Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwania teorii ostatecznej

Superstruny, ukryte wymiary i
poszukiwania teorii ostatecznej
Brian Greene:
Piękno Wszechświata
(The Elegant Universe)
Recenzja książki popularnonaukowej
Borys Jagielski
Wydawnictwo i rok wydania: Prószyński i S-ka, 2004
Rok pierwszego wydania: 1999
Liczba stron: 430
Oprawa i wymiary: miękka, 14 x 20 cm
ISBN: 83-7255-178-2
Tłumaczenie: Ewa L. Łokas, Bogumił Bieniok
Od dobrych kilkudziesięciu lat fizycy kontynuują ostatnie i niedokończone dzieło Alberta
Einsteina poszukując Świętego Graala nauki, teorii ostatecznie unifikującej wszystkie znane
prawa natury i opisującej cały Wszechświat jednym koherentnym zbiorem równań. Droga,
którą kroczą, nie należy do najprostszych. W przeszłości wiodła przez szczególną i ogólną
teorię względności, przez mechanikę kwantową, przez zunifikowaną teorię pola, przez
jedenaście wymiarów, przez supersymetrię i supergrawitację. Obecnie naukowcy znajdują się
na pierwszym z końcowych — tak im się przynajmniej wydaje — etapów. Przypuszczają, że
intensywnie badana teoria superstrun stanowi podwaliny ostatecznego rozwiązania, które
zostanie osiągnięte w niedalekiej przyszłości. Pojęcie „niedalekiej przyszłości” trudno
jednakże sprecyzować, bowiem po pierwsze fizycy borykają się wciąż z rozmaitymi
problemami i nieścisłościami, a po drugie teoretycy wyprzedzili technologów i na
eksperymentalne potwierdzenie wszystkich hipotez przyjdzie nam zapewne czekać bardzo
długo. Fakt, iż ów Święty Graal współczesnej fizyki nie został jeszcze odnaleziony, nie
przeszkadza popularyzatorom nauki pisać i spekulować na jego temat. Do Stephena
Hawkinga, Michio Kaku, Rogera Penrose’a i innych dołączył pod koniec lat dziewięćdziesiątych
Brian Greene.
Autor „Piękna Wszechświata” to wybitny teoretyk strun, profesor matematyki i fizyki na
Uniwersytecie Cornell i Uniwersytecie Columbia. Omawianej tu książce przyznano nagrodę
Aventis 2000. Zasłużenie, jakkolwiek pozycji o podobnej tematyce, pisanych w równie
przystępny sposób, było już kilka. Z ogólnej perspektywy może się więc wydawać, że „Piękno
Wszechświata” kopiuje treść „Wszechświata w skorupce orzecha” i „Hiperprzestrzeni”. Po
lekturze widać jednak wyraźnie, że profesor Greene naświetla zagadnienie z nieco innej
strony, kładzie nacisk na trochę inne aspekty i że wyróżnia go sprawna, niemalże równie
elegancka co opisywany Wszechświat, maniera pisania.
Książkę podzielono na pięć części, z których część pierwsza i ostatnia są wprowadzeniem i
podsumowaniem, a trzy środkowe stanowią meritum. Nie usiłuje ono odpowiedzieć na żadne
konkretne pytanie, bo pytanie o teorię ostateczną istnieje tylko jedno i jak dotąd nikomu na
nie odpowiedzieć się nie udało. Brian Green postawił więc sobie za ambitny cel
przedstawienie laikowi na 400 stronach rozwoju i osiągnięć fizyki dwudziestowiecznej,
począwszy od szczególnej teorii względności Einsteina z 1905 r., a skończywszy na
najnowszych dokonaniach „strunowców” datowanych na koniec lat 90.
Drugą część „Piękna Wszechświata” zatytułowano „Dylemat czasu, przestrzeni i kwantu”.
Poświęcono ją dwóm najlepiej rozumianym obszarom nowoczesnej fizyki — einsteinowskiej
relatywistyce i mechanice kwantowej. Dowiadujemy się, że wszystko zaczęło się od
eksperymentu myślowego młodego Einsteina: Czy gdyby ktoś poruszał się z prędkością
światła, wszystkie promienie świetlne znieruchomiałyby dla jego oczu? Jak wyglądałyby
zatem z tej niecodziennej perspektywy? Idąc tym tropem Albert Einstein odkrył złowieszczy
konflikt pomiędzy dwiema kluczowymi dla ówczesnej nauki teoriami. Równania Jamesa
Clerka Maxwella z drugiej połowy dziewiętnastego wieku zakładają, iż światło porusza się z
niezmienną prędkością c = 300 000 km/s, lecz powstała kilkaset lat wcześniej mechanika
Isaaca Newtona zadaje tu kilka niewygodnych pytań: co znaczy „niezmienna”, w stosunku do
czego ją mierzymy, co się stanie, jeśli prędkość tego samego promienia świetlnego zmierzy
dwóch obserwatorów poruszających się względem niego z różnymi szybkościami?
Na przełomie osiemnastego i dziewiętnastego wieku problem ów formułowało co prawda
wielu fizyków, ale nikt nie ośmielił się ogłosić go publicznie. A Einstein nie tylko to zrobił, lecz
na dodatek przedstawił rozwiązanie w postaci szczególnej teorii względności. Jej postulaty
wstrząsnęły całym naukowym światem. Po pierwsze, prawa fizyki dla wszystkich
obserwatorów pozostających w niezmiennym ruchu są identyczne. Po drugie (i dopiero to
brzmi niezwyczajnie z punktu widzenia przeciętnego człowieka), światło podróżuje z taką
samą prędkością — wynoszącą c — dla wszystkich obserwatorów, gdyż im szybciej się
poruszamy, tym wolniej upływa nasz czas. Innymi słowy, Einstein dowiódł, iż czas nie jest
wielkością niezmienną i uniwersalną, lecz względną, zależną od ruchu.
Fizyka natychmiast stanęła przed nowym problemem. Szczególna teoria względności
rozwiązywała niezgodę na linii Newton-Maxwell, lecz sama kolidowała z newtonowską teorią
grawitacji. Ta ostatnia zakłada, że siły grawitacyjne oddziałują w sposób natychmiastowy,
bez względu na dystans, a Einstein wykazał przecież, że nic nie może poruszać się z
prędkością większą od szybkości światła. Jak było w istocie? Obalenie obowiązującej teorii
siły ciążenia mającej za sobą kilkaset lat doświadczalnych potwierdzeń nie przyszło
Einsteinowi łatwo. Głowił się nad nowym zagadnieniem przez dekadę, aż wreszcie w 1915 r.
światło dzienne (gra słów jak najbardziej zamierzona) ujrzała ogólna teoria względności.
Ogólna, gdyż Einstein rozwinął tę poprzednią o pojęcia przyspieszenia i czasoprzestrzeni, co
pozwoliło mu odkryć, iż grawitacja przenoszona jest w przestrzeni jako jej zakrzywienia.
Konsekwencje dla pojmowania świata miało to różnorakie, a jedna z nich prezentuje się
mniej więcej tak: Ziemia porusza się wokół Słońca po linii prostej, którą my jednak
odbieramy jako zamkniętą elipsę, ponieważ czasoprzestrzeń wokół naszej gwiazdy jest
grawitacyjnie zakrzywiona.
Do trzech razy sztuka. Niebawem okazało się, że ogólna teoria względności — teoria
opisująca makrokosmos — stoi w poważnej sprzeczności z mechaniką kwantową —
równaniami definiującymi prawa mikrokosmosu. Żadna z nich nie mogła zatem pretendować
do miana teorii ostatecznej, całościowego opisu Wszechświata, ponieważ pojęcia
relatywistycznie nie znajdowały zastosowania w świecie atomowym i subatomowym, a
kwanty ignorowały zupełnie istnienie grawitacji, zjawiska jak najbardziej niepodważalnego.
Prawda musi zatem znajdować się gdzieś pośrodku, ale tego właśnie konfliktu po dziś dzień
rozwiązać się nie udało. I choć fizycy zaszli bardzo daleko od czasów Alberta Einsteina i Maxa
Plancka (prekursora mechaniki kwantowej), choć poznawana z roku na rok coraz dokładniej
teoria superstrun ma spore szanse na przyniesienie potrzebnych odpowiedzi, Święty Graal
fizyki, ostateczna teoria opisująca Wszechświat jako całość, nadal pozostaje w ukryciu.
Tak w dużym skrócie wygląda druga część „Piękna Wszechświata”. Brian Greene poświęca
osobne rozdziały szczególnej i ogólnej teorii względności, mechanice kwantowej i panującej
pomiędzy nimi wielkiej dysharmonii. „New York Times” powiedział o Stephenie Hawkingu, że
ma on „talent naturalnego nauczyciela”, ale w takim razie Brian Greene to prawdziwy geniusz
dydaktyki. Nie potrafię wyobrazić sobie przystępniejszego przedstawienia teorii względności i
mechaniki kwantowej, które są przecież zagadnieniami bardzo abstrakcyjnymi i złożonymi.
Greene nie spieszy się nigdy, prowadzi swój wywód krok po kroku, formułuje i odpowiada na
pytania, jakie rodzą się w umyśle laika, a całość okrasza ogromną ilością przykładów i
analogii, z których każda jest dokładnie szkicowana i gruntownie omawiana. Przyznam, że
miałem do czynienia z relatywistyką i kwantami jeszcze przed lekturą „Piękna
Wszechświata”, a ponieważ tematyka bardzo mnie interesuje, być może nie potrafię zdobyć
się na pełen obiektywizm w ocenie popularyzacyjnego współczynnika książki. Przypuszczam
mimo wszystko, że laicy przyjemniejszej i wygodniejszej drogi do zaznajomienia się z
fundamentami dwudziestowiecznej fizyki po prostu nie znajdą.
Dopiero trzecia część „Piękna Wszechświata” — „Kosmiczna symfonia” — przedstawia pojęcie
struny. Od kilkudziesięciu lat fizycy uważają, że najbardziej podstawowym składnikiem
materii* nie są punktowe cząsteczki jak na przykład atomy czy kwarki, lecz
jednowymiarowe, ultramikroskopijne struny, które drgając w określony sposób, „tworzą”
masę i ładunki elektryczne. Uważa się powszechnie, że wprowadzenie strun do naukowego
wizerunku Wszechświata jest jedynym sposobem pozwalającym na rozwiązanie sprzeczności
pomiędzy teorią względności a mechaniką kwantową. W następnych rozdziałach profesor
Greene wyjaśnia znaczenie przedrostka „super” w wyrażeniu „superstruny” (poświęcając
trochę czasu na ogólne przybliżenie czytelnikowi pojęć symetrii, supersymetrii oraz spinu) i
wyjawia, że jedną z zadziwiających implikacji nowej teorii stanowi fakt, iż nasz Wszechświat
składa się z jedenastu wymiarów — jednego wymiaru czasowego, trzech znanych nam
wymiarów przestrzennych i siedmiu dodatkowych, które zdradzają swą obecność dopiero
podczas badania niewyobrażalnie maleńkich dystansów. Wreszcie autor ochładza entuzjazm
czytelnika przypominając, że dopóki istnienia superstrun nie będzie można wykazać
eksperymentalnie, dopóty teoria superstrun pozostanie na dobrą sprawę tylko hipotezą. A
przeprowadzenie odpowiednich doświadczeń wymaga posiadania odpowiednich technologii,
na których uzyskanie będziemy musieli jeszcze trochę poczekać.
W końcu docieramy do czwartej części, zatytułowanej „Teoria strun i struktura
czasoprzestrzeni”, w której Brian Greene dalej eksploruje krainę superstrun i kryjące się w
niej możliwości. Opisuje zmiany, jakie mechanika kwantowa wymusza w klasycznej geometrii
euklidesowej i swój wkład w badania nad rozdarciami przestrzeni. Jednocześnie okazuje się,
że teoria superstrun wcale nie jest teorią ostateczną; to tylko element tzw. teorii M. Teorię M
osnuwa obecnie mgła tajemnicy, ale naukowcy prowadzą prężne badania teoretyczne mające
na celu stopniowe ułożenie kompletnych równań, gdyż to właśnie teoria M pretenduje obecnie
do tytułu teorii ostatecznej. Na koniec Brian Greene opowiada, jak najnowsze osiągnięcia w
fizyce radzą sobie z tłumaczeniem fenomenu czarnych dziur i prezentuje niezwykle zajmujące
spekulacje kosmologiczne — potencjalne odpowiedzi na pytania o pochodzenie i
przeznaczenie Wszechświata.
Po przeczytaniu drugiej części „Piękna Wszechświata” byłem wniebowzięty. Brian Green w
maksymalnie interesujący, przejrzysty i komunikatywny sposób przedstawił niezwykłości
teorii względności i mechaniki kwantowej. W tym momencie gotów byłem wystawić książce
najwyższą ocenę, ale w trakcie dalszej lektury trochę się rozczarowałem. Trochę. Choć
kolejne części napisano równie sprawnym stylem, przy okazji omawiania teorii strun autor
wykorzystuje już znacznie mniej trafnych przykładów i analogii, a implikacje robią wrażenie
mniej oczywistych. Jednakże to nie wina autora. Teoretyczne ramy relatywistyki zrozumieć
można posługując się samą logiką, bez zapoznawania się z jakimikolwiek wzorami, a jej
elegancja oraz spójność i tak zadziwią. Podobnie przedstawia się sprawa z mechaniką
kwantową. Tymczasem za teorią superstrun kryje się o wiele potężniejszy i bardziej
zaawansowany aparat matematyczny, więc niemożliwością jest, by laik ogarnął całość i
wszystkie następstwa różnorakich postulatów. Teoria superstrun jawi się zresztą przy teorii
względności odrobinę topornie z jeszcze innego powodu — ta druga stanowi zamkniętą
całość, prace nad pierwszą wciąż nie zostały zakończone. Wszystko to powoduje, iż lektura
„Dylematu czasu, przestrzeni i kwantu” wciąga praktycznie niczym dobra beletrystyka,
podczas gdy następne części są już dużo bardziej „popularnonaukowe”.
Dzięki „Pięknu Wszechświata” naszła mnie pewna refleksja. Czy fizyków nie nauczyła niczego
sytuacja, do jakiej doszło przeszło sto lat temu? Pod koniec dziewiętnastego wieku naukowcy
głosili, że poznano wszystkie prawa natury, że teraz pozostało jedynie dopracowywanie
szczegółów. Pewien ówczesny profesor radził z tego względu swym studentom, by dali sobie
spokój z fizyką. Tymczasem w pierwszych dziesięcioleciach dwudziestego stulecia nastąpiły
dwa potężnych wstrząsy — relatywistyczny i kwantowy — które zburzyły górne, wydawałoby
się gotowe już, piętra fizycznego gmachu i zmusiły naukowców do żmudnej odbudowy, która
po dziś dzień się nie zakończyła. Na przełomie XX i XXI wieku społeczność badaczy głosi, że
od odkrycia teorii ostatecznej dzieli ich tylko jeden duży krok. A może Natura upokorzy ich
po raz wtóry i nieoczekiwane wstrząsy stworzą nowe paradygmaty? Czas pokaże. Ten sam
czas, przez który my wszyscy podróżujemy z nieprzekraczalną prędkością światła.
Czy aby na pewno nieprzekraczalną...?
OCENA: 9/10
* ...i energii oraz czterech podstawowych sił kosmicznych: grawitacji, elektromagnetyzmu,
słabej i silnej sile jądrowej.