גרסה מעודכנת עם הקדמה חדשה, בתרגום חדש של עמנואל לוטם

בכישרונו הנדיר למזג תובנה מדעית עם סגנון כתיבה נאה, אלגנטי ממש כמו התיאוריות שהוא מסביר, בראיין גרין – אחד מגדולי המומחים בעולם לתורת המיתרים, ומחבר רב-המכר מארג היקום (בעברית בהוצאת מטר) – מסיר בזה אחר זה את צעיפי התעלומה האופפים את תורת המיתרים.

בסופו של דבר הוא חושף לפנינו יקום בעל אחד-עשר ממדים, שבו מארג המרחב עצמו נקרע ומאחה את עצמו שוב ושוב, וכל החומר, החל בקוורקים הפעוטים וכלה בגלקסיות האדירות, נוצר על-ידי הרטט של לולאות זערוריות של אנרגיה.

בעזרת דוגמאות מחיי היומיום, כמו קרוסלה מסתובבת או נמלה מטיילת על צינור השקיה, ממחיש גרין את המציאות המוזרה לאין שיעור והיפהפייה שעמה מתמודדת הפיסיקה המודרנית. היקום האלגנטי, ספר מבריק ומסחרר, מאיר עיניים ומשעשע, הוא הפגנת יכולת שאין דומה לה בכתיבה מדעית לקהל הרחב, מסע תענוגות במרחבי הפיסיקה המודרנית ההולכת ומקרבת אותנו – יותר מכפי שהעזנו לקוות אי-פעם – אל הבנת אופן פעולתו של היקום.

"ועכשיו, עם הקדמה חדשה המתארת את סיכוייה ההולכים וגדלים של תורת המיתרים לזכות באימות מדעי, ואת קבלתה המדהימה על דעת הציבור הרחב – בעיקר הודות לספר זה – המהדורה החדשה של רב-המכר הסנסציוני היקום האלגנטי מאשרת שוב שהספר 'מציב רף שיהיה קשה מאוד להתעלות עליו'."

- ניו יורק טיימס

"היקום האלגנטי הוא ספר שאי-אפשר להרפות ממנו... גרין עתיד לעשות לתורת המיתרים את מה שעשה סטיבן הוקינג לחורים השחורים."

– ניו יורק מגזין

"[ספר] מאלף שאין כדוגמתו... טיול מרגש בנוף נעים לעין."

– לוס אנג'לס טיימס

"[גרין] כותב ברהיטות פיוטית ובסגנון מלא חן... הוא מצליח להפליא בתרגום מפעל שהוא מתמטי כל כולו למונחים שווים לכל נפש."

– "עולם הספרים" של וושינגטון פוסט

בראיין גרין - Brian Greene

בראיין גרין (1963) קיבל את התואר הראשון שלו מאוניברסיטת הרווארד ואת התואר דוקטור מאוניברסיטת אוקספורד, שם למד במסגרת תוכנית המלגות של רודס.

הוא הצטרף לסגל המחלקה לפיסיקה באוניברסיטת קורנל ב־1990, נעשה פרופסור מן המניין ב־1995, ועבר ב־1996 לאוניברסיטת קולומביה, שם הוא מכהן כפרופסור לפיסיקה ולמתמטיקה.

גרין הרצה ביותר מעשרים וחמש ארצות, וזכה לתהילה בשל כמה תגליות פורצות דרך בתורת העל־מיתרים. ספרו הראשון, היקום האלגנטי, נמכר ביותר ממיליון עותקים ברחבי העולם והגיע לרשימה הסופית של מועמדים לפרס פוליצר. ספרו השני, מארג היקום, שהה עשרים וחמישה שבועות ברשימת רבי־המכר של הניו יורק טיימס.

חלק ראשון | פאתי הידע
פרק ראשון: קשור במיתר
אם נכנה זאת בשם "טיוח", אולי יהיה הדבר הרבה יותר מדי דרמתי. ובכל זאת, במשך יותר מחמישים שנה - בעיצומה של עבודה שהניבה אחדים מגדולי ההישגים המדעיים בהיסטוריה - היו הפיסיקאים מודעים לבצבוצו של ענן שחור באופק הרחוק, ושתקו. הבעיה היא זאת: הפיסיקה המודרנית נשענת על שני עמודי תווך.

האחד הוא תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין, המספקת מסגרת תיאורטית להבנת היקום בקני־המידה הגדולים שבגדולים: כוכבים, גלקסיות, צבירי גלקסיות והלאה, אל מרחביו הכבירים של היקום עצמו.

האחר הוא מכניקת הקוונטים, המספקת מסגרת תיאורטית להבנת היקום בקני־המידה הקטנים שבקטנים: מולקולות, אטומים והלאה, כל הדרך למטה עד לחלקיקי יסוד כמו אלקטרונים וקוורקים. במהלך שנים של מחקר אימתו הפיסיקאים בדרך הניסוי את כל הניבויים, המדויקים במידה שקשה להשיגה בדמיון, העולים מתוך כל אחת מהתיאוריות הללו.

אבל אותם הכלים התיאורטיים עצמם מוליכים באורח בלתי־נמנע אל מסקנה אחרת, מדאיגה מאוד: בניסוחיהן העכשוויים, לא ייתכן שגם תורת היחסות הכללית וגם מכניקת הקוונטים נכונות שתיהן. שתי התיאוריות העומדות ביסוד התקדמותה הכבירה של הפיסיקה במאה השנים האחרונות - התקדמות שהסבירה את התרחבות הרקיע ואת מבנהו הבסיסי של החומר - אינן עולות בקנה אחד זו עם זו.

אם לא שמעתם עד כה על הניגוד החריף הזה, אולי אתם תוהים מהי סיבתו; אבל לא קשה למצוא אותה. בכל המצבים, מלבד הקיצוניים ביותר, הפיסיקאים חוקרים דברים שהם קטנים וקלים (כמו אטומים ומרכיביהם), או דברים שהם ענקיים וכבדים (כמו כוכבים וגלקסיות), אבל אינם חוקרים את אלה ואת אלה בבת־אחת.

לכן הם צריכים להשתמש רק במכניקת הקוונטים, או רק בתורת היחסות הכללית, ויכולים להתעלם במשיכת כתף (ובנקיפת מצפון קלה) ממבטי הגנאי העוקצניים של האחרת. במשך חמישים שנה יכלו הפיסיקאים לשמוח בחלקם הודות להתעלמות הזאת, שאמנם אינה זהה לשאננות שמקורה בבערות, אבל היא די דומה לה. אלא שהיקום דווקא יכול להיות קיצוני.

במרכזו העמוק מִני חקר של חור שחור, כמות עתק של מסה נמעכת לגודל זערורי. ברגע המפץ הגדול, כל היקום כולו הגיח מתוך זרע מיקרוסקופי שגרגר חול היה נראה ענקי בהשוואה אליו. אלה הם תחומים פעוטים מאוד בגודלם ובכל זאת מסיביים במידה שלא תיאמן, ולכן יש צורך להפעיל עליהם גם את מכניקת הקוונטים וגם את תורת היחסות הכללית, בעת ובעונה אחת.

מטעמים שילכו ויתבררו ככל שנתקדם, משוואותיהן של תורת היחסות הכללית ושל מכניקת הקוונטים, כאשר משלבים אותן יחדיו, מתחילות לרעוד, לשקשק ולפלוט קיטור כמו מכונית גוססת. או בלשון פחות ציורית, שאלות פיסיקליות מנוסחות כהלכה מפיקות תשובות חסרות־פשר מתוך השידוך האומלל הזה של שתי התיאוריות.

וגם אם אתם מוכנים להשאיר את מעמקי החור השחור ואת ראשית היקום לוטים בערפילי התעלומה, אינכם יכולים שלא לחוש כי העוינות בין מכניקת הקוונטים לבין תורת היחסות הכללית משוועת להבנה ברמה עמוקה יותר. האומנם אפשרי הדבר שהיקום, ברמתו הבסיסית ביותר, מפולג לשניים וזקוק למכלול אחד של חוקים כשהדברים גדולים, ולמכלול אחר ומנוגד כאשר הדברים קטנים? לתורת העל־מיתרים, קופצת־בראש שאך זה נכנסה לתמונה (בהשוואה לעמודי התווך הוותיקים והמכובדים מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית), יש תשובה: לא באל"ף רבתי.

מחקרים נמרצים שערכו פיסיקאים ומתימטיקאים מכל קצווי תבל בשנים האחרונות מגלים כי הגישה החדשה הזאת לתיאור החומר ברמתו הבסיסית ביותר מיישבת את העימות בין תורת היחסות הכללית לבין מכניקת הקוונטים. למעשה, תורת העל־מיתרים עושה יותר מזה: היא מראה שבמסגרת חדשה זו, תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים זקוקות זו לזו על־מנת שיהיה פשר לתיאוריה. לפי תורת העל־מיתרים, שידוך החוקים של הגדול ושל הקטן לא רק מבטיח נישואים של אושר, אלא הוא גם מחויב המציאות.

וזהו רק חלק מהבשורה שמביאה עמה תורת העל־מיתרים - נכנה אותה תורת המיתרים, למען הקיצור - כי היא גם מקדמת את הברית הזאת בצעד ענקים קדימה. במשך שלושים שנה ביקש איינשטיין תיאוריה מאוחדת של הפיסיקה, שתשזור יחדיו את כל כוחות הטבע ואת כל מרכיביו החומריים במארג תיאורטי אחד ויחיד. הוא לא הצליח. עכשיו, באלף החדש, חסידי תורת המיתרים טוענים כי חוטי השתי והערב של המארג המאוחד הזה שנבצר מהישג ידו נחשפו סוף־סוף.

יש לתורת המיתרים יכולת להראות כי כל התרחשויותיו המופלאות של היקום - ממחול התזזית של הקוורקים התת־אטומיים עד מחול הוואלס המלכותי שמחוללים כוכבים כפולים זה סביב זה, מכדור האש הקדמוני של המפץ הגדול עד סִחרוריהן המפוארים של גלקסיות הרקיע - כולם משקפים עיקרון פיסיקלי מרהיב אחד, משוואת מפתח אחת.

מכיוון שסממניה אלה של תורת המיתרים מחייבים אותנו לשנות מן הקצה אל הקצה את מושגינו על מרחב, על זמן ועל חומר, יעבור זמן־מה עד שנתרגל אליהם, עד שנטמיע אותם ברמה הנוחה להבנתנו.

אבל כפי שיתברר בהמשך, כאשר מתבוננים בתורת המיתרים בהקשרה הנכון, היא מתגלה כהמשך דרמתי אמנם, אך טבעי, של התגליות המהפכניות שגילתה הפיסיקה במרוצת מאה השנים האחרונות. ואכן, אנו עתידים לראות שהעימות בין תורת היחסות הכללית לבין מכניקת הקוונטים אינו הראשון, אלא השלישי בשורה של עימותי מפתח שהתגלעו במרוצת המאה שעברה, ויישובו של כל אחד מהם, בתורו, חולל תמורה מדהימה בהבנתנו את היקום.

שלושת העימותים
העימות הראשון, שהחל להסתמן כבר בשלהי המאה התשע־עשרה, נסב סביב תכונותיה התמוהות של תנועת האור. על רגל אחת, לפי חוקי התנועה של אייזיק ניוטון, אם תרוצו מספיק מהר תוכלו להדביק אלומת אור הולכת ומתרחקת, ואילו לפי חוקי האלקטרומגנטיות של ג'יימס קלרק מקסוול, לא תוכלו להדביקהּ בשום פנים ואופן.

כפי שיסופר בפרק 2, איינשטיין יישב את העימות הזה באמצעות תורת היחסות הפרטית שלו, ותוך־כדי־כך הפך על פיה את תפיסת המרחב והזמן שלנו. לפי תורת היחסות הפרטית, אי־אפשר עוד לחשוב על המרחב ועל הזמן כעל מושגים אוניברסליים, חקוקים באבן, שכל אחד ואחד מאיתנו מתנסה בהם באופן זהה לחלוטין. תחת זאת, המרחב והזמן יוצאים מטיפולו של איינשטיין כהבניות נוחות ללישה, שצורתן ומראיתן תלויות במצב התנועה של המשקיף עליהן.

פיתוחה של תורת היחסות הפרטית הכשיר מיד את הקרקע לעימות השני. אחת ממסקנותיה של עבודת איינשטיין היתה ששום דבר - ואפילו לא השפעה או הפרעה מכל מין וסוג - אינו יכול לנוע במהירות גבוהה ממהירות האור. אבל, כפי שיתואר בפרק 3, תיאוריית הכבידה האוניברסלית של ניוטון, המניחה את דעת האינטואיציה והעומדת בהצלחה בכל מבחני הניסוי, כוללת השפעות החוצות מרחקים גדולים במרחב באפס זמן. ושוב, איינשטיין הוא שעמד בפרץ והציע ב־ 1915 תפיסה חדשה של הכבידה בתורת היחסות הכללית שלו.

כשם שתורת היחסות הפרטית הפכה על פיהן את תפיסות המרחב והזמן, כן עשתה זאת גם תורת היחסות הכללית. לא זו בלבד שהמרחב והזמן סרים להשפעת מצב תנועתו של המשקיף, הם גם יכולים להתעקם ולהתעוות בתגובה על נוכחות חומר או אנרגיה. עיוותים כאלה במארג המרחב והזמן, כפי שנראה, הם המעבירים את כוחה של הכבידה ממקום למקום. כיוון שכך, המרחב והזמן אינם צריכים עוד להיראות כרקע נייח שכנגדו מתנהלים אירועי היקום; תחת זאת, הודות לתורת היחסות הפרטית ואחריה הכללית, הם שחקנים המשתתפים באירועים עצמם, וממלאים תפקידים חיוניים בהם.

ושוב חזרה המתכונת על עצמה: גילוי תורת היחסות הכללית יישב אמנם עימות אחד, אבל הוליך אל הבא אחריו. במהלך שלושת העשורים שהחלו ב־ 1900 פיתחו הפיסיקאים את מכניקת הקוונטים (המתוארת בפרק 4) במענה לכמה בעיות מנקרות־ עיניים שהתגלעו כאשר הוחלה הפיסיקה של המאה התשע־עשרה על העולם המיקרוסקופי. וכאמור לעיל, העימות השלישי והעמוק מכול נובע מחוסר ההתאמה ההדדית בין מכניקת הקוונטים לבין תורת היחסות הכללית.

כפי שנראה בפרק 5, צורתו הגיאומטרית הקמורה מעדנות של המרחב, כפי שהיא עולה מתורת היחסות הכללית, מתנגחת עם ההתנהגות המיקרוסקופית התזזיתית והגועשת של היקום, כפי שהיא עולה ממכניקת הקוונטים. הואיל ורק באמצע שנות השמונים של המאה שעברה באה תורת המיתרים והציעה יישוב לעימות הזה, ראוי בהחלט לתארו כבעיה המרכזית של הפיסיקה המודרנית.

זאת ועוד, תורת המיתרים, המתבססת על תורת היחסות הפרטית ועל הכללית, מחייבת אף היא שיפוץ קיצוני בתפיסתנו את המרחב והזמן. לדוגמה, מקובל על רובנו כמובן מאליו שליקומנו יש שלושה ממדים מרחביים. אבל תורת המיתרים גורסת שאין זה כך, וטוענת כי יש ליקומנו הרבה יותר ממדים מכפי שאנו יכולים לראות - ממדים מכורבלים במהודק במארגו רב־הקפלים של היקום. התובנות המופלאות הללו בדבר טיבם של המרחב והזמן חשובות עד־כדי־כך שאנו עתידים להסתייע בהן כחוט השני אשר ינחה אותנו לאורך כל הדיון מכאן ואילך. תורת המיתרים, במובן ממשי מאוד, היא סיפור המרחב והזמן מאז איינשטיין.

כדי לעמוד כהלכה על טיבה של תורת המיתרים, עלינו לפסוע לאחור ולתאר בקצרה את מה שלמדנו במרוצת המאה הקודמת על מבנהו המיקרוסקופי של היקום.

היקום בזעיר־אנפין: מה ידוע לנו על החומר
היוונים הקדמונים ניחשו שחומר היקום עשוי ממרכיבים זעירים ש"אינם ניתנים לחיתוך", או בשפתם, אָטוֹמִים. כשם שאפשר לבנות את המספר העצום והרב של מילים בשפה אלפביתית משלל הצירופים האפשריים של מספר קטן של אותיות, כן ייתכן, ניחשו, שהמגוון העצום והרב של עצמים חומריים נובע אף הוא מצירופים של מספר קטן של אבני בניין בדידות, בסיסיות. היה זה ניחוש שהקדים את זמנו.

מקץ 2,000 שנה אנו עדיין מאמינים באמיתותו, אם כי זהותן של יחידות היסוד הבסיסיות ביותר עברה גלגולים רבים מספור. במאה התשע־עשרה הראו המדענים כי לחומרים מוכרים רבים, כמו חמצן ופחמן, יש מרכיב קטן ביותר שניתן לזהותו כאותו החומר; הם דבקו במסורתם של היוונים, קראו לו אטום, והשם דבק, אבל ההיסטוריה הוכיחה שהיה זה שם לא־ראוי, משום שהאטומים דווקא "ניתנים לחיתוך".

עד שנות השלושים הראשונות של המאה העשרים, מכלול עבודותיהם של ג"ג תומסון, ארנסט רָתֶ'רפוֹרד, נילס בּוֹר וג'יימס צֶ'דוִויק ביסס את מודל האטום המוכר היטב לרובנו, האטום הדומה למערכת שמש בזעיר־אנפין. האטומים בפירוש אינם מרכיביו הבסיסיים ביותר של החומר, שכן הם בנויים מגרעין המכיל פרוטונים ונייטרונים, מוקף בנחיל של אלקטרונים החגים סביבו במסלוליהם.

במשך זמן רב חשבו פיסיקאים רבים שפרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים הם ה"אטומים" של היוונים. אבל ב־ 1968 , בניסויים במאיץ החלקיקים הליניארי של סטנפורד, שהסתייעו בטכנולוגיה ההולכת ומשתפרת כדי לרדת אל מעמקיו המיקרוסקופיים של האטום, הוברר כי אפילו הפרוטונים והנייטרונים אינם בסיסיים. תחת זאת נמצא שכל אחד מהם עשוי משלושה חלקיקים קטנים יותר, שנקראו קוורקים - שם גחמני שנשאל מקטע בספרו של ג'יימס ג'ויס, משתה האשכבה של פיניגן; נתן אותו הפיסיקאי התיאורטי מארי גֶל־מָן, שחזה את קיומם של הקוורקים קודם לכן. הנסיינים אישרו כי לקוורקים עצמם יש שני זנים, שקיבלו מהם שמות קצת פחות יצירתיים, מעלה ומטה. פרוטון עשוי משני קוורקי־מעלה ומקוורק־מטה אחד; נייטרון עשוי משני קוורקי־מטה ומקוורק־מעלה אחד.

כל מה שאתם יכולים לראות בארץ מתחת ובשמים ממעל עשוי ככל הנראה מצירופים של אלקטרונים, קוורקי־מעלה וקוורקי־מטה. לא נמצאו שום ראיות מהניסוי לכך שאפילו אחד משלושת החלקיקים הללו בנוי מדברים קטנים יותר. לעומת זאת, כמות מרובה של ראיות הצביעה על כך שליקום עצמו יש מרכיבים חלקיקיים נוספים. באמצע שנות החמישים מצאו פרדריק רֵנְס וקלייד קוֹוָאן ראיות ניסוי משכנעות לקיומו של חלקיק יסוד מסוג רביעי, הקרוי נֵייטרִינוֹ - חלקיק שאת קיומו ניבא בתחילת שנות השלושים וולפגנג פָּאוּלִי. התברר שהנייטרינים קשים מאוד לגילוי, משום שאלה הם חלקיקי רפאים שכמעט לעולם אינם באים בפעילות גומלין עם חומר אחר: נייטרינו בעל רמת אנרגיה ממוצעת יכול לעבור בקלות דרך "לוח" עופרת בעובי ביליונים רבים של קילומטרים, בלי שהדבר ישפיע כהוא־זה על תנועתו.

כאן אתם צריכים לפלוט אנחת רווחה גדולה, משום שבעצם הרגע הזה, בעודכם קוראים את הדברים האלה, מיליארדי נייטרינים שנפלטו מהשמש לחלל חולפים דרך גופכם ודרך כדור הארץ עצמו, וממשיכים הלאה במסעם הבודד במרחבי הקוסמוס. בשלהי שנות השלושים התגלה חלקיק אחר, שנקרא מוּאוֹן - זהה בכול לאלקטרון, מלבד זאת שהמואון כבד ממנו פי 200 בערך - כאשר חקרו פיסיקאים את הקרניים הקוסמיות (ממטרי חלקיקים הנוהרים לעבר כדור הארץ ממעמקי החלל).

מכיוון שלא היה שום דבר בסדר הקוסמי שחִייב את קיומו של המואון - שום קושייה שלא מצאה את פתרונה, שום גומחה פנויה הממתינה למילוי - פיסיקאי החלקיקים איזידור רבי, חתן פרס נובל, קיבל את גילוי המואון בשאלה שלא שיקפה התלהבות מרובה: "מי הזמין את זה?" ובכל זאת, הנה הוא. וגם אין הוא האחרון.

הפיסיקאים הסתייעו בטכנולוגיה מתקדמת עוד יותר במאמציהם הנמשכים להטיח חתיכות חומר זו בזו באנרגיות יותר ויותר גבוהות, תוך שהם משחזרים לרגע קט תנאים שלא נראו מאז המפץ הגדול. בקרב הרסיסים חיפשו מרכיבי יסוד חדשים כדי להוסיפם לרשימה ההולכת ומתארכת של חלקיקים, והנה מה שמצאו: עוד ארבעה קוורקים - קסום, מוזר, תחתון ועליון - ועוד דודן של האלקטרון, כבד מקודמו, שנקרא טָאוּאוֹן. מלבד זאת מצאו שני חלקיקים אחרים בעלי תכונות דומות לתכונותיו של הנייטרינו (אלה נקראו נייטרינו מואוני ונייטרינו טאואוני, להבדיל מהנייטרינו המקורי שנקרא מעתה נייטרינו אלקטרוני).

החלקיקים האלה נוצרים בהתנגשויות עתירות אנרגיה, וקיומם ארעי מאוד; אין הם מהווים מרכיבים של דבר מהדברים שאנו עשויים לפגוש. אבל אפילו זה לא היה סוף הסיפור. לכל אחד מהחלקיקים האלה יש שותף, אנטי־חלקיק - חלקיק בעל מסה זהה, אבל מנוגד לשותפו מבחינות אחרות, כגון מטענו החשמלי (כמו גם מטענו ביחס לכוחות אחרים, שיתוארו בהמשך הדברים). לדוגמה, האנטי־חלקיק של האלקטרון נקרא פּוֹזִיטרוֹן - יש לו מסה זהה בדיוק למסת האלקטרון, אבל מטענו החשמלי הוא +1 , בעוד שמטענו החשמלי של האלקטרון הוא -1 .

כשהם באים במגע, חומר ואנטי־חומר עשויים לאַיֵּן זה את זה ולהפיק אנרגיה טהורה - וזו הסיבה לכך שכמות האנטי־ חומר המצויה מדרך הטבע בעולם הסובב אותנו זעומה במידה קיצונית ביותר. הפיסיקאים זיהו מתכונת סדורה בקרב החלקיקים הללו, והיא מוצגת בטבלה 1.1 . חלקיקי החומר משתבצים יפה מאוד בשלוש קבוצות, שנהוג לכנותן משפחות.

בכל משפחה נמצאים שניים מהקוורקים, אלקטרון או אחד מדודניו ואחד מזני הנייטרינו. לסוגים המקבילים בשלוש המשפחות יש תכונות זהות מלבד המסה שלהם, ההולכת וגדלה ממשפחה למשפחה. התוצאה מכל זה היא שהפיסיקאים נאלצו עכשיו לבדוק את מבנה החומר עד לקני־מידה של מיליארדית המיליארדית של מטר, בערך,

ומה שמצאו הוא שכל דבר ודבר שבו פגשו עד כה - אם מדרך הטבע ואם כמוצר מלאכותי של התנגשויות במאיצי חלקיקים ענקיים - בנוי מצירוף כלשהו של חלקיקים משלוש המשפחות האלה, ומשותפיהם האנטי־חלקיקים.

אפילו מבט חטוף בטבלה 1.1 יבהיר היטב מדוע חש איזידור רבי תימהון כה גדול כשנתגלה המואון. אמנם סידור המשפחות משווה לחלקיקים מראית עין כלשהי של סדר, ובכל זאת מתעוררות מיד שאלות "למה" רבות מספור.

למה יש כל־כך הרבה חלקיקי יסוד, בייחוד משום שככל הידוע לנו, דומה כי רוב רובם של הדברים בעולם הסובב אותנו צריכים רק אלקטרונים, קוורקי־מעלה וקוורקי־מטה? למה יש שלוש משפחות? למה לא משפחה אחת, או ארבע משפחות, או כל מספר אחר? למה התפלגות המסות של החלקיקים נראית כה אקראית - למה, למשל, שוקל הטאואון פי 3,520 בערך מהאלקטרון? למה שוקל הקוורק העליון פי 40,200 בערך מקוורק־ מעלה? המספרים האלה כל־כך מוזרים, כל־כך אקראיים למראה. האם הופיעו בדרך המקרה, או מכוחה של בחירה אלוהית כלשהי, או שמא יש הסבר מדעי בלתי־נתפס כלשהו למאפיינים הבסיסיים הללו של יקומנו?

הכוחות, או איפה הפוטון?
הדברים רק נעשים מסובכים יותר כשאנו מצרפים לתמונה את כוחות הטבע. העולם הסובב אותנו מלא וגדוש באמצעים להפעלת השפעה: כדורים יכולים לספוג בעיטות, חובבי באנג'י יכולים להשליך את עצמם מטה ממקומות גבוהים, מגנטים יכולים להחזיק רכבות מהירות ביותר בריחוף של מילימטרים מעל פסי מתכת, מוני גייגר יכולים לטקטק בתגובה על חומר רדיואקטיבי, פצצות גרעיניות יכולות להתפוצץ.

אנו יכולים להשפיע על עצמים בכוח ידנו: דחיפה, משיכה או טלטול; אנחנו יכולים להטיח או לירות בהם עצמים אחרים; למתוח, לפתל או למעוך אותם; להקפיא, לחמם או לשרוף אותם. אך במאה השנים האחרונות צברו הפיסיקאים ראיות הולכות ומתעצמות לכך שיש ביכולתם לצמצם את כל פעולות הגומלין הללו בין עצמים וחומרים שונים, וכמוהן את כל המיליונים הרבים של פעולות גומלין אחרות שאנו פוגשים בחיי היומיום, לצירופים של ארבעה כוחות יסוד. אחד מהם הוא כוח הכבידה. השלושה האחרים הם הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החלש והכוח החזק.

הכבידה היא המוכרת ביותר מבין הכוחות, שכן היא אחראית להחזקתנו במסלול סביב השמש ובה בעת היא נוטעת את רגלינו בקרקע המוצקה. המסה של גוף היא אמת־מידה לכמות כוח הכבידה שהוא יכול להפעיל, או לחוש. הכוח האלקטרומגנטי, השני מבין הארבעה, מוכר היטב גם הוא. זהו הכוח המניע את כל אבזרי חיינו המודרניים - תאורה, מחשבים, מקלטי טלוויזיה, טלפונים - והוא עומד גם מאחורי עוצמתה מעוררת היראה של סופת רעמים וברקים וגם מאחורי ליטופה העדין של יד אדם. ברמה המיקרוסקופית, המטען החשמלי של חלקיק ממלא תפקיד דומה, בכוח האלקטרומגנטי, לזה שממלאת המסה בכוח הכבידה: הוא קובע באיזו עוצמה יכול חלקיק להפעיל אלקטרומגנטיות או לחוש אותה.

הכוח החזק והכוח החלש פחות מוכרים, משום שעוצמתם פוחתת במהירות בכל מרחק שמעבר לקנה־המידה התת־אטומי; אלה הם הכוחות הגרעיניים, ומסיבה זו נתגלו שני הכוחות האלה רק במועד הרבה יותר מאוחר. הכוח החזק אחראי להחזקת הקוורקים "דבוקים" יחדיו בפרוטונים ובנייטרונים, ולהחזקת הפרוטונים והנייטרונים צפופים יחדיו בתוך גרעיני אטומים. הכוח החלש ידוע יותר מכול ככוח האחראי להתפרקות הרדיואקטיבית של חומרים כמו אורניום וקובלט.

במאה השנים האחרונות מצאו הפיסיקאים שני סממנים משותפים לכל הכוחות הללו. ראשית, כפי שיתואר בפרק 5, ברמה המיקרוסקופית קשור לכל כוח חלקיק שאפשר לתאר אותו כ"חפיסה" הקטנה ביותר האפשרית של כוח זה. אם אתם משגרים אלומת לייזר - "תותח קרינה אלקטרומגנטית" - אתם יורים זרם של פוטונים, החפיסות הקטנות ביותר של הכוח האלקטרומגנטי. בדומה לכך, מרכיביהם הזעירים ביותר של שדות הכוח החלש והכוח החזק הם חלקיקים שנקראים בשמות בּוֹזוֹנֵי כיול חלשים וגלוּאוֹנים, בהתאמה. (השם גלואון לקוח מהמילה האנגלית ,glue דבק, ומתאר היטב את פעולתו: אפשר לתאר את הגלואונים כמרכיביו המיקרוסקופיים של הדבק החזק המלכד יחדיו את גרעיני האטומים.) ב־ 1984 אימתו הנסיינים סופית את קיומם של שלושת הסוגים האלה של חלקיקי כוח ותיעדו את פרטי תכונותיהם,

כפי שהם מופיעים בטבלה 1.2 . הפיסיקאים משוכנעים שגם לכוח הכבידה יש חלקיק הנושא אותו, ושמו גרָוִויטוֹן, אבל קיומו טרם אוּמת בניסוי. הסממן השני המשותף לכל הכוחות הוא זה: כשם שהמסה קובעת כיצד משפיעה הכבידה על חלקיק, והמטען החשמלי קובע כיצד משפיע עליו הכוח האלקטרומגנטי, כן מחוננים החלקיקים בכמויות מסוימות של "מטען חזק" ו"מטען חלש" הקובעים כיצד משפיעים עליהם הכוח החזק והכוח החלש. (תכונות אלה מוצגות בפירוט בטבלה שבהערות הסיום לפרק זה.)

אבל כמו בפרשת מסות החלקיקים, מעבר לעובדה שהפיסיקאים הנסיינים מדדו בקפדנות את התכונות האלה, איש לא הציע שום תשובה לשאלה מדוע בנוי יקומנו מהחלקיקים המסוימים האלה, בעלי המסות ומטעני הכוח המסוימים האלה.

למרות התכונות המשותפות לכל כוחות היסוד, עיון בהם עצמם רק מוסיף שאלות האומרות דרשני. למה, למשל, יש ארבעה כוחות יסוד? למה לא חמישה, או שלושה, או אולי אפילו אחד? למה יש לכוחות תכונות כה שונות? למה מוגבלת פעולתם של הכוח החזק והכוח החלש לקני־מידה מיקרוסקופיים, ואילו טווח השפעתם של כוח הכבידה והכוח האלקטרומגנטי אינו מוגבל? ולמה יש שוני כה עצום במידות העוצמה הסגוליות של הכוחות האלה?

כדי להבין את משמעות השאלה האחרונה, תארו לעצמכם שאתם מחזיקים אלקטרון ביד שמאל ועוד אלקטרון ביד ימין, ומקרבים את שני החלקיקים האלה, בעלי המטענים החשמליים הזהים ושווי־הסימן, זה אל זה.

משיכת הכבידה ההדדית ביניהם תסייע להתקרבותם, ואילו הדחייה האלקטרומגנטית ביניהם תשאף להרחיקם זה מזה. ידו של איזה כוח תהיה על העליונה? זה לא כוחות, כפי שאומרים הילדים: הדחייה האלקטרומגנטית חזקה יותר ממשיכת הכבידה פי מיליון ביליון ביליון ביליונים (עשר בחזקת 42)! אם שריר הקיבורת הימני שלכם מייצג את עוצמתו של כוח הכבידה, אזי תצטרך קיבורת הזרוע השמאלית להתארך אל מעבר לקצה היקום המוכר כדי לייצג את עוצמת הכוח האלקטרומגנטי. הסיבה היחידה לכך שהכוח האלקטרומגנטי אינו מכריע כליל את הכבידה, בעולם הסובב אותנו, היא שרוב הדברים בנויים מכמויות שוות של מטענים חשמליים חיוביים ושליליים, שעוצמותיהם מקזזות זו את זו. מאידך גיסא, הואיל והכבידה היא כוח משיכה בלבד, אין בה קיזוז דומה לזה - הוספת עוד מסה פירושה תמיד כוח כבידה חזק יותר.

אבל ברמת היסוד, הכבידה היא כוח רפה ביותר. (עובדה זו מסבירה את הקושי הכרוך במתן אימות על־ידי ניסוי לקיומו של הגרוויטון. החיפוש אחר החפיסה הקטנה ביותר של הכוח הרפה ביותר הוא אתגר של ממש.) ועוד הראו הנסיינים שהכוח החזק חזק פי מאה בערך מהכוח האלקטרומגנטי, ופי מאה אלף בערך מהכוח החלש. אבל איפה כאן ההיגיון - איפה הסיבה לקיומם של הסממנים האלה של יקומנו?

אין זו שאלה שנולדה מתוך התפלספות בטלה על השאלה מדוע פרטים מסוימים הם דווקא כאלה ולא אחרים; היקום היה מקום שונה לחלוטין אילו היו תכונותיהם של חלקיקי החומר והכוח שונות, אפילו במידה צנועה. לדוגמה, קיומם של הגרעינים היציבים היוצרים בערך מאה יסודות כימיים, כידוע לנו, תלוי במידה מדוקדקת מאוד ביחס בין עוצמותיהם של הכוח החזק והכוח האלקטרומגנטי.

הפרוטונים הצפופים יחדיו בגרעיני האטומים דוחים כולם זה את זה בכוח אלקטרומגנטי; הכוח החזק, הפועל בין הקוורקים שמהם הם בנויים, גובר - ועל כך עלינו להכיר תודה - על הדחייה הזאת, ומרתק את הפרוטונים במהודק. אבל שינוי קל שבקלים בעוצמה היחסית של שני הכוחות האלה היה משבש בקלות את האיזון ביניהם, והיה גורם להתפוררות גרעיניהם של רוב האטומים.

זאת ועוד, אילו היתה מסת האלקטרון גדולה רק פי כמה מכפי שהיא, אלקטרונים ופרוטונים היו נוטים להתמזג וליצור נייטרונים, והדבר היה מכלה את גרעיני המימן (היסוד הכי פשוט בקוסמוס, שגרעינו מכיל פרוטון יחיד) ומשבש את תהליכי ייצורם של יסודות מורכבים יותר. הכוכבים מתקיימים הודות להיתוכם של גרעינים יציבים, והם לא היו נוצרים כלל, אילו חלו שינויים כאלה בפיסיקה היסודית. וגם עוצמתו של כוח הכבידה ממלאת תפקיד יצירתי.

צפיפותו המוחצת של החומר במרכז ליבותיהם של כוכבים מתדלקת את הכבשן הגרעיני שלהם, והודות לה הם פולטים את אורם. אילו גדלה עוצמתו של כוח הכבידה, הגוש הדחוס שבליבת הכוכב היה ניתך במשנה עוצמה, והדבר היה גורם לעלייה משמעותית בקצב התגובות הגרעיניות. אבל כשם ששלהבת אש יוקדת מכלה את הדלק שלה מהר יותר מאשר להבת הנר הדולק לאטו, כן היתה עלייה בקצב התגובה הגרעינית גורמת לכוכבים כמו השמש לכלות את הדלק שלהם מהר יותר ולִכבות בתוך זמן קצר יחסית, ולדבר זה היתה השפעה הרסנית על היווצרות החיים כפי שאנו מכירים אותם. מאידך גיסא, אילו פחתה עוצמתו של כוח הכבידה במידה משמעותית, החומר לא היה נדחס כלל ועיקר, ולכן היתה נמנעת היווצרותם של כוכבים וגלקסיות.

אפשר להמשיך עוד הלאה, אבל הרעיון כבר ברור: היקום הוא כפי שהוא מפני שחלקיקי החומר והכוח שלו מחוננים בתכונות שיש להם. ובכל זאת, האם יש תשובה מדעית לשאלה מדוע יש להם התכונות האלה?

תורת המיתרים: הרעיון הבסיסי
תורת המיתרים מציעה מסגרת מושגית רבת־עוצמה שבתוכה מסתמנת, לראשונה, תשתית למתן תשובות לשאלות הללו. ניגש תחילה לרעיון הבסיסי.

החלקיקים בטבלה 1.1 הם ה"אותיות" של כל החומר. בדומה למקבילותיהם הלשוניות, דומה כאילו אין להם כל מבנה פנימי המאפשר חלוקה נוספת. אבל תורת המיתרים מכריזה שאין זה כך. לפי תורת המיתרים, אילו יכולנו להתבונן בחלקיקים האלה ברמת דיוק גבוהה עוד יותר - רמת דיוק גבוהה בהרבה סדרי גודל מכל מה שאנו יכולים להשיג בטכנולוגיה העכשווית שלנו - היינו מוצאים שכל אחד מהם אינו נקודתי, אלא הוא מהווה תחת זאת לולאה זעירה, חד־ממדית. כל חלקיק, בדומה לגומייה דקה במידה אינסופית, הוא סיב רוטט, מתנודד, מרקד, שקיבל את השם מיתר מאת פיסיקאים שלא ניחנו בחוש ספרותי דומה לזה של מארי גל־מן.

איור 1.1 ממחיש את הרעיון החיוני הזה של תורת המיתרים: הוא מתחיל מפיסת חומר רגיל, ולצורך זה בחרנו בתפוח, ומגדיל עוד ועוד את מבנהו כדי לחשוף את מרכיביו בקני־מידה יותר ויותר קטנים. תורת המיתרים מוסיפה רובד מיקרוסקופי חדש, ובו לולאה רוטטת, לרצף שהיה ידוע לפניה - מאטומים אל פרוטונים, נייטרונים, אלקטרונים וקוורקים.*

* ייתכנו גם מיתרים בעלי שני קצוות נעים בחופשיות (אלה נקראים מיתרים פתוחים), מלבד הלולאות (מיתרים סגורים) שבאיור 1.1 . למען נוחות הדיון, רוב מה שנֹאמר כאן יתמקד במיתרים סגורים, אם כי בעיקרו של דבר, כל הדברים האלה חלים על שני הסוגים.

הגם שהדבר בשום פנים אינו מובן מאליו, אנו עתידים לראות בפרק 6 כי המרה פשוטה זו של מרכיבי החומר, מחלקיקים נקודתיים ללולאות, מיישבת את חוסר ההתאמה בין מכניקת הקוונטים לבין תורת היחסות הכללית. כך מתירה תורת המיתרים את הקשר הגורדי הכופת כיום את הפיסיקה התיאורטית. זהו הישג כביר, אבל הוא רק חלק מהסיבה להתרגשות שעוררה הופעתה של תורת המיתרים.

תורת המיתרים כתיאוריה המאוחדת של הכול
של איינשטיין, הכוח החזק והכוח החלש טרם נתגלו, אבל הוא הודאג קשות מעצם קיומם של שני כוחות נבדלים - הכבידה והאלקטרומגנטיות. איינשטיין סירב להשלים עם המחשבה שהטבע מושתת על עיצוב כה בזבזני.

הוא יצא למסע שלושים השנה שלו לחיפוש אחר מה שנקראה בפיו תיאוריית שדה מאוחדת - זו היתה אמורה, לתקוותו, להראות כי שני הכוחות אינם אלא התגלמויות שונות של עיקרון בסיסי מפואר אחד. המסע הדון־קיחוטי הזה בודד את איינשטיין מעל הזרם המרכזי של הפיסיקה, שכן רוב הפיסיקאים - ונקל להבין ללבם - התרגשו הרבה יותר מפענוח המסגרת החדשה, ההולכת ומסתמנת, של מכניקת הקוונטים.

הוא כתב לידיד בתחילת שנות הארבעים, "נעשיתי ברנש קשיש ובודד, ידוע בעיקר על כך שאינו נוהג לגרוב גרביים, שמציגים אותו לראווה כקוריוז באירועים חגיגיים." איינשטיין פשוט הקדים את זמנו. חלפו חמישים שנה ויותר, וחלום התיאוריה המאוחדת שלו נעשה משאת נפשה של הפיסיקה המודרנית. ועכשיו, רבים מאוד בקהילת הפיסיקאים והמתימטיקאים הולכים ומשתכנעים כי תורת המיתרים עשויה לספק את התשובה. מתוך עיקרון אחד - שלפיו כל הדברים, ברמה המיקרוסקופית ביותר, עשויים מצירופים של מיתרים רוטטים - מספקת תורת המיתרים מסגרת מסבירה אחת ויחידה, המסוגלת לחבוק את כל הכוחות ואת כל החומר.

לדוגמה, תורת המיתרים מכריזה כי תכונותיהם הנצפות של החלקיקים, כלומר הנתונים המסוכמים בטבלאות 1.1 ו־ 1.2 , הן השתקפויות של הדרכים השונות שבהן יכול מיתר לרטוט. מיתרי הכינור או הפסנתר מחוננים כידוע בתדירויות תהודה שבהן הם מעדיפים לרטוט - דפוסי רטיטה שאוזנינו קולטות כצלילים מוסיקליים שונים וכהרמוניות הגבוהות שלהם - והוא הדין גם בלולאותיה של תורת המיתרים.

אבל כפי שאנו עתידים לראות, כל אחד מדפוסי הרטיטה המועדפים של מיתר בתורת המיתרים אינו מפיק צלילים מוסיקליים, אלא מתגלה כחלקיק שמסתו ומטעני הכוח שלו מוכתבים על־פי דפוס הרטיטה של המיתר. האלקטרון הוא מיתר שרוטט באופן אחד, קוורק־מעלה הוא מיתר שרוטט באופן אחר, וכן הלאה.

מכאן שתכונות החלקיקים בתורת המיתרים אינן אוסף מבולגן של עובדות שאובות מהניסוי; נהפוך הוא, הן התגלויות של סממן פיסיקלי אחד ויחיד: דפוסי התהודה של רטיטותיהן של לולאות מיתר בסיסיות - מנגינתן, אם תרצו. ואותו הרעיון חל גם על כוחות הטבע. אנו עתידים לראות שגם חלקיקי הכוח קשורים לדפוסים מסוימים של רטיטות מיתרים, ומכאן שכל הדברים - כל החומר וכל הכוחות - מאוחדים באותה הקטגוריה עצמה של רטיטות מיתרים מיקרוסקופיים - ה"צלילים" שהמיתר יכול לנגן.

לכן יש בידינו, לראשונה בתולדות הפיסיקה, מסגרת שביכולתה להסביר כל תכונה בסיסית שעליה בנוי היקום. מסיבה זו יש המתארים את תורת המיתרים כמועמדת לתואר "תיאוריה של הכול" (תה"כ), או כתיאוריה ה"עילאית", ה"עליונה" או ה"סופית". התארים המפוצצים הללו מיועדים להביע את התחושה שזוהי התיאוריה העמוקה ביותר האפשרית בפיסיקה - התיאוריה המצויה ביסוד כל שאר התיאוריות, שאינה זקוקה לבסיס הסברתי עמוק יותר ואף אינה מתירה את קיומו.

הלכה למעשה, רבים מחוקרי המיתרים נוקטים גישה פחות מרוממת וחושבים על התה"כ במובן מוגבל יותר, כתיאוריה המסוגלת להסביר את התכונות של חלקיקי היסוד ואת התכונות של הכוחות שבאמצעותם הם מנהלים את פעולות הגומלין ביניהם ומשפיעים זה על זה. הרדוקציוניסט המושבע היה טוען כי אין זו מגבלה כלל ועיקר, וכי עקרונית, אפשר לתאר את כל הדברים, מהמפץ הגדול ועד חלומות בהקיץ, במונחי תהליכים פיסיקליים מיקרוסקופיים בסיסיים שהגורמים הפעילים בהם הם מרכיבי היסוד של החומר. אם אתם מבינים את כל מה שיש להבינו במרכיבים הללו, יטען הרדוקציוניסט, אתם מבינים את כל הדברים כולם.

זו דרכה של הפילוסופיה הרדוקציוניסטית, שהיא מציתה בקלות ויכוחים משולהבים. רבים מוצאים את הטענה כי נפלאות החיים והיקום אינן אלא השתקפויות של חלקיקים מיקרוסקופיים השרויים במחול חסר־טעם, שהכוריאוגרפיה שלו מוכתבת במלואה על־ידי חוקי הפיסיקה, כרברבנות שיש בה אפילו כדי לעורר שאט־נפש. האומנם יכול להיות ממש בטענה כי תחושות אנוש כמו שמחה, צער או שעמום אינן אלא תגובות כימיות במוח - תגובות בין מולקולות ואטומים, שאינן אלא - ברמה מיקרוסקופית עמוקה עוד יותר - תגובות בין אחדים מחלקיקיה של טבלה 1.1 , שאינם אלא מיתרים רוטטים? במענה על ביקורת ברוח זו התרה חתן פרס נובל סטיבן ויינברג, בספרו חזון התיאוריה הסופית:

בקצה השני של הקשת מצויים מתנגדי הרדוקציוניזם, המזועזעים לנוכח מה שנראה בעיניהם כארץ הציה של המדע המודרני. הם רואים עצמם נפגעים מעצם הידיעה שניתן לצמצם אותם ואת עולמם לעניין של חלקיקים או שדות ואינטראקציות ביניהם. ...לא אנסה להשיב למבקרים אלה בדרשה יחצ"נית על יופיו של המדע המודרני. השקפת העולם הרדוקציוניסטית היא אכן מצמררת ולא־אישית. יש לקבלה כמות שהיא לא משום שהיא מוצאת חן בעינינו, אלא משום שכך מתנהל העולם.

אחדים מקבלים את החזות הקודרת הזאת, ואחרים - לא.
עוד אחרים ניסו לטעון כי התפתחויות מסוימות, למשל תיאוריית הכאוס, מלמדות שסוגים חדשים של חוקים נכנסים לפעולה עם עליית רמת המורכבות של מערכת. הבנת התנהגותו של אלקטרון או של קוורק היא עניין אחד; ההסתמכות על ידע זה להבנת התנהגותו של טורנדו היא עניין אחר לגמרי.

על כך אין עוררים רבים; אבל יש חילוקי דעות סביב השאלה האם התופעות הרבות והשונות, והבלתי־ צפויות בדרך־כלל, העשויות להופיע במערכות מורכבות ברמה גבוהה יותר מרמת החלקיק היחיד, אכן מייצגות נאמנה את פעולתם של עקרונות פיסיקליים חדשים, או שמא העקרונות שבהם מדובר הם נגזרים, כלומר מבוססים - ולוּ גם בדרך מסובכת להחריד - על העקרונות הפיסיקליים המושלים במספר העצום והרב של מרכיבי יסוד. תחושתי שלי היא שאין הם מייצגים חוקי פיסיקה חדשים ובלתי־תלויים.

אמנם קשה להסביר את תכונותיו של טורנדו במונחי הפיסיקה של אלקטרונים וקוורקים, אבל אני רואה זאת כבעיית חישוב שאינה ניתנת לפתרון, ולא כעדות לצורך בחוקי פיסיקה חדשים. אבל שוב, יש החולקים על השקפה זו.

מה שאינו עומד בסימן שאלה, וחשיבותו גדולה מאוד למסע המתואר בספר הזה, הוא ההבחנה בין הלכה עקרונית לבין מעשה, גם לאלה שמקבלים את אורח החשיבה השנוי במחלוקת של הרדוקציוניסטים המושבעים. כמעט הכול יסכימו כי מציאת התה"כ לא תביא לפתרון כל בעיותיהן של הפסיכולוגיה, הביולוגיה, הגיאולוגיה, הכימיה ואפילו הפיסיקה, ואף לא תטמיע אותן בתוך התיאוריה.

היקום הוא מקום עשיר ומורכב להפליא, וגילוי התיאוריה הסופית במובנה המתואר כאן לא ישים קץ למדע. נהפוך הוא: גילוי התה"כ - ההסבר העליון של היקום ברמתו המיקרוסקופית ביותר, התיאוריה שאינה מבוססת על שום הסבר עמוק יותר - יספק יסודות מוצקים מאין כמוהם לבניית הבנתנו את העולם. גילויה יציין התחלה, ולא סוף. התיאוריה הסופית תספק עמוד תווך בלתי־מעורער של לכידות, שישכך אחת ולתמיד את חששותינו שמא היקום נבצר מהבנתנו לצמיתות.

מצב תורת המיתרים
עיקר עניינו של הספר הזה הוא הסברת דרכי פעולתו של היקום לאור תורת המיתרים, ולהטעים בראש ובראשונה את ההשלכות שיש לתוצאותיה על הבנתנו את המרחב ואת הזמן. בניגוד לתיאורים רבים אחרים של התפתחויות מדעיות, אנו עוסקים כאן לא בתיאוריה שפרטיה עובדו במלואם, שאומתה במבחני ניסוי מדוקדקים ושהתקבלה על דעת הקהילה המדעית בלי יוצא מן הכלל. הסיבה לכך, כפי שתתואר בפרקים הבאים, היא שתורת המיתרים היא מבנה תיאורטי עמוק ומתוחכם במידה כזו שאפילו אחרי ההתקדמות המרשימה אשר הושגה בעשרים השנים האחרונות, עדיין רבה הדרך לפנינו בטרם נהיה רשאים לטעון שאנו מכירים אותה על בוריה.

לכן יש לראות את תורת המיתרים כ"עבודה בביצוע", שהשלמתה החלקית כבר הניבה תובנות מדהימות על טיבם של המרחב, הזמן והחומר. האיחוד ההרמוני של תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים הוא הצלחה גדולה. זאת ועוד, בניגוד לכל תיאוריה קודמת אחרת, יש לתורת המיתרים היכולת להשיב על שאלות שאנו שואלים מקדמת דנא על מרכיביו ועל כוחותיו הבסיסיים ביותר של הטבע.

חשובה באותה המידה, אם כי קצת יותר קשה להבעה, היא האלגנטיות המרשימה של התשובות שמציעה תורת המיתרים, ושל המסגרת לתשובות הללו. לדוגמה, היבטים רבים של הטבע הנראים כמו פרטים טכניים שרירותיים - כמו מספר חלקיקי היסוד השונים המרכיבים אותו, או תכונותיו של כל אחד ואחד מהם - נובעים, במסגרתה של תורת המיתרים, מתוך היבטים חיוניים ומוחשיים של הגיאומטריה של היקום.

אם נכונה תורת המיתרים, הרי שהמארג המיקרוסקופי של יקומנו הוא מבוך רב־ ממדי סבוך ומסובך, שבתוכו מפרפרים ורוטטים בלי הפוגה מיתרי היקום, פועמים לפי מקצַב חוקי הקוסמוס. תכונותיהן של אבני הבניין הבסיסיות של הטבע אינן פרטים מקריים, רחוק מזה: הן כרוכות לבלי־הפרד במארג המרחב והזמן.

אבל בסופו של דבר, אין שום תחליף לניבויים המפורשים והניתנים לבדיקה שבכוחם לקבוע אם אמנם הסירה תורת המיתרים את צעיף המסתורין שמאחוריו מסתתרות האמיתות העמוקות ביותר של יקומנו. אולי יעבור זמן־מה לפני שתגיע רמת הבנתנו לעומק הדרוש לשם השגתה של מטרה זו, אם כי, כמתואר בפרק 9, מבדקי ניסוי יוכלו לספק תמיכה נסיבתית מוצקה לתורת המיתרים בתוך שנים לא־ רבות.

זאת ועוד, בפרק 13 נראה כי תורת המיתרים פתרה לא מזמן חידה גדולה הנוגעת לחורים שחורים, שעניינה באנטרופיית בקנשטיין־הוקינג, אחרי שזו עמדה בעקשנות בפני כל הניסיונות לפותרה בדרכים המקובלות במשך יותר מעשרים וחמש שנה. הצלחה זו שכנעה רבים כי תורת המיתרים הולכת ומתקרבת למצב שבו תוכל להעניק לנו את הבנתנו העמוקה ביותר בדבר אופן פעולתו של היקום.

אדוארד וִיטֶן, אחד מחלוציה של תיאוריית־אם ומגדולי המומחים לה, סיכם את המצב כך: "תורת המיתרים היא חלק של פיסיקת המאה העשרים ואחת, שנקלע בדרך מקרה למאה העשרים" - הערכה שנשמעה לראשונה מפי הפיסיקאי האיטלקי המהולל דניאלֶה אָמָטִי. במובן מסוים, אם כן, הרי זה כאילו קיבלו קודמינו בשלהי המאה התשע־עשרה מחשב־על מודרני, חדיש ומחודש - בלי הוראות הפעלה.

בניסיונות חוזרים ונשנים, גדושי טעיות ותעיות, הם היו חושפים רמזים לעוצמתו של המחשב, אבל עדיין היה צורך במאמץ נמרץ וממושך כדי להשתלט עליו כליל. הרמזים לפוטנציאל של המחשב, בדומה לסימנים שכבר קיבלנו לעוצמת ההסבר של תורת המיתרים, היו נותנים להם מניע חזק מאין כדוגמתו להתמיד במאמציהם עד להשגת שליטה מלאה. בימים אלה, מניע דומה מפַעם בדור של פיסיקאים תיאורטיים ודוחף אותו לחתור להבנה אנליטית מלאה ומדויקת של תורת המיתרים.

מדבריו של ויטן המצוטטים לעיל ומהתבטאויותיהם של מומחים אחרים בתחום משתמע כי אולי יידרשו עשרות שנים, אם לא מאות, בטרם תפותח תורת המיתרים ותובן במלואה. ייתכן בהחלט שזו האמת. למעשה, המתימטיקה של תורת המיתרים מסובכת במידה כזו, שעד היום איש אינו יודע אפילו מה הן המשוואות המדויקות של התיאוריה. תחת זאת מכירים הפיסיקאים רק קירובים למשוואות האלה, ואפילו המשוואות המקורבות מסובכות עד־כדי־כך שעד עתה, הן נפתרו רק חלקית.

ובכל זאת הם שואבים השראה משורה של פריצות דרך במחצית השנייה של שנות התשעים - פריצות דרך שסיפקו תשובות לשאלות תיאורטיות אשר היו עד אז קשות במידה שקשה להשיגה בדמיון - שכן אלה מעוררות את הרושם כי ההבנה הכמותית השלמה של תורת המיתרים הרבה יותר קרובה מכפי שחשבו תחילה. פיסיקאים ברחבי העולם מפתחים שיטות חדשות ורבות־עוצמה לגבור על הדרכים המקורבות הרבות מספור שבהן הלכו עד כה, ומצרפים יחדיו במאמץ משותף את מרכיביו הנבדלים של תצרף תורת המיתרים, בקצב מרנין־לב.

למרבה ההפתעה, ההתפתחויות הללו מאפשרות לנו להשקיף מנקודות־ראות חדשות לגמרי על אחדים מהיבטי התיאוריה שכבר נוסחו לפני זמן־מה, ולפרש אותם מחדש. לדוגמה, שאלה מתבקשת שאולי עלתה על דעתכם למראה תרשים 1.1 היא, למה מיתרים? למה לא דיסקות פריסבי קטנות? או אולי גושים מיקרוסקופיים חסרי־ צורה? כפי שנראה בפרק 12 , התובנות החדישות ביותר מראות כי הסוגים האחרים האלה של מרכיבים אכן ממלאים תפקיד חשוב בתורת המיתרים, שכן הם גילו כי היא אינה אלא חלק מסינתזה גורפת עוד יותר, הקרויה כיום בשם (המסתורי למדי) תיאוריית־אם. בהתפתחויות החדישות הללו יעסקו הפרקים האחרונים של הספר.

ההתקדמות המדעית מתנהלת למקוטעין. יש תקופות מלאות וגדושות בפריצות דרך חשובות; בזמנים אחרים נקלע המחקר לבצורת. מדענים מציגים תוצאות תיאורטיות וניסיוניות כאחת. התוצאות עולות לדיון ברחבי הקהילה, לפעמים נפסלות, לפעמים מתוקנות ולפעמים מספקות נקודות מוצא ברוכות־השראה לדרכים חדשות ומדויקות יותר להבנת היקום הפיסיקלי.

במילים אחרות, המדע מתקדם בנתיב זיגזג לעבר האמת שהיא העליונה מכול, לתקוותנו - בדרך המתחילה בניסיונותיה הראשונים של האנושות לתהות על קנקנו של הקוסמוס, ואחריתה מי ישורנה. האם תורת המיתרים היא תחנת ביניים בדרך הזאת, נקודת מפנה חשובה, או אפילו היעד הסופי? איש אינו יודע. אבל עשרות השנים האחרונות של מחקר, בהשתתפות מאות פיסיקאים ומתימטיקאים מארצות רבות, מעניקות לנו תקווה מבוססת היטב שאנו נמצאים על הדרך הנכונה, ואולי כבר הגענו לישורת הסופית שלה.

על צביונה העשיר ורחב האופקים של תורת המיתרים מעידה כאלף עדים העובדה שאפילו ברמת ההבנה הנוכחית שלנו, אנו רוכשים ממנה תובנות חדשות ומרשימות על דרכי פעולתו של היקום. את חוט השני בהמשך דברינו יוצרות אותן התפתחויות הממשיכות ומקדמות את הבנת המרחב והזמן שראשיתה בשתי תורות היחסות של איינשטיין, הפרטית והכללית. כפי שנראה, אם נכונה תורת המיתרים, הרי שמארג יקומנו מחונן בתכונות שהיו מסחררות אפילו את ראשו של איינשטיין.