מהי תורת המיתרים וכיצד היא מוגדרת?

אוולין מייטי מרין
מהנדס תעשיה, MSc בפיזיקה, ו-EDD

תורת המיתרים היא גישה פיזיקלית המנסה ליישב בין תורת היחסות הכללית לבין מכניקת הקוונטים למודל אחד המכיל ומתאר את כל הכוחות הבסיסיים של טֶבַע. בתיאוריה זו, חלקיקים אלמנטריים אינם חלקיקים נקודתיים, כפי שמצוין במודל הסטנדרטי של פיזיקה, אלא מייצגים "מיתרים" או "חוטים" בעלי מימד אינפיניטסימלי הרוטט ב זמן חופשי.

שם התיאוריה מבוסס על ההנחה שחלקיקי יסוד הם עצמים חד מימדיים שהם דומים למיתרים, המתנדנדים בתדרים שונים, מה שקובע את המסה וסוג החלקיקים לְיַצֵג.

תיאוריה זו נוצרה בסביבות שנות ה-60 המאוחרות ופותחה על ידי כמה פיזיקאים, כולל גבריאל ונציאנו, יויצ'ירו נאמבו, לאונרד סוסקינד, ג'ון ה. שוורץ ומייקל גרין, בין היתר. עם זאת, הפרסומים העיקריים החלו להיווצר על ידי ג'ואל שרק וג'ון הנרי שוורץ בסביבות 1974. המדענים שהוזכרו לעיל חיפשו דרך ליישב את תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים, וכן הגיע לרעיון שחלקיקים יסודיים הם למעשה מיתרים רוטטים במרחב-זמן ולא חלקיקים דייקן. במהלך העשורים שלאחר מכן, תורת המיתרים הייתה נושא למחלוקות ולוויכוחים רבים בקהילה המדעית.

הבסיס של תורת המיתרים הוא הרעיון שכל החומר וכוחות היסוד ביקום הם תוצאה של הרטט של המיתרים הללו.

מאפיינים

חלק מהמאפיינים והנחות היסוד של תורת המיתרים כוללים:

• חלקיקים יסודיים הם למעשה מיתרים חד מימדיים הרוטטים במרחב-זמן.

• המאפיינים של המיתרים הללו (כגון אורכם ומתיחותם) קובעים את תכונות החלקיקים שהם יוצרים.

• אופני התנודה השונים של המיתרים הללו יכולים להסביר את קיומם של כל החלקיקים היסודיים הידועים, כולל בוזונים ופרמיונים.

• היא כרוכה במספר ממדים חוץ-מרחביים, בנוסף לארבעת המימדים שאנו חווים במציאות היומיומית שלנו.

תיאוריה זו, או הנקראת על ידי כמה מדענים, השערה, מבוססת על מודלים מתמטיים שהם מורכבים ביותר והם נגזרים ממכניקת הקוונטים, תורת היחסות הכללית, גיאומטריה דיפרנציאלית ו הטופולוגיה.

חשוב לציין שמושגים אלו הקשורים לתיאוריה ממשיכים להיות נושא למחקר ולכן יתכן כי המודלים המתמטיים והמשוואות המשמשים משתנים ככל שמתגלים גילויים חדשים ומתגלים חדשים מחקר.

תורת המיתרים אינה מספקת הסבר מלא למקור היקום, מכיוון שהיא מתמקדת יותר בטבע היסודי של המציאות ובחלקיקים יסודיים. עם זאת, הוא תואם במידה מסוימת לתיאוריית המפץ הגדול, בהסבר תופעות כמו אינפלציה קוסמית, אשר היא תקופה של התפשטות מואצת שהתרחשה ברגעים הראשונים של היקום, והיווצרות מבנים בקנה מידה גדול סוּלָם.

אתגרים וביקורת

תורת המיתרים הייתה נושא למבקרים ומתנגדים רבים לאורך השנים, וחלק מהטיעונים מתייחסים להיבטים הבאים:

• היעדר ראיות אמפיריות: למרות עשרות שנות מחקר, לתורת המיתרים עדיין אין מספיק ראיות אמפיריות כדי לאשר את אמיתותה.

• מורכבות מתמטית: תיאוריה זו מורכבת ביותר מנקודת מבט מתמטית, מה שמקשה על רוב האנשים להבין.

• אי-התאמה: אינו תואם לפיזיקה סטנדרטית, מה שאומר שלא ניתן לבצע ניסויים כדי להשוות ולבסס קשרים בין שתי התיאוריות.

• רב-יקומים: יסודו מרמז על קיומם של יקומים מרובים וקשה לאנשים מסוימים לקבל את הרעיון הזה.

• קושי בביצוע תחזיות: בשל המורכבות שלה, תורת המיתרים קשה לשימוש כדי ליצור תחזיות מדויקות לגבי תופעות פיזיקליות שניתנות לצפייה.

אלו רק חלק מהביקורות והחסרונות שהופנו נגד תורת המיתרים. למרות האתגרים הללו, המחקר בתחום הזה נמשך, ומדענים רבים מאמינים שהוא יכול להחזיק את המפתח לאיחוד הפיזיקה.

תחומי יישום

תורת המיתרים מיושמת בתחומים כמו פיזיקה באנרגיה גבוהה, קוסמולוגיה ופיזיקה תיאורטית. יש לזה גם השלכות על פיזיקת החלקיקים ועל כוח הכבידה הקוונטית. יתר על כן, הוא שימש לחקר הפיזיקה של חורים שחורים והאנטרופיה שלהם.

מצד אחד, תורת המיתרים יכולה לפתור כמה מהשאלות הבסיסיות ביותר בפיזיקה, כמו ההתאמה בין תורת היחסות הכללית למכניקת הקוונטים. הפילוסופיה שלו תומכת בקיומם של מימדים מרובים ויקומים מקבילים, שהפך לאחד מתחומי המחקר הפעילים ביותר בקוסמולוגיה תיאורטית.

מצד שני, ההשערה שעליה מבוסס מודל זה הובילה גם למספר רב של התקדמות בפיזיקה יותר. מעבר לקוסמולוגיה, כמו בתורת החומר המעובה ומידע קוונטי, בין היתר שדות.

קוסמולוגיה היא אחד התחומים שבהם תורת המיתרים הייתה מעורבת משמעותית בעשורים האחרונים.