Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 9

Artykuły

Kosmiczna symfonia cz.1: Teoria Wszystkiego

31st Lip '12

Istnieje teoria, która nieustannie zaprząta mi głowę już od kilku lat. To niewątpliwie jedna z najważniejszych i najbardziej eleganckich idei, nad którymi pracują współcześni badacze, a być może również najpotężniejsza teoria w całej historii nauki. Nie przedłużając – przedstawiam wam pierwszą część cyklu opowiadającego o teorii strun i pogoni za unifikacją praw wszechświata.

Cała nasza nauka, w porów­naniu z rze­czy­wi­sto­ścią, jest pry­mi­tywna i dzie­cinna,  ale nadal jest to naj­cen­niejsza rzecz, jaką posia­damy.
– Albert Einstein

Czym jest Theory of Everything?

Na wstępie muszę ostudzić emocję osób, które żywią nadzieję, że po prze­czy­taniu tych kilku tysięcy słów będą mogli już brylować w tematach poświę­co­nych Teorii Strun. Po tym odcinku wła­ściwie nie będziecie wie­dzieli niemal nic na temat samych strun, membran i M-Teorii. Jedyne co mogę teraz zdradzić to to, że Teoria Strun pozo­staje główną, a wła­ściwie jedyną poważna kan­dy­datką 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 stanowi zbiór idei tłu­ma­czą­cych pewne zjawiska. Nasuwa się tu oczy­wiste pytanie: cóż 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 tę kosmiczną regułę, zapew­ni­łaby sobie wieczną chwałę, i naj­pew­niej również 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, czyli gra­wi­tacji, elek­tro­ma­gne­tyzmu, oddzia­ływań silnych i oddzia­ływań słabych. Pewne kroki w tym kierunku są od dawna czynione i to na nich pragnę skupić się w dalszej części tekstu.

Spadające jabłko

Wszystko roz­po­częło się w Anglii, w latach 60. XVII stulecia, kiedy to młodemu uczonemu Isaacowi New­to­nowi, spadło na głowę jabłko. Oczy­wi­ście, jak to często bywa, historia o jabłku stanowi jedynie pewien symbol a prawda jest nieco mniej poetycka. 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 z nieba nie spadają ciała nie­bie­skie? 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 potrafił zado­wolić się nie­ra­cjo­nal­nymi odpo­wie­dziami. Wystar­czył prze­błysk geniuszu (być może fak­tycznie coś spadło na głowę) aby wpaść na genialny pomysł. Być może – pomyślał Newton  na ciała nie­bie­skie, jak 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 nie­wi­dzialny sznur trzy­ma­jący przy sobie wszystkie obiekty, z siła zależną od masy i odle­głości między między nimi. Kon­kret­niej, jeśli dwa przed­mioty oddalone od siebie o kilometr prze­su­niemy się na odle­głość dwóch kilo­me­trów, siła ich przy­cią­gania okaże się cztery razy mniejsza niż uprzednio. Isaac Newton w tym momencie odkrył jedną z fun­da­men­tal­nych zasad wszech­świata  prawo ciążenia, czyli zręby oddzia­ły­wania gra­wi­ta­cyj­nego. Tłu­ma­cząc w sposób naukowy, iż takie same siły oddzia­łują na każdy obiekt – od ziarenka piasku na Saharze po gwiazdy i odległe galak­tyki – połączył on fizykę Ziemi z fizyką nieba. Nauko­wiec z miejsca został okrzyk­nięty boha­terem nauki, ojcem fizyki, a nawet osobą w pewien sposób nie­ty­kalną. Choć miał wielu zacie­kłych 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.

Po tym czasie miało okazać się, iż gra­wi­ta­cyjny model Newtona, zawierał jednak pewne braki.

Burza i kompas

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 latami były przyj­mo­wane jako pewnik, toteż uczeni zwrócili swój wzrok na inne problemy. Maxwell wziął pod lupę dwie obser­wo­walne, a jednak wciąż tajem­nicze siły: elek­trycz­ność i magne­tyzm. Ówcześni sądzili, że obra­ca­jący igłą kompasu magne­tyzm oraz elek­trycz­ność widoczna przy okazji wyła­dowań atmos­fe­rycz­nych, to zupełnie oddzielne sprawy. Fizyk abso­lutnie nie zgodził się z tą opinią i postawił twier­dzenie odwrotne  jakoby te dwie siły były ze sobą nie­ro­ze­rwalnie sprzę­żone. Nawet laik może poddać wery­fi­kacji kon­cepcję Maxwella. Wystarczy poob­ser­wować dzia­łanie kompasu podczas burzy i zwrócić uwagę jak igła zamiast wska­zywać do znu­dzenia północ, zaczyna wariować, poddana dzia­łaniu silnego ładunku elek­trycz­nego. Szkot o tym wiedział, jednak wciąż było mu mało i dalej badał naturę tego zjawiska.
electromagneticW końcu Maxwell wpadł na nowa­torski pomysł: 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 swoim drganiem pole magne­tyczne, które z kolei znów tworzy pole elek­tryczne. Aby jeszcze lepiej zobra­zować problem, sko­rzy­stam z metafory ukutej przez Michio 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, czyli elek­tro­ma­gne­tyzm. Nie można również zapo­mnieć, że przy tej okazji Maxwell dokonał innego nie­do­ce­nio­nego odkrycia. Oto, towa­rzy­szące nam od zawsze światło, zostało wreszcie kon­kretnie zde­fi­nio­wane jako fala elek­tro­ma­gne­tyczna. Pojawił się tu jednak spory problem, który ówcze­śnie jeszcze lek­ce­wa­żono. Prędkość światła, tj. roz­cho­dzenia się owej fali elek­tro­ma­gne­tycznej, nie zależy od pręd­kości z jaką porusza się źródło jego emisji, a co za tym idzie prędkość ta pozo­staje taka sama dla różnych obser­wa­torów. A zatem z równań Jamesa Maxwella wynika, że dla obiektu poru­sza­ją­cego się z szyb­ko­ścią bliską fali światła… Czas musi zwolnić!

Zamach na Newtona?

Nie licząc tego, że stwier­dzenie o zwal­nianiu czasu musiało brzmieć w XIX wieku jak majaki nie­do­ro­zwi­nię­tego oszołoma, był to również zamach na święty dogmat 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. W końcu pojawiła się jednak osoba kwe­stio­nu­jąca status quo; która otwarcie stwier­dziła, że wszech­świat nie działa bez ogra­ni­czeń, a gra­wi­tacja i światło funk­cjo­nują nieco inaczej 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 Einstein 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 zdolnego fizyka 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, dojdzie do kolizji z pręd­ko­ścią 200 km/h. Jednak światło zachowa się inaczej. Dwa fotony pędzące z pręd­ko­ścią 300 tys. km/s, wcale 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 cofać się w czasie, nosi nazwę tachionu). Tekst ten nie traktuje jednak o samych ideach Ein­steina, dlatego też skrócę jego myśl do minimum. Z tezy o abso­lutnej pręd­kości światła, wynikła znana wszystkim, przy­najm­niej z nazwy, 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 pozo­staje 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, bowiem nawet światło potrze­buje tyle czasu aby przebyć 150 mln km dzielące nas od Gwiazdy Dziennej. Skoro foton nie prze­kroczy tego ogra­ni­czenia, to również nic innego. Taki pomysł wymagał istot­nego zre­for­mo­wania dawnego modelu gra­wi­tacji. Einstein podjął wyzwanie i powalił wszyst­kich na kolana ele­gancją swojego pomysłu.
ogolna teoriaWyobraził on sobie cza­so­prze­strzeń jako roz­cią­gnięte płótno, na którym spo­czy­wają wszystkie mate­rialne obiekty. Czym masyw­niejsze ciało, dajmy na to Słońce, tym większe zagłę­bienie wokół siebie tworzy. Mniejsze przed­mioty nato­miast mogą w te doliny wpadać, co inter­pre­tu­jemy jako przy­cią­gane. Gra­wi­tacja nie jest więc nie­wi­dzialną liną jak u Newtona, a znie­kształ­ce­niem czterech wymiarów cza­so­prze­strzeni, wywo­łanym obec­no­ścią masy. W ten sposób ogólna teoria względ­ności prze­wi­działa ist­nienie czarnych dziur, eks­pansję wszech­świata oraz zakrzy­wienia promieni świetl­nych pod wpływem gra­wi­tacji, do dziś idealnie opisując dzia­łanie świata makro­sko­po­wego.

Na scenie pojawia się nieproszony gość

Nazwisko Alberta Ein­steina trafiło na czołówki gazet i po dziś dzień pozo­staje roz­po­zna­wane chyba przez każdą osobę na Ziemi. Według mnie nauka nie mogła sobie znaleźć lepszej ikony. Za sam arcy­kre­atywny pomysł sprzę­żenia ze sobą czasu i prze­strzeni, a zaraz za tym energii i materii, Ein­steina można śmiało nazwać naj­tęż­szym umysłem w historii. Geniusz nie spoczął na laurach i ostatnie kil­ka­dzie­siąt lat spędził w swoim domu w Prin­ceton, szukając… Teorii Wszyst­kiego. Einstein był cał­ko­wicie pewny, że jest już blisko celu 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 dzie­dzina fizyki. 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.

podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • http://www.blogger.com/profile/10013960636360279107 pawel.dtp

    Świeżo zacząłem czytać i myślę, że kilka godzin 😉 poświęcę na stu­dio­wanie tego bloga.
    By the way: teoria strun nie jest jedyną poważną kan­dy­datką na GUT, czyli na Grand Uni­fi­ca­tion Theory.
    Inna poważna kan­dy­datka to teoria super­sy­me­trii chioćby.
    Teraz w ogóle dzieje się dużo fajnych rzeczy w fizyce.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Kojot

    Zakoń­czylem lekturę wszyst­kich części i jestem trochę oszo­ło­miony. Wszystko w jednym. Prawa fizyki, materia, prze­strzeń, czas to jedno. Biorąc pod uwagę że kiedyś, na samym początku i tak wszystkie te elementy były stopione w jedno wydaje się to nawet logiczne, ale i tak jestem lekko zszo­ko­wany.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ula

    Po prostu wzięłam i prze­czy­tałam wszystkie artykuły, inne plany na piątkowy wieczór diabli wzięli :)

    Bardzo dziękuję, świetnie napisane, do tego prostym językiem dla laika jak ja.
    Trzymam kciuki za więcej podob­nych arty­kułów!

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Kosmiczna symfonia cz.5: M-Teoria | Kwantowo.pl()

  • Sabrina

    Bardzo ciekawie i przy­stępnie napisane na tak abs­trak­cyjne tematy. Super.
    Jednak nie wiem na czym polega związek czasu z prze­strzenią. Czy ta „prze­strzeń jest dwu­wy­mia­rowa wg wyobra­żenia „płótna” ? Bardziej dla mnie logiczne jest połą­czenie owego „czasu” z ruchem a nie z płaską prze­strzenią. Nie wynika jeszcze nic co by wyja­śniało czym jest czas. 

    Poczytam w wolnej chwili dalsze art.,może coś mi zabły­śnie z pręd­ko­ścią nad-świetlną. Chyba tylko takie pręd­kości mnie oświecą :)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Dominik Kurek

      Lepiej późno niż wcale (?)
      Prze­strzeń jest 3-wymia­rowa plus czas. Zagłę­bione płótno to chyba jedyny sposób by przed­stawić tę ideę zakrzy­wienia. Niestety jest to tylko 2-wymia­rowa analogia

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://gamingowytv.pl/ Gamin­go­wyTV

    Dużo się dowie­działem dzięki temu arty­ku­łowi o tej materii i dlaczego tak czas szybko biegnie…
    no i już wiem po prostu biegnie z szyb­ko­ścią 300 000 km/s.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Dominik

    W sumie dużo się dowie­działem, dziękuje za wyja­śnienie :)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • igno

    Jestem igno­rantem i pewnie to jest powodem pomysłu, który wpadł mi do głowy. Jeśli ciemnej materii/energii jest więcej niż tej obser­wo­wanej, a ta obser­wo­wana materia jest poskle­jana przez gra­wi­tację, to ile waży ta gra­wi­tacja?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0