Kordoteorio

Komparo inter koliziantaj punktaj partikloj (maldekstra flanko) kaj koliziantaj fermitaj kordoj (dekstra flanko). Tempo estas la vertikala akso kaj spaco estas reprezentita per la horizontala akso

Teorio de kordoj aŭ kordoteorio, kiu fakte ekzistas en pluraj variantoj (do, foje nomataj kune plurale "Teorioj de Kordoj"), estas teorio de fiziko kiu priskribas la fundamentajn partiklojn kaj iliajn interagojn surbaze de tre malgrandaj unudimensiaj fundamentaj estaĵoj nomataj "kordoj". Tiaj kordoj formas maŝojn kiuj estas multege pli etaj ol partikloj kiel protonoj. Tamen, la graveco de la koncepto de kordoj estas ke ili ne estas "matematikaj punktoj"; eĉ elektrono, iam antaŭe konsiderita kiel punkteca estaĵo povas esti priskribita per la uzo de kordoj. Tiu teorio pri konsisto el kordoj profunde efikas sur la ekvaciojn kaj kondukas al multaj konkludoj akordaj kun observitaj fenomenoj de la partiklaro. Eble la plej grava aspekto de la Teorio de Kordoj estas ke ĝi ŝajnas inkludi aŭtomate la graviton en unu sama sistemo kune kun la ceteraj fundamentaj fortoj de la naturo.

La tiel nomata "norma modelo" de la partikla fiziko --enhavanta kvarkojn, leptonojn, kvar fortojn kaj la Higgs-an bosonon-- estas valida eĉ por distancoj tiel etaj kiel 10⁻¹⁶ cm, kaj ekzistas verŝajnaj pruvoj (ekzemple per eksterpolado pri la grando de la Fundamentaj fortoj por trovi la distancskalon ĉe kiu ili iĝas nedistingeblaj) ke la strukturnivelo sekvanta suben estos trovata ĉe distancskalo de 10⁻³² cm proksimume. Ankaŭ en ĉi-lasta distancskalo ekestas problemoj, pro efikoj de kvantuma mekaniko, kiam oni eksterpolas al ĝi la Ĝeneralan Teorion de Relativeco. Lerninte el la historio de la Partikla fiziko, oni povas konjekti ke "malsimila fiziko" devas okazi ĉe tiaj etetaj distancoj. La Teorio de kordoj donas manieron pritrakti tiajn fenomenojn.

Kvankam la teorioj de kordoj interesis pli forte fizikistojn ekde la 1980-aj jaroj, ilia origino situas fine de la 1960aj jaroj kiam multaj "novaj" klasoj de hadronoj estis produktitaj per partiklaj akceliloj, kaj kiam la modelo pri kvarkoj ankoraŭ ne estis plene disvolvita, do pluraj malsamaj modeloj estis proponitaj kiuj celis komprenigi la kialon de la multeco de partikloj kaj la manieron kiel ili kondutas. Tiam Gabrielle Veneziano proponis matematikan modelon kiu reproduktis parte la konduton de tiuj partikloj, sed kies matematika—do abstrakta-- karaktero, komence ne havis konforman bildon fizike imageblan. Iom poste klariĝis ke la matematiko disvolvita fare de Veneziano konformis al interagoj inter etetaj unudimensiaj estaĵoj. Kiam la modelo pri kvarkoj estis disvolvita en la jaroj 1970-aj, fizikistoj komprenis kial tia speciala matematika traktado de Veneziano estis iomgrade sukcesa. La kvarkoj interne de hadronoj estas kunigitaj per interŝanĝo de gluonoj, kaj la efiko estas kvazaŭ la kvarkoj estus ligitaj per peceto el elasta kordo. La forto inter kvarkoj (nomata "kolorforto", kiu ankaŭ produktas nerekte la fortan interagon) estas tiom forta ke la energio en la "elasta kordo" estas similnivela al la maso-energio de la kvarkoj mem. Tiel, paro da kvarkoj ligitaj per la kolorforto kondutas kvazaŭ streĉita korda peco.

Unue, la Teorio de Kordoj nur utilis kiel priskribo de bosonoj, inkluzivante gluonojn, kaj fine ĝi estis anstataŭita per la fenomenaro por kiu ĝi estis unue disvolvita, per la kvarka modelo. Tamen, en 1970 John Schwarz kaj André Neveu trovis manieron priskribi ankaŭ fermionojn uzante la Teorion de Kordoj. En 1974, kiam ankaŭ la kvantuma kolordinamiko estis disvolvita kiel sufiĉe kontentiga modelo pri hadronoj, John Schwarz kaj Joel Scherk malkovris rilaton inter la Teorio de Kordoj kaj la gravito.

Interesa trajto de la matematika priskribo de fermionoj bazita sur kordoj estas ke ĝi donis pli da partikloj ol kiom fizikistoj antaŭpensis: tiu matematiko aŭtomate donas priskribon de partiklo kun maso egala al nulo kaj spino egala al 2. Sed ne ekzistas konita hadrono kongrua kun tiu priskribo, do dum kelke da tempo kelkaj fizikistoj serĉis manieron malaperigi tiun nedeziratan "partiklon", sed poste kelkaj komprenis ke tia partiklo kongruas kiel priskribo de gravitono, la mesaĝpartiklo de gravita interagado bezonata en iu ajn teorio pri kvantuma gravito. Do, la gravito aperis "necese" en la teorio de kordoj.

Unue malmultaj homoj ekprenis la ideon serioze; proksimume dum dek jaroj, krom John Schwarz, la nura alia grava proponanto de la Teorio de Kordoj estis Michael Green. Ili du, laborante kun eta kaj sinŝanĝanta grupo de pioniroj, alfrontis multajn el la matematikaj problemoj de la Teorio de Kordoj, inkluzive la oftan problemon de partikla fiziko: la nedezirata apero de nefiniaj kvantoj en kelkaj ekvacioj.

Meze de la 1980aj jaroj la Teorio de Kordoj estis kombinita kun la ideo de supersimetrio por atingi novan version: teorio de superkordoj, ŝajne tre pova kaj plena priskribo pri ĉio. Nu, por atingi la ideon de supersimetrio, ĉio komenciĝis en 1970, kiam Joiĉiro Nambu, de la Universitato de Ĉikago, ekhavis la ideon pritrakti la fundamentajn partiklojn, ne kiel punktojn (do nuldimensiajn) sed kiel etetajn unudimensiajn estaĵojn nomitajn "kordoj". Tiutempe la modelo pri kvarkoj komencis esti konsiderata serioze, kaj la ideo de Nambu estis surombrita fare de la rapida akcepto de la kvarka modelo. Tiam oni vidis la teorion de Nambu kiel rivalan de la kvarka teorio, ne kiel komplementan de ĉi-lasta. La fundamentaj estaĵoj kiujn Nambu klopodis modeli ne estis kvarkoj, sed hadronoj. Spite la sukceson de la kvarka modelo, kelkaj matematikemaj fizikistoj plu esploris la ideon pri kordoj.

La Teorio de Kordoj de Nambu enhavis turniĝantajn kaj vibrantajn kordojn kies longo estis nur 10⁻¹³ cm proksimume. Trajtoj kiel maso, elektra ŝargo, k.t.p., de la partikloj kiujn li klopodis tiel modeli, estis komprenataj kiel korespondaj al diversaj vibrostatoj, kvazaŭ diversaj notoj ludataj en gitarkordo, aŭ kiel estantaj iel "gluitaj" al la ekstremoj de la svingiĝantaj kordoj. Aldone, la vibrado havis oscilojn en pliaj dimensioj ol tiuj tri spacaj plus unu tempa kiujn ni konas.

Kiam la unuaj kalkuloj estis faritaj la fizikistoj diris ke ĉiu estaĵo priskribita per tiuj kordoj havos entjeran spinon, do ili ĉiuj estus bosonoj (forto-portantoj, kiel fotonoj), tamen, embarase por la fizikistoj, la celo de la modelo estis priskribi hadronojn, kiuj estas fermionoj kaj havas duon-entjerajn spinojn!. Tiam Pierre Ramond, en la Universitato de Florido trovis solvon al tiu kontraŭdiro. Li trovis manieron adapti la ekvaciojn de Nambu por inkludi kordojn kun duon-entjeraj spinoj, priskribinte fermionojn. Sed la ekvacioj permesis ke tiaj fermionaj kordoj unuiĝu duope, farante kordojn kun entjeraj spinoj: bosonojn. John Schwarz, tiame en la Universitato Princeton, Joel Scherk en la Kalifornia Instituto de Teknologio, kaj la franca André Neveu plu disvolvis ĉi tiun ideon kiel konsekvencan matematikan teorion pri turniĝantaj kordoj kiuj inkludis bosonojn kaj fermionojn, sed kiu postulis ke la kordoj vibradu en dek dimensioj. Joel Scherk trovis en 1976 ke fermionoj kaj bosonoj aperis ekvilibre en tiu ĉi teorio: ĉiu klaso de bosono havas fermionan kunulon, kaj ĉiu klaso de fermiono havas bosonan kunulon. Naskiĝis do "supersimetrio".

Bosonoj estas estaĵoj kies proprecojn oni povas priskribi per ordinaraj inversigeblaj rilatoj, kutimaj reguloj kiel: A per B estas egala al B per A. Tamen, la fermionoj havas proprecojn kiuj ne ĉiam obeas tiajn rilatojn, ili ne estas inversigeblaj. La adekvata matematiko kiu priskribas tian konduton estas la kvantuma mekaniko, la ne klasika (tio estas, neŭtona) mekaniko. La koncepto de fermionoj estas bazita tute sur la principoj de la kvantuma mekaniko, dum bosonoj estas esence klasikaj en sia karaktero.

La supersimetrio plibonigas nian komprenon pri la spacotempo, inkludante fermionojn kaj bosonojn, do ĝi donas kvantummekanikan karakteron al la speciala teorio de relativeco.

Post 1976, kiel sekvanta paŝo, oni esperis la serĉadon de maniero por meti la graviton en la novan konceptaron, ĝisdatigante la ĝeneralan teorion de relativeco, en simila maniero kiel farite kun la speciala teorio. Tio povus esti akcelonta la disvolvon de la Teorio de kordoj kaj progresigonta ĝin je ĉirkaŭ jardeko, sed tio ne okazis: Kvankam la problemo pri la gravito estis en la cerbo de multaj homoj, la fizikistoj rigardis kiel sekvantan paŝon la ampleksigon de la supersimetrio por inkludi la graviton, en teoria pakaĵo nomata "supergravito", kiu ne inkluzivas ideojn pri kordoj. Do, post kiam la supersimetrio aperis, la teorio de kordoj, kiu naskis ĝin, estis forgesita fare de la plimulto de la esploristoj. Preskaŭ la solaj homoj kiuj daŭrigis la laboradon pri kordoj estis John Schwarz kaj, en Londono, Michael Green. (Dume, Joel Scherk mortis, do li ne plu kontribuis al la teorio.)

Schwarz kaj Green pensis ke kio necesis estis teorio pri ĉio: pri ĉiuj partikloj kaj kampoj, ne nur pri hadronoj. En tia teorio, la kordoj devas esti tre tre etaj, pli malgrandaj ol la kordoj laŭ Joiĉiro Nambu, kiuj estis elpensitaj por priskribi hadronojn. Eĉ ne sciante kiel la teorio estus disvolviĝonta, Schwarz kaj Green povis antaŭkalkuli la longoskalon de la bezonataj kordoj ĉar ili volis inkludi la graviton en la pakaĵo. La gravito estas grave influata fare de kvantumaj efikoj je skalo de proksimume 10⁻³³ cm (10⁻³⁵ m), distanca skalo en kiu la strukturo mem de la spacotempo estas influata fare de la kvantuma malcerteco.