U članku časopisa Quanta, nizozemski fizičar i matematičar Robbert Dijkgraaf koristi prostornu metaforu "krajolika" kako bi objasnio revolucionarnu važnost teorije struna za razumijevanje svemira.
Glavna dilema kvantne fizike
Zamislite da se Alice i Bob mole da skuhaju večeru. Alice voli kinesku hranu, Bob voli talijansku. Svaki od njih odabere svoj omiljeni recept, kupuje u lokalnoj trgovini i jasno slijedi upute. Ali kad izvade hranu iz pećnice, obojica su prilično iznenađeni. Ispada da su oba jela potpuno ista. Čovjek može samo zamisliti egzistencijalna pitanja koja Alice i Bob postavljaju. Kako različiti sastojci mogu napraviti ista jela? Što uopće znači kuhati kinesku ili talijansku hranu? Ili su pristupili procesu kuhanja tako pogrešno?
Ovo je ilustracija središnje dileme kvantnih fizičara. Otkrili su mnogo primjera kako dva potpuno različita koncepta mogu opisati isti fizički sustav. U slučaju fizike, umjesto mesa i umaka, čestice i sile djeluju kao sastojci, recepti su formule interakcije, a postupak kuhanja je postupak diskretizacije koji vjerojatnost nastanka fizičkih pojava postavlja u skladu s formulama. Baš poput Alice i Boba, znanstvenici su zadivljeni kako različiti recepti dovode do istih rezultata.
Je li priroda imala mogućnost izbora svojih temeljnih zakona? Albert Einstein, koliko znamo, vjerovao je u smislu da postoji samo jedan način, utemeljen na nekoliko osnovnih načela, da se izgradi elegantan, funkcionirajući svemir. S njegovog stajališta, ako istražimo bit fizike na dovoljno dubokoj razini, tada dolazimo do zaključka da postoji samo jedan i jedini mogući način interakcije svih zupčanika univerzalnog takta - materije, zračenja, sila, prostora i vremena.
Teorija struna kao "teorija svega"
Promotivni video:
Trenutačni standardni model fizike čestica inertan je mehanizam sastavljen od neznatnog skupa sastojaka. No, unatoč prividnoj jedinstvenosti, naš je Svemir samo jedan od bezbrojnih mogućih svjetova. Nemamo ni najmanju ideju zašto je upravo ta konfiguracija čestica i sila koje djeluju na njih temelj našeg svjetskog poretka.
Zašto postoji šest "okusa" kvarkova, tri "generacije" neutrina i jedna Higgsova čestica? Pored toga, devetnaest osnovnih fizičkih konstanti (poput mase i naboja elektrona) uključeno je u standardni model. Vrijednosti ovih "slobodnih parametara", čini se, ne nose duboko značenje. S jedne strane, fizika čestica je primjer elegancije. S druge strane, to je samo lijepa teorija.
Ako je naš svijet samo jedan od mnogih, što onda činiti s alternativnim svjetovima? Trenutno gledište apsolutna je suprotnost Einsteinovoj ideji o jedinstvenom svemiru. Moderni fizičari pokrivaju ogroman prostor vjerojatnosti i pokušavaju razumjeti logiku njegovih međusobnih veza. Od istraživača zlata razvili su se u geografe i geologe, preslikavajući krajolik i detaljno proučavajući sile koje su ga oblikovale.
Prekretnica u ovom procesu bilo je rođenje teorije struna. Trenutno je jedini kandidat za naslov „teorija svega“. Dobra vijest je da u teoriji struna nema slobodnih parametara. Ne postavlja se pitanje koja teorija struna opisuje naš svemir, jer je jedinstvena. Nepostojanje bilo kakvih dodatnih funkcija vodi do radikalnih posljedica. Sve brojeve u prirodi mora odrediti sama fizika. To nisu "konstante prirode", već jednostavno varijable dobivene iz jednadžbi (ponekad, iako nevjerojatno složene).
Loše vijesti, gospodo. Prostor rješenja za teoriju struna je ogroman i složen. To je normalno za fiziku. Tradicionalno se razlikuju temeljni zakoni koji se temelje na matematičkim jednadžbama i na rješenjima tih jednadžbi. Obično postoji nekoliko zakona i beskonačan broj rješenja. Uzmimo Newtonove zakone. Oni su svježi i elegantni, ali opisuju nevjerojatno širok raspon pojava, od padajuće jabuke do lunarne orbite. Znajući početno stanje sustava, ovi se zakoni mogu upotrijebiti za opisivanje njegovog stanja u sljedećem trenutku. Ne očekujemo i ne zahtijevamo univerzalno rješenje koje bi sve opisalo.
Ekumenski krajolik
U teoriji struna, neki su elementi koji se obično gledaju kao zakoni zapravo rješenja. Određuju ih oblik i veličina skrivenih dodatnih dimenzija. Prostor svih ovih rješenja često se naziva "krajolik", ali to se previše lagano kaže. Čak i najimpresivniji planinski pejzaži blijede protiv nepreglednosti ovog prostora. I premda njegova geografija još nije u potpunosti proučena, sigurno je reći da su joj kontinenti ogromni.
Jedna od sofisticiranijih pretpostavki u teoriji je da je sve moguće međusobno povezano. Ako dobro protresemo svemir, mogli bismo se premjestiti iz jednog hipotetičkog svijeta u drugi, mijenjajući ono na što smo navikli razmatrati nepromjenljive zakone prirode i dobiti novu kombinaciju elementarnih čestica koje čine našu stvarnost.
Ali kako istražiti ogroman krajolik fizičkih modela svemira, koji lako mogu imati stotine dimenzija? Zamislite to kao uglavnom nerazvijeni dio divljine, velik dio toga skriven pod debelim slojevima neodoljive složenosti. Živa mjesta mogu se naći samo na granicama. Ovdje je život jednostavan i besplatan. Evo osnovnih modela koje savršeno razumijemo. Oni nisu vrlo važni u opisivanju stvarnog svijeta, ali služe kao zgodno polazište za istraživanje neposredne blizine.
Dobar primjer je kvantna elektrodinamika (QED), teorija koja opisuje interakcije materije i svjetlosti. Ovaj model ima jedan parametar, nazvan "konstanta fine strukture", koji izražava snagu interakcije dva elektrona. Brojčano, to je blizu 1/137. U QED-u se mogu smatrati svi procesi koji proizlaze iz elementarnih interakcija. Na primjer, odbijanje dva elektrona može se smatrati razmjenom fotona. Kvantna elektrodinamika predlaže da se razmotre svi mogući načini na koje dva elektrona mogu razmjenjivati fotone.
U praksi to znači da su fizičari suočeni s potrebom izračunavanja beskonačnih zbrojeva velike složenosti. Ali teorija također nudi izlaz: svaka dodatna razmjena fotona dodaje uvjet u kojem se konstanta fine strukture podiže na sljedeću snagu. Kako je broj ovih razmjena razmjerno mali, dodatni uvjeti nemaju mnogo utjecaja. Mogu ih se zanemariti približavanjem "stvarnoj" vrijednosti. Naći ćemo te slabo spojene teorije na predjelima krajolika. Ovdje su snage slabe i ima smisla razgovarati o popisu sastojaka - elementarnih čestica - i receptu za njihovu interakciju. Ali ako napustimo svoja nastanjiva mjesta i uđemo u neprovjerenu divljinu, svaki dodatni uvjet postat će sve važniji. Sada više ne razlikujemo pojedine čestice. Oni se rastvarajupretvarajući se u zamršenu mrežu energije, poput sastojaka pita u pećnici.
Međutim, nije sve izgubljeno. Ponekad se na kraju staze vidi još jedna ispostava. Drugim riječima, još jedan dobro kontrolirani model, ovaj put koji se sastoji od potpuno različitog skupa čestica i sila. U takvim slučajevima postoje dva alternativna recepta za istu osnovnu fiziku, kao kod Alice i Bobove večere. Ti se konjuktivni opisi nazivaju dvostrukim modelima, a veza između njih naziva se dualnost. Ove suprotnosti mogu se promatrati kao velika generalizacija glasovitog dualizma čestica valova koje je otkrio Heisenberg. U slučaju Alice i Boba, to je u obliku konverzije između kineskih i talijanskih recepata.
Sve je međusobno povezano
Zašto je sve tako uzbudljivo sa stanovišta fizike? Prije svega, pretpostavka da su mnogi (ako ne i svi) modeli dio jednog ogromnog međusobno povezanog prostora jedno je od najčudesnijih otkrića suvremene kvantne fizike. To je promjena perspektive koja je dostojna da se nazove "promjenom paradigme." Umjesto arhipelaga raspršenih otoka istražujemo jedan ogroman kontinent.
U određenom smislu, dovoljno duboko proučavajući jedan model, moći ćemo ih razumjeti svi. Možemo istražiti odnos između ovih modela usredotočivši se na opći obris njihove strukture. Važno je napomenuti da ovaj fenomen uvelike ovisi o tome je li teorija struna u skladu s stvarnim svijetom. Ovo svojstvo je svojstveno kvantnoj fizici koja je nepromjenjiva bez obzira na to što se "teorija svega" pokaže.
Još je dramatičniji zaključak da sve tradicionalne teorije fundamentalne fizike moraju ići na prah povijesti. Čestice, polja, sile, simetrije - sve su to samo artefakti slobodnog života na predjelima beskrajne krajolike nezamislive složenosti. Čini se nevjerojatno ili barem vrlo ograničeno gledanje fizike u pogledu elementarnih blokova.
Možda postoji fundamentalno nova struktura koja objedinjuje temeljne zakone prirode i zanemaruje sve koncepte na koje smo navikli. Matematičke suptilnosti i elegancija teorije struna primamljiva su motivacija prihvatiti ovo gledište. Ali budimo iskreni. Vrlo malo modernih ideja o tome što će zauzeti čestice i polja „dovoljno je ludo da je istinito“, kako je to rekao Niels Bohr.
