Opowieść o teorii superstrun

Jak funkcjonuje wszechświat? Z czego jest zbudowany? Czy znamy jego naturę? Chyba każdy z nas zastanawiał się nad przynajmniej jednym z tych fundamentalnych pytań. We wcześniejszych tekstach starałem się pokrótce przedstawić zarys tego, jakich odpowiedzi na te kwestie udzielali najwybitniejsi uczeni w dziejach. Każdy z nich w jakiś sposób przybliżył ludzkość do złamania tego kosmicznego kodu, lecz żaden nie znalazł pełnej odpowiedzi. Pojawiły się uzasadnione wątpliwości: Czy człowiek jest dostatecznie rozwiniętą istotą aby zrozumieć główną zasadę wszechświata? Jak się okazuje, spore grono naukowców stoi na stanowisku, iż teoria wszystkiego znajduje się w naszym zasięgu. Wszystko za sprawą stosunkowo młodej teorii, łamiącej dotychczasowe wyobrażenie o fizyce. Zgodnie z nią, dosłownie wszystko, od nas samych, poprzez planety i gwiazdy, aż po oddziaływania, zbudowane jest z tego samego składnika - niesamowicie małych i elastycznych strun energii. 

ACHTUNG! To już trzecia część serii, więc wypada mi podziękować wszystkim, którzy komentowali te wypociny, a także tym, którzy choć próbowali je czytać.

Szczęśliwy traf

Wszystko zaczęło się w roku 1968, gdy młody fizyk pracujący w CERN-ie, Gabriele Veneziano, pracował nad wyjaśnieniem oddziaływań silnych, łączących cząstki elementarne wewnątrz jądra atomu. Podczas wielotygodniowego ślęczenia nad książkami, wpadł mu w oko wzór, znany jako funkcja beta Eulera. Ku zdziwieniu Veneziano, relikt XVIII-wiecznej matematyki zdawał się świetnie opisywać oddziaływanie silne! Nie wiedział do końca dlaczego archaiczna formuła wydaje się jakby stworzona do jego problemu. Odpowiedź znaleźli niezależnie od siebie Yoichiro Nambu oraz Leonard Susskind. Oba nazwiska warto zapamiętać. Ten pierwszy, obdarzony nazbyt skromnym charakterem, nie pchał się na pierwsze strony gazet, przez co bywa często pomijany w opracowaniach jak i przy rozdawaniu nagród. Susskinda natomiast powinien kojarzyć każdy zainteresowany czarnymi dziurami, ponieważ wygrał on ważną batalię z samym Stephenem Hawkingiem*. W każdym razie obaj badacze, na podstawie odkrycia Gabriele Veneziano, ukuli podstawowe równania dla nowej teorii. Cechowały się one przede wszystkim tym, że ich przedmiotem nie były punktowe cząstki, a coś co nazwano strunami. Owe twory drgały przenosząc oddziaływania silne między cząstkami.

Profesor Susskind

Czy Veneziano, Nambu i Susskind zostali okrzyknięci duchowymi spadkobiercami Newtona, Einsteina i Heisenberga? Nie. Świat fizyki uznał nową teorię za wspaniałą abstrakcję w istocie niemającą nic wspólnego z rzeczywistością. Posiadała ona kilka matematycznych problemów, zakładała możliwość istnienia całej gamy cząstek (w tym zbędnych grawitonów, fotonów, a nawet tachionów podróżujących szybciej niż światło) i wreszcie... Zdawała się najbardziej sensowna dopiero w 26 wymiarach. Trzeba przyznać, że Teoria Strun faktycznie mogła się wydawać nieco zbyt nowatorska jak na lata 60'. Gwóźdź do jej naukowej trumny wbili Weinberg oraz Salam, wraz ze swym Modelem Standardowym.

Green i Schwarz odkopują trupa

Struny wylądowały na cmentarzysku historii nauki. Na szczęście nie wszyscy je przekreślili - kilku badaczy wciąż dostrzegało w oryginalnej teorii ogromny potencjał. Przełom nastąpił w połowie lat 70'. Wtedy to młody badacz, John Schwarz, w przebłysku geniuszu zrozumiał, że struny są wykorzystywane w błędny sposób. To nie jest koncepcja wyjaśniająca funkcjonowanie oddziaływania silnego, a teoria obrazująca stosunki między wszystkimi siłami występującymi w przyrodzie! To była bomba. Wszystkie bolączki strun nagle okazały się ich zaletami. Schwarz podekscytowany odkryciem, szybko wciągnął do badań swojego kolegę - Michaela Greena. Obaj kontynuowali pracę z dala od blasku reflektorów, w cieniu innych odkryć, dzięki czemu mogli w spokoju eliminować wszelkie problemy. Wreszcie, po wielu latach intensywnych badań, w roku 1984 Schwarz i Green opublikowali swoją wersję zapomnianej Teorii Strun, tym razem jako potencjalnej teorii wszystkiego. Artykuł spowodował istne naukowe trzęsienie ziemi, a liczba entuzjastów strun wzrosła z kilku do kilkuset i do dzisiaj stale rośnie. Wszyscy młodzi i ambitni adepci fizyki oraz starsi lecz wciąż wierzący w możliwość zrealizowania marzenia Einsteina, prześcigali się w pomysłach na wykorzystanie strun w celu zunifikowania praw fizyki.

Ci, którzy mają za sobą lekturę dwóch poprzednich części tego cyklu, wiedzą na czym polegał problem. Do tej pory nauce udało się objąć trzy spośród czterech sił uznawanych za podstawowe - oddziaływanie silne, oddziaływanie słabe oraz elektromagnetyzm. Poza tak zwanym Modelem Standardowym wciąż znajduje się zjawisko, zdawałoby się najbliższe nam wszystkim - grawitacja. Siła powodująca powszechne ciążenie, świetnie opisana przez ogólną teorię względności, nie przypomina w żadnym elemencie sił pozostałych. Grawitacja, zgodnie z zamysłem Einsteina, tworzyła świat uporządkowany, zrozumiały i do bólu przewidywalny. Odkryta później mechanika kwantowa, korzystająca z elektromagnetyzmu, oddziaływania słabego oraz silnego, to zupełnie inna para kaloszy. Zgodnie z nią, świat cząstek subatomowych jest zwariowany i zmienny, a jedyne co może zrobić człowiek to obliczyć prawdopodobieństwo spodziewanego zdarzenia.

Obie teorie - teoria względności oraz mechanika kwantowa - opisują ten sam wszechświat i obie świetnie się sprawdzają, jednak są kompletnie przeciwstawne. Zdaniem wielu tą kuriozalną sytuację może wyjaśnić jedynie Teoria Strun.

Piękno w fizyce

Schwarz i spółka proponują nam całkowicie nowe spojrzenie na wszechświat. Oto w jaki sposób. Teoria Strun zakłada, że gdyby człowiek potrafił zajrzeć daleko w głąb cząstki elementarnej, takiej jak elektron, neutrino czy kwark, ujrzałby maleńki, nieprzerwanie drgający kosmyk energii. Wszystko w swej istocie jest więc złożone z tego samego budulca - od DNA w naszym ciele, przez wodór w gwiazdach, aż po samą sieć przenoszącą oddziaływania grawitacyjne. Skąd więc cała kosmiczna różnorodność? Kluczem jest podstawowa właściwość strun, a więc jej drgania. Niczym struna gitary, zależnie od szarpnięcia zmienia ona ton, a więc swoje właściwości. Pięknej metafory użył Michio Kaku: [rodzaje cząstek] Nie są niczym innym, jak różnymi nutami wygrywanymi na superstrunie. Harmonia tej struny to prawa fizyki. Struny wchodzą również w interakcje z innymi strunami, czego przejawem są znane nam siły podstawowe. To oznacza, że ewentualne szarpnięcie struny wewnątrz fotonu mogłoby spowodować, że zamiast elektromagnetyzmu, nosiłby on oddziaływanie grawitacyjne. Kolejne szarpnięcie i z grawitonu powstałoby neutrino. Jeszcze jedno i mamy kwark.

Moim zdaniem największym osiągnięciem teorii jest sam zamysł zamiany punktów na struktury rozciągłe. Ta koncepcja przetrwa, nawet jeżeli sama Teoria Strun znów wyląduje w koszu. Zwróćmy uwagę, że fizycy wreszcie przełamali wielowiekowy paradygmat punktowej cząstki jako podstawowego składnika wszechświata. Z wielu powodów w umyśle człowieka zarysował się obraz atomu o kształcie kulistym, składającego się z mniejszych kulek - elektronów, protonów czy neutronów. Teoretycy strun zwrócili uwagę na podstawowy fakt: To, że widzimy punkt, nie oznacza, że w przybliżeniu będzie on nadal punktem. Kiedy spojrzymy z ogromnej wysokości na ziemię, to ujrzymy mnóstwo poruszających się po niej punktów. Jeśli się jednak do nich zbliżymy to zaczniemy widzieć co raz więcej szczegółów ich budowy, a punkt okaże się człowiekiem, zwierzęciem bądź jeszcze innym obiektem. Analogicznie, struny w założeniu są bardzo, bardzo małe, ponad miliard razy mniejsze od protonu, toteż nie powinno dziwić, że jedyne co widzimy pod mikroskopem elektronowym, to punkty. (Aby uświadomić sobie rozmiar struny, polecam użycie tej animacji i zejście na sam "dół"). Naturalnie, za tą niemalże genialną prostotą czai się gąszcz niezwykle skomplikowanych równań. Mimo to nie da się zaprzeczyć - mamy okazję podziwiać czystą elegancję w naukowym opakowaniu.

Struna, strunka, struneczka

Jak już zdążyliście zauważyć, świat nauki nie lubi być stały, a wszystko kręci się dzięki ludziom czepialskim, drobiazgowym i ciągle szukającym dziury w całym. Teoria Strun również posiadała(posiada) kilka słabych punktów, w które bez skrupułów uderzają sceptycy. Największym było bez wątpienia... bogactwo. Po raz kolejny okazało się, że teoria jest aż zbyt piękna i elastyczna. Do tego stopnia, że fizycy znaleźli aż 5 sposobów na użycie jej do zunifikowania praw przyrody. Oprócz tego wielu naukowców nadal nie jest przekonanych do jednego z głównych założeń Teorii Strun - nadprogramowych wymiarów przestrzennych. To jednak materiał na inną opowieść**.

* Chodzi o zasadę holograficzną, o której nie omieszkam wspomnieć, jeśli kiedyś przyjdzie mi pisać o czarnych dziurach. Dodany obrazek
** To czy powstanie cz. 4 zależy jedynie od poczytności.