Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 11

Artykuły

Kosmiczna symfonia cz.5: M-Teoria

31st Lip '12

Osobliwość. Trudno ją opisać, lecz z całą pewnością możemy stwierdzić, że była znacznie, znacznie gęstsza i gorętsza od wszystkiego co znamy i możemy poznać. W jej wnętrzu nie miały sensu takie pojęcia jak czas i przestrzeń. W dodatku nie istniała grawitacja ani elektromagnetyzm, oddziaływania słabe i silne. Nie istniały nawet budujące nasze ciała atomy i cząstki. Wszystko stanowiło jednolitą papkę o olbrzymiej masie i energii. Po ponad 13 miliardach lat wszechświat stał się zdatny do powstania organizmów świadomych, mogących zadawać fundamentalne pytania.  Dziś te zuchwałe istoty pragną zgłębić tajemnice natury oraz znaleźć pojedynczą odpowiedź na pytania o początek, zasady funkcjonowania i wreszcie koniec wszechświata.

Kiedyś w XXI wieku, gdy będę już zbyt stary, by móc powie­dzieć coś poży­tecz­nego na ten temat,  młodsi fizycy będą musieli zdecydować,czy rze­czy­wi­ście odkry­liśmy teorię osta­teczną.
– Edward Witten

Pięć Teorii Wszystkiego i strunowy Einstein

Na prze­łomie lat 80. i 90. Teoria Strun robiła praw­dziwą furorę. Kosmyki energii o długości mniej­szej niż 10^-31 metra zdawały się uni­wer­salnym roz­wią­za­niem zde­cy­do­wanej więk­szości pro­blemów tra­pią­cych fizykę. Wiadomo było jak działają siły natury, z czego zbu­do­wana jest materia, a nawet zaczęto snuć domysły na temat przyczyn Wiel­kiego Wybuchu. Struny skrywały jednak pewną wsty­dliwą tajem­nicę. Teoria była tak ela­styczna, że na jej pod­stawie stwier­dzono aż pięć różnych modeli opi­su­ją­cych funk­cjo­no­wanie naszego świata. W ten sposób powstały Teorie Strun: typu I, typu IIA, typu IIB, hete­ro­tycznej O(32) i hete­ro­tycznej E(8)xE(8). Owe typy cecho­wały te same podstawy, przede wszystkim to, że każdy potrze­bował dzie­sięciu wymiarów. Jak jednak wiadomo diabeł tkwi w szcze­gó­łach. Naukowcy nie byli zgodni co do wyboru sposobów włą­czenia symetrii, kształtu strun, równań opi­su­ją­cych ich drgania i wielu istot­nych drob­no­stek mate­ma­tycz­nych. W tych oko­licz­no­ściach Teoria Strun znów zaczęła budzić silny scep­ty­cyzm. Zamiast roz­wiązań zagadek wszech­świata, pojawiły się dzie­siątki nowych pytań. Przede wszystkim: Czy może istnieć kilka różnych zasad, które opisują ten sam kosmos? Myślę, że więk­szość z nas skła­nia­łaby się ku odpo­wiedzi prze­czącej. Może więc natura mogłaby funk­cjo­nować wedle każdej z pięciu teorii, lecz w rze­czy­wi­stości korzysta tylko z jednej? To stwier­dzenie też budzi sprzeciw, bo jeśli jest prawdą, to dlaczego natura „wybrała” akurat tą jedną, a cztery pozo­stałe odrzu­ciła? I dlaczego teorii wszyst­kiego miałoby być 5, a nie 6, 10 bądź 100? Fizyka, jako nauka ścisła, bardzo nie lubi takich dyle­matów. Teoria Strun już kiedyś wylą­do­wała na śmiet­niku i był potrzebny cud do jej rein­kar­nacji. Tym cudem było to, że wbrew wszelkim prze­ciw­no­ściom, tacy badacze jak John Schwarz i Michael Green wciąż ryzy­ko­wali swoje kariery dla poten­cjalnej teorii wszyst­kiego. Na ich szczę­ście, przy­niosło to wymierne efekty.

Kaczuszka w 2 minuty przy­pomni o czym mówimy =)

Zastój lat 90. zwabił nowe zastępy scep­tyków i stru­nowcy znów potrze­bo­wali bata do ich odgo­nienia. Na to zapo­trze­bo­wanie odpo­wie­dział genialny mate­matyk, Edward Witten. Aż trudno wyrazić jak wielką wdzięcz­no­ścią, wręcz czcią, entu­zjaści Teorii Strun obda­rzają tego czło­wieka. Ed Witten nazywany jest przez nich naj­ge­nial­niej­szym żyjącym naukowcem, cudownym fizykiem, a nawet następcą Alberta Ein­steina. Ame­ry­kański mate­matyk zdobył swoją sławę dzięki bły­sko­tli­wemu wystą­pieniu na kon­fe­rencji „Struny ’95”. Jak wspomina Leonard Susskind: Rzekł kilka słów, które mnie zain­te­re­so­wały, po czym przez resztę wykładu byłem wciąż zaafe­ro­wany jego pierw­szymi słowami i kom­pletnie zgubiłem sens dalszego wystą­pienia. Edward Witten w ele­gancki sposób dowiódł, że 10-wymia­rowe Teorie Strun tak naprawdę są przy­bli­że­niem wyższej, bardziej tajem­ni­czej, 11-wymia­rowej teorii. Wykazał, że jeżeli weźmiemy teorię 11-wymia­rową i zwiniemy jeden z wymiarów, prze­kształci się ona w jeden z pięciu typów Teorii Strun. Naj­pro­ściej mówiąc, okazało się, że każdy z typów był niczym innym aniżeli różnym odbiciem tego samego. Witten nadał swojemu pro­jek­towi nazwę M-teorii.

Zapy­tacie: Co oznacza „M”? Wersji jest tyle, ilu fizyków zaj­mu­ją­cych się strunami. Magiczna Teoria, Mon­stru­alna Teoria, Mistyczna Teoria, Teoria-Matka – do wyboru, do koloru. Mi oso­bi­ście, naj­bar­dziej odpo­wiada wersja humo­ry­styczna, wyja­śnia­jąca że pier­wotnie Witten miał zamiar swoje dziecko nazwać W-Teorią, lecz z uwagi na skrom­ność wywrócił „W” do góry nogami. Naj­czę­ściej przyj­mo­waną wariacją jest jednak Macie­rzowa Teoria.

Gdzie są wymiary?

Nie­zwykle trudno uzmy­słowić sobie wyższe, nie­ob­ser­wo­walne na co dzień wymiary. Jak pisałem kiedyś we wpisie 2, 3, 4, 5… 11! (polecam tym, którzy szukają roz­wi­nięcia wątku wyższych wymiarów), szansę na poczucie hiper­prze­strzeni stanowią siatki czte­ro­wy­mia­ro­wych brył. Tak jak możemy na płasko roz­ry­sować plan sze­ścianu, tak możemy zapro­jek­tować model hiper­sze­ścianu czte­ro­wy­mia­ro­wego (tes­se­raka), pię­cio­wy­mia­ro­wego (pen­ta­raka), sze­ścio­wy­mia­ro­wego (hek­sa­raka) itd. Innym sposobem, jest spoj­rzenie z daleka na jakąś linę bądź rurę. Przy odpo­wiednim kącie ludzkie oko postrzega taki obiekt niczym dwu­wy­mia­rową linię. Dopiero podej­ście bliżej i inna per­spek­tywa, odsła­niają praw­dziwą istotę rzeczy. Te metody, zwłaszcza druga, prze­ka­zują nam jedynie namiastkę i uprosz­czenie, lecz dla umysłów przy­sto­so­wa­nych do odbie­rania 3 wymiarów prze­strzen­nych, jest dobre i to. Jednak nawet gdy będziemy potra­fili sobie to wszystko poukładać w umyśle, to i tak 6 dodat­ko­wych wymiarów prze­wi­dzia­nych przez Teorię Strun (w każdym z 5 typów) nigdy nie zoba­czymy, bowiem są one bardzo drobno zwinięte. Tak drobno, że wła­ściwie powi­nienem pisać o pod­prze­strzeni zamiast nad­prze­strzeni.

Dodat­kowe wymiary są nie­zwykle ważne, gdyż to one pozwa­lają Teorii Strun na uni­fi­kację mecha­niki kwan­towej z Teorią Względ­ności. Einstein uważał, że cała przyroda jest prze­wi­dy­walna i wszystko można kon­kretnie obliczyć. Heisen­berg, Schrödinger i inni odkryli, że na poziomie sub­a­to­mowym natura jest zgoła inna, a jedyne na co można liczyć to praw­do­po­do­bień­stwo. Ślepym zaułkiem oka­zy­wała się każda próba skwan­to­wania gra­wi­tacji. Ciągle poja­wiały się znie­na­wi­dzone nie­skoń­czo­ności. Co jednak ciekawe, wczesna Teoria Strun również się gryzła z mecha­niką kwantową, co owo­co­wało ujemnymi praw­do­po­do­bień­stwami. Wtedy właśnie pojawiła się idea nowych wymiarów. Jeśli dać strunie więcej swobody, a co za tym idzie, moż­li­wości drgań to w cudowny niemal sposób nie­wła­ściwe wyniki znikają. To ura­to­wało Teorię Strun, ale jed­no­cze­śnie uza­leż­niło ją od fan­ta­stycz­nego pomysłu nad­pro­gra­mo­wych wymiarów.

Nie tylko struny

Witten do tej, i tak nie­li­chej liczby dzie­sięciu, dołożył kolejny wymiar prze­strzenny. Jak się bawić, to się bawić. Przecież nawet jeden nad­pro­gra­mowy wymiar był dosta­tecznym kontr­ar­gu­mentem dla prze­ciw­ników strun, a entu­zjaści są przy­zwy­cza­jeni do ory­gi­nal­nych roz­wiązań. Do znanych scep­tyków należał Richard Feynman, który lubił stosować wobec stru­nowców słowne zaczepki typu: Cześć! W ilu wymia­rach dzisiaj się znaj­du­jemy? Ironią jest to, że nie­którzy naukowcy biorący już udział w sza­lo­nych pro­jek­tach, jak mecha­nika kwantowa, prze­kre­ślali niewiele bardziej wariacką Teorię Wszyst­kiego. Trzeba im jednak wybaczyć, zwłaszcza, że jak się niebawem prze­ko­nacie M-Teoria może służyć do snucia jeszcze bardziej fan­ta­stycz­nych i nie­wia­ry­god­nych sce­na­riuszy. Najpierw muszę zwrócić uwagę na szalenie istotny wniosek płynący z 11-wymia­rowej kon­cepcji Eda Wittena. Obok już nieco oswo­jo­nych strun, świeża teoria dawała moż­li­wość byto­wania nowym tworom o kształcie błon lub membran, w skrócie ochrzczo­nych branami. W istocie brany istniały cały czas, lecz w 10 wymia­rach można było dopa­trzeć się najwyżej ich odcisków. Tak jak hipo­te­tyczna, dwu­wy­mia­rowa istota widzia­łaby jedynie przekrój naszego palca, czyli koło. Ana­lo­gicznie, gdy jeden z wymiarów zostaje zre­du­ko­wany, równik membrany staje się struną. Warto również dodać, że same struny mogą mieć struk­turę otwartą (więk­szość strun tak właśnie wygląda) lub zamkniętą na kształt pętli. W ten sposób ujawnia się iście pla­styczny obraz całej teorii, pełen róż­no­rod­nych kształtów i moż­li­wości. Co ważne, naukowcy postu­lują, że nie każda strunowa struk­tura musi być zwinięta do roz­miarów sub­a­to­mo­wych. Istnieje nawet szansa, że przy­kła­dowa brana roz­cią­gnie się na obszar o wiel­kości… Naszego wszech­świata!

Multiuniwersum

Nie­przy­pad­kowo we wstępie wspo­mniałem akt powstania świata. Współ­czesny model Wiel­kiego Wybuchu jest wystar­cza­jący i zgodny z obser­wo­wal­nymi dowodami. Nie zawiera on jednak odpo­wiedzi na nur­tu­jącą kwestię: Co spo­wo­do­wało nagłą inflację? Teoria Strun, jeśli okaże się praw­dziwa, może pomóc w zna­le­zieniu zado­wa­la­jącej hipotezy. Na pewno nie­którzy z Was, już wcze­śniej zadali sobie pytanie: Dlaczego sześć rze­ko­mych wymiarów zwinęło się do roz­miarów znacznie mniej­szych niż atom? Strunowa wersja Big Bang zakłada, że ist­nie­jąca około 13,82 mld lat temu, pier­wotna ener­ge­tyczna kula nazywana oso­bli­wo­ścią, zawie­rała w sobie wspólnie koeg­zy­stu­jące dziesięć wymiarów. W pewnym momencie nastą­piło złamanie symetrii i po upływie czasu Plancka trzy wymiary prze­strzenne roz­po­częły eks­pansję, podczas gdy pozo­stałe zacho­wały swoje mikro­sko­pijne rozmiary. Dlaczego trzy z nich zaczęły się roz­sze­rzać? Można sobie wyobrazić, że niektóre struny niczym lasso oplatają wymiary, nie pozwa­lając im się rozwinąć. Ewen­tu­alna przy­pad­kowa fluk­tu­acja, mogła spo­wo­dować uro­śnięcie kilku takich strun, ani­hi­lację i w efekcie uwol­nienie z wielką mocą. Spusz­czone ze smyczy struny, otoczyły inne struny i mniejsze wymiary. Ponieważ owi­nięcie się struny wokół więk­szego wymiaru wymaga wyższej energii, z każdym momentem inflacja postę­po­wała coraz łatwiej i szybciej.

Inna kon­cepcja bardziej zadowoli fanów science-fiction. Wystarczy na chwilę wrócić do bran i pomyśleć, czysto hipo­te­tycznie, że mogą istnieć znacznie większe struk­tury niż nasz wszech­świat. Wyobraźcie sobie nasze trój­wy­mia­rowe uni­wersum jako ogromną błonę. Błona ta porusza się w nie­do­stępnej dla nas nad­prze­strzeni. Możliwe, że z jej punktu widzenia jesteśmy zwinięci podobnie jak dla nas zwinięte są 6-wymia­rowe struny. To daje wysyp całkiem nowych idei. Naj­po­tęż­niejszą z nich jest nie­wąt­pliwie kon­cepcja mul­tiu­ni­wersum, zakła­da­jąca, iż gigan­tycz­nych bran może być znacznie więcej. Fantazja? Sam tak czasem myślę, ale z drugiej strony czy naprawdę bardziej realna jest myśl, że z jakiegoś powodu istnieje tylko ten jeden jedyny wszech­świat? Zresztą nikt nie twierdzi, że uniwersa funk­cjo­nu­jące obok naszego również posia­da­łyby gwiazdy, planety i życie. Wręcz prze­ciwnie! Naj­praw­do­po­dob­niej każda z bran róż­ni­łaby się para­me­trami. Wystę­po­wa­łyby tam inne rodzaje cząstek, moc oddzia­ływań, czy nawet stałe fizyczne. W nie­któ­rych fizyka byłaby do tego stopnia pokrę­cona, że nawet nie doszłoby do wytwo­rzenia materii zbu­do­wanej z atomów. Zakła­dając jednak, że liczba wszech­światów byłaby nie­skoń­czona lub przy­najm­niej bardzo duża, można się spo­dziewać kilku światów zdatnych do powstania życia. Może nawet bardziej zdatnych niż nasz.

Ta kon­tro­wer­syjna teoria dopuszcza także moż­li­wość, że być może nigdy nie było pier­wotnej oso­bli­wości. Kosmos w tym przy­padku roz­szerza się z innej przy­czyny – przez zde­rzenie z inną braną. Jeżeli wszech­światy fak­tycznie dryfują w jakiejś nad­prze­strzeni, to rze­czy­wi­ście czymś nor­malnym jest, że czasem się zderzają. Byłoby to nie­zwykle potężne spo­tkanie. Tak silne, że mogłoby z powo­dze­niem wyglądać na to, co nazywamy Wielkim Wybuchem. Nasuwa to jednak nie­po­ko­jącą myśl, że kolejne zde­rzenie bran może nastąpić całkiem nie­spo­dzie­wanie, w każdej chwili.

Zakończenie

Uni­fi­kacja praw przyrody to cel nauki, naj­większe wyzwanie z jakim przyszło się zmierzyć ludz­kiemu inte­lek­towi. Naj­pięk­niejsze jest to, że wszech­świat może okazać się prosty i ele­gancki, pełen symetrii oraz jed­no­li­tości. Nawet gdy prace nad Teorią Strun zostaną zakoń­czone, to nadal czeka nas wiele pracy. Będzie to jednak przełom, bez którego ludzkość praw­do­po­dobnie w przy­szłości zginie. To furtka do kolej­nych, rewo­lu­cyj­nych odkryć, dzisiaj zda­ją­cych się fan­ta­styką. Sceptycy psioczą, że ludzkość nie jest zdolna do udo­wod­nienia ist­nienia strun, zatem to nie jest nauka sensu stricto. Z tego powodu dla wielu to mrzonki, bajki, a w naj­lep­szym przy­padku filo­zofia. To gigan­tyczny problem. Wierzę jednak, że umysł ludzki pokona i tą prze­ciw­ność, jeśli nie teraz to za dzie­siątki lub setki lat. A co jeśli eks­pe­ry­menty udo­wodnią błędność Teorii Strun? Nie­wąt­pliwie byłby to cios dla całej rzeszy świet­nych naukowców, którzy poświę­cili swoje kariery na badania nad nią. Myślę jednak, że do tego nie dojdzie, a po wiekach dopa­so­wy­wania do siebie ele­mentów ukła­danki, z nauko­wego zamętu wyłoni się Teoria Wszyst­kiego.

Tymi oto słowami kończę naj­dłuższy do tej pory cykl na moim blogu. Dosko­nale zdaję sobie sprawę, iż nie poru­szyłem wszyst­kich zagad­nień. To po prostu nie­moż­liwe i w pewnym sensie bez­ce­lowe. Poświę­ciłem nieco objętość i dokład­ność, na rzecz czy­tel­ności, tak aby nikt nie przysnął, ani się nie zgubił po pięciu zdaniach. Mam nadzieję, że uczy­niłem słusznie i kilka osób zain­te­re­so­wałem tematem. Powiedzmy sobie szczerze: Co może być cie­kaw­szego od próby złamania kodu wszech­świata? Tych, którzy chcie­liby jeszcze poczytać jakieś wypociny mojego autor­stwa, proszę o wzięcie udziału w ankiecie.

To już koniec.

Literatura uzupełniająca (do całego cyklu):
L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Warszawa 2005;
M. Kaku, J. Trainer, Dalej niż Einstein, Warszawa 1993;
S. Hawking, Krótka Historia Czasu, Warszawa 2007;
B. Greene, Piękno Wszechświata, Warszawa 2002;
E. Speyer, Spadkobiercy Newtona, Warszawa 1997;
M. Kaku, Wszechświaty Równoległe. Powstanie wszechświata, wyższe wymiary i przyszłość kosmosu, Warszawa 2007.
podpis-czarny

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

  • Ano­ny­mous

    Mindfuck, ale calkiem ladnie opisany. Moze nie pozwala wszyst­kiego zro­zu­miec, ale czlowiek po tej serii arty­kulow przy­najm­niej w malym stopniu wie o co w tym wszystkim chodzi.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Tom91

    Świetna seria. Naprawdę, w pełni szczerze uważam te artykuły za pierwszą ligę w swojej klasie. Gdyby autor pokusił się o kon­ty­nu­ację byłoby wspa­niale.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Chciałam napisać dokładnie to co panowie powyżej. Mam 16 lat i od dziecka lubiłam fizykę, a ze stron google niewiele się rozumie, ze względu na dużą ilość obliczeń i małą ilość treści zro­zu­miałej dla prze­cięt­nego zjadacza chleba. Uwiel­biam czytać twojego bloga, mam nadzieję, że będziesz kon­ty­nu­ował.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/13172465379947243624 Adrien Dzie­więć­set­dwu­dzie­sty­trzeci

    Nie bardzo mam pomysł co napisać, chciałbym jednak, byś wiedział że Twoją pracę doce­niono i że nie poszła na marne.

    Dlatego piszę proste – ‚dziękuję’ :)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/16548043307351885973 dedek

    Nie­sa­mo­wity blog, czytam od początku wszystkie wpisy i komen­tarze. Dołączam się do podzię­kowań.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Podczas czytania tego artykułu przyszła mi na myśl pewna kwestia (nawet nie zakładam że usłyszę tu jaką­kol­wiek odpo­wiedź na mą tezę, zasta­na­wiam się czy to nie jest po prostu „głupie” zapy­tanie).
    Więc, jeżeli możemy założyć że istnieje pozyton „grający” z elek­tronem, to czy możemy założyć ist­nienie „anty-strun” które tworzą owy pozyton?

    Pozdra­wiam,
    Michał G.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • dzieciak

    Cześć!
    Przede wszystkim – bardzo cenię wszystkie treści na Twoim blogu, spę­dziłem na nim już dużo czasu i zawsze jestem pod wra­że­niem dosko­nałej syntezy nie zawsze przecież łatwo dostępnej wiedzy. 

    I jeśli tylko można, chciałem zwrócić uwagę na jeden drobny szczegół – postać dwu­wy­mia­rowa nie zobaczy prze­kroju naszego palca jako koła, tylko odcinek. 

    Pozdra­wiam i gra­tu­luję bloga!

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Garść szybkich uwag na temat ‚Interstellar’ | Kwantowo.pl()

  • Pingback: Kosmiczna symfonia cz.1: Teoria Wszystkiego | Kwantowo.pl()

  • Anonim

    Zobaczy odcinek, który jest jednak kołem… Przez samo patrzenie „straci” jeden wymiar, tak jak my patrząc na piłkę widzimy koło, a nie kulę – ale mając świa­do­mość 3 wymiarów wiemy że to kula. Ten dwu­wy­mia­rowy czło­wie­czek widziałby odcinek, ale odcinek (a wła­ściwie pewną krzywą, jeżeli ma zdolność widzenia „głębi dwu­wy­mia­ro­wości”), który da się okrążyć i będzie wyglądał tak samo z każdej strony, więc będzie kołem.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Anonim

    Ja to zro­zu­miałem tak, że ist­nienie tego pozytonu jest wynikiem ist­nienia strun. Zakła­damy, że istnieje pozyton, bo struna tworząca elektron może tak drgać, by tworzyć pozyton, etc. Stąd właśnie koniecz­ność tych 11 wymiarów, które dają moż­li­wość powsta­wania takich symetrii, aby zależ­ności opisane w tej serii arty­kułów mogły zaist­nieć.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0