Teoria Strun I [Wielki konflikt]

Postanowiłem rozpocząć pracę nad serią artykułów dotyczących tematyki teorii strun. Nie potrafię przewidzieć jak długo będzie trwać jej opracowywanie. Artykuły te będą miały formę popularnonaukową. Nie będzie zatem potrzebna wiedza dotycząca matematyki i fizyki, a jeżeli już zdecyduje się coś dodać, to postaram się gruntownie wytłumaczyć o co chodzi. Na końcu każdego artykułu będę dodawał odnośniki do treści związanych z omawianym tematem dla tych, którzy chcą dowiedzieć się czegoś więcej, oraz źródła jeżeli będę z jakichś korzystał. Mam nadzieję, że będzie to udana podróż intelektualna po świecie teorii strun dla osób, które coś o niej wiedzą, a także dla tych którzy nie wiedzą o niej nic. Zapraszam do czytania.

---

Wielki konflikt

---

XX wiek przyniósł nam nieprzyjemny rozłam w nauce. W 1916 roku Albert Einstein stworzył największe dzieło swojego życia. Teorię, która opisywała wszechświat w dużej skali z taką dokładnością, że nikt dotychczas nie stworzył nic lepszego, co tak ściśle zgadzałoby się z doświadczeniem. Ogólna teoria względności opisuje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni, układy podwójne gwiazd, czy czarne dziury. Daje teoretyczne podstawy, do tego, aby zrozumieć wszechświat w jego największej skali.

Z początku była niedoceniona z powodu dziwnych zjawisk, które przewidywała. Jednak w momencie, gdy udało się dzięki niej wyjaśnić z ogromną dokładnością precesję Merkurego, naukowcy zaczęli uświadamiać sobie, że mimo dziwnych właściwości wszechświata wynikających z równań, teoria Einsteina jest poprawna. W tamtym czasie również trwały prace związane ze światem mikroskopowym. Mechanika kwantowa opracowywana przez wybitne osobistości opisywała takie obiekty jak cząsteczki, atomy, a nawet kwarki. Obie teorie są tak gruntownie sprawdzone, że nikt nie ma wątpliwości, że w sposób poprawny opisują wszechświat. Jest tylko jeden problem. Do opisu mikro i makroświata używane są całkowicie odmienne narzędzia matematyczne. W dzisiejszej postaci ogólna teoria względności i mechanika kwantowa, nie mogą być jednocześnie poprawne. Nie da się pogodzić ze sobą dwóch największych teorii, które pozwoliły opisać nam rozszerzanie się wszechświata i strukturę materii. We wszechświecie spotykamy się jednak z bardzo ekstremalnymi zjawiskami, jak gwiazdy neutronowe, zapadające się czarne dziury, które skupiają ogromną masę w małej przestrzeni, czy chociażby Wielki Wybuch, który wyłania się z drobiny o kilka rzędów mniejszej niż bakteria.

Aby opisać dokładnie tego typu zjawiska, mechanika kwantowa i ogólna teoria względności muszą połączyć swoje siły. Potencjalnym kandydatem, na uogólnienie tych teorii jest właśnie teoria superstrun (skrótowo teoria strun). Eliminuje ona napięcie, które zachodzi pomiędzy teorią Einsteina, a mechaniką kwantową, a to wszystko dzięki temu, że zakłada istnienie na najniższym poziomie rzeczywistości tak zwanych strun, które tworzą wszystko co nas otacza. Okazuje się, że wprowadzenie tego dziwnego tworu jakim jest struna powoduje, że obie wrogo nastawione do siebie teorie, zaczynają się uzupełniać.

Podobnie jak ogólna teoria względności zmieniła nasz ogląd na czas i przestrzeń, a mechanika kwantowa uświadomiła niedoskonałość naszej intuicji i ukazała jak dziwny jest mikroświat, tak teoria strun ponownie wymaga, abyśmy całkowicie zmienili nasze poglądy na powyższe cechy wszechświata. Aby zdać sobie sprawę czym jest teoria strun, musimy wiedzieć, co dotychczas udało nam się zrozumieć, jeżeli chodzi o materie.

---

Zrozumieć materie

---

Wiemy, że nasz świat składa się z atomów, które wbrew wyobrażeniom starożytnych Greków są podzielne. Każdy atom składa się z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów. Elektron uważany jest za cząstkę elementarną, ponieważ nie odkryto jego wewnętrznej struktury. Jądro natomiast składa się z protonów oraz neutronów. W latach sześćdziesiątych odkryto, że składniki jądra atomowego, również są podzielne. Odkryto, że każdy neutron i każdy proton składa się z zestawu trzech kwarków. Naukowcy nazwali je kwarki dolne i kwarki górne. I tak proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego, a neutron z dwóch kwarków dolnych i jednego kwarka górnego. Nie znaleziono dotychczas bardziej fundamentalnych cegiełek materii. W międzyczasie odkryto też kilka innych cząsteczek. Jedną z nich jest neutrino, która jest cząsteczką elementarną i jest bardzo trudna do zaobserwowania, ponieważ w momencie kiedy to czytasz przez całą Ziemię, a co za tym idzie przez Twoją skórę przelatuje przeogromna ilość neutrin. Nie czujemy ich jednak, gdyż prawie w ogóle nie oddziałują z materią i przelatują swobodnie, przez wszystko niezależnie od grubości. Inną cząstką jest mion, który podobny jest do elektronu, lecz jego masa jest około dwieście razy większa. Wraz ze wzrostem mocy akceleratorów naukowcy używali do zderzeń cząsteczek coraz to większych energii. Odkryli oni w sumie dużo więcej nowych cząsteczek. Odkryto nowe rodzaje kwarków, kolejnego kuzyna elektronu, oraz nowe rodzaje neutrin. Tabela poniżej przedstawia odkryte cząstki i ich masę.

---

---

Ze względu na podobne właściwości naukowcy podzielili te cząsteczki na tak zwane generacje. Mówiąc ogólnie to z tych cząsteczek jest stworzony nasz cały Wszechświat, a także my (jeżeli model standardowy jest poprawny, lecz wszystko wskazuje na to, że tak). Możemy zauważyć, że tabela ta przejawia pewien rodzaj porządku. Skąd zatem taki porządek w naturze? Czy to przypadek, czy akt stwórczy? Dlaczego cząsteczki mają akurat taki rozkład mas? Dlaczego jest ich akurat tyle? Pytań jest wiele, lecz jeszcze większego zdezorientowania wprowadzają siły występujące w naturze.

---

Oddziaływania fundamentalne

---

Możemy podać wiele przykładów oddziaływań. Uderzenie pięścią w ścianę, pchanie samochodu, odgrzewanie jedzenia w mikrofalówce, magnesy, czy radioaktywność. Fizycy w ciągu wielu lat zebrali ogromną ilość tego typu danych i stwierdzili, że wszystkie oddziaływania są przejawem czterech fundamentalnych. Najwcześniej poznanym oddziaływaniem fundamentalnym jest grawitacja opisana już przez Newtona. Wiemy o niej również najwięcej. Dalej mamy oddziaływanie elektromagnetyczne, czyli unifikacja elektryczności i magnetyzmu, którą dokonał Maxwell. Następnie odkryto jeszcze oddziaływanie silne i oddziaływanie słabe.

Grawitacja powoduje, że możemy stać na naszej planecie, oraz pozwala na obrót Ziemi wokół Słońca. Elektromagnetyzm odpowiada dzisiaj za całą elektronikę, która nas otacza. Oddziaływanie silne sprawia, że kwarki w neutronach i protonach trzymają się w kupie i nie oddalają się od siebie, a oddziaływanie słabe powoduje rozpad promieniotwórczy. A teraz zacznie się robić ciekawie. Istnieje ogromna rozbieżność pomiędzy tymi siłami, jeżeli chodzi o natężenie oddziaływania. Każdy wie co się stanie, gdy skoczy z wysokiego budynku. Odczuwamy siłę grawitacyjną dosyć wyraźnie. Okazuje się jednak, że natężenie siły grawitacyjnej w porównaniu do natężenia siły elektromagnetycznej jest znikomo małe. Wyobraźmy sobie, że zbliżamy do siebie dwa elektrony. Z początku przyciąganie grawitacyjne będzie je do siebie zbliżać, a w momencie gdy będą wystarczająco blisko oddziaływanie elektromagnetyczne zacznie je od siebie odpychać (elektron ma ładunek ujemny, a wiemy że ładunki jednoimienne się odpychają). Co stanie się dalej? Elektrony zderzą się ze sobą, czy odepchną się? Okazuje się, że w tej sytuacji zwycięży oddziaływanie elektromagnetyczne, a to z tego powodu, że jest ono silniejsze od oddziaływania grawitacyjnego o około milion miliardów miliardów miliardów miliardów (10^42) razy. Na szczęście we Wszechświecie większość ciał składa się z takiej samej liczby dodatnich jak i ujemnych ładunków, które wzajemnie się znoszą, dzięki czemu siła elektromagnetyczna nie zdominowała Wszechświata. Wykazano również, że oddziaływanie silne jest o około stu razy silniejsze niż oddziaływanie elektromagnetyczne i o około sto tysięcy razy silniejsze niż oddziaływanie słabe. Inną charakterystyczną cechą oddziaływań silnych i słabych jest to, że działają one na bardzo małych odległościach (mikroskopowych). Istnieje jednak pewne podobieństwo pomiędzy wszystkimi oddziaływaniami podstawowymi. Posiadają one swoje cząstki, które przenoszą poszczególne siły. I tak cząstkę przenosząca oddziaływanie elektromagnetyczne nazywamy fotonem, cząstkę oddziaływania silnego gluonem, cząstkę oddziaływania słabego słabym bozonem pośredniczącym, a cząstkę oddziaływania grawitacyjnego grawitonem. Tabela poniżej przedstawia cechy każdej z sił.

---

---

Doświadczalnie stwierdzono istnienie trzech rodzajów cząstek przenoszących oddziaływania, oraz podano ich dokładne cechy. Na potwierdzenie doświadczalne nadal czeka grawiton. Okazało się, że bardzo ciężko zaobserwować doświadczalnie cząstkę tak słabego oddziaływania. Nikt nie wie dlaczego Wszechświat zaopatrzony jest w cztery fundamentalne oddziaływania, ani dlaczego poszczególne cząstki przenoszące mają takie własności a nie inne. Nie wiadomo również, skąd takie różnice w natężeniach poszczególnych sił. Okazuje się, że gdyby choć trochę zmienić natężenie jednego z oddziaływań doprowadziłoby to do ogromnych zmian. Wszechświat byłby całkowicie innym miejscem. To samo odnosi się do właściwości cząstek przenoszących te oddziaływania. Gdyby zwiększyć choć trochę wartość siły elektromagnetycznej, mogłoby dojść do sytuacji, że jądra byłyby niestabilne i uległyby rozpadowi co skreśliłoby możliwość istnienia układu okresowego. Gdybyśmy natomiast zwiększyli masę elektronu, to łączyłyby się one z protonami i powstawałyby neutrony, co niszczyłoby atomy wodoru (główny pierwiastek we wszechświecie).

Istniejemy zatem we Wszechświecie, którego prawa okazują się sprzyjać życiu w tej postaci, którą znamy. Mała zmiana parametrów skutkowałaby brakiem możliwości powstania takiego życia. Czy istnieje jednak jakieś naukowe wyjaśnienie dlaczego akurat takie cechy charakteryzują Wszechświat? Odpowiedź na to pytanie daje nam aparat pojęciowy teorii strun.

---

Dodatkowe informacje:

Precesja
Kwarki

Źródła obrazków:
1 2 3 4 5 6

Następne artykuły już wkrótce. Dziękuję!

---