2013-06-20
Kategoria: Wszechświat

Brian Greene – Wszechświat jest bajecznie piękny

Brian-GreeneTeoria strun: zasadnicza koncepcja

Teoria strun to bardzo skuteczny aparat pojęciowy, który po raz pierwszy umożliwia znalezienie odpowiedzi na to pytanie. Zajmijmy się najpierw podstawową koncepcją teorii strun.

Cząstki są „literami” całej materii. Wydaje się, że podobnie jak ich językowe odpowiedniki, nie mają one struktury wewnętrznej. Z teorii strun wynika co innego. Według niej, gdybyśmy potrafili zbadać owe cząstki z dokładnością o wiele rzędów wielkości większą od osiąganej obecnie, odkrylibyśmy, że żadna z nich nie jest punktowa, ale składa się z maleńkiej, jednowymiarowej pętli. Każda cząstka zawiera wibrujące, oscylujące, tańczące włókno, przypominające nieskończenie cienką gumkę, które fizycy pozbawieni literackiej smykałki Gell-Manna nazwali struną. Poczynając od zwykłego kawałka materii, takiego jak jabłko, w wyniku wielokrotnych powiększeń struktury odsłaniają się przed nami kolejne jej składniki. Teoria strun dokłada do znanego wcześniej ciągu, rozpoczynającego się od atomów, przez protony i neutrony, a kończącego się na kwarkach, jeszcze jedną mikroskopową warstwę – drgającą pętlę.

Chociaż nie jest to wcale oczywiste, owo proste zastąpienie punktowych składników materii strunami likwiduje sprzeczność między mechaniką kwantową a ogólną teorią względności. W ten sposób teoria strun rozcina węzeł gordyjski współczesnej fizyki teoretycznej. To wspaniałe osiągnięcie stanowi wszakże tylko jeden z powodów, dla których teoria strun wywołała tak wielkie zainteresowanie.

Teoria strun jako zunifikowana teoria wszystkiego

W czasach Einsteina nie znano jeszcze oddziaływania silnego i słabego. Badaczowi jednak istnienie nawet dwóch różnych sił – grawitacji i elektromagnetyzmu – wydawało się bardzo zastanawiające. Einstein nie przyjmował do wiadomości, że przyrodę zbudowano według tak dziwnego planu. Dlatego właśnie rozpoczął trwające trzydzieści lat poszukiwania tak zwanej zunifikowanej teorii pola, która miała, jak się spodziewał, wykazać, że owe dwie siły są w rzeczywistości przejawami jednej zasady. Donkiszoteria Einsteina spowodowała, iż uczony znalazł się poza głównym nurtem fizyki związanym ze zgłębianiem tajników nowo powstałego działu – mechaniki kwantowej. Na początku lat czterdziestych Einstein pisał do przyjaciela: „Stałem się samotnym, starym facetem, znanym głównie z tego, że nie nosi skarpetek. I pokazywanym na spotkaniach jako osobliwość”.

Calabi-Yau-midi

Calabi-Yau-Animated

Teoria strun przewiduje dodatkowe wymiary czaso-przestrzenne w postaci 6-wymiarowej przestrzeni Calabiego-Yau o wielkości długości Plancka.

Einstein po prostu wyprzedzał swoje czasy. Ponad pół wieku później jego marzenie o zunifikowanej teorii stało się świętym Graalem fizyki. Obecnie wielu fizyków i matematyków utwierdza się w przekonaniu, że teoria strun jest drogą do celu. Opierając się na zasadzie, że wszystko na najbardziej podstawowym poziomie składa się z kombinacji wibrujących włókien, teoria strun ujmuje w jedną strukturę wszystkie siły i całą materię.

Teoria strun głosi na przykład, że obserwowane właściwości cząstek odzwierciedlają różne sposoby drgania strun. Struny skrzypiec czy pianina mają częstotliwości rezonansowe, które nasze uszy odbierają jako różne nuty i ich wyższe harmoniczne. To samo dotyczy pętli w teorii strun. Przekonamy się jednak, że każdy z dominujących wzorów drgań struny, zamiast wytwarzać tony muzyczne, przejawia się jako cząstka, której masa i ładunek są określone przez ów wzór. Elektron to struna drgająca w określony sposób, kwark górny – struna wibrująca inaczej i tak dalej. W teorii strun właściwości cząstek nie są już zbiorem niepowiązanych ze sobą faktów doświadczalnych, ale przejawem stałej cechy fizycznej. Owa cecha to rezonansowy wzór drgań – można by powiedzieć, muzyka – elementarnych pętli struny. Ta sama zasada stosuje się także do sił natury. Jak zobaczymy, cząstki przenoszące oddziaływania wiążą się również ze szczególnymi wzorami drgań struny, wszystko więc, cała materia i wszystkie siły, jest objęte jedną regułą, regułą oscylacji mikroskopowej struny – wszystko składa się z „nut” wygrywanych przez struny.

Po raz pierwszy w historii fizyki dysponujemy zatem teorią wyjaśniającą wszystkie fundamentalne cechy Wszechświata. Z tego powodu teorię strun uważa się czasami za kandydatkę na teorię wszystkiego (TW), czyli teorię ostateczną. Te wspaniałe określenia mają się odnosić do najbardziej fundamentalnej teorii fizyki – teorii, która leży u podstaw wszystkich innych, a sama nie wymaga wyjaśnień, wręcz ich zabrania. W praktyce wielu teoretyków strun obiera bardziej przyziemne podejście i rozumie TW w węższym sensie: jako teorię wyjaśniającą właściwości cząstek elementarnych i sił, za pomocą których oddziałują one i wzajemnie na siebie wpływają. Zagorzały redukcjonista powiedziałby, że nie jest to żadne zawężenie sensu i że w zasadzie wszystko, od Wielkiego Wybuchu do snów na jawie, da się wytłumaczyć mikroskopowymi procesami fizycznymi zachodzącymi wśród elementarnych składników materii. Jeśli pojmiemy to, co dotyczy składników, stwierdzi redukcjonista, zrozumiemy wszystko.

Redukcjonizm często prowadzi do gorących dyskusji. Wiele osób uważa, że przekonanie, iż cuda życia i Wszechświata to zaledwie odbicie mikroskopijnych cząstek uczestniczących w bezsensownym tańcu ułożonym w całości przez prawa fizyki, jest niedorzeczne lub wręcz odrażające. Czy naprawdę radość, smutek czy znudzenie to tylko reakcje chemiczne zachodzące w mózgu między cząsteczkami i atomami, a właściwie między niektórymi z cząstek, będącymi w rzeczywistości jedynie drgającymi strunami? W odpowiedzi na krytykę redukcjonizmu laureat Nagrody Nobla Steven Weinberg w swojej książce Sen o teorii ostatecznej przestrzega:

Na drugim końcu spektrum sytuują się przeciwnicy redukcjonizmu, których – jak powiadają – odrzuca chłód i beznadziejność współczesnej nauki. Czują się zdeprecjonowani przez wiedzę, iż oni i ich świat może zostać zredukowany do cząstek lub pól i ich oddziaływań (…). Nie zamierzam odpowiadać takim krytykom dziarską przemową o pięknie współczesnej nauki. Światopogląd redukcjonistyczny jest chłodny i bezosobowy. Trzeba go przyjąć takim, jakim jest, nie dlatego, że nam się tak podoba, ale dlatego, że tak funkcjonuje świat. Nie wszyscy zgadzają się z tym zdecydowanym poglądem.

Niektórzy próbowali dowodzić, że na przykład z teorii chaosu wynika, iż w miarę zwiększania się stopnia złożoności układu coraz większą rolę odgrywają nowe prawa. Poznanie zachowania się elektronu czy kwarka to jedno, a użycie owej wiedzy do zrozumienia mechanizmów rządzących tornadem jest czymś zupełnie innym. W tej kwestii w zasadzie panuje zgoda. Natomiast panują odmienne opinie co do tego, czy zachodzenie rozmaitych, często niespodziewanych zjawisk w układach bardziej skomplikowanych niż pojedyncza cząstka rzeczywiście oznacza działanie nowych zasad fizycznych, czy też zjawiska te wywodzą się z praw, które da się wyprowadzić – choć w skomplikowany sposób – z zasad fizycznych rządzących niezwykle dużymi skupiskami elementarnych składników. Sam skłaniam się ku drugiemu poglądowi. Chociaż trudno byłoby wyjaśnić właściwości tornada za pomocą fizyki elektronów i kwarków, jest to według mnie raczej kwestia zbyt małych możliwości obliczeniowych, a nie istnienia odmiennych praw fizycznych. Są jednak tacy, którzy się z tym poglądem nie zgadzają.

Nawet jeśli przyjmiemy dyskusyjne argumenty zagorzałego redukcjonisty, teoria to jedno, a praktyka – co innego. W zasadzie kwestia ta nie budzi wątpliwości i ma duże znaczenie dla poszukiwań. Prawie każdy się zgodzi, że odkrycie TW wcale by nie oznaczało, że psychologia, biologia, geologia, chemia czy nawet fizyka zostały w pełni wyjaśnione, czy też zaszufladkowane. Wszechświat jest tak cudownie bogaty i złożony, że poznanie teorii ostatecznej nie wiązałoby się z końcem nauki. Wręcz przeciwnie, odkrycie TW – ostatecznego opisu Wszechświata na jego najbardziej mikroskopowym poziomie, teorii, która już nie odwołuje się do bardziej fundamentalnych pojęć – dostarczyłoby najmocniejszych podstaw naszemu obrazowi świata. Stworzenie owej teorii oznaczałoby początek, a nie koniec. Teoria ostateczna stanowiłaby niewzruszony filar spójności i dzięki niej zyskalibyśmy pewność, że Wszechświat da się zrozumieć.

O Autorze

 > John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries... Imagine no Possession... Nothing to Kill or Die For... And no Religion too... No Need for Greed or Hunger... A Brotherhood of Man... (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.


komentarze 2
  1. PIO napisał(a):

    “Oddziaływania silne i słabe znamy nie tak dobrze, ponieważ ich natężenie szybko maleje wraz ze zwiększaniem się odległości” – NO, PROSZĘ…

    Oddziaływanie silne ma także zaskakującą właściwość: jego siła rośnie wraz ze wzrostem odległości między kwarkami (mówi się o tzw. asymptotycznej swobodzie). Ten efekt uniemożliwia obserwację niezwiązanych kwarków. Gdy rośnie odległość między dwoma kwarkami, rośnie też siła, a więc i energia oddziaływania. Jeśli odległość / energia stanie się wystarczająco duża, mogą powstać nowe kwarki. Początkowe dwa kwarki zostaną odseparowane, ale na miejscu partnera pojawi się nowy kwark lub antykwark. Jest to powód, dla którego kwarki można obserwować tylko w postaci związanej, nigdy osobno. Pozdrowienia dla autora tekstu i/lub tłumacza xD

SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2018-01-17, 06:06
Gwałtowne deszcze
1°C
Odczuwalna: -7°C
Ciśnienie: 99 mb
Wilgotność: 93%
Wiatr: 6 m/s WSW
Prognoza: 2018-01-17
dzień
Gwałtowne deszcze
2°C
noc
Przeważnie pochmurno
-2°C
 

Teleskop Hubble'a