Opowieść o teorii wszystkiego

Miałem szczery zamiar zejść na jakiś czas ze sceny forumowej, ale pewna rzecz nie daje mi spokoju. Obiecałem kilku osobom, a także samemu sobie, że popełnię wpis na temat, który nieustannie zaprząta mi głowę już od kilku lat. Jeśli byliście zawiedzeni cyklem "Kwanty nie do ogarnięcia", to i tak proszę o danie mi jeszcze jednej szansy. Tym razem bowiem, moim celem będzie zainteresowanie jak największej liczby nieuświadomionych osób, najważniejszą teorią nad jaką pracują obecnie badacze, a być może najpotężniejszą teorią w historii nauki.

Uwaga! Jeśli tekst Cię zainteresuje, to być może wejdziesz na nową drogę intelektualnego życia. Jeśli zaś nie, to przynajmniej dowiesz się czegoś co zaprocentuje w szkole lub przy rozwiązywaniu krzyżówki.  

  

Dlaczego Theory of Everything?

Na wstępie muszę ostudzić emocję tych, którzy spodziewają się, iż po przeczytaniu tych kilku tysięcy słów będą mogli już brylować w tematach poświęconych Teorii Strun. Właściwie po tym odcinku nie będziecie wiedzieli niemal nic na temat samych strun, membran i M-Teorii. Jedyne co mogę teraz zdradzić, to to, że Teoria Strun to główna, a właściwie jedyna poważna kandydatka na tzw. Teorię Wszystkiego. Chcąc nie chcąc, aby dobrze wyjaśnić wagę tego zagadnienia jestem w obowiązku rozpocząć od historyjki streszczającej pokrótce dzieje najważniejszych odkryć naukowych, a jednocześnie tłumaczącej skąd w ogóle wziął się pomysł na poszukiwanie Teorii Wszystkiego (Theory of Everything, TOE). Co w ogóle badacze rozumieją przez Teorię Wszystkiego? Każdy słyszał o teorii ewolucji, teorii Wielkiego Wybuchu, teorii gier, czy wreszcie bardziej nas interesujących, teorii kwantów i teorii względności. Każda jest zbiorem idei tłumaczących pewne zjawiska. Nasuwa się tu oczywiste pytanie - co więc powinna opisywać Teoria Wszystkiego? Otóż TOE to Święty Graal nauki, zasada od której człowiek będzie w stanie wyprowadzić wszystkie fundamentalne prawa rządzące znanym nam wszechświatem. Gra jest warta świeczki. Osoba, która odkryłaby tą kosmiczną regułę zapewniłaby sobie wieczną chwałę, i naturalnie nagrodę Nobla. Einstein powiedziałby, iż ten kto odnotuje Teorię Wszystkiego, będzie na najlepszej drodze do poznania myśli Boga. Aby osiągnąć to jedno podstawowe równanie, fizycy muszą w szczególności doprowadzić do unifikacji czterech głównych sił rządzących wszechświatem - grawitacji, elektromagnetyzmu, oddziaływań silnych i oddziaływań słabych. Pewne kroki w tym kierunku są od dawna czynione i to na nich chcę się skupić w dalszej części tekstu.

Izaak Newton i jego jabłko

Wszystko rozpoczęło się w Anglii, w latach 60' XVII stulecia, kiedy to młodemu uczonemu - Isaacowi Newtonowi - spadło jabłko na głowę. Oczywiście, jak to często bywa, historia o jabłku to jedynie pewien symbol, a prawda jest nieco bardziej złożona. W rodzinnych stronach naukowca wybuchła zaraza i ten siedząc w domu miał mnóstwo czasu aby snuć swoje oryginalne przemyślenia. Nie było żadną tajemnicą, że kamień rzucony do góry musi spaść. Anglika trapił jednak, związany z tym ogromny problem: Dlaczego ciała niebieskie nie spadają? Był to jeszcze czas silnych wpływów religii, a co za tym idzie tłumaczenia sobie większości zjawisk w sposób mistyczny. Newton, choć nigdy tak naprawdę nie stanął w opozycji do wiary, nie był usatysfakcjonowany nieracjonalnymi odpowiedziami. Wystarczył przebłysk geniuszu (być może faktycznie coś spadło na głowę) - nawet na ciała niebieskie, typu Księżyc, działa ta sama siła przyciągania, którą odczuwają wszystkie przedmioty na naszej planecie. Nie spada on jednak, gdyż znalazł się na orbicie pod odpowiednim kątem, a krzywizna planety powoduje, że Księżyc będzie ją nieustannie okrążał! W uproszczeniu, newtonowską grawitację można sobie wyobrazić jako sznur trzymający przy sobie wszystkie obiekty, z siła zależną od masy i odległości między tymi obiektami. Konkretniej, jeśli dwa przedmioty oddalone od siebie o kilometr przesuną się na odległość dwóch kilometrów, będą się przyciągać z siłą cztery razy mniejszą niż uprzednio. Isaac Newton w tym momencie odkrył jedną z fundamentalnych zasad wszechświata - prawo grawitacji. Tłumacząc w sposób naukowy, że takie same siły oddziałują na każdy obiekt, od ziarnka piasku po gwiazdy, połączył on fizykę Ziemi z fizyką nieba. Naukowiec z miejsca stał się bohaterem, ojcem fizyki, a nawet osobą w pewien sposób nietykalną. Choć miał wielu wrogów i wraz z wiekiem prowadził coraz bardziej burzliwe życie, to jednak uzyskał tytuł szlachecki, stanowisko przewodniczącego Towarzystwa Królewskiego w Londynie i wyznaczył naukowe trendy na następne 300 lat. Jak się po tym czasie miało okazać, newtonowski model grawitacji zawierał pewne braki.

Kompas pana Maxwella

Następny krok ku rozszyfrowaniu kodu wszechświata znowu został postawiony na Wyspach Brytyjskich. Tym razem nie Anglik, a nieznany Szkot - James Maxwell - obrał sobie za cel zrozumienie praw przyrody. Jak już wspomniałem, Newton i jego grawitacja, były przyjmowane jako pewnik, toteż uczeni pracowali nad innymi dziedzinami. Maxwell wziął pod lupę dwie obserwowalne, a jednak tajemnicze siły: elektryczność i magnetyzm. Ówcześni sądzili, że magnetyzm obracający igła kompasu oraz elektryczność powodująca błyski podczas burzy to zupełnie oddzielne sprawy. James Makxwell pozwolił sobie na niezgodzenie się z tą opinią i postawienie twierdzenia jakoby te dwie siły były ze sobą nierozerwalnie sprzężone. Nawet laik może poddać weryfikacji tę teorię. Wystarczy obserwować działanie kompasu podczas burzy i zwrócić uwagę jak igła zamiast wskazywać do znudzenia północ, zaczyna wariować (miota nią jak Szatan), poddana działaniu silnego ładunku elektrycznego. Szkot o tym wiedział, jednak wciąż było mu mało i dalej badał strukturę tego zjawiska.

W końcu Maxwell wpadł na pomysł, że elektryczność i magnetyzm należy rozważać jako wzajemnie przenikające się pola sił. Można to sobie wyobrazić jako falę, której grzbiet wywołuje pole elektryczne, wytwarzające z kolei przez swoje drganie pole magnetyczne, które znów tworzy pole elektryczne. Aby jeszcze lepiej zobrazować problem skorzystam z przykładu M. Kaku: Wyobraźmy sobie, na przykład, długi rząd kostek domina. Potrącenie pierwszej kostki spowoduje oczywiście kaskadową falę padających na siebie kostek. Przyjmijmy wszakże, że ten rząd składa się z kostek białych i czarnych, ustawionych na przemian. Jeśli usuniemy wszystkie czarne domina, wówczas fala nie będzie już mogła się rozchodzić (oczywiście, jeśli kostki nie stoją zbyt blisko siebie). Aby powstała rozchodząca się fala, nieodzowne są, i białe, i czarne domina. Elektryczność i magnetyzm mieszają się ze sobą, co szkocki fizyk udokumentował za pomocą czterech stosunkowo prostych równań. W ten oto sposób, obie siły zostały zunifikowane w jedną - elektromagnetyzm. Nie można również zapomnieć, że przy okazji Maxwell dokonał innego odkrycia. Oto, towarzyszące nam od zawsze światło zostało wreszcie konkretnie zdefiniowane - jako fala elektromagnetyczna. Pojawił się tu jednak spory problem, który ówcześnie był jeszcze pomijany. Prędkość światła nie zależy od prędkości z jaką porusza się źródło, a co za tym idzie prędkość ta jest taka sama dla różnych obserwatorów. Zatem z równań Jamesa Maxwella wynika, że dla obiektu poruszającego się z prędkością bliską fali światła... Czas będzie zwalniał!

Co z sir Izaakiem?

Nie licząc tego, że stwierdzenie o zwalnianiu czasu musiało brzmieć w XIX wieku jak majaki niedorozwiniętego, był to zamach na świętą teorię Sir Isaaca Newtona. Jak pisałem wcześniej, dla Anglika wszystkie ciała oddziaływały na siebie niczym uwiązane niewidzialnymi sznurami. Gdyby przeciąć sznur między Ziemią a Słońcem, bądź usunąć Słońce, to nasza planeta powinna natychmiast podryfować w przestrzeń kosmiczną. Ujmując sprawę inaczej - mistrz nie przewidywał aby czas miał tu jakiekolwiek znaczenie, gdyż ten powinien być niezmienny i równy dla wszystkich. Pojawiła się jednak osoba, która stwierdziła, że wszechświat nie działa bez ograniczeń, a grawitacja i światło mają nieco inną naturę niż dotychczas przewidywano.

Albert Einstein miał dość trudną i ubogą młodość. Dobrze wykształcony i niesamowicie inteligentny, nie mógł długo znaleźć godnej pracy i ostatecznie wylądował w urzędzie patentowym. Choć nie było to marzenie geniusza, to jednak miał on dzięki temu mnóstwo czasu na pracę nad własną teorią naukową. A teoria była to poważna, mająca wkrótce wstrząsnąć nauką w posadach i tak potężna, że wyjaśni dziesiątki procesów i zjawisk. Swoją pracę rozpoczął od przemyśleń na temat światła. Czy pierwszym prawem dynamiki Newtona można objąć światło? A czy efekty grawitacyjne poruszają się z nieskończoną prędkością, większą niż promień świetlny? Według Einsteina odpowiedzi  na te pytania, musiały być negatywne. Prędkość światła jest niezmienna i niezależna od względnego ruchu źródła lub obserwatora. Jeśli weźmiemy dwa samochody jadące z prędkością 100 km/h, to jak łatwo się domyśleć, zderzą się one z prędkością 200 km/h. Światło zachowa się inaczej. Dwa fotony podróżujące z prędkością 300 tys. km/s, nie zderzą się z prędkością 600 tys. km/s, a właśnie 300 tys. km/s. To kosmiczne ograniczenie szybkości, którego nic nam znanego nie może przekroczyć (hipotetyczna cząstka, szybsza od fotonu, a więc mogąca poruszać się w czasie, nosi nazwę tachionu). Owy tekst nie traktuje jednak o samych ideach Einsteina, dlatego też skrócę jego myśl do minimum. Z absolutnej prędkości światła, z uwzględnieniem siły ciążenia wynikła znana wszystkim szczególna teoria względności. Jej implikacjami są m.in. relatywność czasu (dylatacja), spłaszczanie obiektów zbliżających się do prędkości światła (kontrakcja), połączenie czasu oraz przestrzeni i wreszcie utożsamienie masy z energią (co wyraża najbardziej znany wzór w historii).

Najważniejszym wnioskiem jest ten pierwszy - czas jest względny i w dziwny sposób łączy się z przestrzenią. Na tej podstawie geniusz Einsteina kontynuował swój pochód, w formie ogólnej teorii względności. Wracając do eksperymentu myślowego z usunięciem Słońca: Newton twierdził, że Ziemia od razu "zerwałaby się" i odleciała. Dla Szwajcara było to nie do przyjęcia. Ziemia mogłaby opuścić orbitę najszybciej po 8 minutach, tyle czasu bowiem potrzebuje światło by przebyć 150 mln km dzielących nas od Gwiazdy Dziennej. Taki pomysł wymagał zreformowania dawnego modelu grawitacji. Einstein podjął wyzwanie i powalił wszystkich na kolana elegancją swojego pomysłu. Wyobraził on sobie czasoprzestrzeń jako rozciągnięte płótno, na którym spoczywają wszystkie obiekty. Czym cięższe ciało, jak np. Słońce, tym większe zagłębienie wokół siebie tworzyło. Mniejsze przedmioty natomiast, mogą w te doliny wpadać, jakby były przyciągane. Grawitacja nie jest więc niewidzialną liną jak u Newtona, a zniekształceniem wymiarów czasoprzestrzeni, wywołanym obecnością masy. W ten sposób ogólna teoria względności przewidziała istnienie czarnych dziur, rozszerzanie się wszechświata i zakrzywienia promieni świetlnych pod wpływem grawitacji, do dziś idealnie opisując działanie świata makroskopowego.

I wtedy wkraczają kwanty

Nazwisko Alberta Einsteina trafiło na czołówki gazet i jest rozpoznawane chyba przez każdą osobę na Ziemi. Według mnie nauka nie mogła sobie wymarzyć lepszej ikony. Za sam pomysł sprzężenia ze sobą czasu i przestrzeni, a zaraz za tym energii i materii, Einsteina można śmiało uznać za najtęższy umysł w historii. Geniusz, nie spoczął na laurach i ostatnie kilkadziesiąt lat spędził w swoim domu w Princeton, szukając... Teorii Wszystkiego. Einstein był pewny, że jest już blisko, i wystarczy aby znalazł sposób na połączenie swojej teorii względności z elektromagnetyzmem Maxwella. Przewidywany przezeń wzór wyjaśniałby wszystkie procesy jakie interesują fizyków. Niestety, na drodze stanęła mu nowo rodząca się nauka. Wszystkich poważnych naukowców połowy XX wieku, pochłonęła praca nad fascynującą teorią opisującą zdarzenia jakie mają miejsce wewnątrz atomów - mechaniką kwantową. Einstein i jego poszukiwania śladów wielkiej unifikacji pozostały w cieniu. Jak sam stwierdził: Muszę przypominać strusia, który wiecznie chowa głowę w relatywistycznym piachu, żeby nie spotkać złych kwantów. Wkrótce ziściły się najgorsze obawy Alberta Einsteina - nowatorska mechanika kwantowa zupełnie nie współgrała z jego teorią względności.

C.D.N.

Tekst ukazał się pierwotnie tutaj, 21 czerwca 2011.