בואו לגלות את עמוד הכתבה החדש שלנו
 

אתם מחוברים לאתר דרך IP ארגוני, להתחברות דרך המינוי האישי

טרם ביצעת אימות לכתובת הדוא"ל שלך. לאימות כתובת הדואל שלך  לחצו כאן

לקרוא ללא הגבלה, רק עם מינוי דיגיטלי בהארץ  

רשימת קריאה

רשימת הקריאה מאפשרת לך לשמור כתבות ולקרוא אותן במועד מאוחר יותר באתר,במובייל או באפליקציה.

לחיצה על כפתור "שמור", בתחילת הכתבה תוסיף את הכתבה לרשימת הקריאה שלך.
לחיצה על "הסר" תסיר את הכתבה מרשימת הקריאה.

בעקבות תורת המיתרים

תורת המיתרים, התיאוריה הפיזיקלית המבטיחה ביותר לאיחוד ארבעת כוחות היסוד של הטבע, מציינת שלושים שנה למהפכה המדעית שהביאה לנסיקתה. האם עמדה במבחן הזמן?

35תגובות

אף אחד לא חייב דבר לאנושות. את האמת הפשוטה הזו אנו, התיאורטיקאים של הפיזיקה המודרנית, לרוב נוטים להדחיק. שאיפתנו היא שיום אחד נוכל לתאר את כל עולם החומר בתורה מדעית אחת מאוחדת. מקור התפיסה הזו אינו מדעי בעצמו, אלא כנראה חלקיק מהווייתנו כבני אדם: אין שום דבר במדע המודרני המחייב את היקום להתאים את עצמו להעדפה שלנו למינימליזם רב-עוצמה, כלומר למודל אחד ויחיד המסביר את כל עולם החומר. למעשה, אין כל ערובה לכך שדווקא אנחנו, יצורים דו-רגליים שהתפתחו לאחרונה בשולי אחת מהמוני הגלקסיות ביקום, ניחנים ביכולות הקוגניטיביות שיאפשרו לנו לפתח תיאוריה מקיפה שכזו.

ואף על פי כן, גם בלי הבטחה לתיאוריה חובקת כול, אנחנו לא מוותרים. נאמנים למסורתו של דמוקריטוס איש אבדרה שטווה את מושג האטום, ניצבים הפיזיקאים התיאורטיים בפני אתגר איחוד כל כוחות היסוד הידועים בתיאוריה אחת עקבית, ואנו מצליחים לא רע בכך. לאחר שהצלחנו לאחד במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים שלושה מתוך ארבעת הכוחות - הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החלש והכוח החזק (הידוע גם ככוח הצבע) - השאיפה היא לפתח תיאוריה שתכלול גם את הכוח הרביעי, כוח הכבידה.

ישנה תיאוריה אחת שמתקרבת יותר מכל תיאוריה אחרת כיום להרחבה מוצלחת של המודל הסטנדרטי, באופן שמאפשר את איחוד הכוחות. זוהי תורת המיתרים. השנה אנחנו מציינים קרוב לחמישים שנה להיווצרותה של תיאוריה זו, ושלושים שנה למהפכה המדעית שהביאה לנסיקתה ולהפיכתה למוקד משיכה למחקר. זהו זמן ראוי לחשבון נפש מחקרי על הישגי תורת המיתרים ואתגריה. האם ההבטחה התיאורטית הגדולה של פיזיקת הכוחות הבסיסיים במחצית השנייה של המאה ה-20 עמדה בציפיות? האם יש לה חלופה ראויה?

עולם חדש מופלא

עד 1984 הניחו כמעט כל החוקרים שהיקום מורכב מחלקיקי יסוד נקודתיים ומכוחות שפועלים ביניהם. בשנה זו אירעה בעולם הפיזיקה מהפכה שהרחיבה עיקרון זה, ושההדים שלה מורגשים עד היום. זוהי מהפכת תורת המיתרים.

בשנות השבעים והשמונים של המאה הקודמת כמעט והשלימו פיזיקאים תיאורטיים את הבנת מרבית התכונות של שלושה מתוך ארבעת כוחות היסוד שמנינו. ההצלחה נתאפשרה בין היתר על ידי חידוד הכלים המתמטיים שבהם השתמשו החוקרים. מצוידים בהבנה זו החלו הפיזיקאים לחפש אחר תיאוריה שתקבץ יחדיו את שלושת הכוחות - מה שנקרא בעגת הפיזיקאים תורת שדות מאוחדת. אלא שבתחילת שנות השמונים התברר שלא ניתן יהיה לאחד את שלושת הכוחות האלה - הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החלש והכוח החזק - בלי להתייחס לכוח הרביעי, כוח הכבידה. הסיבה לכך היא שהתברר שרמת האנרגיה שבה שלושת הכוחות נהיים דומים זה לזה היא כזו שבה כבר לא ניתן להתעלם, מבחינה חישובית, מהשפעות כוח הכבידה. כתוצאה, ההתייחסות לכוח הכבידה חלחלה למחקר ועודדה את המאמצים לאיחוד כל ארבעת הכוחות. בכך נטמנו הזרעים לפיתוח תיאוריית כוחות מאוחדת, שבסופו של דבר הבשילה בתורת המיתרים.

פריצת הדרך שאפשרה את שגשוגה של תורת המיתרים התרחשה ב-1984, כאשר הפיזיקאים מייקל גרין וג'והן שוורץ גילו דבר מה שהרעיש את התיאורטיקאים והפר את שגרת עבודתם. עד אותה השנה רק מעטים עסקו בתורת המיתרים. כשהחוקרים הספורים בתחום הזה היו מדברים על המחקר האזוטרי שלהם, היה זה כמו לשמוע מלחים המספרים על הנפלאות שבהם חזו בארץ זרה ורחוקה. מעטים עוד יותר ידעו שתיאוריית המיתרים חשודה כסובלת מ״מחלה״ ממארת. “מחלה" זו איימה להפוך אותה ללא עקבית ולכן לבלתי רלוונטית מבחינה תיאורטית. נוצר חשש שכל חישוב שנערך במסגרת תורת המיתרים תוך התייחסות לכוח הכבידה ייתן תוצאות בלתי אפשריות, למשל שפרמטרים שונים בתיאוריה יקבלו גדלים אינסופיים. אלא שהתגלית של גרין ושוורץ הראתה שהבעיה הזו אינה ממשית, ושאין כל מחלה ממארת בתורת המיתרים. התורה בריאה לחלוטין.

בעקבות תגליתם של השניים זרקו כמעט כל הפיזיקאים בתחום את שחקרו באותו זמן והחלו לעבוד על תורת המיתרים. תופעה שכזו מעולם לא התרחשה קודם לכן ולא חזרה על עצמה מאז. ההתלהבות האדירה שחררה פרץ לא צפוי של רגשות, לפחות לא כזה הצפוי ממדענים. החוקרים החלו לחקור את התחום החדש בציפייה שבתוך שנה-שנתיים הם יפתרו את כל השאלות הגדולות שעל הפרק במסגרת תורת החלקיקים המודרנית.

מה גרם לכך ש"הבראתה" של תיאוריה לא מוכרת הובילה להתלהבות רבה כל כך? לאחר ההיפטרות מה"מחלה" של תורת המיתרים המוקדמת בחנו אותה פיזיקאים מחדש, ולפתע התברר להם שיש לה תכונות רבות בעלות פוטנציאל עצום. קודם כול, נראה היה לחוקרים שבתורת מיתרים ניתן לערוך כל חישוב שהיה אפשרי בתורת השדות הרגילה. יתרה מכך, היא הבטיחה לענות על שאלות רבות נוספות מעבר לתורת השדות, ולספק תשובות לכל השאלות הגדולות שמעסיקות את החוקרים באשר למבנה החומר והיקום. נותר רק לבדוק אם אכן יש בסיס להבטחה הזו. מדענים רבים החליטו ליטול את הסיכון, לזנוח את מושאי מחקרם עד אותה העת ולראות האם סוף כל סוף התגלה המודל המאחד הנכסף של הפיזיקה המודרנית.

צל הממדים הנסתרים

תורת המיתרים מציעה חלופה מהותית לחלקיקי היסוד של המודל הסטנדרטי. חלקיקי היסוד המקובלים במודל הם נקודתיים, כלומר חלקיקים שאינם מתפרשים כלל במרחב והם בעלי אפס ממדים. בתורת המיתרים, לעומת זאת, החלקיקים הבסיסיים הם בעלי ממד אחד. ככאלה, צורתם אינה של נקודה, אלא של גומייה: הם עשויים להיות מעין רצועות פתוחות בעלות שני קצוות, או לחלופין רצועות היוצרות מעגל סגור.

מדוע פנו המדענים מלכתחילה לחלופה זו? הרי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים הוא כנראה התיאוריה המאוששת ביותר בהיסטוריה של המדע המודרני. התיאוריה הזו סיפקה תחזיות לקיומם של חלקיקים שהתממשו עשורים רבים לאחר מכן, כמו חיזוי חלקיק ההיגס ב-1964, שהתגלה ארבעים ושמונה שנה מאוחר יותר. יתרה מכך, התחזיות האלה נוסחו בדיוק בלתי נתפס. כך למשל, משוואות המודל הסטנדרטי חוזות תכונה אלקטרומגנטית מסוימת של האלקטרון ברמת דיוק של 11 ספרות. למה שמישהו ירצה להחליף מודל שכזה בתיאוריה אחרת? למה שנחליף הרכב מנצח?

ובכן, על אף ההצלחות הרבות של המודל הסטנדרטי, יש לו גם מגבלות רבות. למשל, הוא אינו מסביר מדוע היקום הוא דווקא בעל ארבעה הממדים הגדולים המוכרים לנו (שלושה ממדי מרחב וממד זמן), מדוע קיימים דווקא חלקיקי יסוד אלה ולא אחרים, ומדוע לחלקיקי היסוד דווקא תכונות אלה ולא אחרות. המודל הסטנדרטי גם אינו עונה על השאלה מדוע קשה כל כך לרתום את תורת הכבידה לחוקי מכניקת הקוואנטים המקוימים בקפידה על ידי שלושת כוחות היסוד האחרים. בד בבד החלה לנקר גם הדאגה שאיננו מבינים ממה מורכב החומר האפל, המהווה כרבע מכלל המסה ביקום. מבחינת תיאורטיקאים שכמוני, בעיות יסודיות אלה ועוד רבות אחרות אינן מאפשרות לנוח על שום זר דפנה.

אבל לא אלה היו הסיבות ההיסטוריות שהניעו את פיתוח תורת המיתרים. מהלכה של ההיסטוריה מפותל יותר מהרושם שמותירים בנו תוצריה. סיבה מרכזית להתפתחות תורת המיתרים טמונה למעשה במחקר של שנות החמישים והשישים  של המאה הקודמת, כאשר מדענים ניסו להבין ממה בנוי הפרוטון שבגרעין האטום. באותה העת לא צלחו הניסיונות לפירוק הפרוטון למרכיביו. על רקע מבוכה זו הציע הפיזיקאי האיטלקי גבריאל ונציאנו, שעבד באותה העת על דוקטורט במכון ויצמן, נוסחת פלא לפתרון הבעיה. בעקבות עבודותיהם של חוקרים שונים, בהם הפיזיקאים הישראלים הצעירים דויד הורן וחיים הררי, הניח מחקרו של ונציאנו את התשתית להצעה שחלקיקי היסוד מורכבים למעשה ממיתרים חד-ממדיים. כך קרה שהיסודות לתורת המיתרים נוצקו לראשונה בשנות השישים של המאה ה-20, כאן בישראל.

סרטון המסביר את תורת המיתרים

עם זאת, תורת המיתרים בגרסה מוקדמת זו לא אומצה על ידי רוב הקהילה המדעית. ממש באותו הזמן הראו מדענים רבים שניתן להסביר בהצלחה רבה את מבנה הפרוטון ותכונות רבות שלו ושל חלקיקים דומים לו באמצעות קווארקים ונשאי הכוח החזק הידועים כגלואונים. כתוצאה, המיתרים כמעט ונשכחו עד אמצע שנות השמונים. רעיון המיתרים נכנס לתרדמת, והוא זכה לנשיקת ההתעוררות המדעית שלו רק שני עשורים לאחר ניסוחו הראשוני, עם פריצת הדרך של גרין ושוורץ.

במאמר מוסגר ניתן לציין שחלק מה"אבות" המדעיים שהובילו להצעת קיומם של המיתרים כלל לא פיללו לילד הזה, אולם זו טבעה של תגלית: מרגע שנחשף ידע חדש, אובדת השליטה על הכיוון שאליו יוביל המחקר שלו.

אך כאמור, ההיסטוריה מפותלת יותר. תורת המיתרים לא הייתה יכולה להופיע במלוא הדרה אילולא התפתחות תיאורטית נוספת, ומוקדמת יותר, מתחילת המאה הקודמת. בשנות העשרים של המאה ה-20 ניסו החוקרים תיאודור קלוזה (Klauza) ואוסקר קליין לאחד את כוח הכבידה ואת הכוח האלקטרומגנטי. הם הראו שאם מניחים את קיומם של חמישה ממדים, כלומר מוסיפים ממד מרחב אחד לארבעת הממדים המוכרים לנו – שלושת ממדי המרחב וממד הזמן – מתאפשר האיחוד של שני הכוחות האלה. כפי שאיננו מתייחסים לצלו של אדם כדבר הקיים בנפרד ממנו, כך הם העריכו שבעולם של חמישה ממדים ישנו רק כוח אחד והוא כוח הכבידה, כאשר הכוח האלקטרומגנטי הוא רק ה“צל” הארבע-ממדי של כוח יחיד זה.

במשך עשורים רבים נדחק לקרן זווית ניסיונם של קלוזה וקליין לאחד את כוח הכבידה והכוח האלקטרומגנטי, יחד עם הצעתם להוספת ממדים לעולמנו. אך בשנות השמונים זכה לעדנה הניסיון להציע את קיומם של ממדים חדשים כפתרון לבעיות פיזיקליות, ואומץ ביתר חום על ידי תיאורטיקאים רבים. בעקבות זאת ניסו החוקרים של תורת המיתרים לעשות את שעשו קלוזה וקליין, הפעם מבלי להגביל את עצמם רק לכוח הכבידה ולכוח האלקטרומגנטי: הם ניסו לנסח איחוד של כל ארבעת הכוחות בטבע באמצעות הוספת ממדים נוספים לתמונת העולם הפיזיקלית.

כדי לאחד את ארבעת הכוחות נראה היה שנדרשים לא פחות מאחד עשר ממדים: ממד זמן אחד, שלושת ממדי המרחב הגדולים המוכרים לנו ועוד שבעה ממדי מרחב זעירים, בגודל תת-חלקיקי. כדי לראות את הממדים הזעירים האלה עלינו לפעול בתחום האנרגיות הגבוהות. למה הדבר דומה? לאדם המצוי בבור עמוק: כדי לראות את העולם הגדול הפרוש מעל ומעבר לקירות הבור, מעבר לארבעת הממדים המוכרים, עליו לקפוץ גבוה מספיק כדי לצאת החוצה מן הבור הזה. לשם כך נדרשות אנרגיות גבוהות.

המאמץ לאחד את ארבעת הכוחות במספר רב של ממדים חייב את החוקרים גם לתת הסבר רב-ממדי לקיומם של חלקיקי היסוד השונים שאותם חוזה המודל הסטנדרטי. פיתוח תיאורטי חשוב בשנות השמונים הראה שמגוון חלקיקי המודל הסטנדרטי, המוכרים למדענים בעולם של ארבעה ממדים, הם למעשה "צללים" שמייצגים מציאות פיזיקלית יסודית יותר שנחשפת רק בעולם עם ממדים נוספים, כלומר, רק כאשר אנו יוצאים מהבור בעל ארבעת הממדים שבו אנו שוהים. התברר שמספר החלקיקים היסודיים-כביכול, המופיעים בארבעה ממדים, הוא תוצר של הגיאומטריה הנסתרת של הממדים הזעירים. המבנה המפורט של ה"בור" מכתיב את מספר החלקיקים ואת תכונותיהם, שאותם אנו רואים בעולם המוגבל יותר של ארבעה ממדים.

אם כן, ב-1984 הייתה הקרקע הרעיונית בשלה לקליטת רעיון הממדים הנוספים, ובשלושים השנים האחרונות מחפשים הניסיונאים דרכים לגלות עקבות לממדים אלה.

AFP

מותר המיתר מהנקודה

מעבר לאפשרות המבטיחה לאיחוד ארבעת כוחות היסוד, כמו גם הצעת מועמדים חדשים לחלקיק החמקמק המרכיב את החומר האפל, תורת המיתרים סיפקה מענה למספר שאלות פתוחות. כך למשל, למודל הסטנדרטי אין תשובה מדוע אנו חיים דווקא בעולם המורכב מארבעה ממדים ולא, למשל, מחמישה, שישה, שמונה, או עשרים אלף ממדים, לצורך העניין. תורת המיתרים, לעומת זאת, סיפקה לראשונה תשובה מדויקת ולא שרירותית לשאלה זו.

לאורך השנים ניתנו הערכות שונות למספר הממדים בתורת המיתרים - עשרה, אחד עשר או אפילו עשרים ושישה ממדים. תורת מיתרים עשרה-ממדית נראית כיום כעדיפה יותר עקב תכונה המוקנית לה על ידי תיאוריה הנקראת סופר-סימטריה, שחוזה בין היתר שלכל חלקיק יסודי שנתגלה עד כה ישנו חלקיק תאום נוסף שעוד לא התגלה. כך או אחרת, מה שחשוב לענייננו הוא שההערכות השונות לגבי מספר הממדים תמיד נגזרות מתוך ההיגיון הפנימי של תורת המיתרים. בניגוד למודל הסטנדרטי, עצם קיומה של תורת מיתרים מוגדרת היטב מטיל מגבלות על מספר ממדי המרחב וזמן האפשריים. המיתר הוא יצור מפונק שאינו יכול לנוע ולהתקיים בכל מספר ממדים שהוא.

באופן דומה נראה היה גם שתורת המיתרים מספקת לראשונה הסבר למספר חלקיקי היסוד ואופן סיווגם ל"דורות" - נתונים שנחשבו לשרירותיים ובלתי מוסברים במסגרת המודל הסטנדרטי.

להישגים תיאורטיים אלה ניתן להוסיף תרומות בלתי צפויות של תורת המיתרים לתחומי מחקר אחרים. לאורך השנים עבדו פיזיקאים של תורת המיתרים על פיתוחים מתמטיים ששימשו בהמשך מתמטיקאים ופיזיקאים כאחד. דוגמה אחת מיני רבות היא עבודתם של זייברג (Seiberg) ווויטן (Witten), שהייתה לה השפעה גדולה.

באמצעות תרומותיה למתמטיקאים גמלה הפיזיקה למתמטיקה על העזרה הגדולה של הכלים המתמטיים בהתקדמות חקר חומר היקום ומבנהו. תרומתה של הפיזיקה לשטחים אחרים לא תמיד הוכרה ככזאת. לעתים קרובות, כאשר מדענים המתמחים בתחום אחד ״פולשים״ לתחום אחר, הם נחשבים, לפחות בהתחלה, כ״לא מבינים״. למעשה, רק המתמטיקה כמעט שאינה גורמת להיווצרות נוגדנים כנגדה כאשר הכלים שלה חודרים לטריטוריות חדשות. מנגד, פיזיקאים שחדרו לתחום הכלכלה ולתחום חקר המוח, למשל, לא חובקו בחום ולא הושלך עליהם אורז מבושם. גם במקרה של תורת המיתרים ותרומותיה התגובות של קהילות המדענים מעורבות.

ובכל זאת, ישנן תרומות של חקר תורת המיתרים שלא ניתן לערער עליהן. הישג בולט לתורה נרשם באמצע שנות התשעים, בתחום הקרוי הולוגרפיה. אפשר לסכם את עקרון ההולוגרפיה כך: ניתן להסתכל על הקנקן ולדעת מה יש בו גם בלי שנציץ בתוכו. ואכן, באופן מפתיע התברר שבתופעות פיזיקליות מסוימות, המידע שאנו אוספים על תכונות פני השטח של גוף כדורי במצבים מסוימים מספק גם את כל המידע על מה שקורה בתוכו. באנלוגיה גסה, יהיה הדבר דומה לבעל בית שמציג לנו את הקירות החיצוניים בלבד ואומר לנו שזה כל מה שאנו צריכים לדעת על הבית כדי שנרצה לשכור אותו. ובכל זאת, הפיזיקה טוענת שהתופעה הזאת קיימת.

פריצת הדרך של ההולוגרפיה החלה עם עבודתו של פרופ' יעקב בקנשטיין מהאוניברסיטה העברית על חורים שחורים. הוא העלה לראשונה את ההשערה ההולוגרפית כאשר טען שיש לאפיין חורים שחורים על ידי בחינת תכונות פני השטח החיצוניים שלהם ולא על פי תכונות נפחם. טענה זו הייתה מפתיעה ביותר, שכן בתרמודינמיקה רגילה אנו לומדים על מערכות פיזיקליות תוך התייחסות לתוכן הנפח שלהן: אם ניקח קופסה מלאה בגז ונצרף אליה קופסה נוספת מלאה בגז, נדע שסך האנרגיה הכולל הוא סכום האנרגיות של שתי הקופסאות, בהתאם לנפח המשותף שלהן. אלא שלדברי בקנשטיין, האנרגיה ותכונות רבות אחרות במערכת של חורים שחורים אינה תלויה בנפחם, אלא רק בשטח הפנים שלהם.

התובנה הזאת של בקנשטיין יובאה לתחום תורת המיתרים, ובמסגרתה פיתחו חוקרים לראשונה מערכות מתמטיות שפועלות לפי העיקרון ההולוגרפי הקובע כי פני השטח מעידים על הנפח. הפיתוח המתמטי של ההולוגרפיה במסגרת תורת המיתרים אפשר לחקור לראשונה תכונות של חורים שחורים מסוימים באופן מדויק, ולערער על טענתו של סטיבן הוקינג שמידע הולך לאיבוד בנוכחות חורים שחורים. ייבוא העיקרון ההולוגרפי תרם גם להבנת היקום כמכלול: הוא אפשר לנו להתחיל לבחון באופן תיאורטי מה קרה במפץ הגדול ומה צפוי לנו אם היקום יקרוס. כמו כן, העיקרון ההולוגרפי החל לשמש בתחומים אחרים בפיזיקה, כמו תחום המצב המעובה ומערכות הידרודינמיות.   

מעבר לכל תרומותיה של תורת המיתרים למדע המודרני, היא גם מערערת מושגים אבסולוטיים רבים במתמטיקה ובפיזיקה ויוצרת מוזרויות שקשה לנו לתפוס מנקודת המבט של עולם החלקיקים הנקודתיים: היא מאפשרת לתאר את אותה מערכת פיזיקלית בשני תיאורים שונים בתכלית - תיאורים "דואליים", בעגת הפיזיקאים - כאשר שני התיאורים תקפים.

ניקח, למשל, את קיומו של ההבדל הבסיסי והאוניברסלי בין גדול לקטן. לא כך הדבר בהכרח בתורת המיתרים. התורה קובעת שיקום שניחן בתכונת המעגליות בכיוון מסוים – כלומר יקום שאם נמשיך לטייל בו לכיוון מסוים, נשוב בסופו של דבר לנקודה שממנה יצאנו – מערער על ההבחנה הפשוטה הזאת בין גדול לקטן. מנקודת המבט של תורת המיתרים, יקום בעל תכונת המעגליות הזאת – שאגב, אפשרית מבחינה מדעית – ייראה זהה בין אם נעניק לו רדיוס R, או רדיוס 1 חלקי R, כלומר ניתן לומר שיקום שכזה הוא ענק וזעיר כאחד.

תורת המיתרים מספקת מוזריות רבות מסוג זה. ניתן, למשל, לתאר באמצעותה מערכת פיזיקלית מסוימת כאילו יש לה הן ארבעה והן עשרה ממדים בו-זמנית. אם בכל זה לא די, הרי שישנם מקרים שבהם ניתן לתאר את אותו היקום כבעל שתי היסטוריות קוסמולוגיות שונות לחלוטין: בהיסטוריה אחת היקום מתחיל במפץ גדול ומסתיים בקריסה גדולה שלו לתוך עצמו, ובהיסטוריה חלופית הוא אינו מתחיל במפץ ואינו מסתיים בקריסה.

ייתכן שישנם הסברים פיזיקליים עמוקים למוזרויות אלה, אך נכון להיום אין הם ידועים לנו.

על קרקע המציאות

ההתבשמות מקסמי תורת המיתרים אינה יכולה להקהות מספר בעיות יסוד המופיעות בה כיום. הבה נמנה אותן.

בתחילת המחקר על תורת המיתרים החלו הפיזיקאים לשחזר בהתלהבות את המודל הסטנדרטי בשפה החדשה של התורה החדשה. זוהי למעשה המשימה הבסיסית ביותר של כל תיאוריה חדשה: להכיל בתוכה, לכל הפחות, את התיאוריה הקודמת. ואכן, התברר שמיתר מכווץ לגמרי דומה במובנים רבים לחלקיק. אלא שעם תחילת מלאכת השחזור הזאת התפוגגה אט-אט האופוריה הראשונית שאפפה את תורת המיתרים. מצד אחד התברר שאין בכוחה לחשב באופן ברור את תכונות חלקיקי המודל הסטנדרטי, ומצד שני התגלה שהתחזיות שלה מרחיקות לכת הרבה מעבר לאלה של המודל הסטנדרטי, וכוללות חלקיקים חדשים רבים. אמנם הייתה בכך בשורה משמחת, שכן אולי אחד מהחלקיקים הרבים האלה שתורת המיתרים חוזה הוא החלקיק המרכיב את החומר האפל. אך בתוך כך חזתה תורת המיתרים את קיומם של יותר מדי חלקיקים שמעולם לא זוהו. הרחקנו לכת מעבר למודל הסטנדרטי, אך הרבה מעבר למה שקיווינו.

הניסיונאים משקיעים מאמצים רבים בחיפוש אחר שלל החלקיקים הנוספים האלה, כולל התאומים הסופר-סימטריים שהוזכרו לעיל. עד כה לא העלו החיפושים דבר. ב-2015 צפוי מאיץ החלקיקים הגדול ב-CERN שבקרבת ז'נבה לפעול באנרגיה הגבוהה ביותר שאליה תוכנן, והחיפושים הללו ימשיכו למלא חלק מרכזי במחקר הניסיוני. אנו מחכים לראות אם בדורנו נחזה בסופר-סימטריה או שמא יידחה הדבר לעתיד המעורפל, אם כי קשה לנו כתיאורטיקאים לקבל שהטבע לא ינצל את הסימטריה היפהפייה הזו. אך גם אם נגלה חלקיקים חדשים, סביר להניח שעדיין ניאלץ להתמודד עם עוד חלקיקים רבים שתורת המיתרים חוזה ללא כל הצדקה ממשית.

דרך אחת לפתור את הבעיה התיאורטית של ריבוי החלקיקים ה"מיותרים" היא להפוך את המודלים של תורת המיתרים למורכבים יותר כך שידמו יותר למודל הסטנדרטי. אך כשעושים זאת, הפשטות הראשונית הקוסמת של התיאוריה נעלמת, והיא הולכת ומסתבכת. לכן, בעוד המאמץ המחקרי בכיוון זה אמנם נמשך, מרכז הכובד של המחקר נע לכיוונים אחרים.

אחד הפיתוחים התיאורטיים שנשקלו לפתרון הבעיה הוא האפשרות שהיקום מכיל בתוכו מישור, או קבוצות מישורים, הנקראים ממברנות (branes). מישורים אלה מחלקים את החלל בצורות שונות במספרי ממדים שונים. הועלתה אפילו השערה שהיקום שלנו הוא מישור ארבע-ממדי שכזה, המצוי בתוך יקום בעל עשרה ממדים. כל האקזוטיקה הזאת נועדה לקרב אותנו למודל הסטנדרטי ולמספר החלקיקים שהוא חוזה, תוך שאנו נפטרים מחלקיקים רבים שחוזה תורת המיתרים ושנראים מיותרים.

אפשרות קיומן של ממברנות שינתה בהינף קולמוס את ההערכות באשר לגודל המקסימלי האפשרי של הממדים הנוספים שחוזה תורת המיתרים. הערכה של הגודל המקסימלי של תכונה מסוימת בפיזיקה היא לרוב עבודה קשה ואיטית שנעשית באמצעות תצפיות, עקב בצד אגודל. אלא שבמקרה זה הביאה תורת המיתרים לשינוי דרמטי בהערכת הגודל המקסימלי של הממדים הנוספים. בעוד ניסיונאים הראו באמצעות חישובים שונים שהממדים הנוספים אמורים להיות קטנים פי מיליארד מרדיוס האטום, לכל הפחות, הרי שחוקרי תורת המיתרים המניחים את קיומן של ממברנות הראו שהממדים הנוספים יכולים להיות גדולים יותר מרדיוס האטום. מובן שאין כל ודאות שזה המצב בטבע, ובכל זאת מדובר בתוצאה דרמטית ביותר של המחקר התיאורטי.

בעיה מרכזית שנייה של תורת המיתרים היא שמתברר שאין רק תורת מיתרים אחת, אלא מספר רב של מודלים תיאורטיים אפשריים המשחזרים את המודל הסטנדרטי. תורה עם אינסוף פתרונות מתקשה מאוד לתת תחזיות כלשהן. אולי נוכל להתנחם בעזרת ההגיג הבא: דמיינו שאכן מתגלה נוסחה מאחדת אחת לפיזיקת האנרגיות הגבוהות, וכיוון שאנו מטבענו חוששים לתת כוח כה רב למהות אחת, אנו מעוניינים לעקר את עוצמתה המונופוליסטית. מה נוכל לעשות כדי לעקר עוצמה זו? דרך אחת היא לגרום לכך שהנוסחה המאחדת תוביל למשוואה שיש לה אינסוף פתרונות. נראה שתורת המיתרים כפי שהיא מובנת לנו אכן מובילה לנוסחה שכזו.

זוהי אחת הבעיות המרכזיות של תורת המיתרים שעליה אנו נדרשים להתגבר. אפשרות אחת לפתרון בעיה זו היא שישנה אמת מידה שאותה עדיין לא גילינו, שתאפשר לנו לבחור את המודל המתאים מבין המודלים הרבים של תורת המיתרים. עם זאת, בהדרגה צפה המחשבה שעלינו לשקול את האפשרות שאכן קיימים אינספור פתרונות, כלומר אינספור מודלים של תורת המיתרים, כאשר כל אחד מהמודלים האפשריים מבחינה תיאורטית מייצג יקום כלשהו. לפי פרשנות ריבוי העולמות, אנו חיים רק ביקום אחד מאינספור יקומים שמייצגים את אינספור הפתרונות של תורת המיתרים. עם זאת, גם פתרון ריבוי העולמות נחשב כיום בעייתי מבחינה תיאורטית.

בעיית המדידה

כעת אנו מגיעים לבעיה השלישית, ואולי החמורה ביותר, של תורת המיתרים. המתודה המדעית קובעת שכל תיאוריה שאינה ניתנת להפרכה, בין אם בתצפית או באמצעות ניסיון מדידה מבוקר, הרי שלא ניתן להחשיבה תיאוריה מדעית. זהו הקריטריון החשוב ביותר להגדרה של תיאוריה מסוימת כחלק מהמדע המודרני. אחת ההאשמות הקשות ביותר המוטחות בתורת המיתרים היא שאין למדענים היכולת לאשש אותה או להפריכה באופן אמפירי, באמצעות ניסוי או תצפית. הסיבה לכך היא שבמשך שנים רודפת את תורת המיתרים החולשה הבלתי נתפסת של כוח הכבידה ביחס לשאר הכוחות. חולשת כוח הכבידה מקשה בצורה כמעט פטאלית למדוד תכונות בסיסיות שלו, ומקשה על היכולת לערוך ניסויים שבהם ניתן לבחון את התחזיות של תורת המיתרים.

לספורטאים הקופצים לגובה נשמעת הטענה על חולשת כוח הכבידה הזויה. אך חישבו על זאת כך: הכוח שמפעילה קוראת מאמר זה על כוס הקפה שהיא מחזיקה בידה חזק מספיק כדי לאזן את כוח הכבידה שכדור הארץ כולו מושך באמצעותו את הכוס מטה, כלפי הרצפה. כעת נוכל להעריך עד כמה חלש כוח הכבידה לעומת הכוחות האחרים.

למרות מכשול מרכזי זה, ייתכן שניתן לזהות את ההשפעות שתורת המיתרים חוזה ביקום המוקדם באמצעות תצפיות אסטרונומיות. אלא שכאן מופיעה בעיה נוספת: עד לאחרונה לא יכולנו לזהות תצפיות מהיקום המוקדם הזה, כיוון שכל המידע שהתקבל מטלסקופים היה מתקופה שבה גיל היקום היה גדול מ-380 אלף שנה.

אלא שבמרץ השנה הבליחה לרגע תקווה. קבוצת מחקר של הפרויקט BICEP2, טלסקופ המוצב בקוטב הדרומי, פרסמה ממצאים שלכאורה תומכים בתיאוריית האינפלציה המהירה של היקום המוקדם, זמן קצר אחרי המפץ הגדול. מבחינת חוקרי תורת המיתרים היו יכולים ממצאים אלה להיות מעניינים כיוון שהם לכאורה מעידים לראשונה על מידע שהתקבל מהתקופה המוקדמת ביותר ביקום - תקופה שטומנת בחובה את האפשרות לבחינת השפעת תורת המיתרים באופן תצפיתי.

עם זאת, לאחרונה התברר שהממצאים מ-BICEP2 עלולים להיות שונים. אם זה אכן המצב, מעבר למכה הגדולה לחקר הקוסמולוגיה, תהיה זו אכזבה גדולה לחוקרים בתחום תורת המיתרים, שקיוו שנוצר כאן לראשונה פתח לאישוש או להפרכת התיאוריה. אנו התיאורטיקאים נהיה משולים לאדם הנכנס לקזינו, זוכה בג'קפוט, עד שלפתע יד כבדה מונחת על כתפו וקול עבה מוסר לו – “מצטערים, נפלה תקלה”. אמביציות גדולות דורשות אורך רוח והתמדה.

אולם ניתן גם לבקר את הטענה באשר לחוסר היכולת להפריך או לאשש את תורת המיתרים. ייתכן שיש תופעות טבע שלא נוכל למדוד בעתיד הנראה לעין, כלומר בפרקי זמן הקשורים לחיי בן אנוש, בשל התפתחות טכנולוגית ומדעית מוגבלת. ייתכן שנידרש להיעזר בחוקי המתמטיקה והלוגיקה כדי לקדם את המחקר עד בוא היכולות המתאימות לאישוש או להפרכת התיאוריה.

סגירת מעגלים ופתיחתם

תפנית מרתקת ביותר בחקר תורת המיתרים התרחשה לקראת סוף המילניום הקודם, כשהתברר שתכונת ההולוגרפיה מאפשרת לתאר קבוצה גדולה של גרסאות של תורת המיתרים באמצעות תיאוריות של חלקיקים נקודתיים. הייתה זאת הפתעה גדולה, וגם סגירת מעגל: התחלנו את המהפכה של תורת המיתרים לפני שלושים שנה בתיאור עולם החלקיקים באמצעות מיתרים, וסיימנו בעולם של מיתרים שניתן לתיאור על ידי חלקיקים נקודתיים.

יש פיזיקאים שראו בתפנית זאת את סוף עידן תורת המיתרים. זאת שאלה פתוחה ושנויה במחלוקת, שכן ישנה גם אפשרות אחרת שאני ״מאמין״ בה. לפי אפשרות זו, לא המיתרים, לא החלקיקים הנקודתיים ולא הממברנות שבהן עסקנו קודם לכן הם המבנה הבסיסי של היקום, אלא הם משקפים דבר מה בסיסי יותר שעוד לא זיהינו ישירות. לפעמים מרכיבים יסודיים אלה ייראו כחלקיקים, לפעמים הם ייראו כמיתרים ולעתים אף כיצורים בעלי מספר ממדים גדול יותר. זהו, בעיני, אחד מכיווני המחקר המרתקים ביותר כיום.

לסיכום ההישגים והאתגרים של תורת המיתרים עד כה: מצד אחד, תורת המיתרים לא הצליחה בינתיים ליצור קשר חד-משמעי עם עולם החלקיקים והתצפיות המדעיות. מצד שני, הואר זרקור על החורים השחורים, הונחה תשתית לתובנות חדשות בתורת כוח הכבידה, ונבטו ניצני רעיונות לבניית יקום שבו תשתית המרחב-זמן שאנו חווים, שמורכבת ממיתרים ומחלקיקים, איננה אלא קירוב של מציאות יסודית יותר, שעדיין נסתרת מאיתנו.

כיום מוקדם לדעת אם תורת המיתרים, ההבטחה הגדולה של איחוד כוחות הטבע של הפיזיקה המודרנית, אכן תתברר כציון דרך מהותי בהבנת המבנה של היקום החומרי. ייתכן שמצפה לתורה זו תקופה ארוכה נוספת של תרדמת. ובכל זאת, דבר אחד ברור לנו: כל עוד לא תימצא תורה חלופית שתספק איחוד מלא של ארבעת הכוחות, לא נוכל לוותר על תורת המיתרים. נכון לעכשיו, אין לנו ארץ אחרת.



תגובות

דלג על התגובות

בשליחת תגובה זו הנני מצהיר שאני מסכים/מסכימה עם תנאי השימוש של אתר הארץ

סדר את התגובות

כתבות שאולי פספסתם

*#
בואו לגלות את עמוד הכתבה החדש שלנו