בקטנה: בסדרה זו, נסקור את עקרונותיה של תורת המיתרים – תאוריה מתמטית השואפת לאחד את כל הכוחות וכן לשמש כתאוריית כבידה קוונטית (כלומר היא מיישבת את תאוריית היחסות הכללית עם עקרונות תאוריית הקוונטים). חשוב לציין שהתורה טרם אוששה ולכן יש לראות בה הצעה בלבד, כלומר תורת המיתרים הינה מועמדת להיות תאוריה פיזיקלית.
ראשיתה של תורת המיתרים בפיזיקה של הכוח הגרעיני החזק. בשנות ה-60 של המאה העשרים נתגלו עשרות חלקיקים חדשים במאיצי החלקיקים ולא היה ברור מה הם החוקים ששולטים ביחסי הגומלין בין החלקיקים הללו. שאלה בסיסית שבה מתעניינים פיזיקאים בכדי להבין את הדינמיקה היא: מה קורה כאשר שני חלקיקים מסוימים מתנגשים זה בזה? תוצרי ההתנגשות וכיווני הפיזור מלמדים את הפיזיקאים על טיבם של החלקיקים המתנגשים.
תהליך מסוים שנבחר בשל פשטותו הוא פיזור של חלקיקים מסוג מזונים [1]. המזונים הם חלקיקים המקיימים פעולת גומלין חזקה זה עם זה ובשנות ה-60, הצטבר מידע רב על תוצרי ההתנגשות ביניהם. הביטוי הפיזיקלי המתאר את חוזק פעולת הגומלין בין חלקיקים כתלות באנרגיה שלהם בתהליך הפיזור נקרא ״אמפליטודת הפיזור״. בשנת 1968, נעשתה פריצת דרך משמעותית בחקר המזונים. פיזיקאי צעיר בן 26 בשם גבריאל ונציאנו [2], שאך סיים דוקטורט במכון ויצמן, כתב מאמר חלוצי שבו הציע ביטוי מתמטי אלגנטי לאמפליטודת הפיזור בין המזונים. הביטוי לאמפליטודת הפיזור שהציע ונציאנו התאים בחלקו (כלומר בתחום אנרגיות מסוים) למידע הניסיוני, כמו כן הוא ענה על סדרה נוקשה של דרישות מתמטיות שאמפליטודת הפיזור צריכה לספק. המאמר של ונציאנו זכה להכרה מידית והביטוי נקרא מאז ועד היום ״אמפליטודת ונציאנו״.
בחינה מדוקדקת של אמפליטודת ונציאנו הובילה למספר תוצאות מעניינות. הסתבר שהאמפליטודה מחייבת את קיומם של אינסוף חלקיקים בעלי מסה הולכת וגדלה. המרווחים בין ריבועי המסה הם קבועים ומספר החלקיקים גדל בקצב מעריכי. הדבר התאים למידע הניסיוני בדבר מסות המזונים, שכן גם בטבע נצפו מזונים שריבוע המסה שלהם הולך וגדל במרווחים קבועים.
תבנית מסות המזונים שזה עתה תוארה, הזכירה לפיזיקאים את אופני התנודה של מיתר, למשל – מיתר של גיטרה. שלושה פיזיקאים בשם יויצ׳ירו נאמבו [3] (שזכה מאוחר יותר בפרס וולף ובפרס נובל), לאונרד סוסקינד [4] והולגר נילסן [5], הציעו שאמפליטודת ונציאנו ניתנת לחישוב מתוך הנחה שההתנגשות היא בין זוג מיתרים פתוחים (כלומר מיתרים עם קצה, כמו שרוכי נעליים). כלומר, אם נניח ששני מיתרים פתוחים מתנגשים זה בזה ונחקור מה קורה לאחר ההתנגשות, נקבל ביטוי מתמטי זהה לאמפליטודת הפיזור של ונציאנו. משמעות הדבר היא שניתן לחשוב על חלקיקים מסוג מזונים כעל מיתרים! אם רוצים להבין את פעולות הגומלין בין המזונים, יש להבין את הדינמיקה של מיתרים. הגילוי עורר התרגשות רבה בקרב הפיזיקאים שהחלו לחקור את התורה החדשה של המיתרים (תורה זאת נקראה ״תורת המיתרים הבוזונית״), ותוך מספר שנים נתגלו מספר תגליות מעניינות ואף מוזרות לגבי אופיים של מיתרים, חלקן מעודדות וחלקן מאכזבות.
התברר, שמלבד קיומם של מיתרים פתוחים, בתורת המיתרים קיימים גם מיתרים סגורים, מעין לולאות. מהן הלולאות הללו, וכיצד הן קשורות לחלקיקים בטבע? אופני התנודה של המיתר, הפתוח והסגור, מכתיבים את תכונותיו של החלקיק. תכונותיהם של המיתרים הסגורים, על אף שהיו דומות לאלו של המיתרים הפתוחים, לא התאימו לנצפה בטבע. גילוי נוסף שהפתיע את הפיזיקאים היה שתורת המיתרים מצריכה את קיומם של 26 מימדים. כלומר, בנוסף לשלושת מימדי המרחב ומימד הזמן המוכרים לנו, דרושים עוד 22 מימדים נוספים בכדי שתורת המיתרים תהיה עקבית.
מלבד בעיית המימדים, התגלה שלמרות שתבנית המסות של המיתרים מתאימה ברובה לתבנית המסות של המזונים, קיים בתורת המיתרים אופן תנודה שריבוע מסתו הוא שלילי. חלקיק שכזה, הנקרא טכיון, הוא בעייתי מבחינה תאורטית ואיננו מתאים לתצפית. על פתרון בעיית החלקיק הטכיוני בפוסט הבא.

לפוסט הבא בסדרה >>

• סרטון על גילויה של אמפליטודת ונציאנו וראשית תורת המיתרים. מבוסס על ספרו של בראיין גרין

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב