Brian Greene
Piękno wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej

Tytuł oryginału
The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory

ISBN

Copyright © 2003, 1999 by Brian R. Greene
All rights reserved
Copyright © for the Polish translation by Ewa L. Łokas, Bogumił Bieniok, 2018
Copyright © for the Polish edition by Zysk i S‑ka Wydawnictwo s.j., Poznań 2018

Projekt graficzny okładki oraz łamanie
Grzegorz Kalisiak | Pracownia Liternictwa i Grafiki

Wydanie I w tej edycji

Zysk i S-ka Wydawnictwo
ul. Wielka 10, 61-774 Poznań
tel. 61 853 27 51, 61 853 27 67
faks 61 852 63 26
dział handlowy, tel./faks 61 855 06 90
sklep@zysk.com.pl
www.zysk.com.pl

Wszelkie prawa zastrzeżone. Niniejszy plik jest objęty ochroną prawa autorskiego i zabezpieczony znakiem wodnym (watermark).

Uzyskany dostęp upoważnia wyłącznie do prywatnego użytku. Rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci bez zgody właściciela praw jest zabronione.

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w Zysk i S-ka Wydawnictwo.

Spis treści

Okładka

Strona tytułowa

Strona redakcyjna

Dedykacja

PRZEDMOWA

CZĘŚĆ I – GRANICE WIEDZY

Rozdział 1

Związane struną

Trzy sprzeczności

Wszechświat w najmniejszej skali: co wiemy o materii?

Siły, czyli gdzie jest foton

Teoria strun: zasadnicza koncepcja

Teoria strun jako zunifikowana teoria wszystkiego

Teoria strun współcześnie

Przypisy

CZĘŚĆ II – KŁOPOTY Z PRZESTRZENIĄ, CZASEM I KWANTAMI

Rozdział 2

Przestrzeń, czas i obserwator

Wady intuicji

Zasada względności

Prędkość światła

Konsekwencje odkrycia prawdy

Czas: część I

Czas: część II

Życie w biegu

Kto się zatem porusza?

Wpływ ruchu na przestrzeń

Ruch w czasoprzestrzeni

Przypisy

Rozdział 3

Zakrzywienia i zmarszczki

Grawitacja Newtona

Niezgodność między grawitacją newtonowską a szczególną teorią względności

Najszczęśliwsza myśl Einsteina

Przyspieszenie a zakrzywienie przestrzeni i czasu

Podstawy ogólnej teorii względności

Kilka niezgodności

Rozwiązanie sprzeczności

Nowe ujęcie zakrzywienia czasu

Doświadczalne potwierdzenie ogólnej teorii względności

Czarne dziury, Wielki Wybuch i rozszerzanie się kosmosu

Czy ogólna teoria względności jest poprawna?

Przypisy

Rozdział 4

Miniaturowa niezwykłość

Struktura kwantowa

W tej kuchni jest za gorąco

Kwanty na przełomie stuleci

Czym są kwanty?

Fala czy cząstka?

Cząstki materii są również falami

Fale czego?

Ujęcie Feynmana

Kwantowa niezwykłość

Przypisy

Rozdział 5

Zapotrzebowanie na nową teorię: ogólna teoria względności a mechanika kwantowa

Istota mechaniki kwantowej

Kwantowa teoria pola

Cząstki przenoszące oddziaływania

Symetria cechowania

Ogólna teoria względności a mechanika kwantowa

Przypisy

CZĘŚĆ III – KOSMICZNA SYMFONIA

Rozdział 6

Wyłącznie muzyka: podstawy teorii superstrun

Krótka historia teorii strun

Znowu atomy Greków?

Unifikacja za pośrednictwem teorii strun

Muzyka teorii strun

Trzy konsekwencje napięcia strun

Grawitacja i mechanika kwantowa w teorii strun

Odpowiedź przybliżona

Zręczny ruch?

Dokładniejsza odpowiedź

Struny — co dalej?

Przypisy

Rozdział 7

Super w superstrunach

Natura prawa fizycznego

Spin

Supersymetria i superpartnerzy

Argumenty na uzasadnienie supersymetrii: przed teorią strun

Supersymetria w teorii strun

Supernadmiar bogactwa

Przypisy

Rozdział 8

Ukryte wymiary

Iluzja znajomości

Pomysł Kaluzy i poprawki Kleina

Krzątanina na wężu ogrodowym

Unifikacja w wyższych wymiarach

Współczesna teoria Kaluzy-Kleina

Dodatkowe wymiary i teoria strun

Kilka pytań

Fizyczne wnioski z dodatkowych wymiarów

Jak wyglądają zwinięte wymiary?

Przypisy

Rozdział 9

Dowód koronny: wyniki doświadczeń

W krzyżowym ogniu

Droga do eksperymentu

Wyczerpywanie możliwości

Supercząstki

Cząstki o ładunku ułamkowym

Poszukiwania w większych skalach

Ocena

Przypisy

CZĘŚĆ IV – TEORIA STRUN I STRUKTURA CZASOPRZESTRZENI

Rozdział 10

Geometria kwantowa

Jądro geometrii riemannowskiej

Kosmologiczny plac zabaw

Nowa właściwość

Fizyka nawiniętych strun

Widmo stanów strun2

Dyskusja

Trzy pytania

Pojęcia odległości w teorii strun

Minimalne rozmiary

Jak ogólny jest ten wniosek?

Symetria zwierciadlana

Fizyka i matematyka symetrii zwierciadlanej

Przypisy

Rozdział 11

Rozrywając strukturę przestrzeni

Zwodnicza możliwość

Lustrzana perspektywa

Powoli do przodu

Powstaje plan działania

Wieczory w ostatniej przystani Einsteina

Sześć piw i pracowite weekendy

Chwila prawdy

Podejście Wittena

Konsekwencje

Przypisy

Rozdział 12

Dalej niż struny: w poszukiwaniu M-teorii

Dokonania drugiej rewolucji superstrunowej

Metoda przybliżeń

Klasyczny przykład rachunku zaburzeń

Podejście perturbacyjne do teorii strun

Czy przybliżenia odzwierciedlają rzeczywistość?

Równania teorii strun

Dualność

Moc symetrii

Dualność w teorii strun

Podsumowanie dotychczasowych rozważań

Supergrawitacja

Przebłyski M-teorii

M-teoria i sieć połączeń

Pełny obraz

Zaskakująca cecha M-teorii: demokracja w rozciągłości

Czy w ten sposób da się odpowiedzieć na najtrudniejsze pytania teorii strun?

Przypisy

Rozdział 13

Czarne dziury z punktu widzenia teorii strun i M-teorii

Czarne dziury i cząstki elementarne

Czy teoria strun umożliwia postęp?

Rozrywając strukturę przestrzeni — z przekonaniem

Strumień poczty elektronicznej

Powrót do czarnych dziur i cząstek elementarnych

Topnienie czarnych dziur

Entropia czarnych dziur

Jak czarna jest czarna dziura?

Na scenę wkracza teoria strun

Inne tajemnice czarnych dziur

Przypisy

Rozdział 14

Refleksje nad kosmologią

Model standardowy w kosmologii

Testowanie teorii Wielkiego Wybuchu

Od czasu Plancka do jednej setnej sekundy po Wielkim Wybuchu

Kosmologiczna zagadka

Inflacja

Kosmologia i teoria superstrun

Na początku była bryłka o rozmiarach Plancka

Dlaczego trzy?

Kosmologia i kształty Calabiego-Yau

Przed początkiem?

M-teoria i połączenie wszystkich sił

Kosmologiczne spekulacje i teoria ostateczna

Przypisy

CZĘŚĆ V – UNIFIKACJA W XXI WIEKU

Rozdział 15

Perspektywy

Zasada leżąca u podstaw teorii strun

Czym są czas i przestrzeń oraz czy można się bez nich obejść?

Czy teoria strun zmieni mechanikę kwantową?

Czy teorię strun da się sprawdzić doświadczalnie?

Czy istnieją granice poznania?

Sięgając gwiazd

Przypisy

SŁOWNIK TERMINÓW NAUKOWYCH

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA W JĘZYKU POLSKIM

INDEKS

Wszystkie rozdziały dostępne są w pełnej wersji książki

Mojej matce i pamięci mego ojca z wyrazami miłości i wdzięczności

PRZEDMOWA

Przez ostatnie trzydzieści lat życia Albert Einstein wytrwale poszukiwał tak zwanej zunifikowanej teorii pola, teorii, która opisałaby siły natury w obejmującym wszystko, spójnym systemie. Einsteinem nie kierowały motywy, które zwykle wiążemy z przedsięwzięciami naukowymi, takimi jak chęć wyjaśnienia konkretnych wyników badań. Powodowało nim raczej mocne przeświadczenie, że zgłębienie tajemnic Wszechświata odsłoni to, co w nim najcudowniejsze: prostotę i siłę zasad, które nim rządzą. Einstein chciał wyjaśnić naturę Wszechświata w sposób tak jasny, jak nigdy dotąd, abyśmy wszyscy mogli podziwiać jego absolutne piękno i elegancję.

Einsteinowi nigdy nie udało się zrealizować tego marzenia, głównie za sprawą obiektywnych trudności. W owych czasach nie znano jeszcze pewnych zasadniczych właściwości materii i sił natury lub — w najlepszym razie — niezbyt dobrze je rozumiano. Jednakże w ciągu ostatniego półwiecza kolejne pokolenia fizyków — raz szybciej, raz wolniej, a czasem zapędzając się w ślepą uliczkę — dzięki odkryciom swoich poprzedników coraz lepiej rozumiały, jak funkcjonuje Wszechświat. Obecnie, długo po tym, jak Einstein podjął bezskuteczną próbę sformułowania zunifikowanej teorii Wszechświata, fizycy nabierają pewności, że w końcu odkryli wspólne podstawy rozmaitych fragmentów wiedzy — teorię, która daje możliwość opisania w zasadzie wszystkich zjawisk fizycznych. Jest to teoria superstrun. Ona właśnie stała się tematem tej książki.

Napisałem Piękno Wszechświata, aby przybliżyć najnowsze odkrycia naukowe w dziedzinie fizyki, zwłaszcza tym, którzy nie mają wykształcenia fizycznego czy matematycznego. Dając w ciągu ostatnich kilku lat wykłady na temat teorii superstrun, zauważyłem ogromne zainteresowanie wynikami obecnie prowadzonych badań dotyczących podstawowych praw rządzących Wszechświatem. Wiele osób chciało się dowiedzieć, dlaczego prawa te wymagają całkowitej zmiany naszego obrazu kosmosu i jak wiele wysiłku będą jeszcze kosztowały poszukiwania teorii ostatecznej. Mam nadzieję, że wyjaśniając główne osiągnięcia w dziedzinie fizyki od czasów Einsteina i Heisenberga, a także opisując wspaniałe owoce ich odkryć, książka ta zaspokoi ową ciekawość.

Żywię też nadzieję, że Piękno Wszechświata zainteresuje również czytelników mających pewne przygotowanie z dziedziny nauk ścisłych. Liczę na to, że wyjaśniając studentom nauk ścisłych i nauczycielom fundamentalne zagadnienia współczesnej fizyki — szczególną i ogólną teorię względności oraz mechanikę kwantową — książka ta przekaże im jednocześnie nieco zaraźliwego entuzjazmu, cechującego badaczy, którzy zbliżają się do odkrycia długo poszukiwanej zunifikowanej teorii. Pamiętając o gorliwym czytelniku literatury popularnonaukowej, próbuję wyjaśnić wiele napawających radością osiągnięć, których dokonano w ostatnim dziesięcioleciu. Mam nadzieję, że moim kolegom zajmującym się innymi dyscyplinami naukowymi książka ta pozwoli wyrobić sobie rzetelny i wyważony pogląd na to, dlaczego teoretycy strun odnoszą się tak entuzjastycznie do postępu w poszukiwaniach ostatecznej teorii natury.

Teoria superstrun obejmuje liczne działy. Jest to złożona dziedzina, korzystająca z wielu najważniejszych odkryć w fizyce. Ponieważ łączy prawa dotyczące zarówno tego, co wielkie, jak i tego, co małe — prawa, które rządzą fizyką opisującą najdalsze zakątki kosmosu, ale także najmniejsze fragmenty materii — istnieje wiele sposobów podejścia do tego tematu. Postanowiłem się skupić na naszym ewoluującym obrazie przestrzeni i czasu. Uważam ten temat za szczególnie pasjonujący. Mam też nadzieję, że przedstawienie owej problematyki pozwoli dostrzec fascynujące bogactwo najważniejszych odkryć, których dokonano ostatnio. Einstein pokazał światu, że przestrzeń i czas zachowują się w niezwykły sposób. Współcześni badacze włączyli jego odkrycia do kwantowego wszechświata o wielu ukrytych wymiarach, których bogata geometria zawiera być może klucz do odpowiedzi na część najistotniejszych pytań. Chociaż niektóre pojęcia są dość zawiłe, przekonamy się, że potrafimy uchwycić ich znaczenie za pomocą analogii z życia codziennego. Po zrozumieniu owych pojęć ujrzymy Wszechświat w zaskakującej, wręcz rewolucyjnej perspektywie.

W całej książce staram się trzymać faktów naukowych. Jednocześnie często posługuję się analogiami i przenośniami, chcąc, aby czytelnik intuicyjnie zrozumiał, w jaki sposób uczeni doszli do obowiązującego dziś wyobrażenia o kosmosie. Unikam języka specjalistycznego i równań, ale ze względu na pojawianie się całkowicie nowych pojęć czytelnik odczuje być może potrzebę dłuższego zastanowienia się nad kwestiami omówionymi w rozdziale lub przemyślenia podanych wyjaśnień, aby z pełnym zrozumieniem śledzić dalszy tok rozumowania. Kilka podrozdziałów części IV (poświęconej głównie najnowszym osiągnięciom) jest nieco trudniejszych od reszty. Starałem się jednak ułożyć tekst tak, aby można je było tylko przejrzeć lub nawet pominąć z minimalną szkodą dla logiki wywodu. W przypomnieniu sobie pojęć wprowadzanych w tekście pomoże też dołączony przeze mnie słowniczek terminów naukowych. Uwagi zamieszczone na końcu książki, w przypisach, mniej zaangażowany czytelnik może pominąć. Znajdują się tam uzasadnienia tez postawionych w tekście, obszerne wyjaśnienia omówionych wcześniej skrótowo pojęć, a także kilka technicznych zagadnień, których zrozumienie wymaga przygotowania matematycznego.

Wielu osobom jestem winien podziękowania za pomoc okazaną mi w trakcie pisania tej książki. David Steinhardt, który z uwagą przeczytał rękopis, nie żałował wnikliwych uwag redakcyjnych i słów zachęty. David Morrison, Ken Vineberg, Raphael Kasper, Nicholas Boles, Steven Carlip, Arthur Greenspoon, David Mermin, Michael Popowits i Shani Offen po starannym zapoznaniu się z tekstem przekazali mi szczegółowe uwagi i wskazówki, które w znacznym stopniu poprawiły sposób prezentacji materiału. Całość lub część rękopisu przeczytali też: Paul Aspinwall, Persis Drell, Michael Duff, Kurt Gottfried, Joshua Greene, Teddy Jefferson, Marc Kamionkowski, Yakov Kanter, Andras Kovacs, David Lee, Megan McEwen, Nari Mistry, Hasan Padamsee, Ronen Plesser, Massimo Poratti, Fred Sherry, Lars Straeter, Steven Strogatz, Andrew Strominger, Henry Tye, Cumrun Vafa i Gabriele Veneziano. Wszyscy oni udzielili mi rad i okazali pomoc. Szczególne podziękowania należą się Raphaelowi Gunnerowi, między innymi za dogłębną krytyczną analizę początkowej wersji książki, co pomogło nadać jej doskonalszy kształt, oraz Robertowi Malleyowi za łagodną, ale zdecydowaną zachętę, abym zamiast myśleć o książce, „chwycił wreszcie za pióro”. Cennych rad i pomocy udzielili mi Steven Weinberg i Sidney Coleman. Do osób, którym z przyjemnością dziękuję za przydatne rozmowy, należą także: Carol Archer, Vicky Carstens, David Cassel, Anne Coyle, Michael Duncan, Jane Forman, Susan Greene, Wendy Greene, Erik Jendresen, Gary Kass, Shiva Kumar, Robert Mawhinney, Pam Morehouse, Pierre Ramond, Amanda Salles i Eero Simoncelli. Costasowi Efthimiou jestem wdzięczny za pomoc w sprawdzaniu faktów i wyszukiwaniu źródeł bibliograficznych, a także za przerobienie wykonanych przeze mnie szkiców na rysunki, z których Tom Rockwell stworzył — z cierpliwością świętego i mistrzostwem artysty — ilustracje zamieszczone w tekście. Dziękuję również Andrew Hansonowi i Jimowi Sethnie za pomoc w przygotowaniu kilku bardziej specjalistycznych rysunków.

Howardowi Georgiemu, Sheldonowi Glashowowi, Michaelowi Greenowi, Johnowi Schwarzowi, Johnowi Wheelerowi, Edwardowi Wittenowi oraz ponownie Andrew Stromingerowi, Cumrunowi Vafie i Gabriele Veneziano jestem wdzięczny za to, iż w czasie rozmów podzielili się ze mną poglądami na różne tematy poruszane w tej książce.

Z przyjemnością wyrażam uznanie dla wnikliwości Angeli Von der Lippe oraz wielkiej wrażliwości na szczegóły Traci Nagle, które były moimi redaktorami w wydawnictwie W.W. Norton. Obie przyczyniły się do znacznego poprawienia jasności wykładu. Dziękuję również moim agentom, Johnowi Brockmanowi i Katince Matson, za ich profesjonalną pomoc w doprowadzeniu książki do publikacji.

Narodowej Fundacji na rzecz Nauki, Fundacji Alfreda Sloana i amerykańskiemu Ministerstwu Energetyki jestem wdzięczny za hojne wspieranie moich badań w dziedzinie fizyki teoretycznej przez ponad piętnaście lat. Skupiałem się w nich na problemie wpływu teorii superstrun na nasze pojmowanie przestrzeni i czasu. W dalszych rozdziałach opisuję część odkryć, w których miałem szczęście uczestniczyć. Choć mam nadzieję, że czytelnikowi spodobają się owe relacje naocznego świadka, zdaję sobie sprawę, że mogą one pozostawić wrażenie, iż mój udział w tworzeniu teorii superstrun był większy niż w rzeczywistości. Pozwolę więc sobie skorzystać z tej okazji, aby wyrazić uznanie dla ponad tysiąca fizyków na całym świecie, którzy z zaangażowaniem uczestniczą w tworzeniu ostatecznej teorii Wszechświata. Przepraszam też wszystkich, których dokonań nie opisałem. Jest to związane z wyznaczonym przeze mnie zakresem tematycznym oraz ograniczeniami objętościowymi, jakim musi podlegać pozycja popularnonaukowa.

Na koniec z głębi serca dziękuję Ellen Archer za jej niezmienną miłość oraz wsparcie, bez których książka ta nigdy by nie powstała.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

CZĘŚĆ I – GRANICE WIEDZY

Rozdział 1

Związane struną

Nazywanie tego tuszowaniem faktów byłoby przesadą. Niemniej w ciągu ponad pół wieku — nawet w czasach największych osiągnięć naukowych — fizycy w głębi duszy zdawali sobie sprawę z obecności ciemnej chmury, przyczajonej na odległym horyzoncie. Otóż współczesna fizyka wspiera się na dwóch filarach. Jednym z nich jest ogólna teoria względności Alberta Einsteina, która dostarcza teoretycznych ram niezbędnych do zrozumienia Wszechświata w największej skali: gwiazd, galaktyk, gromad galaktyk i dalej, aż do olbrzymich przestrzeni całego kosmosu. Drugi to mechanika kwantowa, pozwalająca zrozumieć Wszechświat w najmniejszej skali: cząsteczek i atomów, a nawet cząstek subatomowych, takich jak elektrony i kwarki. W ciągu wielu lat badań fizycy potwierdzili doświadczalnie z niewiarygodną dokładnością prawie wszystkie przewidywania każdej z tych teorii. Jednakże zastosowanie do obu z nich tych samych narzędzi badawczych w nieunikniony sposób prowadzi do niepokojącego wniosku: w swej obecnej postaci ogólna teoria względności i mechanika kwantowa nie mogą być jednocześnie prawdziwe. Teorii leżących u podstaw olbrzymiego postępu fizyki w ciągu ostatnich stu lat — postępu, który pozwolił wyjaśnić rozszerzanie się Wszechświata i poznać strukturę materii — nie da się ze sobą pogodzić.

Jeśli wcześniej nie słyszałeś, drogi Czytelniku, o istnieniu tego ostrego antagonizmu, pewnie się zastanawiasz, dlaczego tak się stało. O odpowiedź nietrudno. W większości wypadków fizycy badają ciała, które są albo małe i lekkie (jak atomy oraz ich składniki), albo duże i masywne (jak gwiazdy i galaktyki). Oznacza to, że naukowcom potrzebna jest jedna teoria, tylko mechanika kwantowa albo tylko ogólna teoria względności, a drugą się nie interesują. Takie podejście, graniczące z błogą nieświadomością, istniało przez ponad pięćdziesiąt lat.

We Wszechświecie zdarzają się jednak sytuacje ekstremalne. W środku czarnej dziury olbrzymia masa zostaje zgnieciona do maleńkich rozmiarów. Cały Wszechświat wyłania się w chwili Wielkiego Wybuchu z mikroskopijnej drobiny, przy której ziarnko piasku to olbrzym. Istnieją więc obiekty małe i jednocześnie niewiarygodnie masywne, wymagające, aby mechanika kwantowa i ogólna teoria względności zjednoczyły wysiłki. Tymczasem z powodów wyjaśnionych na kolejnych stronach tej książki połączenie równań ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej sprawia, że zaczynają się one trząść, terkotać i buchać parą jak samochód, w którym zanadto wciskamy pedał gazu. Mówiąc mniej obrazowo, wskutek nieudanego połączenia tych teorii na dobrze postawione pytania otrzymuje się bezsensowne odpowiedzi. Nawet jeśli się godzimy, by procesy zachodzące we wnętrzu czarnej dziury i te, które legły u podstaw Wszechświata, pozostały otoczone tajemnicą, trudno nie zauważyć, że wrogość mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności wobec siebie domaga się głębszego wyjaśnienia. Czy jest rzeczywiście możliwe, aby fundamenty Wszechświata były niejednolite i by wymagał on stosowania jednego zbioru praw do dużych obiektów, a innego, niezgodnego z tym pierwszym, do małych ciał?

Teoria superstrun, nowinka w porównaniu z dostojną mechaniką kwantową i ogólną teorią względności, zdecydowanie się temu przeciwstawia. Intensywne badania prowadzone w ciągu ostatnich dziesięciu lat przez fizyków i matematyków z całego świata dowiodły, że to nowe podejście do opisu najbardziej podstawowego poziomu materii likwiduje napięcie między ogólną teorią względności a mechaniką kwantową. W rzeczywistości teoria superstrun pokazuje jeszcze więcej: w ramach tego nowego systemu ogólna teoria względności i mechanika kwantowa wzajemnie się uzupełniają. W teorii superstrun związek praw rządzących tym, co duże, i tym, co małe, jest nie tylko udany, ale i nieunikniony.

To nie wszystkie dobre wieści. Otóż teoria superstrun — w skrócie: teoria strun — odsłania nowy poziom tego związku. Przez trzy dziesięciolecia Einstein poszukiwał zunifikowanej teorii fizycznej, która splotłaby wszystkie siły natury i jej materialne składniki w jeden teoretyczny kobierzec. Bezskutecznie. Obecnie, na progu nowego tysiąclecia, zwolennicy teorii strun twierdzą, że udało się nareszcie wydzielić nitki tej nieuchwytnej, jednolitej tkaniny. Teoria strun daje możliwość pokazania, że wszystkie cudowne zdarzenia we Wszechświecie — od szalonego tańca subatomowych kwarków do statecznego walca krążących wokół siebie gwiazd podwójnych, od pierwotnej kuli ognistej Wielkiego Wybuchu do majestatycznych obrotów galaktyk — są odbiciem jednej zasady fizycznej, jednego, najważniejszego równania.

Teoria strun wymaga, abyśmy gruntownie zmienili nasze poglądy na przestrzeń, czas i materię. Nie od razu się do owych zmian przyzwyczaimy. Ale gdy zobaczymy teorię strun we właściwym świetle, stanie się jasne, że choć zaistniała nagle, jest naturalną konsekwencją rewolucyjnych odkryć dokonanych przez fizyków w ciągu ostatnich stu lat. Przekonamy się, że konflikt między ogólną teorią względności a mechaniką kwantową to w rzeczywistości ostatnia z trzech ważnych sprzeczności dotyczących nauki, które pojawiły się w ubiegłym stuleciu, a ich rozwiązanie przyniosło zaskakujące zmiany w naszym obrazie Wszechświata.

Trzy sprzeczności

Istnienie pierwszego z tych konfliktów uświadomiono sobie jeszcze pod koniec XIX wieku. Dotyczy on zagadkowych właściwości ruchu światła. Otóż z praw ruchu Izaaka Newtona wynika, że gdybyśmy biegli wystarczająco szybko, dogonilibyśmy promień świetlny. Możliwość taką wykluczają prawa elektromagnetyzmu Jamesa Clerka Maxwella. Jak się dowiemy z rozdziału drugiego, Einstein rozwiązał tę sprzeczność za pomocą swojej szczególnej teorii względności i w ten sposób całkowicie zburzył nasze dotychczasowe poglądy na przestrzeń i czas. Według tej teorii przestrzeń i czas nie są uniwersalnymi, niezmiennymi pojęciami, doświadczanymi w ten sam sposób. W sformułowaniu Einsteina przestrzeń i czas ukazały się jako plastyczne twory, których postać i wygląd zależą od ruchu obserwatora.

Powstanie szczególnej teorii względności stworzyło warunki do pojawienia się drugiej sprzeczności. Otóż Einstein założył, że nic nie porusza się z prędkością większą od prędkości światła. Jak się jednak przekonamy w rozdziale trzecim, uniwersalna teoria grawitacji Newtona — znajdująca potwierdzenia doświadczalne i zadowalająca intuicyjnie — wymaga natychmiastowego przenoszenia oddziaływań na olbrzymie odległości. I w tym wypadku Einstein poradził sobie ze sprzecznością, proponując w swojej ogólnej teorii względności z 1915 roku nową koncepcję grawitacji. Teoria ta, podobnie jak wcześniej szczególna teoria względności, całkowicie odmieniła dawne wyobrażenia o przestrzeni i czasie. Czas i przestrzeń zależą nie tylko od ruchu obserwatora, ale także od obecności materii czy energii, powodujących ich skręcanie i zakrzywianie. Takie zniekształcenia struktury przestrzeni i czasu przenoszą siłę grawitacji z jednego miejsca na drugie. Nie możemy więc już wyobrażać sobie przestrzeni i czasu jedynie jako tła zdarzeń zachodzących we Wszechświecie. W szczególnej i ogólnej teorii względności pełnią one raczej funkcję zaangażowanych uczestników tych zdarzeń.

Wydarzenia potoczyły się zgodnie ze znanym scenariuszem: odkrycie ogólnej teorii względności rozwiązało jedną sprzeczność, ale doprowadziło do pojawienia się kolejnej. W ciągu trzydziestu lat, począwszy od roku 1900, w odpowiedzi na kilka skomplikowanych problemów, które powstały, gdy dziewiętnastowieczną fizykę próbowano zastosować do świata mikroskopowego, fizycy stworzyli mechanikę kwantową (omówioną w rozdziale czwartym). Jak już wspomnieliśmy, trzeci, najostrzejszy konflikt dotyczy mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności. W rozdziale piątym pokażę, że łagodnie zakrzywiona, geometryczna postać przestrzeni występująca w ogólnej teorii względności kłóci się z szalonym, niespokojnym zachowaniem Wszechświata na poziomie mikroskopowym, zachowaniem wynikającym z mechaniki kwantowej. Ponieważ sprzeczność ta istniała do połowy lat osiemdziesiątych — kiedy to do jej rozwiązania zbliżyła się teoria strun — nazywano ją głównym problemem współczesnej fizyki. Co więcej, teoria strun, opierająca się na szczególnej i ogólnej teorii względności, wymaga kolejnego znacznego przekształcenia pojęć przestrzeni i czasu. Na przykład, większość z nas uważa za oczywiste, że Wszechświat ma trzy wymiary przestrzenne. Nie znajduje to jednak potwierdzenia w teorii strun. Zgodnie z nią Wszechświat ma o wiele więcej wymiarów, niż możemy zobaczyć. Wymiary te są ciasno skręcone w złożonej strukturze kosmosu. Owe niezwykłe spostrzeżenia dotyczące natury przestrzeni i czasu wydają się tak ważne, że będziemy się na nie cały czas powoływać. W rzeczywistości teoria strun to historia poglądów na przestrzeń i czas po Einsteinie.

Aby sobie uświadomić, czym właściwie jest teoria strun, musimy się nieco cofnąć i pokrótce opisać, czego dowiedzieliśmy się o mikroskopowej strukturze Wszechświata w ostatnim stuleciu.

Wszechświat w najmniejszej skali: co wiemy o materii?

Starożytni Grecy domyślali się, że materię Wszechświata tworzą maleńkie, niepodzielne składniki. Nazwali je atomami. Przypuszczali, że podobnie jak w języku, mającym alfabet, dzięki wielości kombinacji z małej liczby liter da się zbudować olbrzymią liczbę słów, tak i wielka rozmaitość ciał materialnych jest, być może, wynikiem złożenia niewielu różnych elementarnych cegiełek. Hipoteza okazała się trafna. Obecnie, ponad dwa tysiące lat później, wciąż wierzymy, że jest prawdziwa, chociaż koncepcja elementarnego składnika znacznie się zmieniła. W XIX stuleciu uczeni wykazali istnienie owego najmniejszego rozpoznawalnego składnika w wielu znanych substancjach, na przykład w tlenie czy węglu. Nawiązując do tradycji zapoczątkowanej przez Greków, składniki te nazwano atomami. Nazwa się przyjęła, ale historia miała pokazać, że określenie to nie jest właściwe, ponieważ atomy na pewno da się podzielić. Do początku lat trzydziestych XX wieku dzięki pracom J.J. Thomsona, Ernesta Rutherforda, Nielsa Bohra i Jamesa Chadwicka powstał znany większości z nas model atomu, przypominający Układ Słoneczny. Atomy nie są bynajmniej najbardziej elementarnymi cegiełkami materii; składają się z jądra zawierającego protony i neutrony, otoczonego rojem krążących elektronów.

Przez pewien czas wielu fizyków sądziło, że protony, neutrony i elektrony to rzeczywiście atomy Greków. Jednak w 1968 roku eksperymentatorzy z Centrum Akceleratora Liniowego w Stanford, wykorzystując nowe możliwości badania materii w skali mikroskopowej, stwierdzili, że protony i neutrony również nie są elementarne. Wykazali, iż każdy z nich składa się z trzech mniejszych cząstek, które nazwano kwarkami. Tę dziwaczną nazwę zaczerpnięto z poematu Finnegan’s Wake Jamesa Joyce’a. Określenie zaproponował fizyk teoretyk Murray Gell-Mann, który już wcześniej domyślał się istnienia tych cząstek. Eksperymentatorzy wykazali, że występują dwa rodzaje kwarków, które — już z mniejszą fantazją — nazwano górnymi i dolnymi. Proton zawiera dwa kwarki górne i jeden dolny, a neutron — dwa dolne i jeden górny.

Prawdopodobnie wszystko, co widzimy na Ziemi i niebie, składa się z kombinacji elektronów oraz kwarków górnych i dolnych. Żadne wyniki doświadczeń nie wskazują, aby któraś z tych trzech cząstek była zbudowana z czegoś jeszcze mniejszego. Wiele jednak przemawia za tym, że we Wszechświecie istnieją także inne cząstki. W połowie lat pięćdziesiątych przypuszczenia te potwierdzili doświadczalnie Frederick Reines i Clyde Cowan. Znaleźli czwartą cząstkę elementarną, zwaną neutrinem. Jej istnienie na początku lat trzydziestych XX wieku przewidział Wolfgang Pauli. Neutrina okazały się niezwykle trudne do zarejestrowania, ponieważ są to ulotne cząstki, które bardzo rzadko oddziałują z materią. Neutrino o przeciętnej energii z łatwością przechodzi przez warstwę ołowiu o grubości wielu bilionów kilometrów bez żadnej zmiany ruchu. Nie musisz się więc martwić, Czytelniku, że właśnie teraz, gdy czytasz te słowa, miliardy neutrin wyrzuconych w przestrzeń kosmiczną przez Słońce przenikają Twoje ciało i Ziemię, samotnie podróżując przez Wszechświat. Pod koniec lat trzydziestych XX wieku fizycy badający promieniowanie kosmiczne (strumienie cząstek bombardujących Ziemię z kosmosu) odkryli kolejną cząstkę — nazwano ją mionem. Mion był podobny do elektronu, ale miał 200 razy większą masę. Ponieważ nic nie wskazywało na to, że pełni on jakąkolwiek funkcję w kosmicznym porządku — nie stanowił rozwiązania żadnej zagadki ani nie wypełniał żadnej luki — fizyk cząstek i laureat Nagrody Nobla Isidor Isaac Rabi powitał odkrycie mionu pozbawionym entuzjazmu pytaniem: „Kto to zamawiał?”. Niemniej cząstka istniała. A inne czekały już na odkrycie.

Posługując się coraz bardziej zaawansowaną techniką, fizycy w dalszym ciągu zderzali ze sobą kawałki materii. Używali do tego celu coraz większej energii. W ten sposób odtwarzali warunki, które nie istniały od czasu Wielkiego Wybuchu. W produktach owych zderzeń poszukiwali nowych elementarnych składników, aby je dodać do coraz dłuższej listy cząstek. Oto co znaleźli: cztery inne kwarki — powabny, dziwny, niski i wysoki — oraz kolejnego, jeszcze cięższego kuzyna elektronu, nazwanego taonem, a także dwie inne cząstki o właściwościach podobnych do cech neutrina (zwane neutrinem mionowym i neutrinem taonowym, dla odróżnienia od pierwotnego neutrina, które teraz określono mianem elektronowego). Cząstki te powstają w wysokoenergetycznych zderzeniach i istnieją tylko przez chwilę; nie wchodzą w skład niczego, z czym się stykamy na co dzień. Ale to jeszcze nie wszystko. Każda z tych cząstek ma swoją antycząstkę — cząstkę o takiej samej masie, lecz o przeciwnych wartościach innych cech, takich jak ładunek elektryczny (a także inne ładunki związane z odmiennymi siłami, o których będzie mowa niżej). Na przykład antycząstką elektronu jest pozyton. Ma on identyczną masę jak elektron, ale jego ładunek elektryczny wynosi +1, podczas gdy ładunek elektryczny elektronu jest równy –1. Gdy dojdzie do kontaktu materii z antymaterią, następuje anihilacja i tak powstaje czysta energia. Dlatego właśnie w otaczającym nas świecie występuje niezwykle mało antymaterii.

Generacja 1

Generacja 2

Generacja 3

Cząstka

Masa

Cząstka

Masa

Cząstka

Masa

elektron

0,00054

mion

0,11

taon

1,9

neutrino elektronowe

< 10–8

neutrino mionowe

< 0,0003

neutrino taonowe

< 0,033

kwark górny

0,0047

kwark powabny

1,6

kwark wysoki

189

kwark dolny

0,0074

kwark dziwny

0,16

kwark niski

5,2

Tab. 1.1. Trzy generacje cząstek elementarnych i ich masy (jako krotność masy protonu). Wartości mas neutrin nie udało się dotąd wyznaczyć doświadczalnie1.

Badając te cząstki, fizycy dostrzegli pewną prawidłowość, którą pokazano w tabeli 1.1. Cząstki materialne dzielą się zgrabnie na trzy grupy, nazywane często generacjami. Każda generacja zawiera dwa kwarki, elektron lub jednego z jego kuzynów i jeden rodzaj neutrina. Odpowiadające sobie rodzaje cząstek z różnych generacji mają identyczne właściwości z wyjątkiem masy, która w każdej kolejnej generacji jest większa. Tak więc fizycy zbadali strukturę materii na poziomie około jednej miliardowej miliardowej metra i wykazali, że wszystko, co dotąd napotkali — niezależnie od tego, czy pojawia się w sposób naturalny, czy jest wytwarzane sztucznie za pomocą olbrzymich rozbijaczy atomów — składa się z pewnej kombinacji cząstek, należących do jednej z tych trzech generacji, oraz ich antycząstek.

Spojrzenie na tabelę 1.1 niewątpliwie wywołuje jeszcze większe zdziwienie niż to, które ogarnęło Rabiego po odkryciu mionu. Pogrupowanie cząstek w generacje daje wrażenie porządku, ale cisną się na usta niezliczone pytania: dlaczego? Dlaczego jest tak wiele cząstek elementarnych, zwłaszcza że znakomita większość obiektów w otaczającym nas świecie wymaga istnienia tylko elektronów oraz kwarków górnych i dolnych? Dlaczego istnieją właśnie trzy generacje, a nie na przykład jedna lub cztery? Dlaczego cząstki mają najwyraźniej przypadkowy rozkład mas? Czemu, na przykład, taon waży około 3520 razy tyle, co elektron? Dlaczego kwark wierzchni ma masę około 40 200 razy większą od masy kwarka górnego? Liczby te wydają się takie dziwne. W ich układzie nie ma żadnej regularności. Czy rzeczywiście są dziełem przypadku, jakiegoś boskiego wyboru? A może istnieje zrozumiałe, naukowe wyjaśnienie tych podstawowych właściwości Wszechświata?

Siły, czyli gdzie jest foton

Sytuację jeszcze bardziej komplikują siły natury. W otaczającym nas świecie istnieje wiele sposobów wywierania wpływu: uderzanie piłek rakietami, skoki na linie z dużych wysokości, utrzymywanie przez magnesy superszybkich pociągów tuż nad metalowymi szynami, tykanie liczników Geigera w odpowiedzi na obecność materiału radioaktywnego, wybuchy bomb jądrowych. Ludzie oddziałują na różne przedmioty, silnie je pchając lub ciągnąc albo potrząsając nimi, rzucając lub wystrzeliwując w ich kierunku inne obiekty, rozciągając, skręcając lub rozbijając je, czy też zamrażając, podgrzewając i paląc. W ciągu ostatnich stu lat fizycy zebrali wiele dowodów na to, że wszystkie wymienione wyżej oddziaływania pomiędzy różnymi ciałami a materiałami oraz miliony innych oddziaływań, z którymi stykamy się na co dzień, można sprowadzić do kombinacji czterech oddziaływań fundamentalnych. Jednym z nich jest siła grawitacyjna. Pozostałe trzy to siła elektromagnetyczna, oddziaływanie słabe i oddziały- wanie silne.

Spośród tych sił najlepiej znamy grawitację, utrzymującą nas na orbicie wokół Słońca i sprawiającą, że nasze stopy trzymają się ziemi. Masa obiektu to miara siły grawitacyjnej, jaką on wywiera i jakiej podlega. Drugim w kolejności oddziaływaniem pod względem stopnia poznania przez ludzi jest siła elektromagnetyczna. To właśnie ona napędza wszystkie urządzenia towarzyszące nam we współczesnym życiu — lampy, komputery, telewizory, telefony. Siła ta leży u podstaw zarówno groźnych burz z piorunami, jak i delikatnego dotyku ludzkiej dłoni. Ładunek elektryczny cząstki odgrywa tę samą rolę w oddziaływaniu elektromagnetycznym, co masa w przypadku oddziaływania grawitacyjnego: określa wielkość siły elektromagnetycznej, z jaką cząstka działa lub jakiej podlega.

Oddziaływanie

Cząstka przenosząca

Masa

silne

gluon

0

elektromagnetyczne

foton

0

słabe

słabe bozony pośredniczące

86, 97

grawitacyjne

grawiton

0

Tab. 1.2. Cztery oddziaływania zachodzące w przyrodzie, wraz z przenoszącymi je cząstkami oraz masami owych cząstek, wyrażonymi jako krotność masy protonu. (Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe występują w różnych odmianach o dwóch możliwych masach. Badania teoretyczne wskazują, że grawiton to cząstka bezmasowa).

Oddziaływania silne i słabe znamy nie tak dobrze, ponieważ ich natężenie szybko maleje wraz ze zwiększaniem się odległości i odgrywa istotną rolę tylko w skali subatomowej; są to siły jądrowe. Dlatego właśnie te dwie siły odkryto stosunkowo niedawno. Oddziaływanie silne „skleja” kwarki wewnątrz protonów i neutronów oraz silnie je wiąże wewnątrz jądra atomowego. Oddziaływanie słabe jest najlepiej znane jako siła powodująca radioaktywny rozpad substancji takich jak uran czy kobalt.

W ostatnim stuleciu fizycy znaleźli dwie cechy wspólne wszystkich oddziaływań. Po pierwsze, o czym będzie mowa w rozdziale piątym, na poziomie mikroskopowym każda z tych sił ma swoją cząstkę, wyobrażaną jako maleńka porcja siły. Gdy strzelamy promieniem laserowym — z „pistoletu na promienie elektromagnetyczne” — wypuszczamy strumień fotonów, najmniejszych jednostek siły elektromagnetycznej. Podobnie, najmniejszymi składnikami oddziaływań słabych i silnych są cząstki, zwane, odpowiednio, słabymi bozonami pośredniczącymi i gluonami. (Nazwa gluon — od angielskiego glue, czyli klej — jest szczególnie obrazowa. Gluony bywają porównywane do mikroskopijnych granulek zawieszonych w kleju silnie scalającym jądra atomowe). Do 1984 roku eksperymentatorzy ostatecznie potwierdzili istnienie tych trzech rodzajów cząstek przenoszących siły, które podano w tabeli 1.2. Dokładnie określili też właściwości owych cząstek. Fizycy sądzą, że siła grawitacyjna również ma związaną z nią cząstkę — grawiton — ale jej istnienie wciąż czeka na potwierdzenie doświadczalne.

Drugą wspólną cechą wszystkich oddziaływań jest to, że podobnie jak masa cząstki określa, w jaki sposób działa na tę cząstkę grawitacja, a ładunek elektryczny decyduje o tym, jak na nią wpływa siła elektromagnetyczna, tak pewna ilość ładunku „silnego” i „słabego”, w którą jest wyposażona cząstka, decyduje o tym, jaki wpływ wywiera na nią oddziaływanie silne i słabe. (Właściwości te przedstawiono szczegółowo w przypisach zamieszczonych na końcu rozdziału)1. Ale chociaż fizycy doświadczalni dokładnie zmierzyli owe właściwości, nikt nie potrafił wyjaśnić, dlaczego nasz Wszechświat składa się z tych właśnie cząstek, o ściśle określonych masach i ładunkach sił.

Po znalezieniu fundamentalnych wspólnych cech oddziaływań pojawiły się bardziej złożone pytania. Dlaczego, na przykład, istnieją cztery podstawowe siły, a nie pięć lub trzy albo tylko jedna? Czemu siły te mają tak różne właściwości? Dlaczego oddziaływania silne i słabe ograniczają się do skali mikroskopowej, podczas gdy cechą grawitacji i elektromagnetyzmu jest ich nieograniczony zasięg? Dlaczego wreszcie istnieje tak olbrzymi rozrzut natężenia tych sił?

Aby docenić wagę ostatniego pytania, wyobraźmy sobie, że próbujemy zbliżyć do siebie dwa elektrony, cząstki o identycznym ładunku elektrycznym. Jeden z nich trzymamy w lewej ręce, a drugi w prawej. Ich wzajemne przyciąganie grawitacyjne będzie sprzyjało zbliżaniu, natomiast siła odpychania elektromagnetycznego postara się je od siebie oddalić. Które oddziaływanie zwycięży? Nie ma żadnych wątpliwości: odpychanie elektromagnetyczne jest około miliona miliardów miliardów miliardów miliardów (1042) razy silniejsze. Gdyby wielkość prawego bicepsa odpowiadała natężeniu siły grawitacyjnej, a wielkość lewego — natężeniu siły elektromagnetycznej, lewy biceps przewyższałby rozmiarami cały Wszechświat. Siła elektromagnetyczna nie zdominowała całkowicie grawitacji w otaczającym nas świecie tylko dlatego, że większość ciał składa się z takiej samej liczby dodatnich i ujemnych ładunków elektrycznych, których wpływy się znoszą. Z drugiej strony, ponieważ siła grawitacji jest zawsze przyciągająca, w jej przypadku nigdy nie dochodzi do takiej sytuacji — więcej materii zawsze oznacza większą siłę grawitacyjną. Niemniej grawitacja to w zasadzie siła niezwykle słaba. (Staje się to przyczyną trudności, jakie napotyka doświadczalne potwierdzenie istnienia grawitonu. Poszukiwanie najmniejszej porcji najsłabszej siły okazało się trudnym zadaniem). Eksperymentatorzy wykazali również, że oddziaływanie silne jest około stu razy mocniejsze od elektromagnetycznego i około stu tysięcy razy silniejsze od słabego. Ale dlaczego nasz Wszechświat ma takie akurat cechy?

Nie jest to pytanie rodem z jałowej filozoficznej dyskusji, której uczestnicy próbują wyjaśnić, dlaczego pewne szczegóły mają takie, a nie inne cechy. Wszechświat stałby się zupełnie innym miejscem, gdyby właściwości materii i cząstek przenoszących oddziaływania uległy nawet niewielkim zmianom. Na przykład istnienie stabilnych jąder tworzących ponad sto pierwiastków układu okresowego w dużym stopniu zależy od stosunku natężenia oddziaływania silnego i elektromagnetycznego. Protony upakowane w jądrze atomowym odpychają się elektromagnetycznie, ale silne oddziaływanie jądrowe między tworzącymi je kwarkami na szczęście przezwycięża to odpychanie i mocno wiąże protony. Całkiem mała zmiana stosunku natężeń tych sił zakłóciłaby jednak równowagę między nimi i spowodowała rozpad większości jąder atomowych. Co więcej, gdyby masa elektronu była kilkakrotnie większa, elektrony i protony łączyłyby się w neutrony, niszcząc jądra wodoru (najprostszego pierwiastka w kosmosie, którego jądro zawiera tylko jeden proton) i uniemożliwiając powstawanie bardziej złożonych pierwiastków. Gwiazdy, których istnienie zależy od syntezy zachodzącej między stabilnymi jądrami, nie powstałyby, gdyby podstawy fizyki tak się zmieniły. Istotną rolę odgrywa również wielkość siły grawitacyjnej. Olbrzymia gęstość materii w jądrze gwiazdy umożliwia zasilanie jej „jądrowego pieca” i powoduje, że gwiazda świeci. Gdyby natężenie siły grawitacyjnej wzrosło, gwiazda byłaby mocniej związana i tempo reakcji jądrowych uległoby znacznemu przyspieszeniu. Ale podobnie jak jasno świecąca raca zużywa swoje paliwo dużo szybciej niż paląca się powoli świeca, zwiększenie tempa reakcji jądrowych spowodowałoby, że gwiazdy takie jak Słońce spalałyby się dużo szybciej. To zaś miałoby katastrofalne skutki dla istnienia życia. Z kolei gdyby siła grawitacji znacznie zmalała, materia nie skupiałaby się i nie powstawałyby gwiazdy oraz galaktyki.

Podobne przykłady można by mnożyć. Wiadomo, że Wszechświat jest taki, jaki jest, ponieważ materia i cząstki przenoszące oddziaływania mają określone cechy. Ale czy istnieje naukowe wyjaśnienie przyczyny pojawienia się owych cech?

Teoria strun: zasadnicza koncepcja

Teoria strun to bardzo skuteczny aparat pojęciowy, który po raz pierwszy pozwala znaleźć odpowiedź na to pytanie. Zajmijmy się najpierw podstawową koncepcją teorii strun.

Cząstki przedstawione w tabeli 1.1 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. Rycina 1.1 stanowi ilustrację tej zasadniczej koncepcji teorii strun. 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 pętlę2.

Ryc. 1.1. Materia składa się z atomów, które z kolei są zbudowane z kwarków i elektronów. Zgodnie z teorią strun wszystkie te cząstki mają w rzeczywistości postać maleńkich pętli drgających strun.

Chociaż nie jest to wcale oczywiste, owo proste zastąpienie punktowych składników materii strunami likwiduje sprzeczność między mechaniką kwantową a ogólną teorią względności. (Kwestie te omówiono w rozdziale szóstym). 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 XX wieku Einstein pisał do przyjaciela: „Stałem się samotnym, starym facetem, znanym głównie z tego, że nie nosi skarpetek, i pokazywanym na spotkaniach jako osobliwość”3.

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, zebrane w tabelach 1.1 i 1.2, 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 lub znudzenie to tylko reakcje chemiczne zachodzące w mózgu między cząsteczkami i atomami, a właściwie między niektórymi z cząstek opisanych w tabeli 1.1, 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 świat4.

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 istnieją 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, a ma duże znaczenie dla poszukiwań opisanych w tej książce. 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.

Teoria strun współcześnie

Głównym celem tej książki jest przedstawienie w ramach teorii strun obrazu Wszechświata, ze szczególnym uwzględnieniem przestrzeni i czasu. W przeciwieństwie do wielu innych wywodów na temat postępu nauki ten nie dotyczy teorii, którą już w pełni opracowano, potwierdzono doświadczalnie i zaakceptowano. Teoria strun to bowiem tak głęboka i skomplikowana struktura teoretyczna, iż nawet biorąc pod uwagę niezwykły postęp, jaki się dokonał w ciągu ostatnich dwudziestu lat, ciągle jeszcze pozostaje wiele do zrobienia, aby ją w pełni opanować.

Teorię strun trzeba więc traktować jako dzieło w trakcie tworzenia, które pozwoliło już na uzyskanie wglądu w zadziwiającą naturę przestrzeni, czasu i materii. Harmonijne powiązanie ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej to duży sukces. Co więcej, w przeciwieństwie do wszystkich wcześniejszych teorii teoria strun umożliwia znalezienie odpowiedzi na najważniejsze pytania dotyczące elementarnych składników i sił przyrody. Równie ważna, chociaż nieco trudniejsza do przekazania, jest niezwykła elegancja zarówno samych odpowiedzi proponowanych przez teorię strun, jak i formy, w jakiej się je przedstawia. Na przykład wiele aspektów przyrody, które wydają się nieistotnymi szczegółami — jak liczba różnych cząstek elementarnych i ich właściwości — według teorii strun wywodzi się z istotnych i łatwo uchwytnych cech geometrii Wszechświata. Jeśli teoria strun jest prawdziwa, na poziomie mikroskopowym struktura naszego Wszechświata to gęsty, wielowymiarowy labirynt, w którym struny bez końca skręcają się i wibrują, zgodnie z prawami kosmosu. Właściwości podstawowych cegiełek natury nie są przypadkowymi szczegółami, lecz tworzą osnowę przestrzeni i czasu.

W końcowej części analizy nic jednak nie zastąpi ostatecznych, dających się sprawdzić przewidywań, które pozwolą stwierdzić, czy teoria strun rzeczywiście odsłania tajemnicę dotyczącą fundamentalnych prawd Wszechświata. Pewnie upłynie jeszcze trochę czasu, zanim zyskamy wiedzę niezbędną do osiągnięcia tego celu, chociaż, jak się przekonamy w rozdziale dziewiątym, już w ciągu najbliższych dziesięciu lat sprawdziany doświadczalne powinny dostarczyć pośrednich dowodów przemawiających za prawdziwością teorii strun. Co więcej, jak się dowiemy w rozdziale trzynastym, teoria strun umożliwiła ostatnio rozwiązanie głównej zagadki dotyczącej czarnych dziur. Zagadka ta wiąże się z tak zwaną entropią Bekensteina-Hawkinga, a jej wyjaśnienia szukano przez ponad dwadzieścia pięć lat, używając konwencjonalnych metod. Sukces ten przekonał wielu, że w teorii strun tkwi klucz do zrozumienia funkcjonowania Wszechświata.

Edward Witten, jeden z pionierów teorii strun i ekspert w tej dziedzinie, podsumowuje obecną sytuację stwierdzeniem, że „teoria strun to część fizyki XXI stulecia, przypadkowo odkryta w wieku XX”5. Myśl tę jako pierwszy wyraził sławny fizyk włoski Daniele Amati. W pewnym sensie jest więc tak, jakby pod koniec XIX wieku naszym przodkom pokazano współczesny superkomputer, nie informując o sposobach używania go. Metodą prób i błędów doszliby prawdopodobnie do tego, jak wielka tkwi w nim moc, ale jej opanowanie i wykorzystanie wymagałoby wielkiego wysiłku i zabrałoby sporo czasu. Przewidywane możliwości superkomputera, podobnie jak nasze spostrzeżenia dotyczące potencjału tkwiącego w teorii strun, dostarczyłyby niezwykle silnej motywacji do uzyskania biegłości w posługiwaniu się nowym urządzeniem. Podobna motywacja zachęca dzisiaj fizyków teoretyków do podejmowania prób pełnego zrozumienia teorii strun.

Uwaga Wittena i komentarze innych specjalistów w tej dziedzinie wskazują, że prawdopodobnie upłyną dziesięciolecia, a nawet wieki, zanim uda się rozwinąć i w pełni zrozumieć teorię strun. Matematyka teorii strun jest tak skomplikowana, że na razie nikt nie zna dokładnie jej równań. Fizycy dysponują jedynie ich przybliżeniami, ale nawet w tej postaci są one tak skomplikowane, że do tej pory udało się je tylko częściowo rozwiązać. Niemniej inspirująca seria przełomów, które nastąpiły w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych — i pozwoliły odpowiedzieć na pytania o niewyobrażalnym dotąd stopniu złożoności — wskazuje, że pełne, ilościowe zrozumienie teorii strun jest w rzeczywistości dużo bliżej, niż nam się początkowo wydawało. Fizycy z całego świata opracowują skuteczne nowe techniki, zastępujące liczne przybliżone metody używane dotychczas, i wspólnie w niezwykłym tempie składają w jedną całość różne elementy łamigłówki, jaką jest teoria strun.

Zaskakujące wydaje się to, że owe odkrycia umożliwiają nową interpretację części podstawowych aspektów teorii, na które wskazywano już od pewnego czasu. Gdy na przykład patrzymy na rycinę 1.1, nasuwa się pytanie: dlaczego struny, a nie maleńkie dyski albo mikroskopijne bryłki w kształcie kropel, albo kombinacja wszystkich tych możliwości? Jak się przekonamy w rozdziale dwunastym, najnowsze badania wskazują, że owe inne rodzaje składników faktycznie odgrywają istotną rolę w teorii strun oraz że teoria strun jest w rzeczywistości częścią większej całości, zwanej obecnie tajemniczo M-teorią. Omówienie tych najnowszych odkryć znajduje się w ostatnich rozdziałach.

Postęp w nauce następuje skokowo. Niektóre okresy pełne są wielkich, przełomowych odkryć, w innych panuje zastój. Naukowcy ogłaszają rezultaty badań zarówno teoretycznych, jak i doświadczalnych. Wyniki te stają się przedmiotem dyskusji w środowisku naukowym, czasem się je odrzuca, czasem poprawia, a niekiedy stanowią inspirację do poszukiwania nowych, dokładniejszych sposobów rozumienia fizycznego Wszechświata. Innymi słowy, nauka posuwa się zygzakiem w kierunku — miejmy nadzieję — ostatecznej prawdy. Zmierza drogą, która się rozpoczęła wraz z najwcześniejszymi próbami zgłębienia kosmosu, a jej końca nie widać. Nie wiemy, czy teoria strun to pozbawiony znaczenia przystanek na owej drodze, punkt zwrotny czy cel. Ale ostatnie dwadzieścia lat badań prowadzonych przez setki oddanych sprawie fizyków i matematyków z wielu krajów pozwalają mieć nadzieję, iż idziemy we właściwą stronę i możliwe, że znajdujemy się prawie u celu.

Wiele mówiącym świadectwem bogatej i wszechobejmującej natury teorii strun jest to, że nawet obecny poziom jej zrozumienia umożliwił nam wejrzenie w zaskakujące mechanizmy funkcjonowania Wszechświata. Motywem przewodnim dalszych rozdziałów będą odkrycia, które oznaczają dalszy postęp w rewolucjonizowaniu naszego obrazu przestrzeni i czasu, zapoczątkowanym przez szczególną i ogólną teorię względności Einsteina. Przekonamy się, że jeśli teoria strun jest słuszna, struktura Wszechświata ma właściwości, które prawdopodobnie zaskoczyłyby nawet Einsteina.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Przypisy

1 Poniższe tabele, zawierające masy i ładunki sił cząstek wchodzących w skład wszystkich trzech generacji, są rozszerzeniem tabeli 1.1. Poszczególne rodzaje kwarków przenoszą jeden z trzech możliwych ładunków oddziaływania silnego, które nieco wymyślnie nazwano kolorami. Kolory odpowiadają numerycznym wartościom ładunku oddziaływania silnego. Podane ładunki oddziaływania słabego to, dokładniej mówiąc, „trzecie składowe” słabego izospinu. Nie wymieniliśmy „prawoskrętnych” składników cząstek. Różnią się one od podanych tym, że nie mają ładunku oddziaływania słabego.

Generacja 1

Cząstka

Masa

Ładunek elektryczny

Ładunek oddziaływania słabego

Ładunek oddziaływania silnego

elektron

0,0054

–1

–1/2

0

neutrino elektronowe

< 10–8

0

1/2

0

kwark górny

0,0047

2/3

1/2

czerwony, zielony, niebieski

kwark dolny

0,0074

–1/3

–1/2

czerwony, zielony, niebieski

Generacja 2

Cząstka

Masa

Ładunek elektryczny

Ładunek oddziaływania słabego

Ładunek oddziaływania silnego

mion

0,11

–1

–1/2

0

neutrino mionowe

< 0,0003

0

1/2

0

kwark powabny

1,6

2/3

1/2

czerwony, zielony, niebieski

kwark dziwny

0,16

–1/3

–1/2

czerwony, zielony, niebieski

Generacja 3

Cząstka

Masa

Ładunek elektryczny

Ładunek oddziaływania słabego

Ładunek oddziaływania silnego

taon

1,9

–1

–1/2

0

neutrino taonowe

< 0,033

0

1/2

0

kwark wysoki

189

2/3

1/2

czerwony, zielony, niebieski

kwark niski

5,2

–1/3

–1/2

czerwony, zielony, niebieski

2 Oprócz pętli (zamkniętych strun) pokazanych na rycinie 1.1 istnieją także struny o dwóch swobodnie poruszających się końcach. Są to tak zwane otwarte struny. Dla ułatwienia w rozważaniach ograniczymy się w zasadzie do strun zamkniętych, chociaż wszystkie wnioski odnoszą się także do drugiego rodzaju strun.

3 Albert Einstein w liście do przyjaciela z 1942 roku, cyt. za: T. Hey i P. Walters, Einstein’s Mirror, Cambridge University Press, Cambridge 1997.

4 S. Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, przeł. P. Amsterdamski, Zysk i S-ka, Poznań 1997, s. 52.

5 Wywiad z Edwardem Wittenem, 11 maja 1998 roku.

1 Zgodnie z najnowszymi pomiarami laboratoryjnymi masa neutrina elektronowego nie przekracza 2 elektronowoltów (czyli 2 × 10–9 masy protonu), a obserwacje kosmologiczne wskazują, że może być jeszcze kilkakrotnie mniejsza. Lepsze ograniczenia na masę pozostałych neutrin, które znacznie trudniej zaobserwować, stały się możliwe dzięki eksperymentom z „mieszaniem” neutrin, czyli przechodzeniem jednego typu w inny, tak jak to się dzieje w przypadku neutrin słonecznych. Pomiary wskazują, że różnice masy pomiędzy różnymi rodzajami neutrin są małe (przyp. tłum.).