Το μικρό βιβλίο της θεωρίας χορδών

Κυκλοφόρησε πρόσφατα από τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης σε μετάφραση του Πέτρου Δήτσα, το εξαιρετικό βιβλίο του Steven S. Gubser με τίτλο «Το μικρό βιβλίο της θεωρίας χορδών» - μια σύντομη, προσιτή και ευχάριστη εισαγωγή στη θεωρία των χορδών. Την ελληνική έκδοση προλογίζει ο καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης ,  Ηλίας Κυρίτσης  - του οποίου η έρευνα επικεντρώνεται στην θεωρία των χορδών -  ως εξής:


"H ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΧΟΡΔΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΙ ΙΣΩΣ την πιο περίεργη περίπτωση στο οικοδόμημα της θεωρητικής/μαθηματικής φυσικής. Ξεκίνησε το 1968 από τον Gabriele Veneziano και αρχικά εξελίχθηκε σε υποψήφια θεωρία των ισχυρών δυνάμεων της πυρηνικής φυσικής. Εκτοπίστηκε όμως ως τέτοια από την Κβαντική Χρωμοδυναμική στα μέσα της δεκαετίας του 70 και ξεχάστηκε σχεδόν από όλους.

Επανήλθε στο προσκήνιο το 1984, λόγω της ιδιαίτερης σχέσης και μοναδικής δομής της θεωρίας (όπως αναπτύχθηκε από τους Michael Green, Joel Scherk και John Schwarz) και του γεγονότος ότι περιείχε πάντα την κβαντική βαρύτητα ως σημαντικό συστατικό της. Αυτά τα ευρήματα έδωσαν στους φυσικούς το δικαίωμα να ελπίζουν ότι η θεωρία χορδών ήταν το πολυαναζητημένο πλαίσιο για να ενοποιηθούν οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (όπως περιγράφονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο) με την κβαντική βαρύτητα.

Σ’ ένα αρχικό στάδιο, η διερεύνηση της θεωρίας ενθάρρυνε τους ερευνητές να ελπίζουν ότι οι απαιτήσεις της συνεπούς ολοκλήρωσής της θα οδηγούσαν μονοσήμαντα στην ενοποιημένη θεωρία όλων των γνωστών θεμελιωδών δυνάμεων. Διαπίστωσαν όμως βαθμιαία ότι έπρεπε να διευρύνουν το περιεχόμενο της θεωρίας, κι ότι κάθε καινούργια πτυχή της άνοιγε τεράστια σκοτεινά δωμάτια, δυσπρόσιτα στα ερευνητικά τους εργαλεία. Αυτό οδήγησε ένα από τους πιο σημαντικούς φυσικούς της εποχής μας, τον Edward Witten, να δηλώσει ότι η «θεωρία των χορδών είναι μια θεωρία του 21ου αιώνα που κατά λάθος εμφανίστηκε τον 20ό». Η αδυναμία των θεωρητικών οφείλεται και στο γεγονός ότι τα μαθηματικά που χρειάζονται για να μελετηθεί η θεωρία πρέπει σε μεγάλο βαθμό να δημιουργηθούν από την αρχή. Δεν είναι τυχαίο ότι τα τελευταία 20 χρόνια πάνω από τα μισά μετάλλια Fields (το «Nobel» των μαθηματικών) δόθηκαν για μαθηματικά που σχετίζονται με τη θεωρία των χορδών.

Η μελέτη της θεωρίας (που σήμερα υπερκαλύπτει 4 δεκαετίες) πέρασε διάφορες φάσεις: ευφορίας, κατάθλιψης, εντυπωσιακών ανακαλύψεων, απαξίωσης. Την προσδοκία ότι οι βασικές υποθέσεις της θεωρίας θα οδηγούσαν σε μια μονοσήμαντη φυσική πρόβλεψη τη διαδέχτηκε η διαπίστωση ότι η θεωρία περιγράφει έναν αστρονομικά μεγάλο αριθμό από δυνητικές πραγματικότητες. Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν ερευνητές που ακόμα αμφισβητούν αυτό το γεγονός, οι θιασώτες της μοναδικότητας αισθάνθηκαν απογοητευμένοι˙ και κάποιοι φυσικοί έσπευσαν να χαρακτηρίσουν τη θεωρία ως άσχετη με την εμπειρική πραγματικότητα.

Παράλληλα, το 1977, ένας νεαρός ερευνητής, ο Juan Maldacena, πρότεινε την ιδέα ότι μια θεωρία χορδών μπορεί να περιγραφεί ισοδύναμα ως μια ιδιαίτερα συμμετρική θεωρία βαθμίδας, όχι πολύ διαφορετική από την Κβαντική Χρωμοδυναμική, που περιγράφει τα κουάρκ και τα γλοιόνια στον πραγματικό μας κόσμο. Ενώ ενδείξεις για μια τέτοια σύνδεση είχαν επισημανθεί ήδη το 1974 από τον Gerard ‘t Hooft, η αντιστοιχία του Maldacena είχε μια πρόσθετη σουρεαλιστική χροιά: μια δεκαδιάστατη θεωρία χορδών με βαρύτητα θεωρείται ισοδύναμη με μια τετραδιάστατη θεωρία βαθμίδας χωρίς βαρύτητα. Αυτή η αντιστοιχία (που σήμερα είναι γνωστή ως «ολογραφική αντιστοιχία») άλλαξε ριζικά τον τρόπο που βλέπουμε τη βαρύτητα και τη θεωρία των χορδών.

Πολλοί από μας σήμερα δεν μιλάμε για ΜΙΑ θεωρία χορδών αλλά για ΠΟΛΛΕΣ θεωρίες χορδών, όπως ακριβώς μιλάμε για πολλές κβαντικές θεωρίες πεδίων. Το πλαίσιο κατανόησης της πραγματικής δομής της βαρύτητας φαίνεται να έχει αλλάξει ριζικά, και προσωπικά πιστεύω ότι οι κβαντικές θεωρίες πεδίων και οι θεωρίες των χορδών (και βαρύτητας), παρά το γεγονός ότι φαίνονται τόσο διαφορετικές, είναι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος.

Μια σημαντική επίκαιρη συνέπεια των παραπάνω θεωρητικών ανακατατάξεων είναι ότι ορισμένες θεωρίες χορδών έγιναν πρακτικά εργαλεία που φιλοδοξούν να περιγράψουν τις συγκρούσεις βαρέων ιόντων στο CERN ή τη μυστηριώδη δυναμική των «παράξενων μετάλλων» και την υπεραγωγιμότητα υψηλών θερμοκρασιών.

Το ΜΙΚΡΟ ΒΙΒΛΙΟ της ΘΕΩΡΙΑΣ ΧΟΡΔΩΝ το έγραψε ο Steven Gubser, σήμερα στο πανεπιστήμιο του Princeton, ένας από τους νεαρότερους και λαμπρότερους ερευνητές της θεωρίας των χορδών. Έχουν γραφτεί αρκετά βιβλία που φιλοδοξούν να εξηγήσουν τη θεωρία/τις θεωρίες χορδών στους μη ειδικούς. Κανένα κατά τη γνώμη μου δεν είναι τόσο επιτυχημένο όσο το παρόν.

Ο Gusber όχι μόνο είναι ένας από τους πρωτεργάτες του θέματος, αλλά έχει έναν ιδιαίτερα γλαφυρό τρόπο να εξηγεί, απλά και με αναλογίες, ιδέες της θεωρίας πολύ διαφορετικές ακόμα και εκείνες που διέπουν τις κβαντικές θεωρίες πεδίων.

Καταφέρνει επιπλέον, στο σχετικά μικρό αυτό βιβλίο, ξεκινώντας από τη γυμνασιακή φυσική και την καθημερινή εμπειρία, να εξηγήσει τι είναι ενέργεια, τι λέει η ειδική σχετικότητα, πως κυβερνά τον μικρόκοσμο η κβαντική μηχανική, τι είναι τα φωτόνια και πως δομείται το άτομο. Εξηγεί επίσης τη βαρύτητα, γνωστή και ως γενική σχετικότητα, και τα πιο περίεργα όντα της: τις μελανές οπές.

Με δεδομένο αυτό το υπόβαθρο, η μυστηριώδης δομή των χορδών παίρνει σάρκα και οστά, μέσα από ζωντανές εξηγήσεις και εύγλωττες παρομοιώσεις. Τίποτα δεν μένει απρόσιτο, από τις χορδές ως τις D-βράνες, την «αχνή» γεωμετρία των χορδών, τις συμμετρίες του δυϊσμού, τη θεωρία Μ, τις επιπλέον διαστάσεις και τα μυστήρια της ολογραφικής αντιστοιχίας. Είναι τόσο πετυχημένες οι περιγραφές, που θα σύστηνα το βιβλίο ακόμα και σε μεταπτυχιακούς φοιτητές ή έμπειρους ερευνητές του πεδίου.

Ο αναγνώστης καθοδηγείται αβίαστα μέσα από ένα δίκτυο περίεργων ιδεών που μοιάζει με επιστημονική φαντασία. Και θα νιώθαμε κάπως έτσι για καιρό ακόμα, αν σήμερα δεν είχαμε πειστικές ενδείξεις ότι στους επιταχυντές υψηλών ενεργειών, όπως ο LHC στο CERN, δημιουργούνται εκατομμύρια μικροσκοπικές μελανές οπές, οι οποίες εξαχνώνονται σε επτάκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου παράγοντας χιλιάδες σωμάτια που κατακλύζουν τους ανιχνευτές. Αυτές οι μελανές οπές ανήκουν σε μια καινούργια μορφή βαρύτητας, αυτή που αντιστοιχεί ολογραφικά στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις, και εκτείνονται όχι σε τέσσερις αλλά σε πέντε διαστάσεις.

Ο Steven Gubser

Τούτο το καλοκαίρι ο Steven Gubser, o Gabriele Veneziano και πολλοί άλλοι Έλληνες και ξένοι φυσικοί θα συναντηθούμε στο Ηράκλειο για να προσπαθήσουμε να ρίξουμε λίγο φως στα μυστήρια που ανοίγονται μπροστά μας. Χάρη στο βιβλίο αυτό, ο αναγνώστης έχει την ευκαιρία να νιώσει και να μοιραστεί μαζί μας μέρος τουλάχιστον από τον ενθουσιασμό μας καθώς προχωράμε στο σκοτάδι, ψηλαφώντας τα λίγα μυστικά που μας επιτρέπει η φύση."
Ηλίας Κυρίτσης
Ηράκλειο, Μάιος 2012