Η Κβαντική Θεωρία αντιπροσωπεύει αναμφισβήτητα μια μεγάλη επανάσταση στην φυσική κατά τον εικοστό αιώνα. Μαζί με τις θεωρίες της Σχετικότητας άλλαξε ριζικά την αντίληψή μας για τον φυσικό κόσμο. Μια από τις θεμελιώδεις της αρχές, η Αρχή της Αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, σύμφωνα με την οποία συμβαίνουν ξαφνικές και μη προβλέψιμες διακυμάνσεις των φυσικών μεγεθών, έχει ιδιαίτερη εφαρμογή στην περίπτωση της δημιουργίας του σύμπαντος, γιατί και οι κβαντικές διακυμάνσεις εμφανίζονται από το τίποτα. Είναι εντελώς αυθόρμητες και αναπόσπαστα χαρακτηριστικά του φυσικού κόσμου στο βαθύτερό του επίπεδο.

Η Κβαντομηχανική ενώ αφομοιώνει ομαλά την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, αντιμετωπίζει θεμελιώδη προβλήματα συμβατότητας με την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Μεταξύ άλλων, οι δύο θεωρίες υιοθετούν αντικρουόμενες περιγραφές για την βαρύτητα: η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας την θεωρεί παραμόρφωση του συνεχούς και της ομαλής υφής του χωροχρόνου, ενώ η Κβαντομηχανική την θεωρεί εκδήλωση της ανταλλαγής διακριτών κυματοσωματιδίων με ελάχιστη ενέργεια, των γκραβιτονίων ή βαρυτονίων. Η διαφορά αυτή αποτελεί το κυριότερο εμπόδιο για μια ενοποιημένη θεωρία, μια "Θεωρία του Παντός".

Είναι προφανές ότι οι επιστήμονες χρειάζονται μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Τα τελευταία χρόνια οι προσπάθειες των θεωρητικών φυσικών επικεντρώνονται στη λεγόμενη Θεωρία των Υπερχορδών. Σύμφωνα με την θεωρία αυτή, όλα τα στοιχειώδη σωματίδια στην φύση, από τα κουάρκ στο σώμα μας μέχρι εκείνα που έχουν διάρκεια ζωής μικρότερη του τρισεκατομυρριοστού του δευτερολέπτου, είναι μικροσκοπικές δονούμενες χορδές. Οι συχνότητες συντονισμού των διαφόρων σωματιδίων καθορίζουν τις ιδιότητές τους. Οι "δονήσεις" των χορδών πρέπει να λαμβάνουν χώρα μέσα σε έναν χωρόχρονο όχι των τεσσάρων διαστάσεων, αλλά των δέκα. Φαινομενικά, βέβαια, ζούμε σε έναν τετραδιάστατο χωρόχρονο, με τρεις χωρικές και μια χρονική διάσταση, σύμφωνα όμως με τους ειδικούς των υπερχορδών, οι άλλες έξι χωρικές διαστάσεις βρίσκονται συμπιεσμένες τόσο ώστε να μην μπορούμε να τις ανιχνεύσουμε. Η χορδή που αντιστοιχεί π.χ. σε ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να έχει μήκος 10-33 εκατοστόμετρα μόνο. Ένα άτομο έχει τυπική διάσταση 10-8 εκατοστόμετρα.

Στις περιοχές του χώρου των μικροσωματιδίων οι συμπιεσμένες διαστάσεις καθιστούν αισθητή την παρουσία τους. Κατά την δημιουργία του σύμπαντος, όταν αυτό είχε απειροελάχιστη διάμετρο, είναι φανερό ότι ο ρόλος των "κρυμμένων" διαστάσεων υπήρξε σημαντικός έως και καθοριστικός.

Το γεγονός αυτό μας επαναφέρει στην σκέψη του "πολλαπλού σύμπαντος", αυτήν την φορά με τις εναλλακτικές εκδοχές του να μπορούν να διαθέτουν εκτός από διαφορετικούς φυσικούς νόμους και σταθερές, έναν διαφορετικό αριθμό ασυμπίεστων διαστάσεων, από 5 έως 9.

«Στην θεωρία των χορδών ένα απλό σωματίδιο όπως το ηλεκτρόνιο ή το κουάρκ είναι σαφώς αντιληπτό ως μία παλλόμενη χορδή».

Κατά την δεκαετία του 1970 υπήρχε καθαρή διαφορά στην κατανόηση των νόμων της φυσικής. Η Γενική Σχετικότητα περιγράφει μεγάλα αντικείμενα όπως το ηλιακό σύστημα, τους γαλαξίες και το σύμπαν. Η Κβαντομηχανική όπως έχει αναπτυχθεί στο Στάνταρτ Μοντέλο περιγράφει μικρά αντικείμενα όπως άτομα, μόρια και υποατομικά σωματίδια.

Οι φυσικοί, πάντως, δεν είναι ικανοποιημένοι με το να έχουν δύο διαφορετικές θεωρίες που ενεργοποιούνται σε δύο διαφορετικά πεδία. Ένας λόγος είναι ότι, απλά, τα μεγάλα αντικείμενα γίνονται τελικά από μικρά αντικείμενα. Π.χ. οι ίδιες δυνάμεις ενεργούν πάνω στα άτομα και στα άστρα αν και η βαρύτητα είναι πιο εμφανής στα άστρα ενώ ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός κυριαρχούν στα άτομα. Επομένως πρέπει να είναι δυνατό να συνδυάσει κανείς το Στάνταρτ Μοντέλο και την Γενική Σχετικότητα σε μια μεγαλύτερη και πιο πλήρη θεωρία που περιγράφει τόσο το άτομο όσο και τα άστρα.

Εκτός τούτου τόσο το Στάνταρτ Μοντέλο όσο και η Γενική Σχετικότητα ανακαλύφθηκαν κατά ένα μεγάλο μέρος αναζητώντας την ενοποίηση προγενέστερων θεωριών. Δυστυχώς άμεσες προσπάθειες που έγιναν για να εκφρασθεί η Γενική Σχετικότητα με όρους Κβαντομηχανικής οδήγησαν σε έναν ιστό αλληλοσυγκρουόμενων αντιφάσεων βασικά επειδή τα μη γραμμικά μαθηματικά που χρησιμοποίησε ο Αϊνστάιν για να περιγράψει την κυρτότητα του χωρόχρονου συγκρούονται με τις λεπτές απαντήσεις των Κβαντομηχανικών.

Η σωτηρία μέσω της θεωρίας των χορδών

Αυτό συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1970 με την ανάπτυξη της θεωρίας των χορδών. Κατά την θεωρία των χορδών ένα στοιχειώδες σωματίδιο δεν είναι σημείο αλλά ένας βρόχος δονούμενης χορδής. Η κεντρική ιδέα της - ότι ο φυσικός Κόσμος δεν αποτελείται από τίποτε άλλο παρά από μικρές χορδές - ακούγεται ίσως παράξενα. Όμως η θεωρία έχει θεμελιωθεί σε μαθηματικές ιδέες και είναι ενθαρρυντικό που τα αποτελέσματά τους αποδεικνύονται συνεπή με τον πραγματικό Κόσμο. Όπως στην περίπτωση χορδής βιολιού ή πιάνου έτσι και μια από τις βασικές χορδές-σωματίδια έχει διάφορες αρμονικές ή είδη δονήσεων. Στην περίπτωση της χορδής πιάνου η αρμονική συνίσταται από μια βασική νότα και τους ψηλότερους τόνους (σε μια, δύο ή ψηλότερες οκτάβες). Ο πλούτος της μουσικής προέρχεται από την αλληλεπίδραση των ψηλότερων αρμονικών.

Στην θεωρία των χορδών οι διαφορετικές αρμονικές αντιστοιχούν σε διαφορετικά στοιχειώδη σωματίδια. Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια - ηλεκτρόνια, φωτόνια, νετρόνια, κουάρκς και τα υπόλοιπα - εμφανίζονται σαν διαφορετικά είδη δονήσεων της χορδής. Η ενοποίηση διαφόρων σωματιδίων εμφανίζεται επειδή είναι διαφορετικές εκδηλώσεις της ίδιας βασικής χορδής. Τα στοιχειώδη σωματίδια που βλέπουμε, δηλαδή, στην πραγματικότητα, τα αντικείμενα από τα οποία είμαστε κατασκευασμένοι, αντιστοιχούν απλά στις κατώτερες αρμονικές, δηλαδή στην πιο χαμηλή νότα που μπορείτε να παίξετε σε μια δεδομένη χορδή.

Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία συνδέονται με τα φωτόνια. Τα οποία είναι, επίσης, διαφορετικοί τρόποι ταλάντωσης της χορδής. Το ηλεκτρικό φορτίο στην πραγματικότητα είναι η σύζευξη δυο διαφορετικών τμημάτων χορδής που πάλλονται με ελαφρά διαφορετικό τρόπο.

Επίσης φαίνεται ότι υπάρχουν σωματίδια της σκοτεινής λεγόμενης ύλης, τα οποία προβλέπονται από την θεωρία των υπερχορδών. Τα σωματίδια αυτά μπορεί να απελευθερώθηκαν τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του Σύμπαντος, αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, όταν τα τεράστια ποσά ενέργειας προκάλεσαν μια έντονη δραστηριότητα των υπερχορδών, η οποία άφησε τα ίχνη της στο Σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 υπολογισμοί έδειξαν ότι μια παλμική μορφή της χορδής είχε ακριβώς τις σωστές ιδιότητες για να θεωρηθεί ότι είναι ένα γκραβιτόνιο που είναι η βασική ποσοτική μονάδα της βαρύτητας.

Η θεωρία της υπερβαρύτητας ενσωματώθηκε στην υπερσυμμετρική θεωρία των χορδών και ονομάστηκε θεωρία των υπερχορδών.

Η θεωρία των υπερχορδών είναι η πρώτη θεωρία που είχαμε ποτέ για την ενοποίηση όλων των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν στην φύση, από την βαρύτητα που ευθύνεται για την κίνηση των πλανητών γύρω από τον Ήλιο, τον ηλετρομαγνητισμό που ευθύνεται για την κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα, τις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις που ευθύνονται για τη σταθερότητα του πυρήνα και τις ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις που ευθύνονται για πολλές ραδιενεργές διασπάσεις.

Η αρχική θεωρία είχε και ανοιχτές και κλειστές χορδές. Σήμερα οι θεωρίες που έχουν μόνο κλειστές χορδές δίνουν τις μεγαλύτερες υποσχέσεις. Οι κλειστές χορδές είναι μικροί βρόχοι που κινούνται στον χώρο και ταυτόχρονα πάλλονται.

Η ασάφεια του χωροχρόνου

Ίσως το πλέον βασικό πράγμα που μάθαμε σχετικά με την θεωρία των χορδών είναι ότι μεταβάλλει την αντίληψη του χωροχρόνου που ανέπτυξε ο Αϊνστάιν. Αυτό δεν είναι, πραγματικά, μια έκπληξη. Ο Αϊνστάιν βάσισε την θεωρία του, την σχετική με την βαρύτητα, στις ιδέες του γύρω από τον χωρόχρονο. Επομένως κάθε άλλη θεωρία που μεταβάλλει την θεωρία του Αϊνστάιν σχετικά με τη βαρύτητα ώστε να την ρυθμίσει με την Κβαντομηχανική, υποχρεούται να συμπεριλάβει μια νέα αντίληψη του χωροχρόνου.

Η θεωρία των χορδών δίνει μια κάποια ασάφεια στις γνωστές αντιλήψεις του διαστήματος και του χρόνου σχεδόν όπως με την αρχή της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ που έδωσε μια ασάφεια στις κλασικές ιδέες σχετικά με την κίνηση των σωματιδίων. Στα συνήθη Κβαντομηχανικά φαινόμενα οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων συμβαίνουν σε συγκεκριμένα σημεία του χωρόχρονου. Στην θεωρία των χορδών τα πράγματα είναι διαφορετικά. Οι χορδές μπορούν να αλληλεπιδράσουν ακριβώς όπως κάνουν τα σωματίδια αλλά δεν μπορεί κανείς να πει ακριβώς πότε και πού αυτό συνέβη.

Η θεωρία των χορδών εμπεριέχει ένα πήδημα στις αντιλήψεις σχετικά με την φυσική, που είναι αρκετά μεγάλο όταν συγκρίνεται με προγενέστερες ανατροπές στην φυσική.

Ένα κύριο τμήμα της θεωρίας των χορδών ονομάζεται υπερσυμμετρία.

Στην καθημερινή μας ζωή μετρούμε το διάστημα και τον χρόνο με αριθμούς. Π.χ. λέμε «τώρα είναι 3 η ώρα» κλπ. Αυτός ο τρόπος να μετρούμε το διάστημα και τον χρόνο με αριθμούς είναι ένα κομμάτι της κοινής λογικής που διατήρησε ο Αϊνστάιν. Στην πραγματικότητα, στον καιρό του οι ποσότητες που μπορούσαν να μετρηθούν με αριθμούς ήταν όλα όσα οι φυσικοί γνώριζαν.

Αλλά η Κβαντομηχανική τα άλλαξε όλα αυτά. Τα σωματίδια διαιρέθηκαν σε μποζόνια (σωματίδια ή κυμάτωση χορδής με ακέραιο σπίν) και σε φερμιόνια (σωματίδια ή κυμάτωση χορδής με ημιακέραιο σπίν, όπως τα ηλεκτρόνια, τα νετρίνα κλπ.). Οι ποσότητες όπως το διάστημα, ο χρόνος και τα ηλεκτρικά πεδία που μπορούν να μετρηθούν με αριθμούς είναι αυτές που ονομάζονται «μποζονικές». Η Κβαντομηχανική μας παρουσίασε ένα είδος μεταβλητής «φερμιονικής» που δεν μπορεί να μετρηθεί με κοινούς αριθμούς. Οι φερμιονικές μεταβλητές είναι απειροελάχιστες και εκ γενετής κβαντομηχανικές και επομένως, εφ’ όσον έχουν αυτές τις ιδιότητες, είναι δύσκολο κανείς να τις αντιληφθεί οπτικά.

Σύμφωνα με την ιδέα της υπερσυμμετρίας επιπλέον των συνήθων και γνώριμων διαστάσεων - οι τρεις χωρικές διαστάσεις και ο χρόνος - ο χωρόχρονος έχει πρόσθετες απειροελάχιστες ή φερμιονικές διαστάσεις.

Ανακαλύπτοντας την υπερσυμμετρία

Υπάρχουν δυο είδη συμμετρίας, η συνεχής και η ασυνεχής. Η περιστροφή ενός κύκλου είναι μια συνεχής διαδικασία η οποία κάθε φορά αφήνει το ίδιο σχήμα. Αντίθετα, οι περιστροφές ενός τετραγώνου ή ενός τριγώνου, ή οι συμμετρίες κατοπτρισμού είναι ασυνεχείς. Κατά κανόνα, τα συστήματα με τα λιγότερα χαρακτηριστικά εμφανίζουν περισσότερες συμμετρίες. Ένα ακραίο ίσως παράδειγμα συστήματος χωρίς χαρακτηριστικά είναι ο κενός χώρος. Σ΄ αυτά τα συστήματα εμφανίζει συμμετρία και ο χρόνος.

Υπάρχει μια βαθιά και ισχυρή σύνδεση των γεωμετρικών συμμετριών του χώρου με τη δυναμική συμπεριφορά των υλικών σωμάτων. Αυτό δείχνει την δύναμη της συμμετρίας στην προσπάθεια να κατανοηθεί ο Κόσμος.

Στην Φυσική έχουμε τις γεωμετρικές συμμετρίες, όπως οι στροφές και οι κατοπτρισμοί και τις αφηρημένες, όπως οι λεγόμενες συμμετρίες βαθμίδας, τις οποίες δεν μπορούμε να τις δούμε.

Στις αρχές του 1970 ανακάλυψαν μια άγνωστη γεωμετρική συμμετρία βαθύτερη και δυναμικότερη. Την ονόμασαν υπερσυμμετρία. Στην περίπτωση αυτή, τα φερμιόνια και τα μποζόνια περιγράφονται με τον ίδιο τρόπο. Στις υπερσυμμετρικές καταστάσεις χρειαζόμαστε πέραν των τεσσάρων διαστάσεων, άλλες τέσσερις. Έτσι μπορούμε να θεωρήσουμε τα μποζόνια και τα φερμιόνια ως δυο διαφορετικές «προβολές» μιας βασικής γεωμετρικής οντότητας. Στην περίπτωση αυτή φαίνεται ότι το κάθε σωματίδιο έχει τον υπερσυμμετρικό αδελφό του.

Η υπερσυμμετρία είναι μια γεωμετρική συμμετρία σ’ έναν αφηρημένο μαθηματικό χώρο. Απ’ αυτήν προκύπτει η θεωρία της υπερβαρύτητας. Σ’ αυτή την ενδεκαδιάστατη θεωρία υπάρχει μια μόνο δύναμη - η βαρυτική. Η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής και η ισχυρή δύναμη απλά προκύπτουν από τη βαρυτική.

Σ' έναν κόσμο που βασίζεται στην υπερσυμμετρία, όταν ένα σωματίδιο κινείται στο διάστημα είναι δυνατόν να δονείται σύμφωνα με τις νέες «φερμιονικές διαστάσεις». Αυτό το νέο είδος δονήσεως δίνει για κάθε ένα βασικό σωματίδιο έναν εξάδελφο ή υπερσύντροφο που θα έχει την ίδια ηλεκτρονική φόρτιση, αλλά θα διαφέρει ως προς τις άλλες ιδιότητες, όπως λόγου χάριν το σπίν.

Σύνδεση με την Αστρονομία