Új fizikai szemlélet: a bootstrap módszer
Mivel közvetlen kísérletek nem megvalósíthatók, a kutatók más irányból közelítenek, például a bootstrap-módszerrel. Itt nem egy konkrét elméletből indulnak ki, hanem néhány alapvető természeti szabályból, és azt vizsgálják, milyen törvények következnek belőlük.
A Physical Review Letters folyóiratban hamarosan megjelenő tanulmányban a Caltech, a New York-i Egyetem és a barcelonai Institut de Física d’Altes Energies kutatói azt vizsgálták, hogyan viselkednek a részecskék extrém magas energiánál. Mindössze két alaptételből indultak ki arra nézve, hogyan szóródnak szét az ütközések során, és a számítások végül magától értetődően vezettek el a húrelmélet legfontosabb jegyeihez.
Nem kizárt, hogy a matematika többféle elméletet is engedhetne, mégis csak egyféle megoldást kínált – éppen azt, ami egy végtelen számú, harmonikusan felépülő részecskerendszerrel, vagyis a húrelmélet spektrumával egyezik.
A „végtelen torony” rejtélye
Ez az úgynevezett húrspektrum 1969-ben tűnt fel először, amikor Gabriele Veneziano olasz fizikus egy matematikai függvénnyel írta le az ütközések során észlelt részecskék mintázatát. Ezek a részecskék – mintha valamilyen logikus sorrendbe rendeződnének – egy „végtelen toronyba” álltak össze, ahol tömegük és spinjük lépcsőzetesen nőtt. Később felismerték, hogy ez a minta éppúgy a különféle rezgésekből áll, mint egy hegedűhúr alaphangja és felharmonikusai.
1974-ben John Schwarz és Joël Scherk mutatták ki, hogy a húrelmélet képes magába foglalni a gravitációt, így teremthetett először közvetlen kapcsolatot a kvantum- és gravitációelmélet között. Különféle rezgések hozzák létre a fotont, a gravitont vagy más részecskéket is.
A kvantumgravitáció és a végtelenek dilemmája
A tanulmány középpontjában a szóródási amplitúdók állnak: ezek olyan matematikai leírások, amelyek azt adják meg, hogy részecskék ütközése milyen eredménnyel zárulhat. Ám ha az általános relativitáselméletet alkalmaznák extrém energiaszinten – a Planck-skálán, amely a proton tömegének kb. 10^19-szerese –, az egyenletek értelmetlenné válnak, a számítás a végtelenbe torkollik.
A húrelmélet ezt az úgynevezett ultraszoft tulajdonsággal kerüli el: ekkor a húrok „kiszélesítik” a kölcsönhatásokat, azaz megakadályozzák a szokásos matematikai anomáliákat. Az amplitúdók így nem nőnek a végtelenségig, hanem „szelíden” lecsengenek. A kutatók csak ezt a feltételt, illetve a „minimális zérusok” elvét adták meg – vagyis hogy a matematikai egyenletekben a lehető legkevesebb helyen legyen zérus.
Minden további konkrétum nélkül végül kizárólag a húrelmélet matematikai sajátosságai jöttek ki, beleértve a híres tömeg- és spin-spektrumot.
Retro ötletek, modern matematikával
A bootstrap viszonyításképpen olyan, mint egy sudoku: néhány egyszerű szabály alapján csak egyetlen, jól meghatározható végeredményhez vezet. Érdekesség, hogy maga a bootstrap-módszer nem újkeletű: az 1960-as években már alkalmazták Geoffrey Chew (UC Berkeley) és Steven Frautschi (Caltech) a részecskék végtelen spektrumának vizsgálatára.
Az ötlet egy időre kikerült a reflektorfényből, most újraéled, és a fejlett matematikai módszerek lehetővé teszik, hogy pontosabban lássák, milyen alapfeltevéseket lehet tenni, illetve hogy ezekből milyen megfigyelhető következtetések következnek.
A kutatást számos nemzetközi támogatás, köztük az amerikai energiaügyi minisztérium és az Európai Unió finanszírozta. A szerzők remélik, hogy a húrelmélet egyszer talán tényleg bizonyítható lesz – addig viszont marad a matematikai megközelítés és a fantázia, amely minden eddiginél közelebb vihet az univerzum legmélyebb titkaihoz.
