Żyjemy w jednym z wielu możliwych wszechświatów

Plotka głosi, że Albert Einstein spędził ostatnie chwile życia, zapisując coś na kartce papieru podejmując ostatnią próbę sformułowania teorii wszystkiego. Około 60 lat później inna legendarna postać fizyki teoretycznej, Stephen Hawking, być może w swoich ostatnich dniach myślał o czymś podobnym. Wiemy, że Hawking uważał, że coś, co nazywa się M-teorią, jest naszym najlepszą kandydatką na kompletną teorię wszechświata. Ale co to jest M-teoria?

Od czasu sformułowania teorii ogólnej teorii względności Einsteina w 1915 r. Każdy fizyk teoretyczny marzył o pogodzeniu naszego rozumienia nieskończenie małego świata atomów i cząstek z nieskończenie wielką skalą kosmosu. Podczas gdy ten ostatni jest skutecznie opisany przez równania Einsteina, ten pierwszy świat jest opisywany z niezwykłą dokładnością przez tak zwany model standardowy podstawowych oddziaływań.

Nasze obecne rozumienie jest takie, że interakcja między przedmiotami fizycznymi może następować za pomocą czterech sił podstawowych. Dwie z nich – grawitacja i elektromagnetyzm – są dla nas istotne, jakby to określili uczeni, na poziomie makroskopowym, mamy z nimi do czynienia w naszym codziennym życiu. Pozostałe dwie siły, nazwane oddziaływaniami silnymi i słabymi, działają na bardzo małą skalę i stają się istotne tylko w przypadku procesów subatomowych.

Standardowy model oddziaływań fundamentalnych zapewnia jednolite ramy tylko dla trzech z tych sił, bowiem grawitacja nie może być nie pasuje do tego obrazu (modelu standardowego). Pomimo dokładnego opisu zjawisk wielkoskalowych, takich jak orbity planet lub dynamika galaktyk, ogólna teoria względności przestaje pasować do naszej  fizyki na bardzo krótkich dystansach. Zgodnie ze modelem standardowym wszystkie siły są przenoszone przez określone cząstki. Dla grawitacji zadanie to wykonuje grawiton. Ale kiedy próbujemy obliczyć, w jaki sposób te grawitony wchodzą w interakcje, pojawiają się bezsensowne nieskończoności.

Spójna teoria grawitacji powinna być ważna w każdej skali i powinna uwzględniać kwantową naturę cząstek podstawowych. Uwzględniłaby ona grawitację w jednej zunifikowanej z pozostałymi trzema oddziaływaniami podstawowymi strukturze, która w ten sposób stałby się słynną teorią wszystkiego. Oczywiście, od śmierci Einsteina w 1955 roku, dokonano znacznego postępu, a obecnie nasz najlepszy kandydat nazywał się M-teorią.

Rewolucja strun

Aby zrozumieć podstawową ideę M-teorii, trzeba cofnąć się do lat 70., gdy naukowcy zdali sobie sprawę, że zamiast opisywać wszechświat zbudowany z punktowych cząstek, można go opisać w kategoriach maleńkich oscylujących strun. Ten nowy sposób myślenia o fundamentalnych składnikach natury okazał się rozwiązaniem wielu problemów teoretycznych. Przede wszystkim szczególne oscylacje struny można interpretować jako różne cząstki, w tym także grawiton. I w przeciwieństwie do standardowej teorii grawitacji, teoria strun może opisywać swoje oddziaływania w sposób matematyczny i to bez dziwnych nieskończoności. Tak więc grawitacja została ostatecznie włączona do zunifikowanej struktury.

Po tym ekscytującym odkryciu fizycy teoretyczni poświęcili wiele wysiłku, aby zrozumieć konsekwencje tej przełomowej idei. Jednak, jak to często bywa z badaniami naukowymi, historia teorii strun charakteryzuje się wzlotami i upadkami. Początkowo ludzie byli zaskoczeni, ponieważ teoria przewidywała istnienie cząstki, która podróżuje szybciej niż światło, określanej jako tachyon. To przewidywanie kontrastowało ze wszystkimi obserwacjami eksperymentalnymi i wzbudziło poważne wątpliwości co do prawdziwości teorii strun.

Jednak kwestię tę rozwiązano na początku lat 80. XX wieku, wprowadzając w teorii strun coś, co nazywano „supersymetrią”. Przewiduje ona, że każda cząstka ma superpartnera, a dzięki niezwykłemu zbiegowi okoliczności to założenie zlikwidowało tachiony. Ten pierwszy sukces teorii strun jest powszechnie znany jako „pierwsza rewolucja strun”.

Inną uderzającą cechą teorii strun jest to, że wymaga ona istnienia dziesięciu wymiarów czasoprzestrzeni. Obecnie wiemy tylko o czterech: głębokość, wysokość, szerokość i czas. Choć dziesięciowymiarowość wszechświata może to wydawać się poważną przeszkodą, by zaakceptować teorię, w rzeczywistości tak nie jest. Zaproponowano bowiem już kilka odpowiedzi na pytanie dlaczego nie widzimy pozostałych sześciu wymiarów.  Na przykład, moglibyśmy zostać zmuszeni do życia w czterowymiarowym świecie bez dostępu do dodatkowych wymiarów. Lub dodatkowe wymiary mogą być skompaktowane do tak małych rozmiarów, że nie zauważylibyśmy ich.  Coś podobnego ma miejsce w przypadku kartki papieru, która wydaje się nam płaszczyzną choć w rzeczywistości jest bryłą trójwymiarową, w rodzaju prostopadłościanu, którego głębokość, jest bardzo mała.

Różne kompaktyfikacje prowadzą do różnych wartości stałych fizycznych, a zatem różnych praw fizyki. Możliwe jest zatem, że nasz wszechświat jest jednym z wielu w nieskończonym multiuniwersie, w którym każdy wszechświat rządzony jest przez inne prawa fizyki.

Może się to wydawać dziwne, ale wielu fizyków teoretycznych nie odrzuca do tego pomysłu. Jeśli nie jesteście przekonani, możecie przeczytać powieść Flatland: romans o wielu wymiarach autorstwa Edwina Abbotta, w którym bohaterowie zmuszeni są żyć w płaskich, dwuwymiarowych przestrzeniach i nie są w stanie się spotkać, bo nie potrafią wyobrazić sobie trzeciego wymiaru.

M-teoria

A zatem to nie wielowymiarowość czasoprzestrzeni była palącym problemem, który nurtował teoretyków strun. Okazało się bowiem, że po dokonaniu dokładnej klasyfikacji teorii istnieje pięć różnych spójnych teorii strun i nie było jasne, dlaczego natura miałaby wybrać jedną z pięciu.

Wtedy do gry weszła M-teoria. Podczas drugiej rewolucji strun, w 1995 roku, fizycy zaproponowali, że pięć spójnych teorii strun to w rzeczywistości tylko różne oblicza unikalnej teorii, która opisuje jedenastowymiarową czasoprzestrzeń i jest znana jako M-teoria. Obejmuje każdą z teorii strun w różnych kontekstach fizycznych, ale nadal jest ważna dla wszystkich z nich. Ten niezwykle fascynujący obraz doprowadził większość fizyków teoretycznych do przekonania, że  M-teoria jest teorią wszystkiego – jest również bardziej matematycznie spójna niż inne kandydatki na teorię wszystkiego.

Niemniej jednak, jak dotąd, fizycy próbują wysnuć na podstawie M-teorii przewidywania, które można by przetestować za pomocą eksperymentów. Supersymetria jest obecnie testowana w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Jeśli naukowcy znajdą dowody na istnienie superpartnerów, to ostatecznie wzmocni to M-teorię. Potrzeba jednak dużo więcej przewidywań i eksperymentów, które mógłby je przetestować.

Większość wielkich fizyków i kosmologów wykazuje się ogromną pasją, by znaleźć piękny, prosty opis świata, wyjaśniający wszystko. I choć nie jesteśmy jeszcze u celu, nie mielibyśmy szans bez genialnych i kreatywnych umysłów takich ludzi jak Stephen Hawking.

  • 232
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Dodaj komentarz