Powrót do teorii strun. Czy jest opisem naszej rzeczywistości?

Teoria strun jest postrzegana jako główna kandydatka do miana „teorii wszystkiego”. Ma potencjał, by zjednoczyć z pozoru sprzeczne ze sobą dziedziny fizyki – mechanikę kwantową i ogólną teorię względności Einsteina – w jedne spójne ramy. Pomimo to, koncepcja ta od lat budzi kontrowersje, głównie ze względu na brak możliwości przetestowania jej przewidywań w praktyce. Najnowsze badania rzucają jednak zupełnie nowe światło na ten problem, sugerując, że teoria strun jest absolutnie unikalna.

Zespół fizyków pod kierownictwem Clifforda Cheunga z California Institute of Technology (Caltech) wykazał na łamach czasopisma Physical Review Letters, że dysponując zaledwie czterema podstawowymi założeniami fizycznymi, teoria strun staje się jedyną możliwą opcją dla „teorii wszystkiego”.

Metoda „bootstrap”, czyli fizyka odwrócona do góry nogami

Zazwyczaj fizyka teoretyczna działa według określonego schematu: naukowcy formułują elegancką teorię, a dopiero na samym końcu obliczają wartości, które można by zmierzyć w eksperymencie. Nowe badania całkowicie odwracają ten proces.

Naukowcy wykorzystali strategię znaną jako „bootstrapping” (od angielskiego idiomu oznaczającego wyciąganie się z kłopotów za własne sznurowadła). Zamiast wychodzić od gotowej hipotezy, że wszechświat składa się z wibrujących strun energii, badacze zaczęli od najbardziej fundamentalnych i powszechnie akceptowanych zasad, aby sprawdzić, dokąd ich one doprowadzą.

Głównym obiektem analizy była wielkość, którą teoria wszystkiego mogłaby przewidzieć. Chodzi o amplitudę rozproszenia. To wyrażenia matematyczne, których można użyć do określenia prawdopodobieństwa, że ​​dwie cząstki będą oddziaływać ze sobą w określony sposób.

W nowym badaniu naukowcy zbadali, jakie typy amplitud rozproszenia są możliwe. Bez żadnych założeń, istnieje nieskończenie wiele form, jakie te amplitudy mogłyby przyjąć. Naukowcy spróbowali jednak wyznaczyć amplitudy rozproszenia przewidywane przez teorię strun, dodając cztery podstawowe założenia, nie zakładając przy tym, że wszechświat zbudowany jest ze strun.

Cztery filary wszechświata

Aby zawęzić pole poszukiwań, fizycy przyjęli cztery założenia:

• Unitarność

Zasada zaczerpnięta z mechaniki kwantowej. Oznacza ona, że suma prawdopodobieństw wszystkich możliwych scenariuszy w danej sytuacji musi zawsze wynosić dokładnie 100 procent.

• Niezmienniczość Lorentza

Filar szczególnej teorii względności Einsteina, zgodnie z którym prawa natury są identyczne dla każdego obserwatora, bez względu na jego położenie we wszechświecie czy prędkość, z jaką się porusza.

• „Dobre zachowanie” przy skrajnych energiach

Założenie, że fizyka nie załamuje się w warunkach ekstremalnie wysokich energii – czyli w obszarze, w którym dotychczasowe teorie (w tym ogólna teoria względności opisująca grawitację) przestają działać.

• Minimalne zera

Warunek techniczny, który spośród wielu matematycznych możliwości wybiera najprostszą możliwą wersję amplitudy rozpraszania, odrzucając te nadmiernie skomplikowane.

Matematyczny drogowskaz

Kiedy naukowcy przeprowadzili kalkulacje oparte wyłącznie na tych kryteriach – ani razu nie wprowadzając do równań pojęcia wibrujących strun – matematyka doprowadziła ich do zaskakującego rezultatu. Otrzymali dokładnie dwa możliwe warianty amplitud rozpraszania: tzw. amplitudę Veneziano oraz amplitudę Virasoro-Shapiro. Są to dokładnie te same amplitudy, które stanowią fundament teorii strun.

„To niezwykle zaskakujące, że zdołali wyprowadzić to w tak czysty sposób” – skomentował Yu-tin Huang, fizyk teoretyczny z Narodowego Uniwersytetu Tajwańskiego w Tajpej, który nie brał udziału w pracach zespołu. Choć wielu uczonych intuicyjnie przeczuwało tę wyjątkowość, matematyczne udowodnienie tej zależności to ogromny krok naprzód.

Czy to ostateczny dowód?

Fizycy studzą jednak huraoptymizm. Nowe odkrycie nie oznacza automatycznie, że teoria strun jest bezbłędnym opisem naszej rzeczywistości. Jak zauważa Andrea Guerrieri z City St George’s (University of London), wciąż istnieje ryzyko, że któreś z przyjętych założeń (np. zachowanie fizyki przy ekstremalnych energiach) okaże się w rzeczywistym świecie błędne.

Praca zespołu z Caltech udowadnia jednak coś innego: jeśli nasze najbardziej ugruntowane, konserwatywne zasady fizyki są prawdziwe, to teoria strun przestaje być jedynie spekulatywną hipotezą. Staje się matematyczną koniecznością i jedyną logiczną ścieżką dla każdego, kto próbuje rozwikłać zagadkę funkcjonowania całego kosmosu.

Źródło: https://www.sciencenews.org/article/string-theory-assumptions-bootstrap