V članku revije Quanta nizozemski fizik in matematik Robbert Dijkgraaf uporablja prostorsko metaforo "pokrajine", da pojasni revolucionarni pomen teorije strun za razumevanje vesolja.
Glavna dilema kvantne fizike
Predstavljajte si, da Alice in Boba prosita, da si pripravita večerjo. Alice ljubi kitajsko hrano, Bob ljubi italijansko. Vsak od njih izbere svoj najljubši recept, kupi ga v lokalni trgovini in jasno sledi navodilom. Ko pa vzamejo hrano iz pečice, sta oba precej presenečena. Obe jedi se izkažeta popolnoma enaki. Lahko si samo predstavljamo eksistencialna vprašanja, ki si jih postavljata Alice in Bob. Kako lahko različne sestavine pripravijo enake jedi? Kaj sploh pomeni kuhanje kitajske ali italijanske hrane? Ali pa so k postopku kuhanja pristopili tako napačno?
To je ponazoritev osrednje dileme kvantnih fizikov. Našli so veliko primerov, kako lahko dva popolnoma različna koncepta opišeta isti fizični sistem. V primeru fizike namesto mesa in omak delci in sile delujejo kot sestavine, recepti so formule za interakcijo, postopek kuhanja pa je postopek diskretizacije, ki verjetnost fizičnih pojavov postavlja v skladu s formulami. Tako kot Alice in Bob se tudi znanstveniki čudijo, kako različni recepti vodijo do enakih rezultatov.
Ali je narava lahko izbirala svoje temeljne zakone? Kolikor vemo, je Albert Einstein verjel, da obstaja samo en način, ki temelji na nekaj osnovnih načelih, zgraditi elegantno, delujoče vesolje. Če bomo raziskovali bistvo fizike na dovolj globoki ravni, bomo prišli do zaključka, da obstaja le en in edini možen način interakcije vseh zobnikov univerzalne ure - snovi, sevanja, sil, prostora in časa.
Teorija strun kot "teorija vsega"
Promocijski video:
Trenutno standardni model fizike delcev je inerten mehanizem, sestavljen iz majhnega nabora sestavin. Toda kljub navidezni edinstvenosti je naše Vesolje le eden izmed nešteto možnih svetov. Nimamo niti najmanjše ideje, zakaj je prav ta konfiguracija delcev in sil, ki delujejo nanje, osnova našega svetovnega reda.
Zakaj je šest "okusov" kvarkov, tri "generacije" nevtrinov in en Higgsov delec? Poleg tega je v standardni model vključenih devetnajst osnovnih fizikalnih konstant (kot sta masa in naboj elektrona). Vrednosti teh "prostih parametrov", kot kaže, nimajo nobenega globokega pomena. Po eni strani je fizika delcev primer elegance. Po drugi strani je le lepa teorija.
Če je naš svet le eden izmed mnogih, kaj potem počnemo z alternativnimi svetovi? Trenutno stališče je absolutno nasprotje Einsteinove ideje o edinstvenem vesolju. Sodobni fiziki zajemajo ogromen prostor verjetnosti in poskušajo razumeti logiko njegovih medsebojnih povezav. Od iskalcev zlata so se razvili v geografe in geologe, preslikali pokrajino in podrobno preučili sile, ki so jo oblikovale.
Mejnik v tem procesu je bilo rojstvo teorije strun. Trenutno je edina kandidatka za naslov "teorija vsega". Dobra novica je, da v teoriji strun ni prostih parametrov. Ni vprašanje, katera teorija strun opisuje naše vesolje, saj je edinstvena. Odsotnost dodatnih funkcij vodi do radikalnih posledic. Vsa števila v naravi mora določiti fizika sama. To niso "konstante narave", ampak preprosto spremenljivke, pridobljene iz enačb (včasih, čeprav neverjetno zapletene).
Slabe novice, gospodje. Prostor za rešitev teorije strun je ogromen in zapleten. To je normalno za fiziko. Tradicionalno ločimo temeljne zakone, ki temeljijo na matematičnih enačbah in na rešitvah teh enačb. Običajno obstaja več zakonov in neskončno število rešitev. Vzemimo Newtonove zakone. So čiste in elegantne, a opisujejo neverjetno širok spekter pojavov, od padajočega jabolka do lunine orbite. Če poznamo začetno stanje sistema, lahko te zakone v naslednjem trenutku opišemo njegovo stanje. Ne pričakujemo in ne zahtevamo univerzalne rešitve, ki bi opisala vse.
Ekumenska pokrajina
V teoriji strun so nekateri elementi, ki jih običajno gledamo kot zakone, dejansko rešitve. Določajo jih oblika in velikost skritih dodatnih dimenzij. Prostor vseh teh rešitev pogosto imenujemo "pokrajina", vendar je to preveč lahkotno. Tudi najbolj impresivne gorske pokrajine bledijo proti prostranstvu tega prostora. In čeprav njegova geografija še ni v celoti raziskana, je mogoče trditi, da so njene celine ogromne.
Ena bolj izpopolnjenih predpostavk v teoriji je, da je vse mogoče med seboj povezano. Če dobro pretresemo vesolje, bi se lahko premaknili iz enega hipotetičnega sveta v drugega in spremenili, kar smo včasih upoštevali nespremenljive zakone narave, in dobili novo kombinacijo osnovnih delcev, ki sestavljajo našo resničnost.
Toda kako raziskujemo ogromno pokrajino fizičnih modelov vesolja, ki bi zlahka imela stotine dimenzij? Zamislite si to kot pretežno nerazvit del divjine, velik del tega je skrit pod debelimi sloji nepremagljive zapletenosti. Živahna mesta najdete le blizu meja. Tu je življenje preprosto in zastonj. Tu so osnovni modeli, ki jih odlično razumemo. Niso zelo pomembni pri opisovanju resničnega sveta, ampak služijo kot priročno izhodišče za raziskovanje neposredne bližine.
Dober primer je kvantna elektrodinamika (QED), teorija, ki opisuje interakcije med materijo in svetlobo. Ta model ima en parameter, imenovan "konstanta fine strukture", ki izraža moč interakcije med dvema elektronoma. Številčno je blizu 1/137. V QED lahko vse procese štejemo kot nastale iz elementarnih interakcij. Na primer, odboj dveh elektronov lahko predstavljamo kot izmenjavo fotonov. Kvantna elektrodinamika predlaga, da se preučijo vsi možni načini, kako lahko dva elektrona izmenjujeta fotone.
V praksi to pomeni, da se fiziki soočajo s potrebo po izračunu neskončnih vsot velike zapletenosti. Toda teorija ponuja tudi izhod: vsaka dodatna izmenjava fotonov doda stanje, v katerem se konstanta fine strukture dvigne na naslednjo moč. Ker je število teh izmenjav relativno majhno, dodatni pogoji nimajo veliko vpliva. Zanemariti jih je mogoče tako, da se jim približamo "resnični" vrednosti. Te ohlapno povezane teorije bomo našli na obrobju pokrajine. Tu so sile šibke in smiselno je govoriti o seznamu sestavin - elementarnih delcev - in receptu za njihovo interakcijo. Toda če zapustimo svoje bivalne kraje in se potopimo v nepregledno divjino, bo vsak dodaten pogoj postajal vse pomembnejši. Zdaj ne ločimo več med posameznimi delci. Raztopijo sepretvarjanje v zapleteno mrežo energije, kot sestavine pita v pečici.
Vendar pa ni vse izgubljeno. Včasih se na koncu poti opazi še kakšna postojanka. Z drugimi besedami, še en dobro nadzorovan model, tokrat sestavljen iz popolnoma drugačnega sklopa delcev in sil. V takih primerih obstajata dva alternativna recepta za isto osnovno fiziko, kot pri večerjah Alice in Boba. Te konjugirane opise imenujemo dvojni modeli, povezava med njimi pa se imenuje dvojnost. Ta nasprotja lahko vidimo kot veliko posplošitev znamenitega dualizma valovnih delcev, ki ga je odkril Heisenberg. V primeru Alice in Boba gre v obliki pretvorbe med kitajskimi in italijanskimi recepti.
Vse je medsebojno povezano
Zakaj je s stališča fizike vse tako navdušujoče? Najprej je predpostavka, da je veliko (če ne vseh) modelov del velikega medsebojno povezanega prostora, ena najbolj presenetljivih ugotovitev sodobne kvantne fizike. To je sprememba perspektive, ki jo je vredno imenovati "premik paradigme." Namesto arhipelaga raztresenih otokov raziskujemo eno veliko celino.
V nekem smislu jih bomo s proučevanjem enega modela dovolj globoko razumeli. Raziskujemo lahko odnos med temi modeli tako, da se osredotočimo na splošni oris njihove strukture. Pomembno je omeniti, da je ta pojav zelo odvisen od tega, ali je teorija strun skladna z resničnim svetom. Ta lastnost je lastna kvantni fiziki, ki je nespremenljiva, ne glede na to, kakšna je "teorija vsega".
Bolj dramatičen je zaključek, da morajo vse tradicionalne teorije temeljne fizike iti na smetnjak zgodovine. Delci, polja, sile, simetrije - vse to ni nič drugega kot artefakti prostega življenja na obrobju neskončne pokrajine nepredstavljive zapletenosti. Zdi se neverjetno ali vsaj izjemno omejeno gledati fiziko na elementarne elemente.
Morda obstaja bistveno nova struktura, ki združuje temeljne naravne zakone in zanemarja vse koncepte, ki smo jih vajeni. Matematične subtilnosti in eleganca teorije strun je mamljiva motivacija za sprejemanje tega stališča. Ampak bodimo iskreni. Zelo malo sodobnih idej o tem, kaj bo zasedlo delce in polja, je "dovolj noro, da je resnično", kot je dejal Niels Bohr.
