האומנם ניתן לפרוט את תורת המיתרים?

התיאוריה “החמה” של הפיסיקה היא תורת המיתרים, שמתארת את העולם כעשוי ממיתרי אנרגיה ולא מחלקיקים. מצד אחד היא לא סובלת מסתירות, הקיימות בין הקוונטים ליחסות הכללית, ומצד שני היא אינה ניתנת לבדיקה בניסויים. הוויכוח בין הפיסיקאים בעיצומו

אוריאל בריזון

המחשה ויזואלית של חומר כמורכב ממיתרי אנרגיה. המיתרים קטנים עשרות מונים מהחלקיק הקטן ביותר שנצפה בניסוי

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/meitarim250504.html

במאמר מעמיק ועוקצני בגיליון האחרון שלReviewof Books “NewYork” מבקר המדען והסופר פרימן דייסון, מזקני השבט המכובדים ביותר של קהילת הפיסיקאים, את ספרו החדש של הפיסיקאי בריאן גרין ואת התיאוריה ה”חמה” של עולם הפיסיקה – תורת המיתרים.

גרין, פרופסור לפיסיקה ומתמטיקה באוניברסיטת קולומביה בניו יורק, נחשב לאחד מדובריה המובהקים של תורת המיתרים (Superstring Theory) ומי שאחראי, במידה רבה, לחדירתה לתודעת הציבור. ספרו הקודם “The Elegant Universe”, המסביר את התיאוריה בשפה פשוטה ומציג את ההיסטוריה הקצרה שלה, היה לרב מכר וזכה לשבחי המבקרים. הספר גם עובד לסדרת טלוויזיה מוערכת ברשת הציבורית האמריקאית PBS, שבה מוביל גרין את הצופה במסע עתיר אפקטים אל לבה של התיאוריה, ובצעד כמעט חסר תקדים הועלו כל פרקי הסדרה לאינטרנט מיד עם סיום הקרנתה. לאחרונה פירסם גרין ספר נוסף, “The Fabric of the Cosmos”, שבו הוא מנסה להביט מחדש על המרכיבים הבסיסיים של היקום דרך משקפיה של תורת המיתרים. די ברור כי בעולם הפיסיקה, כמו מחוץ לו, הפופולריות של גרין הכריזמטי, ושל תורת המיתרים, בנסיקה. אך בפיהם של המתנגדים לתיאוריה החדשה יחסית, שנדחקו לפינה, יש טיעונים כבדי משקל, כמו למשל העובדה שאי אפשר להעמיד אותה למבחן בניסוי.

תורת המיתרים נולדה מתוך השבר הגדול של הפיסיקה המודרנית. רבים אינם יודעים שהפיסיקה המודרנית מכילה בתוכה סתירה עמוקה – שתי תורות היסוד שעליהן היא מושתתת, תורת הקוונטים ותורת היחסות הכללית, אינן מתיישבות זו עם זו. תיאוריות קוונטיות עוסקות בגדלים קטנים מאוד – חלקיקים אטומיים ותת-אטומיים; היחסות הכללית עוסקת בגופים עצומים המפעילים כוחות כבידה.

משום שקיימת הפרדה כה ברורה במושאי המחקר של התיאוריות השונות, לא עולות בעיות ברוב המחקרים. אבל יש מחקרים שמושאיהם הם גופים קטנים מחד גיסא ובעלי מאסה גדולה מאידך גיסא (בשל דחיסותם הגבוהה), למשל חורים שחורים או היקום בשלבי התפתחותו הראשונים שלאחר המפץ הגדול. כשבאים להסביר את התנהגותם של הגופים הללו עולות הבעיות במלוא עוצמתן. נוסחאות המשלבות בין היחסות הכללית למכניקה הקוונטית אינן מאפשרות פתרון והערכים המתקבלים בלתי הגיוניים. מעבר לבעייתיות הספציפית בחקר הגופים הללו מעידה הסתירה הקיימת על אי שלמותן של התורות הקיימות. כל אחת מהן מאפשרת חישובים ותחזיות מדויקים להפליא בתחומה וטכנולוגיות רבות מבוססות עליהן (למשל שבבי מחשב ומערכות ניווט לווייני), אך במצב שבו הפיסיקה מכילה סתירה ברור שאת אחת התורות, או את שתיהן, יש לשנות.

בשנות ה-70 וה-80 הציעו כמה חוקרים להחליף את מושגי היסוד של הפיסיקה, ובמקום לתאר את העולם כמורכב מחלקיקים קטנטנים של חומר, לתאר אותו כמורכב מ”מיתרים” דקיקים של אנרגיה. על ידי החלפתם של החלקיקים הנקודתיים ברצועות אנרגיה, המתנועעות בתדר מסוים, ניתן היה לנסח מחדש את נוסחאות היסוד של הפיסיקה. התדר, או הקצב שבו המיתרים הזעירים רוטטים, הוא שמעניק לחלקיקים שבהם מבחינים בניסויים את תכונותיהם – המאסה, המטען החשמלי וכו'. תמונת העולם שהתקבלה היתה רציפה יותר והכילה רמזים לכך שניתן בצורה זו להגיע לתיאוריה שלמה, שמתגברת על הסתירות שבתורות הישנות.

המצדדים בתורת המיתרים טוענים כי היא תאפשר להגיע למכלול של נוסחאות שיהוו “תיאוריה של הכל”, שתאפשר לתאר כל תופעה פיסיקלית. לדידם זו יכולה להיות התורה האחרונה של הפיסיקה, שאחריה יוכלו המדענים לפעול מתוך מכלול ידוע של נוסחאות בבואם להסביר כל תופעה ביקום. ואף יותר מכך, אנשי המיתרים טוענים כי כשתושלם התורה החדשה היא תענה לשאלות שהתורות העכשוויות לא נותנות להן תשובה, כמו הסיבה להתרחשותו של המפץ הגדול ואפשרות קיומם של יקומים נוספים.

כמה בעיות עומדות בדרכם של חוקרי תורת המיתרים. ראשית, מורכבותה המתמטית של התורה אינה מאפשרת פתרון של חלק מהנוסחאות, ונדרשים קירובים רבים כדי לבצע חישובים. שנית, המיתרים שמתארת התיאוריה אינם מתקיימים בחלל התלת ממדי המוכר לנו אלא בחללים בעלי ממדים רבים יותר (עשרה או 26, תלוי על פי איזו תת-תיאוריה). ריבוי הממדים מקשה על התאמת התורה לניסיון האנושי הרגיל; נדרשים הסברים משכנעים לעובדה שהממדים הרבים נסתרים מעינינו. ההסבר המקובל על החוקרים הוא שהם מגולגלים במעין פקעות מיקרוסקופיות ולכן אנו איננו חשים בהם.

בעיה שלישית, ואולי החמורה מכל, היא שהמיתרים כה קטנים (קטנים עשרות מונים מהחלקיק הקטן ביותר שנצפה בניסוי) עד שלא קיימת כל דרך ידועה להבחין בהם. במלים אחרות, לא קיימת טכנולוגיה המאפשרת לבצע ניסוי שיוכל לאשש את התיאוריה. החוקרים בתחום טוענים אמנם כי הבעיות הן בנות פתרון, כי השיטות המתמטיות מתפתחות כל העת וכי בעתיד תפותח הטכנולוגיה המתאימה לבחינת התיאוריה, אך לעומתם יש, כאמור, מי שרואה בבעיות עדות לבסיס הרעוע שעליו בנוי בניין המיתרים כולו.

במאמר הביקורת שלו דייסון אינו מזלזל בגרין וחבריו חוקרי המיתרים, אך הוא חושב שהם מנסים לאחוז ביותר מדי. הוא עצמו נטל חלק משמעותי בפיתוח תורת הקוונטים בשנות ה-50 וה-50, בעבודה פרטנית ומתוך הישענות על ניסויים רבים, בשעה שמרבית ענקי הפיסיקה עסקו בניסיונות כושלים לפתח תיאוריות כוללניות.

את תורת המיתרים דייסון מבקר בשני מישורים: נקודתי וכללי. הביקורת הנקודתית קשורה בבעיית האישוש בניסוי. לדבריו, בחינה בניסוי היא אמת המידה הבסיסית של כל תיאוריה פיסיקלית ובלעדיה אין טעם בפיתוחה. דייסון משער כי בשל גודלם הקטן כל כך של המיתרים לא תהיה אפשרות לצפות בהם בניסוי אי פעם. הוא מעלה את האפשרות כי קיימת מגבלה עקרונית שבגינה לא ניתן יהיה אף פעם לבנות מכשיר מדידה שיוכל להגיע לרמת הדיוק המתבקשת. בלי יכולת לאישוש בתצפית, טוען דייסון, תורת המיתרים היא אוסף גדול של נוסחאות מתמטיקה סבוכות וחסרות משמעות.

מעבר לבעיית האישוש מציג דייסון, כאמור, התנגדות עקרונית לעצם ההגדרה “תיאוריה של הכל”. בהיסטוריה של המדע נרשמו מקרים רבים שבהם הצהירו מדענים שהמדע הגיע להבנה של היקום ומרכיביו ותמיד הוכח שטעו טעות מרה. דייסון מעדיף את גישתו הפילוסופית של הפיסיקאי נילס בוהר, שטען בשעתו כי בהבנתו של האדם את היקום יש לנקוט גישה של “קומפלמנטריות”, שלפיה הפיסיקה תהיה לעולם מורכבת מהסברים שונים שאינם חופפים. היקום של בוהר ודייסון מורכב מכדי שבני האדם יוכלו לתאר אותו בהסבר אחד מושלם.

האם תורת המיתרים היא באמת העתיד של הפיסיקה, או שמא גרין וחבריו הצעירים נמהרים להגיע למסקנות ואינם שועים לעצתו של מי שכבר ראה תיאוריות ענקיות מתנפצות אל סלעי המציאות הפיסיקלית? קיימת אפשרות שלישית: ייתכן שתורת המיתרים תמשיך ותתפתח ואכן תיהפך לבסיס מקובל של ההסתכלות הפיסיקלית. בחלוף זמן מסוים יעלה מהפכן צעיר שיצביע על מגבלותיה של התורה, חסרונותיה ואולי אף סתירות פנימיות בתוכה. המדע, כדרכו, יתקדם צעד נוסף במסע הארוך לתיאורים טובים ומורכבים יותר של הטבע ודור צעיר של פיסיקאים אנרגטיים יתקומם מול דור קודמיהם. ואולי נזכה אז לראות מאמר ביקורת של הפיסיקאי הזקן גרין, המבטל את דבריו של פיסיקאי צעיר ועז מצח שיטען, בתורו, שהנה הוא מחזיק בתיאוריה של הכל.

ידען האסטרופיסיקה – היקום
תוכנית המסבירה את התאוריות האחרונות בפיסיקה, באתר PBS

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~852446639~~~95&SiteName=hayadan