Θεωρία χορδών

Ιστορικό

Οι εισαγωγές στη θεωρία των χορδών που απευθύνονται στο ευρύ κοινό πρέπει πρώτα να εξηγούν τη φυσική. Ορισμένες από τις αντιπαραθέσεις σχετικά με τη θεωρία των χορδών οφείλονται σε παρανοήσεις σχετικά με τη φυσική. Μια συνηθισμένη παρανόηση ακόμη και για τους επιστήμονες είναι η υπόθεση ότι μια θεωρία αποδεικνύεται αληθής ως προς την εξήγηση του φυσικού κόσμου όπου οι προβλέψεις της είναι επιτυχείς. Μια άλλη παρανόηση είναι ότι οι προηγούμενοι φυσικοί επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένων των χημικών, έχουν ήδη εξηγήσει τον κόσμο. Αυτό οδηγεί στην παρανόηση ότι οι θεωρητικοί των χορδών άρχισαν να κάνουν παράξενες υποθέσεις αφού ανεξήγητα "απελευθερώθηκαν από την αλήθεια".

Κλασική σφαίρα

Νευτώνεια φυσική

Ο νόμος της παγκόσμιας βαρύτητας (UG) του Νεύτωνα, που προστέθηκε στους τρεις νόμους του Γαλιλαίου για την κίνηση και σε ορισμένες άλλες υποθέσεις, δημοσιεύθηκε το 1687. Η θεωρία του Νεύτωνα μοντελοποίησε με επιτυχία τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ αντικειμένων με μέγεθος που μπορούμε να δούμε, ένα φάσμα φαινομένων που σήμερα ονομάζεται κλασική σφαίρα. Ο νόμος του Κουλόμπ μοντελοποίησε την ηλεκτρική έλξη. Η θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του Μάξγουελ ενοποίησε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, ενώ η οπτική προέκυψε από αυτό το πεδίο.

Ωστόσο, ταχύτητατου φωτός παρέμενε περίπου η ίδια όταν μετριόταν από έναν παρατηρητή που ταξίδευε μέσα στο πεδίο του, παρόλο που η πρόσθεση των ταχυτήτων προέβλεπε ότι το πεδίο ήταν πιο αργό ή πιο γρήγορο σε σχέση με τον παρατηρητή που ταξίδευε μαζί ή ενάντια σε αυτό. Έτσι, απέναντι στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ο παρατηρητής έχανε συνεχώς ταχύτητα. Παρόλα αυτά, αυτό δεν παραβίαζε την Αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου που λέει ότι οι νόμοι της μηχανικής λειτουργούν το ίδιο για όλα τα αντικείμενα που παρουσιάζουν αδράνεια.

Σύμφωνα με το νόμο της αδράνειας, όταν δεν ασκείται δύναμη σε ένα αντικείμενο, το αντικείμενο διατηρεί την ταχύτητά του, δηλαδή την ταχύτητα και την κατεύθυνση. Ένα αντικείμενο είτε βρίσκεται σε ομοιόμορφη κίνηση, δηλαδή σταθερή ταχύτητα σε αμετάβλητη κατεύθυνση, είτε παραμένει σε ηρεμία, δηλαδή μηδενική ταχύτητα, παρουσιάζει αδράνεια. Αυτό εμφανίζει Γαλιλαϊκή αναλλοίωτη κατάσταση - οι μηχανικές αλληλεπιδράσεις του προχωρούν χωρίς μεταβολή - που ονομάζεται επίσης Γαλιλαϊκή σχετικότητα, αφού κανείς δεν μπορεί να αντιληφθεί αν βρίσκεται σε ηρεμία ή σε ομοιόμορφη κίνηση.

Θεωρία της σχετικότητας

Ειδική σχετικότητα

Το 1905, η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν εξήγησε την ακρίβεια τόσο του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του Μάξγουελ όσο και της σχετικότητας του Γαλιλαίου, δηλώνοντας ότι η ταχύτητα του πεδίου είναι απόλυτη - μια παγκόσμια σταθερά - ενώ τόσο ο χώρος όσο και ο χρόνος είναι τοπικά φαινόμενα σε σχέση με την ενέργεια του αντικειμένου. Έτσι, ένα αντικείμενο σε σχετική κίνηση μικραίνει κατά μήκος της κατεύθυνσης της ορμής του (συστολή Lorentz) και η εκτύλιξη των γεγονότων του επιβραδύνεται (διαστολή του χρόνου). Ένας επιβάτης του αντικειμένου δεν μπορεί να ανιχνεύσει την αλλαγή, καθώς όλες οι συσκευές μέτρησης που βρίσκονται στο εν λόγω όχημα έχουν υποστεί συστολή μήκους και διαστολή χρόνου. Μόνο ένας εξωτερικός παρατηρητής που βιώνει σχετική ηρεμία μετράει ότι το αντικείμενο σε σχετική κίνηση είναι συντομότερο κατά μήκος της διαδρομής του και ότι τα γεγονότα του επιβραδύνονται. Η ειδική θεωρία της σχετικότητας άφησε τη θεωρία του Νεύτωνα -που δηλώνει τον χώρο και τον χρόνο ως απόλυτους- ανίκανη να εξηγήσει τη βαρύτητα.

Με την αρχή της ισοδυναμίας, ο Αϊνστάιν συμπέρανε ότι το να βρίσκεσαι είτε κάτω από βαρύτητα είτε κάτω από σταθερή επιτάχυνση είναι εμπειρίες που δεν διακρίνονται μεταξύ τους και μπορεί να έχουν κοινό φυσικό μηχανισμό. Ο προτεινόμενος μηχανισμός ήταν η προοδευτική συστολή του μήκους και η διαστολή του χρόνου - συνέπεια της τοπικής ενεργειακής πυκνότητας εντός του τρισδιάστατου χώρου - που δημιουργεί μια προοδευτική τάση εντός ενός άκαμπτου αντικειμένου, το οποίο ανακουφίζεται από την τάση του κινούμενο προς τη θέση της μεγαλύτερης ενεργειακής πυκνότητας. Η ειδική σχετικότητα θα ήταν μια περιορισμένη περίπτωση βαρυτικού πεδίου. Η ειδική σχετικότητα θα εφαρμοζόταν όταν η πυκνότητα ενέργειας στον τρισδιάστατο χώρο είναι ομοιόμορφη, και έτσι το βαρυτικό πεδίο κλιμακώνεται ομοιόμορφα από θέση σε θέση, γιατί ένα αντικείμενο δεν υφίσταται επιτάχυνση και επομένως δεν υπάρχει βαρύτητα.

Γενική σχετικότητα

Το 1915, η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν εξήγησε πρόσφατα τη βαρύτητα με τον 4D χωροχρόνο να μοντελοποιείται ως λορεντζιανή πολλαπλότητα. Ο χρόνος είναι μια διάσταση συγχωνευμένη με τις τρεις διαστάσεις του χώρου, καθώς κάθε γεγονός στον τρισδιάστατο χώρο - 2D οριζόντια και 1D κάθετα - συνεπάγεται ένα σημείο κατά μήκος ενός άξονα χρόνου 1D. Ακόμη και στην καθημερινή ζωή, κάποιος δηλώνει ή υπονοεί και τα δύο. Λέει κανείς ή τουλάχιστον εννοεί: "Συνάντησέ με στο κτίριο 123 Main Street που τέμνει την Franklin Street στο διαμέρισμα 3D στις 10 Οκτωβρίου 2012 στις 9:00μμ". Παραλείποντας ή χάνοντας τη χρονική συντεταγμένη, φτάνει κανείς στη σωστή θέση στο χώρο όταν το ζητούμενο γεγονός απουσιάζει - είναι στο παρελθόν ή στο μέλλον, ίσως στις 6:00μμ ή στις 12:00πμ.

Με τη σύγκλιση του χώρου και του χρόνου και την παραδοχή ότι αμφότερα είναι σχετικά με την ενεργειακή πυκνότητα στην περιοχή, και θέτοντας ως μόνη σταθερά ή απόλυτη τιμή όχι καν τη μάζα αλλά την ταχύτητα του φωτός στο κενό, η γενική σχετικότητα αποκάλυψε τη μέχρι τότε αδιανόητη ισορροπία και συμμετρία του φυσικού κόσμου. Κάθε αντικείμενο κινείται πάντοτε με ταχύτητα φωτός κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής -της αντίστοιχης, πάνω σε μια καμπυλωτή επιφάνεια, που ονομάζεται γεωδαισιακή ή παγκόσμια γραμμή-, της μίας οδού με τη μικρότερη αντίσταση, όπως η ελεύθερη πτώση μέσα στον 4Δ χωροχρόνο, του οποίου η γεωμετρία "καμπυλώνει" στην περιοχή της μάζας/ενέργειας.

Ένα αντικείμενο με ταχύτητα φωτός στο κενό κινείται με το μέγιστο ρυθμό στον τρισδιάστατο χώρο, αλλά δεν παρουσιάζει καμία εξέλιξη των γεγονότων - είναι παγωμένο στο χρόνο - ενώ ένα αντικείμενο ακίνητο στον τρισδιάστατο χώρο ρέει πλήρως κατά μήκος του 1D χρόνου, βιώνοντας το μέγιστο ρυθμό εξέλιξης των γεγονότων. Το απεικονιζόμενο σύμπαν είναι σχετικό με μια δεδομένη τοποθεσία, όμως μόλις δηλωθεί η μάζα/ενέργεια σε αυτή την περιοχή, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν προβλέπουν τι συμβαίνει -ή συνέβη ή θα συμβεί- οπουδήποτε στο σύμπαν. Η εκλαϊκευμένη αντίληψη ότι το σχετικό στη θεωρία του Αϊνστάιν υποδηλώνει υποκειμενικό ή αυθαίρετο ήταν προς κάποια λύπη του Αϊνστάιν, ο οποίος αργότερα σκέφτηκε ότι έπρεπε να την ονομάσει γενική θεωρία.

Κοσμολογία

Τα σωματίδια-αγγελιοφόροι του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, τα φωτόνια, μεταφέρουν μια εικόνα διαχρονικά σε όλο το σύμπαν, ενώ οι παρατηρητές μέσα σε αυτό το πεδίο έχουν αρκετή ροή μέσα στο χρόνο για να αποκωδικοποιήσουν αυτή την εικόνα και να αντιδράσουν κινούμενοι μέσα στον τρισδιάστατο χώρο, αλλά δεν μπορούν ποτέ να ξεπεράσουν αυτή τη διαχρονική εικόνα. Η κατάσταση του σύμπαντος κάτω από 400 000 χρόνια μετά την υποτιθέμενη μεγάλη έκρηξη που ξεκίνησε το σύμπαν μας θεωρείται ότι εμφανίζεται ως κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB).

Το 1915, το σύμπαν θεωρήθηκε ότι αποτελείτο εξ ολοκλήρου από αυτό που σήμερα ονομάζουμε Γαλαξία μας και ότι ήταν στατικό. Ο Αϊνστάιν λειτούργησε με τις πρόσφατα δημοσιευμένες εξισώσεις του για το βαρυτικό πεδίο και ανακάλυψε τη συνέπεια ότι το σύμπαν διαστέλλεται ή συρρικνώνεται. (Η θεωρία μπορεί να λειτουργήσει και προς τις δύο κατευθύνσεις - χρονική αναλλοίωτη.) Αναθεώρησε τη θεωρία προσθέτοντας μια κοσμολογική σταθερά για την αυθαίρετη εξισορρόπηση του σύμπαντος. Κοντά στο 1930, τα τηλεσκοπικά δεδομένα του Edwin Hubble, ερμηνευμένα μέσω της γενικής σχετικότητας, αποκάλυψαν ότι το σύμπαν διαστέλλεται.

Το 1916, ενώ βρισκόταν σε ένα πεδίο μάχης του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου, ο Karl Schwarzschild λειτούργησε τις εξισώσεις του Αϊνστάιν και η λύση Schwarzschild προέβλεψε τις μαύρες τρύπες. Δεκαετίες αργότερα, οι αστροφυσικοί εντόπισαν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο ίσως κάθε γαλαξία. Οι μαύρες τρύπες φαίνεται να καθοδηγούν το σχηματισμό και τη διατήρηση των γαλαξιών ρυθμίζοντας το σχηματισμό και την καταστροφή των άστρων.

Στη δεκαετία του 1930, παρατηρήθηκε ότι σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, οι γαλαξίες θα διαλύονταν, εκτός αν περιβάλλεται από αόρατη ύλη που συγκρατεί έναν γαλαξία, και από τη δεκαετία του 1970 η σκοτεινή ύλη άρχισε να γίνεται αποδεκτή. Το 1998 συμπεραίνεται ότι η διαστολή του σύμπαντος δεν επιβραδύνεται, αλλά επιταχύνεται, γεγονός που υποδηλώνει μια τεράστια ενεργειακή πυκνότητα -αρκετή για να επιταχύνει τόσο την ορατή όσο και τη σκοτεινή ύλη- σε όλο το σύμπαν, ένα τεράστιο πεδίο σκοτεινής ενέργειας. Προφανώς, λιγότερο από το 5% της σύνθεσης του σύμπαντος είναι γνωστό, ενώ το υπόλοιπο 95% είναι μυστηριώδες - σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια.

Κβαντικό πεδίο

Παράξενη μηχανική

Μέχρι τη δεκαετία του 1920, για να εξεταστεί η λειτουργία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε μικροσκοπικές κλίμακες χώρου και χρόνου, αναπτύχθηκε η κβαντομηχανική (QM). Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια -τα σωματίδια της ύλης που αλληλεπιδρούν με τα φωτόνια που είναι οι φορείς δυνάμεων του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου- φαίνεται να αψηφούν εντελώς τις αρχές της μηχανικής. Κανείς δεν μπορούσε να προβλέψει τη θέση ενός κβαντικού σωματιδίου από στιγμή σε στιγμή.

Στο πείραμα της σχισμής, ένα ηλεκτρόνιο θα ταξίδευε μέσα από μια οπή που τοποθετείται μπροστά του. Ωστόσο, ένα μόνο ηλεκτρόνιο θα ταξίδευε ταυτόχρονα μέσα από πολλές οπές, όσες και αν ήταν τοποθετημένες μπροστά του. Το μεμονωμένο ηλεκτρόνιο θα άφηνε στον πίνακα ανίχνευσης ένα μοτίβο παρεμβολής, σαν το μεμονωμένο σωματίδιο να ήταν ένα κύμα που είχε περάσει από όλες τις οπές ταυτόχρονα. Και όμως αυτό συνέβαινε μόνο όταν δεν παρατηρούνταν. Αν έπεφτε φως στο αναμενόμενο γεγονός, η αλληλεπίδραση του φωτονίου με το πεδίο θα έφερνε το ηλεκτρόνιο σε μία μόνο θέση.

Ωστόσο, σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, η ακριβής θέση και η ορμή οποιουδήποτε κβαντικού σωματιδίου δεν μπορούν να προσδιοριστούν με βεβαιότητα. Η αλληλεπίδραση του σωματιδίου με το όργανο παρατήρησης/μέτρησης εκτρέπει το σωματίδιο με τέτοιο τρόπο ώστε μεγαλύτερος προσδιορισμός της θέσης του να αποδίδει μικρότερο προσδιορισμό της ορμής του, και αντίστροφα.

Θεωρία πεδίου κβαντισμένη

Επεκτείνοντας την κβαντομηχανική σε ένα πεδίο, προέκυψε ένα συνεπές μοτίβο. Από θέση σε διπλανή θέση, η πιθανότητα ύπαρξης του σωματιδίου εκεί ανέβαινε και έπεφτε σαν κύμα πιθανότητας - μια πυκνότητα πιθανότητας που ανεβαίνει και πέφτει. Όταν δεν παρατηρείται, κάθε κβαντικό σωματίδιο εισέρχεται σε υπέρθεση, έτσι ώστε ακόμη και ένα μεμονωμένο σωματίδιο να γεμίζει ολόκληρο το πεδίο, όσο μεγάλο κι αν είναι. Ωστόσο, το σωματίδιο δεν βρίσκεται οριστικά οπουδήποτε στο πεδίο, αλλά βρίσκεται εκεί με μια συγκεκριμένη πιθανότητα σε σχέση με το αν βρισκόταν στην παρακείμενη θέση. Η κυματομορφή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του Μάξγουελ δημιουργήθηκε από μια συσσώρευση πιθανοτικών γεγονότων. Όχι τα σωματίδια, αλλά η μαθηματική μορφή, ήταν σταθερή.

Η προσαρμογή του πεδίου στην ειδική σχετικότητα επέτρεψε την πρόβλεψη του πλήρους ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Έτσι προέκυψε η σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου (QFT). Για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, είναι η σχετικιστική κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED). Για το ασθενές και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μαζί, είναι η σχετικιστική ηλεκτροασθενής θεωρία (EWT). Για το ισχυρό πεδίο, είναι η σχετικιστική κβαντική χρωμοδυναμική (QCD). Συνολικά, αυτό έγινε το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής.

Διαίρεση στη φυσική

Όταν το Καθιερωμένο Πρότυπο μετατρέπεται σε γενική σχετικότητα για να συμπεριλάβει τη μάζα, εμφανίζονται πυκνότητες πιθανοτήτων στο άπειρο. Αυτό θεωρείται εσφαλμένο, καθώς η πιθανότητα κυμαίνεται κανονικά από 0 έως 1-0% έως 100% πιθανότητα. Ορισμένοι θεωρητικοί φυσικοί υποψιάζονται ότι το πρόβλημα έγκειται στο Καθιερωμένο Πρότυπο, το οποίο αναπαριστά κάθε σωματίδιο με ένα σημείο μηδενικής διάστασης που μπορεί κατ' αρχήν να είναι απείρως μικρό. Ωστόσο, στην κβαντική φυσική, η σταθερά του Πλανκ είναι η ελάχιστη μονάδα ενέργειας στην οποία μπορεί να διαιρεθεί ένα πεδίο, ίσως μια ένδειξη για το μικρότερο μέγεθος που μπορεί να έχει ένα σωματίδιο. Έτσι, υπάρχει μια προσπάθεια να κβαντιστεί η βαρύτητα - να αναπτυχθεί μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.

Έννοια

Πλαίσιο

Η χορδή εικάζει ότι στη μικροσκοπική κλίμακα, ο 4Δ χωροχρόνος του Αϊνστάιν είναι ένα πεδίο από πολλαπλές Calabi-Yau, καθεμία από τις οποίες περιέχει 6 χωρικές διαστάσεις σε καμπύλη, άρα δεν επεκτείνεται στις 3 χωρικές διαστάσεις που παρουσιάζονται στην κλασική σφαίρα. Στη θεωρία χορδών, κάθε κβαντικό σωματίδιο αντικαθίσταται από μια 1D χορδή δονούμενης ενέργειας, της οποίας το μήκος είναι το μήκος Planck. Καθώς η χορδή κινείται, ανιχνεύει το πλάτος και έτσι γίνεται 2D, ένα φύλλο κόσμου. Καθώς μια χορδή δονείται και κινείται μέσα στον 6D χώρο Calabi-Yau, η χορδή γίνεται κβαντικό σωματίδιο. Με αυτή την προσέγγιση, το υποθετικό βαρυτόνιο -που προβλέπεται να εξηγήσει τη γενική σχετικότητα- προκύπτει εύκολα.

Θεωρίες

Η θεωρία χορδών ξεκίνησε ως μποζονική θεωρία χορδών, της οποίας οι 26 διαστάσεις λειτουργούν ως πολλές λιγότερες. Ωστόσο, αυτή μοντελοποίησε μόνο τα μποζόνια, τα οποία είναι σωματίδια ενέργειας, ενώ παρέλειψε τα φερμιόνια, τα οποία είναι σωματίδια ύλης. Έτσι, η μποζονική θεωρία χορδών δεν μπορούσε να εξηγήσει την ύλη. Ωστόσο, προσθέτοντας υπερσυμμετρία στη μποζονική θεωρία χορδών, επιτεύχθηκαν φερμιόνια και η θεωρία χορδών έγινε θεωρία υπερχορδών, εξηγώντας και την ύλη.

(Στις εκδοχές της κβαντικής θεωρίας πεδίου που περιλαμβάνουν υπερσυμμετρία (SUSY), κάθε μποζόνιο έχει ένα αντίστοιχο φερμιόνιο και αντίστροφα. Δηλαδή, κάθε σωματίδιο ενέργειας έχει ένα αντίστοιχο σωματίδιο ύλης, και κάθε σωματίδιο ύλης έχει ένα αντίστοιχο σωματίδιο ενέργειας, όμως ο μη παρατηρήσιμος εταίρος είναι πιο μαζικός και άρα υπερσυντελικός. Αυτοί οι υπερ-συνεργάτες μπορεί να φαίνονται μια εξωφρενική πρόβλεψη, ωστόσο πολλοί θεωρητικοί και πειραματιστές ευνοούν τις υπερσυμμετρικές εκδοχές του Καθιερωμένου Προτύπου, οι εξισώσεις του οποίου πρέπει διαφορετικά να τροποποιούνται εξωφρενικά και μερικές φορές αυθαίρετα για να διατηρηθεί η προβλεπτική επιτυχία ή η μαθηματική συνέπεια, αλλά με την ευθυγράμμιση των υπερ-συνεργατών).

Αντιπαραθέσεις

Μη ελέγξιμο-αντιεπιστημονικό;

Ο ισχυρισμός της θεωρίας των χορδών ότι όλα τα μόρια είναι χορδές ενέργειας έχει δεχθεί σκληρή κριτική. Υπάρχουν πολλές εκδοχές της θεωρίας των χορδών, καμία από τις οποίες δεν προβλέπει με επιτυχία τα παρατηρησιακά δεδομένα που εξηγούνται από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Η θεωρία Μ είναι πλέον γνωστό ότι έχει αμέτρητες λύσεις, που συχνά προβλέπουν πράγματα παράξενα και άγνωστα για την ύπαρξή τους. Ορισμένοι ισχυρίζονται ότι οι θεωρητικοί των χορδών επιλέγουν μόνο τις επιθυμητές προβλέψεις.

Ο ισχυρισμός ότι η θεωρία των χορδών δεν κάνει καμία ελέγξιμη πρόβλεψη είναι ψευδής, καθώς κάνει πολλές. Καμία θεωρία - ένα προγνωστικό και ίσως επεξηγηματικό μοντέλο για κάποιο τομέα φυσικών φαινομένων - δεν είναι επαληθεύσιμη. Όλες οι συμβατικές φυσικές θεωρίες μέχρι το Καθιερωμένο Πρότυπο έχουν διατυπώσει ισχυρισμούς για μη παρατηρήσιμες πτυχές του φυσικού κόσμου. Ακόμη και το Καθιερωμένο Πρότυπο έχει διάφορες ερμηνείες ως προς τον φυσικό κόσμο. Όταν το Καθιερωμένο Πρότυπο λειτουργεί, συχνά φτιάχνεται μια έκδοση με υπερσυμμετρία, διπλασιάζοντας τον αριθμό των ειδών σωματιδίων που έχουν εντοπιστεί μέχρι στιγμής από τους φυσικούς σωματιδίων.

Κανείς δεν μπορεί να μετρήσει κυριολεκτικά τον χώρο, όμως ο Νεύτωνας διατύπωσε τον απόλυτο χώρο και χρόνο, και η θεωρία του Νεύτωνα έκανε σαφείς προβλέψεις, εξαιρετικά ελέγξιμες και επιτυχημένες ως προς την πρόβλεψη για 200 χρόνια, αλλά η θεωρία εξακολουθούσε να διαψεύδεται ως εξήγηση της φύσης. Οι φυσικοί δέχονται ότι δεν υπάρχει τέτοια ελκτική δύναμη που να έλκει άμεσα την ύλη με την ύλη, πόσο μάλλον ότι η δύναμη αυτή διατρέχει το σύμπαν άμεσα. Παρ' όλα αυτά, η θεωρία του Νεύτωνα εξακολουθεί να είναι παραδειγματική για την επιστήμη.

Κρυφές διαστάσεις;

Η ιδέα της κρυφής διαστατικότητας του χώρου μπορεί να φαίνεται απόκρυφη. Ορισμένοι θεωρητικοί της κβαντικής βαρύτητας βρόχων - ένας διεκδικητής της κβαντικής βαρύτητας - θεωρούν τη θεωρία χορδών ως θεμελιωδώς λανθασμένη, καθώς υποθέτει ότι ο χώρος έχει καν σχήμα μέχρι να τον διαμορφώσουν τα σωματίδια. Δηλαδή, δεν αμφισβητούν ότι ο χώρος παίρνει διάφορα σχήματα, απλώς θεωρούν ότι τα σωματίδια καθορίζουν το σχήμα του χώρου και όχι το αντίστροφο. Η δίνη του χωροχρόνου που προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα προφανώς επιβεβαιώνεται.

Αν ερμηνευθεί ως φυσικά αληθινό, το Καθιερωμένο Πρότυπο, που αναπαριστά ένα κβαντικό σωματίδιο ως σημείο 0D, δείχνει ήδη ότι ο χωροχρόνος είναι μια θάλασσα από στροβιλισμένα σχήματα, κβαντικός αφρός. Οι θεωρητικοί των χορδών τείνουν να πιστεύουν ότι η φύση είναι πιο κομψή, μια πεποίθηση που ο θεωρητικός του βρόχου Lee Smolin απορρίπτει ως ρομαντική, ενώ χρησιμοποιεί τη Σύγχρονη Σύνθεση της βιολογίας ως ρητορικό μέσο. Τα πειράματα για την ανίχνευση προστιθέμενων χωρικών διαστάσεων έχουν αποτύχει μέχρι στιγμής, ωστόσο υπάρχει ακόμη η πιθανότητα να εμφανιστούν σημάδια τους.

Τόσες πολλές λύσεις;

Η θεωρία Μ έχει πολλά τρισεκατομμύρια λύσεις. Ο Leonard Susskind, ηγέτης της θεωρίας χορδών, ερμηνεύει την πλαστικότητα των λύσεων της θεωρίας χορδών ως παράδοξη υποστήριξη για την επίλυση του μυστηρίου του γιατί υπάρχει αυτό το σύμπαν, καθώς η θεωρία Μ δείχνει ότι δεν είναι παρά μια παραλλαγή ενός γενικού μοτίβου που πάντα προκύπτει κατά προσέγγιση.

Η γενική σχετικότητα έχει φέρει πολλές ανακαλύψεις που το 1915 ήταν σχεδόν αδιανόητες, εκτός από τη φαντασία. Μια λύση των εξισώσεων του Αϊνστάιν που προσπαθούσε να εξηγήσει τη δυναμική των κβαντικών σωματιδίων, η γέφυρα Αϊνστάιν-Ρόζεν προβλέπει μια συντομότερη διαδρομή που συνδέει δύο απομακρυσμένα σημεία του χωροχρόνου. Κοινώς αποκαλούμενη σκουληκότρυπα, η Γέφυρα Αϊνστάιν-Ρόζεν αμφισβητείται αλλά δεν διαψεύδεται, δείχνοντας είτε ότι δεν πρέπει να είναι ακριβείς όλες οι συνέπειες μιας θεωρίας είτε ότι η πραγματικότητα είναι αρκετά παράξενη με τρόπους που δεν μπορούν να παρατηρηθούν.

Πολλοί κόσμοι

Ακόμα και το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής υποδηλώνει παράξενες δυνατότητες που οι λαϊκίστικες αναφορές της επιστήμης είτε παραλείπουν είτε αναφέρουν ως ανεξήγητες περιέργειες. Η θεωρία δέχεται συμβατικά την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, σύμφωνα με την οποία το πεδίο είναι μόνο δυνατότητες, καμία δεν είναι πραγματική μέχρις ότου ένας παρατηρητής ή ένα όργανο αλληλεπιδράσει με το πεδίο, του οποίου η κυματοσυνάρτηση τότε καταρρέει και αφήνει μόνο τη σωματιδιακή του συνάρτηση, μόνο τα σωματίδια είναι πραγματικά. Ωστόσο, η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης απλώς υποτέθηκε -ούτε επιβεβαιώθηκε πειραματικά ούτε καν μοντελοποιήθηκε μαθηματικά- και δεν έχει βρεθεί καμία απόκλιση ούτε από την κυματοσυνάρτηση στο κβαντικό πεδίο ούτε από τη σωματιδιακή συνάρτηση στο κλασικό πεδίο.

Το 1957 ο Hugh Everett περιέγραψε την ερμηνεία του "Σχετική κατάσταση". Ο Έβερετ υποστήριξε ότι η κυματοσυνάρτηση δεν καταρρέει, και δεδομένου ότι όλη η ύλη και οι αλληλεπιδράσεις υποτίθεται ότι δομούνται από κβαντικά κυματοσωματίδια, όλες οι πιθανές παραλλαγές του κβαντικού πεδίου -που υποδεικνύονται από τις μαθηματικές εξισώσεις- είναι πραγματικές και ταυτόχρονα εμφανιζόμενες αλλά διαφορετικές πορείες της ιστορίας. Σύμφωνα με αυτή την ερμηνεία, οτιδήποτε αλληλεπιδρά με το πεδίο εντάσσεται στην κατάσταση του πεδίου που είναι σχετική με την κατάσταση του παρατηρητή -που είναι η ίδια μια κυματομορφή στο δικό του κβαντικό πεδίο- ενώ τα δύο απλά αλληλεπιδρούν σε μια καθολική κυματομορφή που δεν καταρρέει ποτέ. Μέχρι τώρα, η ερμηνεία πολλών φυσικών για τη φαινομενική μετάβαση από το κβαντικό στο κλασικό πεδίο δεν είναι η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, αλλά η κβαντική αποσυγκόλληση.

Στην αποσυγκόλληση, μια αλληλεπίδραση με το πεδίο οδηγεί τον παρατηρητή σε έναν μόνο καθοριστικό αστερισμό του κβαντικού πεδίου, και έτσι όλες οι παρατηρήσεις ευθυγραμμίζονται με αυτή τη νέα, συνδυασμένη κβαντική κατάσταση. Η θέση του Έβερετ ενέπνευσε την ερμηνεία των πολλών κόσμων, σύμφωνα με την οποία μέσα στο σύμπαν μας προβλέπεται ότι υπάρχουν πρακτικά ή δυνητικά άπειροι παράλληλοι κόσμοι που είναι πραγματικοί, αλλά ο καθένας τους απέχει ελάχιστα από τους άλλους κόσμους. Καθώς η κυματομορφή κάθε κόσμου είναι καθολική -δεν καταρρέει- και οι μαθηματικές σχέσεις του είναι αναλλοίωτες, οι παράλληλοι κόσμοι απλώς συμπληρώνουν τα κενά και δεν αγγίζουν.

Πολλά σύμπαντα

Ο Αϊνστάιν αμφισβήτησε ότι οι μαύρες τρύπες, όπως προβλέπεται από τη λύση Schwarzschild, είναι πραγματικές. Κάποιοι τώρα εικάζουν ότι οι μαύρες τρύπες δεν υπάρχουν ως τέτοιες αλλά είναι σκοτεινή ενέργεια, ή ότι το σύμπαν μας είναι τόσο μια μαύρη τρύπα όσο και σκοτεινή ενέργεια. Η λύση Schwarzschild των εξισώσεων του Αϊνστάιν μπορεί να επεκταθεί στο μέγιστο βαθμό για να προβλέψει μια μαύρη τρύπα που έχει μια άλλη πλευρά - ένα άλλο σύμπαν που αναδύεται από μια λευκή τρύπα. Ίσως η μεγάλη έκρηξη του σύμπαντός μας να ήταν το μισό μιας μεγάλης αναπήδησης, η κατάρρευση κάποιου πράγματος σε μια μαύρη τρύπα, και το σύμπαν μας να βγήκε από την άλλη πλευρά του ως λευκή τρύπα.

Τα σωματίδια είναι χορδές;

Οι φυσικοί αμφιβάλλουν ευρέως ότι τα κβαντικά σωματίδια είναι πραγματικά 0D σημεία, όπως αναπαρίστανται στο Καθιερωμένο Πρότυπο, το οποίο προσφέρει φορμαλισμό - μαθηματικές συσκευές των οποίων τα εγκεφαλικά επεισόδια προβλέπουν τα φαινόμενα που μας ενδιαφέρουν μετά την εισαγωγή δεδομένων - και όχι ερμηνεία των μηχανισμών που καθορίζουν αυτά τα φαινόμενα. Ωστόσο, οι θεωρητικοί των χορδών τείνουν να υποθέτουν με αισιοδοξία ότι οι χορδές είναι και πραγματικές και επεξηγηματικές, όχι απλώς συσκευές πρόβλεψης. Είναι πολύ πέρα από τις δυνατότητες των σημερινών επιταχυντών σωματιδίων να προωθήσουν οποιαδήποτε εξεταστικά σωματίδια σε επίπεδα ενέργειας αρκετά υψηλά ώστε να υπερνικήσουν την ίδια την ενέργεια ενός κβαντικού σωματιδίου και να προσδιορίσουν αν είναι χορδή. Ωστόσο, αυτός ο περιορισμός υφίσταται και στη δοκιμή άλλων θεωριών κβαντικής βαρύτητας. Οι εξελίξεις υποδεικνύουν άλλες στρατηγικές για την "παρατήρηση" της δομής των κβαντικών σωματιδίων.

Παραδόξως, ακόμη και αν οι δοκιμές επιβεβαίωναν ότι τα σωματίδια είναι χορδές ενέργειας, και πάλι αυτό δεν θα αποδείκνυε οριστικά ότι τα σωματίδια είναι χορδές, αφού θα μπορούσαν να υπάρχουν άλλες εξηγήσεις, ίσως μια απροσδόκητη στρέβλωση του χώρου, παρόλο που το σωματίδιο ήταν ένα 0D σημείο πραγματικής στερεότητας. Ακόμη και όταν οι προβλέψεις πετυχαίνουν, υπάρχουν πολλές πιθανές εξηγήσεις -το πρόβλημα του υποπροσδιορισμού- και οι φιλόσοφοι της επιστήμης καθώς και ορισμένοι επιστήμονες δεν αποδέχονται ακόμη και την άψογη επιτυχία των προβλέψεων ως επαλήθευση των εξηγήσεων της επιτυχημένης θεωρίας, αν αυτές τίθενται ως προσφέροντας επιστημονικό ρεαλισμό, αληθινή περιγραφή του φυσικού κόσμου.

Η ύλη είναι ενέργεια;

Οι συζητήσεις των σωματιδιακών φυσικών που δοκιμάζουν τα προβλεπόμενα από τους θεωρητικούς φυσικούς σωματίδια με τη σύγκρουση σωματιδίων σε επιταχυντές υποδηλώνουν ότι τα κβαντικά σωματίδια είναι μικροσκοπικά Νευτώνεια σωματίδια που οι πειραματιστές ανοίγουν για να αποκαλύψουν τη δομή τους. Αντίθετα, όταν συγκρούονται δύο σωματίδια, το καθένα με μια ορισμένη μάζα -που μετριέται από άποψη ενέργειας ως ηλεκτρονιοβόλτ-, μπορούν να συνδυαστούν σε ένα σωματίδιο αυτής της συνδυασμένης μάζας/ενέργειας, και το παραγόμενο σωματίδιο "παρατηρείται" για την αντιστοιχία του με την πρόβλεψη.

Δεν είναι αμφιλεγόμενο μεταξύ των φυσικών ότι όλα τα σωματίδια είναι ενέργεια. Οι θεωρητικοί του βρόχου, που μερικές φορές έρχονται σε αντιπαράθεση με τη θεωρία των χορδών, υποστηρίζουν ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος μετατρέπεται σε σωματίδια. Το ότι η ύλη είναι μια ειδική παραλλαγή της ενέργειας ήταν συνέπεια της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, και κατόπιν αυτού ο Αϊνστάιν επισημοποίησε την ισοδυναμία μάζας-ενέργειας, E=mc2. Όταν αρκετά ενεργητικά φωτόνια συγκρούονται, μπορούν να συνδυαστούν και να δημιουργήσουν δημιουργία ύλης-ύλης. Όλα τα σωματίδια έχουν αντισωματίδια, και τα άτομα της ύλης έχουν αντιάτομα αντιύλης, η ένωση των οποίων εξουδετερώνει τα σωματίδια και την ύλη αφήνοντας ενέργεια.

Εξελίξεις

Μια εμπνευσμένη εξέλιξη είναι η ανακάλυψη της κατοπτρικής συμμετρίας, σύμφωνα με την οποία οι χώροι Calabi-Yau τείνουν να έρχονται σε ζεύγη, έτσι ώστε οι λύσεις που προηγουμένως ήταν δύσκολες στον ακραίο τρόπο δόνησης μιας χορδής να μπορούν να επιλυθούν μέσω της γεωμετρίας του κατοπτρικού χώρου Calabi-Yau στην αντίθετη περιοχή του.

Η θεωρία χορδών συνήθως επιλύεται μέσω της σύμμορφης θεωρίας πεδίου, μιας κβαντικής θεωρίας πεδίου σε δισδιάστατο χώρο. Επιβεβαιώνεται ότι τα μόρια μπορούν να καταρρεύσουν σε 2D. Και το ηλεκτρόνιο, που από καιρό θεωρείται στοιχειώδες σωματίδιο, προφανώς διασπάται σε τρεις οντότητες ξεχωριστά που φέρουν τους τρεις βαθμούς ελευθερίας του ηλεκτρονίου, όταν τα μόρια που περιέχουν τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται μέσω μιας 1D οδού.