Jump to content
  • entries
    318
  • comments
    3,425
  • views
    544,525

Kosmiczna symfonia cz.3


...AAA...

1,618 views

 Share

Jak funkcjonuje wszechświat? Z czego jest zbudowany? Czy znamy jego naturę? Chyba każdy z nas zastanawiał się nad przynajmniej jednym z tych fundamentalnych pytań. We wcześniejszych tekstach starałem się pokrótce przedstawić zarys tego, jakich odpowiedzi na te kwestie udzielali najwybitniejsi uczeni w dziejach. Każdy z nich w jakiś sposób przybliżył ludzkość do złamania tego kosmicznego kodu, lecz żaden nie znalazł pełnej odpowiedzi. Pojawiły się uzasadnione wątpliwości: Czy człowiek jest dostatecznie rozwiniętą istotą aby zrozumieć główną zasadę wszechświata? Jak się okazuje, spore grono naukowców stoi na stanowisku, iż teoria wszystkiego znajduje się w naszym zasięgu. Wszystko za sprawą stosunkowo młodej teorii, łamiącej dotychczasowe wyobrażenie o fizyce. Zgodnie z nią, dosłownie wszystko, od nas samych, poprzez planety i gwiazdy, aż po oddziaływania, zbudowane jest z tego samego składnika - niesamowicie małych i elastycznych strun energii. O tym, jak doszło do powstania tej teorii i czym ona w istocie jest, traktować będzie Kosmiczna symfonia cz.3: Teoria Strun.

ACHTUNG! To już trzecia (być może ostatnia) część Kosmicznej symfonii, więc wypada mi podziękować wszystkim, którzy komentowali te wypociny, a także tym, którzy choć próbowali je czytać.

Szczęśliwy traf

Wszystko zaczęło się w roku 1968, gdy młody fizyk pracujący w CERN-ie, Gabriele Veneziano, pracował nad wyjaśnieniem oddziaływań silnych, łączących cząstki elementarne wewnątrz jądra atomu. Podczas wielotygodniowego ślęczenia nad książkami, wpadł mu w oko wzór, znany jako funkcja beta Eulera. Ku zdziwieniu Veneziano, relikt XVIII-wiecznej matematyki zdawał się świetnie opisywać oddziaływanie silne! Nie wiedział do końca dlaczego archaiczna formuła wydaje się jakby stworzona do jego problemu. Odpowiedź znaleźli niezależnie od siebie Yoichiro Nambu oraz Leonard Susskind. Oba nazwiska warto zapamiętać. Ten pierwszy, obdarzony nazbyt skromnym charakterem, nie pchał się na pierwsze strony gazet, przez co bywa często pomijany w opracowaniach jak i przy rozdawaniu nagród. Susskinda natomiast powinien kojarzyć każdy zainteresowany czarnymi dziurami, ponieważ wygrał on ważną batalię z samym Stephenem Hawkingiem*. W każdym razie obaj badacze, na podstawie odkrycia Gabriele Veneziano, ukuli podstawowe równania dla nowej teorii. Cechowały się one przede wszystkim tym, że ich przedmiotem nie były punktowe cząstki, a coś co nazwano strunami. Owe twory drgały przenosząc oddziaływania silne między cząstkami.

aaas_susskind.jpg

Leonard Susskind

Czy Veneziano, Nambu i Susskind zostali okrzyknięci duchowymi spadkobiercami Newtona, Einsteina i Heisenberga? Nie. Świat fizyki uznał nową teorię za wspaniałą abstrakcję w istocie niemającą nic wspólnego z rzeczywistością. Posiadała ona kilka matematycznych problemów, zakładała możliwość istnienia całej gamy cząstek (w tym zbędnych grawitonów, fotonów, a nawet tachionów podróżujących szybciej niż światło) i wreszcie... Zdawała się najbardziej sensowna dopiero w 26 wymiarach. Trzeba przyznać, że Teoria Strun faktycznie mogła się wydawać nieco zbyt nowatorska jak na lata 60'. Gwóźdź do jej naukowej trumny wbili Weinberg oraz Salam, wraz ze swym Modelem Standardowym.

Feniks z popiołu

Struny wylądowały na cmentarzysku historii nauki. Na szczęście nie wszyscy je przekreślili - kilku badaczy wciąż dostrzegało w oryginalnej teorii ogromny potencjał. Przełom nastąpił w połowie lat 70'. Wtedy to młody badacz, John Schwarz, w przebłysku geniuszu zrozumiał, że struny są wykorzystywane w błędny sposób. To nie jest koncepcja wyjaśniająca funkcjonowanie oddziaływania silnego, a teoria obrazująca stosunki między wszystkimi siłami występującymi w przyrodzie! To była bomba. Wszystkie bolączki strun nagle okazały się ich zaletami. Schwarz podekscytowany odkryciem, szybko wciągnął do badań swojego kolegę - Michaela Greena. Obaj kontynuowali pracę z dala od blasku reflektorów, w cieniu innych odkryć, dzięki czemu mogli w spokoju eliminować wszelkie problemy. Wreszcie, po wielu latach intensywnych badań, w roku 1984 Schwarz i Green opublikowali swoją wersję zapomnianej Teorii Strun, tym razem jako potencjalnej teorii wszystkiego. Artykuł spowodował istne naukowe trzęsienie ziemi, a liczba entuzjastów strun wzrosła z kilku do kilkuset i do dzisiaj stale rośnie. Wszyscy młodzi i ambitni adepci fizyki oraz starsi lecz wciąż wierzący w możliwość zrealizowania marzenia Einsteina, prześcigali się w pomysłach na wykorzystanie strun w celu zunifikowania praw fizyki.

Ci, którzy mają za sobą lekturę dwóch poprzednich części tego cyklu, wiedzą na czym polegał problem. Do tej pory nauce udało się objąć trzy spośród czterech sił uznawanych za podstawowe - oddziaływanie silne, oddziaływanie słabe oraz elektromagnetyzm. Poza tak zwanym Modelem Standardowym wciąż znajduje się zjawisko, zdawałoby się najbliższe nam wszystkim - grawitacja. Siła powodująca powszechne ciążenie, świetnie opisana przez ogólną teorię względności, nie przypomina w żadnym elemencie sił pozostałych. Grawitacja, zgodnie z zamysłem Einsteina, tworzyła świat uporządkowany, zrozumiały i do bólu przewidywalny. Odkryta później mechanika kwantowa, korzystająca z elektromagnetyzmu, oddziaływania słabego oraz silnego, to zupełnie inna para kaloszy. Zgodnie z nią, świat cząstek subatomowych jest zwariowany i zmienny, a jedyne co może zrobić człowiek to obliczyć prawdopodobieństwo spodziewanego zdarzenia.

Obie teorie - teoria względności oraz mechanika kwantowa - opisują ten sam wszechświat i obie świetnie się sprawdzają, jednak są kompletnie przeciwstawne. Zdaniem wielu tą kuriozalną sytuację może wyjaśnić jedynie Teoria Strun.

th_strclose.gif

Czysta elegancja

Schwarz i spółka proponują nam całkowicie nowe spojrzenie na wszechświat. Oto w jaki sposób. Teoria Strun zakłada, że gdyby człowiek potrafił zajrzeć daleko w głąb cząstki elementarnej, takiej jak elektron, neutrino czy kwark, ujrzałby maleńki, nieprzerwanie drgający kosmyk energii. Wszystko w swej istocie jest więc złożone z tego samego budulca - od DNA w naszym ciele, przez wodór w gwiazdach, aż po samą sieć przenoszącą oddziaływania grawitacyjne. Skąd więc cała kosmiczna różnorodność? Kluczem jest podstawowa właściwość strun, a więc jej drgania. Niczym struna gitary, zależnie od szarpnięcia zmienia ona ton, a więc swoje właściwości. Pięknej metafory użył Michio Kaku: [rodzaje cząstek] Nie są niczym innym, jak różnymi nutami wygrywanymi na superstrunie. Harmonia tej struny to prawa fizyki. Struny wchodzą również w interakcje z innymi strunami, czego przejawem są znane nam siły podstawowe. To oznacza, że ewentualne szarpnięcie struny wewnątrz fotonu mogłoby spowodować, że zamiast elektromagnetyzmu, nosiłby on oddziaływanie grawitacyjne. Kolejne szarpnięcie i z grawitonu powstałoby neutrino. Jeszcze jedno i mamy kwark.

Moim zdaniem największym osiągnięciem teorii jest sam zamysł zamiany punktów na struktury rozciągłe. Ta koncepcja przetrwa, nawet jeżeli sama Teoria Strun znów wyląduje w koszu. Zwróćmy uwagę, że fizycy wreszcie przełamali wielowiekowy paradygmat punktowej cząstki jako podstawowego składnika wszechświata. Z wielu powodów w umyśle człowieka zarysował się obraz atomu o kształcie kulistym, składającego się z mniejszych kulek - elektronów, protonów czy neutronów. Teoretycy strun zwrócili uwagę na podstawowy fakt: To, że widzimy punkt, nie oznacza, że w przybliżeniu będzie on nadal punktem. Kiedy spojrzymy z ogromnej wysokości na ziemię, to ujrzymy mnóstwo poruszających się po niej punktów. Jeśli się jednak do nich zbliżymy to zaczniemy widzieć co raz więcej szczegółów ich budowy, a punkt okaże się człowiekiem, zwierzęciem bądź jeszcze innym obiektem. Analogicznie, struny w założeniu są bardzo, bardzo małe, ponad miliard razy mniejsze od protonu, toteż nie powinno dziwić, że jedyne co widzimy pod mikroskopem elektronowym, to punkty. (Aby uświadomić sobie rozmiar struny, polecam użycie tej animacji i zejście na sam "dół"). Naturalnie, za tą niemalże genialną prostotą czai się gąszcz niezwykle skomplikowanych równań. Mimo to nie da się zaprzeczyć - mamy okazję podziwiać czystą elegancję w naukowym opakowaniu.

dre0114l.jpg

Struna, strunka, struneczka

Jak już zdążyliście zauważyć, świat nauki nie lubi być stały, a wszystko kręci się dzięki ludziom czepialskim, drobiazgowym i ciągle szukającym dziury w całym. Teoria Strun również posiadała(posiada) kilka słabych punktów, w które bez skrupułów uderzają sceptycy. Największym było bez wątpienia... bogactwo. Po raz kolejny okazało się, że teoria jest aż zbyt piękna i elastyczna. Do tego stopnia, że fizycy znaleźli aż 5 sposobów na użycie jej do zunifikowania praw przyrody. Oprócz tego wielu naukowców nadal nie jest przekonanych do jednego z głównych założeń Teorii Strun - nadprogramowych wymiarów przestrzennych. To jednak materiał na inną opowieść**.

Czy to niesamowite?

Wręcz niezwykłe?

Ja to nazywam elegancją.

Walter Lewin

* Chodzi o zasadę holograficzną, o której nie omieszkam wspomnieć, jeśli kiedyś przyjdzie mi pisać o czarnych dziurach. wink_prosty.gif

** To czy powstanie cz. 4 zależy jedynie od poczytności.

 Share

14 Comments


Recommended Comments

Odpowiedź znaleźli niezależnie od siebie Yolchiro Nambu oraz Leonard Susskind.

Tak trochę głupio mi zwracać uwagę, ale gościu ma na imię Yoichiro :].

Już poprawiam literówkę - A.

Pięknej metafory użył Michio Kaku: [rodzaje cząstek] Nie są niczym innym, jak różnymi nutami wygrywanymi na superstrunie. Harmonia tej struny to prawa fizyki.

Ogólnie rzecz ujmując, to ciężko mi sobie to wszystko wyobrazić... A co dopiero zrozumieć? Świat składający się ze strun. Nawet fantaści, obdarzeni ponadprzeciętną wyobraźnią, nie wpadli na taki pomysł, jak teoretycznie "twardogłowi" naukowcy. I dlatego ta teoria jest taka piękna :].

A właśnie. Często wspominasz o czymś takim:

ewentualne szarpnięcie struny wewnątrz fotonu mogłoby spowodować, że zamiast elektromagnetyzmu, nosiłby on oddziaływanie grawitacyjne.

Ok, ale kto lub co powoduje te szarpnięcia strun?

Link to comment

Drangir - W ten sposób przynajmniej mogłeś poznać kontekst ;).

Stillborn - Trzeba się najpierw zastanowić, czy jest to dobrze postawione pytanie. Równie dobrze można zapytać - kto lub co powoduje, że foton ciągle się porusza. Po prostu tak jest - ma energię więc drga. Jeśli jednak musiałbym jakoś odpowiedzieć, to stwierdziłbym, że cała ta "symfonia gra" przez wzajemne napędzanie i interakcje między strunami. Można by też stwierdzić prościej - cała energia, ciągle ochładzającego się wszechświata, zawarta jest właśnie w drganiach struny. Zgodnie z tym, można przewidywać, iż kiedyś wszystkie struny staną się jednakowo nieruchome, interakcje ustaną, a znana nam materia rozpadnie się. Myślę, że to dość prawdopodobne.

Chyba, że chodziło Ci o pytanie: Co spowodowało, że struny drgają w różny sposób? To również sam rozważałem i rozważam nadal (choć to raczej też problem dla filozofa, a nie fizyka). Nie znalazłem konkretnej odpowiedzi, więc mogę jedynie domniemywać, że różne typy strun powstały wraz z Wielkim Wybuchem. To tłumaczy dlaczego z obliczeń wynika, że jedne cząstki mogą przypominać inne, jeśli je tylko dobrze podgrzać. Wniosek jest taki jakiego wszyscy oczekują - na etapie nieskończenie gorącej osobliwości, wszystko było stopione w jednolitą masę.

Ogólnie rzecz ujmując, to ciężko mi sobie to wszystko wyobrazić... A co dopiero zrozumieć? Świat składający się ze strun. Nawet fantaści, obdarzeni ponadprzeciętną wyobraźnią, nie wpadli na taki pomysł, jak teoretycznie "twardogłowi" naukowcy. I dlatego ta teoria jest taka piękna :].

Zgadzam się z tym zdaniem całkowicie. Schwarz, Green, Kaku, Greene, Witten i inni uczynili z fizyki niemal sztukę.

Link to comment
Drangir - W ten sposób przynajmniej mogłeś poznać kontekst .

No, wcześniej po prostu nie wiedziałem do końca czego ta teoria dotyczy, i spodziewałem się raczej wielowrzechświatów czy czegoś w tym guście, nie ... dużo mniejszych spraw.

Link to comment

Drangir - Wcale się Dragnirze wiele nie pomyliłeś. Teoria Strun rzeczywiście odpowiada na kwestie wieloświatów i wyższych wymiarów. Jednakże jako teoria wszystkiego opisuje nie tylko te "fantastyczne" elementy fizyki, ale przede wszystkim te bardziej "przyziemne".

Tebeg - Więcej, WIĘCEJ, WIĘCEJ!

Link to comment
Nie znalazłem konkretnej odpowiedzi, więc mogę jedynie domniemywać, że różne typy strun powstały wraz z Wielkim Wybuchem. To tłumaczy dlaczego z obliczeń wynika, że jedne cząstki mogą przypominać inne, jeśli je tylko dobrze podgrzać. Wniosek jest taki jakiego wszyscy oczekują - na etapie nieskończenie gorącej osobliwości, wszystko było stopione w jednolitą masę.

Wydaje się to logiczne, ale od razu przychodzi mi na myśl jeszcze jedno pytanie:

Czy w takim razie te struny w końcu przestaną drgać? No bo, skoro drgania spowodowały Big Bang, to czy energia, która wprawiła je w drgania w końcu się nie wyczerpie? Niby w próżni nie ma tarcia, ale skoro strun jest tyle, to same powinny wpływać na siebie, a więc w końcu... Co? Przestaną drgać? I co w tedy :]?

Link to comment

A właśnie, bo chyba mi wyleciało... Wszechświat na początku istnienie rozszerzał się szybciej niż leciałoby światło, nieprawdaż?

I w tej animacji jest chyba błąd - średnica obłoku Oorta i dystans pomiędzy Proxima Centauri i Alfa Centauri jest podany raz jednakowy, a raz inny (w skali raczej jednakowy).

A gdyby wszechświat był układem izolowanym, zachowywałby się z energią tak jak kot:

# Pierwsze prawo zachowania energii

Koty wiedzą, że energia nie może zostać stworzona lub zniszczona, tak więc zużywają tak mało energii, jak to tylko możliwe.

# Drugie prawo zachowania energii

Koty wiedzą również, że energia może być zachowana tylko poprzez długie drzemki.

Link to comment

JamesVoo - Nawet nie spoglądam na równania pełne krzaczków, więc raczej również tego nie ogarnę. W każdym razie 26 wymiarów to już przeszłość.

Stillborn - I to również jest logiczne. Jednym z trzech przewidywanych scenariuszy końca świata jest wielki chłód. Co stoi na przeszkodzie, aby zgodnie z Teorią Strun, miałby on polegać na wygaszeniu wszystkich strun? Z drugiej strony nie wiem czy nie bliżej tu do wielkiego rozdarcia. Wszak, przynajmniej tak mi się wydaje, każda struna osiągnie jednakowo niski "ton". O ile się orientuje, najniższy w gamie jest grawiton, toteż cała materia nam znana ulegnie rozłożeniu. Taka opcja zabrałaby jednak grube biliony lat.

To jednak nic, gdyż Teoria Strun ma również pomysł i na to! Teoretycy stworzyli świeży obraz multiświata, w którym Wielkie Wybuchy zdarzają się spontanicznie. Ale o tym kiedy indziej :>.

behemort - Animacja najpierw przedstawia dystans między Prixima a Alfa Centauri, a później między Słońcem a Proxima Centauri ;).

Co do rozszerzania się wszechświata, to istnieje kilka głównych modeli. Faktycznie, przewiduje się krótki okres wyjątkowo przyśpieszonej ekspansji przestrzeni, kiedy to kosmos momentalnie poszerzył się od kilku centymetrów do milionów kilometrów. Trzeba tu jednak pamiętać o jednym - w osobliwości szlag trafia znane nam prawa fizyki, a siły podstawowe wyodrębniały się stopniowo.

Link to comment

JamesVoo - Tak, Edward Witten dowiódł, że 11-wymiarów jest najbardziej optymalną liczbą wymiarów dla zunifikowania praw fizycznych. Wikipedia podaje jeszcze kilka odmian teorii, o innej liczbie wymiarów, ale jeszcze w żadnej z książek się z nimi nie spotkałem, toteż wątpię czy należy je traktować poważnie.

Gość - Dobrze wiedzieć, że również płeć piękna jest zainteresowana zagadkami wszechświata.

Link to comment

Swoją drogą Demokryt przewidział istnienie atomu, a starożytni łączyli powstanie i funkcjonowanie świata z muzyką, podczas gdy najbardziej wiarygodna współczesna teoria fizyczna jest oparta na strunach i harmonii. Czy to nie wydaje się być trochę podejrzane? :wink:

Link to comment
Cambrinus - Kilku autorów książek o strunach również o tym wspomniało. Podejrzane raczej nie, ale jak najbardziej godne uwagi ;). Nijako wracamy do korzeni. I tak jak napisałem, Demokryt i jego idea atomu nieco zbyt głęboko weszły w "nawyk" ludzkim umysłom.
Link to comment

Powiem szczerze, że trzeci część póki co była najprostsza w odbiorze, choć może to wynika z faktu, że już rozkręciłeś nas poprzednimi wpisami :happy:. Zastanawia mnie tylko, (zakładając, że teoria strun jest choćby w części prawidłowa) jak wygląda to "różnicowanie się" oddziaływań - czym właściwie są ich drgania, czy mają jakiś związek z ilością energii... Ciekawe, ale przyprawia o zawrót głowy.

Aha, jak tylko znajdę chwilę, zabieram się do kolejnej części!

Link to comment
Guest
Add a comment...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

×
×
  • Create New...