Istniejemy dzięki fizyce kwantowej

Co było przed początkiem wszystkiego? Z czego tak naprawdę zbudowany jest cały Wszechświat? O najnowszych teoriach fizycznych z prof. Abhayem Ashtekarem z Pennsylvania State University rozmawia Marcin Bójko.

Dlaczego mamy trzy teorie opisujące Wszechświat, czyli teorię strun, M-teorię i teorię kwantowej grawitacji? Na czym polegają różnice między nimi?
 
Myślę, że powinniśmy zacząć od rzeczy prostszych, a dopiero potem odpowiem na to pytanie. Podstawowy problem jest następujący: w świecie fizyki jest wielkie pęknięcie. Wszystkie opisy przyrody można sprowadzić do czterech podstawowych sił. Siły grawitacji, którą odkryliśmy najdawniej i którą – co dziwne – najmniej rozumiemy; siłę elektromagnetyczną, z którą jesteśmy obyci dzięki elektryczności i temu, że widzimy działanie magnesów; odpowiada ona również za światło i fale radiowe. Są jeszcze dwie siły: oddziaływania słabe, odpowiedzialne za rozpad radioaktywny i silne, odpowiedzialne za spoistość jąder atomowych. Całkiem dobrze rozumiemy trzy z tych czterech sił dzięki fizyce kwantowej – oddziaływania elektromagnetyczne, silne i słabe. 
 
Grawitacja wydaje się odgrywać najważniejszą rolę na dużych odległościach – nie na poziomie atomów i cząsteczek, lecz na dużych dystansach, którymi zajmują się astrofizyka i kosmologia. Najlepsza teorią opisującą grawitację, jaką dysponujemy jest ogólna teoria względności Einsteina. I tak, kiedy usiłujemy zrozumieć zjawiska astronomiczne i astrofizyczne, zapominamy o teorii kwantowej, skupiając się na teorii względności. Gdy opisujemy oddziaływania między cząsteczkami na poziomie jąder i mniejszym, to zapominamy o teorii grawitacji. 
 
Takie podejście sprawdza się zaskakująco dobrze. Ale z historii fizyki wiemy, że nie można mieć dwóch opisów świata – potrzebna jest jedna spójna teoria łącząca wszystkie podstawowe siły fizyczne. Najważniejszym zagadnieniem współczesnej fizyki jest unifikacja tych dwóch teorii, które wydają się skrajnie różne. Teoria Einsteina jest bardzo geometryczna, bardzo ścisła. Mechanika kwantowa jest probabilistyczna, możemy dokonywać jedynie pewnych szacunków, które nie wynikają z braku wiedzy, a są po prostu podstawowym ograniczeniem teorii. Mamy więc jeden opis precyzyjny, ostry, dokładny i drugi rozmyty, oparty na prawdopodobieństwie, gdzie pierwsze skrzypce gra reguła nieoznaczoności Heisenberga.
 
Próby unifikacji są dwie. Pierwsza z nich to teoria strun i ściśle z nią powiązana m-teoria. Podejście można streścić w ten sposób: musimy zunifikować wszystkie podstawowe oddziaływania; wiemy, jak zrobić to z trzema siłami na gruncie mechaniki kwantowej, więc użyjmy tych samych metod do opisania grawitacji. Ale to oznacza, że ignorujemy podstawową lekcję, jaką dał nam Einstein. Głównie chodzi o to, że grawitacja radykalnie różni się od pozostałych sił, bo opisywana jest w terminach geometrii czasoprzestrzeni. Jeśli mielibyśmy porównać świat fizyczny do teatru, to czasoprzestrzeń będzie sceną, a cząsteczki, atomy, jądra atomowe i kwanty energii są jak aktorzy, odgrywający na niej sztukę. Ogólna teoria względności mówi co innego. To zupełnie inny paradygmat. Jak ultranowoczesny teatr, gdzie nie ma sceny. Scena sama jest aktorem, a działania aktorów zmieniają scenę. Zwolennicy teorii strun ignorują tę niezwykłą cechę grawitacji i opisują ją jak pozostałe siły działające na z góry określonej scenie, czyli w zadanej czasoprzestrzeni. 
 
Teoria strun ewoluowała, powstało wiele odmian, aż jej zwolennicy zorientowali się, że między różnymi odmianami zachodzi łącząca je symetria. Matematycznie symetrie miały bardzo głębokie znaczenie. Obecnie przypuszcza się, że te różne teorie strun to w rzeczywistości fragmenty większego obrazu, pewnej szerszej, spójnej teorii, którą nazwano m-teorią. Wszystkie pozostałe typy teorii strun to szczególne przypadki m-teorii. 
 
Dlaczego akurat „m”?
 
W sumie nie do końca wiadomo. Sama teoria nie ma dobrej nazwy. Czasem mawia się, że „m” oznacza mistycyzm, matkę, a są tacy którzy żartują, że m-teoria została sformułowana przez Marsjan. 
 
Teorię strun, a później m-teorię formułowali ludzie, którzy zajmowali się fizyką cząsteczkową na poziomie jąder atomowych, czyli słabymi i silnymi oddziaływaniami. Dlatego używali pojęć pochodzących z tego działu fizyki i zignorowali fakt, że siła grawitacji czy pole grawitacyjne w teorii Einsteina jest rdzeniem czasoprzestrzeni. Postanowili uznać czasoprzestrzeń za niezmienną i opisać grawitację podobnie, jak opisują pozostałe cząsteczki – wprowadzając grawiton, który przenosi oddziaływanie grawitacyjne, podobnie jak fotony przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne. Z kolei pętlową teorię grawitacji tworzyli ludzie zajmujący się drugim końcem fizyki, czyli ogólną teorią względności. Uznali, że nie można odrzucać fundamentalnej lekcji Einsteina, która mówi, że grawitacja zapisana jest w geometrii czasoprzestrzeni, a więc geometria czasoprzestrzeni powinna mieć naturę kwantową. 
 
Jeśli np. przyjrzymy się kartce papieru, widzimy gładką powierzchnię. Ale fizyka kwantowa mówi, że składa się ona z mniejszych kawałków – z atomów, a więc nie jest gładka. To, że wydaje nam się gładka wynika z tego, że mamy niedoskonałe zmysły. Gdybym położył tę powierzchnię pod mikroskopem elektronowym, mógłbym sfotografować pojedyncze atomy. Podobnie jest z geometrią czasoprzestrzeni. To bardzo radykalny pomysł. W szkole uczyliśmy się czegoś innego. Euklides, Newton i Einstein zakładali, że geometria przestrzeni jest ciągła, gładka. Einstein mówi nam, że geometria reprezentuje pole grawitacyjne. Jest aktorem, jak wszystko inne. Jest na tym samym fundamencie, co materia. Równania Einsteina mówią nam, jak materia zakrzywia geometrię czasoprzestrzeni. Materia dyktuje czasoprzestrzeni, jak ma się zakrzywiać, a krzywizna czasoprzestrzeni mówi cząsteczkom, jak mają się poruszać. Ale cały czas mówimy o gładkiej geometrii. 
 
W teorii pętlowej grawitacji kwantowej mówimy: nie! Gładka geometria jest jedynie przybliżeniem i nawet czasoprzestrzeń – albo, jak kto woli, pole grawitacyjne – składa się z cegiełek, które możemy nazwać atomami geometrii. Czyli wszystko, łącznie z geometrią, jest kwantowe. Geometria również podlega regułom prawdopodobieństwa, zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, fluktuacjom – tyle tylko, że na co dzień nie jesteśmy w stanie tego wykryć, bo nie mamy wystarczająco dokładnych instrumentów.

  • Kategoria: Kosmos
  • Data:
  • Źródło:
    • Focus
  • c
Komentarze