Sera Cremonini crede că secretele unora dintre cele mai mari mistere ale universului s-ar putea afla în comportamentul celor mai mici componente ale sale.
Considerați începutul universului. Într-o fracțiune de secundă după Big Bang-ul de acum 14 miliarde de ani, o cantitate imensă de materie strâns închisă a explodat într-o mare super-încălzită de particule subatomice.
Și luați în considerare găurile negre care se formează atunci când stelele masive se prăbușesc. Acestea comprimă materia atât de dens încât nimic din ceea ce intră în domeniul lor nu scapă vreodată, nici măcar lumina.
Cum au interacționat primele particule ale universului? Cum au format ele quarcurile și cum s-au combinat acestea pentru a forma primii protoni și neutroni? Și ce legi guvernează „singularitatea gravitațională” a unei găuri negre, o ruptură în țesătura spațiu-timpului, unde densitatea și gravitația devin infinite?
Cremonini, profesor asistent de fizică, sondează aceste întrebări prin prisma teoriei corzilor, care propune ca fiecare particulă din univers să fie formată din mici corzi de energie care vibrează. Măsurând doar 10-34 de metri, o sfoară se compară ca mărime cu un quarc, așa cum un atom se compară ca mărime cu Pământul.
Scordelele sunt obiecte unidimensionale, posedând lungime, dar nu și lățime. Ele pot fi deschise, pot forma o buclă închisă sau se pot atașa la membrane, sau brane, care pot fi minuscule sau pot umple întregul univers. La fel ca și corzile de chitară acordate pentru a produce diferite frecvențe, vibrațiile corzilor pot fi asociate cu diferitele particule pe care le cunoaștem. Una dintre acestea corespunde gravitonului, particula despre care se crede că este purtătoare a forței gravitaționale. Modul în care corzile și membranele se aranjează și interacționează între ele dă naștere proprietăților particulelor subatomice pe care le observăm.
„Ideea din spatele teoriei corzilor este simplă”, spune Cremonini. „Priviți adânc în interiorul oricărei particule și veți vedea această mică coardă care vibrează. Aceasta este unitatea fundamentală pe care am căutat-o, entitatea fundamentală care compune totul.”
Teoria corzilor, spune Cremonini, este cel mai bun cadru conceput până acum pentru a face legătura între cele două teorii incompatibile care descriu modul în care funcționează universul. Teoria generală a relativității a lui Albert Einstein învață că gravitația este curbarea spațiului și a timpului; este deterministă și descrie fenomene la scară largă. Mecanica cuantică este probabilistă; ea guvernează comportamentul particulelor atomice și subatomice.
„Teoria relativității generale a lui Einstein este o teorie frumoasă, bine testată, care ne spune cum obiectele masive deformează țesătura spațiu-timpului”, spune Cremonini. „Datorită ei, avem sisteme GPS și înțelegem orbitele planetelor și curbura luminii în jurul galaxiilor. Și abia anul trecut, experimentul LIGO a detectat pentru prima dată unde gravitaționale, pe care Einstein le-a prezis cu 100 de ani înainte. Acestea sunt ondulații în spațiu-timpul însuși, cauzate de coliziunea dintre două găuri negre, o confirmare spectaculoasă a relativității generale.
„Dar relativitatea generală funcționează bine doar la distanțe mari sau la scări mari – cu o planetă, un măr sau un avion. Teoria nu reușește să descrie gravitația peste tot în univers. Ea se prăbușește atunci când mergem la distanțe foarte, foarte scurte, unde efectele mecanicii cuantice nu pot fi ignorate.
„Relativitatea generală și mecanica cuantică explică bine regimurile lor respective, dar avem nevoie de o teorie, o teorie a gravitației cuantice, care să le unifice pe amândouă, pentru a descrie situațiile în care efectele gravitaționale și cuantice sunt la fel de importante. Teoria corzilor este, în acest moment, cadrul cel mai promițător și mai coerent pe care îl avem pentru a face lumină asupra naturii cuantice a gravitației. Este un set de instrumente pe care le putem folosi pentru a răspunde la întrebări despre începutul universului, comportamentul și proprietățile găurilor negre și structura spațiu-timp. Toate aceste idei merg împreună.”
Cremonini a primit recent o bursă de trei ani de la National Science Foundation pentru a studia microstructura spațiu-timpului, continuumul cvadridimensional în care cele trei dimensiuni fizice sunt țesute cu timpul. Prin utilizarea unei tehnici numite holografie, ea speră să facă lumină asupra unor fenomene care variază de la urmările imediate ale Big Bang-ului, la structura și proprietățile găurilor negre și până la comportamentul unor materiale neconvenționale, cum ar fi supraconductorii de înaltă temperatură.
Vaca sferică
Cremonini începe mare parte din cercetările sale cu un creion și o foaie de hârtie, scriind ecuații diferențiale nu mult mai complicate decât cele pe care studenții învață să le rezolve la calculul universitar. Ecuațiile sunt cele ale relativității generale cu teoria cuantică a câmpurilor și teoria corzilor.
„Multe dintre aceste calcule necesită intuiție fizică”, spune ea. „Unele dintre ele pot fi făcute de mână. Odată ce am configurat o problemă în mod corect, atunci folosesc calculatorul pentru a mă ajuta.”
Ca majoritatea fizicienilor, Cremonini face multe aproximări și ipoteze despre lumea reală. Acest lucru este deosebit de important în cazul teoriei corzilor, deoarece oamenii de știință nu au dezvoltat încă instrumente care să poată produce sau observa corzi.
„Există o glumă în fizică despre o vacă sferică”, spune ea. „Majoritatea problemelor la care lucrează fizicienii ne obligă să facem aproximări ale lumii reale, cum ar fi să luăm o vacă și să o facem sferică pentru că o sferă este mult mai ușor de modelat decât o vacă reală.
„Nu avem instrumentele matematice pentru a rezolva anumite probleme, așa că suntem forțați să facem simplificări și aproximări care le reduc la ceva ce putem aborda. Trebuie să corelăm o problemă pe care nu știm cum să o rezolvăm cu ceva ce știm că este rezolvabil fără a-și pierde proprietățile fizice esențiale.”
Dicționarul gravitație cuantică
O dualitate în teoria corzilor, spune Cremonini, oferă o perspectivă asupra modului în care gravitația se raportează la lumea mecanicii cuantice. Unele aspecte ale spațiu-timpului gravitațional, spune ea, au descrieri alternative în lumea cuantică.
„În teoria corzilor, aflăm că anumite teorii ale gravitației care trăiesc într-un anumit număr de dimensiuni au descrieri corespunzătoare și complet echivalente în teoriile cuantice care trăiesc într-o dimensiune mai puțin. Din cauza acestei diferențe în ceea ce privește numărul de dimensiuni, numim acest lucru holografie, deoarece amintește de o hologramă, care este o proiecție a unui obiect 3D pe două dimensiuni.”
Ca un dicționar francez-german sau japonez-englez, spune Cremonini, o teorie gravitațională și teoria cuantică corespunzătoare conțin aceeași cantitate de informații, dar sunt scrise cu cuvinte și convenții diferite. Holografia oferă o „rețea bogată” de conexiuni, spune Cremonini, care face posibilă traducerea între gravitație și lumea cuantică, precum și gândirea într-un mod cu totul nou despre unele dintre cele mai dificile aspecte ale acestora. După cum se dovedește, o problemă care este dificil de rezolvat într-un domeniu poate fi transpusă în celălalt – de obicei, în domeniul gravitațional – unde poate fi rezolvată mai ușor.
Evaluarea asimetriei realității
Obiectivul cercetării actuale a lui Cremonini este de a extinde domeniul de aplicare a problemelor la care tehnicile holografice pot fi aplicate în mod eficient.
„Tehnicile holografice au fost dezvoltate inițial pentru sisteme simple care se comportă bine, au multă simetrie și nu sunt prea realiste”, spune ea. „Am descoperit că aceste tehnici sunt mult mai ample și destul de puternice. Mă întreb cât de mult putem extinde și generaliza aceste idei la sisteme mai complexe, cu mai puțină simetrie, care sunt mai apropiate de universul nostru și, prin urmare, mai realiste.
„Fizicienilor le place să se gândească la lucruri în termeni de simetrii. Cea mai mare parte a progresului nostru, în special în fizica particulelor, s-a bazat pe înțelegerea sistemelor care sunt foarte simetrice; pur și simplu sunt mai ușor de înțeles. Dar, în viața reală, natura are multe mecanisme pentru a sparge simetriile, iar procesele sunt dinamice și mult mai complicate.”
Problemele care reprezintă cea mai mare provocare pentru fizicieni, spune Cremonini, implică de obicei sisteme ale căror constituenți – electroni, de exemplu – interacționează puternic unii cu alții. În aceste cazuri, modelarea modului în care sistemele se comportă la temperaturi diferite, sau a modului în care suferă tranziții de fază de la o stare la alta, este în mod notoriu dificilă.
>Una dintre tranzițiile de fază pe care Cremonini a studiat-o are loc într-un sistem cuantic numit plasmă quark-gluon. Conform teoriei cromodinamicii cuantice (QCD), protonii și neutronii care alcătuiesc nucleul unui atom sunt ei înșiși formați din trei mici quarci care sunt strâns legați între ei prin particule numite gluoni. La energii suficient de mari, într-un fenomen care amintește de starea universului timpuriu, quarcii și gluonii se separă fizic și plutesc liber într-o supă fierbinte, sau plasmă. Tranziția de fază care dezleagă quarcii este cunoscută sub numele de deconfinare QCD și face obiectul experimentelor de la Relativistic Heavy Ion Collider de la Brookhaven National Laboratory și de la Large Hadron Collider de la CERN, Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară din Elveția.
„Din cauza interacțiunilor puternice dintre quarci și gluoni”, spune Cremonini, „acest sistem este foarte dificil de studiat. Dar poate fi cartografiat într-un sistem gravitațional adecvat, unde unele dintre proprietățile sale sunt mult mai ușor de cercetat.”
Când energia guvernează comportamentul
În cadrul proiectului său NSF, Cremonini încearcă să folosească tehnici holografice pentru a studia fazele cuantice ale materiei al căror comportament este slab înțeles, tocmai din cauza acestor interacțiuni puternice. Un exemplu este cel al supraconductorilor de înaltă temperatură, care ating supraconductibilitatea la temperaturi de până la -70 de grade Celsius, în comparație cu pragul de -240 de grade pentru materialele supraconductoare metalice obișnuite.
Pentru că au constituenți care interacționează puternic, spune Cemonini, supraconductorii de înaltă temperatură sunt mult mai dificil de modelat decât supraconductorii obișnuiți.
„Supraconductorii de înaltă temperatură sunt materiale foarte interesante, dar nu există o înțelegere profundă a motivelor pentru care sunt supraconductoare”, spune ea. „Comportamentul constituenților din aceste materiale este foarte ciudat. Electronii lor sunt atât de încurcați și interacționează atât de puternic încât nu putem înțelege cu adevărat comportamentul lor folosind tehnicile pe care le-am folosi în mod normal pentru supraconductorii obișnuiți sau pentru metalele convenționale. Tehnicile holografice ne oferă o modalitate de a scrie calcule tratabile care fac posibilă modelarea acestor sisteme și a proprietăților lor neobișnuite.”
Comportamentul multor sisteme poate fi comparat cu comportamentul copiilor care se confruntă cu o înălțime indusă de zahăr. Atunci când energia este eliminată dintr-un sistem, spune Cremonini, sistemul se relaxează până la starea de energie zero sau starea fundamentală. Atunci când se adaugă energie, adesea prin aplicarea de căldură, sistemul devine excitat și prezintă un comportament bogat.
„În fizică, este important să înțelegem cum se comportă sistemele atunci când le îndepărtezi energia și în ce stare se relaxează. Comportamentul este o funcție a energiei.
„Gândiți-vă la ceea ce se întâmplă atunci când apa fierbe. Se formează o bulă – o instabilitate în sistem – și începe să crească. Apoi se formează mai multe bule și cresc într-o masă aburindă. Acesta este modul în care ne gândim la tranzițiile de fază; ele există pentru că se formează o instabilitate și apoi crește. În munca mea, explorez o varietate de faze cuantice și tipurile de instabilități care pot rezulta.”
În cadrul proiectului său NSF, Cremonini explorează, de asemenea, modul în care gravitația apare din constituenții microscopici, cuantic-mecanici. Ea speră că răspunsurile ei vor face lumină asupra structurii spațiu-timpului, asupra începutului și evoluției timpurii a universului și asupra fizicii găurilor negre.
„Teoria corzilor ne-a oferit o mulțime de informații despre relația dintre relativitatea generală și mecanica cuantică, în special în ultimii 20 de ani. Ea ne-a ajutat să învățăm despre structura fundamentală a găurilor negre. Știm că găurile negre au temperatură, ceea ce înseamnă că există entropie asociată cu ele. Dar entropia nu este doar o măsură a dezordinii. Ea ne spune, de asemenea, că gaura neagră ar trebui să fie alcătuită dintr-o mulțime de fragmente microscopice. Unul dintre marile succese ale teoriei corzilor este că ne-a oferit o modalitate de a calcula bucățile microscopice care alcătuiesc anumite găuri negre și a reprodus entropia acestora cu mare precizie. Acest lucru este remarcabil și este o necesitate pentru orice teorie a gravitației cuantice.
„Poate că există o altă teorie care poate descrie toate aceste fenomene. Este posibil, dar până acum, teoria corzilor este cel mai bun cadru pe care îl avem.”
Story by Kurt Pfitzer