poniedziałek, 31 lipca 2017

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.

Opowieść o symetrycznym wszechświecie

Przypomniałem sobie o pewnym elemencie, o którym powinienem napisać już wcześniej. Co prawda, wspominałem o nim, lecz sprawa zasługuje na znacznie poważniejsze potraktowanie. Chodzi mianowicie o symetrię. Wbrew pozorom, zagadnienie to obostrzone jest ciężką matematyką która, choć elegancka, nie powinna być przeznaczona dla oczu śmiertelnika. Mimo to istnieją co najmniej trzy powody, dla których chcę wrócić do tego problemu: Po pierwsze, symetria jest teraz w modzie i każdy zainteresowany wszechświatem powinien zdawać sobie sprawę z jej mocy. Po drugie, dopiero po zrozumieniu symetrii można w pełni pojąć potęgę strun. Wreszcie po trzecie, od symetrii wiedzie najkrótsza droga do nękającego mnie w komentarzach pytania - dlaczego 11 wymiarów?


Przyroda pożąda elegancji


Możecie stwierdzić, że to głupota. Przecież każdy intuicyjnie wyczuwa na czym polega symetria. Jak się okazuje, znaczenie tej cechy dla współczesnej nauki, znacznie przerasta pospolite, znane nam ze szkoły. Przez ostatnie kilka dekad fizycy przekonali się, że natura dąży do symetrii na wielu możliwych płaszczyznach i to w niej prawdopodobnie znajduje się klucz do zagadek wszechświata. Skąd to przeświadczenie? Zerwijcie z łąki byle Stokrotkę i spójrzcie ile osi symetrii można przeprowadzić przez jej kwiat. Oczywiście, jeśli ją poszarpiemy to symetria ulegnie zakłóceniu, niemniej w pierwotnym stanie, zasadniczo jej kształt jest symetryczny. Wśród zwierząt również znajdziemy znacznie więcej przykładów istot symetrycznych niż uderzająco asymetrycznych. Wręcz trudno wyobrazić sobie, że natura mogłaby pozwolić na wyewoluowanie ptaka o krótszym skrzydle bądź ryby o jednej płetwie. Jeśli zwrócimy uwagę na większe struktury, takie jak gwiazdy, galaktyki, a nawet cały wszechświat - nadal zauważymy że są one z grubsza regularne. (Jak wiadomo dzięki pomiarom mikrofalowego tła, wykonanego przez satelitę COBE, różnice temperatury promieniowania dochodzącego z różnych kierunków różnią się najwyżej o kilka stopni!). Dalej możecie mówić, że to głupstwo, którego nie trzeba tłumaczyć. Skądś jednak to przeświadczenie zwykłości symetrii wzięło się w naszych umysłach. Najczęściej bywa tak, że to co najbardziej oczywiste, jest jednocześnie nieuchwytne i w efekcie pomijane.

Zgodnie z powyższym, symetrię można zdefiniować jako właściwość obiektu, pozwalająca na przekształcenie podobne do lustrzanego odbicia, względem danej prostej. To jednak tylko jeden sposób postrzegania symetrii. Dla fizyki zjawiskami nie mniej ważnymi są: niezmienność względem przesunięć, czyli jednorodność oraz niezmienność względem obrotów, czyli izotropia. Pojęcia bardzo proste i nierzadko obserwowane w świecie. Weźmy na ten przykład grawitację. Niezależnie od tego czy będziemy w pomieszczeniu, czy na zewnątrz, obróceni w lewo czy w prawo, zawsze Ziemia będzie nas tak samo przyciągać. Mało tego. Prawo ciążenia jest takie samo dla każdego miejsca w kosmosie. Co niektórzy podniosą protest - "Przecież na innych planetach przyciąganie będzie się różnić od ziemskiego!" Owszem, ale wynika to z innej masy ciała po którym stąpamy, a nie z powodu zmiany oddziaływania grawitacyjnego. E=mc2 czy Równanie Schrödingera są więc takie same dla każdego punktu w przestrzeni. Na szczęście. Aż trudno wyobrazić sobie chaos, jaki powstałby we wszechświecie, gdyby praw fizyki nie obowiązywała symetria jednorodności.

Czy cząstka wiruje?


Pozostaje nam do wyjaśnienia izotropia, czyli niezmienność względem obrotów. Wiele obiektów we wszechświecie wiruje w przestrzeni. Ziemia obraca się wokół własnej osi, wraz z innymi planetami kręci się dookoła Słońca, a całość znajduje się w jednym z ramion Drogi Mlecznej, okrążającej centrum galaktyki. Symetrię obrotu opisujemy zależnie od tego, przy jakim obrocie przechodzi on sam w siebie. W ten sposób kostka zachowuje symetrię przy obrocie o każde 90 stopni, a piłka przy wszelkich możliwych przeobrażeniach. Ta izotropia stała się obiektem westchnień wszystkich fizyków. Odkryto bowiem, że za jej pomocą można bardzo skutecznie opisać i skatalogować cząstki elementarne. Kluczem jest pewna dziwna, lecz jednocześnie fundamentalna cecha wszystkich cząstek. Odkryli ją dwaj holenderscy uczeni George Uhlenbeck l Samuel Goudsmit. Zauważyli oni, że pewne magnetyczne cechy elektronu muszą być wywołane przez jego ruch obrotowy, który nazwali spinem (ang. obracać, wirować).

Jeśli położycie na podłodze piłkę, to znajdzie się ona w spoczynku. Podobnie, gdy postawimy jakikolwiek inny, stosunkowo duży obiekt, bez dostarczania energii. Cząstki, zgodnie z odkryciem Uhlenbecka i Gudsmita, zachowują się inaczej. Można je porównać do ciągle wirujących bączków, których nie trzeba w żaden sposób nakręcać. Jeżeli przyjmiemy, że nasz bączek jest jednolicie pomalowany i z każdej strony wygląda tak samo, to jego spin wynosi 0. Gdy namalujemy po jednej stronie zabawki linię, to dopiero po jej obrocie o pełny kąt, znów będzie wyglądała tak samo. Spin 4 opisze nam bączek, który przy obrocie o każde 90 stopni przejdzie samego siebie. Cząstki są jednak znacznie ciekawsze niż jakiś tam bączek i nader często posiadają spin 1/2! To oznacza, że mimo pełnego obrotu cząstki "wygląda" ona inaczej niż wcześniej, a dopiero po pokonaniu 720 stopni wraca do stanu spodziewanego. Na tej podstawie naukowcy podzielili wszystkie cząstki na dwa główne rodzaje. Pierwszy to fermiony, o spinach zawsze połówkowych (1/2), noszące nazwę na cześć pioniera energetyki jądrowej - Enrico Fermiego. Drugi to bozony, o spinach całkowitych (0, 1, 2), ochrzczone ku pamięci Satyendry Bosego, hinduskiego fizyka współpracującego m.in. z Einsteinem i Skłodowską-Curie. Znamienne jest to, że fermiony o dziwnych spinach połówkowych tworzą całą znaną nam materię. Należą więc do nich kwarki, elektrony i neutrina. Bozony natomiast przenoszą konieczne do funkcjonowania świata oddziaływania. Zaliczymy do nich m.in. fotony, cząstki W oraz gluony. Celowo pominąłem cząstkę pozwalającą działać grawitacji. Tej hipotetycznej, bezmasowej drobiny jak na razie nie udało się zaobserwować, lecz naukowcy są niemal pewni, że grawiton istnieje i powinien mieć spin 2.

Klucz do unifikacji


Pewnie niektórzy są zdezorientowani i nie wiedzą co to wszystko ma do poszukiwań teorii wszystkiego. Otóż ma, i to bardzo dużo. Jak pisałem w części 2 Kosmicznej symfonii, na początku lat 80' Adbus Salam oraz Steven Weinberg stworzyli teorię obejmującą cząstki elementarne oraz trzy siły podstawowe, znaną jako Model Standardowy. Nie napisałem jednak wtedy, że aby osiągnąć swój sukces, nobliści uciekli się do zasad symetrii. Kluczem okazała się Teoria Grup, a konkretniej prace norweskiego matematyka Sophusa Liego. Ten XIX-wieczny uczony wykazał, że istnieje siedem grup symetrii. W niedalekiej przyszłości fizycy zaadoptowali grupy Liego, tworząc własne notacje używane do opisu cząstek elementarnych. Wyróżnili przy tym własne typy symetrii, np.: SU(n+1), SO(2n+1), SP(2n), E(6), E(8)*. Rozumiecie coś z tego? Nawet jeśli nie, to nie należy się tym martwić. W książce Dalej niż Einstein Michio Kaku pociesza, że większości tych grup nie można wyjaśnić bez zastosowania potężnych modeli matematycznych, a dla niektórych nie da się nawet znaleźć zadowalających przykładów w codziennym życiu. Myślę jednak, że warto przynajmniej zerknąć na narzędzia, którymi najtęższe umysły świata rzeźbią swoje dzieła. Salam i Weinberg tworząc teorię oddziaływań elektrosłabych użyli matematycznej symetrii SU(2)xU(1), co w praktyce oznaczało uznanie elektronu i neutrina za swoje odbicia. Wkrótce analogicznie wykorzystali symetrię SU(5) do powiązania elektronów z neutrinami oraz kwarkami i w rezultacie złączenia elektromagnetyzmu, oddziaływania słabego i oddziaływania silnego w jednolitą teorię GUT. Wraz z tymi odkryciami wszystko się zmieniło. Nauka poczyniła ogromny skok naprzód dzięki włączeniu do równań symetrii. Nie dziwi więc, że ogromna rzesza fizyków uważa ją za kluczowy element budowy świata i w niej szuka kolejnych odpowiedzi.

SUSY zmienia struny


Po wielu latach bezowocnych prób zunifikowania praw przyrody, fizycy stwierdzili, że "zwykła" symetria to za mało. Najnowszym trendem w poszukiwaniach teorii wszystkiego jest supersymetria (SUSY). Metaforycznie można ją scharakteryzować jako dość nieśmiałą dziewczynę - chowa się przed światem, po cichu romansując z wszystkimi istniejącymi cząstkami, od fotonów aż po kwarki. Susy ma również dwóch tatusiów (bez podtekstów) - z jednej strony Model Standardowy, a z drugiej Teorię Strun. Istotnie, supersymetria jest teoretycznym modelem możliwym do zastosowania zarówno gdy materia okaże się zbudowana ze strun jak i w przypadku klasycznej koncepcji punktowej.

Supersymetria zakłada istnienie kolejnej, nieodkrytej jeszcze niezmienności, powodowanej przez spin. Najprościej byłoby ją znów przyrównać do ruchu obrotowego. Szkopuł tkwi w tym, iż trudno nam sobie uzmysłowić jak cząstka może wirować na dwa sposoby jednocześnie. Dzieje się tak, ponieważ supersymetria uwzględnia kwantowomechaniczne rozszerzenia przestrzeni i czasu. Zamiast więc tracić czas na heroicznych próbach wyobrażenia sobie samego zjawiska, skupmy się na tym, co może nam przynieść. Po pierwsze wprowadzenie Susy do równań Modelu Standardowego powoduje zniesienie wielu nieznośnych nieskończoności, skutecznie uprzykrzających włączenie doń Teorii Względności. Po drugie supersymetria daje stabilność. Dziwnie to brzmi, ale w uproszczeniu można powiedzieć, że płótno czasoprzestrzeni podlega ciągłemu rozrywaniu przez dynamiczne procesy kwantowe. O ile Teoria Strun ma na to oddzielny pomysł, o tyle jedynym ratunkiem dla Modelu Standardowego może okazać się supersymetria. Po trzecie supersymetria wprowadza ogólną elegancję, pozwalającą na matematyczne sprowadzenie wszystkich cząstek świata do jednego szablonu. Idea piękna, lecz jak się na pewno spodziewacie - niezweryfikowana. Jednak zdaniem naukowców, jeżeli teoria jest prawdziwa, to jej dowód możemy odnaleźć już niebawem.

Cząstki stają się super


Jednym z celów Susy (a może celem nadrzędnym?) ma być znalezienie wspólnego mianownika dla wszystkich cząstek świata, to jest opisu symetrii między fermionami i bozonami. Aby go osiągnąć naukowcy muszą znaleźć... Jeszcze więcej cząstek! Oto myśl przewodnia. Skoro jeden fermion po poddaniu go odpowiednio wysokiej energii, może przypominać kolejne fermiony, a bozon inne bozony; to powinny również istnieć cząstki łączące te dwie rodziny. Superoptymistyczni naukowcy nazwali je oryginalnie superpartnerami. W ten sposób powstała cała hipotetyczna menażeria: grawitina i wina, gluina i  fotina - przypominające materię cząstki, które są partnerami grawitonów, cząstek W  i  całej reszty. Z drugiej strony zaś znajdują się supersymetryczni partnerzy elektronów, neutrin, kwarków - selektrony, sneutriny i skwarki. Supersymetryczne odbicia, od znanych nam cząstek odróżnia właściwie tylko jedna cecha - spin różny o 1/2. Przykładowo selektron powinien mieć spin 0, podczas gdy zwykły elektron obdarzony jest spinem 1/2. Konsekwencje są niemalże zbawienne - każdy superpartner bozonu jest fermionem, a fermionu bozonem. Ergo, dochodzimy do miejsca unifikacji cząstek! Nie widzimy superpartnerów dlatego, że są za ciężkie aby występować wraz ze zwykłymi cząstkami. Do ich odnalezienia potrzebujemy potężnego akceleratora, niszczącego cząstki elementarne z ogromną energią. Nadzieję budzi Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), lecz fachowcy studzą nastroje. Nawet jeżeli uda się zarejestrować superpartnerów, to tylko tych najlżejszych. Oczywiście, nawet to trzeba by uznać za ogromny skok naprzód. To, jak bardzo świat nauki oczekuje dowodu, najlepiej obrazuje teza postawiona przez Marię Spiropulu z CERN-u: Odkrycie supersymetrii byłoby wzniosłym wydarzeniem i myślę, że nawet większym niż odnalezienie życia na Marsie.

(Co ciekawe, jeżeli do tego dojdzie to naukowcy upieką dwie kosmiczne pieczenie na jednym fizycznym ogniu. Na pewno obił się Wam o uszy problem Ciemnej Materii. Niemal mityczna substancja, ciężka, nieodbijająca światła, no i... Hipotetyczna. Nikt nie wie z czego może się składać, ale zgodnie z obliczeniami może stanowić nawet 1/4 masy wszechświata. Tak się składa, że koncepcja supersymetrii aby miała sens, potrzebuje istnienia całej rodziny nieznanych nam jeszcze cząstek.)

Struny stają się superstrunami


Teoria Strun, jako najpoważniejsza pretendentka do miana teorii ostatecznej, nie może pominąć wątku symetrii. Już jej pierwotna wersja wyjaśniająca jedynie strukturę oddziaływań silnych, zawierała spory zestaw symetrii, lecz tylko tych koniecznych do przenoszenia sił. Przez ten fakt, zwykło się ją nazywać Bozonową Teorią Strun. Dopiero po opublikowaniu swojej pracy przez Schwarza i Greena, struny zyskały nowy format. Teoretycy zdali sobie sprawę, że aby zunifikować grawitację z mechaniką kwantową, potrzebny będzie ogromny arsenał symetrii. A tak się złożyło, iż nowa teoria posiadała największy repertuar symetrii jaki kiedykolwiek widziała fizyka. Prace w tym kierunku prowadził popularny kwartet strunowy z Princeton**. Dowiedli oni, że właściwości struny pozwalają na zastosowanie symetrii E(8)xE(8)***. W ten sposób supersymetria zaistniała w Teorii Strun. Tak potężna, iż nie tylko zgadzała się z dotychczasowym dorobkiem Wielkiej Unifikacji, ale również przewidywała wiele nowych rozwiązań. Od tamtej pory co niektórzy, zamiast o Teorii Strun mówią już o Teorii Superstrun. (Mnie osobiście mierzi już przedrostek "-super", więc pozwolicie, że będę stosował nazewnictwo standardowe.)

Na koniec dodam, że "wyjątkowa" symetria E(8)xE(8) jest głównym powodem istnienia najbardziej kontrowersyjnego założenia Teorii Strun - większej ilości wymiarów. Badacze nie do końca rozumieją przyczynę takiego stanu rzeczy, ale obliczenia dotyczące struny kwartetu z Princeton, ciągle wymagają takich liczb jak: 8, 10, 11 (Choć akurat pomysł 11 wymiarów jest owocem nowszych rozważań) i 26. Być może nie do fizyków należy znalezienie odpowiedzi na to pytanie? Sporym pocieszeniem dla każdego entuzjasty Teorii Strun powinien być fakt, że to co najważniejsze, a więc równania, są wolne od anomalii.


C.D.N.


* W oznaczeniach tych "S" oznacza słowo "specjalna", "O" "ortogonalna", "U" "Unitarna", "SP" "symplektyczna", a "E" pochodzi od angielskiego "exceptional" - "wyjątkowa".
** Ryan Rohm, Emil Martinec, Jeffrey Harvey i David Gross.
*** Struna heterotyczna. 

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.

Opowieść o zwariowanym świecie kwantów

Albert Einstein miał wielkie marzenie polegające na odkryciu jednego, boskiego równania. Wzoru potrafiącego pogodzić elektromagnetyzm Maxwella z jego własną teorią względności. Gotowe dzieło tłumaczyłoby wszystkie zjawiska fizyczne występujące w znanym nam wszechświecie - od działania atomu aż po ruchy ogromnych galaktyk. Niestety. Kiedy Einstein starał się odszyfrować ten kosmiczny kod, badania świata mikroskopowego posuwały się naprzód niczym czołg, równając z ziemią dawne wyobrażenia o strukturze materii.


Korpuskularno-falowa egzotyka


Wielokrotnie w historii bywało tak, że człowiek uważał, iż zgłębił już wiedzę na temat budowy wszechświata; po czym nagle uświadamiał sobie jak jednak daleko mu od ostatecznej prawdy. Podobnie rzecz się miała na przełomie XIX i XX wieku. Odkrycia rodzącej się fizyki jądrowej zaowocowały powstaniem pierwszych modeli atomu. Modele te, nazywane planetarnymi, wskazywały, że materia składa się z trzech rodzajów cząstek (protonów, neutronów i elektronów) działających, na pierwszy rzut oka, na zasadach podobnych do Układu Słonecznego. Wydawało się, że ludzkość jest o krok od poznania budowy materii na jej najbardziej elementarnym poziomie i już niewiele się może w tej kwestii wydarzyć.

Wydarzyło się wiele. Aby zachować chronologię, zacznę od pytania, które po raz pierwszy rzuciło cień na pierwotne i banalne modele atomu. Brzmiało ono wręcz głupio: Dlaczego rozgrzane ciało (np. kawałek metalu) żarzy się zmieniając barwę? Pomijając skomplikowane obliczenia, traktując światło jako falę elektromagnetyczną i korzystając z równań Maxwella, uczeni dochodzili do absurdalnego wniosku, że energia wypromieniowywana przez rozgrzane ciało powinna być nieskończona. Tak zwana katastrofa w nadfiolecie stała się prawdziwą łamigłówką dla fizyków*. Pytanie to poważnie potraktował szanowany profesor Uniwersytetu Berlińskiego - Max Planck. Znalazł on odpowiedź dzięki zmianie sposobu interpretowania fali elektromagnetycznej. Otóż Planck stwierdził, że energia przenoszona przez falę nie ma charakteru "ciągłego", a tak naprawdę jest posiekana na konkretne "kawałki". Oznaczało to, że każde drgnięcie fali następuje skokowo, jednak na tak małą wielkość, że przejścia tworzą iluzję płynnych. Teoria ta nie od razu zyskała pełne poparcie światka naukowego, gdyż pojedynczy "kawałek" fali światła był niezwykle mały, nawet jak na standardy fizyki jądrowej**. Żarówka w ciągu sekundy miała wysyłać miliardy miliardów "kawałków" światła. Wkrótce te niewielkie porcje zyskały używaną do dzisiaj nazwę kwantów (kwanty światła z kolei noszą nazwę fotonów), a odkrycie Niemca okazało się kamieniem milowym. Jakiś czas później Albert Einstein (zresztą, dobry znajomy Plancka) sprawdził tę teorię badając co się dzieje gdy rzekomy kwant światła uderza w metal. Zgodnie z przewidywaniami Plancka i Einsteina światło wybijało określoną ilość elektronów z metalu, co zostało nazwane zjawiskiem fotoelektrycznym. W ten właśnie sposób obaj panowie doczekali się splendoru w postaci nagród Nobla. (Ciekawostką jest to, że Albert Einstein nigdy nie otrzymał Nobla za teorię względności, która obróciła naukę do góry nogami, a za znacznie mniej spektakularne zjawisko fotoelektryczne).

Interesujące jest to, że na pomysł fotonów przenoszących światło wpadł już dawno temu Isaac Newton. Rzecz w tym, że jego przewidywania okazały się błędne po próbach empirycznego dowiedzenia. Najważniejsze w tej kwestii było doświadczenie z dwoma szczelinami. Każdy na pewno o nim słyszał w szkole średniej. Eksperyment polegał na przepuszczeniu światła przez dwie szczeliny i obserwacji obrazu jaki pozostawi na ekranie. Wyniki dawały argumenty przemawiające za jak najbardziej falową naturą światła. Na ekranie ukazywał się obraz interferencyjny, taki jaki pozostawiłaby po sobie choćby fala na wodzie. Tutaj dochodzimy do paradoksu: Doświadczenie ze szczelinami udowadnia, że światło to fala elektromagnetyczna, a einsteinowski efekt fotoelektryczny dowodzi, iż światło to w istocie promień cząstek. Kto popełnił błąd? Okazało się, że nikt, a nowo rodząca się mechanika kwantowa wymaga od nas uznawania czegoś za coś innego i odwrotnie.

Geniusz odchodzi ze spuszczoną głową


O ile Plancka i ewentualnie Einsteina można uznać za dziadków mechaniki kwantowej, o tyle ojcami tej świeżej teorii należy nazwać Nielsa Bohra, Wernera Heisenberga oraz Erwina Schrödingera. Ten pierwszy zreflektował się nad planetarnym modelem atomu, stwierdzając iż jest on niestabilny biorąc pod uwagę użycie reguł fizyki klasycznej. Większość wybitnych uczonych szukając odpowiedzi zwróciło się ku nowej teorii kwantów. Drogą do zaadoptowania mechaniki kwantowej były badania nad elektronem, który pod wieloma względami przypominał światło. Eksperymenty wykazały, że podobnie jak foton, ma on charakter korpuskularno-falowy i ulega wielu innym dziwnym zachowaniom. Mam ten komfort, że nie muszę sztucznie wydłużać tego artykułu opisując zjawiska kwantowe, gdyż już to kiedyś zrobiłem. Przypomnę tylko, że najdonioślejszym wnioskiem płynącym z mechaniki kwantowej jest zasada nieoznaczoności Heisenberga. Nigdy z całą pewnością nie będziemy wstanie stwierdzić gdzie leży cząstka. Jedyne do czego jesteśmy zdolni to obliczenie prawdopodobieństwa, w którym miejscu można spotkać przykładowy elektron. Wracając do doświadczenia ze szczelinami. Pojedynczy elektron wystrzelony w stronę przeszkody, nim dotrze do ekranu pokona wszystkie możliwe drogi prowadzące do celu. Nie jest dla niego problemem przejść przez dwie szczeliny jednocześnie, czy też odlecieć na kilometr, zawrócić i uderzyć w ekran***. Kwestią jest jedynie obliczenie, na której trajektorii szansa na spotkanie cząstki będzie największa.

Tak się bawią, tak się bawią elektrony.
To jest niemal jak bajka - dla fizyków raczej koszmar. Kto tak nie uważa, albo już nieco skubnął mechaniki kwantowej, albo nadal nie zdaje sobie sprawy z tego co tu piszę. Spójrzmy od drugiej strony: Jeśli obserwujemy jakiekolwiek poruszające się ciało, możemy obliczyć jego prędkość, pęd i przewidzieć jego położenie w przyszłości. Na poziomie o wielkościach subatomowych nie istnieje taka możliwość. A teraz puenta. Albert Einstein uważał, że jeżeli tylko połączy grawitację z elektromagnetyzmem to odnajdzie uniwersalną zasadę rządzącą wszechświatem. Mechanika kwantowa pokazała, że jedyne na co może liczyć Einstein, to odkrycie zasad rządzących światem dużych obiektów - począwszy od jabłek, kończąc na galaktykach. Nijak ma się to jednak do cząstek elementarnych. Geniusz nie mógł się z tym pogodzić, idąc w zaparte, że Bóg nie gra w kości! Mechanika kwantowa była dlań dziurawa, podobnie jak niegdyś model grawitacji Newtona. Ironią losu jest fakt, że przecież to sam Einstein pomógł Planckowi dać podwaliny pod tę nieznośną teorię. Teraz jednak szwajcarski fizyk zmuszony został do odwrotu, jako jeden z naprawdę niewielu ludzi stojących w opozycji do mechaniki kwantowej. Jak napisał wiele lat później Stephen Hawking: Pogubił się Einstein, nie mechanika kwantowa.

Grawitacja i elektromagnetyzm to nie wszystko


Jak wykazało następne pokolenie fizyków, atomem kierują siły dotychczas nieznane, różne od grawitacji czy elektromagnetyzmu. Nie jest to dziwne, wszak trudno było oczekiwać, że niezwykłości mechaniki kwantowej powodowane są przez znane i przewidywalne oddziaływania. W ten sposób na firmamencie fizyki pojawiły się dwie nowe, tajemnicze siły. Pierwszą było oddziaływanie silne, odpowiadające za utrzymanie przy sobie protonów i neutronów wewnątrz jądra atomowego. Natomiast drugim oddziaływanie słabe, powodujące rozpad atomu i powiązaną z nim radioaktywność.

Znów pojawiła się idea unifikacji. Jednak tym razem aby mieć nadzieję na stworzenie teorii ostatecznej, należało połączyć już nie dwie, a cztery moce rządzące wszystkim co nas otacza. Wydaje się tu pasować humorystyczna reguła: Teoria jest wtedy, kiedy wszystko wiemy ale nic nie działa, natomiast praktyka wtedy kiedy wszystko działa, ale nikt nie wie dlaczego. W przypadku mechaniki kwantowej naukowcy prezentowali zdecydowanie praktyczne podejście. Mimo, że ludzkość nauczyła się korzystać z potencjału atomu, to jednak oddaliła się od odkrycia zamysłu Boga. Jakby tego było mało, zaczęto budowę gigantycznych obiektów badawczych, służących do zderzania ze sobą cząstek atomowych. Akceleratory szybko ujawniły, że to co nazywaliśmy cząstkami elementarnymi, da się rozbić na mniejsze elementy. W ten sposób ukazała się cała menażeria cząstek subatomowych, na oznaczenie których niemal zabrakło liter w alfabetach. Pojawiło się więc następne pytanie: Co tak naprawdę jest elementarnym budulcem materii?

Droga do Wielkiej Unifikacji


Aby rozpocząć pracę nad próbą połączenia dawnej wiedzy fizycznej z najnowszymi odkryciami, potrzebny był człowiek o nieschematycznym, lotnym umyśle. Niewątpliwie kimś takim był amerykański kpiarz, kawalarz i kobieciarz, Richard Feynman. Lubiący łamać bankowe szyfry i grać na bębnach ekscentryk rzucił w kąt skomplikowane równania, zastępując je graficznymi bazgrołami pełnymi kresek i strzałek. Dzięki tak zwanym diagramom Feynmana, ich autor rozrysował nową teorię - elektrodynamikę kwantową (QED, Quantum ElectroDynamics). Elektrodynamika kwantowa dotyczyła oddziaływania fotonu z cząstkami subatomowymi, zwłaszcza elektronem. Oprócz tego Feynman chciał wiedzieć jakie są skutki wpadania na siebie cząstek elementarnych. Otóż, do tego czasu wszelkie równania mające zobrazować tego typu sytuacje nasączone były wynikami nieskończonymi, z czym oczywiście fizycy nie mogli się pogodzić. Feynman dzięki swoim diagramom i różnym sztuczkom matematycznym (nieskończoność - nieskończoność = 0) doprowadził do renormalizacji i bardzo pozytywnych rezultatów. Wbrew pozorom nie jest to rzecz na tyle doniosła, żeby laikowi warto było tę nazwę zapamiętywać, jednak po latach rozczarowań nawet nieznaczne przybliżenie do unifikacji było nagradzane Noblem. Co dla nas ważniejsze - QED dała podwaliny pod kolejny krok do połączenia oddziaływań podstawowych.

Feynman zgrabnie wytłumaczył jak oddziałują na siebie elektrony - przez wymianę przenoszących energię fotonów. Fizycy wzorujący się na QED wysunęli hipotezę, jakoby za tajemnicze oddziaływania słabe odpowiadała inna cząstka, którą wymieniają między sobą elektrony z neutrinami. (Dla tych co przysypiali w szkole: Neutrina to cząstki elementarne bez ładunku elektrycznego, bardzo małe i nieuchwytne. Do tego stopnia, że w każdej sekundzie całą Ziemię przenikają biliony neutrin nie pozostawiając po sobie śladu. Neutrino ma jednak tę cechę, że reaguje na oddziaływanie słabe i tu badacze upatrywali swojej szansy.) Cząstkę tę oznaczono literą W (weak - słaby). Początkowo teoria ta szybko padła, pełna matematycznych anomalii. Wróciła w glorii już kilka lat później, gdy zastosowano skomplikowaną (dla nie-fizyka jak cholera) symetrię cechowania. Symetria nawet podświadomie kojarzy nam się z pięknem. Kobieta o symetrycznych rysach twarzy wydaje się urodziwsza, a diament w formie symetrycznego brylantu jest wartościowszy. W fizyce symetria również robi furorę, wskazując iż natura dąży do uporządkowania i elegancji. Używając symetrii Adbus Salam oraz Steven Weinberg, dokonali ostatecznego wyjaśnienia oddziaływania słabego, przewidując istnienie aż trzech cząstek odpowiedzialnych za oddziaływanie słabe: W(+), W(-) i Z(0). Zauważyli oni, że przy odpowiednio wysokiej energii, owe cząstki zachowują się podobnie. Hawking dla wyjaśnienia tej symetrii używa następującej przenośni: Ten efekt przypomina zachowanie kulki ruletki. Gdy energia jest wysoka, kulka zachowuje się zawsze w ten sam sposób - po prostu toczy się po kole. Ale gdy koło zwalnia, kulka traci energię i w końcu wpada do jednej z 37 przegródek. Inaczej mówiąc, możliwych jest 37 różnych stanów kulki w niskich energiach. Naukowcy poszli za ciosem i analogicznie potraktowali elektrony oraz neutrina - jako dwie strony tej samej monety. Na tej podstawie przewiduje się, że w pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu, czyli w czasie ogromnego natężenia energii, oddziaływanie słabe i elektromagnetyzm stanowiły jedność! To było pierwsze, od czasu Johna Maxwella, przełomowe połączenie sił podstawowych. Salam i Weinberg odkryli oddziaływanie elektrosłabe.

Wnet fizycy zwrócili się ku oddziaływaniom silnym. Skoro fotony przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne, a cząstki W(+), W(-) i Z(0) oddziaływanie słabe, to powinny istnieć jakieś cząstki odpowiadające za oddziaływanie silne. Słowo ciałem się stało, a cząstki scalające protony i neutrony, jak i tworzące je kwarki ochrzczono gluonami. Nazwa wzięła się stąd, iż gluony działają niczym klej dla subatomowych cząstek.

Po zrozumieniu oddziaływania silnego wystarczyło już tylko odnieść je do świeżej teorii elektrosłabej, aby mieć pełny obraz natury świata mikroskopowego. Podjęto się tego zadania, a wynik nosi nazwę Teorii Wielkiej Unifikacji (GUT, Grand Unified Theory). Analogicznie założono, że gluony są członkiem jednej rodziny cząstek, wraz z fotonami i cząstkami oddziaływania słabego, której podobieństwo ujawnia się przy wielkich energiach. Problem w tym, że sprawdzenie słuszności GUT jest niezmiernie trudne, gdyż energia potrzebna do unifikacji oddziaływań silnych i elektrosłabych jest poza zasięgiem możliwości człowieka. Dowodem na prawdziwość Wielkiej Unifikacji byłby obserwowany rozpad protonu na elektrony, gdyż takie zjawisko przewiduje teoria. Tu jednak też jest problem, gdyż średni czas rozpadu protonu może trwać nawet 10^32 lat. Z tego powodu, przynajmniej obecnie, GUT nie zostanie zweryfikowany. Jednak mimo to, wszystkie płynące z niego konsekwencje oraz przewidziane cząstki przyjmuje się za prawdę, pod postacią Modelu Standardowego.

Ślepy zaułek fizyki?


Mimo bezsprzecznej rewolucji, jaką zapewniło zunifikowanie oddziaływania słabego, silnego i elektromagnetyzmu, Model Standardowy nadal boryka się z poważną bolączką, o które starano się zapomnieć przy świętowaniu triumfów. Genialni fizycy pracujący nad Wielką Unifikacją doszli do wiekopomnych odkryć i wspaniałych zaszczytów, całkowicie pomijając siłę najbliższą nam wszystkim. Grawitację. Dopiero w ciągu ostatnich 20 lat zajęto się tym problemem na poważnie. Lekarstwem na chorobę okazuje się jedna z najbardziej niezwykłych teorii w historii nauki - Teoria Strun.

C.D.N.****


* Według ówczesnego stanu wiedzy, obliczano, że ilość wypromieniowanej energii jest proporcjonalna do czwartej potęgi częstości promieniowania, a to oznaczało, że ciało powinno promieniować w wysokiej częstotliwości nadfioletu. Przez to całą sytuację nazwano katastrofą w nadfiolecie.
** 6,5x10^–34 erg*sek, nazywana dziś stałą Plancka, jest obecna w większości równań mechaniki kwantowej.
*** Tak zwanym sumowaniem po trajektoriach zajmował się Richard Feynman.
**** Teraz już nie mam wyboru, gdyż na moje skromne wpisy spogląda administrator. Jeszcze pomyśli mnie zbanować.


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.