NOVA | Teachers | Elegant Universe, The | The Science of Superstrings | PBS

Nauka o superstrunach

Dzisiejsi fizycy zmagają się z dylematem. Przyjęli dwie odrębne teorie, które wyjaśniają jak działa wszechświat: Ogólną teorię względności Alberta Einsteina, która opisuje wszechświat w bardzo dużej skali, oraz mechanikę kwantową, która opisuje wszechświat w bardzo małej skali. Obie te teorie zostały poparte przytłaczającą liczbą dowodów eksperymentalnych.

Niestety, teorie te nie uzupełniają się wzajemnie. Ogólna teoria względności, która opisuje, jak działa grawitacja, zakłada gładki i płynny wszechświat, pozbawiony odkształceń i zakrzywień w czasoprzestrzeni. Mechanika kwantowa – z jej zasadą nieoznaczoności – zakłada, „e w nieskończenie małej skali wszechświat jest burzliwym, chaotycznym miejscem, w którym zdarzenia mo „na przewidzieć jedynie z prawdopodobieństwem. W dwóch przypadkach, gdy konkurujące ze sobą teorie muszą być zastosowane – do opisu wielkiego wybuchu i głębokości czarnych dziur – równania się załamują.

Większość fizyków ma trudności z zaakceptowaniem faktu, że wszechświat działa zgodnie z dwiema odrębnymi (i czasami sprzecznymi) teoriami. Uważają, że bardziej prawdopodobne jest, że wszechświatem rządzi jedna teoria, która wyjaśnia wszystkie obserwacje i dane.

Polowanie na jedną teorię

Z tego powodu fizycy polują na jednolitą teorię. Taka teoria połączyłaby pod jednym parasolem wszystkie cztery siły natury: grawitację, najsłabszą z czterech, wyjaśnioną przez ogólną teorię względności; elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły, wyjaśnione przez kwantową teorię pola. Einstein dążył do stworzenia jednolitej teorii, próbując zjednoczyć elektromagnetyzm i grawitację.

Teoria superstrun, zwana również teorią strun, jest aktualnym sformułowaniem tego ciągłego poszukiwania. Teoria strun próbuje zjednoczyć wszystkie cztery siły, a tym samym zunifikować ogólną teorię względności i mechanikę kwantową. U jej podstaw leży dość prosta idea – wszystkie cząstki zbudowane są z maleńkich wibrujących pasm energii. (Teoria strun wzięła swoją nazwę od przypominającego strunę wyglądu tych pasm energii). W przeciwieństwie do zwykłych strun, struny te mają długość (średnio około 10-33 centymetrów), ale nie mają grubości. Teoria strun zakłada, że cząstki składające się na całą materię, którą widzimy we wszechświecie, oraz wszystkie siły, które pozwalają materii oddziaływać, są wykonane z maleńkich wibrujących pasm energii.

Obecnie akceptowana i eksperymentalnie zweryfikowana teoria funkcjonowania wszechświata w skali subatomowej zakłada, że cała materia składa się z – i oddziałuje poprzez – punktowe cząstki. Znana jako Model Standardowy, teoria ta opisuje cząstki elementarne i trzy z czterech podstawowych sił, które służą jako budulec naszego świata (zobacz tabelę Cząstki elementarne i Cząstki sił fundamentalnych, aby zapoznać się z listą tych cząstek). Teoria ta nie obejmuje grawitacji.

W teorii strun każdy typ elementarnej cząstki materii – i każdy typ cząstki nośnej siły fundamentalnej, która pośredniczy w oddziaływaniach między cząstkami materii – odpowiada unikalnemu wzorcowi wibracji struny, podobnie jak różne nuty grane przez skrzypce odpowiadają unikalnym wibracjom struny. To, jak struna wibruje, określa właściwości – takie jak ładunek, masa i spin – cząstki, którą jest. Równania teorii strun mogłyby dać początek cząstkom elementarnym, takim jak te obecnie znane (elektrony, kwarki, fotony, itd.), ale ponieważ nie można jeszcze dokonać szczegółowych przewidywań numerycznych, trudno jest przewidzieć, czy zestaw możliwych wzorów drgań poprawnie opisuje całą znaną materię i cząstki będące nośnikami sił. Struny mogą być albo otwarte, albo zamknięte, tworząc pętlę. To, czy struna jest otwarta czy zamknięta, określa rodzaj oddziaływań, jakim może podlegać.

To właśnie natura strun łączy ogólną teorię względności i mechanikę kwantową. Zgodnie z kwantową teorią pola, cząstki oddziałują na zerową odległość w czasoprzestrzeni. Zgodnie z ogólną teorią względności, cząstka będąca nośnikiem siły grawitacji, grawiton, nie może działać na zerowej odległości. Struny pomagają rozwiązać ten dylemat. Ponieważ są one jednowymiarowe i mają długość, „rozmazują” oddziaływania na małych odległościach. To rozmazanie wygładza czasoprzestrzeń na tyle, by grawiton mógł oddziaływać z innymi cząstkami pola kwantowego, ujednolicając w ten sposób dwa zestawy praw.

Wielka cena

Ale teoria strun, przy całej swojej elegancji, ma swoją cenę. Aby teoria ta była spójna, wszechświat musi mieć więcej niż trzy wymiary przestrzenne. W rzeczywistości teoria strun przewiduje wszechświat z dziewięcioma wymiarami przestrzennymi i jednym czasowym, co daje w sumie 10 wymiarów. (Najbardziej aktualna wersja teorii strun przewiduje 11 wymiarów). Dziewięć wymiarów przestrzennych składa się z trzech wymiarów rozszerzonych, których doświadczamy w życiu codziennym, oraz sześciu teoretycznie maleńkich, zwiniętych wymiarów, których nie można zobaczyć za pomocą istniejących technologii. Te dodatkowe sześć wymiarów występuje w każdym punkcie znanego nam trójwymiarowego świata. Istnienie więcej niż trzech wymiarów przestrzennych jest pojęciem tak trudnym do uchwycenia, że nawet teoretycy teorii strun nie potrafią go sobie wyobrazić. Często używają oni analogii, aby pomóc sobie wyobrazić te abstrakcje.

Na przykład, wyobraź sobie kartkę papieru z dwuwymiarową, płaską powierzchnią. Jeśli zwiniesz tę powierzchnię, utworzy ona rurkę, a jeden z jej wymiarów będzie zwinięty. Teraz wyobraź sobie, że kontynuujesz zwijanie powierzchni, aż zostanie ona zwinięta tak ciasno, że wewnętrzny zwinięty wymiar zdaje się znikać, a rurka wygląda po prostu jak linia. W podobny sposób dodatkowe wymiary przewidywane przez teorię strun są tak ciasno zwinięte, że wydają się znikać w codziennym doświadczeniu.

Te zwinięte wymiary mogą przyjmować pewne złożone konfiguracje znane jako kształty Calabi-Yau. Niestety, istnieją dziesiątki tysięcy odmian tych kształtów i trudno jest wiedzieć, które z nich mogą poprawnie reprezentować dodatkowe wymiary naszego wszechświata. Ważne jest, aby wiedzieć, które z nich są poprawne, ponieważ to właśnie kształt tych dodatkowych wymiarów determinuje wzory drgań strun. Te wzory z kolei reprezentują wszystkie składniki, które pozwalają istnieć znanemu wszechświatowi.

Te dodatkowe wymiary mogą być tak małe jak 10-35 metrów lub tak duże jak dziesiąta część milimetra. Alternatywnie, dodatkowe wymiary mogą być tak duże lub większe niż nasz własny wszechświat. Jeśli tak jest, niektórzy fizycy uważają, że grawitacja może przeciekać przez te dodatkowe wymiary, co mogłoby pomóc wyjaśnić, dlaczego grawitacja jest tak słaba w porównaniu z pozostałymi trzema siłami.

It’s a Match

Teoria strun wymaga również, by każda znana cząstka materii miała nieodkrytą jeszcze odpowiadającą jej „super” cząstkę nośnika sił, a każda znana cząstka nośnika sił miała nieodkrytą jeszcze odpowiadającą jej „super” cząstkę materii. Ta idea, znana jako supersymetria, pomaga ustalić związek pomiędzy cząstkami materii i cząstkami nośników sił. Nazywane superpartnerami (patrz „Cząstki i spartakliki” poniżej), te teoretyczne cząstki są uważane za bardziej masywne niż ich znane odpowiedniki, co może być powodem, dla którego nie zostały one jeszcze zaobserwowane przez obecne akceleratory i detektory cząstek.

* Grawiton i bozon Higgsa nie zostały jeszcze potwierdzone doświadczalnie.Pełną listę cząstek i ich proponowanych superpartnerów można znaleźć w „Elementary Particles” na stronie www.pbs.org/nova/elegant/.

Potencjał tego, co teoria strun mogłaby pomóc wyjaśnić, jest ogromny. Mogłaby ujawnić, co wydarzyło się w chwili, gdy rozpoczął się wszechświat. Teoria wielkiego wybuchu opisuje jedynie to, co wydarzyło się po pierwszym, niezwykle małym ułamku sekundy. Zgodnie z konwencjonalnymi teoriami, przed tym wydarzeniem wszechświat skurczył się do rozmiaru zerowego – co jest niemożliwe. Pod auspicjami teorii strun, wszechświat mógł nigdy nie skurczyć się do punktu, w którym zniknął, ale raczej mógł zacząć się od minimalnego rozmiaru – rozmiaru pojedynczej struny.

Teoria strun mogłaby również pomóc ujawnić naturę czarnych dziur, które, choć przewidywane przez ogólną względność, nigdy nie zostały w pełni wyjaśnione na poziomie kwantowym. Wykorzystując jeden z rodzajów teorii strun, fizycy matematycznie opisali miniaturowe bezmasowe czarne dziury, które – po przejściu zmian w geometrii dodatkowych wymiarów teorii strun – pojawiają się jako cząstki elementarne z masą i ładunkiem. Niektórzy teoretycy uważają, że czarne dziury i cząstki elementarne są identyczne i że ich postrzegane różnice odzwierciedlają coś w rodzaju przejść fazowych, jak przejście ciekłej wody w lód.

Teoria strun otwiera również drzwi do różnych hipotez na temat ewolucji i natury przestrzeni i czasu, takich jak to, jak wszechświat mógł wyglądać przed wielkim wybuchem lub zdolność przestrzeni do rozdzierania i naprawiania się lub ulegania zmianom topologicznym.

Kiedy to wszystko się zaczęło

Teoria strun nie jest całkowicie nowa. Rozwija się od późnych lat 60-tych. W pewnym momencie istniało pięć odmian tej teorii. Następnie, w połowie lat 90. pojawiła się teoria znana jako M-teoria, która ujednoliciła te pięć teorii. M-teoria jest uważana za najnowszy krok w ewolucji teorii strun (patrz „M-teoria, Magia, Tajemnica, Matka?” po prawej).

Najnowsze wcielenie teorii strun – M-teoria – ujawniło, że pięć wcześniejszych wersji teorii strun było tylko pięcioma różnymi aspektami jednej teorii.

Żadna część teorii strun nie została potwierdzona eksperymentalnie. Wynika to po części z faktu, że teoretycy nie rozumieją jeszcze teorii na tyle dobrze, by móc dokonać ostatecznych, testowalnych przewidywań. Ponadto uważa się, że struny są tak małe – mniej niż miliardowa część miliardowej części wielkości atomu – że technologie takie jak obecne akceleratory i detektory nie są wystarczająco potężne, aby je wykryć (patrz „Poszukiwanie fundamentalnego” poniżej). Chociaż teoria strun nie może być jeszcze zweryfikowana doświadczalnie, fizycy mają nadzieję, że niektóre z jej aspektów mogą być poparte dowodami poszlakowymi, takimi jak wykazanie istnienia:

• dodatkowych wymiarów. Fizycy mają nadzieję, że obecne lub przyszłe akceleratory cząstek będą w stanie pomóc wskazać istnienie dodatkowych wymiarów. Detektory mogą mierzyć brakującą energię, która przedostałaby się z naszych wymiarów do tych dodatkowych, dostarczając dowodów na istnienie tych wymiarów.

• cząstki superpartnerskie. Naukowcy wykorzystają obecne i przyszłe akceleratory cząstek do poszukiwania cząstek superpartnerów przewidywanych przez teorię strun.

• zmienność promieniowania tła. Wszechświat jest przesiąknięty jednorodnym promieniowaniem o bardzo niskiej temperaturze 2,7 stopnia Kelvina. Uważa się, że jest to pozostałość po pierwotnej, bardzo wysokiej temperaturze wielkiego wybuchu. Porównując temperatury z różnych miejsc na niebie oddalonych od siebie tylko o około 1 stopień, znaleziono niezwykle małe różnice w temperaturze (rzędu jednej stutysięcznej stopnia Kelvina). Naukowcy poszukują jeszcze mniejszych różnic temperatury w specyficznej formie, która może być pozostałością po najwcześniejszych momentach Wielkiego Wybuchu, kiedy energie potrzebne do stworzenia strun mogły zostać osiągnięte.

Poszukiwanie cząstek fundamentalnych

Pomimo że fizycy wykorzystujący zderzenia znaleźli dowody na istnienie większości cząstek materii i sił składających się na Model Standardowy, wciąż poszukują cząstki będącej nośnikiem sił, zwanej bozonem Higgsa. Ta grafika pokazuje energie, przy których znaleziono lub teoretyzuje się o niektórych cząstkach i unifikacjach sił (ciągłe okręgi) oraz wskazuje energie, które mogą być badane przez obecne lub planowane zderzenia (puste okręgi). Fizycy mają nadzieję, że Wielki Zderzacz Hadronów CERN w Szwajcarii i Francji – którego uruchomienie planowane jest na 2007 r. – może ujawnić dowody na istnienie bozonu Higgsa, a także wskazania na istnienie teoretycznego grawitonu i nieuchwytnych cząstek superpartnerskich. Zjednoczenie sił silnych i elektrosłabych lub znalezienie teoretycznych strun wydaje się wymagać sondowania przy energiach znacznie przekraczających możliwości obecnych technologii. Niektórzy teoretycy uważają jednak, że energia strun może być bliższa obecnym lub planowanym energiom akceleratorów.