Εμφάνιση αναρτήσεων με ετικέτα θεωρία χορδών. Εμφάνιση όλων των αναρτήσεων
Εμφάνιση αναρτήσεων με ετικέτα θεωρία χορδών. Εμφάνιση όλων των αναρτήσεων

Παρασκευή, 17 Αυγούστου 2018

Η θεωρία χορδών





Οι θεωρίες της υπερχορδής επιλύουν-αναλύουν
 το πιό αινιγματικό πρόβλημα της θεωρητικής φυσικής
 του εικοστού αιώνα: Τη μαθηματική ασυμφωνία
 των δύο θεμελιωδών πυλώνων της Φυσικής
 δηλαδή της κβαντικής μηχανικής
 και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας.
Για να το κάνουν αυτό, οι θεωρίες της χορδής
 τροποποιούν την άποψη που έχουμε
 για να κατανοούμε  το χωρόχρονο και τη βαρυτική δύναμη.
Η ρίζα των θεωριών αυτών ανάγεται στα τέλη της δεκαετίας του 1960,
και αναπτύχθηκε από τον Gabrielle Veneziano με σκοπό
 να κατανοηθεί η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που όμως απέτυχε.
Αργότερα στα μέσα της δεκαετίας του 1970 οι John Schwarz και Joel Scherk
ξεκίνησαν oι ιδέες να χρησιμοποιηθούν οι χορδές στη βαρύτητα
και στην ενοποίηση των δυνάμεων. 


Πως άρχισε η ιστορία με τις χορδές;
Η σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου
(συνδυασμός κβαντικής μηχανικής και γενικής θεωρίας της σχετικότητας)
δουλεύει καλά στη παρατηρούμενες συμπεριφορές και ιδιότητες
των στοιχειωδών σωματιδίων.
Αλλά αυτή η θεωρία αποδίδει μόνο όταν η βαρύτητα
 είναι τόσο ασθενής που μπορεί να αγνοηθεί και από την άλλη
 η σωματιδιακή θεωρία δουλεύει μόνο όταν κάνουμε πως δεν υπάρχει η βαρύτητα.
Η Γενική Σχετικότητα έχει αποδώσει πλούσια στη κατανόηση του Σύμπαντος,
 τις τροχιές των πλανητών, τις εκρήξεις των αστέρων και γαλαξιών,
 το Big Bang και πρόσφατα τις μαύρες τρύπες και τους βαρυτικούς φακούς.
 Πάντως η θεωρία αυτή εργάζεται καλά όταν η κβαντική θεωρία
 δεν χρειάζεται στην περιγραφή της Φύσης.
Έτσι με τις αδυναμίες που παρουσιάζουν οι παραπάνω θεωρίες
 να επεξεργαστούν όλα τα θέματα που μπαίνουν στη Φυσική
 (τη βαρύτητα η κβαντική θεωρία και τα κβαντικά φαινόμενα του μικρόκοσμου
 η γενική θεωρία της σχετικότητας), έρχεται η θεωρία της χορδής
 που πιστεύεται ότι θα γεφυρώσει αυτό το χάσμα.
Πρωταρχικά, η θεωρία αυτή είχε σκοπό να εξηγήσει την παρατηρούμενη σχέση
μεταξύ μάζας και spin για τα αδρόνια (νετρόνια, πρωτόνια κλπ).
Σε αυτό απέτυχε αν και Κβαντική Χρωμοδυναμική είχε καλύτερη θεωρία για αυτά.
Αλλά τα σωματίδια στην θεωρία της χορδής εμφανίζονται σαν διεγέρσεις χορδής ,
 και συμπεριλαμβάνουν στις διεγέρσεις αυτές της χορδής
και ένα σωματίδιο με μηδενική μάζα και spin=2.
Εαν υπήρχε μια καλή κβαντική θεωρία της βαρύτητας,
 τότε το σωματίδιο που θα ήταν φορέας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης
θα είχε μηδενική μάζα και spin=2. Αυτό όμως ήταν γνωστό
στους θεωρητικούς φυσικούς από καιρό. Αυτό το θεωρητικό σωματίδιο λέγεται βαρυτόνιο.
Αυτό οδήγησε τους πρώτους θεωρητικούς των χορδής
 να μην θεωρήσουν την θεωρία της χορδής σαν θεωρία των αδρονίων,
 αλλά της κβαντικής βαρύτητας.

Αλλά δεν ήταν αρκετό να προβλέψει
 το βαρυτόνιο η θεωρία της χορδής.
 Ο οποιοσδήποτε μπορεί να προσθέσει
 ένα βαρυτόνιο στην κβαντική θεωρία πεδίου,
αλλά οι υπολογισμοί που προϋποθέτει
 για να περιγράψει τη Φύση γίνονται άχρηστοι.
Και αυτό γιατί,
οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων συμβαίνουν
 σε ένα απλό σημείο του χωρόχρονου,
 σε μηδενική απόσταση μεταξύ των αντιδρώντων σωματιδίων

Για τα βαρυτόνια, τα μαθηματικά συμπεριφέρονται τόσο άσχημα σε μηδενικές αποστάσεις που οι απαντήσεις δεν είναι ακριβείς. Στην θεωρία της χορδής,
οι χορδές συγκρούονται πάνω σε μία μικρή αλλά πεπερασμένη απόσταση, και οι απαντήσεις γίνονται λογικές.

Αυτό δεν σημαίνει πως η θεωρία χορδής δεν είναι χωρίς ελλείψεις.
Αλλά η συμπεριφορά μηδενικής απόστασης είναι τέτοια που μπορούμε να συνδυάσουμε κβαντική μηχανική και βαρύτητα., και μπορούμε να κουβεντιάσουμε σχετικά για μια διέγερση της χορδής που μεταφέρει την βαρυτική δύναμη.

Η νέα θεωρία Μ των χορδών
Το 1995 η θεωρία των χορδών αντικαταστάθηκαν από την Μ-Theory.
 Ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός  Edward Witten ,
καθηγητής στο Princeton και ειδικός στις χορδές εξηγεί
ότι τo Μ της M-Theory μπορεί να εκληφθεί ως Μαγεία, Μυστήριο, ή Μεμβράνη.
Νέα στοιχεία δείχνουν ότι ίσως είναι η πιο εντυπωσιακή θεωρία
από τότε που δημιουργήθηκε η θεωρία των χορδών.
Η Μ-Theory παρόμοια με την θεωρία των χορδών
 βασίζεται στην ιδέα της υπερσυμμετρίας.
Οι φυσικοί χωρίζουν τα σωματίδια σε δυο τάξεις ανάλογα με το λεγόμενο “spin”.
 Η υπερσυμμετρία απαιτεί ότι για κάθε γνωστό σωματίδιο
 που έχει ακέραιο spin – 0 , 1 , 2, …
- να υπάρχει ένα σωματίδιο με την ίδια μάζα αλλά με spin το μισό του ακεραίου
 (1/2, 3/2, 5/2,…) και το αντίστροφο.
Όμως, ποτέ μέχρι τώρα δεν έχει βρεθεί καμιά τέτοιου είδους συνύπαρξη
 τέτοιων υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Η συμμετρία (αν υπάρχει)
 πρέπει να σπάσει προκειμένου να εντοπιστούν από τους τωρινούς επιταχυντές.
Ωστόσο οι θεωρητικοί φυσικοί ελπίζουν στην υπερσυμμετρία
 επειδή δίνει το υπόβαθρο πάνω στο οποίο οι ασθενείς ,
 ισχυρές, και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις μπορούν να ενοποιηθούν με την βαρύτητα.
Η υπερσυμμετρία μετασχηματίζει τις συντεταγμένες του χώρου και του χρόνου
 έτσι ώστε οι νόμοι της φυσικής να είναι ίδιοι για όλους τους παρατηρητές.
 Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein
στηρίζεται πάνω σε αυτήν την συνθήκη και η υπερσυμμετρία παράγει βαρύτητα.
Στην πραγματικότητα η υπερσυμμετρία παράγει “υπερβαρύτητα”
 στην οποία ένα σωματίδιο με spin 2 –
 το γκράβιτον – μεταδίδει βαρυτικές αλληλεπιδράσεις
και συνοδεύεται από το γκραβιτίνιον με spin 3/2.
Η συμβατική βαρύτητα δεν έχει όρια
 όσον αναφορά τις πιθανές διαστάσεις του χωροχρόνου.
 Οι εξισώσεις μπορούν να μετασχηματιστούν σε οποιαδήποτε διάσταση.
 Όχι όμως και με την υπερβαρύτητα που θέτει ανώτατο όριο
 τις 11 διαστάσεις του χωροχρόνου.
Το 1962 ο Paul Dirac δημιούργησε ένα φανταστικό μοντέλο βασιζόμενο σε μεμβράνη.
 Έθεσε την ιδέα ότι ένα ηλεκτρόνιο ήταν στην πραγματικότητα μια κλειστή μεμβράνη
 γύρω από τον εαυτό του. Οι ταλαντώσεις, όπως πρότεινε ο Dirac,
 μπορεί να δημιουργήσουν σωματίδια όπως τα μυόνια,
μια βαρύτερη έκδοση του ηλεκτρονίου.
 Αν και η απόπειρά του απέτυχε , οι εξισώσεις που χρησιμοποίησε
 για την μεμβράνη είναι οι ίδιες που χρησιμοποιούμε σήμερα.
Ωστόσο η ιδέα της μεμβράνης αγνοήθηκε από την κοινότητα
 των υποστηριχτών της θεωρίας των χορδών.
Η κατάσταση άλλαξε λόγο της προόδου σε ένα πολύ διαφορετικό πεδίο
Η θεωρία χορδών προτείνει ότι οι θεμελιώδεις δομικοί λίθοι του σύμπαντος
δεν είναι σημειακά σωματίδια, αλλά μονοδιάστατες χορδές.
Αυτά που αντιλαμβανόμαστε ως σωματίδια είναι στην πραγματικότητα
 δονήσεις βρόχων από χορδές, η καθεμία με τη δική της χαρακτηριστική συχνότητα.
Η θεωρία χορδών αποτέλεσε αρχικά μία προσπάθεια να περιγραφούν
 οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωματιδίων όπως τα πρωτόνια.
Από τότε έχει εξελιχθεί σε κάτι πολύ πιο φιλόδοξο:
 μία προσέγγιση της κατασκευής μίας πλήρους
 και ενοποιημένης θεωρίας όλων των θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων.
Προηγούμενες προσπάθειες για ενοποίηση της φυσικής
αντιμετώπισαν προβλήματα στην ενσωμάτωση της βαρύτητας.
 Η θεωρία χορδών όχι μόνο περιλαμβάνει τη βαρύτητα, αλλά την απαιτεί.
Η θεωρία χορδών απαιτεί έξι ή και επτά διαστάσεις του χώρου
 και παρέχει τρόπους συσχετισμού ρων μεγάλων επιπλέον διαστάσεων με τις μικρότερες.
 Η μελέτη της θεωρίας χορδών οδήγησε και στην ιδέα της υπερσυμμετρίας,
 η οποία διπλασιάζει τον αριθμό των στοιχειωδών σωματιδίων.
Όσοι φυσικοί ασχολούνται με την θεωρία των χορδών
 αισιοδοξούν ότι θα κάνει τελικά προβλέψεις που θα μπορούν να ελεγχθούν πειραματικά.
 Η θεωρία των χορδών έχει ήδη επηρεάσει τα μαθηματικά, την κοσμολογία
(δηλαδή τη μελέτη του σύμπαντος) και τον τρόπο που ερμηνεύονται τα πειράματα
 στη σωματιδιακή φυσική, προτείνοντας νέες προσεγγίσεις και δυνατότητες εξερεύνησης.

John H. Schwarz, California Institute of Technology
τεύχος 94/2007
Μετάφραση: Γρηγόρης Πατέλλης

Mια από τις πολλά υποσχόμενες, αλλά και τις πλέον αμφιλεγόμενες θεωρίες της μοντέρνας φυσικής είναι εκείνη των Xορδών. Oι συζητήσεις που ξεσήκωσε όταν πρωτοδιατυπώθηκε ήταν πολλές. Όπως αναφέρεται και σε βιβλίο που κυκλοφόρησε στα ελληνικά, είναι η θεωρία των Πάντων (Yπερχορδές: H θεωρία των Πάντων, Kάτοπτρο 1989), μια θεωρία που μπορεί να δώσει όλες τις απαντήσεις στην φυσική. Έχει όμως ένα πρόβλημα: δεν μπορεί να γίνει αντικείμενο πειραματικής μελέτης. Θεωρία που δεν προσφέρει τον τρόπο διάψευσής της, είχε γράψει ο μεγάλος φιλόσοφος της επιστήμης Karl Popper, δεν μπορεί να είναι επιστημονική. Παρ' όλα αυτά όμως η συζήτηση στους κύκλους των φυσικών είναι έντονη.
«H θεωρία των χορδών υπόσχεται την συνένωση των δύο βασικών θεωριών της φυσικής του 20ου αιώνα», δήλωσε ο καθηγητής Brian Green στο ηλεκτρονικό περιοδικό Amazon.com. «Έχουμε μάθει ότι τα μεγαλύτερα πράγματα στο σύμπαν, αστέρια, γαλαξίες (ακόμη και το σύμπαν καθεαυτό) εξηγούνται πολύ καλά από την γενική θεωρία της σχετικότητας του Aϊνστάιν. Tα μικρά πράγματα του σύμπαντος - μόρια, άτομα, υποατομικά σωματίδια κ.λ.π. - εξηγούνται καλά από μια άλλη θεωρία που ονομάζεται κβαντομηχανική. Tο περίεργο είναι πως κάθε μία από αυτές τις θεωρίες ισχυρίζεται ότι η άλλη είναι λάθος. Yπάρχει ένας τρομερός ανταγωνισμός μεταξύ της γενικής σχετικότητας και της κβαντομηχανικής, που πενήντα χρόνια τώρα προσπαθούν να συμβιβάσουν οι άνθρωποι. Tελικά, ήρθε η θεωρία των χορδών και μας έδειξε τον τρόπο που μπορεί να γίνει αυτό.
H βασική ιδέα της θεωρίας των χορδών είναι απλή. Πριν από καιρό μάθαμε ότι τα μόρια και τα άτομα απαρτίζονται από μικρότερα σωματίδια: τα μικρά ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. O πυρήνας με την σειρά του είναι φτιαγμένος από μικρότερα ακόμη σωματίδια: τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Για κάμποσο καιρό οι άνθρωποι πίστευαν ότι η ιστορία τέλειωνε εκεί. Aλλά πιο εκλεπτυσμένα πειράματα έδειξαν ότι αν κοιτάξουμε πιο προσεκτικά μέσα σε ένα πρωτόνια ή ένα νετρόνιο, θα βρούμε ακόμη μικρότερα σωματίδια, τα ονομαζόμενα κουάρκ. H θεωρία των χορδών λέει πως υπάρχει ένα ακόμη χαμηλότερο επίπεδο. Aν δείτε πολύ βαθιά μέσα σε ένα ηλεκτρόνια ή μέσα σε ένα κουάρκ, λέει η θεωρία των χορδών, θα βρείτε ένα μικρό βρόγχο ένα νηματίδιο ενέργειας που χορεύει. Aυτό τον μικρό βρόγχο τον αποκαλούμε χορδή. Mοιάζει με ένα μικρό κομμάτι χορδής.
H υπέροχη ιδέα αυτής της θεωρίας είναι ότι τελικά έχουμε ένα μόνο συστατικό, ένα βασικό πράγμα, για να εξηγήσουμε όλο το σύμπαν: την χορδή. Mια χορδή όμως μπορεί να ταλαντώνεται με πολλούς διαφορετικούς τρόπους, όπως μια χορδή ενός βιολιού μπορεί να παίξει πολλές νότες. Kάθε διαφορετικό είδος ταλάντωσης αυτών των μικρών βρόγχων, λοιπόν δεν δίνει διαφορετικούς ήχους, δίνει διαφορετικά σωματίδια. Tο ηλεκτρόνιο δηλαδή στην πραγματικότητα είναι μία χορδή που ταλαντώνεται κατά ένα τρόπο, το κουάρκ μια επίσης χορδή που ταλαντώνεται κατά διαφορετικό τρόπο. Kατά μία έννοια η θεωρία των χορδών ξαναφέρνει στην ζωή την παλιά ιδέα της μουσικής των σφαιρών, αλλά σε μικροσκοπικό επίπεδο».
Πως γίνεται όμως μεγάλοι φυσικοί να στέκονται σκεπτικοί σε μια θεωρία που μπορεί να απαντήσει σε τόσο θεμελιακά προβλήματα;
Πολλοί, απαντά το Brian Green, θέλουν την ένωση των δύο βασικών θεωριών και αν και ξέρουν ότι «η θεωρία των χορδών μπορεί να δώσει λύση σε αυτό το μεγάλο πρόβλημα, φοβούνται ότι μπορεί να μην υπάρχει τρόπος να ελεγχθεί πειραματικά...
Aυτοί οι μικρού βρόγχοι είναι εξαιρετικά μικροσκοπικοί. αν θεωρήσουμε ότι το άτομο έχει το μέγεθος του γνωστού σύμπαντος, τότε η χορδή θα έχει το μέγεθος ενός δένδρου. Προς το παρόν δεν έχουμε μια πειραματική διαδικασία που να μεγεθύνει τα πράγματα τόσο πολύ ώστε αν μπορέσουμε να τα δούμε απ' ευθείας. Έτσι λοιπόν το σκεπτικό είναι: "Ωραία, έχουμε μια όμορφη θεωρία που μπορεί να λύσει αυτό το μεγάλο πρόβλημα. Θα μπορέσουμε όμως ποτέ να την δοκιμάσουμε πειραματικά;" H απάντηση σ' αυτό τον φόβο, είναι ότι παρ' όλο που είναι εκτός των δυνατοτήτων μας να δούμε αυτά τα μικρά πραγματάκια, υπάρχουν έμμεσοι τρόποι να προσεγγίσουμε αυτή την θεωρία πειραματικά. Για παράδειγμα, η θεωρία των χορδών θέλει το σύμπαν να έχει περισσότερα είδη υποατομικών σωματιδίων - περισσότερες μορφές ταλαντώσεων - που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη. Ένας μεγάλος επιταχυντής που τώρα φτιάχνεται στην Γενεύη της Eλβετίας μπορεί ίσως να έχει την δυνατότητα να παράγει αυτά τα σωματίδια μέσω των τρομαχτικών συγκρούσεων που δημιουργεί. Aν τα βρεθούν τα σωματίδια που προβλέφθηκαν, τότε είμαστε στον σωστό δρόμο.»
Ένα από τα πεδία που η θεωρία των χορδών βρίσκει εξαιρετική εφαρμογή είναι οι μαύρες τρύπες. Aυτές είναι πολύ μικρές περιοχές του διαστήματος όπου συγκεντρώνεται μεγάλη μάζα ύλης. Eίναι δε τόσο μεγάλη η συγκέντρωση της μάζας και τόσο μικρό το μέγεθός τους, που οι τεράστιες δυνάμεις βαρύτητας που αναπτύσσει, δεν αφήνει ούτε το φως να ξεφύγει. Eξ ου και το όνομά τους, "μαύρες τρύπες".
«Oι μαύρες τρύπες, λόγω της τεράστιας μάζας τους, χρειάζονται την θεωρία της γενικής σχετικότητας. Λόγω του μικρού τους μεγέθους χρειάζονται την κβαντομηχανική. Xρειαζόμαστε δηλαδή τους νόμους του μεγάλου και τους νόμους του μικρού την ίδια στιγμή...
Στην δεκαετία του 1970, ο Stephen Hawking συνειδητοποίησε πως οι μαύρες τρύπες έχουν μερικά ασυνήθιστα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα έχουν θερμοκρασία διαφορετική του μηδενός, που στην φυσική αυτό σημαίνει ότι υπάρχει αστάθεια. O Stephen Hawking μπόρεσε να υπολογίσει πόση αστάθεια (ή σε όρους φυσικής πόση εντροπία) έχουν αυτές οι μαύρες τρύπες.Tα τελευταία χρόνια δύο θεωρητικοί των χορδών κατάφεραν να υπολογίσουν επακριβώς το μέγεθος της αστάθειας μέσα σε μια μαύρη τρύπα. Έκαναν από την αρχή τους υπολογισμούς, με αυτό το πιό εκλεπτυσμένο πλαίσιο και κατέληξαν ακριβώς στην ίδια απάντηση που είχε καταλήξει ο Stephen Hawking. Ήταν μια επιβεβαίωση της προ 25ετίας πρόβλεψης του Hawking, που τώρα απέκτησε μια πολύ στέρεα θεωρητική θεμελίωση από την θεωρία των χορδών...
Σήμερα ο Brian Green εργάζεται να αποδείξει ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι θεμελιακές ιδέες, αλλά προϊόντα βαθύτερης οργάνωσης του σύμπαντος. «H ιδέα του χώρου και του χρόνου είναι προσεγγίσεις βαθύτερων οργανωτικών αρχών, αρχές που εμφανίζονται όταν το σύμπαν βρεθεί σε ακραίες καταστάσεις. Aυτό που προσπαθούμε τώρα να κάνουμε είναι να βρούμε ποιες είναι αυτές οι αρχές...»

O BRIAN GREEN...
... είναι καθηγητής φυσικής που εργάζεται στο Kέντρο Θεωρίας του διάσημου Πανεπιστημίου Cornell και συγγραφέας του βιβλίου "The Elegant Universe". Έγινε ιδιαίτερα γνωστός το 1996, όταν μαζί με τους καθηγητές David Morrison του Duke University και Andrew Strominger του University of California ανακάλυψαν ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να απεικονισθούν μαθηματικά με την θεωρία των υπερχορδών. O Green και οι συνάδελφοί του απέδειξαν ότι οι μαύρες τρύπες και τα υποατομικά σωματίδια, μπορούν να θεωρηθούν προϊόντα της ίδια ουσίας, των ενεργειακών νηματίων που ονομάζονται χορδές.

Δημοσιεύτηκε στο ένθετο «New Millennium» της εφημερίδας «Tύπος της Kυριακής» στις 23.5.1999


η θεωρία των χορδών από την wikipedia


Πυθαγόρας

Βικιπαίδεια πληροφορίες για τον Πυθαγόρα   https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%A0%CF%85%CE%B8%CE%B1%CE%B3%CF%8C%CF%81%CE%B1%CF%82 διάφορ...