Teoria totului, o utopie?

Zborul este un miracol. Podeaua avionului vibrează uşor sub tălpile picioarelor mele, poate de la motoarele cu reacţie care propulsează avionul sau poate de la aripile avionului care vibrează sub efectul curenților de aer.

În pofida unui zbor liniştit, fără turbulenţe, culoarea portocalie a indicatorului privind centura de siguranţă îmi spune că lucrurile urmează să se schimbe, informaţiile meteorologice ajungând în avion prin intermediul undelor radio înainte ca semnalele electrice de atenţionare să fie transmise pasagerilor.

Și totuși, această minune a ingineriei se bazează pe o fizică binecunoscută cu mult timp în urmă. Aviaţia din prezent nu ar surprinde un om de știință din secolul al XIX-lea, cu excepția faptului că o călătorie de la New York la Tokyo durează doar douăsprezece ore.

Fizicienii au descoperit existența a trei nivele distincte ale realităţii, independente între ele, fiecare ascuns în interiorul altuia.

Materialele sunt alcătuite din elemente chimice, precum aurul și oxigenul, care sunt diferite tipuri de atomi. Dacă cercetăm interiorul unui atom vom găsi un nor de electroni în jurul unui nucleu format din protoni și neutroni. La rândul lor, fiecare proton și neutron este format dintr-un trio de particule denumite quarcuri.

Descrierea acestor particule, alături de alte tipuri de particule mai rare și interacțiunile dintre ele, a evoluat în cel mai complet set de reguli despre Univers: Modelul Standard.

„Din punctul de vedere al înțelegerii naturii, Modelul Standard este doar o construcție fantastică. Un exemplu perfect de realizare umană”, a declarat Adam Falkowski, fizician în domeniul particulelor elementare din cadrul Laboratoire de Physique Theory din Franța.

Confirmarea existenței ultimei particule prevăzute de Modelul Standard, bosonul Higgs, a venit în anul 2012, iar încercările ulterioare de îmbunătățire a Modelului Standard au declanșat o criză.

Timp de decenii, fizicienii şi-au dorit o descriere matematică frumoasă a Universului, sugerând că o nouă clasă de particule ar putea să adauge un echilibru, denumit supersimetrie, la Modelul Standard, ceea ce ar explica unele coincidențe şi ar deschide calea unor modele teoretice mai ambițioase.

Din păcate, natura avea alte planuri. După aproape 10 ani de căutări, acceleratorul de particule Large Hadron Collider de la CERN nu a detectat cel mai probabil set de particule supersimetrice, un rezultat experimental cu consecințe teoretice profunde.

O generație de fizicieni și-a dedicat cariera noțiunii de supersimetrie și chiar dacă instrumentele matematice pe care le-au dezvoltat vor fi folosite, cu siguranță, în altă parte, mulți alţi fizicieni sugerează că această concepţie necesită o revizuire.

În timp ce unii fizicieni credeau că nivelul fundamental al naturii era aproape vizibil, mulți s-au trezit acum în necunoscut, unii dintre ei întrebându-se dacă există într-adevăr un nivel fundamental al realităţii care poate fi găsit.

„Mi-a plăcut să spun că sunt un om de știință pentru că vreau să înțeleg natura supremă a realității, dar ce ar putea însemna aceasta?”, a declarat Marcelo Gleiser, un fizician teoretician de la Dartmouth College.

În căutarea unor erori ale Modelului Standard, care ar putea indica direcția spre o nouă fizică, s-au efectuat numeroase experimente.

Cercetătorii care utilizează acceleratorul de particule de la Fermilab, SUA, au accelerat miuoni în jurul unui inel magnetic, în speranța de a determina dacă o măsurătoare efectuată în urmă cu aproape douăzeci de ani este greşită sau poate fi considerată un indiciu pentru un fenomen în afara Modelului Standard.

Particulele ar trebui să se transforme cu o anumită rată în timp ce se deplasează, o rată pe care Modelul Standard o poate prezice cu zece zecimale. Cu toate acestea, o măsurătoare efectuată în anul 2001 la Brookhaven National Laboratory din Long Island a evidenţiat ceva neaşteptat. Deși pare incredibil, miuonii (și toate particulele) se mişcă de fapt prin ceea ce fizicianul Chris Polly de la Fermilab numește „o mare” de particule de scurtă durată care apar şi dispar, în permanenţă, modificând traiectoria particulelor accelerate.

În experimentul Brookhaven fizicienii au măsurat o deviere de la traiectoria normală a miuonilor într-un mod care nu poate fi explicat prin Modelul Standard. Din acest motiv, unii fizicieni au presupus că această abatere ar putea reprezenta dovada existenţei unor particule necunoscute care interacţionează cu miuonii.

Mărimea abaterii? Mai mică de treizeci miimi de procent față de predicția Modelului Standard.

„Aceasta este abaterea de care suntem interesaţi, deoarece ea este provocată de toate celelalte particule din Univers cu care interacţionează miuonul”, a declarat Polly.

Rezultatul obţinut în urma experimentului de la Brookhaven National Laboratory nu era suficient de precis pentru a distinge între particulele noi şi „ghinionul” statistic, dar echipamentele îmbunătățite de la Fermilab ar trebui să permită eliminarea incertitudinii măsurătorilor.

De ce ar trebui să ne preocupe toate aceste probleme, dacă Modelul Standard funcționează atât de bine?

Pentru că comunitatea ştiinţifică știe că Modelul Standard nu descrie Universul în ansamblu. Două motive principale îi motivează pe fizicieni să elaboreze teorii cât mai fundamentale. Unii oameni de știință le etichetează drept „dovezile experimentale” și „frumuseţea teoriilor”, dar le-ați putea numi la fel de ușor „lista cu probleme” și „lista de dorințe”.

Lista cu probleme se referă la toate problemele care trebuie rezolvate ca urmare a descoperirii unor fenomene ciudate. Rotaţia galaxiilor, de exemplu, dezvăluie existenţa unei mase nevăzute, care indică fie un nou tip de materie, fie un eșec al teoriei gravitației. Mai mult, fie o forță necunoscută provoacă expansiunea accelerată a Universului, fie interpretarea noastră a datelor cosmologice este profund eronată.

Structura Universului ar putea fi similară unui fractal? Credit: Robert Sontheimer | CC BY 3.0

Orice teorie completă trebuie să țină cont de aceste observații ale așa-numitei materii întunecate și a energiei întunecate.

„Toate acestea ne spun că trebuie să existe ceva necunoscut. Din păcate, nu ne spun unde”, a declarat Falkowski.

Paradoxal, ceea ce-i făcea adeseori pe fizicienii teoreticieni să înţeleagă că o teorie nu este, cel mai probabil, corectă era „lista de dorințe”, mai exact aspectele mai puţin frumoase ale modelului prin care doreau să explice cu eleganţă un anumit fenomen necunoscut.

De exemplu, acceleratoarele de particule din anii 1940 și 1950 au produs, de exemplu, o mulţime de particule noi pe care cercetătorii le-au numit „grădina zoologică a particulelor”. Majoritatea oamenilor de știință se îndoiau că așa-numitele blocuri ale naturii ar putea fi atât de numeroase şi că acestea ar fi formate din quarcuri.

Simplificările Modelului Standard, bazate pe matematică, au continuat în anii 1980.

„Datorită succesului extraordinar al Modelului Standard, majoritatea fizicienilor au ajuns la concluzia că, urmând aceeași logică a simetriei, s-ar putea înregistra noi progrese. Concepția a fost că acest joc ar trebui să continue” a declarat Gian Giudice din cadrul CERN.

Giudice aminteşte de o perioadă în care apariția supersimetriei și a unei teorii exotice, denumită teoria corzilor, sugera că matematica ne-ar putea ajuta să înţelegem fundamentul realităţii.

Cu toate acestea, pe parcursul încercărilor de a respecta „lista de dorințe” din epoca modernă, fizicienii teoreticieni par să se fi lovit de un zid. Teoria supersimetrie a fost susţinută de bănuiala că bosonul Higgs, particula care interacționează cu celelalte particule pentru a le conferi masa, este o particulă uşoară.

Unele calcule au prezis că prin interacțiunile cu particulele având un timp scurt de existenţă (ca în experimentul cu miuoni de la Fermilab) bosonul Higgs ar trebui să fie o particulă masivă, dar când măsurătorile au confirmat că este o particulă ușoară, fizicienii teoreticieni au sugerat existența unor particule supersimetrice pentru echilibrarea masei bosonului Higgs. În prezent, tot mai mulţi fizicieni pun sub semnul întrebării concepţia din spatele acestei ipoteze.

„Mă bucur foarte mult că nu mi-am desfăşurat activitatea în domeniul supersimetriei. Am realizat treptat că această teorie, care presupune o simetrie perfectă în spatele tuturor lucrurilor, este aproape ca o religie”, a declarat Gleiser.

Fizicienii doresc, de asemenea, să înțeleagă de ce anumite particule au o anumită masă și dacă diferitele forțe fundamentale sunt, de fapt, variații ale unei forțe primordiale. Cu toate acestea, ei recunosc că rezolvarea acestor probleme nu este absolut necesară.

„Există câteva întrebări la care nu avem răspunsuri bune”, recunoaște Polly, indicând eclipsele solare drept un contraexemplu. Întâmplător, Luna are exact mărimea și orbita potrivită pentru a acoperi perfect discul Soarelui pe suprafața Pământului. Uneori o coincidență este doar o coincidență.

Poate că fizica va avea de câştigat de pe urma renunţării la anumite teorii, cum ar fi cele privind supersimetria, deoarece astfel vor putea fi propuse altele noi.

„În știință, cele mai bune momente sunt momentele de confuzie, care se pot dovedi puncte de cotitură”, afirmă Giudice.

Giudice compară activitatea fizicienilor din prezent cu cea a unui biolog care încearcă să stabilească o teorie completă despre zebre prin măsurarea dungilor de pe acestea și numărarea indivizilor din această specie.

Această teorie ne-ar putea învăța multe despre aspectul zebrelor și numărul acestora, dar modul cum au ajuns ele să fie aşa cum pot fi observate în prezent ar părea aleator și improbabil, cum ar fi masa bosonului Higgs sau mărimea Lunii.

Numai după apariţia unor teorii despre lei și evoluție, teoria completă căutată de biologi ar putea răspunde la întrebărilor „de ce” cu privire la apariţia/dispariţia unor specii sau formarea modelele de benzi de pe zebre.

În mod similar, Giudice consideră că şi în fizica actuală este nevoie de o revoluție asemănătoare teoriei lui Darwin prin care să se conecteze domenii aparent fără legătură între ele.

Până în prezent, fizicienii s-au concentrat, treptat, asupra unor nivele tot mai mici ale realităţii, dar separate. Primii atomi, apoi particulele subatomice şi apoi quarcurile. Această abordare a funcționat, deoarece aceste nivele nu interacționează deloc: ne putem ocupa de chimie sau putem construi un avion fără să ştim despre quarcuri.

Problemele excepționale, cum ar fi masa bosonului Higgs și natura energiei întunecate, par să se extindă pe mai multe nivele, făcându-le dificil de înţeles cu ajutorul unor instrumente precum acceleratoarele de particule.

„Când studiem nivelul cuantic ne dăm seama că fenomenele de acolo încorporează de fapt informații cu privire la scări diferite ale realităţii”, afirmă Giudice.

În concluzie, cât de adâncă este această „gaură de iepure”? Poate că romancierul de ştiinţifico-fantastic Douglas Adams a a avut dreptate atunci când a scris că:

„Există o teorie care afirmă că dacă cineva descoperă ce este Universul și de ce există, atunci acesta va dispărea și va fi înlocuit cu ceva mai bizar și mai inexplicabil. Şi există o altă teorie care afirmă că acest lucru s-a întâmplat deja”.

Dacă întrebaţi cinci fizicieni care este adevărata natură a realității veți primi cinci refuzuri politicoase de a face speculații de acest gen.

„Dacă rămânem la nivel filosofic, este posibil să nu existe un aspect fundamental al realităţii sau să fie la un nivel care este complet inaccesibil pentru omenire, ceea ce, în mod efectiv, este același lucru pentru noi”, a declarat Patrick Koppenburg, un fizician din cadrul Dutch National Institute for Subatomic Physics.

„Nu cred că noi, ca oameni, vom fi vreodată satisfăcuți de teoriile actuale. Fiecare întrebare la care găsim un răspuns conduce, de asemenea, la apariţia a noi întrebări”, a declarat Polly.

Chiar dacă teoreticienii vor continua căutarea unei teorii a totului, ei nu vor putea fi siguri niciodată că natura nu le ascunde alte aspecte nebănuite ale realităţii.

„Tot ceea ce știm depinde de instrumente. Teoria izvorăște din observație și toate observațiile au limitele lor. Suntem mereu, întotdeauna, parțial orbi.

Am descoperit că natura nu funcționează la întâmplare. Există o ordine în natură, care este exprimată de legile fizicii. Pare de necrezut ca această caracteristică să nu se regăsească şi la niveluri mai profunde”, afirmă Gleiser.

Eu mă bucur că legile fizicii pot descrie natura, chiar dacă uneori sunt dificil de înţeles. Din acest motiv sunt sigur că avionul meu va ateriza la timp și este o ușurare să ştiu că dacă va exista o întârziere, aceasta va apărea din motive temeinice, logice, deși poate că nu vor fi cunoscute.

 Traducere şi adaptare după Does a theory of everything exist?