Ile jest wszechświatów
24.02.2009
Michał P. Heller
Istnieje teoria już czterdziestoletnia, lecz wciąż rewolucyjna, która całe bogactwo cząstek elementarnych redukuje do jednego obiektu – struny. Umożliwia ona jednolity opis wszystkich oddziaływań. Tyle że struny nie mogą żyć w trzech wymiarach, potrzebują ich aż dziewięciu. Co z tego wynika?
Gdyby zapytać rasowego fizyka teoretyka, dlaczego zajmuje się tym, czym się zajmuje, odpowiedź brzmiałaby prawie na pewno: „dla przyjemności”. Ten trudny zawód polega na wyszukiwaniu, stawianiu i rozwiązywaniu problemów, które mogą, choć niekoniecznie muszą, mieć jakiś związek z tym, jak działa Wszechświat.
Pierwszym fizykiem teoretykiem z prawdziwego zdarzenia był sir Isaac Newton, o którym można napisać (tak jak ktoś kiedyś powiedział o Elvisie Presleyu), że „przed nim nie było niczego, po nim zaś było już wszystko”. Od jego czasów dokonano nieprawdopodobnego postępu, poszukując tzw. praw podstawowych, czyli najbardziej elementarnych reguł opisujących świat w języku matematyki. Za czasów Newtona były to zasady dynamiki, o których dziś uczy się młodzież w szkole. Obecnie są to prawa, wedle których oddziałują cząstki uważane za elementarne.
Nie oznacza to bynajmniej, że trzy zasady dynamiki można odesłać do lamusa – sprawdzają się one bardzo dobrze, jeśli chce się opisać na przykład ruch samochodu, rakiety kosmicznej albo wybudować wysokościowiec.
Kłopot z grawitacją
Hipoteza atomistyczna – założenie, że materia składa się z niepodzielnych składników, które starożytni Grecy nazywali atomami, a współcześni fizycy cząstkami elementarnymi – jest jednym z najważniejszych i najbardziej owocnych pomysłów, jakich dostarczyła nauka. Przykładem cząstki elementarnej jest elektron. Uważa się, że jest on punktem bez żadnej wewnętrznej struktury, tak samo, jak wszystkie inne cząstki elementarne. Obecnie znanych jest ich ponad dwadzieścia i tworzą one całą materię oraz trzy z czterech znanych oddziaływań: elektromagnetyczne, słabe oraz silne. Te pierwsze odpowiadają za prawie wszystkie spotykane na co dzień zjawiska: od tarcia, poprzez prąd elektryczny, kończąc na telefonii komórkowej. Oddziaływania słabe i silne odgrywają z kolei wielką rolę w świecie subatomowym, zaś na dużych odległościach są niewidoczne.
Taki obraz pozwala opisać zadziwiająco wiele zjawisk, zawodzi jednak w przypadku grawitacji. Czwarte oddziaływanie – siła ciężkości – nie poddaje się analizie w języku cząstek. Nawet w przypadku najbardziej zaawansowanych doświadczeń w akceleratorach nie stanowi to żadnego problemu – cząstki są bardzo lekkie i ich przyciąganie grawitacyjne jest zaniedbywalnie małe. Fizyka teoretyczna przewiduje jednak istnienie obiektów, nazywanych czarnymi dziurami, w przypadku których zarówno prawa grawitacji, jak i te rządzące fizyką cząstek, są tak samo ważne. Czarne dziury są główną motywacją dla teorii kwantowej grawitacji, czyli opisu czasu i przestrzeni na bardzo małych (o wiele mniejszych od tych badanych obecnie) odległościach. Przełomy w rozumieniu, jak działa świat, zazwyczaj odbywały się na przestrzeni wielu dekad, nierzadko nawet wieków. Zagadka kwantowej grawitacji jest wyjątkowo trudna, a małe odległości, o których mowa, być może nigdy nie będą dostępne dla eksperymentów.
Zwinięte wymiary
Okazuje się jednak, że istnieje sposób, w jaki grawitację można włączyć w świat cząstek elementarnych. Jest to tzw. teoria strun. Zakłada ona, że cząstki elementarne nie są punktami, lecz odpowiednio małymi drgającymi strunami. W ten sposób całe bogactwo świata cząstek elementarnych zostaje zredukowane do jednego obiektu – struny. Różne rodzaje drgań strun odpowiadają różnym cząstkom na tej samej zasadzie, na jakiej różne dźwięki odpowiadają różnym rodzajom drgań struny gitarowej. W ten sposób teoria strun oferuje możliwość unifikacji, czyli jednolitego opisu wszystkich czterech oddziaływań fundamentalnych.
Okazuje się także, że struny nie mogą żyć w trzech wymiarach przestrzennych, potrzebują ich aż dziewięciu. Choć wszystkie eksperymenty przeprowadzone do tej pory pokazują, że Wszechświat ma trzy wymiary przestrzenne („długość”, „szerokość”, „wysokość”) i czas, nie można wykluczyć, że jest ich więcej. W szczególności sześć dodatkowych wymiarów przestrzennych przewidzianych przez teorię strun może być zwiniętych do bardzo małych rozmiarów, tak że pozostają niewidoczne dla dzisiejszych eksperymentów.
Choć wszystko wskazuje na to, że teoria strun jest unikalna, redukcja z dziewięciu do trzech wymiarów przestrzennych otwiera ogromną liczbę możliwości. Niektóre oszacowania mówią, że możliwości tych jest nawet jeden z pięciuset zerami (tak jak milion to jeden z sześcioma zerami), i wygląda na to, że liczba ta i tak jest zaniżona. Żeby uświadomić sobie, jak to dużo, pomocne może być porównanie z ilością protonów we Wszechświecie: jeden z osiemdziesięcioma zerami. Czyli gdyby wziąć liczbę wszystkich protonów i przemnożyć przez siebie sześć razy, to ciągle byłoby to mniej niż szacunkowych rozwiązań teorii strun o trzech wymiarach przestrzennych.
Igła w stogu siana
Jeśli teoria strun rzeczywiście jest teorią unifikującą wszystkie oddziaływania, obserwowalny Wszechświat jest prawdopodobnie realizowany jako jedna z tej niesłychanie wielkiej liczby możliwości. Prowadzi to do kilku oczywistych pytań: czy teoria strun potrafi wskazać, która to możliwość, dlaczego akurat ta i co się dzieje z resztą rozwiązań?
Nikt nie zna odpowiedzi na żadne z nich, choć niektórzy fizycy snują szalone domysły. Hipoteza, że istnieje bardzo dużo możliwości realizacji wszechświata o trzech wymiarach przestrzennych, prowadzi do idei wieloświata – wszystkie możliwości są realizowane, a my żyjemy w jednej z nich. W ten sposób rozwiązany może być problem „wyprowadzenia rzeczywistości z zasad pierwszych” – są różne wszechświaty, nie tylko nasz. Co więcej, możliwe (aczkolwiek niesłychanie mało prawdopodobne) są przejścia z jednego wszechświata z jakimiś prawami fizyki do innego wszechświata o odmiennej fizyce.
W takiej sytuacji rola teorii strun może sprowadzić się do statystycznego opisu rozwiązań i poszukiwania igły (Wszechświata) w stogu siana (olbrzymia liczba możliwości). Choć brzmi to jak science fiction, część naukowców wierzy, że tak właśnie jest.
W fizyce jednak sama wiara nie wystarcza – potrzebny jest jeszcze doświadczalny dowód, a takiego na razie brakuje.
Teoria strun oferuje niesamowite możliwości kosztem wprowadzenia dodatkowych wymiarów i ogromnej liczby potencjalnych rozwiązań. Choć jest ona obecna w fizyce od czterdziestu lat, nie została do tej pory w żaden sposób zweryfikowana. Co więcej, kwestia redukcji liczby wymiarów i pojawiającej się w ten sposób wielości rozwiązań sugeruje, że właściwości świata nie da się wyprowadzić z zasad pierwszych, bazując na teorii strun. Teoria ta traktuje masy i rodzaje cząstek w trzech wymiarach nie jako wielkości dające się wyprowadzić, ale raczej parametry środowiskowe, takie jak promień orbity ziemskiej. To sprzeczne z dotychczasowym podejściem do unifikacji oddziaływań, gdzie oczekuje się, że wszystkie liczby wynikają w jednoznaczny sposób z teorii fundamentalnej.
Gdyby udało się odnaleźć jakieś pośrednie dowody na prawdziwość teorii strun, byłoby to prawdopodobnie najdonioślejsze odkrycie w historii nauki. W przeciwnym wypadku, teoria strun jako dział fizyki wysokich energii może zostać odłożona na półkę w oczekiwaniu na lepsze czasy, lecz nigdy zapomniana. Nawet jeśli nie jest ona Świętym Graalem teoretyków, to przez ostatnie czterdzieści lat dostarczyła tak dużo fascynujących i nietrywialnych wyników z pogranicza fizyki i matematyki, że ta pierwsza już nigdy nie będzie taka sama. Być może za jakiś czas (dziesięć, sto, tysiąc lat) naukowcy zrozumieją, jak funkcjonuje nasz świat na najbardziej elementarnym poziomie.
Wiele wskazuje, że będzie to teoria strun lub jej uogólnienia.
MICHAŁ P. HELLER jest fizykiem teoretykiem, pracuje na UJ. Przygotowuje doktorat z zastosowań teorii strun. Współautor „Tygodnikowego” bloga „Świat: jak to działa?”
(swiat-jaktodziala.blog.onet.pl).
Tekst pochodzi z „Tygodnika Powszechnego”
W 10/2009 numerze “Tygodnika Powszechnego”:
Powrót polityki? Piszą Aleksander Smolar, Sławomir Sierakowski
Jerzy Jedlicki: Wojna dzienników
Ireneusz Krzemiński: inteligenci bez inteligencji?
Rekolekcje wielkopostne brata Morisa
Rozmowa z Joanną Tokarską-Bakir na 5-lecie śmierci ks. Musiała
Jerzy Sosnowski: Zwłoki na wystawie
50-lecie istnienia Znaku: ks. Boniecki rozmawia z Jackiem Woźniakowskim
Zaprenumeruj e-tygodnik!
