2017-04-27
Autor: nTimes

Teoria Strun czyli w poszukiwaniu Świętego Graala fizyki

solar-system-11188_640

Teoria ta zwana też bywa teorią wszystkiego lub teorią ostateczną. Jej twórcy i zwolennicy nazywają ją „symfonią Wszechświata”, a przeciwnicy…pytają o dowody.

Chętnie określana jest też jako teoria z przyszłości, która odbyła podróż w czasie (wstecz) i tylko przypadkiem „objawiła się” w XX wieku. Mówimy o objawieniu, bo nawet specjaliści przyznawali, że nie do końca ją rozumieją.

Z pewnością jednak, teorii, która wyjaśniałaby WSZYSTKO, tłumaczyła znany nam świat poszukiwano od zawsze.

W czasach nowożytnych pierwszą taką próbę podjęto w XVII – wiecznej Anglii.

„Praw natury nie jest wiele, wszystkie są proste i symetryczne.

To rzeczywistość jest skomplikowana” – taka idea przyświecała badaczom wówczas; wielu podziela to zdanie i dziś.

 

Zaczęło się od jabłka…

To spadające jabłko, według legendy, podsunęło Newtonowi w 1687 roku ideę grawitacji. Wydawałoby się, że tłumaczy ona „wszystko”, ale już jej autor wiedział, że ma ona „dziury”. Kłopot sprawiał Merkury, który nie zachowywał się jak „powinien”; nie tylko nie obracał się wokół własnej osi, jak pozostałe planety, ale w dodatku jego orbita również „nie pasowała” do teorii Newtona.

A więc nie wyjaśniała ona wciąż naszego świata w pełni.

Na odkrycie tajemnicy Merkurego trzeba było czekać ponad 200 lat – wyjaśnił ją dopiero Einstein. Jego teoria względności wytłumaczyła   anomalie ruchu planety, przedstawiając je jako rezultat ugięcia czasoprzestrzeni spowodowanego przez tak ogromny obiekt jak Słońce w bardzo niewielkiej odległości.

Różnica pomiędzy obydwoma wielkimi uczonymi polega na tym, że Einstein odkrył istotę grawitacji, mechanizm jej powstawania, a  Newton tylko stwierdził sam fakt jej istnienia.

Według Einsteina, gdyby nie istniała materia, przestrzeń byłaby płaska. W momencie pojawienia się tej pierwszej, przestrzeń zostaje zakrzywiona. Wskutek tego Ziemia i pozostałe planety okrążają Słońce, po powstałych w ten sposób „dolinach”. One z kolei również powodują ugięcia przestrzeni wokół siebie, a po utworzonych w ten sposób „zagłębieniach” krążą ich satelity (np. Księżyc)

Ale teoria o zakrzywieniu przestrzeni przedstawiająca świat z czterema wymiarami również nie jest teorią wszystkiego. Wyjaśnia, co prawda, zjawiska zachodzące w Kosmosie, ale nie tłumaczy tego, co dzieje się wewnątrz atomów.

 

Porządki w cząsteczkowym ZOO

giraffe-901009_640

Do roku 1870 atom uważany był za najmniejszą, nie dającą się podzielić cząstkę materii. Stopniowo poznawaliśmy coraz więcej „najmniejszych cząstek”. Ten rosnący wciąż zbiór w latach 60. XX wieku został ochrzczony przez fizyków nazwą „cząsteczkowego ZOO”.

Dzisiaj wiemy, że z trzech komponentów atomu tylko elektrony są faktycznie cząsteczkami elementarnymi. Pozostałe – protony i neutrony – można dzielić nadal na jeszcze mniejsze cząstki – kwarki.

Mało tego – okazało się, że prawa obowiązujące w świecie subatomowym są inne niż te dotyczące jabłek spadających z drzew, czy nawet planet.

W dodatku nowe reguły nie są tak jednoznacznie przewidywalne, jak dwie poprzednie.

W fizyce kwantowej cząstki nie przebywają w określonych miejscach. Możemy jedynie określić prawdopodobieństwo ich znalezienia się w jakiejś konkretnej lokalizacji.

Konsekwencję przyjęcia tego założenia są bardzo poważne – świat miałby być zasadniczo tworem „nie do końca określonym”.

 

Dwie teorie dla dwóch światów

Czy to w ogóle jest możliwe? Co prawda dla zwykłych zjadaczy chleba w życiu codziennym ta okoliczność ma niewielkie, albo nawet żadne znaczenie, ale uczonym wręcz spędzała ona sen z powiek.

Richard Feynman, (1918-1988), fizyk kwantowy, (autor słynnego powiedzenia: „Fizyka jest jak seks; pewnie, że może dawać jakieś praktyczne rezultaty, ale nie dlatego to robimy”), przyznawał: ”Sądzę, że mogę spokojnie przemówić w imieniu wszystkich (moich kolegów) – nikt z nas nie rozumie fizyki kwantowej”.

Nie był w tym odosobniony. Również Einsteina niepokoił „brak wyrazistości” teorii kwantowej, mimo, że sam przedstawił ją światu i firmował swoim nazwiskiem.

Najdziwniejsze było to, że przecież w „swoich” światach obydwie teorie doskonale się sprawdzały – w świecie „makro” – teoria grawitacji, a w świecie  „ mikro”- kwantowa. Wielokrotnie to udowodniono i w związku z tym musiano je uznać za prawdziwe.

Mało tego, udało się nawet wykorzystać!

Fizyka kwantowa idealnie wyjaśnia strukturę i zachowanie atomów, łącznie ze zjawiskiem radio-aktywności.

To ona leży u podstaw współczesnej elektroniki i to dzięki niej ten  artykuł mógł ukazać się w tej właśnie postaci.

A jednocześnie ogólna teoria względności pozwoliła na przewidzenie istnienia czarnych dziur, a potem zrozumienie procesu ich powstania i istoty. Wiemy już, że były one ongiś gigantycznymi gwiazdami, które na skutek grawitacji zapadły się „same w siebie”. Ich siła przyciągania jest tak potężna, że nawet światło nie może z nich uciec.

 

Wszystko to wiemy, ale dla uczonych brak kompatybilności tych dwóch teorii wskazywał, że obydwie po prostu nie mogą być słuszne.

Wykluczone jest przyjęcie obrazu świata, w którym w skali „mikro” możemy mówić jedynie o „prawdopodobieństwie zdarzeń”.

To był dowód, na to, że nadal czegoś nie rozumiemy.

Wytłumaczenie zjawiska „czarnych dziur” też okazało się ostatecznie…”dziurawe”, kiedy stało się jasne, że .

teoria względności wyjaśnia historię takich obiektów tylko przed zapadnięciem się gwiazdy. Natomiast co dzieje po, kiedy staje się ona punktem, „ w którym prawa fizyki nie obowiązują” – jak to się elegancko określa, nadal pozostawało zagadką.

(Dodajmy: ZNANE nam prawa fizyki).

Einstein poświęcił 30 lat na jej rozwikłanie, innymi słowy sformułowanie teorii wszystkiego  – i pod koniec życia ten wielki uczony zmuszony był przyznać, że droga, którą obrał prowadziła donikąd.

Dla Einsteina najważniejsze było pogodzenie teorii grawitacji z elektromagnetyzmem. Te dwa rodzaje przyciągania chciał koniecznie przedstawić jako jednolitą teorię pola. W tym celu dodał do swej koncepcji czasoprzestrzeni kolejny, piąty już wymiar, który miał być niewidzialny z powodu mikroskopijnych wymiarów i „zwinięcia”.

Pięć wymiarów okazało się nie wystarczające! Czyżby…potrzeba było ich jeszcze więcej?

 

Nie tylko Einstein

W roku 1919 nieznany niemiecki fizyk, Theodor Kaluza (1885-1954), wystąpił z teorią, że świat może mieć więcej niż znane nam dotąd wymiary. I on, podobnie jak Einstein, zmagał się z problemem wyjaśnienia drugiej zagadki – czyli działania elektromagnetyzmu. Kaluza uważał, że tutaj również musi wchodzić w grę zakrzywienie, problemem pozostawało tylko czego, skoro czas i przestrzeń były już „zajęte”? Idealnie pasowałby kolejny wymiar – po jego dodaniu okazało się, że „wyszło” wówczas od dawna znane równanie opisujące elektromagnetyzm.

Zabieg z dodawaniem wymiarów może wydać się trochę sztuczny. Każdy, kto choć trochę otarł się o filozofię pamięta słynną zasadę angielskiego myśliciela Williama Ockhama (1285-1347) zwane „brzytwą Ockhama”.

Brzmi ono: „Nie należy mnożyć bytów ponad potrzebę”.

Rodzi się też inna wątpliwość, bardziej praktyczna: skąd pewność, że coś takiego jak kolejne wymiary, poza tymi przyjętymi, w ogóle istnieje? Kaluzie pomógł Oskar Klein, (1849-1925) – (stąd teoria, uważana za „wstęp” do teorii strun, nosi nazwę Kaluzy – Kleina) – który wysunął przypuszczenie, że istnieją dwa rodzaje wymiarów – duże, widzialne oraz małe, mikroskopijne, niewidzialne.

Ale „teorii wszystkiego” wciąż nie udawało się stworzyć. Nadal w dwóch światach – „ makro” i „mikro” obowiązywały różne zasady.

Einstein zmarł w 1955 roku. A już w 10 lat później pojawiła się teoria głosząca istnienie nie skromnych 5- ciu, ale…10 wymiarów. I to ona tłumaczy prawa rządzące Wszechświatem. Dodajmy od razu – naszym Wszechświatem. Została ochrzczona nazwą teorii strun,

budząc zrozumiały entuzjazm: „To fizyka XXI wieku, która pojawiła się w dwudziestym stuleciu” – uważa np. Edward Witten z Institute for Advanced Study w Princeton.

Wielu uczonych twierdzi, że jest matematycznie spójna, w związku z czym opisuje nasz Wszechświat i zasługuje na nazwę teorii wszystkiego. Czyżby więc Święty Graal fizyki został odnaleziony?

Jak wyglądają założenia „cudownej” teorii?

 

Prosta jak struna

Sama idea teorii strun jest uderzająco prosta. Według niej podstawową „cegiełką” naszego świata, nie jest wcale cząsteczka (np. elektron), ale struna lub pętla. Jedna i druga jest tak mała, że praktycznie nie posiada masy. Obydwie są też bezwymiarowe, jak punkt, ale zachowują się dokładnie tak jak struny np. gitary – drżą. Częstotliwość tych wibracji zależy od ich rozmiaru.

Dlaczego akurat struny? Znalazło się wielu oponentów, którzy pytali: Czemu nie wirujące bryły, np. kule? Wiemy, że natura lubi się powtarzać. Od czasów Kopernika takim powracającym motywem były orbity (planety, atom). Podobnie z teorią pola – zaczęło się od Faraday’a, powtarza u Maxwella. Pola opisują magnetyzm i grawitację galaktyk. Jak dotąd, dzięki tej teorii udało się opisać wszystkie znane formy materii i energii.

Odpowiedź znalazł Michio Kaku, fizyk, czołowy twórca teorii strun i jeden z jej najbardziej zagorzałych zwolenników i propagatorów:

„ Natura zarezerwowała struny do zadań specjalnych – uważa uczony.

(….) Istotę życia na Ziemi stanowi podobna do struny cząsteczka DNA, zawierająca skomplikowaną informację i kod samego życia. Struny wydają się być doskonałym rozwiązaniem zarówno w przypadku budowy żywej materii, jak i cząstek elementarnych. W obu wypadkach  trzeba zmieścić olbrzymią ilość informacji w stosunkowo prostej, powtarzalnej strukturze. Wyróżniającą cechą struny jest to, że stanowi ona jeden z najbardziej zwięzłych sposobów przechowywania olbrzymiej ilości danych tak, aby możliwe było powielanie informacji”.

 

Ostateczny kres cząsteczkowego ZOO?

Dzięki teorii strun „ZOO cząsteczek elementarnych”, których kolejne odkrywanie taką dumą przejmowało uczonych, przestało istnieć. Okazało się, że wszystkie one są w istocie strunami, a jedyną różnicę miedzy nimi stanowią rozbieżności w częstotliwości drgań.

I właśnie one decydują o tym, czy mamy do czynienia z elektronem, protonem lub inną cząsteczką. Co ważniejsze, struny dokonały tego, nad czym bezowocnie pracował Einstein – pogodziły teorię grawitacji z magnetyzmem. Mało tego – okazało się, że ogólna teoria  względności i kwantową są kompatybilne. 

Nie było to łatwe. Rozwiązaniem miało być znalezienie cząsteczki odpowiedzialnej za przenoszenie grawitacji. Wielu fizyków było przekonanych, że ona istnieje, byli w stanie podać jej cechy – brak masy, szczególny moment spinu, wiedziano też, że porusza się z prędkością światła. Cząstka otrzymała nawet nazwę – „grawiton”; sęk w tym, że nikt nigdy jej nie widział.

I tu weszła triumfalnie teoria strun, głosząc, że grawiton jest po prostu struną. Wszystko idealnie się zgadzało – brak masy, prędkość, a nawet specyficzny moment spinu (czyli wibracji).

Pogodzenie dwóch największych, dotąd sprzecznych, teorii XX wieku spowodowało, że teoria strun stała się wielkim przebojem fizyki w połowie lat 80. ubiegłego wieku.

 

Czego nie tłumaczy teoria strun

Znamy 20 stałych w fizyce: są to m. in. masy elektronów i kwarków, siłę oddziaływania grawitacyjnego. Wciąż jednak nie wiadomo dlaczego akurat taka jest np. ta ostatnia wartość. Uczeni podejrzewają, że odpowiedzi należy szukać właśnie w tych ukrytych, niewidzialnych wymiarach, w zagadce ich budowy. To one miałyby decydować o zasadach rządzących naszym światem.

Przypuszcza się, że dodatkowe wymiary mają skomplikowaną geometrię – przenikają się ze sobą – zarówno w skali makro (Wszechświat), jak i mikro (wnętrze atomu).

Jak wspomniano, to od częstotliwości drgań struny zależy rodzaj materiału jaki ona tworzy, a o niej z kolei decyduje geometria wymiaru.

Gdybyśmy znali ich budowę, poznalibyśmy „nuty” składające się na „symfonię” Wszechświata.

Matematycznie wszystko się zgadza, ale wciąż brakuje dowodu empirycznego.

 

Nadzieja w CERN-ie

Przypuszcza się, że po rozpędzeniu cząstek do prędkości bliskiej prędkości światła dochodzić będzie do ich kolizji. W rezultacie zderzeń pozostałości mogą zostać wyrzucone do innego wymiaru. Dowodem na to, że rzeczywiście tak się stało byłaby mniejsza ilość energii po „wypadku” z udziałem rozpędzonych cząstek, niż przed.

Byłby to wielki dzień nie tylko dla świata fizyki, ale dla nauki i ogólnie nas wszystkich. Stanowiłoby ukoronowanie walki fizyków o teorię wszystkiego – walkę datującą się właściwie od starożytności, od atomów Demokryta, przez jabłko Newtona, czasoprzestrzeń Einsteina, teorię Kaluzy- Kleina do teorii strun. Wreszcie zrozumielibyśmy jak działa Wszechświat! Doświadczenia takie prowadzone są w szwajcarskim CERN –ie.

 

Konkurencja nie śpi

W oczekiwaniu na ostateczne potwierdzenie prawdziwości teorii strun uczeni nieustannie pracują nad kolejnymi. Według jednej z nich, teorii pętlowej grawitacji kwantowej (loop quantum gravity), czasoprzestrzeń ma budowę nieco podobną do tkaniny; z daleka wygląda jak gładka powierzchnia materiału, możemy sobie ją wyobrazić np. jak prześcieradło. Wszystko się zmienia, jeżeli spojrzymy na nie z perspektywy mrówki. Zobaczylibyśmy wtedy, że Wszechświat jest zbiorem bardzo wielu bardzo małych splątanych w pętle „włókien”.

Przez pole o powierzchni jednego centymetra przechodziłyby biliony trylionów trylionów trylionów (jeden i 66 zer) takich włókien.

Ale i ta idea ma zasadniczo słaby punkt – nikt nie jest w stanie jej udowodnić.

Mimo identycznej wady, teoria strun wciąż wychodzi zwycięsko z  konkurencji.

„Jest najbardziej obiecująca” – uważa Philip Candelas (ur. 1951), brytyjski fizyk z Uniwersytetu w Oksfordzie.

Zasadniczym problemem jest według niego fakt, że wciąż zbyt mało wiemy. Dotyczy to nie tylko wiedzy o Wszechświecie, ale również matematyki.

W latach 80. funkcjonowało równolegle aż pięć teorii strun. Okazało się, że wynikało to tylko z różnych spojrzeń na tę samą sprawę. W końcu z tej liczby wyewoluowała jedna – teoria M (M – theory).

Oznaczało to m. in. powrót do klasyki, przypomniano sobie o „brzytwie Ockhama” i poprzestano „tylko” na 10 wymiarach (plus czas), rezygnując z idei dwudziestu sześciu.

Wydawałoby się, że wszystko jest na dobrej drodze, gdy tymczasem prawie natychmiast udowodniono, że z teorii M, można wysnuć ….10 do potęgi 500. kolejnych absolutnie logicznie spójnych teorii  wyjaśniających budowę Wszechświata.

Wbrew pozorom to twierdzenie może być potraktowane niezwykle poważnie i tak właśnie postąpili uczeni. Doprowadziło ich ono do konkluzji, że nasz Wszechświat jest jednym z niewyobrażalnie wielkiej liczby Wszechświatów, z których każdy ma swoją własną, „osobistą” teorię – M. Ta „kolekcja” Wszechświatów nosi nazwę multi -Wszechświata.

 

Zaczęło się od piany

Na początku czasu multi  -Wszechświat miał być czymś w rodzaju gigantycznego obłoku piany złożonym z „bąbelków”. Nasz Wszechświat jest właśnie jednym z nich. Z biegiem czasu wewnątrz nich mogą zacząć się rozwijać kolejne „bąbelki” czyli Wszechświaty. W tej sytuacji stworzenie aktualnego atlasu i przewodnika  multi – Wszechświata to ogromne wyzwanie. W każdym z „bąbelków” obowiązuje przecież inna wersja teorii M!

Teoria strun może opisywać nasz Wszechświat, ale tylko nasz.

Musimy się więc powoli przyzwyczajać do myśli, że coś takiego jak „teoria wszystkiego” po prostu nie istnieje… Na razie przynajmniej.

 

Artykuł powstał we współpracy:

 

161076_proszynski-logo_600

Poznaj Chiny

Artykuły w Kategoriach:

Ziemia Nocą

Teleskop Hubble'a