφιά προκάλεσε μια κρίση στη φυσική, κάτι που επισημάνθηκε παλαιότερα από τον Lee Smolin με το «The Trouble with Physics» και με το «Not Even Wrong» του Peter Woit. Η Hossenfelder επιτίθεται στην θεωρία των χορδών, η οποία απέτυχε να κάνει επαληθεύσιμες προβλέψεις, και γενικότερα εναντίον της μαθηματικής κομψότητας όταν αυτή τίθεται υπεράνω των πειραματικών δεδομένων.

Στη συνέχεια παραθέτουμε ένα σχετικό απόσπασμα από το βιβλίο «Lost in Math»:
«Η θεωρία των χορδών αρχικά αναπτύχθηκε για να περιγράψει τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις, όμως οι φυσικοί συνειδητοποίησαν πολύ γρήγορα ότι μια άλλη θεωρία, η κβαντική χρωμοδυναμική, ήταν καταλληλότερη για τον σκοπό αυτό. Ωστόσο, παρατήρησαν πως η θεωρία των χορδών μπορεί να περιγράψει μια δύναμη που μοιάζει με την βαρύτητα κι έτσι έβαλε υποψηφιότητα για μια Θεωρία των Πάντων.

Σύμφωνα με τη θεωρία των χορδών, όλα τα σωματίδια αποτελούν διαφορετικούς τρόπους δόνησης χορδών, οι οποίες είναι τόσο μικροσκοπικές που είναι αδύνατον να τις «δούμε» με τις μέχρι τώρα ενέργειες που διαθέτουν οι επιταχυντές. Για λόγους συνέπειας, οι θεωρητικοί των χορδών έπρεπε να υποθέσουν ότι οι χορδές κατοικούν σε έναν χώρο 25 διαστάσεων (συν μια, την χρονική διάσταση).

Επειδή αυτές οι πρόσθετες διαστάσεις δεν φαίνονται, οι φυσικοί θεωρούν ότι οι διαστάσεις αυτές έχουν πεπερασμένο μέγεθος ή είναι «συμπαγοποιημένες» – όπως οι διαστάσεις μιας (υψηλότερων διαστάσεων) σφαίρας, παρά ενός απείρου επίπεδου. Και δεδομένου ότι η αποκάλυψη των μικρών αποστάσεων απαιτεί υψηλές ενέργειες, οι υψηλότερες διαστάσεις δεν έχουν παρατηρηθεί ακόμη, διότι είναι πολύ μικρές. Στη συνέχεια οι θεωρητικοί των χορδών ανακάλυψαν πως η υπερσυμμετρία ήταν απαραίτητη και αυτό περιόρισε τον συνολικό αριθμό των διαστάσεων από 25 σε 9 (συν μία, την χρονική διάσταση), αλλά η αναγκαιότητα της συμπαγοποίησης παρέμεινε.

Δεδομένου ότι δεν παρατηρήθηκαν τα υπερσυμμετρικά σωματίδια, οι θεωρητικοί των χορδών υπέθεσαν ότι η υπερσυμμετρία καταρρέει στις υψηλές ενέργειες, και γι αυτό τα σωματίδια που ονομάζονται υπερσυμμετρικοί σύντροφοι, αν υπάρχουν, δεν παρατηρήθηκαν ακόμη.  Δεν πέρασε πολύ χρόνος μέχρι να σημειωθεί ότι, ακόμα κι αν η υπερσυμμετρία καταρρέει στις υψηλές ενέργειες, θα οδηγούσε σε αντιφάσεις με το πείραμα επιτρέποντας αλληλεπιδράσεις που κανονικά απαγορεύονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο, αλληλεπιδράσεις που δεν έχουμε δει.

Και έτσι εφευρέθηκε η ομοτιμία (parity) R, μια συμμετρία που όταν συνδυάζεται με την υπερσυμμετρία, απλά απαγορεύει τις μη παρατηρούμενες αλληλεπιδράσεις, αφού θα έρχονταν σε αντίθεση με τη νέα υπόθεση της συμμετρίας. Όμως τα προβλήματα δεν τελείωσαν. Μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 1990, οι θεωρητικοί των χορδών είχαν ασχοληθεί με χορδές μόνο σε χωροχρόνους που έχουν αρνητική κοσμολογική σταθερά. Όταν η κοσμολογική σταθερά μετρήθηκε και αποδείχθηκε θετική, οι φυσικοί έπρεπε να βρουν τον τρόπο ώστε να προσαρμοστεί στην θεωρία. Kατάφεραν με τις τροποποιήσεις που επέφεραν να φτιάξουν μια λειτουργική θεωρία, όμως η θεωρία των χορδών εξακολουθεί να είναι κατανοητή για την περίπτωση της αρνητικής κοσμολογικής σταθεράς. Αυτή είναι η περίπτωση που οι περισσότεροι θεωρητικοί των χορδών εξακολουθούν να εργάζονται. Που όμως, δεν περιγράφει το σύμπαν μας.

Τίποτε από αυτά δεν θα είχαν σημασία αν οι διάφορες τροποποιήσεις είχαν καταφέρει να δημιουργήσουν μια Θεωρία των Πάντων. Αντ’ αυτού, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι η θεωρία επιτρέπει έναν τεράστιο αριθμό πιθανών διαμορφώσεων, που οδηγούν σε ισάριθμες διαφορετικές δυνατές συμπαγοποιήσεις, κάθε μια από τις οποίες οδηγεί σε διαφορετικές θεωρίες στο όριο των χαμηλών ενεργειών. Δεδομένου ότι υπάρχουν τόσοι πολλοί τρόποι για να χτιστεί μια θεωρία –γύρω στους 10500τρόπους–το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι λογικά ανάμεσα σ’ αυτές.
Αλλά κανείς δεν το βρήκε και δεδομένου του τεράστιου αριθμού των δυνατοτήτων, οι πιθανότητες λένε ότι δεν θα βρεθεί ποτέ. Σε αντίδραση, οι περισσότεροι θεωρητικοί των χορδών απορρίπτουν την ιδέα ότι η θεωρία τους θα καθορίσει με μοναδικό τρόπο τους νόμους της φύσης και αντ’ αυτού υιοθετούν το πολυσύμπαν, στο οποίο όλοι οι δυνατοί νόμοι της φύσης είναι πραγματικοί κάπου. Τώρα προσπαθούν να κατασκευάσουν μια κατανομή πιθανότητας, σύμφωνα με την οποία το σύμπαν μας θα ήταν πιθανόν να υπάρχει στο πολυσύμπαν.

Άλλοι θεωρητικοί των χορδών προσπάθησαν να βρουν εφαρμογές σε άλλους τομείς χρησιμοποιώντας τεχνικές της θεωρίας των χορδών για να κατανοήσουν τις συγκρούσεις μεγάλων ατομικών πυρήνων (βαρέα ιόντα). Σε τέτοιες συγκρούσεις (που επίσης αποτελούν μέρος του προγράμματος LHC), μπορεί να δημιουργηθεί για ένα μικρό χρονικό διάστημα πλάσμα κουάρκ-γλουανίων. Η συμπεριφορά του πλάσματος είναι δύσκολο να εξηγηθεί με το Καθιερωμένο Πρότυπο, όχι επειδή το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν λειτουργεί, αλλά επειδή κανείς δεν ξέρει πώς να κάνει τους υπολογισμούς. Οι πυρηνικοί φυσικοί καλωσόρισαν τις νέες μεθόδους από τη θεωρία χορδών. Δυστυχώς, οι προβλέψεις που βασίζονται στη θεωρία των χορδών για τον LHC δεν ταιριάζουν με τα δεδομένα και οι θεωρητικοί των χορδών έθαψαν αθόρυβα την προσπάθεια.

Τώρα ισχυρίζονται ότι οι μέθοδοι τους είναι χρήσιμες για την κατανόηση της συμπεριφοράς ορισμένων «παράξενων» μετάλλων, αλλά ακόμη και ο θεωρητικός Joseph Conlon παρομοίασε τη χρήση της θεωρίας χορδών για την περιγραφή τέτοιων υλικών, με την χρήση ενός χάρτη των Άλπεων για ταξίδια στα Ιμαλάϊα. Η διαρκής προσαρμογή των θεωρητικών των χορδών σε αντικρουόμενες αποδείξεις έχει γίνει τόσο διασκεδαστική ώστε πολλά τμήματα της φυσικής, διατηρούν μερικούς θεωρητικούς των χορδών, επειδή αρέσει στον κόσμο να ακούει για τις ηρωικές προσπάθειές τους να εξηγήσουν τα πάντα. Η ερμηνεία της δημοτικότητας αυτού του ζητήματος σύμφωνα με από τον Freeman Dyson είναι ότι «η θεωρία χορδών είναι ελκυστική επειδή προσφέρει θέσεις εργασίας. Και γιατί προσφέρονται τόσες πολλές θέσεις εργασίας στη θεωρία χορδών; Επειδή η θεωρία χορδών είναι φτηνή. Εάν είστε ο πρόεδρος ενός τμήματος φυσικής και δεν διαθέτετε πολλά χρήματα, τότε τα οικονομικά σας δεν αντέχουν για να χτίσετε ένα σύγχρονο εργαστήριο ώστε να κάνετε πειραματική φυσική, μπορείτε όμως να αντέξετε οικονομικά αν προσλάβετε μερικούς θεωρητικούς χορδών. Έτσι προσφέροντας μερικές θέσεις εργασίας στη θεωρία χορδών έχετε ένα σύγχρονο τμήμα φυσικής.(….)»

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: «Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray» , by Sabine Hossenfelder

Στο βίντεο που ακολουθεί η Sabine Hossenfelder αναπτύσσει «Τα υπέρ και κατά της θεωρίας των χορδών»: