תיאוריית מיתרי העל, בשפה הפופולרית, מייצגת את היקום כאוסף של גדילי אנרגיה רוטטים - מיתרים. הם הבסיס לטבע. ההשערה מתארת גם אלמנטים נוספים - בריינים. כל החומר בעולמנו מורכב מרטט של מיתרים וברינים. תוצאה טבעית של התיאוריה היא תיאור כוח המשיכה. זו הסיבה שמדענים מאמינים שהוא מכיל את המפתח לאיחוד כוח הכבידה עם כוחות אחרים.
קונספט מתפתח
תורת השדות המאוחדים, תורת מיתרי העל, היא מתמטית בלבד. כמו כל המושגים הפיזיקליים, הוא מבוסס על משוואות שניתן לפרש בדרכים מסוימות.
היום אף אחד לא יודע בדיוק מה תהיה הגרסה הסופית של התיאוריה הזו. למדענים יש מושג מעורפל למדי לגבי המרכיבים הכלליים שלו, אבל אף אחד עדיין לא המציא משוואה סופית שתכסה את כל תיאוריות מיתרי העל, ומבחינה ניסיוני היא עדיין לא הצליחה לאשר אותה (אם כי גם לא להפריך אותה). פיזיקאים יצרו גרסאות מפושטות של המשוואה, אבל עד כה היא לא ממש מתארת את היקום שלנו.
תורת מיתרים למתחילים
ההשערה מבוססת על חמישה רעיונות מרכזיים.
- תיאוריית מיתרי העל חוזה שכל העצמים בעולמנו מורכבים מחוטים רוטטים וממברנות של אנרגיה.
- היא מנסה לשלב את תורת היחסות הכללית (כוח הכבידה) עם פיזיקת הקוונטים.
- תורת המיתרים תאחד את כל כוחות היסוד של היקום.
- השערה זו מנבאת קשר חדש, סופרסימטריה, בין שני סוגים שונים מהותית של חלקיקים, בוזונים ופרמיונים.
- המושג מתאר מספר ממדים נוספים, בדרך כלל בלתי ניתנים לצפייה, של היקום.
מיתרים וברינים
כשהתאוריה עלתה בשנות ה-70, חוטי האנרגיה בה נחשבו לאובייקטים חד-ממדיים - מיתרים. המילה "חד ממדי" פירושה שלמחרוזת יש רק מימד אחד, האורך, בניגוד למשל לריבוע, שיש לו גם אורך וגם גובה.
התיאוריה מחלקת את מיתרי העל הללו לשני סוגים - סגורים ופתוחים. למיתר פתוח יש קצוות שאינם נוגעים זה בזה, ואילו מיתר סגור הוא לולאה ללא קצוות פתוחים. כתוצאה מכך, נמצא שהמחרוזות הללו, המכונות מחרוזות מהסוג הראשון, כפופות ל-5 סוגים עיקריים של אינטראקציות.
אינטראקציות מבוססות על היכולת של מחרוזת להתחבר ולהפריד את הקצוות שלה. מכיוון שקצוות של מיתרים פתוחים יכולים להתאחד וליצור מיתרים סגורים, אי אפשר לבנות תיאוריית מיתרים שלא כוללת מיתרים עם לולאות.
זה התברר כחשוב, מכיוון שלמיתרים סגורים יש תכונות, מאמינים פיזיקאים, שיכולות לתאר את כוח הכבידה. במילים אחרות, מדעניםהבין שתיאוריית מיתרי העל, במקום להסביר את חלקיקי החומר, יכולה לתאר את התנהגותם ואת כוח המשיכה שלהם.
לאחר שנים רבות, התגלה שמלבד מחרוזות, נחוצים אלמנטים נוספים לתיאוריה. אפשר להתייחס אליהם כעל סדינים, או בריינים. ניתן לחבר חוטים לצד אחד או לשני הצדדים.
כבידה קוונטית
לפיזיקה המודרנית יש שני חוקים מדעיים עיקריים: תורת היחסות הכללית (GR) וקוונטי. הם מייצגים תחומי מדע שונים לחלוטין. פיזיקת הקוונטים חוקרת את החלקיקים הטבעיים הקטנים ביותר, ו-GR, ככלל, מתאר את הטבע בקנה מידה של כוכבי לכת, גלקסיות והיקום בכללותו. ההשערות המנסות לאחד אותן נקראות תיאוריות כבידה קוונטית. המבטיח שבהם כיום הוא המחרוזת.
חוטים סגורים תואמים להתנהגות כוח המשיכה. בפרט, יש להם תכונות של גרביטון, חלקיק הנושא את כוח הכבידה בין עצמים.
לאחד כוחות
תורת המיתרים מנסה לשלב את ארבעת הכוחות - אלקטרומגנטיים, כוחות גרעיניים חזקים וחלשים, וכוח הכבידה - לאחד. בעולם שלנו הם מתבטאים כארבע תופעות שונות, אבל תורת המיתרים מאמינים שביקום המוקדם, כשהיו רמות גבוהות להפליא של אנרגיה, כל הכוחות הללו מתוארים על ידי מיתרים המקיימים אינטראקציה זה עם זה.
סופרסימטריה
ניתן לחלק את כל החלקיקים ביקום לשני סוגים: בוזונים ופרמיונים. תיאוריית המיתריםמנבא שיש קשר ביניהם, הנקרא סופרסימטריה. בסופרסימטריה חייב להיות פרמיון לכל בוזון ובוזון לכל פרמיון. למרבה הצער, קיומם של חלקיקים כאלה לא אושר בניסוי.
סופרסימטריה היא קשר מתמטי בין אלמנטים של משוואות פיזיקליות. הוא התגלה בתחום אחר בפיזיקה, ויישומה הוביל לשינוי שמה של תורת המיתרים העל-סימטריים (או תורת המיתרים העל-סימטרית, בשפה העממית) באמצע שנות ה-70.
אחד היתרונות של סופרסימטריה הוא שהיא מפשטת מאוד משוואות בכך שהיא מאפשרת לבטל כמה משתנים. ללא סופרסימטריה, המשוואות מובילות לסתירות פיזיקליות כמו אינסוף ערכים ורמות אנרגיה דמיוניות.
מכיוון שמדענים לא צפו בחלקיקים שנחזו על ידי סופרסימטריה, זו עדיין השערה. פיזיקאים רבים מאמינים שהסיבה לכך היא הצורך בכמות משמעותית של אנרגיה, הקשורה למסה על ידי משוואת איינשטיין המפורסמת E=mc2. חלקיקים אלה יכלו להתקיים ביקום המוקדם, אך כשהתקרר והאנרגיה התפשטה לאחר המפץ הגדול, חלקיקים אלה עברו לרמות אנרגיה נמוכות.
במילים אחרות, המיתרים שרטטו כחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה איבדו את האנרגיה שלהם, והפכו אותם ליסודות רטט נמוכים יותר.
מדענים מקווים שתצפיות אסטרונומיות או ניסויים עם מאיצי חלקיקים יאשרו את התיאוריה על ידי חשיפת כמה מהיסודות העל-סימטריים בעליאנרגיה.
מדידות נוספות
תוצאה מתמטית נוספת של תורת המיתרים היא שהיא הגיונית בעולם עם יותר מתלת מימד. יש כרגע שני הסברים לכך:
- המידות הנוספות (שש מהן) קרסו, או, בטרמינולוגיה של תורת המיתרים, נדחסו לגדלים קטנים להפליא שלעולם לא יתפסו.
- אנחנו תקועים בסביבת התלת-ממד, ושאר הממדים משתרעים מעבר לו ואינם נגישים לנו.
קו חשוב של מחקר בקרב תיאורטיקנים הוא המודלים המתמטיים של האופן שבו הקואורדינטות הנוספות הללו עשויות להיות קשורות לשלנו. התוצאות האחרונות מנבאות שמדענים יוכלו לזהות בקרוב את הממדים הנוספים הללו (אם הם קיימים) בניסויים הקרובים, מכיוון שהם עשויים להיות גדולים מהצפוי בעבר.
הבנת המטרה
המטרה שאליה חותרים מדענים בחקירת מיתרי-על היא "תיאוריה של הכל", כלומר, השערה פיזיקלית אחת המתארת את המציאות הפיזית כולה ברמה בסיסית. אם יצליח, זה יכול להבהיר שאלות רבות לגבי מבנה היקום שלנו.
הסבר על חומר ומסה
אחת המשימות העיקריות של המחקר המודרני היא למצוא פתרונות לחלקיקים אמיתיים.
תורת המיתרים התחילה כמושג המתאר חלקיקים כמו האדרונים במצבי רטט שונים גבוהים יותר של מיתר. ברוב הניסוחים המודרניים, העניין שנצפה אצלנוהיקום, הוא תוצאה של תנודות של מיתרים וברינים עם האנרגיה הנמוכה ביותר. רעידות גבוהות יותר מייצרות חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה שכרגע אינם קיימים בעולמנו.
המסה של החלקיקים היסודיים האלה היא ביטוי לאופן שבו מיתרים וברינים עטופים בממדים נוספים דחוסים. לדוגמה, במקרה פשוט שבו הם מקופלים לצורת סופגניה, הנקראת טורוס על ידי מתמטיקאים ופיזיקאים, מחרוזת יכולה לעטוף צורה זו בשתי דרכים:
- לולאה קצרה דרך אמצע הטורוס;
- לולאה ארוכה סביב כל ההיקף החיצוני של הטורוס.
לולאה קצרה תהיה חלקיק קל, ולולאה גדולה תהיה כבדה. עטיפה של מיתרים סביב מידות דחוסות טורואידיות מייצרת אלמנטים חדשים בעלי מסות שונות.
תורת המיתרים מסבירה בצורה תמציתית וברורה, בפשטות ובאלגנטיות את המעבר של אורך למסה. המידות המקופלות כאן הרבה יותר מסובכות מהטורוס, אבל עקרונית הן פועלות באותה צורה.
זה אפשרי אפילו, אם כי קשה לדמיין, שהמיתר עוטף את הטורוס בשני כיוונים בו-זמנית, וכתוצאה מכך חלקיק שונה בעל מסה שונה. בריינים יכולים גם לעטוף ממדים נוספים, וליצור עוד יותר אפשרויות.
קביעת מקום וזמן
בגרסאות רבות של תורת מיתרי העל, הממדים קורסים, מה שהופך אותם לבלתי ניתנים לצפייה ברמת הפיתוח הטכנולוגית הנוכחית.
כרגע לא ברור אם תורת המיתרים יכולה להסביר את הטבע היסודי של מרחב וזמןיותר ממה שאיינשטיין עשה. בו, מדידות הן הרקע לאינטראקציה של מיתרים ואין להן משמעות אמיתית עצמאית.
הוצעו הסברים, לא מפותחים במלואם, לגבי ייצוג המרחב-זמן כנגזרת של הסכום הכולל של כל אינטראקציות המחרוזות.
גישה זו אינה עונה על הרעיונות של כמה פיזיקאים, מה שהוביל לביקורת על ההשערה. התיאוריה התחרותית של כוח הכבידה הקוונטית בלולאה משתמשת בכיוונטיזציה של מרחב וזמן כנקודת התחלה. יש המאמינים שבסופו של דבר זו תהיה רק גישה שונה לאותה השערה בסיסית.
כיוונטיזציה של כוח המשיכה
ההישג העיקרי של השערה זו, אם היא תאושר, יהיה תורת הקוונטים של כוח המשיכה. התיאור הנוכחי של כוח הכבידה בתורת היחסות הכללית אינו עולה בקנה אחד עם הפיזיקה הקוונטית. האחרון, על ידי הטלת הגבלות על התנהגותם של חלקיקים קטנים, מוביל לסתירות כאשר מנסים לחקור את היקום בקנה מידה קטן ביותר.
איחוד כוחות
כיום, פיזיקאים מכירים ארבעה כוחות יסוד: כוח משיכה, אלקטרומגנטי, אינטראקציות גרעיניות חלשות וחזקות. מתורת המיתרים עולה שכולם היו פעם ביטויים של אחד.
לפי השערה זו, מאז שהיקום המוקדם התקרר לאחר המפץ הגדול, האינטראקציה הבודדת הזו החלה להתפרק לגורמים שונים הפעילים היום.
ניסויים באנרגיה גבוהה יאפשרו לנו יום אחד לגלות את איחוד הכוחות הללו, למרות שניסויים כאלה הם הרבה מעבר להתפתחות הטכנולוגיה הנוכחית.
חמש אפשרויות
לאחר מהפכת מיתרי העל ב-1984, הפיתוח בוצע בקצב קדחתני. כתוצאה מכך, במקום מושג אחד, היו חמישה טיפוסים בשם I, IIA, IIB, HO, HE, שכל אחד מהם תיאר כמעט לחלוטין את עולמנו, אך לא לחלוטין.
פיזיקאים, הממיינים גרסאות של תורת המיתרים בתקווה למצוא נוסחה אמיתית אוניברסלית, יצרו 5 גרסאות שונות עצמאיות. חלק מהמאפיינים שלהם שיקפו את המציאות הפיזית של העולם, אחרים לא התאימו למציאות.
M-theory
בוועידה ב-1995, הפיזיקאי אדוארד וויטן הציע פתרון נועז לבעיית חמש השערות. בהתבסס על הדואליות החדשה שהתגלתה, כולם הפכו למקרים מיוחדים של מושג-על יחיד, הנקרא M-Theory של Witten של מיתרי-על. אחד ממושגי המפתח שלו היה בראנס (קיצור של ממברנה), אובייקטים בסיסיים בעלי יותר מממד אחד. למרות שהמחבר לא הציע גרסה מלאה, שעדיין אינה זמינה, תורת ה-M של מיתרי העל מורכבת בקצרה מהתכונות הבאות:
- 11-ממד (10 מרחבי פלוס ממד זמן אחד);
- דואליות שמובילה לחמש תיאוריות המסבירות את אותה מציאות פיזית;
- branes הם מחרוזות עם יותר מממד אחד.
השלכות
כתוצאה מכך, במקום אחד, היו 10500 פתרונות. עבור כמה פיזיקאים זה גרם למשבר, בעוד שאחרים קיבלו את העיקרון האנתרופי, שמסביר את תכונות היקום על ידי נוכחותנו בו. נותר לראות מתי תיאורטיקנים ימצאו אחרדרך התמצאות בתורת המיתרים.
כמה פרשנויות מצביעות על כך שהעולם שלנו אינו היחיד. הגרסאות הרדיקליות ביותר מאפשרות קיומם של אינסוף יקומים, שחלקם מכילים עותקים מדויקים משלנו.
התיאוריה של איינשטיין חוזה את קיומו של חלל מפותל, הנקרא חור תולעת או גשר איינשטיין-רוזן. במקרה זה, שני אתרים מרוחקים מחוברים במעבר קצר. תורת המיתרים מאפשרת לא רק זאת, אלא גם חיבור של נקודות רחוקות של עולמות מקבילים. אפשר אפילו לעבור בין יקומים עם חוקי פיזיקה שונים. עם זאת, סביר להניח שתאוריית הקוונטים של כוח הכבידה תהפוך את קיומם לבלתי אפשרי.
פיזיקאים רבים מאמינים שהעיקרון ההולוגרפי, כאשר כל המידע הכלול בנפח החלל מתאים למידע שנרשם על פני השטח שלו, יאפשר הבנה מעמיקה יותר של מושג חוטי האנרגיה.
יש הסבורים שתורת מיתרי העל מאפשרת מימדים מרובים של זמן, מה שעלול לגרום לנסיעה דרכם.
בנוסף, במסגרת ההשערה, קיימת אלטרנטיבה למודל המפץ הגדול, לפיו היקום שלנו הופיע כתוצאה מהתנגשות של שני ברינים ועובר מחזורים חוזרים ונשנים של בריאה והרס.
גורל האולטימטיבי של היקום תמיד העסיק את הפיזיקאים, והגרסה הסופית של תורת המיתרים תעזור לקבוע את צפיפות החומר ואת הקבוע הקוסמולוגי. בהכרת הערכים הללו, קוסמולוגים יכולים לקבוע אם היקום יצליחתתכווץ עד שהוא יתפוצץ כדי להתחיל הכל מחדש.
אף אחד לא יודע לאן תיאוריה מדעית יכולה להוביל עד שהיא מפותחת ונבדקת. איינשטיין, שכתב את המשוואה E=mc2, לא ציפה שזה יוביל להופעת נשק גרעיני. יוצרי הפיזיקה הקוונטית לא ידעו שהיא תהפוך לבסיס ליצירת לייזר וטרנזיסטור. ולמרות שעדיין לא ידוע למה יוביל מושג תיאורטי טהור שכזה, ההיסטוריה מלמדת שמשהו יוצא מן הכלל בוודאי יתברר.
למידע נוסף על השערה זו, ראה את תורת מיתרי העל של אנדרו צימרמן עבור בובות.
