Unificarea fizicii prin teoria corzilor

James Clerk Maxwell este o figură de proporții titanice în istoria științei. Un om de știință scoțian care a trăit la mijlocul secolului al XIX-lea, ecuațiile lui Maxwell reprezintă o piesă esențială de echipament matematic pentru toți fizicienii care doresc să descrie forța electromagnetică. De fapt, înainte de Maxwell nu a existat niciun fel de forță electromagnetică. Ceea ce Maxwell a obținut în anul 1865 cu publicarea unei teorii dinamice a câmpului electromagnetic, este cunoscută în fizică drept o unificare. Acest concept implică faptul că două fenomene diferite care anterior au fost considerate ca fiind independente, în cazul de față energia și lumina, pot fi descrise printr-o singură teorie care se întinde pe ambele domenii anterioare. Realizarea faptului că electricitatea și lumina sunt aspecte diferite ale fenomenelor mai largi, care sunt acum cunoscute sub numele de electromagnetism, a fost de mare importanță pentru dezvoltarea fizicii moderne. Această unificare este adesea asociată cu o schimbare de paradigmă și este tipul de eveniment care forțează oamenii de știință să reexamineze cunoștințele acumulate anterior dintr-o perspectivă diferită.

Unificarea este un apel evident pentru o varietate de motive diferite. În primul rând, aceasta înseamnă că a fost găsită o teorie mai fundamentală, care descrie mai îndeaproape o secțiune mai largă a realității în cadrul unei teorii unice, și în acest sens este mai „adevărată”. În al doilea rând, unificarea permite fizicienilor să descrie fenomene care anterior nu au fost înțelese, oferind o nouă teorie care aruncă o lumină asupra problemelor de lungă durată. Un cadru care oferă o unificare completă este denumit colocvial ca marea teorie unificată sau teoria tuturor lucrurilor. După cum indică și numele lor, aceste teorii încearcă să descrie diverse fenomene diferite ca manifestare a unui singur concept care explică totul. Unificarea este un subiect care are anumite asociații și, deși poate fi confundat cu reducționismul, nu este același concept.

Teoria corzilor este o mare teorie unificată, sau cel puțin este adesea prezentată ca atare. Una dintre cele mai interesante caracteristici pe care le prezintă teoria corzilor este că unifică ceea ce este cunoscut ca cele patru forțe fundamentale ale naturii. Aceste forțe, gravitatea, forța electromagnetică, forța nucleară slabă și forțele nucleare puternice reprezintă împreună „cunoașterea”, adică colecția de teorii acceptate în general despre fizică. În 1979, Sheldon Glasgow, Abdus Salam și Steven Weinberg au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru munca lor de unificare a forței nucleare electromagnetice și slabe în forța electroslabă. Teoriile ulterioare au arătat că este posibilă unificarea forței electroslabe și forțelor nucleare puternice împreună în ceea ce se numește marea unificare. Una dintre predicțiile experimentale pe care această mare unificare o face este că protonul este instabil pe scară largă de timp, deși acest efect nu a fost încă validat. Diferite grupuri de cercetare din întreaga lume încearcă în prezent să observe această dezintegrare, precum și monopolii magnetici, o altă predicție a teoriei. Însă, pentru moment, marea unificare este încă plasată ferm în domeniul fizicii teoretice. Cu toate acestea, ideea de unificare s-a dovedit a fi extrem de puternică, ca un concept între fizicieni; Einstein și-a petrecut zeci de ani urmărind o teorie unificată a câmpului, cu scopul de a uni toate cele patru forțe fundamentale.

Modul în care teoria corzilor formulează realitatea nu numai că permite unificarea celor patru forțe fundamentale, ci și o explicație pentru cele douăsprezece particule fundamentale ale materiei pe care le știm. Aceste particule sunt codificate în Modelul Standard (MS), punctul culminant actual al înțelegerii noastre de realitate. MS împarte materia în douăsprezece particule care sunt fundamentale și ireductibile, iar din aceste particule putem înțelege forța puternică, slabă și electromagnetică și interacțiunile lor. El explică cum sunt construiți protonii și neutronii, și oferă explicații pentru multe dintre fenomenele pe care le vedem în lumea fizică. Deși știm că trebuie să fie incompletă, deoarece nu oferă o explicație pentru gravitație, a fost verificat experimental de mai multe ori și a făcut predicții autentice care au fost confirmate cu un grad înalt de precizie. Exemplele includ observarea bosonilor W și Z, dezintegrarea bosonilor Z și, mai recent, descoperirea bosonului Higg. În ultimii ani, MS a prezentat mai multe provocări, ceea ce pare să indice că este cel puțin incomplet și că, deși domeniul MS este impresionant, acesta nu se extinde la oscilațiile neutrinicesau materia și energia întunecate.

Teoria corzilor oferă o cale ademenitoare înainte; acceptarea că universul este alcătuit din numai doisprezece particule de materie este o noțiune atrăgătoare, dar pune întrebări: Nu există o entitate mai fundamentală a realității? În teoria corzilor, nume uneori folosit interschimbabil cu teoria M, universul este construit dintr-o coardă minusculă care se poate deplasa în 10 dimensiuni în primul caz și 11 în cel din urmă. Combinația dintre frecvență, dimensionalitate și continuitate a corzilor corespund diferitelor manifestări ale particulelor de nivel superior. Astfel, în teoria corzilor, cele douăsprezece particule de materie pot fi reduse la diferitele permutări ale corzilor. Aceasta prezintă încă o unificare a teoriei, deoarece MS, în timp ce este extrem de reușit în descrierea proprietăților diferitelor particule, nu explică de ce nu există decât douăsprezece particule, nici mai mult nici mai puțin.

S-ar putea argumenta că există o presupoziție subiacentă cu unificarea și anume, de ce ar exista o singură entitate a realității? Nu există nici un motiv inerent că ar trebui să existe doar o singură unitate care să guverneze toate interacțiunile fizice. La aceasta se poate răspunde doar că unificarea este un concept incredibil de atrăgător pentru fizicieni atât la nivel estetic cât și epistemic. Meritele epistemice ale teoriilor unificatoare în noile cadre care necesită parametri mai puțin liberi sunt discutate pe larg în filosofia științei. Ideea găsirii unui adevăr mai fundamental, care reduce o porțiune mai mare a realității și îl cuprinde într-o singură noțiune, este în mod incontestabil plăcut epistemologic. Tema parametrilor liberi și valorile lor numerice exacte este un alt factor semnificativ care contribuie la recursul teoriei corzi. Unificarea celor patru forțe fundamentale și a particulelor fundamentale este o realizare incredibilă în cadrul paradigmei actuale a fizicii; justifică afirmațiile fizicieniilor, precum Hawking, că teoria M este singurul candidat „viabil” pentru o mare teorie unificată.

Sursa: Paul Verhagen, Understanding the Theory of Everything: Evaluating Criticism Aimed at String Theory