בקטנה: בפוסט זה, נספר על פריצתה של תורת המיתרים והמהפכות של שנת 1984 ושנת 1995.
בפרקים הקודמים סקרנו את עקרונותיה הבסיסיים של תורת המיתרים וכיצד היא התפתחה לתאוריה המתארת גרביטציה קוונטית, כלומר תאוריה המשלבת את תורת היחסות הכללית עם עקרונות תורת הקוונטים.
למרות ההתפתחות המרשימה של תורת המיתרים בשנות ה-70 של המאה הקודמת, עסקו בה רק מספר ספור של אנשים, ביניהם ג׳והן שוורץ שאותו הזכרתי בפרק הקודם, ומייקל גרין [1]. יחדיו הם פיתחו את תורת המיתרים כמעט לבדם עד שנתקלו בבעיה שאיימה להמיט עליה חורבן – בעיית ה-״אנומליה״. ה-״אנומליה״ שהתגלתה בתורת המיתרים היא בעיה שהייתה מוכרת בתורות אחרות כבר משנות השישים – הקושי לשלב את האינטרקציות הבסיסיות (האלקטרומגנטית, החלשה, החזקה או הגרביטציונית) עם עקרונות תורת הקוונטים. התברר שפרמיונים [2] (למשל אלקטרונים או קוורקים) לעתים עלולים "לבלבל" את האינטרקציות הבסיסיות. חישוב נאיבי שערכו מספר פיזיקאים גרס שגם תורת המיתרים סובלת מבעיית האנומליה.
במאמר מבריק שנכתב בשנת 1984, הראו שוורץ וגרין שתורת המיתרים איננה סובלת מאנומליה. הם הדגימו שתורת המיתרים היא אכן תורה עקבית שמאחדת את כל הכוחות, כולל את כח הגרביטציה, ללא סתירה עם עקרונות תורת הקוונטים. המכניזם שבו מתבטלת האנומליה נקרא מכניזם גרין-שוורץ. ההישג של גרין ושוורץ היה כה מרשים עד שהוא סחף אחריו מידית מאות פיזיקאים שחדלו מעיסוקיהם והחלו לעסוק בחקר תורת המיתרים.
אחת הבעיות הראשונות שבה עסקו הפיזיקאים הייתה – מה לעשות עם עשרת מימדי תורת המיתרים? במאמר הקודם הזכרתי שתורת הסופר-מיתר כוללת בהכרח עשרה מימדים. כידוע, אנחנו חיים בעולם שבו יש ארבעה מימדים בלבד: אורך, רוחב, גובה וזמן. מה הם ששת המימדים הנוספים שחוזה תורת המיתרים?
התשובה היא שאם ששת המימדים הנוספים הם דמויי-מעגל והם ״קטנטנים״, כלומר בעלי אורך אופייני שהוא אורך פלאנק, אזי לא נבחין בהם בעזרת הטכנולוגיה שמצויה בידינו כיום. על-פי תורת המיתרים, היקום שלנו הוא בעל עשרה מימדים, אולם רק ארבעה מתוכם, אלו שבהם אנחנו מבחינים, הם מימדים ״גדולים״.
חלק ניכר מהמחקר בסוף שנות ה-80 ותחילת שנות ה-90 התרכז בנסיון להתאים את תורת המיתר לנצפה בטבע. הסתבר שהקרבה לנצפה בטבע קשורה לגיאומטריה של ששת המימדים ״הקטנים״ הנוספים. כאשר המיתר נע בעשרה מימדים ששישה מהם ״מכורבלים״ בצורות מסויימות, מתקבלות אינטרקציות דומות לאלו הנצפות בטבע, כלומר האינטרקציה החשמלית, החלשה והחזקה. תורת המיתרים הפכה אפוא להיות לא רק מועמדת לתאוריה של כבידה קוונטית, אלא ל-״תאוריה של הכל״ - תורה המשלבת בתוכה את כל האינטרקציות!
תוצאה מעניינת נוספת שהתגלתה בשנות ה-80 היא שקיימות חמש תורות סופר-מיתר. כולן מצריכות עשרה מימדים, אך הן שונות זו מזו באינטרקציות שהן כוללות. בסוף שנות ה-80 וראשית שנות ה-90, גילה ג׳ו פולצ׳ינסקי תגלית מדהימה ששינתה את תורת המיתרים באופן דרמטי. תורת המיתרים איננה כוללת רק מיתרים אלא גם אובייקטים נוספים: חלקיקים, ממברנות, אובייקטים תלת-מימדיים, ארבעה-מימדיים ואף עשרה-מימדיים. תורת המיתרים היא אפוא לא רק תורה של מיתרים, אלא תורה שמכילה עושר רב של אובייקטים.
בשנת 1995, הציע הפיזיקאי והמתמטיקאי חתן פרס פילדס אדוארד וויטן [3], שחמש תורות המיתר הינן היבטים שונים של תורה אחת בעלת 11 מימדים [3], אותה הוא כינה M-theory. וויטן הראה שה-M-theory נראית לנו בגבולות מסוימים כמו חמש תורות המיתרים, אולם מדובר למעשה בתורה אחת. דומה הדבר למשל ההודי שבו עיוור ממשש פיל וכל אימת שהוא בוחן איבר אחר של הפיל נדמה לו שמדובר בחיה אחרת. כמובן שמדובר בחיה אחת בעלת איברים רבים, שונים זה מזה. האשליה שמדובר במספר חיות שונות נובעת מהצורה שבה העיוור בוחן את הפיל. האלמנטים הבסיסיים ב-M-theory הינם ממברנה (כלומר אובייקט דו-מימדי) ואובייקט נוסף חמישה-מימדי. את כל האובייקטים של תורות המיתרים השונות שמצא פולצ׳ינסקי ניתן לגזור מ-M-theory.
למרות ההישג האינטלקטואלי המרשים של וויטן, לא נמצא עד היום ניסוח מתמטי מספק ל-M-theory. כאשר פיזיקאים מבצעים חישובים הקשורים לתורת המיתרים הם נעזרים על-פי רוב באחת מחמשת תורות המיתרים שמנוסחות טוב יותר מתורה זו [4].
עד כאן על שתי המהפכות. מהפכה נוספת, מרשימה לא פחות ואף יותר, התרחשה בסוף שנות ה-90 ועליה, בפוסט הבא.

<< לפוסט הקודם   לפוסט הבא >>

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב