Η Θεωρία των Χορδών: Θα καταφέρουμε ποτέ να διαβάσουμε το “μυαλό του Θεού”;

Εξαιρετικό άρθρο

Από το ιστολόγια Ramnousia και “Αντιφωνικές Υπενθυμίσεις”

Κοιτάζοντας πίσω από τη θεωρία των χορδών,

MICHIO KAKU, καθηγητής της Θεωρητικής Φυσικής στο City University της Νέας Υόρκης.
Είναι εύκολο να αντιληφθεί κανείς γιατί προκαλούνται τα πάθη. Η αναζήτηση μιας θεωρίας των πάντων εξήπτε τη φαντασία των μυστικιστών και των επιστημόνων από την αρχή της καταγεγραμμένης Ιστορίας. Ο ίδιος ο Σωκράτης είχε ορίσει: «Μου φαίνεται εξαιρετικό – το να γνωρίζεις την εξήγηση για το καθετί, γιατί γεννιέται, γιατί χάνεται, γιατί υπάρχει».
Θα έχουμε ποτέ μια «θεωρία των πάντων»;

Ο πόλεμος έχει κηρυχθεί μέχρις εσχάτων. Οι εχθροπραξίες έχουν αρχίσει. Τα όπλα βγάζουν φωτιές και ομοβροντίες ακούγονται καθημερινά ένθεν και ένθεν. Καλώς ορίσατε στον εμφύλιο που έχει ξεσπάσει στους κόλπους των περιορισμένων κύκλων της θεωρητικής φυσικής ανάμεσα στους υποστηρικτές της «θεωρίας των χορδών» και στους οπαδούς της «θεωρίας των πάντων».

Τα διακυβεύματα είναι μεγάλα. Μια ενιαία θεωρία πεδίου η οποία θα ενοποιεί όλους τους φυσικούς νόμους του Σύμπαντος θα μπορούσε να αποτελέσει το θριαμβευτικό επιστέγασμα 2.000 χρόνων ερευνών γύρω από τη φύση της ύλης. Αυτό είναι το «άγιο δισκοπότηρο» της επιστήμης και θα συνιστούσε τεράστιο ορόσημο για την ανθρώπινη σκέψη. Θα μας επέτρεπε, όπως έχει αποφανθεί ο Αϊνστάιν, «να διαβάσουμε το μυαλό του Θεού».

Το επίκεντρο του εμφυλίου αυτού πολέμου είναι η θεωρία των χορδών, η οποία υποστηρίζει ότι μπορεί να ενοποιήσει όλες τις φυσικές δυνάμεις σε μια ενιαία λογική θεωρία. Υποστηρίζει ότι όλη αυτή η χιονοθύελλα σωματιδίων που βλέπουμε στη φύση – τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια, τα νετρίνα και τα υπόλοιπα – δεν είναι παρά δονήσεις μικροσκοπικών τμημάτων υπερχορδών, σαν μουσικές νότες που βγαίνουν από τη χορδή ενός βιολιού.

Από τη μια πλευρά, επικεφαλής των κατηγόρων είναι οι κυνικοί. Ισχυρίζονται ότι όσα φανταχτερά τηλεοπτικά ντοκυμαντέρ και αν προβληθούν και όσα διθυραμβικά άρθρα και αν δημοσιευτούν γύρω από τη θεωρία των χορδών, η ουσία είναι ότι η άμεση πειραματική εξέτασή της είναι αδύνατη – τελεία και παύλα. Η πειραματική απόδειξή της απαιτεί επιταχυντή ατόμων στο μέγεθος του Γαλαξία. Επίσης ισχυρίζονται ότι τα λαμπρότερα μυαλά του πλανήτη ξεγελάστηκαν και ασχολούνται με μια θεωρία η οποία μπορεί να αποδειχθεί κυνήγι χίμαιρας, δηλαδή μια θεωρία τού τίποτε. Είναι, λένε, σαν τα παιδιά που ακολουθούν τον Μαγικό Αυλό.

Οι υπερασπιστές της πίστης αντεπιτίθενται. Αναφέρουν μια σειρά πειράματα τα οποία μπορούν τα επόμενα χρόνια να διερευνήσουν την περιφέρεια της θεωρίας των χορδών μέσω των κοσμικών ακτίνων και του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) κοντά στη Γενεύη. Οι πραγματικοί πιστοί ελπίζουν να βρουν στοιχεία για νέα σωματίδια και μίνι μαύρες τρύπες τα οποία μπορούν να δικαιολογήσουν τμήματα της θεωρίας.

Οι υπερασπιστές επισημαίνουν επίσης ότι η θεωρία των χορδών δεν έχει αντίπαλο. Υποστηρίζουν ότι, παρά τη συνεχή γκρίνια, οι κυνικοί δεν έχουν ως τώρα να αντιπροτείνουν ούτε μια σοβαρή δική τους εναλλακτική. Οτι βρίσκονται στη θέση τού «όσα δεν φθάνει η αλεπού τα κάνει κρεμαστάρια» και ότι ήρθε η ώρα είτε να αποδεχθούν είτε να σωπάσουν.

Ποιος έχει δίκιο; Ουσιαστικά οι απόψεις και των δύο είναι θεμιτές. Η διαμάχη αυτή κάθε άλλο παρά σημαίνει την κατάρρευση της φυσικής. Αντιθέτως είναι μάλλον υγιής. Αποτελεί δείγμα της ζωτικότητας της θεωρητικής φυσικής και η έκβασή της προκαλεί παθιασμένες αντιδράσεις. Η επιστήμη ευδοκιμεί με την αντιπαράθεση.

Είναι εύκολο να αντιληφθεί κανείς γιατί προκαλούνται τα πάθη. Η αναζήτηση μιας θεωρίας των πάντων εξήπτε τη φαντασία των μυστικιστών και των επιστημόνων από την αρχή της καταγεγραμμένης Ιστορίας. Ο ίδιος ο Σωκράτης είχε ορίσει: «Μου φαίνεται εξαιρετικό – το να γνωρίζεις την εξήγηση για το καθετί, γιατί γεννιέται, γιατί χάνεται, γιατί υπάρχει».

Περίπου το 500 π.Χ. οι Πυθαγόρειοι ανέλυσαν τις δονήσεις της χορδής μιας λύρας και αποκάλυψαν τα μαθηματικά πίσω από τη μουσική και την αρμονία. Στη συνέχεια διατύπωσαν την τολμηρή εικασία ότι το Σύμπαν θα μπορούσε να ερμηνευθεί απόλυτα με τους όρους των μαθηματικών της μουσικής αρμονίας. Σχεδόν όλοι οι γίγαντες της φυσικής του 20ού αιώνα έχουν προτείνει τη δική τους εκδοχή μιας ενιαίας θεωρίας πεδίου. Οπως έλεγε ο Φρίμαν Ντάισον: «το πεδίο της φυσικής είναι γεμάτο πτώματα ενιαίων θεωριών».

Εκ των υστέρων είναι εύκολο να κατανοήσει κανείς γιατί όλες αυτές οι προσπάθειες ενοποίησης όλων των δυνάμεων απέτυχαν. Είναι εντυπωσιακό το ότι η γενική σχετικότητα και η κβαντική θεωρία μαζί αντιπροσωπεύουν το σύνολο της φυσικής γνώσης στο θεμελιώδες επίπεδο. Ενα τεράστιο κομμάτι του παζλ, η πυρηνική δύναμη, έγινε κατανοητή μόλις τις τελευταίες δεκαετίες.

Οποιαδήποτε ενιαία θεωρία θα πρέπει να συμφιλιώνει τη βαρύτητα με την κβαντική θεωρία, της οποίας η πιο προωθημένη εκδοχή είναι το καθιερωμένο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων, με την αλλόκοτη ομάδα των κουάρκ, λεπτονίων, γκλουονίων και μποζονίων. Θα πρέπει όμως επίσης να παρέχει πεπερασμένες απαντήσεις: τα μαθηματικά της δεν θα πρέπει να παράγουν προβληματικά άπειρα.

Η ικανοποίηση αυτών των δύο απατηλά απλών κριτηρίων είναι σατανικά δύσκολη. Αποκλείουν αμέσως όλες τις προηγούμενες απόπειρες στις ενιαίες θεωρίες πεδίου. Ως τώρα η μόνη θεωρία η οποία τα πληροί είναι η θεωρία των χορδών. Το καθιερωμένο μοντέλο των σωματιδίων εμφανίζεται απλώς ως η χαμηλότερη δόνηση των υπερχορδών. Καθώς δε οι χορδές προχωρούν, αναγκάζουν τον χωροχρόνο να κινηθεί ελικοειδώς, ακριβώς όπως προβλέπει η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν. Επομένως και οι δύο θεωρίες σχεδόν περιλαμβάνονται στη θεωρία των χορδών. Επίσης, αντίθετα με όλες τις άλλες απόπειρες για μια ενιαία θεωρία πεδίου, η θεωρία των χορδών μπορεί να απομακρύνει κάθε ενδεχόμενο απείρου.

Παραδόξως η θεωρία των χορδών επιτυγχάνει ακόμη περισσότερα. Πολύ πολύ περισσότερα. Εχει τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων λύσεις, οι οποίες δεν μοιάζουν σε τίποτε με το Σύμπαν μας. Πολλά από τα παράλληλα αυτά σύμπαντα μοιάζουν πολύ με το δικό μας. Ενας τεράστιος αριθμός όμως διαφέρει εντελώς, έχοντας διαφορετικές ομάδες υποατομικών σωματιδίων.

Ετσι η θεωρία έχει προσωρινά σκαλώσει, περιμένοντας την επόμενη μεγάλη ανακάλυψη. Προς το παρόν, κανείς δεν γνωρίζει πώς να βρει τη λύση που ανταποκρίνεται μόνο στο δικό μας, συγκεκριμένο, Σύμπαν ανάμεσα στα τόσα παράλληλα σύμπαντα που περιλαμβάνει. Οσο αυτό δεν είναι εφικτό, δεν έχει προγνωστική ισχύ.

Αυτό το εμπόδιο έχει ανοίξει την πόρτα στους κυνικούς. Η τελευταία βολή προήλθε από τον Πίτερ Βόιτ του Πανεπιστημίου Κολούμπια της Νέας Υόρκης, ο οποίος υποστήριξε ότι τα καλύτερα νεαρά μυαλά της Φυσικής ακολουθούν τυφλά τη μόδα των χορδών και εξέφρασε τον φόβο ότι αυτό θα εκτροχιάσει μια ολόκληρη γενιά φυσικών.

Αυτή η κριτική με κάνει να χαμογελώ. Βλέπετε, υπάρχει μια δόση αλήθειας σε όσα αναφέρει, αυτό όμως δεν είναι κάτι καινούργιο. Η φυσική πάντοτε υπήρξε θύμα της εκάστοτε μόδας, του καπρίτσιου και του συρμού. Σε εμάς τους φυσικούς δεν αρέσει να το παραδεχόμαστε, στην πρώτη γραμμή όμως της Φυσικής, όπως και σε όλες τις ανθρώπινες ενασχολήσεις, είναι δύσκολο να βρεις δουλειά αν δεν εργάζεσαι σύμφωνα με τις επιταγές της τελευταίας «μόδας».

Η ειρωνεία είναι ότι τα θύματα που ποδοπατήθηκαν περισσότερο από αυτή τη νοοτροπία της αγέλης ήταν οι ίδιοι οι θεωρητικοί των χορδών. Αρχισα να εργάζομαι στη θεωρία των χορδών το 1969, έναν χρόνο μετά τη γέννησή της. Ως το 1974 είχε συντριβεί από την κβαντική χρωμοδυναμική, τη θεωρία των κουάρκ. Θυμάμαι καλά την πτώση. Ορδές φυσικών εγκατέλειπαν τη θεωρία των χορδών ή βρίσκονταν χωρίς δουλειά. Αστειευόμαστε ότι το μόνο μέρος όπου μπορούσε κανείς να βρει θεωρητικούς των χορδών ήταν στις ουρές των ταμείων ανεργίας. Δυστυχώς πολλοί από τους φίλους μου δεν επέζησαν της πανωλεθρίας: είτε άλλαξαν τομέα είτε εγκατέλειψαν εντελώς τη φυσική. Επί δέκα σκοτεινά χρόνια η θεωρία των χορδών περιπλανιόταν στην έρημο. Μόνο οι αληθινοί πιστοί, εκείνοι που ήταν πρόθυμοι να υποστούν βαριές στερήσεις και ταπεινώσεις, κράτησαν τη φλόγα αναμμένη.

Η προσωπική μου άποψη είναι ότι ζούμε σε μια κακομαθημένη κοινωνία, η οποία συνεχώς απαιτεί άμεσα αποτελέσματα. Καταπίνουμε βιαστικά χάπια, πατάμε κουμπιά, αλλάζουμε κανάλια και απαιτούμε στιγμιαία ευχαρίστηση. Τα μέσα επικοινωνίας ενισχύουν αυτές τις τάσεις, γεμίζοντας επαίνους όποιον ανεβαίνει και εγκαταλείποντας όποιον παίρνει την κάτω βόλτα.

Ευτυχώς η επιστήμη δεν καθορίζεται από τα ποσοστά δημοτικότητας, την προβολή των μέσων επικοινωνίας ή τα μπλογκ. Η επιστήμη δεν είναι διαγωνισμός ομορφιάς. Ξεχνάμε ότι οι πραγματικές πρόοδοι στη φυσική μπορεί να χρειαστούν χρόνια, ακόμη και αιώνες, για να ωριμάσουν.

Ξεχνάμε ότι οι περισσότερες ανακαλύψεις γίνονται έμμεσα, και όχι άμεσα. Γι’ αυτό και δεν χρειαζόμαστε επιταχυντές μορίων στο μέγεθος του Γαλαξία για να αποδείξουμε τη θεωρία των χορδών. Το 1825 ο φιλόσοφος Ογκύστ Κοντ προκάλεσε τον κόσμο της επιστήμης, δηλώνοντας ότι υπήρχε κάτι το οποίο δεν θα μπορούσαμε να συλλάβουμε ποτέ: από τι είναι φτιαγμένα τα άστρα. Μόλις μερικά χρόνια αργότερα ο Γιόζεφ φον Φραουνχόφερ και άλλοι χρησιμοποίησαν ατομικά φάσματα για να προσδιορίσουν ότι ο ήλιος αποτελούνταν από υδρογόνο.

Παρ’ ότι κανείς ποτέ δεν έχει επισκεφθεί τον ήλιο, σήμερα γνωρίζουμε από τι αποτελείται, αναλύοντας τον «απόηχο» του ηλιακού φωτός. Αντίστοιχα, κανείς ποτέ δεν έχει επισκεφθεί μια μαύρη τρύπα, μπορούμε όμως έμμεσα να αναλύσουμε τα υλικά που πέφτουν μέσα της.

Επιπλέον πολλές άλλες «μη εξετάσιμες» θεωρίες τελικά γίνονται αποδείξιμες. Ο φυσικός Βόλφγκανγκ Πάουλι διατύπωσε την έννοια του νετρίνου το 1930, μιλώντας για ένα σωματίδιο τόσο φευγαλέο που θα μπορούσε να περάσει μέσα από ένα κομμάτι συμπαγούς μολύβδου σε μέγεθος αστρικού συστήματος, χωρίς να απορροφηθεί. Ο Πάουλι είπε: «Διέπραξα το απώτατο αμάρτημα. Εισήγαγα ένα σωματίδιο το οποίο ποτέ δεν θα μπορέσει να παρατηρηθεί». Ηταν «αδύνατον» να ανιχνεύσει κανείς το νετρίνο, γι’ αυτό και επί αρκετές δεκαετίες θεωρούνταν κάτι σαν επιστημονική φαντασία. Σήμερα ωστόσο μπορούμε να παραγάγουμε ακτίνες νετρίνων.

Οταν εξετάζουμε το καθιερωμένο μοντέλο, ακόμη και οι επικριτές εντυπωσιάζονται από ένα βασανιστικό, παράξενο γεγονός: ενώ όλες οι δυνάμεις της Φύσης έχουν διαφορετική ένταση στις ενέργειες που συναντάμε καθημερινά, το καθιερωμένο μοντέλο προβλέπει ότι έχουν την ίδια ένταση σε μια πολύ υψηλότερη ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι μια μοναδική «υπερδύναμη» υπήρχε στην αρχή του χρόνου. Η θεωρία των χορδών μάς δίνει την πιο ακαταμάχητη θεωρία αυτής της υπερδύναμης, ανάγοντάς τη σε δονήσεις υπερχορδών.

Ο βραβευμένος με το Νομπέλ Στίβεν Γουάινμπεργκ παρομοιάζει την κατάσταση με την ύπαρξη του Βορείου Πόλου. Επί αιώνες οι πρώτοι εξερευνητές σχεδίαζαν χάρτες της Γης με μια τεράστια τρύπα στην κορυφή. Ολες οι βελόνες των πυξίδων συνέκλιναν σε ένα μυθικό σημείο το οποίο αποκαλούσαν Βόρειο Πόλο. Κανείς όμως δεν το είχε δει ποτέ. Χρειάστηκε να περάσουν αιώνες ώσπου να αποδειχθεί τελικά η ύπαρξή του. Αντί λοιπόν να περιμένουμε τους επιταχυντές ατόμων γαλαξιακών μεγεθών για να εξετάσουμε πειραματικά τη θεωρία, θα έπρεπε να εξετάζουμε πειραματικές μεθόδους με τις οποίες η απόδειξή της μπορεί να γίνει με έμμεσο τρόπο.

Τέτοιου είδους πειράματα μπορούν να γίνουν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), ο οποίος έχει αρχίσει να λειτουργεί κοντά στη Γενεύη. Ο LHC θα είναι μάλλον δυνατόν να παράγει υπερσωματίδια τα οποία αντιπροσωπεύουν τις υψηλότερες δονήσεις που προβλέπει η θεωρία των υπερχορδών καθώς και άλλες υπερσυμμετρικές θεωρίες.

Αργότερα, το 2015, το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων LISA (Laser Interferometer Space Antenna) θα εκτοξευθεί στο Διάστημα για να ανιχνεύσει ωστικά κύματα του χωροχρόνου τα οποία απελευθερώθηκαν τη στιγμή της Μεγάλης Εκρηξης. Υπάρχουν ελπίδες ότι το LISA θα είναι αρκετά ευαίσθητο ώστε να εξετάσει αρκετές «προ της Μεγάλης Εκρηξης» θεωρίες και μεταξύ αυτών και εκδοχές της θεωρίας των χορδών.

Η τελευταία εκδοχή της θεωρίας των χορδών προβλέπει ως και 11 διαστάσεις.

Πειράματα που διεξάγονται από πολλούς ερευνητές μπορεί τελικά να ανιχνεύσουν και να μελετήσουν τη σκοτεινή ύλη στο εργαστήριο. Η θεωρία των χορδών κάνει συγκεκριμένες και εξετάσιμες προβλέψεις για τις φυσικές ιδιότητες της σκοτεινής ύλης επειδή αυτή αποτελεί μάλλον υψηλότερη δόνηση χορδών. Πολλά άλλα πειράματα αποσκοπούν επίσης στο να ανιχνεύσουν την παρουσία των μίνι μαύρων οπών και άλλων παράξενων αντικειμένων, αναλύοντας ανωμαλίες στην κοσμική ακτινοβολία, της οποίας οι ενέργειες ξεπερνούν κατά πολύ αυτές που μπορούν να επιτευχθούν στον LHC. Ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων των πειραμάτων της κοσμικής ακτινοβολίας και του LHC μπορεί να ανοίξει ένα νέο, συναρπαστικό όριο πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο.

Τι θα γίνει όμως αν η επόμενη γενιά πειραμάτων δεν φανεί τελικά τόσο ευαίσθητη ώστε να αποδείξει έμμεσα τη θεωρία; Οι ελπίδες δεν έχουν χαθεί, και πάλι υπάρχουν άλλες εναλλακτικές λύσεις.

Μια από αυτές είναι να θεωρήσουμε ότι οποιαδήποτε θεωρία των πάντων θα πρέπει να εμπεριέχει μια επιπλέον πληροφορία: τις αρχικές συνθήκες. Για να κατανοήσετε αυτή την ιδέα, δείτε τη θεωρία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων του Μάξγουελ, η οποία έχει άπειρο αριθμό λύσεων. Για να περιγράψετε ένα λέιζερ ή την ακτινοβολία μέσα σε έναν φούρνο μικροκυμάτων, θα πρέπει να διευκρινίσετε τις «οριακές συνθήκες» – την αρχική κατάσταση του συστήματος. Κατά τον ίδιο τρόπο, και εφόσον κάθε λύση της θεωρίας των χορδών αποτελεί ολόκληρο Σύμπαν, θα μπορούσε κανείς να διευκρινίσει την αρχική κατάσταση του Σύμπαντος τη στιγμή της Μεγάλης Εκρηξης. Υστερα η θεωρία των χορδών θα περιγράψει πώς το Σύμπαν εξελίχθηκε στην παρούσα κατάστασή του.

Κάτι τέτοιο δεν βρίσκει σύμφωνους τους πάντες. Οπως είχε πει κάποτε ο μαθηματικός Αλαν Τούρινγκ: «η επιστήμη είναι μια διαφορική εξίσωση. Η θρησκεία είναι μια οριακή συνθήκη».

Εγώ έχω τη δική μου άποψη. Για μένα το θεμελιώδες πρόβλημα είναι ότι η θεωρία των χορδών δεν έχει λάβει ακόμη την τελική μορφή της. Ανακαλύφθηκε μάλλον τυχαία το 1968 και έκτοτε εξελίχθηκε προς τα πίσω. «Η θεωρία των χορδών είναι φυσική του 21ου αιώνα, η οποία βρέθηκε κατά λάθος στον 20ό αιώνα» εξηγεί αστειευόμενος ο Εντουαρντ Γουίτεν του Ινστιτούτου Προωθημένων Μελετών του Πρίνστον.

Δυστυχώς τα απαραίτητα μαθηματικά του 21ου αιώνα δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη. Η θεωρία είναι πιο έξυπνη από εμάς. Η θεωρία των χορδών έχει εξελιχθεί προς τα πίσω. Ανακαλύφθηκε τυχαία σαν υπερμεγεθυμένη κβαντική θεωρία και μόνο αργότερα οι φυσικοί άρχισαν να αποκαλύπτουν την κλασική θεωρία πίσω από το μοντέλο, η οποία ήταν μια παλλόμενη χορδή. Τώρα προσπαθούμε να βρούμε τη θεμελιώδη αρχή πίσω από τη θεωρία των χορδών.

Μου αρέσει να παρομοιάζω αυτή την προσπάθεια με μια περιπλάνηση στην έρημο όπου, ξαφνικά, σκοντάφτουμε σε ένα χαλίκι. Παραμερίζοντας την άμμο ανακαλύπτουμε ότι το «χαλίκι» είναι στην ουσία η κορυφή μιας κολοσσιαίας πυραμίδας. Υστερα από χρόνια ανασκαφών ανακαλύπτουμε υπέροχα ιερογλυφικά, παράξενες σήραγγες και μυστικά περάσματα. Κάθε φορά που νομίζουμε ότι βρισκόμαστε στο τελευταίο επίπεδο, βρίσκουμε ένα ακόμη από κάτω. Σήμερα, τελικά, νομίζουμε ότι βρισκόμαστε στο κατώτερο επίπεδο και αρχίζουμε να βλέπουμε την πόρτα.

Κάποτε κάποιος λαμπρός φυσικός, ίσως εμπνευσμένος από αυτό το άρθρο, θα ολοκληρώσει τη θεωρία, θα ανοίξει την πόρτα και θα χρησιμοποιήσει τη δύναμη της καθαρής σκέψης για να προσδιορίσει το αν η θεωρία των χορδών είναι μια θεωρία των πάντων, του κάτι ή του τίποτε