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.
PIO
2013-10-09 at 08:37http://pl.wikipedia.org/wiki/Swoboda_asymptotyczna
PIO
2013-10-09 at 08:36„Oddziaływania silne i słabe znamy nie tak dobrze, ponieważ ich natężenie szybko maleje wraz ze zwiększaniem się odległości”?
Oddziaływanie silne ma także zaskakującą właściwość: jego siła rośnie wraz ze wzrostem odległości między kwarkami (mówi się o tzw. asymptotycznej swobodzie). Ten efekt uniemożliwia obserwację niezwiązanych kwarków. Gdy rośnie odległość między dwoma kwarkami, rośnie też siła, a więc i energia oddziaływania. Jeśli odległość / energia stanie się wystarczająco duża, mogą powstać nowe kwarki. Początkowe dwa kwarki zostaną odseparowane, ale na miejscu partnera pojawi się nowy kwark lub antykwark. Jest to powód, dla którego kwarki można obserwować tylko w postaci związanej, nigdy osobno.