Teoria totului: progresul în fizică depinde şi de priceperea de a pune întrebările potrivite

„Care este teoria totului?” a fost o întrebare pe care am auzit-o adeseori atunci când mi-am început lucrarea pentru diploma de licență în fizică (acum aproximativ 20 de ani).

Această întrebare era ca o etichetă a modului cum fizicienii teoreticieni încercau să dobândească o înțelegere mai profundă a blocurilor elementare ale universului nostru și a forțelor care guvernează dinamica lor.

Este aceasta însă o întrebare bună? Este ea utilă pentru îndrumarea oamenilor de știință către noi descoperiri prin care înțelegerea noastră să atingă următorul nivel?

La urma urmei, știința bună se bazează pe priceperea de a pune întrebări bune. Sau această întrebare relevă doar o „dorință”?

Probabil că întrebarea „Care este teoria totului?” ne amintește că știința bună nu trebuie să înceapă cu cele mai bune întrebări. Să explic mai bine ce vreau să spun.

Să presupunem că jucăm un joc. Avem un pachet de cărți și fiecare carte este imprimată cu numele și fotografia unui animal diferit. Aleg o carte, iar tu trebuie să pui întrebări pentru a afla ce animal am ales. Desigur, pentru a pune o întrebare cu discernământ, mai întâi trebuie să știi ceva despre animale.

Prima dată când joci s-ar putea să nu fii familiarizat cu animalele din pachetul de cărţi de joc, iar prima ta întrebare este „Trăiește în mare?”. Răspunsul meu este „Nu”, iar jocul continuă. Apoi este rândul tău să alegi o carte. Te uiți cu atenție prin pachetul cu cărţi de joc pentru face alegerea ta și îți dai seama că conține doar animale terestre. „Trăiește în mare?” a fost o întrebare care părea bună pentru început, dar nu a fost aşa.

Se pare că cu cât jucăm mai mult, cu atât mai repede ne dăm seama ce carte a fost aleasă. De ce? Pentru că am devenit mai buni în a pune întrebări bune.

Rolul pe care îl joacă întrebările în cercetarea științifică este similar. Pornim de la un anumit nivel de înțelegere și punem întrebări bazate pe acel nivel de înțelegere pentru a încerca să-l îmbunătățim. Pe măsură ce înțelegerea noastră crește, ne rafinăm întrebările și obținem răspunsuri mai perspicace.

Așa se realizează progresul. Același lucru este valabil și pentru întrebarea „Care este teoria totului?”.

O întrebare științifică nu poate fi considerată bună pentru totdeauna.

De ce o „teorie a totului”?

Modelul Standard al fizicii particulelor, unul dintre pilonii științei moderne, este un succes al reducționismului, ideea că lucrurile pot fi explicate prin descompunerea lor în părți mai mici.

Modelul Standard, care este scris într-un limbaj matematic numit teoria câmpului cuantic, descrie modul în care particulele elementare se mișcă și interacționează unele cu altele. El explică natura a trei din patru dintre forțele fundamentale cunoscute: forţa electromagnetică şi forţele nucleare (forța nucleară slabă și forţa nucleară puternică) care guvernează procesele la scară subatomică. Modelul Standard nu include gravitația, a patra forță fundamentală.

Modelul Standard ține cont de mecanică cuantică, care descrie natura probabilistică a dinamicii particulelor subatomice și teoria specială a relativității a lui Einstein, care descrie ce se întâmplă atunci când vitezele relative se apropie de viteza luminii.

Presupunerea din întrebarea „Care este teoria totului?” este că într-o zi se va descoperi că Modelul Standard este încorporat într-o structură mai mare (cu ingrediente mai elementare) care ne oferă o explicație unificată a forțelor fundamentale, inclusiv gravitația.

Gravitația, de fapt, este punctul central al acestei întrebări.

Întrebarea „Care este teoria totului?” oferă foarte puține îndrumări cu privire la cum ar putea arăta o astfel de teorie a tuturor lucrurilor. Avem nevoie de câteva întrebări mai bune.

În prezent există motive întemeiate să ne așteptăm că ar putea exista o astfel de explicație unificată a forțelor fundamentale: Modelul Standard include celebrul mecanism Higgs, din care ia naștere bosonul Higgs. Acesta explică de ce particulele fundamentale cunoscute sub numele de bosonii W și Z, care transmit forța nucleară slabă, capătă masă. De asemenea, explică de ce fotonul, care transmite forța electromagnetică, nu are masă.

Experimentul CMS la CERN. Credit: wikipedia, CC BY-SA

Ca urmare, electromagnetismul și forța nucleară slabă, care este implicată în fuziunea nucleară ce asigură energia stelelor, se comportă diferit la energii scăzute: forța electromagnetică acționează pe distanțe foarte mari, în timp ce forța nucleară slabă acționează doar pe distanțe foarte mici.

Mecanismul Higgs explică, de asemenea, de ce, la energii mai mari, aceste două forțe încep să se comporte ca o singură forță „electroslabă”. Aceasta se numește unificarea electroslabă sau interacțiunea electroslabă.

Dacă electromagnetismul și forța nucleară slabă se combină în acest fel, de ce nu toate forțele din Modelul Standard? Unificarea acestor două forţe cu forța nucleară puternică, forța care ține împreună ingredientele nucleelor ​​atomice, este scopul marilor teorii unificate.

Ideile teoretice precum supersimetria, care postulează o simetrie între purtătorii de forță și particulele de materie, sugerează că intensitatea acestor trei forțe s-ar putea apropia la energii suficient de mari.

Iar dacă forţa electromagnetică, forţa nucleară slabă și forţa nucleară puternică se dovedesc a fi unificate, de ce nu și gravitația?

Gravitația este descrisă de Teoria generală a relativității a lui Einstein, care se aplică la scară mare sau la energii scăzute.

Dacă vrem însă o teorie cuantică a gravitației care să se aplice la cele mai mici scări dimensionale, atunci teoria cuantică a câmpului nu este suficientă. Avem nevoie de un cadru matematic care să poată încorpora, în mod constant, atât relativitatea generală, cât și mecanica cuantică.

„Totul” într-o „teorie a totului” se referă la toate forțele cunoscute ale naturii: electromagnetism, forța nucleară slabă, forța nucleară puternică și gravitația (dar și forțe noi, ipotetice, de asemenea) și particulele între care acţionează. „Teoria” se referă la existența unui cadru matematic comun care descrie „totul”.

Un astfel de cadru matematic comun este teoria corzilor, care presupune că cele mai fundamentale elemente de construcție ale universului sunt corzi minuscule care vibrează în dimensiuni extraspațiale dincolo de cele trei pe care le experimentăm zi cu zi.

Întrebări mai bune

Întrebările sunt ghidul cercetării științifice. Întrebarea „Care este teoria totului?” indică doar o destinație, dar nu oferă o direcție.

Cadre matematice precum supersimetria și teoria corzilor nu au fost dezvoltate pentru a răspunde la întrebarea „Care este teoria totului?” în mod direct. Ele au fost create în urma unor întrebări mai bune despre cum trebuie să explice o teorie a tuturor forțelor fundamentale și cum ar putea arăta aceasta.

Întrebări de genul: De ce există o discrepanță uriașă între scările de energie ale Modelului Standard și gravitația cuantică? De ce mecanica cuantică și relativitatea generală par a fi incompatibile?

Dimensiuni suplimentare într-un spațiu Calabi-Yau din teoria corzilor. Credit: vchal/Shutterstock

Întrebările „de ce?” ale fizicienilor teoreticieni se dezvoltă pe măsură ce înțelegerea noastră se îmbunătăţeşte, iar întrebările pe care ni le punem acum ne apropie mai mult ca niciodată de înțelegerea tuturor forțelor cunoscute ale naturii.

Aceste noi „de ce” sugerează conexiuni remarcabile între domenii foarte diferite ale fizicii și matematicii : De ce fizica hologramelor pare să ne ajute să înțelegem gravitația? De ce pare să fie conectat acest lucru la proprietățile unor colecții mari de numere aleatoare? De ce regulile informațiilor cuantice par să explice fizica găurilor negre?

Aceste noi întrebări au fost atinse bazându-se pe ceea ce s-a învățat din dezvoltarea și studierea posibilelor „Teorii ale totului”, cum ar fi teoria corzilor, iar aceste noi întrebări sunt bune.

Incitant este faptul că ele s-ar putea să nu fie încă cele mai bune întrebări, iar ghidarea lor nu înseamnă neapărat că știm unde vom ajunge. La asta se referă descoperirea științifică.

Traducere după Theory of everything: how progress în physics depends on asking the right questions