בקטנה: בפרק הראשון עסקנו בהולדת תורת המיתרים. בשנותיה הראשונות, קרי בין השנים 1968 ל-1973, עוררה תורת המיתרים התרגשות רבה בקרב הפיזיקאים בשל הצלחתה החלקית בתיאור התנגשויות בין חלקיקים הנקראים מזונים, אולם בשנת 1973 היא כמעט ונזנחה כליל. מדוע? בפוסט זה נספר על ההתפתחות של תורת המיתרים ועל המגבלות שלה, שכמעט והובילו לזניחתה.
בשנת 1973 התגלתה ה-״כרומודינמיקה הקוונטית״ [1] – תורת השדות שמתארת נאמנה את הכוח החזק. הכרומודינמיקה הקוונטית אוששה במהרה בעזרת סדרה של ניסיונות שבוצעו במאיצי החלקיקים ולכן תורת המיתרים נראתה כמיותרת. בנוסף לכך, תורת המיתרים סבלה ממספר בעיות שהוזכרו בפוסט הקודם; קיומו של חלקיק טכיוני (חלקיק שריבוע מסתו שלילי), מספר המימדים הנדרש לקיומה הוא 26, וכן תחזית קיומם של חלקיקים חסרי מסה שלא נצפו בטבע.
למרות כל הבעיות, מספר ספור של פיזיקאים המשיך לחקור את תורת המיתרים. בשנת 1971, גילה פיזיקאי בשם פייר רמונד את תורת הסופר-מיתר – תורת מיתרים שונה מתורת המיתרים הבוזונית שהוזכרה בפוסט הקודם. מאוחר יותר התגלה שתורה זו איננה כוללת חלקיק טכיוני וכך נפתרה אחת מהבעיות המטרידות של תורת המיתרים הבוזונית. תורת הסופר-מיתר כוללת בתוכה גם בוזונים וגם פרמיונים [2] והיא מצריכה קיומם של עשרה מימדים.
ההתפתחות המסעירה הבאה התרחשה בשנת 1974 בזכות ג׳ואל שרק וג׳והן שוורץ, אשר עסקו בחקר אופני התנודה של מיתרים סגורים (לולאות). הם הבחינו שאופן התנודה חסר המסה מתנהג בדיוק כפי שמצופה מחלקיק היפותטי שנקרא ״גרביטון״. הפיזיקאי היפני יונייה הגיע גם הוא למסקנה דומה.
מהו הגרביטון? על פי עקרונות תורת השדות הקוונטית, כל כוח בסיסי שקיים בטבע מקורו ב-״החלפה של חלקיקים״. לדוגמה, הכוח האלקטרומגנטי נובע מכך שמטענים חשמליים מחליפים ביניהם (או ״מתמסרים״, כמו בכדורגל או בכדורסל) חלקיק שנקרא פוטון. בדומה לכוח האלקטרומגנטי, כוח הכבידה (גרביטציה) מצופה להיות נישא בידי גרביטון. התנהגותו של הגרביטון ופעולת הגומלין שלו עם עצמו מתוארים על-ידי תורת היחסות הכללית – ועל כך כתבנו בעבר [3].
הגילוי שתורת המיתרים כוללת את הגרביטון הוא הישג בעל חשיבות תאורטית עצומה. מדוע?
אחת הבעיות המרכזיות בפיזיקה תאורטית היא החלת העקרונות של תורת הקוונטים על תורת היחסות הכללית. כל ניסיון שקדם לתורת המיתרים הביא לתוצאות אבסורדיות שבהן במקום לקבל תוצאות מזעריות בחישובים מסוימים, נתקבלו אינסופיים. תורת המיתרים היא תורה המתיישבת היטב עם העקרונות של תורת הקוונטים. התגלות חלקיק הגרביטון כאופן תנודה של המיתר הציבה את תורת המיתרים כמועמדת טבעית לשמש כתאוריית כבידה קוונטית. ואכן, חישובים שנעשים בעזרת תורת המיתרים לא מולידים גדלים אינסופיים אלא גדלים סופיים. וכך, תורת המיתרים שהחלה את חייה כמודל להתנגשויות בין מזונים שינתה תפקיד והפכה לתורה של כבידה קוונטית. לשם כך צריך היה להניח שאורכו של המיתר הוא אורך מזערי הנקרא אורך פלאנק [4] – כעשר בחזקת מינוס 35 מטרים!
בכדי להמחיש את סוגיית האינסופיים ופתרונה, הבה נדון בבעיה הבאה: כיצד פועל כוח הכבידה בין שתי מסות המרוחקות זו מזו?
תורת הגרביטציה של ניוטון מנבאת שהכוח פרופורציוני למכפלת המסות והוא קטן כמו אחד חלקי ריבוע המרחק ביניהן. תורת היחסות משנה במקצת את הנוסחה של ניוטון ותחזיותיה אוששו בעזרת תצפיות.
כאשר פיזיקאים ניסו לחשב מהו הכוח הפועל בין שתי מסות במרחקים קצרצרים, בהתאם לעקרונות תורת הקוונטים, נתקבלה תוצאה אבסורדית – הכוח הוא אינסופי!תורת המיתרים מיישבת את הבעיה הזו; כאשר נעזרים בתורת המיתרים בכדי לחשב את הכוח בין שתי מסות, מתקבלת תוצאה סופית המתיישבת היטב גם עם תורת היחסות וגם עם עקרונות תורת הקוונטים.
לסיכום, בשנות השבעים של המאה העשרים מספר פיזיקאים המשיכו לחקור את נפלאות תורת המיתרים. הם ביססו את התורה באופן מתמטי, העמיקו והבינו כיצד ״להיפטר״ מחלקיק הטכיון שאיים על קיומה של תורת המיתרים ולמדו כיצד ניתן להיעזר בה לשם חישובים בכבידה קוונטית.
למרות ההצלחות התאורטיות הרבות של תורת המיתרים היא נחלה בשנות השבעים ובתחילת שנות השמונים הצלחה מועטה וזאת בשל בעיה חדשה שהתגלתה בה. הבעיה נקראה ״אנומליה״. על בעיית האנומליה, שאיימה למוטט את תורת המיתרים ועל פתרונה, נדון בפוסט הבא.

<< לפוסט הקודם בסדרה   לפוסט הבא בסדרה >>

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב