Brian Greene: Wszechświat jest bajecznie piękny

Przez ostat­nie trzy­dzie­ści lat życia Albert Ein­ste­in wytrwa­le poszu­ki­wał tak zwa­nej zuni­fi­ko­wa­nej teo­rii pola, teo­rii, któ­ra opi­sa­ła­by siły natu­ry w obej­mu­ją­cym wszyst­ko, spój­nym sys­te­mie. Ein­ste­inem nie kie­ro­wa­ły moty­wy, któ­re zwy­kle wią­że­my z przed­się­wzię­cia­mi nauko­wy­mi, taki­mi jak chęć wyja­śnie­nia kon­kret­nych wyni­ków badań. Powo­do­wa­ło nim raczej moc­ne prze­świad­cze­nie, że zgłę­bie­nie tajem­nic Wszech­świa­ta odsło­ni to, co w nim naj­cu­dow­niej­sze: pro­sto­tę i siłę zasad, któ­re nim rzą­dzą. Chciał wyja­śnić natu­rę Wszech­świa­ta w spo­sób tak jasny, jak nigdy dotąd, aby­śmy wszy­scy mogli podzi­wiać jego abso­lut­ne pięk­no i elegancję.

Ein­ste­ino­wi nigdy nie uda­ło się zre­ali­zo­wać tego marze­nia, głów­nie za spra­wą obiek­tyw­nych trud­no­ści. W owych cza­sach nie zna­no jesz­cze pew­nych zasad­ni­czych wła­ści­wo­ści mate­rii i sił natu­ry lub – w naj­lep­szym razie – nie­zbyt dobrze je rozu­mia­no. Jed­nak­że w cią­gu ostat­nie­go pół­wie­cza kolej­ne poko­le­nia fizy­ków – raz szyb­ciej, raz wol­niej, a cza­sem zapę­dza­jąc się w śle­pą ulicz­kę – dzię­ki odkry­ciom swo­ich poprzed­ni­ków coraz lepiej rozu­mia­ły, jak funk­cjo­nu­je Wszech­świat. Obec­nie, dłu­go po tym, jak Ein­ste­in pod­jął bez­sku­tecz­ną pró­bę sfor­mu­ło­wa­nia zuni­fi­ko­wa­nej teo­rii Wszech­świa­ta, fizy­cy nabie­ra­ją pew­no­ści, że w koń­cu odkry­li wspól­ne pod­sta­wy roz­ma­itych frag­men­tów wie­dzy – teo­rię, któ­ra daje moż­li­wość opi­sa­nia w zasa­dzie wszyst­kich zja­wisk fizycz­nych. Jest to teo­ria superstrun.

Związane struną

Nazy­wa­nie tego tuszo­wa­niem fak­tów było­by prze­sa­dą. Nie­mniej w cią­gu ponad pół wie­ku – nawet w cza­sach naj­więk­szych osią­gnięć nauko­wych – fizy­cy w głę­bi duszy zda­wa­li sobie spra­wę z obec­no­ści ciem­nej chmu­ry, przy­cza­jo­nej na odle­głym hory­zon­cie. Otóż współ­cze­sna fizy­ka wspie­ra się na dwóch fila­rach. Jed­nym z nich jest ogól­na teo­ria względ­no­ści Alber­ta Ein­ste­ina, któ­ra dostar­cza teo­re­tycz­nych ram nie­zbęd­nych do zro­zu­mie­nia Wszech­świa­ta w naj­więk­szej ska­li: gwiazd, galak­tyk, gro­mad galak­tyk i dalej, aż do olbrzy­mich prze­strze­ni całe­go kosmo­su. Dru­gi to mecha­ni­ka kwan­to­wa, pozwa­la­ją­ca zro­zu­mieć Wszech­świat w naj­mniej­szej ska­li: czą­ste­czek i ato­mów, a nawet czą­stek sub­a­to­mo­wych, takich jak elek­tro­ny i kwar­ki. W cią­gu wie­lu lat badań fizy­cy potwier­dzi­li doświad­czal­nie z nie­wia­ry­god­ną dokład­no­ścią pra­wie wszyst­kie prze­wi­dy­wa­nia każ­dej z tych teo­rii. Jed­nak­że zasto­so­wa­nie do obu z nich tych samych narzę­dzi badaw­czych w nie­unik­nio­ny spo­sób pro­wa­dzi do nie­po­ko­ją­ce­go wnio­sku: w swej obec­nej posta­ci ogól­na teo­ria względ­no­ści i mecha­ni­ka kwan­to­wa nie mogą być jed­no­cze­śnie praw­dzi­we. Teo­rii leżą­cych u pod­staw olbrzy­mie­go postę­pu fizy­ki w cią­gu ostat­nich stu lat – postę­pu, któ­ry pozwo­lił wyja­śnić roz­sze­rza­nie się Wszech­świa­ta i poznać struk­tu­rę mate­rii – nie da się ze sobą pogodzić.

Jeśli wcze­śniej nie sły­sza­łeś o ist­nie­niu tego ostre­go anta­go­ni­zmu, pew­nie się zasta­na­wiasz, dla­cze­go tak się sta­ło. O odpo­wiedź nie­trud­no. W więk­szo­ści wypad­ków fizy­cy bada­ją cia­ła, któ­re są albo małe i lek­kie (jak ato­my oraz ich skład­ni­ki), albo duże i masyw­ne (jak gwiaz­dy i galak­ty­ki). Ozna­cza to, że naukow­com potrzeb­na jest jed­na teo­ria, tyl­ko mecha­ni­ka kwan­to­wa albo tyl­ko ogól­na teo­ria względ­no­ści, a dru­gą się nie inte­re­su­ją. Takie podej­ście, gra­ni­czą­ce z bło­gą nie­świa­do­mo­ścią, ist­nia­ło przez ponad pięć­dzie­siąt lat.

We Wszech­świe­cie zda­rza­ją się jed­nak sytu­acje eks­tre­mal­ne. W środ­ku czar­nej dziu­ry olbrzy­mia masa zosta­je zgnie­cio­na do maleń­kich roz­mia­rów. Cały Wszech­świat wyła­nia się w chwi­li Wiel­kie­go Wybu­chu z mikro­sko­pij­nej dro­bi­ny, przy któ­rej ziarn­ko pia­sku to olbrzym. Ist­nie­ją więc obiek­ty małe i jed­no­cze­śnie nie­wia­ry­god­nie masyw­ne, wyma­ga­ją­ce, aby mecha­ni­ka kwan­to­wa i ogól­na teo­ria względ­no­ści zjed­no­czy­ły wysił­ki. Tym­cza­sem połą­cze­nie rów­nań ogól­nej teo­rii względ­no­ści i mecha­ni­ki kwan­to­wej spra­wia, że zaczy­na­ją się one trząść, ter­ko­tać i buchać parą jak samo­chód, w któ­rym zanad­to dusi­my pedał gazu. Mówiąc mniej obra­zo­wo, wsku­tek nie­uda­ne­go połą­cze­nia tych teo­rii na dobrze posta­wio­ne pyta­nia otrzy­mu­je się bez­sen­sow­ne odpo­wie­dzi. Nawet jeśli się godzi­my, by pro­ce­sy zacho­dzą­ce we wnę­trzu czar­nej dziu­ry i te, któ­re legły u pod­staw Wszech­świa­ta, pozo­sta­ły oto­czo­ne tajem­ni­cą, trud­no nie zauwa­żyć, że wro­gość mecha­ni­ki kwan­to­wej i ogól­nej teo­rii względ­no­ści wobec sie­bie doma­ga się głęb­sze­go wyja­śnie­nia. Czy jest rze­czy­wi­ście moż­li­we, aby fun­da­men­ty Wszech­świa­ta były nie­jed­no­li­te i by wyma­gał on sto­so­wa­nia jed­ne­go zbio­ru praw do dużych obiek­tów, a inne­go, nie­zgod­ne­go z tym pierw­szym, do małych ciał?

Teo­ria super­strun, nowin­ka w porów­na­niu z dostoj­ną mecha­ni­ką kwan­to­wą i ogól­ną teo­rią względ­no­ści, zde­cy­do­wa­nie się temu prze­ciw­sta­wia. Inten­syw­ne bada­nia pro­wa­dzo­ne w cią­gu ostat­nich dzie­się­ciu lat przez fizy­ków i mate­ma­ty­ków z całe­go świa­ta dowio­dły, że to nowe podej­ście do opi­su naj­bar­dziej pod­sta­wo­we­go pozio­mu mate­rii likwi­du­je napię­cie mię­dzy ogól­ną teo­rią względ­no­ści a mecha­ni­ką kwan­to­wą. W rze­czy­wi­sto­ści teo­ria super­strun poka­zu­je jesz­cze wię­cej: w ramach tego nowe­go sys­te­mu ogól­na teo­ria względ­no­ści i mecha­ni­ka kwan­to­wa wza­jem­nie się uzu­peł­nia­ją. W teo­rii super­strun zwią­zek praw rzą­dzą­cych tym, co duże, i tym, co małe jest nie tyl­ko uda­ny, ale i nieunikniony.

To nie wszyst­kie dobre wie­ści. Otóż teo­ria super­strun – w skró­cie: teo­ria strun – odsła­nia nowy poziom tego związ­ku. Przez trzy dzie­się­cio­le­cia Ein­ste­in poszu­ki­wał zuni­fi­ko­wa­nej teo­rii fizycz­nej, któ­ra splo­tła­by wszyst­kie siły natu­ry i jej mate­rial­ne skład­ni­ki w jeden teo­re­tycz­ny kobie­rzec. Bez­sku­tecz­nie. Obec­nie, na pro­gu nowe­go tysiąc­le­cia, zwo­len­ni­cy teo­rii strun twier­dzą, że uda­ło się naresz­cie wydzie­lić nit­ki tej nie­uchwyt­nej, jed­no­li­tej tka­ni­ny. Teo­ria strun daje moż­li­wość poka­za­nia, że wszyst­kie cudow­ne zda­rze­nia we Wszech­świe­cie – od sza­lo­ne­go tań­ca sub­a­to­mo­wych kwar­ków do sta­tecz­ne­go wal­ca krą­żą­cych wokół sie­bie gwiazd podwój­nych, od pier­wot­nej kuli ogni­stej Wiel­kie­go Wybu­chu do maje­sta­tycz­nych obro­tów galak­tyk – są odbi­ciem jed­nej zasa­dy fizycz­nej, jed­ne­go, naj­waż­niej­sze­go równania.

Teo­ria strun wyma­ga, aby­śmy grun­tow­nie zmie­ni­li nasze poglą­dy na prze­strzeń, czas i mate­rię. Nie od razu się do owych zmian przy­zwy­cza­imy. Ale gdy zoba­czy­my teo­rię strun we wła­ści­wym świe­tle, sta­nie się jasne, że choć zaist­nia­ła nagle, jest natu­ral­ną kon­se­kwen­cją rewo­lu­cyj­nych odkryć doko­na­nych przez fizy­ków w cią­gu ostat­nich stu lat. Prze­ko­na­my się, że kon­flikt mię­dzy ogól­ną teo­rią względ­no­ści a mecha­ni­ką kwan­to­wą to w rze­czy­wi­sto­ści ostat­nia z trzech waż­nych sprzecz­no­ści doty­czą­cych nauki, któ­re poja­wi­ły się w ubie­głym stu­le­ciu, a ich roz­wią­za­nie przy­nio­sło zaska­ku­ją­ce zmia­ny w naszym obra­zie Wszechświata.

Słyn­na mgła­wi­ca Koń­ski Łeb (zna­na tak­że jako Bar­nard 33) jest zbu­do­wa­na z ciem­ne­go, gęste­go pyłu. Znaj­du­je się w kon­ste­la­cji Orio­na ok. 1500 lat świetl­nych od Zie­mi i ma śred­ni­cę 3,5 roku świetl­ne­go (ponad 3,5 tysią­ca razy wię­cej niż nasz Układ Sło­necz­ny). Po lewej – gwiaz­da Alni­tak, wschod­nia gwiaz­da Pasa Orio­na; pod nią – mgła­wi­ca Pło­mień (NGC 2024). Czer­wo­no-poma­rań­czo­wy blask tła pocho­dzi od gazu wodorowego.

Ist­nie­nie pierw­sze­go z tych kon­flik­tów uświa­do­mio­no sobie jesz­cze pod koniec XIX wie­ku. Doty­czy on zagad­ko­wych wła­ści­wo­ści ruchu świa­tła. Otóż z praw ruchu Iza­aka New­to­na wyni­ka, że gdy­by­śmy bie­gli wystar­cza­ją­co szyb­ko, dogo­ni­li­by­śmy pro­mień świetl­ny. Moż­li­wość taką wyklu­cza­ją pra­wa elek­tro­ma­gne­ty­zmu Jame­sa Cler­ka Maxwel­la.

Ein­ste­in roz­wią­zał tę sprzecz­ność za pomo­cą swo­jej szcze­gól­nej teo­rii względ­no­ści i w ten spo­sób cał­ko­wi­cie zbu­rzył nasze dotych­cza­so­we poglą­dy na prze­strzeń i czas. Według tej teo­rii prze­strzeń i czas nie są uni­wer­sal­ny­mi, nie­zmien­ny­mi poję­cia­mi, doświad­cza­ny­mi w ten sam spo­sób. W sfor­mu­ło­wa­niu Ein­ste­ina prze­strzeń i czas uka­za­ły się jako pla­stycz­ne two­ry, któ­rych postać i wygląd zależ­ne są od ruchu obserwatora.

Powsta­nie szcze­gól­nej teo­rii względ­no­ści stwo­rzy­ło warun­ki do poja­wie­nia się dru­giej sprzecz­no­ści. Otóż Ein­ste­in zało­żył, że nic nie poru­sza się z pręd­ko­ścią więk­szą od pręd­ko­ści świa­tła. Ale uni­wer­sal­na teo­ria gra­wi­ta­cji New­to­na – znaj­du­ją­ca potwier­dze­nia doświad­czal­ne i zado­wa­la­ją­ca intu­icyj­nie – wyma­ga natych­mia­sto­we­go prze­no­sze­nia oddzia­ły­wań na olbrzy­mie odle­gło­ści. I w tym wypad­ku Ein­ste­in pora­dził sobie ze sprzecz­no­ścią, pro­po­nu­jąc w swo­jej ogól­nej teo­rii względ­no­ści z 1915 roku nową kon­cep­cję gra­wi­ta­cji. Teo­ria ta, podob­nie jak wcze­śniej szcze­gól­na teo­ria względ­no­ści, cał­ko­wi­cie odmie­ni­ła daw­ne wyobra­że­nia o prze­strze­ni i cza­sie. Czas i prze­strzeń zale­żą nie tyl­ko od ruchu obser­wa­to­ra, ale i od obec­no­ści mate­rii czy ener­gii, powo­du­ją­cych ich skrę­ca­nie i zakrzy­wia­nie. Takie znie­kształ­ce­nia struk­tu­ry prze­strze­ni i cza­su prze­no­szą siłę gra­wi­ta­cji z jed­ne­go miej­sca na dru­gie. Nie może­my więc już wyobra­żać sobie prze­strze­ni i cza­su jedy­nie jako tła zda­rzeń zacho­dzą­cych we Wszech­świe­cie. W szcze­gól­nej i ogól­nej teo­rii względ­no­ści peł­nią one raczej funk­cję zaan­ga­żo­wa­nych uczest­ni­ków tych zdarzeń.

Wyda­rze­nia poto­czy­ły się zgod­nie ze zna­nym sce­na­riu­szem: odkry­cie ogól­nej teo­rii względ­no­ści roz­wią­za­ło jed­ną sprzecz­ność, ale dopro­wa­dzi­ło do poja­wie­nia się kolej­nej. W cią­gu trzy­dzie­stu lat, począw­szy od roku 1900, w odpo­wie­dzi na kil­ka skom­pli­ko­wa­nych pro­ble­mów, któ­re powsta­ły, gdy dzie­więt­na­sto­wiecz­ną fizy­kę pró­bo­wa­no zasto­so­wać do świa­ta mikro­sko­po­we­go, fizy­cy stwo­rzy­li mecha­ni­kę kwan­to­wą. Jak już wspo­mnie­li­śmy, trze­ci, naj­ostrzej­szy kon­flikt doty­czy mecha­ni­ki kwan­to­wej i ogól­nej teo­rii względ­no­ści. Ale łagod­nie zakrzy­wio­na, geo­me­trycz­na postać prze­strze­ni wystę­pu­ją­ca w ogól­nej teo­rii względ­no­ści kłó­ci się z sza­lo­nym, nie­spo­koj­nym zacho­wa­niem Wszech­świa­ta na pozio­mie mikro­sko­po­wym, zacho­wa­niem wyni­ka­ją­cym z mecha­ni­ki kwan­to­wej. Ponie­waż sprzecz­ność ta ist­nia­ła do poło­wy lat osiem­dzie­sią­tych – kie­dy to do jej roz­wią­za­nia zbli­ży­ła się teo­ria strun – nazy­wa­no ją głów­nym pro­ble­mem współ­cze­snej fizy­ki. Co wię­cej, teo­ria strun, opie­ra­ją­ca się na szcze­gól­nej i ogól­nej teo­rii względ­no­ści, wyma­ga kolej­ne­go znacz­ne­go prze­kształ­ce­nia pojęć prze­strze­ni i cza­su. Na przy­kład, więk­szość z nas uwa­ża za oczy­wi­ste, że Wszech­świat ma trzy wymia­ry prze­strzen­ne. Nie znaj­du­je to jed­nak potwier­dze­nia w teo­rii strun. Zgod­nie z nią Wszech­świat ma o wie­le wię­cej wymia­rów, niż może­my zoba­czyć. Wymia­ry te są cia­sno skrę­co­ne w zło­żo­nej struk­tu­rze kosmo­su. Owe nie­zwy­kłe spo­strze­że­nia doty­czą­ce natu­ry prze­strze­ni i cza­su wyda­ją się tak waż­ne, że będzie­my się na nie cały czas powo­ły­wać. W rze­czy­wi­sto­ści teo­ria strun to histo­ria poglą­dów na prze­strzeń i czas po Einsteinie.

Aby sobie uświa­do­mić, czym wła­ści­wie jest teo­ria strun, musi­my się nie­co cof­nąć i pokrót­ce opi­sać, cze­go dowie­dzie­li­śmy się o mikro­sko­po­wej struk­tu­rze Wszech­świa­ta w ostat­nim stuleciu.

Mgła­wi­ca Kra­ba (NGC 1952) znaj­du­je się w gwiaz­do­zbio­rze Byka, ok. 6,3 tysią­ca lat świetl­nych od Zie­mi. Zaob­ser­wo­wa­na po raz pierw­szy w 1731 r. Jest super­no­wą praw­do­po­dob­nie zauwa­żo­ną przez chiń­skich i arab­skich astro­no­mów w 1054 r. Jej śred­ni­ca to ok. 11 lat świetl­nych. W cen­trum znaj­du­je się pul­sar obra­ca­ją­cy się wokół wła­snej osi 30 razy na sekun­dę, emi­tu­ją­cy pro­mie­nio­wa­nie w zakre­sie od fal gam­ma do radiowych.