H θεωρία χορδών και η πιθανή ύπαρξη παράλληλων Συμπάντων

Ο Κωνσταντίνος Μπαχάς διευθύνει το εργαστήριο θεωρητικής φυσικής στη φημισμένη σχολή École normale supérieure στο Παρίσι. Έχει εργαστεί σε πρωτοπόρα ερευνητικά ιδρύματα της Ευρώπης και της Αμερικής με την έρευνα του να εστιάζεται στη θεωρία χορδών.
Τον συναντήσαμε στο διεθνές σχολείο θεωρητικής φυσικής στην Κέρκυρα. Μας μίλησε για τις ρηξικέλευθες ιδέες της θεωρίας χορδών, την πιθανή ύπαρξη παράλληλων Συμπάντων, τη σύγχρονη έρευνα, αλλά και για το χαρακτηριστικό ενός
επιτυχημένου εκπαιδευτικού συστήματος.
-Η θεωρία χορδών μας προσφέρει μία ενοποιητική περιγραφή των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων στη φύση, δηλαδή της βαρύτητας, του ηλεκτρομαγνητισμού και των πυρηνικών δυνάμεων. Πώς καταφέρνει η θεωρία χορδών να συνδυάσει τη κβαντική μηχανική με τη θεωρία βαρύτητας του Αϊνστάιν;
-Η βασική υπόθεση είναι ότι αντί για στοιχειώδη σωματίδια, που είναι σημειακά σωματίδια, έχουμε μια παλλόμενη χορδή. Τα διαφορετικά σωματίδια στη φύση, όπως το ηλεκτρόνιο, τα κουάρκς ή το φωτόνιο, αντιστοιχούν σε διαφορετικές καταστάσεις της ίδιας παλλόμενης χορδής. Η κβαντομηχανική χαρακτηρίζεται από την αρχή της απροσδιοριστίας που μας λέει ότι δεν μπορούμε να μετρήσουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ταχύτητα ενός σωματιδίου.
Μετρήσεις σε όλο και μικρότερες αποστάσεις απαιτούν όλο και περισσότερη ενέργεια. Μια σημειακή μέτρηση θα απαιτούσε άπειρη ενέργεια σε πεπερασμένο χώρο, γεγονός ασύμβατο με τη θεωρία της βαρύτητας.
Η θεωρία χορδών θεραπεύει το πρόβλημα εισάγοντας ένα ελάχιστο μήκος, το λεγόμενο μήκος της χορδής, και μετρήσεις σε μικρότερες αποστάσεις δεν είναι έτσι δυνατές. Συνεπώς, όχι μόνο είναι αδύνατη η ταυτόχρονη μέτρηση ταχύτητας και θέσης αλλά επίσης δεν είναι δυνατή η μέτρηση της θέσης με ακρίβεια μεγαλύτερη από το θεμελιώδες μήκος της χορδής. Αυτή η ιδιότητα συμβιβάζει την κβαντομηχανική και την βαρύτητα.
-Τη δεκαετία του ’80 αναπτύξατε μαζί με τους συνεργάτες σας μια νέα θεωρία χορδών, τη λεγόμενη 4-διάστατη θεωρία υπερ-χορδών. Θα θέλατε να μας πείτε λίγα λόγια για αυτήν;
-Η θεωρία χορδών ορίζεται καταρχήν σε 10-διάστατο χωρόχρονο και η παραδοσιακή θεώρηση θέλει τις 6 από τις 9 χωρικές διαστάσεις να είναι ισχυρά καμπυλωμένες σε αποστάσεις τόσο μικρές ώστε να μην είναι ορατές στο μάτι ούτε στα μέχρι τώρα «μικροσκόπια» μας.
Εμείς δείξαμε ότι αυτή η ισχυρά καμπυλωμένη γεωμετρία των επιπλέον 6 χωρικών διαστάσεων μπορεί να αφαιρεθεί και η θεωρία χορδών να διατυπωθεί απευθείας στις 4-διαστασεις. Προϋπόθεση είναι οι χορδές να χαρακτηρίζονται από κάποιες επιπρόσθετες ιδιότητες, δηλαδή επιπλέον «κβαντικούς αριθμούς» που αντικαθιστούν τη γεωμετρία των επιπλέον διαστάσεων. Σήμερα πιστεύουμε ότι αυτές οι 4-διάστατες θεωρίες χορδών αντιστοιχούν σε διαφορετικές καταστάσεις μιας βασικής ενοποιημένης θεωρίας.
-Η θεωρία χορδών είναι επίσης μία θεωρία βαρύτητας. Μετά τον Αϊνστάιν έχει γίνει μια συστηματική προσπάθεια να τροποποιηθεί η βαρυτική θεωρία παρά την εξαιρετική επιτυχία της. Ποιοι είναι οι λόγοι αυτής της προσπάθειας;
-Ο κύριος λόγος είναι όπως είπαμε ότι η θεωρία του Αϊνστάιν δεν συμβαδίζει με τις αρχές της κβαντομηχανικής, που διέπουν όλα τα φαινόμενα του μικρόκοσμου. Ένας άλλος είναι ότι τα βασικότερα ίσως μυστήρια της σύγχρονης φυσικής σχετίζονται με άγνωστες μορφές σκοτεινής ενέργειας και σκοτεινής ύλης. Αυτές οι άγνωστες μορφές ύλης και ενέργειας αποτελούν περίπου το 95% της συνολικής ενέργειας στο Σύμπαν και η παρουσία τους γίνεται αισθητή μόνο μέσω βαρυτικών αλληλεπιδράσεων, είτε από την περιστροφή των Γαλαξιών είτε από την διαστολή του Σύμπαντος σε υπεργαλαξιακές κλίμακες.
Είναι συγκλονιστικό ότι παρά την τεράστια πρόοδο της φυσικής, το 95% της ενέργειας που μας περιβάλλει παραμένει ένα μυστήριο. Για να είμαστε σίγουροι ότι αυτές οι πιθανολογούμενες μορφές ενέργειας πράγματι υπάρχουν πρέπει να ξέρουμε αν η θεωρία του Αϊνστάιν χρειάζεται τροποποίηση, όχι μόνο σε μικροσκοπικές αλλά και σε μεγάλες αποστάσεις.
-Λύσεις της 10-διάστατης θεωρία χορδών προβλέπουν ένα τεράστιο αριθμό διαφορετικών καταστάσεων, π.χ. 10500, που συνιστούν το λεγόμενο και «τοπίο της θεωρίας χορδών». Θα μπορούσατε να μας περιγράψετε αυτό το τοπίο; Κάθε μία από αυτές τις διαφορετικές καταστάσεις αντιστοιχεί σε ένα διαφορετικό Σύμπαν;
-Πράγματι, η θεωρία χορδών φαίνεται να προβλέπει τέτοιες καταστάσεις. Σε κάθε μία κατάσταση του κενού χώρου, γύρω δηλαδή από την οποία η ενέργεια των τοπικών διαταράξεων είναι πάντα θετική, αντιστοιχούν διαφορετικοί νόμοι της φυσικής: διαφορετικές δυνάμεις, διαφορετικά σωματίδια ύλης, δηλαδή ένα διαφορετικό Σύμπαν. Αν αυτές οι καταστάσεις είναι όντως δυνητικά πιθανές τότε μάλλον θα υπάρχουν παράλληλα Σύμπαντα. Αλλά αυτή είναι μία υπόθεση που μένει να εξεταστεί, δεν είναι ακόμα ένα αναπόφευκτο συμπέρασμα της θεωρίας χορδών.
-Η φυσική που κυβερνά το Σύμπαν μας αντιστοιχεί σε μία κατάσταση του τοπίου των χορδών. Το ότι βρισκόμαστε σε αυτό το Σύμπαν, με αυτούς τους νόμους και με αυτές τις τιμές στις σταθερές της φύσης, θα μπορούσε να εξηγηθεί βάσει της ανθρωπικής αρχής;
-Για εκείνους τους επιστήμονες που πιστεύουν ότι η πρόοδος είναι η αναγωγή των φυσικών φαινομένων σε κάποιες, λίγες, θεμελιώδεις και αναπόφευκτες αρχές μια τέτοια εξήγηση θα ήταν απογοητευτική. Από την άλλη, δεν υπάρχει εκ των προτέρων βεβαιότητα ότι με την αναγωγή μπορούν να εξηγηθούν όλα. Ένα παράδειγμα είναι η ερώτηση «γιατί η Γη απέχει περίπου 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τον Ήλιο;» Σε αυτό δεν υπάρχει κάποια θεμελιώδης εξήγηση.
Μπορούμε απλά να πούμε πως αν ήταν πολύ διαφορετική η απόσταση δεν θα υπήρχαν οι κατάλληλες συνθήκες για να υπάρχει ζωή, και άρα και εμείς για να μετρήσουμε αυτήν την απόσταση.
Παρόμοια, θα μπορούσαμε να πούμε ότι ζούμε σε ένα Σύμπαν που επιτρέπει την ύπαρξη του ανθρώπου και ότι αυτό δικαιολογεί εκ των υστέρων τις τιμές των φυσικών σταθερών (όπως η δύναμης της βαρύτητας, η μάζα του ηλεκτρονίου κλπ). Σίγουρα μια τέτοια εξήγηση είναι πολύ λιγότερο πειστική και επιδραστική από ένα υπολογισμό που θα προσδιόριζε ένα μοναδικό Σύμπαν και τις ιδιότητες αυτού. Όμως δεν μπορούμε λογικά να την αποκλείσουμε.
-Πριν από έναν αιώνα, ο Αϊνστάιν, βασισμένος αποκλειστικά σε θεωρητικούς συλλογισμούς, πρότεινε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας παρόλο που εκείνη την εποχή η Νευτώνεια θεωρία ήταν μια επιτυχημένη θεωρία βαρύτητας. Οι φυσικοί της θεωρίας χορδών εμπνευσμένοι από τον Αϊνστάιν ακολουθούν τον ίδιο δρόμο. Πιστεύετε πως αυτός ο δρόμος είναι αποδοτικός; Πόσο μακριά μπορούμε να φτάσουμε;
-Ο Αϊνστάιν εισήγαγε την έννοια των νοητικών (gedanken) πειραμάτων. Θα μπορούσε κάποιος να πει ότι επιδιώκουμε οι μαθηματικές εξισώσεις που περιγράφουν τη φύση να είναι αμοιβαία συνεπείς. Αυτή η λογική συνέπεια είναι ένα σημαντικό κριτήριο και κίνητρο στην έρευνα. Χρησιμοποιήθηκε στην πρόβλεψη του μηχανισμού Χιγκς, που αποτελεί τη βάση του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων, 50 χρόνια πριν την πειραματική του ανακάλυψη. Βέβαια τίποτα δεν αντικαθιστά το πείραμα και μέχρι την πειραματική επαλήθευση ποτέ δε μπορούμε να είμαστε σίγουροι για τις θεωρίες μας.
-Πιστεύετε ότι η θεωρία χορδών προσφέρει τον πιο υποσχόμενο δρόμο προς μια ενοποιημένη περιγραφή των δυνάμεων της φύσης;
-Μέχρι σήμερα ναι. Αλλά η θεωρία χορδών δεν είναι ακόμα μια ολοκληρωμένη θεωρία και δεν υπάρχει πειραματική επαλήθευσή της. Χρειαζόμαστε νέα πειραματικά δεδομένα, από τον επιταχυντή LHC του CERN ή αλλού, για να είμαστε πιο σίγουροι για το δρόμο που ακολουθούμε.
-Εκτός από ερευνητής, είστε και καθηγητής σε μια φημισμένη σχολή, την École normale supérieure. Από την εμπειρία σας στον ακαδημαϊκό χώρο ποια είναι εκείνα τα στοιχεία που κάνουν ένα εκπαιδευτικό σύστημα επιτυχημένο;
-Αυτή είναι μία θεματικά ευρεία και δύσκολη ερώτηση, επιτρέψτε μου να τονίσω μόνο μια πτυχή της. Η σωστή μόρφωση απαιτεί μια ιδιαίτερη χημεία. Χρειάζεται από την μια μεριά επιμέλεια και πνευματική πειθαρχία, και από την άλλη ενθουσιασμό και περιέργεια.
Η επιμέλεια και η πειθαρχία χωρίς τον ενθουσιασμό είναι στείρες ενώ ο ενθουσιασμός χωρίς την πειθαρχία δεν σε οδηγεί μακριά. Πιστεύω ότι αυτά τα χαρακτηριστικά αναπτύσσονται στο άτομο αρκετά νωρίτερα από την είσοδό του στο πανεπιστημιακό περιβάλλον. Θα έλεγα ότι αναπτύσσονται κυρίως στη μέση εκπαίδευση, στο Γυμνάσιο και στο Λύκειο.
Σημαντικό ρόλο σε αυτό διαδραματίζει ο δάσκαλος-καθηγητής του οποίου ο ρόλος πρέπει να αναγνωριστεί και να αναβαθμιστεί. Από την εμπειρία μου ξέρω ότι η παιδεία λειτουργεί καλύτερα σε εκείνες τις κοινωνίες στις οποίες ο ρόλος του καθηγητή μέσης εκπαίδευσης αναγνωρίζεται, όχι υποχρεωτικά με όρους μισθολογικούς, αλλά κυρίως ως ιδιαίτερα σημαντικός για την κοινωνία την ίδια.





ΠΗΓΗ