Opowieść o niezwykłej M-Teorii

Osobliwość. Trudno ją opisać, lecz z całą pewnością możemy stwierdzić, że była znacznie, znacznie gęstsza i gorętsza od wszystkiego co znamy i możemy poznać. W jej wnętrzu nie miały sensu takie pojęcia jak czas i przestrzeń. W dodatku nie istniała grawitacja ani elektromagnetyzm, oddziaływania słabe i silne. Nie istniały nawet budujące nasze ciała atomy i cząstki. Wszystko stanowiło jednolitą papkę o olbrzymiej masie i energii. Nastąpił jednak przełom - osobliwość z nieprawdopodobną prędkością zaczęła się rozszerzać i ochładzać, tak że w końcu wyodrębniły się: przestrzeń, czas, materia i oddziaływania. Po ponad 13 miliardach lat wszechświat stał się zdatny do powstania organizmów świadomych, mogących zadawać fundamentalne pytania.  Dziś te zuchwałe istoty pragną zgłębić tajemnice natury oraz znaleźć pojedynczą odpowiedź na pytania o początek, zasady funkcjonowania i wreszcie koniec wszechświata. Czy rzeczywiście mamy szansę na odkrycie teorii ostatecznej? Co może nam ona zaoferować? Czy nasz wszechświat jest jedynym? Czy dojdzie do kolejnego w historii przewrotu w sferze rozumienia rzeczywistości?

Strunowy Einstein

Na przełomie lat '80 i '90 Teoria Strun robiła prawdziwą furorę. Kosmyki energii o długości mniejszej niż 10^-31 metra zdawały się uniwersalnym rozwiązaniem zdecydowanej większości problemów trapiących fizykę. Wiadomo było jak działają siły natury, z czego zbudowana jest materia, a nawet zaczęto snuć domysły na temat przyczyn Wielkiego Wybuchu. Struny skrywały jednak pewną wstydliwą tajemnicę. Teoria była tak elastyczna, że na jej podstawie stwierdzono aż 5 różnych modeli opisujących funkcjonowanie naszego świata. W ten sposób powstały Teorie Strun: typu I, typu IIA, typu IIB, heterotycznej O(32) i heterotycznej E(8)xE(8). Owe typy cechowały te same podstawy, przede wszystkim to, że każdy potrzebował 10 wymiarów. Jak jednak wiadomo diabeł tkwi w szczegółach. Naukowcy nie byli zgodni co do wyboru sposobów włączenia symetrii, kształtu strun, równań opisujących ich drgania i wielu istotnych drobnostek matematycznych. W tych okolicznościach Teoria Strun znów zaczęła budzić silny sceptycyzm. Zamiast rozwiązań zagadek wszechświata, pojawiły się dziesiątki nowych pytań. Przede wszystkim: Czy może istnieć kilka różnych zasad, które opisują ten sam kosmos? Myślę, że większość z nas skłaniałaby się ku odpowiedzi przeczącej. Może więc natura mogłaby funkcjonować wedle każdej z pięciu teorii, lecz w rzeczywistości korzysta tylko z jednej? To stwierdzenie też budzi sprzeciw, bo jeśli jest prawdą, to dlaczego natura "wybrała" akurat tą jedną, a cztery pozostałe odrzuciła? I dlaczego teorii wszystkiego miałoby być 5, a nie 6, 10 bądź 100? Fizyka, jako nauka ścisła, bardzo nie lubi takich dylematów. Teoria Strun już kiedyś wylądowała na śmietniku i był potrzebny cud do jej reinkarnacji. Tym cudem było to, że wbrew wszelkim przeciwnościom, tacy badacze jak John Schwarz i Michael Green wciąż ryzykowali swoje kariery dla potencjalnej teorii wszystkiego. Na ich szczęście, przyniosło to wymierne efekty.

Zastój lat '90 zwabił nowe zastępy sceptyków i strunowcy znów potrzebowali bata do ich odgonienia. Na to zapotrzebowanie odpowiedział genialny matematyk - Edward Witten. Aż trudno wyrazić jak wielką wdzięcznością, wręcz czcią, entuzjaści Teorii Strun obdarzają tego człowieka. Ed Witten nazywany jest przez nich najgenialniejszym żyjącym naukowcem, cudownym fizykiem, a nawet następcą Alberta Einsteina. Amerykański matematyk zdobył swoją sławę dzięki błyskotliwemu wystąpieniu na konferencji "Struny '95". Jak wspomina Leonard Susskind: Rzekł kilka słów, które mnie zainteresowały, po czym przez resztę wykładu byłem wciąż zaaferowany jego pierwszymi słowami i kompletnie zgubiłem sens dalszego wystąpienia. Edward Witten w elegancki* sposób dowiódł, że 10-wymiarowe Teorie Strun tak naprawdę są przybliżeniem wyższej, bardziej tajemniczej, 11-wymiarowej teorii. Wykazał, że jeżeli weźmiemy teorię 11-wymiarową i zwiniemy jeden z wymiarów, przekształci się ona w jeden z pięciu typów Teorii Strun. Najprościej mówiąc, okazało się, że każdy z typów był niczym innym aniżeli różnym odbiciem tego samego. Witten nadał swojemu projektowi nazwę M-teorii.

Zapytacie: Co oznacza "M"? Wersji jest tyle, ilu fizyków zajmujących się strunami. Magiczna Teoria, Monstrualna Teoria, Mistyczna Teoria, Teoria-Matka - do wyboru, do koloru. Mi osobiście, najbardziej odpowiada wersja humorystyczna, wyjaśniająca że pierwotnie Witten miał zamiar swoje dziecko nazwać W-Teorią, lecz z uwagi na skromność wywrócił "W" do góry nogami. Najczęściej przyjmowaną wariacją jest jednak Macierzowa Teoria.

Niby gdzie ta hiperprzestrzeń?

Niezwykle trudno uzmysłowić sobie wyższe, nieobserwowalne na co dzień wymiary. Jak pisałem kiedyś we wpisie 2, 3, 4, 5... 11! (polecam tym, którzy szukają rozwinięcia wątku wyższych wymiarów), szansę na poczucie hiperprzestrzeni stanowią siatki czterowymiarowych brył. Tak jak możemy na płasko rozrysować plan sześcianu, tak możemy zaprojektować model hipersześcianu czterowymiarowego (tesseraka), pięciowymiarowego (pentaraka), sześciowymiarowego (heksaraka) itd. Innym sposobem, jest spojrzenie z daleka na jakąś linę bądź rurę. Przy odpowiednim kącie ludzkie oko postrzega taki obiekt niczym dwuwymiarową linię. Dopiero podejście bliżej i inna perspektywa, odsłaniają prawdziwą istotę rzeczy. Te metody, zwłaszcza druga, przekazują nam jedynie namiastkę i uproszczenie, lecz dla mózgów przystosowanych do odbierania 3 wymiarów przestrzennych, jest dobre i to. Jednak nawet gdy będziemy potrafili sobie to wszystko poukładać w umyśle, to i tak 6 dodatkowych wymiarów przewidzianych przez Teorię Strun (w każdym z 5 typów) nigdy nie zobaczymy, bowiem są one bardzo drobno zwinięte. Tak drobno, że właściwie powinienem pisać o podprzestrzeni zamiast nadprzestrzeni.

Dodatkowe wymiary są niezwykle ważne, gdyż to one pozwalają Teorii Strun na unifikację mechaniki kwantowej z Teorią Względności. Einstein uważał, że cała przyroda jest przewidywalna i wszystko można konkretnie obliczyć. Heisenberg, Schrödinger i inni odkryli, że na poziomie subatomowym natura jest zgoła inna, a jedyne na co można liczyć to prawdopodobieństwo. Ślepym zaułkiem okazywała się każda próba skwantowania grawitacji. Ciągle pojawiały się znienawidzone nieskończoności. Co jednak ciekawe, wczesna Teoria Strun również się gryzła z mechaniką kwantową, co owocowało ujemnymi prawdopodobieństwami. Wtedy właśnie pojawiła się idea nowych wymiarów. Jeśli dać strunie więcej swobody, a co za tym idzie, możliwości drgań to w cudowny niemal sposób niewłaściwe wyniki znikają. To uratowało Teorię Strun, ale jednocześnie uzależniło ją od fantastycznego pomysłu nadprogramowych wymiarów.

A to nie tylko struny!

Witten do tej, i tak nielichej liczby dziesięciu, dołożył kolejny wymiar przestrzenny. Jak się bawić, to się bawić. Przecież nawet jeden nadprogramowy wymiar był dostatecznym kontrargumentem dla przeciwników strun, a entuzjaści są przyzwyczajeni do oryginalnych rozwiązań. Do znanych sceptyków należał Richard Feynman, który lubił stosować wobec strunowców słowne zaczepki typu: Cześć! W ilu wymiarach dzisiaj się znajdujemy? Ironią jest to, że niektórzy naukowcy biorący już udział w szalonych projektach, jak mechanika kwantowa, przekreślali niewiele bardziej wariacką Teorię Wszystkiego. Trzeba im jednak wybaczyć, zwłaszcza, że jak się niebawem przekonacie M-Teoria może służyć do snucia jeszcze bardziej fantastycznych i niewiarygodnych scenariuszy. Najpierw muszę zwrócić uwagę na szalenie istotny wniosek płynący z 11-wymiarowej koncepcji Eda Wittena. Obok już nieco oswojonych strun, świeża teoria dawała możliwość bytowania nowym tworom o kształcie błon lub membran, w skrócie ochrzczonych branami. W istocie brany istniały cały czas, lecz w 10 wymiarach można było dopatrzeć się najwyżej ich odcisków. Tak jak hipotetyczna, dwuwymiarowa istota widziałaby jedynie przekrój naszego palca, czyli koło. Analogicznie, gdy jeden z wymiarów zostaje zredukowany, równik membrany staje się struną. Warto również dodać, że same struny mogą mieć strukturę otwartą (większość strun tak właśnie wygląda) lub zamkniętą na kształt pętli. W ten sposób ujawnia się iście plastyczny obraz całej teorii, pełen różnorodnych kształtów i możliwości. Co ważne, naukowcy postulują, że nie każda strunowa struktura musi być zwinięta do rozmiarów subatomowych. Istnieje nawet szansa, że przykładowa brana rozciągnie się na obszar o wielkości... Naszego wszechświata!

Wielki wieloświat

Nieprzypadkowo we wstępie wspomniałem akt powstania świata. Współczesny model Wielkiego Wybuchu jest wystarczający i zgodny z obserwowalnymi dowodami. Nie zawiera on jednak odpowiedzi na nurtującą kwestię: Co spowodowało nagłą inflację? Teoria Strun, jeśli okaże się prawdziwa, może pomóc w znalezieniu zadowalającej hipotezy. Na pewno niektórzy z Was, już wcześniej zadali sobie pytanie: Dlaczego 6 rzekomych wymiarów zwinęło się do rozmiarów znacznie mniejszych niż atom? Strunowa wersja Big Bang zakłada, że istniejąca około 13,7 mld lat temu, pierwotna energetyczna kula nazywana osobliwością, zawierała w sobie wspólnie koegzystujące 10 wymiarów. W pewnym momencie nastąpiło złamanie symetrii i po upływie czasu Plancka** trzy wymiary przestrzenne rozpoczęły ekspansję, podczas gdy pozostałe zachowały swoje mikroskopijne rozmiary. Dlaczego 3 wymiary zaczęły się rozszerzać? Można sobie wyobrazić, że niektóre struny niczym lasso oplatają wymiary, nie pozwalając im się rozwinąć. Ewentualna przypadkowa fluktuacja, mogła spowodować urośnięcie kilku takich strun, anihilację i w efekcie uwolnienie z wielką mocą. Spuszczone ze smyczy struny, otoczyły inne struny i mniejsze wymiary. Ponieważ owinięcie się struny wokół większego wymiaru wymaga wyższej energii, z każdym momentem inflacja postępowała coraz łatwiej i szybciej.

Inna koncepcja bardziej zadowoli fanów science-fiction. Wystarczy na chwilę wrócić do bran i pomyśleć, czysto hipotetycznie, że mogą istnieć znacznie większe struktury niż nasz wszechświat. Wyobraźcie sobie nasze trójwymiarowe uniwersum jako ogromną błonę. Błona ta porusza się w niedostępnej dla nas nadprzestrzeni. Możliwe, że z jej punktu widzenia jesteśmy zwinięci podobnie jak dla nas zwinięte są 6-wymiarowe struny. To daje wysyp całkiem nowych idei. Najpotężniejszą z nich jest niewątpliwie koncepcja multiuniwersum, zakładająca, iż gigantycznych bran może być znacznie więcej. Fantazja? Sam tak czasem myślę, ale z drugiej strony czy naprawdę bardziej realna jest myśl, że z jakiegoś powodu istnieje tylko ten jeden jedyny wszechświat? Zresztą nikt nie twierdzi, że uniwersa funkcjonujące obok naszego również posiadałyby gwiazdy, planety i życie. Wręcz przeciwnie! Najprawdopodobniej każda z bran różniłaby się parametrami. Występowałyby tam inne rodzaje cząstek, moc oddziaływań, czy nawet stałe fizyczne. W niektórych fizyka byłaby do tego stopnia pokręcona, że nawet nie doszłoby do wytworzenia materii zbudowanej z atomów. Zakładając jednak, że liczba wszechświatów byłaby nieskończona lub przynajmniej bardzo duża, można się spodziewać kilku światów zdatnych do powstania życia. Może nawet bardziej zdatnych niż nasz.

Ta kontrowersyjna teoria dopuszcza także możliwość, że być może nigdy nie było pierwotnej osobliwości. Kosmos w tym przypadku rozszerza się z innej przyczyny - przez zderzenie się z inną braną. Jeżeli wszechświaty faktycznie dryfują w jakiejś nadprzestrzeni, to rzeczywiście czymś normalnym jest, że czasem się zderzają. Byłoby to niezwykle potężne spotkanie. Tak silne, że mogłoby z powodzeniem wyglądać na to, co nazywamy Wielkim Wybuchem. Nasuwa to jednak niepokojącą myśl, że kolejne zderzenie bran może nastąpić całkiem niespodziewanie, w każdej chwili.

I co dalej?

Unifikacja praw przyrody to cel nauki, największe wyzwanie z jakim przyszło się zmierzyć ludzkiemu intelektowi. Najpiękniejsze jest to, że wszechświat może okazać się prosty i elegancki, pełen symetrii oraz jednolitości. Nawet gdy prace nad Teorią Strun zostaną zakończone, to nadal czeka nas wiele pracy. Będzie to jednak przełom, bez którego ludzkość prawdopodobnie w przyszłości zginie. To furtka do kolejnych, rewolucyjnych odkryć, dzisiaj zdających się fantastyką. Sceptycy psioczą, że ludzkość nie jest zdolna do udowodnienia istnienia strun, zatem to nie jest nauka sensu stricto. Z tego powodu dla wielu to mrzonki, bajki, a w najlepszym przypadku filozofia. To gigantyczny problem. Wierzę jednak, że umysł ludzki pokona i tą przeciwność, jeśli nie teraz to za dziesiątki lub setki lat. A co jeśli eksperymenty udowodnią błędność Teorii Strun? Niewątpliwie byłby to cios dla całej rzeszy świetnych naukowców, którzy poświęcili swoje kariery na badania nad nią. Myślę jednak, że do tego nie dojdzie, a po wiekach dopasowywania do siebie elementów układanki, z naukowego zamętu wyłoni się Teoria Wszystkiego.

Tymi oto słowami kończę najdłuższy do tej pory cykl na moim blogu. Doskonale zdaję sobie sprawę, iż nie poruszyłem wszystkich zagadnień. To po prostu niemożliwe i w pewnym sensie bezcelowe. Poświęciłem nieco objętość i dokładność, na rzecz czytelności, tak aby nikt nie przysnął, ani się nie zgubił po pięciu zdaniach. Mam nadzieję, że uczyniłem słusznie i kilka osób zainteresowałem tematem. Powiedzmy sobie szczerze: Co może być ciekawszego od próby złamania kodu wszechświata? Tych, którzy chcieliby jeszcze poczytać jakieś wypociny mojego autorstwa, proszę o wzięcie udziału w ankiecie.

To już koniec.

* Witten odkrył, że przy zwiększeniu stałej sprzężenia w Teorii Strun typu IIA, przyjmując na początek wartość znacznie mniejszą od 1 i dochodząc do wartości dużo większej niż 1, fizyka ma przybliżenie w postaci 11-wymiarowej supergrawitacji.
** TPlanck = (hG/2πc5)1/2 = h/(2πMplanckc2) ≈ 5,4·10^-44 s.