Nawet nie próbowaliśmy jej znaleźć. To jest haczyk.
Fizycy, którzy chcieli lepiej zrozumieć grawitację kwantową, nagle natknęli się na samą istotę teorii strun. Stało się to zupełnie przypadkowo. Badali zderzenia cząstek o wysokiej energii. Ich cel był czysto matematyczny – “naprawić” obliczenia. Zamiast tego odkryli struny.
Cięcie jabłka coraz głębiej
Wyobraź sobie jabłko. Przecinasz go na pół, a następnie na ćwiartki. Następnie docierają do cząsteczek, atomów, protonów i kwarków.
Teoria strun mówi, że można iść dalej. Głębiej niż protony. Natura nie składa się z kropek, ale z wibrujących włókien.
Brzmi jak fantazja, ale korzenie tego pomysłu sięgają przeszłości. Teoria została rozwinięta w 1960 roku. Jaki był cel? Połączyć świat mikroskopowy ze światem makroskopowym.
- Mechanika kwantowa * opisuje małe obiekty. * Ogólna teoria względności * rządzi grawitacją. Są niezgodne. Matematycznie. Jeśli spróbujesz wepchnąć grawitację do pudełka kwantowego, równania eksplodują. Pękają.
Teoria strun oferuje wyjście. Zastąp cząstki punktowe pętlami strun. Spraw, aby struna wibrowała w inny sposób, a otrzymasz inne cząsteczki. Jedną wibracją jest elektron. Drugi to * Graviton*, widmowy nośnik grawitacji. Teoria wymaga również co najmniej 10 pomiarów. Widzimy tylko cztery. A reszta? Ukryty.
Sprawdzić to? Nie można. Na razie.
Aby “zobaczyć” strunę, potrzebna jest energia, która przewyższa wszystko, co wyobrażone. Akcelerator cząstek wielkości całej naszej galaktyki. Tego nie mamy.
Dlatego fizycy ominęli problem. Lub wykazali się przebiegłością. Zależy, kogo zapytasz.
Albo Bootstrap albo porażka
Jeśli nie możesz spojrzeć prosto, spójrz z boku.
Zespół z Caltech, NYU i Instytutu w Barcelonie zdecydował się na użycie metody “Bootstrap” (samoobsługowe Określanie właściwości). Zignorowali pełną teorię, zaczynając praktycznie od zera. Tylko kilka podstawowych zasad dotyczących tego, jak natura powinna zachowywać się przy ekstremalnie wysokich energiach.
I sprawdzili, jaka matematyka się w rezultacie okaże.
Zaczęli od minimalnych założeń. Tylko zachowanie rozpraszania. A potem, bez żadnych wskazówek, sama matematyka zrodziła struny.
“Struny po prostu wypadły”.
Cliff Cheung z Caltech mówi, że nie mieli żadnych założeń dotyczących smyczków. Na wejściu nie było strun. A na wyjściu? Czysta sygnatura teorii strun.
“Nie zaczynaliśmy od żadnych założeń dotyczących smyczków… jednak decyzja zawierała kamień węgielny teorii”.
Czy to dowód? Nie.
Ale to ważne, ponieważ matematyka * może * iść w dowolnym kierunku. Ale nie zrobiła tego. Podążyła wyjątkową ścieżką prowadzącą prosto do świata “strun”.
Niekończąca się wieża z”śmieci”
Oto, co znaleźli: spektrum strun.
Pod koniec lat sześćdziesiątych Gabriele Veneziano napotkał mnóstwo danych. Akceleratory cząstek wyrzucały strumienie “śmieci” – cząstek o różnej masie. Nikt nie wiedział, co to jest. Veneziano napisał funkcję. Pasowała idealnie.
Ujawnił nieskończoną wieżę cząstek. Masa wzrasta. Wirowanie wzrasta. Porządek i chaos jednocześnie.
“Nikt nie miał najmniejszego pojęcia o tym, co się dzieje”.
Później zdaliśmy sobie sprawę, że te cząstki są jak Muzyczne harmoniczne. Struna skrzypiec. Nuta główna. Następnie podteksty.
Teoria strun to muzyka dla rzeczywistości. Różne wibracje. Różne cząstki.
Potem przyszedł rok 1974. John Schwartz i Joel Scherk mieli wgląd.
Teoria nie była odpowiednia tylko dla cząstek. Była * zobowiązana * do włączenia grawitacji.
Wtedy nikt nie był zainteresowany grawitacją. Przynajmniej poważnie. Fizycy byli zaniepokojeni innymi “żelaznymi” rzeczami. Ale ogólna teoria względności załamuje się przy wysokich energiach. To tylko niskoenergetyczne przybliżenie. Teoria strun? Pozostaje stabilna. Zachowała swój kształt, gdy inne teorie upadały.
Schwartz wspomina to podekscytowanie.
“Pewna wersja teorii strun mogłaby dostarczyć… jednolitą teorię kwantową”.
Jedna struna, wiele wibracji. Otwarte struny. Zamknięte struny. Foton. Grawitony. Wszystko tańczy w jednej ramce.
Kiedy grawitacja się myli
Porozmawiajmy o trybie awarii.
Zderzenia wysokoenergetyczne w pobliżu * skali Plancka * niszczą standardową fizykę. Czy spróbujesz przewijać liczby za pomocą ogólnej teorii względności?
Bach. Nieskończoność. Absurd.
“Jeśli weźmiesz ogólną teorię względności… otrzymasz wynik pozbawiony sensu. Wszystko całkowicie się psuje”.
Teoria strun unika tego problemu. Ma sztuczkę: ultramiękkość.
W miarę wzrostu energii interakcje są wygładzane. Przestają być gwałtowne. Cząstki przestają się agresywnie rozpraszać. Matematyka pozostaje spokojna. Nie idzie w nieskończoność.
Chung tak to ujmuje. Cząstki przy takich energiach? Prawie nie chcą się dotykać.
“To jak cząstki… wolą chodzić swobodnie”.
Naukowcy wykorzystali dwa kluczowe pomysły, aby” zmusić ” matematykę do działania:
– Ultra łagodne zachowanie
– **Minimalne zera * * (ograniczenia dotyczące tego, gdzie prawdopodobieństwo spada do zera)
To właśnie te dwie zasady zmusiły system do podjęcia jednej decyzji.
Stare pomysły, nowe życie
Cliff Chung porównuje tę metodę do Sudoku. Niewiele wskazówek. Jedna idealna siatka.
“Głęboką ironią jest to, że… to super retro. To stara szkoła”.
W rzeczywistości jest to starożytna historia według standardów fizyki. Pomysł bootstrapu jest stary. Stephen Frautschi. Geoffrey Chu. Grali w tę grę w latach 60., zanim podejście spadło.
“Nie zaczynali od strun… a decyzje wychodziły same”.
Hiroshi Oguri z Kaltech nazywa to odrodzeniem. Narzędzia są teraz lepsze. Rozumiemy podstawy głębiej. Możemy szybciej tłumaczyć założenia na przewidywania.
Zespół, w skład którego wchodził Graham Remman z New York University, wykazał, że podstawowe zasady spójności bezpośrednio prowadzą do nieskończonej wieży masywnych cząstek.
To pojawiło się automatycznie.
Praktycznie z niczego.
** Źródło:* * “Strings from almost nothing”(“struny prawie z niczego”). Przyjęte w Physical Review Letters. DOI: 10.111/cw4p-cq7
Finansowanie zapewnia Departament Energii USA, Instytuty Caltech, stypendium NYU i fundusze UE Next Generation. Przyczynili się również Michele Tarcuini i Francesco Sciotti.
Znaleźliśmy struny, ignorując je. Sprawia, że myślisz. Czy wszechświat nie jest tylko matematyką, która sama się rozwiązuje?
Być może.
