miercuri, 12 ianuarie 2011

Modul radical nou de a privi şi percepe realitatea datorită mecanicii cuantice şi teoriei corzilor / teoriei M.

Teoria Corzilor şi Mecanica Cuantică – teorii consecutive ce au o bază solidă în descoperirile fizicianului Max Planck.

Susţinerile fizicienilor teoreticieni ai Teoriei Corzilor / Teoriei M.

Predicţiile mecanicii cuantice – care se referă la fenomene şi materia la scară extrem de mică, de ordinul a 2,54-12 cm - au devenit postulate / certitudini prin confirmarea lor de către numeroasele experimente ştiinţifice. Teoria cuantică este acum unanim acceptată datorită testărilor predicţiilor făcute pe baze teoretice. Se poate afirma că „Universul este guvernat cu precizie extremă de mecanica cuantică” (fizician Brian Greene).

Fizicienii teoreticieni au lansat de cca 20 de ani o nouă viziune „şocantă” a înţelegerii şi interpretării a comportamentului obiectelor / materiei, a realităţii: este cazul Teoriei supercorzilor sau Teoria Corzilor completată cu Teoria Membranelor (Teoria M). Acestea reprezintă un mod radical nou de a interpreta natura, realitatea, aşa cum mecanica cuantică a fost şocantă la rândul ei când a „debutat”, prin modul de explicare al comportamentului particulelor. Noutatea acestor teorii complementare constă în:

- determinarea teoretică a fenomenelor / comportamentului materiei / obiectelor subatomice ce au dimensiuni în jurul a 1,6 x 10−35 metri şi

- demonstarea teoretică că asemenea fenomene, reacţii ale obiectelor / materiei ce încă nu pot fi detectate cu tehnicile actuale se petrec şi la scara materiei vizibile, în întreaga textură spaţiu-timp a universului.

Noile teoria corzilor şi teoria M – ca şi mecanica cuantică - se bazează mult pe descoperirile fizicianului Max Planck, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în anul 1918, privind sistemul de unităţi de măsură ale obiectelor microscopice, sub-atomice.

Max Planck [Premiul Nobel pentru Fizică 1918 „Ca apreciere pentru serviciile oferite în avansarea Fizicii prin descoperirea cuantelor de energie.”], a formulat teoria cuantică a radiaţiilor potrivit căreia energia minimă pe care o poate trasporta o undă este proporţională cu frecvenţa ei; dacă energia minimă pe care o poate transporta o anumită undă depăşeşte energia cu care trebuie să contribuie, ea nu contribuie cu nimic şi rămâne neactivă.

Mecanica cuantică.

Ştim cu certitudine că mecanica cuantică ne dovedeşte absolut şi irevocabil că o parte din conceptele de bază esenţiale înţelegerii lumii familiare de zi cu zi îşi pierd orice înţeles când atenţia noastră se restrânge la lumea microscopică. Mecanica cuantică este o teorie coerentă matematic şi furnizează predicţii care au fost verificate cu o precizie uimitoare.

Mecanica cuantică a consacrat existenţa principiului incertitudinii descoperit de fizicianul german Werner Heisenberg în 1927 conform căruia există o relaţie matematică între precizia cu care se măsoară poziţia electronului (a oricărei particule) şi precizia cu care se măsoară viteza lui, cele două fiind invers proporţionale. Deci, la nivel microscopic, mişcarea unei particule care e descrisă prin precizarea poziţiei şi a vitezei, este imposibilă cunoaşterea exactă a ambelor caracteristici. Această incapacitate de a cunoaşte în acelaşi timp poziţia şi şi viteza particulelor elementare face ca lumea microscopică să fie în mod intrinsec turbulentă.

După descoperirea principiului incertitudinii, fizica a luat o direcţie nouă, ireversibilă. Probabilităţile, funcţiile de undă, interferenţa şi cuantele se bazează pe un mod radical nou de a privi realitatea.

Mecanica cuantică înserează conceptul de probabilitate în univers la un nivel profund. În conformitate cu interpretarea dată de fizicianul Max Born, validată de experienţele efectuate în cursul a mai bine de jumătate de secol, natura ondulatorie a materiei implică faptul că materia însăşi trebuie descrisă la nivel fundamental într-o manieră probabilistică.

rezultatul coliziunii dintre particule.

Conform mecanicii cuantice, universul evoluează supunându-se unui formalism matematic riguros, dar acest cadru determină doar probabilitatea de a avea un anumit viitor, dar nu şi care va fi acel viitor, ceea ce deasemeni a fost confirmat de numeroase experimente.

Mecanica cuantică ne arată indubitabil că universul se bazează pe principii care, din punct de vedere al experienţelor noastre cotidiene, sunt stranii.

Feynman scria: „(mecanica cuantică) dă naturii o descriere absurdă din perspectiva bunului simţ. Şi este în perfectă concordanţă cu experimentul. Sper deci că puteţi accepta natura aşa cu este Ea – absurdă.”

Printre caracteristicile esenţiale ale mecanicii cuantice este şi constatarea că totul în univers, inclusiv structura spaţiului şi timpului, manifestă fluctuaţii cuantice cu atât mai turbulente cu cât acestea sunt măsurate pe distanţe mai mici. şi această constatare face obiectul studiului teoriei corzilor, în cazul distanţelor de ordinul lungimii Planck.

Teoria Corzilor – Teoria M.

Teoria corzilor / Teoria M explică proprietăţile fundamentale ale naturii şi au drept ţintă:

- unificarea mecanicii cuantice şi a principiului relativităţii, prin predicţii asupra comportării materiei / obiectelor ultra microscopice cu lungimi aproximative lungimii lui Planck, adică de aproximativ 1.616252×10−35 metri şi

- extinderea constatărilor teoretice la scara întregului univers. Această extindere a teoriei a corzilor / teoriei M la scară cosmică se bazează mult pe constatările teoretice ale mecanicii cuantice confirmate prin numeroase experimentări, inclusiv la obiecte de dimensiuni obişnuite şi la dimensiuni cosmice. Aceste teorii unificatoare a întregii materii şi a tuturor forţelor a schimbat atât de mult perspectiva noastră asupra universului.

Teoriile sugerează că lumea microscopică este plină de corzi minuscule, ale căror vibraţii orchestrează evoluţia cosmosului. Conform teoriei corzilor, constituienţii elementari ai universului nu sunt particule punctiforme (adică de dimensiunea zero, aşa cum se afirmă în teoria cuantică) ci sunt minuscule filamente unidimensionale (corzi), ca nişte fire elastice infinit de subţiri, vibrând necontenit în toate sensurile. Corzile sunt atât de mici – lungimea lor medie este aproximativ egală cu lungimea Planck (adică 1,62x10-33 cm) -, încât par a fi punctiforme chiar şi atunci cînd sunt examinate cu cele mai puternice aparate.

coardă înfăşurată de tip Calabi-Yau

Ideea centrală a teoriei corziloreste că diferitele moduri de oscilaţie a le unei corzi fundamentale produc mase şi sarcini de forţă diferite; cu alte cuvinte, proprietăţile unei „particule” elementare – adică masa şi diversele sale sarcini de forţă – sunt determinate de modul de vibraţie al corzii sale interne.

Oscilaţiile corzii îi determină acesteia proprietăţile fizice cum ar fi masa şi sarcina de forţă.

Fiecare particulă elementară este alcătuită dintr-o singură coardă şi toate corzile sunt identice; diferenţele între particule apar deoarece corzile care le corespund se află în rezonanţe de vibraţie diferite.

De ce sunt atât de importante descoperirile fizicianului Planck.

Planck a descoperit cuantumul acţiunii undelor, un factor de proporţionalitate - cunoscut sub numele de constanta lui Planck – dintre frecvenţa undei şi cantitatea minimă de energie pe care unda o poate avea şi care este de aproximativ o miliardime de miliardime din unităţile curente .

Constanta Planck (notată ħ), este o constantă fizică reflectând dimensiunile cuantei în mecanica cuantică şi are mărimea de 6,6 x 10-34 jouli.secundă .

Constanta Planck a fost descrisă pentru prima dată ca constanta de proporţionalitate între energie (E) a unui foton şi frecvenţă asociată acesteia de unde electromagnetice (ν). Această relaţie între energie şi frecvenţa se numeşte raportul Planck sau ecuaţia Planck-Einstein: E=hv.

De asemenea Planck a contribuit la evoluţia fizicii subatomice [ultra-microscopice] prin stabilirea şi a altor unităţi de măsură:


- Lungimea Planck, notată ℓP, este o unitate de lungime, egală cu 1.616252 x 10−35 metri. Este o unitate de bază în sistemul de unităţi Planck

Lungimea Planck poate fi definită prin trei constante fizice fundamentale: viteza luminii într-un vid, Constanta lui Planck, şi forţa gravitaţională constantă.

- Timpul lui Planck, (tP), este unitatea de timp în sistemul de unităţi naturale cunoscut ca unităţi Planck . Acesta este timpul necesar pentru lumina să călătorească, în vid, o distanţă de o lunfime Planck şi are valoarea de 5,39 x 10-44 secunde http://physics.nist.gov/cuu/Images/space126.gif

- Masa Planck ( m P ) este unitatea de masă în sistemul de unităţi naturale cunoscut sub numele de unităţi Planck şi are valoarea de 2,17644 × 10 -8 kg (sau 21,7644 micrograme).

Din nefericire, toate de experimente ştiinţifice şi experienţele noastre umane sunt la dimensiuni de peste miliarde de miliarde de miliarde de ori faţă de scara dimensiunilor lui Planck, ceea ce face grea sondarea directă a evenimentelor ce se produc la scara Planck.

CARACTERISTICILE CORZILOR.

Corzile sau firele din lumea care ne înconjoară sunt tensionate în mod diferit şi datorită valoarii / mărimii acestor tensiuni din buclele corzilor. În cazul particulei ipotetice gravitonul [ce este particula – mesager (care mediază) a forţei gravitaţionale şi a cărei masă este foarte apropiată de zero] , tensiunea calculată are valoarea colosală de 1039 tone forţă (o mie de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde tone forţă) – aşa numită tensiune Planck. Tensiunea Planck suportată de corzi se transpune la dimensiuni tipice ale acestora de ordinul lungimii Planck, adică 10-33 centrimetri.

Deci, datorită tensiunii enorme, în teoria corzilor, energia tipică de vibraţie a unei bucle este foarte mare.

Energia unei corzi care vibrează este determinată de două lucruri: modul în care vibrează (moduri mai violente corespund unor energii mai mari) şi tensiunea de-a lungul ei (tensiuni mai mari corespund unor energii mai mari). Şi aceste energii ale corzilor sunt măsurate pornind de la o unitate de energie – energia Planck iar masele lor sunt măsurate în unităţi de masă numite masa Planck. Fizicienii se exprimă în mod obişnuit spunând că scara „naturală” sau „tipică” de energie sau de masă a teoriei corzilor este scara Planck.

Referitor la afirmaţia făcută la capitolul mecanică cuantică precum că: „Printre caracteristicile esenţiale ale mecanicii cuantice este şi constatarea că totul în univers, inclusiv structura spaţiului şi timpului, manifestă fluctuaţii cuantice cu atât mai turbulente cu cât acestea sunt măsurate pe distanţe mai mici. şi această constatare face obiectul studiului teoriei corzilor, în cazul distanţelor de ordinul lungimii Planck”, în teoria corzilor nu există nici o posibilitate de a distinge „imperfecţiunile” structurii spaţiului la o scară de lungimi sub lungimea Planck. Presupusele ondulaţii cuantice furtunoase ce ar apărea sub lungimea lui Planck nu există, pentru că, fiind într-un spaţiu sub cel ce ar putea fi măsurat, aceste oscilaţii nu pot fi măsurate şi prin urmare nici nu există. Teoria corzilor stabileşte o limită inferioară pentru distanţele accesibile fizic şi afirmă că universul nu poate fi restrâns la o mărime mai mică decât lungimea Planck în nici una din dimensiunile lui spaţiale, ceeace sugerează o dimensiune minimă a universului. Mai precis, distanţele sub lungimea Planck sunt inaccesibile.

Simetria – supersimetria naturii, a universului, o proprietate fundamentală în TC.

Simetria constituie o parte esenţială a esteticii fizicii – care are un înţeles foarte concret şi precis. În ultimele decenii fizicienii au creeat teorii în care particulele de materie şi particulele mesager se întrepătrund mai strâns decât s-ar fi crezut. Asemenea teorii care unesc nu numai forţele naturii, ci şi constituenţii ei materiali au cea mai mare simetrie posibilă şi din acest motiv au fost numite supersimetrice. Teoria supercorzilor este în acelaşi timp fundamentul şi culmea unui cadru supersimetric.

Universul nu este static, el se transformă în diverse feluri de la un moment la altul. Legile care guvernează aceste evoluţii, după datele existente acum, sunt fixe şi neschimbate. Aceste reguli sunt valabile pretutindeni. Fizicienii denumesc aceste două caracteristici ale legilor fixe – faptul că nu depind de locul sau momentul în care le folosim - simetrii ale naturii: adică natura tratează fiecare moment din timp şi fiecare loc din spaţiu la fel – simetric – ceea ce garantează faptul că se aplică aceleaşi legi fundamentale. Şi principiul relativităţii spune că toate legile fizicii trebuie să rămânî neschimbate indiferent de mişcarea relativă cu viteză constantă pe care ar putea-o avea observatorii individuali.

O particulă elementară are o mişcare de rotaţie în jurul propriei axe ceea ce fizienii o numesc spin. Aceasta constituie o proprietate intrinsecă, asemenea masei sau sarcinii sale electrice. Conform cercetărilor, orice electron din univers, dintotdeauna şi pentru totdeauna are o rotaţie proprie într-un ritm fix, neschimbător. Fizicienii au demonstrat că particulule care transmit forţe negravitaţionale – fotonii, bosonii de etalonare slabi şi gluonii – au o rotaţie proprie caracteristică de două ori mai mare decât aceea a particulelor de materie. Ei au cu toţii „spin 1”. Ideea de bază este că atunci când luăm în considerare spinul mai există exact o simetrie a legilor naturii matematic posibilă. Este cunoscută sub numele de supersimetrie. La începutul anilor 1970, fizicienii şi-au dat seama că particulele din natură trebuie să existe în perechi ai căror spin diferă printr-o jumătate de unitate. Astfel de perechi de particule sunt numite superparteneri, indiferent dacă le considerăm punctiforme sau ca bucle vibrante minuscule. Analize teoretice detailate au arătat că, dacă universul încorporează supersimetria, atunci fiecare particulă cunoscută trebuie aibă o particulă superpartener încă nedescoperită.

Dimensiunile în univers.

Pentru ca teoria corzilor / teoria M să fie valabile, universul trebuie să aibe zece dimensiuni spaţiale ( din care trei dimensiuni sunt cele măsurabile, perceptibile în viaţa de zi cu zi, vizibile) şi una temporală, deci în total unsprezece dimensiuni. Această predicţie a rezultat din calculele matematice şi ecuaţii complexe. Din aceste 11 dimensiuni, trei dimensiuni spaţiale (şi una temporală) sunt mari, extinse, în timp ce toate celelalte sunt minuscule (de dimensiuni la ordinul de mărime al lungimii Planck, adică 1,05x10 -33 cm) şi încolăcite.

ÎN LOC DE CONCLUZII.

· Predicţiile teoriei corzilor / teoriei membranelor au „ca bază de pornire” mecanica cuantică. Deosebirile esenţiale între ele şi mecanica cuantică sunt:

- Cele două noi teorii pun în armonie mecanica cuantică cu principiul relativităţii şi oferă astfel, baza teoriei unificată a fizicii, T.O.E. – teoria cuantică ce încorporează toate forţele şi toată materia;

- Oferă predicţii fundamentate pe calcule matematice şi ecuaţii extrem de complexe ale unor fenomene şi constatări observate în natură, în lumea vizibilă, cărora nu li s-au stabili fundamentare teoretică prin mecanica cuantică;

- Predicţiile teoriei corzilor / teoriei M nu pot fi confirmate experimental – spre deosebire de predicţiile mecanicii cuantice ce au fost integral confirmate de multe experienţe – deoarece lungimea Planck [lungimea aproximativă a unei corzi = 1.6 x 10−35cm] este cu cca 17 ordine de mărime (10-17) mai mică decât dimensiunea pe care o putem cerceta folosind tehnologia din ziua de azi; pentru această cercetare experimentală ar fi necesar un accelerator de dimensiunile unei galaxii pentru a vedea corzile individuale. Dacă se va testa experimental teoria corzilor, va trebi să fie făcută în mod indirect. Vor trebui găsite consecinţe ale teoriei corzilor în proprietăţile fizice observabile la scări de lungime cu mult mai mari decât mărimea corzii. Fizicianul Edward Witten a declarat că teoria corzilor a făcut deja o predicţie spectaculoasă confirmată experimental: „teoria corzilor are remarcabila proprietate de a prezice gravitaţia”, chiar dacă această „predicţie” este de fapt o „postdicţie”, fiindcă fizicienii au descoperit descrierile teoretice ale gravitaţiei cu mult înainte de a afla de teoria corzilor.

· Ipoteza cuantică a lui Planck răstoarnă perspective noastră asupra lumii. Valoarea mică a constantei Planck [ ħ = 6,6 x 10-34 jouli.secundă] face ca abaterile radicale de la lumea cunoscută de noi să fie restrânse la domeniul microscopic, dar dacă s-ar întâmpla ca ħ să fie mult mai mare aceste ciudăţenii ar deveni realitatea de zi cu zi, aşa cum sunt fenomenele corespunzătoare lor din lumea microscopică.

· Teoria corzilor are capacitatea de a descoperi noi caracteristici fizice remarcabile ale unui univers bazat pe corzi, caracteristici ce dezvăluie coerenţa subtilă şi profundă din funcţionarea naturii.

· Deşi suntem departe de a înţelege pământul necunoscut al teoriei corzilor şi teoriei M, nu există regiuni necartografiate. Asemenea cartografului, teoreticianul corzilor poate pretinde acum cu optimism moderat că spectrul teoriilor logic valide care încorporează şi descoperirile esenţiale ale secolului trecut – relativitatea specială şi generală; mecanica cuantică; teoriile de etalonare ale forţelor tari, slabe şi electromagnetice; supersimetria; dimensiunile suplimentare din univers – sunt toate cartografiate, cuprinse într-o schemă coerentă, logică, într-un cadru unificat. Provocarea pentru M-teoreticianul este de a arăta că un punct oarecare al „Hărţii teoriilor corzii, supergravitaţiei, a celor unsprezece dimensiuni şi teoria M” descrie cu adevărat universul nostru.

Surse:

Brian Greene – Universul elegant

Wikipedia

Enciclopedia universală Britannica

Trimiteți un comentariu