Symfonia drgających strun

Wszystko zaczęło się wraz z publikacją szczególnej teorii względności, która to dała początek dwóm potężnym gałęziom współczesnej fizyki: fizyce relatywistycznej i fizyce kwantowej.

Świat chaosu, świat ładu

Pierwsza jest fizyką skali makro i dotyczy takich fundamentów rzeczywistości jak grawitacja, światło itp. Opisuje zachowanie planet i ciał w ruchu, sprowadzając odczuwaną jako przyciąganie grawitację do zakrzywienia przestrzeni przez dużą masę. Najprościej wyobrazić sobie można ten postulat przy pomocy jabłka i chusteczki do nosa. Wziąwszy w jedną rękę chusteczkę i jabłko, tak by jabłko znajdowało się na chusteczce, aby zobaczyć grawitację wystarczy lekko naciągnąć chusteczkę. Jabłko będzie silnie naciskało na nią, przez co widoczne stanie się wgłębienie – tak właśnie działają planety i gwiazdy na przestrzeń wokół nich.

Fizyka kwantowa opisuje natomiast świat w skali mikro. Świat elektronów i innych cząstek elementarnych – budulców wszelkiej materii. Opis tego świata przez fizykę kwantową drastycznie różni się od opisu makroświata szczególnej teorii względności. Już Einstein zdawał sobie sprawę ze skrajnych rozbieżności pomiędzy dwoma dziedzinami, jakie zapoczątkował swoją teorią. Świat fizyki kwantowej jest bowiem światem chaosu i nieprzewidywalności, czyli zupełnym przeciwieństwem przewidywalnego, poukładanego świata teorii względności.

Odkąd zdał sobie sprawę z problemów, jakie wiążą się z rozbieżnościami fizyki relatywistycznej z fizyką kwantową (której to do końca życia nie chciał w pełni uznać), Einstein zaczął szukać sposobu na to, by obie fizyki były ze sobą spójne i zgodne. Tak bowiem, jak teoria względności opisuje grawitację, tak fizyka kwantowa – oddziaływania elektromagnetyczne i oba jądrowe (silne, odpowiadające za wiązania w jądrach atomów i słabe, odpowiadające za rozpad promieniotwórczy). A ponieważ mamy tylko jeden świat, w którym na dodatek oddziaływania te przeplatają się wzajemnie, Einstein doszedł do wniosku, że musi istnieć teoria, która mogłaby zbratać ze sobą fizykę kwantową i relatywistyczną. Jej poszukiwaniem zajmował się przez ostatnie 30 lat swojego życia, tworząc podwaliny kwantowej teorii pola.

Świat według teorii względności – gładki i poukładany kosmos

Zapełnić lukę

Pod koniec życia jednakże zwątpił w spójność i sensowność tej teorii i tak w fizyce powstała wielka luka. Od śmierci Einsteina w 1955 roku, przez prawie dwie dekady trwały w fizyce intensywne przemeblowania i próby rozwiązania tego iście gordyjskiego węzła nauk ścisłych. Na przełomie lat 60-tych i 70-tych miał miejsce podwójny przełom w poszukiwaniach: równolegle powstały dwie teorie, które mogły rozjaśnić mroki panujące w fizyce, spowodowane niemożliwością opisania świata równolegle przez fizykę relatywistyczną i kwantową, jak na przykład w kwestii opisu Wielkiego Wybuchu. Pierwszą częścią przełomu był tzw. model standardowy cząstek elementarnych i oddziaływań fundamentalnych, ujednolicający wszystkie odkryte cząstki elementarne (budujące protony i neutrony kwarki, cząstki duchy, neutrina, elektrony, fotony itd.) i sprowadzający trzy spośród czterech oddziaływań fundamentalnych do postaci kwantowej, tzn. definiując np. elektromagnetyzm jako wymianę cząstek światła – fotonów, lub też oddziaływanie jądrowe silne jako wymianę spinających ze sobą kwarki glonów. Jedyną niezdefiniowaną w ten sposób siłą jest grawitacja.

Brakujące ogniwo

I tu do głosu dochodzi druga część ww. przełomu: teoria strun. Narodziła się ona, można powiedzieć, przez przypadek (jeśli wierzy się w przypadki). Otóż pewien młody włoski fizyk, rozmyślając nad skwantowaniem grawitacji, trafił na starą książkę matematyczną autorstwa Leonharda Eulera (matematyk i fizyk szwajcarski żyjący w XVIII w.), w której znalazł intrygujące równanie, tzw. gammę Eulera, która z jednej strony opisywała pewien fizyczny twór drgający niczym struna, a z drugiej strony – idealnie pasowała jako rozwiązanie problemu cząstki, niosącej oddziaływanie grawitacyjne: nie posiadającego masy grawitonu. Z racji swej prostoty a zarazem piękna, równanie to i idea, jaką niosło, szybko zaczęło zdobywać sobie serca i umysły studentów fizyki i matematyki na całym świecie. Z jednego równania i jednego, grawitacyjnego, problemu, powstała w krótkim czasie cała teoria, której celem stało się szybko nie tyle skwantowanie grawitacji, co wyjaśnienie istnienia wszystkich cząstek elementarnych poprzez opisanie każdej z nich jako specyficznego drgania pewnej energetycznej struny. Od kształtu i sposobu drgań strun zależałoby więc, jaką tworzą cząstkę.

Świat według fizyki kwantowej – chaotyczny i nieprzewidywalny

Oprócz tego, teoria strun postuluje istnienie dodatkowych siedmiu wymiarów przestrzennych (tak małych i tak poskręcanych, że niewidocznych, a ukrytych w widzialnych trzech wymiarach) a także kanapkową budowę wszechświata – wszechświat miałby być wg tej teorii wielowarstwowy, przez co obok siebie istnieć mogłyby całe cywilizacje, nie wiedząc nic o istnieniu sąsiadów. Jednakże jedyną szansą na sprawdzenie słuszności teorii strun jest wykrycie w wielkich zderzaczach cząstek (takich jak budowany w szwajcarskim CERN-ie Wielki Zderzacz Hadronów, LHC) istnienia przewidzianych przez nią cięższych braci zwykłych cząstek elementarnych, tak zwanych s-cząstek (np. s-elektron) lub też grawitonu (przy czym jego wykrycie – z powodu jego zerowej masy – może być utrudnione). Gdyby jednak teoria strun znalazła swe potwierdzenia eksperymentalne, w fizyce rozpoczęłaby się nowa epoka – epoka symfonicznej wręcz harmonii, a przed nami otworzyłyby się nowe możliwości poznawcze i techniczne. I wreszcie spełnione zostałoby niespełnione dotychczas marzenie Alberta Einsteina o jednej teorii fizycznej unifikującej wszystkie zjawiska przyrodnicze.

Tekst jest przedrukiem z magazynu studentów Uniwersytetu Śląskiego „Suplement”