Architekci teorii strun w pocie czoła poszukiwali równań, które pozwoliłyby na ostateczną unifikację praw fizyki. Ku swojemu zdumieniu, na postawione przez siebie pytania uzyskali wkrótce aż pięć różnych odpowiedzi.

“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

John Schwarz i Michael Green narobili swoją pracą z lat 80. wiele szumu w świecie fizyki. Pokazali jak nie­do­szły opis oddzia­ły­wa­nia silnego daje się wyko­rzy­stać do reali­za­cji jednego z najam­bit­niej­szych celów w dziejach nauki, czyli zjed­no­cze­nia wszyst­kich czterech oddzia­ły­wań. Ich wariacja teorii strun wciąż stra­szyła ogromem nie­do­mó­wień i kom­pli­ka­cji, ale dała całemu poko­le­niu badaczy nadzieję na udział w nowym, zna­czą­cym rozruchu skost­nia­łej fizyki. Eks­tra­wa­gancka hipoteza bły­ska­wicz­nie wsko­czyła na salony, stając się głównym tematem rozważań dla setek teo­re­ty­ków. Poszcze­gólne zespoły chłonęły pio­nier­skie publi­ka­cje, próbując następ­nie na własną rękę wyko­rzy­sty­wać ofe­ro­waną przez struny ela­stycz­ność i geo­me­trię wyższych wymiarów do tłu­ma­cze­nia poszcze­gól­nych zjawisk. Naj­bar­dziej pożą­da­nym i kom­for­to­wym finałem tego zrywu byłoby nie­za­leżne dojście różnych uczonych do iden­tycz­nych lub przy­naj­mniej zbli­żo­nych wniosków. Otrzy­ma­nie bliź­nia­czych równań, auto­ma­tycz­nie świad­czy­łoby o obraniu pra­wi­dło­wej ścieżki, pro­wa­dzą­cej wprost do teorii wszyst­kiego.

Niestety nastą­piła sytuacja dokład­nie odwrotna. Na hory­zon­cie zary­so­wało się aż pięć różnych teorii strun. Znawcy tematu okrasili je niezbyt lite­rac­kimi nazwami: teorii hete­ro­tycz­nej SO(32), hete­ro­tycz­nej E8 × E8, typu I, typu IIA i typu IIB. Wszyst­kie wyglą­dały solidnie od strony mate­ma­tycz­nej, wszyst­kie zastę­po­wały punktowe cząstki obiek­tami roz­cią­głymi w prze­strzeni i wszyst­kie korzy­stały z dzie­wię­ciu wymiarów prze­strzen­nych (i jednego cza­so­wego). Poza tymi pryn­cy­piami, pomysły zawie­rały jednak trudne do zigno­ro­wa­nia różnice. Przy­kła­dowo teoria typu I przy­pi­sy­wała istotną rolę strunom otwartym o swo­bod­nych krańcach, podczas gdy pozo­stałe pre­fe­ro­wały przy­po­mi­na­jące pętle, struny zamknięte. Pierwsza teoria hete­ro­tyczna korzy­stała z symetrii ofe­ro­wa­nej przez spe­cjalną grupę orto­go­nalną SO(32), a druga została oparta o grupę Liego E8. I tak dalej.

W tych oko­licz­no­ściach teoria strun zaczęła po raz kolejny budzić uza­sad­niony scep­ty­cyzm. Kon­cep­cja mająca uni­fi­ko­wać reguły rządzące wszech­świa­tem, nagle sama uległa rozbiciu i potrze­bo­wała ujed­no­li­ce­nia. Zamiast uzy­ska­nia obie­ca­nej arcy­od­po­wie­dzi, na wierzch zaczęły wypływać nowe pytania. Pomyśl o tym przez chwilę. Czy ten sam kosmos może równie pra­wi­dłowo opisywać kilka różnych zestawów reguł? Czy to nie dziwne? A może każdy z pięciu warian­tów wygląda z wierzchu na pasujący, ale w rze­czy­wi­sto­ści pra­wi­dłowy jest tylko jeden z nich? W tym drugim przy­padku sytuacja przy­po­mi­na­łaby nieco kwestię opisu oddzia­ły­wa­nia gra­wi­ta­cyj­nego. Prawa sfor­mu­ło­wane przed wiekami przez Izaaka Newtona wciąż pozwa­lają na dokładne wyja­śnie­nie ruchu ciał nie­bie­skich czy słanie rakiet do wyzna­czo­nego celu; podobnie do równań ogólnej teorii względ­no­ści Alberta Ein­ste­ina – a przecież obie kon­cep­cje pozo­stają znacząco różne. Sęk w tym, że choć prace obu geniu­szów rze­czy­wi­ście roz­wią­zują bliź­nia­cze problemy i opisują ten sam skrawek przyrody, to fizyka new­to­now­ska sprawdza się tylko w pewnym przy­bli­że­niu, w nie­któ­rych przy­pad­kach zwy­czaj­nie zawodząc. Dlatego teo­re­tycy mają swoje powody, aby nie ufać teoriom spraw­dza­ją­cym się rzekomo równie dobrze, w wielu odmien­nych warian­tach. Natu­ralne staje się podej­rze­nie, że jedynie jedna z pro­po­zy­cji zbliża nas do zro­zu­mie­nia mecha­ni­zmu wszech­świata. Albo żadna.

Struny ’95

Fizyka, jako nauka ścisła, bardzo nie lubi takich dyle­ma­tów. Teoria strun już raz wylą­do­wała na śmiet­niku i uniknęła zapo­mnie­nia tylko dzięki zapal­czy­wo­ści Schwarza i Greena. Z kolejną odsieczą przybył jej nato­miast mate­ma­tyk Insty­tutu Badań Zaawan­so­wa­nych w Prin­ce­ton, Edward Witten (na zdjęciu). Genialny umysł, już wtedy laureat Medalu Fieldsa i wybitny ekspert w tematach wie­lo­wy­mia­ro­wej geo­me­trii oraz super­sy­me­trii – krótko mówiąc, idealny kandydat na super­bo­ha­tera, który rozsupła bolączki teorii strun.
Edward Witten
Ed Witten swój gorący romans z fizyką roz­po­czął w Los Angeles, podczas bły­sko­tli­wego wykładu w ramach kon­fe­ren­cji Struny ’95. Przy­szłość i per­spek­tywy. Kali­for­nij­skie aule gościły wtedy wiele zna­czą­cych figur: Johna Schwarza, Michaela Greena, Briana Greenego (proszę, nie myl tych panów), Davida Grossa, czy Josepha Pol­schin­skiego. Mało kto spo­dzie­wał się, że show tym wybitnym fizykom skradnie mate­ma­tyk. Jak wspomina Leonard Susskind: “Rzekł kilka słów, które mnie zain­te­re­so­wały, po czym przez resztę wykładu byłem wciąż zaafe­ro­wany począt­kiem jego wypo­wie­dzi i kom­plet­nie zgubiłem sens dalszego wystą­pie­nia”. Pewnie zasta­na­wiasz się, w jaki sposób pre­le­gent tak głęboką wstrzą­snął zgro­ma­dzo­nymi na widowni uczonymi? W godzin­nym wywodzie, pod hasłem Niektóre uwagi o dynamice strun, Witten stwier­dził, że nie ma naj­mniej­szego powodu aby skreślać któ­rą­kol­wiek z opra­co­wy­wa­nych wersji budo­wa­nej teorii. Prze­ciw­nie, dowiódł, iż wszyst­kie 10-wymia­rowe teorie strun stanowią tak naprawdę przy­bli­że­nia wyższej, bardziej tajem­ni­czej, 11-wymia­ro­wej teorii. Już nieco wcze­śniej pojawiło się kilku badaczy potra­fią­cych wykazać pewne powi­no­wac­twa – czy też mówiąc mądrzej, dual­no­ści – między teorią typu IIA i typu IIB lub między typami hete­ro­tycz­nymi SO(32) i E8. Profesor Prin­ce­ton wykazał jednak znacznie więcej.
“Każde prze­wi­dy­wa­nie, odpo­wied­nio zin­ter­pre­to­wane mate­ma­tycz­nie, spraw­dziło się. I nie było to z jakiegoś powodu poję­cio­wego. Nie mamy pojęcia, dlaczego się spraw­dzają, po prostu liczymy osobno obie strony i fak­tycz­nie uzy­sku­jemy te same struk­tury, symetrie i wyniki po obu stronach. Dla mate­ma­tyka tego typu rzecz nie może być przy­pad­kiem, musi być tu jakaś głębsza przy­czyna.”
— Richard Thomas
Jego zdaniem, jeżeli weźmiemy w rachubę geo­me­trię 11-wymia­rową i zwiniemy odpo­wiedni wymiar, prze­kształci się ona w któryś z pozna­nych pięciu typów teorii strun. Mówiąc naj­pro­ściej, każdy z rodzajów strun stał się niczym innym, aniżeli okro­jo­nym odbiciem tej samej, głębszej całości. Tak powstała nowa, uogól­niona teoria strun, pozo­sta­jąca do chwili obecnej głównym obiektem wes­tchnień fizyków poszu­ku­ją­cych klucza do wielkiej uni­fi­ka­cji. Witten nadał swojemu pro­jek­towi nazwę M-Teorii.

Zapytasz, co w M-Teorii oznacza “M”? Trzeba przyznać, że Edward Witten nie tylko ukuł ele­gancką kon­cep­cję, ale również zadbał o odpo­wied­nio enig­ma­tyczną i intry­gu­jącą nazwę. Otóż nie ma pewnej odpo­wie­dzi na to pytanie, a wersji jest tyle, ilu fizyków zaj­mu­ją­cych się strunami. Magiczna teoria, mistyczna teoria, mon­stru­alna teoria, teoria-matka… Do wyboru do koloru. Jednak naj­czę­ściej mówi się o teorii macie­rzo­wej lub tajem­ni­czej teorii (ang. myste­rious theory). Mi z kolei naj­bar­dziej trafiło do gustu wyja­śnie­nie humo­ry­styczne, stwier­dza­jące, że Witten planował ochrzcić swoje dziecko W-Teorią, lecz z uwagi na wrodzoną skrom­ność wywrócił “W” do góry nogami.
M-Teoria

Matka wszystkich teorii

Źródłem potęgi M-teorii, podobnie jak wcze­śniej­szych teorii strun, są dodat­kowe wymiary prze­strzenne. Jak wiesz z poprzed­niej części cyklu, pomysł uni­fi­ka­cji oddzia­ły­wań poprzez zało­że­nie ist­nie­nia nowych wymiarów nie był nowy, jednak jego zwo­len­nicy postu­lo­wali zupełnie różne liczby. Na pewnym, wczesnym etapie struny miały spra­wo­wać się naj­le­piej w 26 wymia­rach, później, uwzględ­nia­jąc osią­gnię­cia super­sy­me­trii posta­wiono na for­ma­lizm 10-wymia­rowy, wyko­rzy­sty­wany przez pięć wspo­mnia­nych na początku wersji teorii strun. Zdaniem Edwarda Wittena, równania jego kolegów wręcz prosiły się o jeszcze jeden stopień swobody, który auto­ma­tycz­nie obja­wiłby ich pokre­wień­stwo. 

Co my tu wła­ści­wie mamy? 11-wymiarów oznacza ist­nie­nie 3 znanych nam wymiarów prze­strzen­nych (tył-przód, lewo-prawo, góra-dół), 1 wymiaru cza­so­wego, oraz 7 pozwi­ja­nych, egzo­tycz­nych wymiarów, nie­do­stęp­nych dla naszych zmysłów. Owo zwijanie należy tu trak­to­wać dość dosłow­nie, choć niełatwo to zobra­zo­wać. Liczę na to, że pamię­tasz popu­larny eks­pe­ry­ment myślowy z dwu­wy­mia­rową krainą płasz­cza­ków. Nie rozu­mie­liby oni czym jest trzeci wymiar prze­strzenny, a ich rze­czy­wi­stość wyglą­da­łaby z naszej per­spek­tywy jak kartka papieru. Gdybyśmy tę kartkę zwinęli w rulon i nałożyli gumkę, to biedny płasz­czak-podróż­nik masze­ru­jąc przed siebie ciągle wracałby do punktu wyjścia. Pójdźmy o krok dalej i spró­bujmy zwinąć papie­rową rurkę naj­moc­niej jak tylko potra­fimy. Patrząc na otrzy­many obiekt z daleka, zoba­czymy już tylko jed­no­wy­mia­rowy odcinek, o pewnej długości, ale pozba­wiony sze­ro­ko­ści i głę­bo­ko­ści. Dopiero bliższe oglę­dziny ujawnią praw­dziwe oblicze tej struk­tury.

Zwinięte wymiary M-TeoriiNiestety w przy­padku oma­wia­nych teorii sprawa jest dalece bardziej skom­pli­ko­wana, bo nie dość, że mowa o kilku wymia­rach zupełnie obcych ludz­kiemu umysłowi, to jeszcze wie­lo­wy­mia­rowe struny pozo­stają zde­cy­do­wa­nie zbyt małe by zare­je­stro­wać je jaką­kol­wiek apa­ra­turą. Jednak w tym sza­leń­stwie jest metoda, bowiem nowe wymiary są rów­no­znaczne z większą liczbą kie­run­ków, w jakim drgają struny. Z kolei sposób drgania decyduje o cha­rak­te­ry­styce fizycz­nej danego obiektu, od jego masy, po ładunek elek­tryczny. A co w tym wszyst­kim robi jede­na­sty wymiar M-Teorii? Witten potrak­to­wał mikro­sko­pijne wymiary pięciu teorii strun podobnie do pięciu zło­żo­nych na różny sposób kartek papieru. Rozwinął je w wyższym wymiarze, poka­zu­jąc, że w istocie są dokład­nie tą samą struk­turą.
Dzi­waczne kształty Cala­biego-Yau

Od strony mate­ma­tycz­nej M-Teoria należy do naj­bar­dziej zawiłych kon­cep­cji w całej fizyce. Zwinięte wymiary opisuje się na bazie roz­ma­ito­ści sfor­mu­ło­wa­nych nie­za­leż­nie od teorii strun przez Eugenio Cala­biego z Uni­wer­sy­tetu Pen­syl­wa­nii oraz Shing-Tunga Yau z Uni­wer­sy­tetu Harvarda. Mogłeś widzieć arty­styczne przed­sta­wie­nia tych wie­lo­wy­mia­ro­wych struktur, nawet nie zdając sobie z tego sprawy – ponieważ bardzo często zdobią wszelkie artykuły doty­czące teorii strun. Natu­ral­nie musimy przy tym mieć świa­do­mość, że dwu­wy­mia­rowy obraz nigdy nie odda sub­tel­no­ści tak zwa­rio­wa­nej geo­me­trii. Poza tym, prze­strze­nie Cala­biego-Yau wystę­pują w bardzo wielu wersjach, wyko­rzy­sty­wa­nych przez fizyków na różne sposoby. Łączy je wła­ści­wie tylko liczba wymiarów oraz możność zasto­so­wa­nia symetrii lustrza­nej, pozwa­la­ją­cej prze­kształ­cać jeden kształt Cala­biego-Yau w inny.

W każdym razie, teoria strun zakłada, że wszech­świat pozo­staje wypeł­niony wszech­obec­nymi, zwi­nię­tymi do naj­mniej­szych roz­mia­rów prze­strzeni Cala­biego-Yau. W tym momencie wszędzie wokół Ciebie, a nawet w Tobie, znajduje się nie­zli­czona ilość tych mikro­sko­pij­nych zawi­ja­sów.
Kolejnym darem Eda Wittena i jego teorii było wpro­wa­dze­nie do gry całkiem nowych zawod­ni­ków – membran. W lite­ra­tu­rze częściej jednak spotkasz nazwę bran lub p-bran, gdyż membrany przy­wo­dzą sko­ja­rze­nia z dwu­wy­mia­ro­wymi prze­gro­dami lub błonami, zaś M-Teoria, obok oswo­jo­nych krzywych i pętelek, prze­wi­duje ist­nie­nie całej gamy róż­no­wy­mia­ro­wych struktur (2-brany, 3-brany, 4-brany itd.). W istocie, brany były obecne w teorii strun cały czas, lecz bez jede­na­stego wymiaru naukowcy dopa­try­wali się najwyżej ich nie­peł­nych odcisków. Podobnie jak hipo­te­tyczny płasz­czak widziałby jedynie przekrój naszego palucha, którym wkro­czy­li­by­śmy do jego dwu­wy­mia­ro­wego podwórka.
Przestrzeń Calabiego-YauW ten sposób do talerza fizycz­nego spa­ghetti wrzucono nam całą garść can­nel­loni, lumache i innych zde­for­mo­wa­nych klusek.

M-Teoria = M-Kosmologia

Poten­cjalna teoria wszyst­kiego ma w pierw­szej kolej­no­ści odnaleźć wspólny mia­now­nik dla mecha­niki kwan­to­wej i gra­wi­ta­cji. Przy­znasz jednak, że byłoby miło, gdyby zawie­rała też pewne prze­wi­dy­wa­nia doty­czące wszech­świata jako całości. I rze­czy­wi­ście, znaleźli się naukowcy, którzy podjęli próbę wytłu­ma­cze­nia na gruncie strun takich – zda­wa­łoby się bardzo odle­głych zagad­nień – jak entropia czarnych dziur, przy­szłość kosmosu czy sam wielki wybuch. Pote­ore­ty­zujmy więc na koniec o tym co oferują struny w skali kosmo­lo­gicz­nej.

Kosmiczne branyMówi­li­śmy wcze­śniej o tym, jak można by zwinąć dwu­wy­mia­rowy świat płasz­cza­ków. Być może zaświ­tała Ci wtedy myśl, czy podobna rzecz nie mogłaby dotyczyć naszej cza­so­prze­strzeni. W istocie, część teo­re­ty­ków bierze pod uwagę sce­na­riusz, zgodnie z którym istnieją nie tylko nieznane wymiary o roz­mia­rach sub­a­to­mo­wych, ale również pewna hiper­prze­strzeń, wewnątrz której uwię­ziony pozo­staje znany nam wszech­świat. Podobne idee poja­wiały się już wcze­śniej, ale M-Teoria daje im nowe, całkiem solidne fun­da­menty. Szcze­gól­nie dobrze w świecie strun czują się entu­zja­ści wszech­świata ekpy­ro­tycz­nego, powsta­łego w wyniku wielkiej kraksy. Kiedy piszę wielkiej, mam na myśli naprawdę ogromną kolizję, z udziałem dwóch… wszech­świa­tów. Taka opcja mogłaby się zadziać, gdyby cała ota­cza­jąca nas cza­so­prze­strzeń – trak­to­wana jako ogromna brana – zetknęła się z podobnym tworem, w pię­cio­wy­mia­ro­wej hiper­prze­strzeni, zwanej czasem obję­to­ścią obej­mu­jącą. 

Branowa kosmologiaGdyby kosmos był dwu­wy­mia­rową płasz­czy­zną, to olbrzy­mie brany wyglą­da­łyby jak rów­no­le­głe do siebie, zawie­szone w prze­strzeni kartki papieru. Jeśli kartki się zetkną dochodzi do mon­stru­al­nej erupcji energii, dosta­tecz­nie dużej aby po ostu­dze­niu utwo­rzyła nie­zli­czone ilości galaktyk, gwiazd, czarnych dziur i planet. W tym modelu nigdy nie było oso­bli­wo­ści prze­wi­dy­wa­nej przez stan­dar­dowe wersje wiel­kiego wybuchu, a obecna cha­rak­te­ry­styka wszech­świata (warunki brzegowe) wyni­ka­łaby ze sposobu i energii wielkiej kolizji bran. To co stało się później nie powinno nato­miast różnić się od tego co wiemy i co opisuje kla­syczna kosmo­lo­gia. Co ciekawe, idea mul­ti­wer­sum tłu­ma­czy­łaby dlaczego gra­wi­ta­cja wydaje się bez­na­dziej­nie słaba, w porów­na­niu do pozo­sta­łych oddzia­ły­wań. Otóż przy­cią­ga­nie gra­wi­ta­cyjne jako jedyne nie byłoby zatrza­śnięte w naszej branie, oddzia­łu­jąc również w hiper­prze­strzeni. W związku z tym odczu­wamy jedynie ułamek jego rze­czy­wi­stej siły, podczas gdy reszta wycieka na zewnątrz naszego wszech­świata. Jest zde­cy­do­wa­nie za wcześnie aby trak­to­wać taki koncept jako praw­do­po­dobny, ale bez wąt­pie­nia dostar­czyłby naukow­com wiele kuszą­cych roz­wią­zań. Kto wie, czy np. anomalie gra­wi­ta­cyjne tłu­ma­czone obecnie obec­no­ścią ciemnej materii, nie zosta­łyby uznane za przy­cią­ga­nie masy leżącej w innej kosmicz­nej branie. Nasze galak­tyki for­mo­wa­łyby się w miej­scach sąsia­du­ją­cych ze sku­pi­skami materii w innym wszech­świe­cie, wza­jem­nie usztyw­nia­jąc swoje struk­tury.

Na dokład­niej­sze opra­co­wa­nie czeka tu całe mnóstwo pytań. Co z czasem? Czy w pię­cio­wy­mia­ro­wej nad­prze­strzeni zegary tykają podobnie do tych naszych? Czy forma naszej cza­so­prze­strzeni została ustalona podczas kraksy, czy była zde­fi­nio­wana już wcze­śniej? Ile istnieje kosmicz­nych bran? Czy do ich zderzeń dochodzi w związku z przy­cią­ga­niem gra­wi­ta­cyj­nym, fluk­tu­acjami kwan­to­wymi, czy jeszcze z innego powodu? Czy w przy­szło­ści dojdzie do kolej­nych kolizji, przy­po­mi­na­ją­cych tę sprzed 13,82 miliar­dów lat? Musimy zachować scep­ty­cyzm i pamiętać, że to tylko jedna z kilku, jeżeli nie kil­ku­na­stu pro­po­zy­cji, wciąż racz­ku­ją­cej kosmo­lo­gii branowej. Odpo­wie­dzi na wszyst­kie palące kwestie możemy uzyskać za dekady, stulecia lub nigdy.

Niekoniecznie zakończenie

Uni­fi­ka­cja praw przyrody to moim zdaniem naj­trud­niej­sze, naj­więk­sze, ale i naj­bar­dziej wyra­fi­no­wane wyzwanie z jakim przyszło zmierzyć się ludz­kiemu inte­lek­towi. Nie mamy pojęcia czy M-Teoria nie wiedzie nas na manowce i jeszcze przez wiele lat na pewno się tego nie dowiemy. Jednak nawet jeśli teo­re­tycy strun trafili mate­ma­tyczną kulą w płot, trudno nie chylić czoła przed ukutemu przez nich for­ma­li­zmowi oraz przed ideą wszech­świata dogłęb­nie syme­trycz­nego, jed­no­li­tego i po prostu ele­ganc­kiego. Pewny jestem jednego: współ­cze­sna fizyka jak tlenu potrze­buje nowej, potężnej teorii. Tylko w ten sposób otwo­rzymy furtkę do setek rewo­lu­cyj­nych odkryć zda­ją­cych się dzisiaj fan­ta­styką lub leżących aktu­al­nie poza naszą wyobraź­nią.

Oponenci psioczą, że ludzkość nie jest zdolna do udo­wod­nie­nia ist­nie­nia strun, zatem nie mamy do czy­nie­nia z praw­dziwą nauką. Z tego powodu dla wielu to mrzonki, bajki, a w naj­lep­szym przy­padku nie­we­ry­fi­ko­walna filo­zo­fia. Nie przeczę: to gigan­tyczny problem. Wierzę jednak, że umysł ludzki pokona i tę prze­ciw­ność, jeśli nie teraz to w dalekiej przy­szło­ści. A co jeśli eks­pe­ry­menty udo­wod­nią błędność torii strun? Nie­wąt­pli­wie byłby to cios dla całej rzeszy świet­nych naukow­ców, którzy poświę­cili swoje kariery na badania nad nią. Myślę jednak, że ich wysiłek nie pójdzie na marne, a po wiekach dopa­so­wy­wa­nia do siebie ele­men­tów kosmicz­nej ukła­danki, z nauko­wego zamętu wyłoni się teoria wszyst­kiego.

Tymi oto słowami kończę pię­cio­od­cin­kowy cykl Kosmiczna symfonia. Dosko­nale zdaję sobie sprawę, iż nie poru­szy­łem wszyst­kich zagad­nień, a te poru­szone zawie­rają całe mnóstwo inte­re­su­ją­cych zaka­mar­ków. Jednak moim celem było przede wszyst­kim stwo­rze­nie czy­tel­nego opra­co­wa­nia, które pozwoli czy­tel­ni­kowi uzyskać wgląd w pod­sta­wowy cel przy­świe­ca­jący pracom fizyków. Mam nadzieję, że uczy­ni­łem słusznie i kilka osób zain­te­re­so­wa­łem tematem. Powiedzmy sobie szczerze: cóż może być cie­kaw­szego od próby złamania kodu wszech­świata? 
Literatura uzupełniająca:
B. Greene, Piękno wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, przeł. E. Łokas, Warszawa 2001;
R. Penrose, Moda, wiara i fantazja w nowej fizyce wszechświata, przeł. Ł. Lamża, Kraków 2017;
S. Nadis, S. Yau, Geometria teorii strun. Ukryte wymiary przestrzeni, Warszawa 2012;
M. Heller, Kosmologia kwantowa, Warszawa 2001;
M. Kaku, J. Trainer, Dalej niż Einstein. Kosmiczna pogoń za teorią wszechświata, przeł. K. Lipszyc, Warszawa 1993;
M. Kaku, Wszechświaty równoległe. Powstanie Wszechświata, wyższe wymiary i przyszłość kosmosu, przeł. B. Bieniok, Warszawa 2010;
M. Duff, Powrót teorii strun, “Świat Nauki”, kwiecień 1998;
E. Witten, Some Comments On String Dynamics, [online: http://physics.usc.edu/Strings95/Proceedings/pdf/9507121.pdf];
N. Wolchover, Why Is M-Theory the Leading Candidate for Theory of Everything?, [online: www.quantamagazine.org/why-is-m-theory-the-leading-candidate-for-theory-of-everything-20171218/].

Linki do poprzednich części cyklu:
Kosmiczna symfonia cz.1: Teoria Wszystkiego
Kosmiczna symfonia cz.2: Od kwantu do struny
Kosmiczna symfonia cz.3: Teoria strun
Kosmiczna symfonia cz.4: Supersymetria
podpis-czarny
  • Jordan Choj­now­ski

    Że tak zapytam z głupia — czy istnieją jakieś teorie dodające dodat­kowe wymiary do samego czasu? Wszyscy patrzą na niego jak na linię, a może ma on też sze­ro­kość i wysokość?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • John Kofee

      skoro czas jest wymiarem to chyba nie może mieć swoich wymiarów, bo wtedy by był oddzielną prze­strze­nią — czy źle myśle? Swoją drogą ja jestem ide­olo­gicz­nym prze­ciw­ni­kiem czasu i trak­to­wa­niem go jako wymiaru (bo nie można jasno zde­fi­nio­wać co to wła­ści­wie jest i czy to istnieje). Fajne pojęcie, które w pewnych kwe­stiach dużo ułatwia i tyle…

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Michał Skichał

        Źle myślisz. Czas to coś zupełnie innego niż prze­strzeń. Zresztą sam o tym dobrze wiesz 😉 Mam tu na myśli zwykłe, intu­icyjne odczucie, że czymś innym są współ­rzędne geo­gra­ficzne, a czymś innym wska­za­nia zegarków. Nie mamy z tym żadnych pro­ble­mów, ponieważ my, naczelne, żyjemy w bardzo, bardzo, bardzo małej prze­strzeni, jaką jest powierzch­nia Ziemi. Lecz kiedy chcemy rozważać olbrzy­mie, nie­ziem­skie odle­gło­ści, to wówczas mamy problem: aby coś dobrze zlo­ka­li­zo­wać, potrze­bu­jemy i jednego, i drugiego. Potrze­bu­jemy zarówno koor­dy­nat prze­strzen­nych (np. długość, sze­ro­kość i wysokość; x=3, y=23, z=32), jak i cza­so­wych (np. 12:30). Na tym polega owy czwarty wymiar czasu. To jak powie­dzieć, że o godzinie 12:30 Pan Leszek znaj­do­wał się w takiej to a takiej długości i sze­ro­ko­ści geo­gra­ficz­nej i był na wyso­ko­ści 12 metrów nad poziomem morza. Taki sposób loka­li­za­cji czegoś w prze­strzeni i w czasie to ogólna teoria względ­no­ści. Nawet w niej czas i prze­strzeń są czymś zupełnie różnym. To dwie odrębne rzeczy. Skąd zatem “cza­so­prze­strzeń”? Ano stąd, że na ogól­niej­szym poziomie nie mają zna­cze­nia bez­względne odle­gło­ści mierzone, dajmy na to, w metrach, ani bez­względne wska­za­nia zegara, lecz interwał cza­so­prze­strzenny. Dwóch różnych obser­wa­to­rów A i B może uzyskać odmienny pomiar czasu i prze­strzeni dla tego samego zda­rze­nia BUM, ale obydwaj uzyskają ten same interwał cza­so­prze­strzenny. Krótko mówiąc, jeżeli A względem B uzyska krótszy czas to uzyska również odpo­wied­nio dłuższą prze­strzeń. I chociaż A i B będą mieli inne wska­za­nia zegarów i inne wyniki pomiarów linijką, to jak sobie to sto­sow­nie prze­li­czą, uzyskają takie same inter­wały cza­so­wo­prze­strzenne. Kurczę, no nie wiem jak to przed­sta­wić w sposób bardziej zro­zu­miały… w każdym razie czas i prze­strzeń to zupełnie różne rzeczy, ale mamy narzę­dzia mate­ma­tyczne, wzory, które pozo­staną “nie­wraż­liwe” na wydłu­że­nia i skra­ca­nia czasu i prze­strzeni w skalach kosmicz­nych. Ist­nie­nie dwóch, trzech, a nawet i trzy­dzie­stu wymiarów cza­so­wych nie spo­wo­duje, że pojawi się dodat­kowa prze­strzeń. W moim mnie­ma­niu nie ma sensu sobie tego wyobra­żać, bo jest to nie­moż­liwe do wyobra­że­nia. To pewnego rodzaju abs­trak­cja mate­ma­tyczna, nic innego.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • John Kofee

        ciekawy elaborat (W pozy­tyw­nym zna­cze­niu), ale albo ja cię nie rozumiem do konca albo ty mnie 🙂 a na pawno nie chce wylaniać prze­strzeni z czasu. Zuwazam jedynie, że skoro juz mialbym trak­to­wac czas jak wymiar, to ma on wtedy dla mnie co najwyzej 2 kierunki (jak to wymiar). Jezeli cos tych kie­run­kow mialo by miec wiecej to nie moze byc wymiarem — to wszystko 🙂
        Rozumiem kon­cep­cje cza­so­prze­strzeni i w tym zna­cze­niu to co napi­sa­les oczy­wi­scie ma sens. Do tego o ile przy­glą­damy sie sko­lap­so­wa­nym funkcjom falowym — czą­stecz­kom. Dla ich row­no­wa­znika czyli fali nie ma to juz sensu i o tym m.in. mowie pod­wa­za­jac sens pojecia czasu 🙂 Co do dodat­ko­wych wymiarow to dla mnie ma to jak naj­bar­dziej sens i mam wrazenie, ze tzw. upiorne oddzia­ly­wa­nie na odle­glosc moglo by być wlasnie ich prze­ja­wem — po prostu spla­ta­nie to obser­wa­cja tej samej czastki sko­re­lo­wa­nej w dodat­ko­wych wymia­rach.
        No ale co ja tam wiem, ale na szcze­scie takie filo­zo­ficzne roz­wa­ża­nia mają jeden plus — nie wymagają dowodu mate­matcz­nego i zawsze można się z nich wycofać gdy realna nauka znajdzie jakieś sen­sow­niej­sze roz­wią­za­nie 🙂 🙂

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      To nie jest złe pytanie. Na chwilę obecną M-teoria i wcze­śniej­sze upo­wszech­nione wersje teorii strun roz­wa­żają tylko dodat­kowe wymiary prze­strzenne. Greene w swojej książce napo­mknął o ewen­tu­al­no­ści innych wymiarów cza­so­wych, ale uczciwie przyznał, że skoro prze­strzenne przy­spa­rzają tyle pro­ble­mów, to tych drugich nikt nie ośmieli się jeszcze długi czas ukryć. Trudno w ogóle powie­dzieć na czym taki wymiar czasowy miałby polegać.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Michał Skichał

      czy istnieją jakieś teorie dodające dodat­kowe wymiary do samego czasu?

      Tak, istnieją. Takie samo pytanie zadano w serwisie “zapytaj fizyka” i na pod­sta­wie opu­bli­ko­wa­nej tamże odpo­wie­dzi można zrobić, co nastę­puje: użyć google (lub Wiki­pe­dii) i poszukać haseł “Multiple time dimen­sions”, “Itzhak Bars”, “Two-Time Physics”, “2T-physics”, a nawet książki “Extra Dimen­sions in Space and Time” wydanej przez Springer w 2010 roku (DOI 10.1007/978–0-387–77638-5). Arty­ku­łów na ten temat można też poszukać w serwisie arxiv.org.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Dziadek

    Szacunek i podziw ! Prze­czy­ta­łem wszystko, co można w wersji popu­larno-naukowej (nie jestem fizykiem — koń­czy­łem mat) — Suskinda, Smolina, Lisę Randal, Greenego, Ste­in­harda, Gutha .…… Niby więc niczego nowego nie wyczy­ta­łem. Ale zebranie w 5 arty­ku­łach tak ogrom­nego tematu w sposób spójny, klarowny i dający czy­tel­ni­kowi aute­nyczne odczucie zro­zu­mie­nia o co chodzi , jaki cel przy­świeca fizykom, gdzie jesteśmy i dokąd zmie­rzamy .…. Nie chcę popaść w przesadę, ale uważam to za przejaw swo­istego geniuszu. Przy­da­łoby się jeszcze coś o pętlowej gra­wi­ta­cji kwan­to­wej jako chyba głównej kon­ku­ren­cji dla strun ?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Tomasz Wolny

    Działa na wyobraź­nię 🙂 Do mnie prze­ma­wia też teoria, w której czas nie istnieje. Iluzja umysłów.. Wtedy odpadł by wymiar w M-Teorii 😉

    ps. Pewnie pisałeś późno, ale prze­czy­taj raz jeszcze to zdanie:

    “Pewnie zasta­na­wiasz się, co musiał zrobić pre­le­gent, żeby tak głęboko wstrzą­snąć zgro­ma­dzo­nym na widowni uczonym?”

    — :). Bo nor­mal­nie uczony jest roz­pro­szony, ale na ten wykład jakoś udało mu się zgro­ma­dzić w jednej sali 😉 Pozdra­wiam.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • John Kofee

    Wydaje mi sie, ze takie zde­rze­nie wszech­swia­tow moglo by rowniez wyjasnić nie­sy­me­trie miedzy materia i anty­me­tria. W trakcie zde­rze­nia energia zostaje wyzwo­lona w obu wszech­swia­tach tyle, ze kie­run­kowo i tam zostaje uwię­ziona część anty­ma­te­rii, a u nas część materii. Być może teraz tam się zasta­na­wiają czemu ich wszech­świat nie jest pod tym wzgledem syme­try­czy 🙂 🙂 Pewnie to głupoty, ale co mi tam 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Teresa

    Jak się tak prze­śle­dzi całą tę drogę powsta­nia i rozwoju wszech­świata w drodze ewolucji od poje­dyn­czych atomów do zło­żo­nych struktur łącznie z nami samymi, to aż się prosi o ist­nie­nie jakiegoś jednego wspól­nego kodu.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Sean Thingy

      Pewnie nie doczekam, ale strasz­nie mnie ciekawi, czy ewen­tu­alne życie na innych pla­ne­tach w innych układach wytwo­rzyło dokład­nie taki sam schemat jak na Ziemi, czy też znacząco się różni. Jedno i drugie byłoby fascy­nu­jące, ale to drugie chyba bardziej. A być może jest cała masa różnych moż­li­wo­ści, z których część jest “ziemska”, a część “obca”. Jakoś wątpię, byśmy byli rodzyn­kiem w skali Wszech­świata, choć tego nie wyklu­czam.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • arthy

    Czy to jest wersja poprawiona/uzupełniona czy zupełnie nowe dzieło?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Pytasz o M-Teorię czy tekst? 😉 Cykl Kosmiczna symfonia napi­sa­łem wiele lat temu, to jest jego odno­wiona wersja. W zasadzie artykuły zostały napisane od nowa, ale zacho­wa­łem tematykę i układ oma­wia­nia poszcze­gól­nych zagad­nień.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • arthy

        Tak, o to mi chodziło 🙂

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Teresa

    Nie bardzo kumam jak jaki­kol­wiek wymiar może się “zwinąć”. Rozumiem, że pozo­stałe nieznane nam wymiary muszą być bardzo małe, jako że “mikro­sko­pijne” struny mają w nich “drgać”. Wymiary może raczej się nie zwinęły, co zmniej­szyły (chyba jakiś czas po wielkim wybuchu?) odpo­wied­nio tak, że nie da się ich zobaczyć. A może nie o rozmiary wymiarów tak na prawdę chodzi, tylko o to, że z jakichś powodów nie jesteśmy w stanie ich w żaden sposób zare­je­stro­wać naszymi zmysłami.

    Czy wymiary w ogóle mogą mieć jakąś okre­śloną wielkość? Może znowu zbyt dosłow­nie biorę coś co ma tylko zobra­zo­wać pewne hipo­te­tyczne zjawiska.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Raczej bliższe teorii strun było stwier­dze­nie, że nie tamte wymiary się zwinęły, lecz, że to nasze trzy (cztery?) wymiary uległy roz­wi­nię­ciu. Istnieje taki model kosmo­lo­giczny.

      Czy wymiary w ogóle mogą mieć jakąś okre­śloną wielkość?

      Mogą, choć nie jest to coś takiego jak pomiar szafy lub samo­chodu. Wszakże nasza trój­wy­mia­rowa prze­strzeń też praw­do­po­dob­nie ma jakieś wymiary oraz kształt. Różnica polega na tym, że w kla­sycz­nej kosmo­lo­gii mówimy o eks­pan­sji cza­so­prze­strzeni w “niczym”, bo poza wszech­świa­tem nie było niczego. Na pod­sta­wie M-Teorii można by już teo­re­ty­zo­wać czy ten kosmos nie rozwinął się w ramach wyższej, pię­cio­wy­mia­ro­wej struk­tury.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Teresa

        Rze­czy­wi­ście, bardziej logicz­nym jest, że te nasze wymiary wyłoniły się, w którymś momencie w znanym nam dzisiaj “kształ­cie”, a nie, że te pozo­stałe się “pozwi­jały”. Chyba jakoś odwrot­nie to wszystko wcze­śniej postrze­ga­łam. Dzięki za odpo­wiedź.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

×