Οι υπερχορδές, ή η θεωρία υπερχορδών, είναι ένα συναρπαστικό πεδίο της φυσικής που μερικές φορές ονομάζεται Θεωρία των Πάντων. Θεωρείται από πολλούς ότι είναι η άπιαστη ενοποιητική εξήγηση που αναζητούσε ο Αϊνστάιν, η οποία θα μπορούσε να εξηγήσει όλες τις γνωστές δυνάμεις στο σύμπαν.
Μέχρι να εμφανιστούν οι υπερχορδές, οι επιστήμονες είχαν δύο αντίθετες θεωρίες για το πώς συμπεριφέρονταν οι νόμοι της φύσης: τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν και την Κβαντική Μηχανική.
Η Γενική Σχετικότητα εξηγεί τον κόσμο όπως τον ξέρουμε σε μια μάλλον τεράστια κλίμακα. Περιγράφει τον χωρόχρονο ως ένα ύφασμα που στρεβλώνεται από τη μάζα που υπολογίζει τα τροχιακά συστήματα, τους γαλαξίες και τη δύναμη της βαρύτητας. Αλλά αυτοί οι νόμοι καταρρέουν στο κβαντικό επίπεδο όπου ένα υποατομικό σωματίδιο δεν μπορεί να μετρηθεί ως προς την ακριβή θέση του στο διάστημα σε μια δεδομένη στιγμή. Είναι επίσης τόσο πιθανό να κινηθεί προς τα πίσω στο χρόνο όσο και να προχωρήσει προς τα εμπρός, και μπορεί ακόμη και να φαίνεται ότι βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα. Ο κόσμος του απειροελάχιστα μικρού είναι τόσο παράξενος, που οι επιστήμονες επινόησαν τον όρο «κβαντική παραξενιά» για να τον περιγράψουν.
Το πρόβλημα για τους φυσικούς ήταν να καταλήξουν σε μια θεωρία που θα ένωνε τον κόσμο που γνωρίζουμε με τον κβαντικό κόσμο. Μια εξήγηση για να εξηγηθούν και οι τέσσερις γνωστές δυνάμεις: η βαρύτητα, οι ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις και ο ηλεκτρομαγνητισμός. Οι υπερχορδές μπορεί να είναι αυτή η απάντηση.
Μέσω μαθηματικών εξισώσεων έγινε φανερό ότι ο τρόπος που θεωρούσαμε προηγουμένως τα σωματίδια ως «σημεία» ή «μικρές μπάλες» ενέργειας ήταν ανακριβής. Αυτά τα μικροσκοπικά κομμάτια ύλης στην πραγματικότητα συμπεριφέρονταν περισσότερο σαν τρεμούλιασμα, δονούμενες χορδές. Οι χορδές είναι τόσο μικρές που ο Brian Greene, ένας φυσικός και υποστηρικτής, εξηγεί ότι αν ένα μεμονωμένο άτομο είχε το μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος, μια χορδή θα είχε μόνο το μέγεθος ενός δέντρου. Ωστόσο, οι χορδές αποτελούν όλη την ύλη από το κβαντικό επίπεδο και πάνω.
Ο τρόπος με τον οποίο δονούνται οι χορδές καθορίζει τις συγκεκριμένες ιδιότητες κάθε σωματιδίου, παρομοιάζοντας το σύμπαν με μια κοσμική συμφωνία υπερχορδών. Αλλά για να απαλλαγεί η θεωρία από τις μαθηματικές ανωμαλίες, ήταν απαραίτητες έξι επιπλέον διαστάσεις. Οι έξι επιπλέον διαστάσεις σχηματίζουν μικροσκοπικά, κουλουριασμένα 6-Δ σχήματα σε κάθε σημείο του χώρου μας. Μέσα σε αυτά τα 6-Δ σχήματα βρίσκονται οι χορδές της θεωρίας υπερχορδών. Οι έξι επιπλέον διαστάσεις, συν τις τρεις μας, σήμαιναν ότι υπήρχαν πραγματικά 9 διαστάσεις. Προσθέστε ένα ακόμη για χρόνο και το σύνολο ήταν 10 διαστάσεις. Όσο περίεργο κι αν ήταν αυτό, δεν ήταν το τέλος.
Το 1995 διαφορετικές θεωρίες για τις υπερχορδές παρουσίασαν ένα αίνιγμα έως ότου η θεωρία Μ τις ένωσε. Το μόνο πιάσιμο; Η θεωρία Μ απαιτούσε μαθηματικά μια 11η διάσταση. Αυτό παρουσίασε μια νέα εικόνα χορδών όπου, δεδομένης αρκετής ενέργειας, μια χορδή θα μπορούσε να τεντωθεί για να γίνει μια εξαιρετικά μεγάλη αιωρούμενη μεμβράνη, που για συντομία ονομάζεται brane. Οι μπράνες μπορούν να έχουν διαφορετικές διαστατικές ιδιότητες και να μεγαλώνουν όσο ένα σύμπαν. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με τη θεωρία, ολόκληρο το σύμπαν μας υπάρχει σε μια πλωτή βράνα – μόνο μία από τις πολλές πλωτές βράνες που η καθεμία υποστηρίζει το δικό της παράλληλο σύμπαν. Κάθε brane αντιπροσωπεύει ένα κομμάτι ενός χώρου ή όγκου υψηλότερων διαστάσεων.
Αν και το Καθιερωμένο Μοντέλο της δεκαετίας του 1970 ένωσε ήδη τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις σε μια ενοποιημένη θεωρία, η βαρύτητα δεν μπορούσε να συμβιβαστεί με τις τρεις κβαντικές δυνάμεις. Αλλά μια σημαντική ανακάλυψη στις υπερχορδές περιλάμβανε τη φευγαλέα δύναμη της βαρύτητας, που ψιθύριζε το Άγιο Δισκοπότηρο της φυσικής. Εάν ένα υποθετικό σωματίδιο χωρίς μάζα που είναι υπεύθυνο για τη μετάδοση της βαρύτητας – το βαρυτόνιο – υπάρχει στο κβαντικό επίπεδο ως κλειστή χορδή, αυτό θα παρουσίαζε μια άμεση βαρυτική σύνδεση με τη θεωρία των υπερχορδών.
Η θεωρία προβλέπει ότι οι χορδές μπορεί να είναι ανοιχτές ή κλειστές. Οι ανοιχτές χορδές ή οι χορδές που μοιάζουν με μικρές τρίχες που κουνάνε έχουν τουλάχιστον ένα τελικό σημείο «κολλημένο» στη μεμβράνη όπως ένα τρόλεϊ συνδέεται με ένα επάνω καλώδιο σε μια ηλεκτρική γραμμή. Οι χορδές μπορούν να κινηθούν μέσα από τη βροχή αλλά δεν μπορούν να την εγκαταλείψουν, εξηγώντας γιατί δεν μπορούμε να δούμε φυσικά ή να φτάσουμε έξω από τη διάστασή μας. Τα άτομα που αποτελούν το σώμα μας αποτελούνται από ανοιχτές χορδές που έχουν προσκολλημένα τελικά σημεία στην τρισδιάστατη μεμβράνη μας. Ένας άλλος τρόπος για να το δείτε είναι να εξετάσετε μια οθόνη ταινίας. Οι άνθρωποι σε μια οθόνη φαίνεται να είναι τρισδιάστατοι, αλλά δεν μπορούν να φτάσουν στην πραγματικότητα από την οθόνη στον τρισδιάστατο κόσμο μας. Είναι κολλημένοι στον δισδιάστατο κόσμο τους, όπως και εμείς στον τρισδιάστατο κόσμο μας και δεν μπορούμε να φτάσουμε σε γειτονικές διαστάσεις. Οι επιστήμονες το αναφέρουν ως βαθμούς ελευθερίας.
Αλλά το graviton είναι διαφορετικό. Ως κλειστή συμβολοσειρά ή βρόχος χωρίς προσαρτημένα τελικά σημεία, θεωρήθηκε ότι θα μπορούσε να ξεφύγει από το τρισδιάστατο brane μας και να εισχωρήσει σε άλλες διαστάσεις. Αυτό θα εξηγούσε γιατί η βαρύτητα είναι πολλές φορές πιο αδύναμη από τις άλλες δυνάμεις.
Ωστόσο, τι θα γινόταν αν το αντίστροφο ήταν αληθινό; Τι θα συμβεί αν η βαρύτητα σε μια παράλληλη βράνη είναι τόσο ισχυρή όσο οι άλλες δυνάμεις, αλλά είναι πιο αδύναμη εδώ επειδή διαρρέει μόνο στη διάστασή μας; Μαθηματικά, η θεωρία των υπερχορδών λειτούργησε πάλι όμορφα και τελικά έδωσε μια εύλογη εξήγηση για την αδυναμία της βαρύτητας ενώ την ένωσε με τις άλλες τρεις δυνάμεις.
Έμενε μόνο ένα εμπόδιο: Η ενοποιητική θεωρία θα πρέπει επίσης να μπορεί να εξηγήσει τη Μεγάλη Έκρηξη. Τέσσερις φυσικοί που ταξίδευαν μαζί σε ένα τρένο αντιμετώπισαν επιπόλαια αυτό το θέμα. Ένας από αυτούς έθεσε την ερώτηση, Τι θα συνέβαινε αν δύο βράνες συγκρούονταν; Η εύλογη μαθηματική απάντηση αποδείχθηκε ότι ήταν το Big Bang.
Οι επικριτές της θεωρίας των υπερχορδών επισημαίνουν την έλλειψη απόδειξης και τη δυσκολία στην παροχή της. Είναι απλώς μια όμορφη μαθηματική κατασκευή; Μια φιλοσοφία; Ή μια αληθινή εξήγηση του κόσμου μας; Καμία άλλη θεωρία δεν έχει πλησιάσει στο να ενοποιήσει μαθηματικά και τις τέσσερις δυνάμεις, πολύ λιγότερο να παρέχει μια εξήγηση για τη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά η απόδειξη ότι υπάρχουν και άλλες διαστάσεις – αιωρούμενες βράνες και παράλληλα σύμπαντα – ήταν ένα σημαντικό πρόβλημα.
Ωστόσο, οι πιστοί της κομψής θεωρίας είναι πρόθυμοι να τη δουν να αποδεικνύεται και οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει από τότε ότι μπορεί να υπάρχουν παρατηρήσιμες αποδείξεις για αστρονομικά μεγάλες χορδές. Έτσι, η θεωρία των υπερχορδών συνεχίζει να κερδίζει έδαφος. Στο τέλος, εάν είναι επιτυχείς, από 11 διαστάσεις έως παράλληλα σύμπαντα, από τους στροβιλιζόμενους γαλαξίες έως την κβαντική σούπα, οι υπερχορδές μπορεί να είναι πραγματικά η Θεωρία των Πάντων.