Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 8

Artykuły

Kosmiczna symfonia cz.3: Teoria Strun

31st Lip '12

Jak funkcjonuje wszechświat? Z czego jest zbudowany? Czy znamy jego naturę? We wcześniejszych tekstach starałem się pokrótce przedstawić zarys tego, jakich odpowiedzi na te kwestie udzielali najwybitniejsi uczeni w dziejach. Każdy z nich w jakiś sposób przybliżył ludzkość do złamania tego kosmicznego kodu, lecz żaden nie znalazł pełnej odpowiedzi. Spore grono naukowców stoi na stanowisku, iż teoria wszystkiego znajduje się w naszym zasięgu. Wszystko za sprawą stosunkowo młodej teorii, łamiącej dotychczasowe wyobrażenie o fizyce.

Czy to nie­sa­mo­wite? Wręcz nie­zwykłe? Ja to nazywam ele­gancją.
– Walter Lewin

Szczęśliwy traf

Leonard Susskind

Wszystko zaczęło się w roku 1968 gdy młody fizyk pra­cu­jący w CERN-ie, Gabriele Vene­ziano, głowił się nad wyja­śnie­niem oddzia­ły­wania silnego zespa­la­ją­cego cząstki ele­men­tarne wewnątrz jądra atomu. Podczas wie­lo­ty­go­dnio­wego ślę­czenia nad książ­kami wpadł mu w oko wzór, znany jako funkcja beta Eulera. Ku zdzi­wieniu Vene­ziano, relikt XVIII-wiecznej mate­ma­tyki zdawał się świetnie opisywać oddzia­ły­wanie silne. Nie wiedział do końca dlaczego archa­iczna formuła wydaje się jak gdyby stwo­rzona do jego problemu, ale niezbyt go to w tamtej chwili inte­re­so­wało. Odpo­wiedź nieco później znaleźli, nie­za­leżnie od siebie Yoichiro Nambu oraz Leonard Susskind. Oba nazwiska warto zapa­miętać. Ten pierwszy, obda­rzony nazbyt skromnym cha­rak­terem, nie pchał się na pierwsze strony gazet, przez co bywa często pomijany w opra­co­wa­niach jak i przy roz­da­waniu pre­sti­żo­wych nagród. Sus­skinda nato­miast powinna kojarzyć każda osoba zain­te­re­so­wana czarnymi dziurami, ponieważ to właśnie on wygrał ważną batalię z samym Ste­phenem Haw­kin­giem. W każdym razie obaj badacze, na pod­stawie dość przy­pad­ko­wego odkrycia Gabriele Vene­ziano, ukuli pod­sta­wowe równania dla nowej teorii. Cecho­wała ją jedna wyjąt­kowa cecha: przed­miotem nie były punktowe cząstki, a coś znacznie bardziej ela­stycz­nego. Owe twory drgały prze­no­sząc oddzia­ły­wania silne między cząst­kami.

Czy Vene­ziano, Nambu i Susskind zostali okrzyk­nięci ducho­wymi spad­ko­bier­cami Newtona, Ein­steina i Heisen­berga? Nie. Świat fizyki uznał nową teorię za wspa­niałą abs­trakcję w istocie nie­ma­jącą nic wspól­nego z rze­czy­wi­sto­ścią. Posia­dała ona kilka mate­ma­tycz­nych pro­blemów, zakła­dała moż­li­wość ist­nienia całej gamy nowych cząstek (w tym zbędnych gra­wi­tonów, fotonów, a nawet tachionów podró­żu­ją­cych szybciej niż światło) i wreszcie… zdawała się naj­bar­dziej sensowna dopiero w 26 wymia­rach. Trzeba przyznać, że Teoria Strun fak­tycznie mogła się wydawać nieco zbyt nowa­torska jak na lata 60. Gwóźdź do jej naukowej trumny wbili Weinberg oraz Salam, wraz ze swym Modelem Stan­dar­dowym.

Feniks z popiołu

Struny wylą­do­wały na cmen­ta­rzysku historii nauki. Na szczę­ście nie wszyscy je prze­kre­ślili: kilku badaczy wciąż dostrze­gało w ory­gi­nalnej teorii ogromny poten­cjał. Przełom nastąpił w połowie lat 70. Wtedy to młody badacz John Schwarz, w prze­błysku geniuszu zro­zu­miał, że struny są wyko­rzy­sty­wane w błędny sposób. To nie jest kon­cepcja wyja­śnia­jąca funk­cjo­no­wanie oddzia­ły­wania silnego, a teoria obra­zu­jąca stosunki między wszyst­kimi siłami wystę­pu­ją­cymi w przy­ro­dzie! To była bomba. Wszystkie bolączki strun nagle okazały się ich zaletami. Schwarz pod­eks­cy­to­wany odkry­ciem, szybko wciągnął do badań swojego kolegę, Michaela Greena. Obaj kon­ty­nu­owali pracę z dala od blasku reflek­torów, w cieniu innych odkryć, dzięki czemu mogli w spokoju eli­mi­nować wszelkie problemy. Wreszcie, po wielu latach inten­syw­nych badań, w roku 1984 Schwarz i Green opu­bli­ko­wali swoją wersję zapo­mnianej Teorii Strun, tym razem jako poten­cjalnej teorii wszyst­kiego. Artykuł spo­wo­dował istne naukowe trzę­sienie ziemi, a liczba entu­zja­stów strun wzrosła z kilku do kilkuset i do dzisiaj stale rośnie. Wszyscy młodzi i ambitni adepci fizyki oraz starsi lecz wciąż wierzący w moż­li­wość zre­ali­zo­wania marzenia Ein­steina, prze­ści­gali się w pomy­słach na wyko­rzy­stanie strun w celu zuni­fi­ko­wania praw fizyki.

Ci, którzy mają za sobą lekturę dwóch poprzed­nich części tego cyklu, wiedzą na czym polegał problem. Do tej pory nauce udało się objąć trzy spośród czterech sił uzna­wa­nych za pod­sta­wowe: oddzia­ły­wanie silne, oddzia­ły­wanie słabe oraz elek­tro­ma­gne­tyzm. Poza Modelem Stan­dar­dowym wciąż znajduje się zjawisko, zda­wa­łoby się naj­bliższe nam wszystkim, czyli gra­wi­tacja. Siła powo­du­jąca powszechne ciążenie, świetnie opisana przez ogólną teorię względ­ności, nie przy­po­mina w żadnym ele­mencie sił pozo­sta­łych. Gra­wi­tacja, zgodnie z zamysłem Ein­steina, tworzyła świat upo­rząd­ko­wany, zro­zu­miały i do bólu prze­wi­dy­walny. Odkryta później mecha­nika kwantowa, korzy­sta­jąca z elek­tro­ma­gne­tyzmu, oddzia­ły­wania słabego oraz silnego, to zupełnie inna para kaloszy. Zgodnie z nią, świat cząstek sub­a­to­mo­wych jest zwa­rio­wany i zmienny, a jedyne co może zrobić człowiek to obliczyć praw­do­po­do­bień­stwo spo­dzie­wa­nego zda­rzenia.

Obie teorie – teoria względ­ności oraz mecha­nika kwantowa – opisują ten sam wszech­świat i obie świetnie się spraw­dzają, jednak są kom­pletnie prze­ciw­stawne. Zdaniem wielu tą kurio­zalną sytuację może wyjaśnić jedynie Teoria Strun.

Czysta elegancja

Schwarz i spółka pro­po­nują nam cał­ko­wicie nowe spoj­rzenie na wszech­świat. Oto w jaki sposób. Teoria Strun zakłada, że gdyby człowiek potrafił zajrzeć daleko w głąb cząstki ele­men­tarnej, takiej jak elektron, neutrino czy kwark, ujrzałby maleńki, nie­prze­rwanie drgający kosmyk energii. Wszystko w swej istocie jest więc złożone z tego samego budulca – od DNA w naszym ciele, przez wodór w gwiaz­dach, aż po samą sieć prze­no­szącą oddzia­ły­wania gra­wi­ta­cyjne. Skąd więc cała kosmiczna róż­no­rod­ność? Kluczem jest pod­sta­wowa wła­ści­wość strun, a więc jej drgania. Niczym struna gitary, zależnie od szarp­nięcia zmienia ona ton, a więc swoje wła­ści­wości. Pięknej metafory użył Michio Kaku: [rodzaje cząstek] Nie są niczym innym, jak różnymi nutami wygry­wa­nymi na super­strunie. Harmonia tej struny to prawa fizyki. Struny wchodzą również w inte­rakcje z innymi strunami, czego prze­jawem są znane nam siły pod­sta­wowe. To oznacza, że ewen­tu­alne szarp­nięcie struny wewnątrz fotonu mogłoby spo­wo­dować, że zamiast elek­tro­ma­gne­tyzmu, nosiłby on oddzia­ły­wanie gra­wi­ta­cyjne. Kolejne szarp­nięcie i z gra­wi­tonu powsta­łoby neutrino. Jeszcze jedno i mamy kwark.

Moim zdaniem naj­więk­szym osią­gnię­ciem teorii jest sam zamysł zamiany punktów na struk­tury roz­ciągłe. Ta kon­cepcja przetrwa, nawet jeżeli sama Teoria Strun znów wyląduje w koszu. Zwróćmy uwagę, że fizycy wreszcie prze­ła­mali wie­lo­wie­kowy para­dygmat punk­towej cząstki jako pod­sta­wo­wego skład­nika wszech­świata. Z wielu powodów w umyśle czło­wieka zary­sował się obraz atomu o kształcie kulistym, skła­da­ją­cego się z mniej­szych kulek – elek­tronów, protonów czy neu­tronów. Teo­re­tycy strun zwrócili uwagę na pod­sta­wowy fakt: To, że widzimy punkt, nie oznacza, że w przy­bli­żeniu będzie on nadal punktem. Kiedy spoj­rzymy z ogromnej wyso­kości na ziemię, to ujrzymy mnóstwo poru­sza­ją­cych się po niej punktów. Jeśli się jednak do nich zbliżymy to zaczniemy widzieć co raz więcej szcze­gółów ich budowy, a punkt okaże się czło­wie­kiem, zwie­rzę­ciem bądź jeszcze innym obiektem. Ana­lo­gicznie, struny w zało­żeniu są bardzo, bardzo małe, ponad miliard razy mniejsze od protonu, toteż nie powinno dziwić, że jedyne co widzimy pod mikro­skopem elek­tro­nowym, to punkty. (Aby uświa­domić sobie rozmiar struny, polecam użycie tej animacji i zejście na sam „dół”). Natu­ralnie, za tą niemalże genialną prostotą czai się gąszcz nie­zwykle skom­pli­ko­wa­nych równań. Mimo to nie da się zaprze­czyć: mamy okazję podzi­wiać czystą ele­gancję w naukowym opa­ko­waniu.

Struna, strunka, struneczka

Jak już zdą­ży­li­ście zauważyć, świat nauki nie lubi być stały, a wszystko kręci się dzięki ludziom cze­pial­skim, dro­bia­zgowym i ciągle szu­ka­jącym dziury w całym. Teoria Strun również posiadała(posiada) kilka słabych punktów, w które bez skru­pułów uderzają sceptycy. Naj­więk­szym było bez wąt­pienia… bogactwo. Po raz kolejny okazało się, że teoria jest aż zbyt piękna i ela­styczna. Do tego stopnia, że fizycy znaleźli aż 5 sposobów na użycie jej do zuni­fi­ko­wania praw przyrody. Oprócz tego wielu naukowców nadal nie jest prze­ko­na­nych do jednego z głównych założeń Teorii Strun – nad­pro­gra­mo­wych wymiarów prze­strzen­nych. To jednak materiał na inną opowieść.

podpis-czarny

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

  • Pytający

    Ale z tego co piszesz mogli­byśmy się bawić w alche­mików. ‚Szar­pa­li­byśmy’ super­struny i uzy­ski­wali co tylko chcieli? To tak działa? Od czego zależy drganie?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Wszystko rozbija się wła­ści­wość struny. Mogą posiadać one różne naprę­żenie, a jak wiadomo do szar­pania mocno nacią­gniętej struny potrzeba większej energii. Stąd też niektóre cząstki za pomocą dostęp­nych nam akce­le­ra­torów, możemy prze­kształcić w inne – dostar­czając odpo­wiednią ilość energii. Do innych zaś nasze urzą­dzenia okazują się po prostu za słabe.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • AgmatiV

    Wła­ściwie to sam nie wiem. Jakie tak naprawdę były podstawy, by uznać, że wszystko składa się ze strun? Czy istnieje jaki­kol­wiek dowód albo chociaż jakiś logiczny powód dla którego mie­li­byśmy uwierzyć w tę teorię, czy wszystko to jest tylko gdy­ba­niem naukowców, jedną wielką hipotezą?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Prze­pra­szam, że dopiero dziś odpisuję, ale w ponie­działek i wtorek jestem wycięty z życia.

      Ten sam zarzut wysuwa wielu innych fizyków i nie jest bez­pod­stawny. Powody są czysto mate­ma­tyczne – „bo tak pasuje” – ale nie empi­ryczne. Z drugiej strony, dlaczego musimy uważać, że cząstki ele­men­tarne nawet w naj­więk­szej skali są punktowe czy kuliste? Obie strony mają tu swoje racje i pewnie przez naj­bliższą dekadę niewiele się w tej kwestii zmieni. 

      Swoją drogą do ciekawy temat na jakiś artykuł… =)

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • AgmatiV

      Owszem, z chęcią prze­czy­tałbym jakąś roz­bu­do­waną wersję tej odpo­wiedzi. 😉

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Dziekuję,że podałeś co wła­sciwie drga w tych strunach: energia. Tej odpo­wiedzi szukałem:). Prze­czy­tałem 379 stron książki Lusy Randall a u Ciebie zna­la­złem odpo­wiedż !

    anjagi

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Myślę, że odpo­wiedź na to pytanie może być znacznie, znacznie bardziej skom­pli­ko­wana. Pytanie – czym jest struna – nie różni się znacząco od pytania o to czym w istocie jest cząstka, pole lub wymiar. To po prostu pewien abs­trak­cyjny układ wartości fizycz­nych, które ją cha­rak­te­ry­zują. W ten sposób stwierdza się, iż dla struny istotne są dwa para­metry: sposób wibro­wania oraz naprę­żenie, i zależnie od tego reje­stru­jemy mniejszą lub większą energię.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Terra

    No nie do konca, tu jest napisane z struna to „kosmyk energi”. Wla­sciwie nie wiadomo jakiej energii, no i kosmyk tez nie jest zde­fi­nio­wany.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0