Wszystko czeka na swoją Teorię
W sierpniowym "Nature" fizyk Mostafa Ahmadi opublikował wraz kolegami z zespołu artykuł o swoich badaniach, z których wynika, że linia emisyjna atomów antywodoru jest taka sama jak wodoru i wynosi 21 cm. Czyli razem fale emitowane przez wodór i antywodór mają długość 42 cm!
Wykrzyknik ma tu charakter raczej żartobliwy. Jednak powyższy "ciąg skojarzeniowy" wcale nie jest aż tak odległy od niektórych przemyśleń mających miejsce w obrębie współczesnej fizyki. Badacze od dawna zastanawiają się, czy dostrzegane przez nas we Wszechświecie prawidłowości i dopasowania nie są przypadkiem tylko procesem naszego umysłu, a nie odzwierciedleniem jakichkolwiek obiektywnych fenomenów. Z punktu widzenia fizyki kwantowej mogła bezprzyczynowo powstać dowolna liczba wszechświatów. My znaleźliśmy się akurat w jednym z nich, specyficznym, w którym został spełniony szereg subtelnych warunków, aby mógł w nim pojawić się człowiek. Mówimy o nim jako o świecie antropicznym (2), czyli takim, gdzie wszystko zmierzało do powstania życia w znanej nam formie.
Poszukiwana od dekad Teoria Wszystkiego również może okazać się taką liczbą "42", która powstanie z wyników obserwacji, eksperymentów, obliczeń, wnioskowania - i w gruncie rzeczy nie będzie wiadomo, co z nią dalej począć.
Tak jak nie wiadomo, co obecnie począć z Modelem Standardowym. Jest on doskonałym narzędziem opisowym dla współczesnej fizyki. Problem jednak w tym, że na razie nie daje się do niego dopasować grawitacji, o ciemnej materii i energii nie wspominając. Zaś kwestia hipotetycznej równowagi materii i antymaterii we Wszechświecie wyprowadza już niemal wszystkich z równowagi. Wielu fizyków po cichu przyznaje, że prawdziwym celem eksperymentów w słynnym zderzaczu hadronów LHC i w innych ośrodkach tego typu jest nie tyle potwierdzenie tego modelu, lecz jego… podważenie! Wówczas, jak się ocenia, nauka ruszyłaby do przodu, wychodząc z trwającego obecnie impasu.
Definicyjnie Teoria Wszystkiego to hipotetyczna teoria fizyczna opisująca w sposób spójny wszystkie zjawiska fizyczne i pozwalająca przewidzieć wynik dowolnego doświadczenia fizycznego.
Współcześnie tym mianem określa się zwykle koncepcje usiłujące połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności - do tej pory jednak żadna z takich idei nie została eksperymentalnie potwierdzona. Głównym problemem okazały się niemożliwe do przezwyciężenia różnice w sposobie sformułowania obu teorii. Dodatkowo istnieje wiele problemów, których żadna z tych teorii nie rozwiązuje, więc nawet, gdyby się je połączyło, i tak nie dadzą Teorii Wszystkiego.
Mozolna unifikacja
Pierwsza nowożytna przymiarka do fizyki, grawitacyjny model Newtona, miał pewne braki. Prawie dwa wieki później Szkot James Maxwell uznał, że elektryczność i magnetyzm należy rozważać jako wzajemnie przenikające się pola sił. Można to sobie wyobrazić jako falę, której grzbiet wywołuje pole elektryczne, wytwarzające z kolei swoim drganiem pole magnetyczne, a to z kolei znów tworzy pole elektryczne.
Przenikanie się ze sobą elektryczności i magnetyzmu szkocki fizyk uwiecznił za pomocą czterech słynnych równań. W ten oto sposób obie siły zunifikowano w jedną, czyli elektromagnetyzm. Nie można również zapomnieć, że przy tej okazji Maxwell dokonał innego odkrycia, dzięki któremu światło zostało wreszcie zdefiniowane jako fala elektromagnetyczna. Pojawił się tu jednak spory problem, który ówcześnie zlekceważono. Prędkość światła, tj. rozchodzenia się owej fali elektromagnetycznej, nie zależy od prędkości, z jaką porusza się źródło jego emisji, a co za tym idzie - prędkość ta pozostaje taka sama dla różnych obserwatorów. Zatem z równań Maxwella wynika, że dla obiektu poruszającego się z szybkością bliską fali światła czas powinien zwolnić.
Tradycyjna fizyka Isaaca Newtona nie czuła się z tymi rewelacjami najlepiej. Twórca dynamiki nie przewidywał, aby czas miał jakiekolwiek znaczenie - powinien być niezmienny i równy dla wszystkich. Maxwell zrobił pierwszy mały krok w stronę podważenia tego przekonania, ale potrzebna była postać, która radykalnie zakwestionuje status quo, wykazując, iż grawitacja i światło istnieją na nieco innych zasadach, niż dotychczas sądzono. Postać taka jak Albert Einstein.
W tamtych optymistycznych czasach wydawało się, że Teoria Wszystkiego wyglądać będzie jak rozwinięcie i uogólnienie równań Maxwella. Sądzono, że powstanie jedna zgrabna formuła, w której po dołączeniu innych znanych oddziaływań zmieści się cała fizyka Wszechświata.
Einsteinowski pomysł sprzężenia ze sobą czasu i przestrzeni oraz energii i materii był rewolucyjny. Po ogłoszeniu najpierw szczególnej, a potem ogólnej teorii względności geniusz uznał, że nadszedł czas na znalezienie Teorii Wszystkiego, która wydawała mu się na wyciągnięcie ręki. Einstein był pewny, że jest już blisko celu i wystarczy znaleźć sposób na połączenie swojej teorii względności z elektromagnetyzmem Maxwella, by wyprowadzić wzór wyjaśniający wszystkie procesy, jakie interesują fizyków.
Niestety, niemal natychmiast po największych sukcesach Einsteina pojawiła się nowa gałąź fizyki - mechanika kwantowa. A może "stety", bo bez uwzględnienia opisywanych przez nią zjawisk mikroświata cząstek elementarnych, hipotetyczna teoria Einsteina nie byłaby Teorią Wszystkiego. Rzeczy jednak, które wydawały się zrazu dość proste, zaczęły się komplikować.
Mimo wszystko, mając obie teorie w zanadrzu, fizycy, nie tylko Einstein, wzięli się do pracy nad unifikacją. Jedną z pierwszych po pracach Einsteina była teoria Kaluzy-Kleina zaproponowana w 1919 r. przez Theodora Kaluzę i zmodyfikowana w 1926 r. przez Oskara Kleina. Łączyła teorię względności z elektromagnetyzmem Maxwella za pomocą rozszerzenia czterowymiarowej czasoprzestrzeni o hipotetyczny dodatkowy piąty wymiar. Była to pierwsza powszechnie znana teoria oparta na nowatorskiej koncepcji hiperprzestrzeni.
Jak wykazało następne pokolenie fizyków, atomem kierują siły dotychczas nieznane, różne od grawitacji czy elektromagnetyzmu. Pierwszą było oddziaływanie silne, odpowiadające za utrzymanie przy sobie protonów i neutronów wewnątrz jądra atomowego. Drugą - oddziaływanie słabe, powodujące rozpad atomu i powiązaną z nim radioaktywność.
Znów pojawiła się idea unifikacji. Jednak tym razem, aby mieć nadzieję na stworzenie teorii ostatecznej, należało połączyć już nie dwie, a cztery siły rządzące wszystkim, co nas otacza. Mimo że ludzkość nauczyła się korzystać z potencjału atomu, to jednak oddaliła się od natury wszechrzeczy. Fizycy zaczęli budować obiekty badawcze, służące do zderzania ze sobą cząstek atomowych. Eksperymenty w akceleratorach szybko ujawniły, że to, co nazywaliśmy cząstkami elementarnymi, da się rozbić na mniejsze elementy. W ten sposób ukazało się całe "ZOO" cząstek subatomowych, a uczeni zaczęli zastanawiać się, co jest podstawowym budulcem materii.
Po latach pojawił się kolejny geniusz, Richard Feynman. Rozrysował nową teorię - elektrodynamikę kwantową (QED, Quantum ElectroDynamics). Dotyczyła oddziaływania fotonu z cząstkami subatomowymi, zwłaszcza elektronem.
Potem Abdusowi Salamowi i Stevenowi Weinbergowi udało się wyjaśnić oddziaływanie słabe. Uczeni przewidzieli istnienie aż trzech cząstek odpowiedzialnych za ten rodzaj sił: W(+), W(–) i Z(0). Zauważyli oni, że przy odpowiednio wysokiej energii cząstki te zachowują się podobnie.
Naukowcy poszli za ciosem i analogicznie potraktowali elektrony oraz neutrina - jako dwie strony tej samej monety. Na tej podstawie przewiduje się, że w pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu, czyli w czasie ogromnego natężenia energii, oddziaływanie słabe i elektromagnetyzm stanowiły jedność (3). To było pierwsze, od czasu Jamesa Maxwella, przełomowe połączenie sił podstawowych. Salam i Weinberg zidentyfikowali oddziaływanie elektrosłabe.
Odkrycia te dały fizykom energię do zajęcia się oddziaływaniami silnymi. Skoro fotony przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne, a cząstki W(+), W(–) i Z(0) oddziaływanie słabe, to analogicznie powinny istnieć jakieś cząstki odpowiadające za oddziaływanie silne. Cząstki te, scalające protony i neutrony z kwarków, ochrzczono gluonami. Nazwa wzięła się stąd, iż gluony działają niczym klej dla subatomowych cząstek.
Współcześnie nieomal zamiennie z pojęciem Teoria Wszystkiego mówi się o teorii wielkiej unifikacji, zwanej w skrócie GUT (Grand Unifi cation Theory). Chodzi tu jednak raczej o grupę teorii usiłujących połączyć chromodynamikę kwantową (oddziaływania silne) i teorię oddziaływań elektrosłabych.
Opisują one oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego, zunifikowanego oddziaływania. Żadna z dotychczasowych teorii wielkiej unifikacji nie została jednak potwierdzona doświadczalnie. Wskazują one nowe symetrie między cząstkami elementarnymi, co pozwala je traktować jako różne przejawy jednej cząstki. Większość teorii postuluje istnienie nowych cząstek (dotychczas nieodkrytych), takich jak bozony X i Y, oraz nowych procesów zachodzących z ich udziałem. Wspólną cechą teorii wielkiej unifikacji jest przewidywanie rozpadu protonu. Nie zaobserwowano jednak dotychczas tego procesu. Wynika stąd, iż czas życia protonu powinien być co najmniej rzędu 1032 lat.
Najpoważniejszym problemem jest wciąż ujednolicenie ogólnej teorii względności, opisującej grawitację w makroskali, z mechaniką kwantową, opisującą oddziaływania fundamentalne w skali subatomowej. Dotychczas nie udało się skonstruować w pełni funkcjonalnej spójnej teorii grawitacji kwantowej, która przewidywałaby nowe zjawiska weryfikowalne doświadczalnie.
Mimo bezsprzecznej rewolucji, jaką zapewniło zunifikowanie oddziaływania słabego, silnego i elektromagnetyzmu, Model Standardowy, którego częścią są opisane wyżej unifikacje, nadal boryka się ze swoistym niewygodnym spadkiem po Newtonie i Einsteinie. A grawitacja to nie jedyny jego kłopot…
Nigdy nie zagrana symfonia
Model Standardowy podsumowuje naszą obecną wiedzę w dziedzinie fizyki cząstek. Był on testowany w wielu eksperymentach i sprawdził się w przewidywaniu istnienia cząstek uprzednio nieznanych. Nie daje jednak jednolitego opisu wszystkich sił fundamentalnych, ponieważ ciągle trudno jest stworzyć teorię grawitacji podobną do teorii pozostałych sił. I nawet uzupełniony o cząstkę Higgsa niewiele pomaga w wyjaśnianiu wielkich współczesnych zagadek, ciemnej energii, ciemnej materii, grawitacji, asymetrii materii i antymaterii, a nawet oscylacji neutrin.
Do niedawna żywe były nadzieje, że Model Standardowy da się twórczo rozwinąć w kierunku supersymetrii (SUSY), która przewiduje, że każda znana nam cząstka elementarna ma symetrycznego partnera - tzw. s-cząstkę (4). Podwaja to łączną liczbę cegiełek materii, ale teoria wspaniale się zgadza w matematycznych równaniach i, co istotne, daje szansę na rozwiązanie zagadki kosmicznej ciemnej materii. Pozostawało tylko czekać na wyniki eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów, aby potwierdzić istnienie supersymetrycznych cząstek. Niestety, naukowcy na razie nie doczekali się ich detekcji, a w konsekwencji SUSY stoi wciąż pod wielkim znakiem zapytania.
Wciąż dość częsta jest opinia, że główną, a właściwie jedyną poważna kandydatką na Teorię Wszystkiego jest teoria, a właściwie teorie, strun. Podstawowe założenie stanowi tu istnienie fundamentalnego obiektu, którym jest jednowymiarowa "struna" - otwarta (mająca swobodne końce) albo zamknięta (jeśli końce są złączone). Struna taka może drgać, a różne rodzaje owych drgań rodzą w kwantowym sensie tego słowa znane nam z Modelu Standardowego cząstki elementarne (fotony, elektrony, kwarki, grawitony itd.). Przykładowo, najprostsze drgania strun otwartych zachowują się tak jak fotony lub gluony. Najprostsze drgania strun zamkniętych mają takie własności jak grawitony, które miałyby być kwantami pola grawitacyjnego, stanowiąc podstawowe obiekty w teorii kwantowej grawitacji.
Sprowadzenie najdrobniejszych znanych nam cząstek do drgań strun to postulowana wielka unifikacja i prosta droga do Teorii Wszystkiego. Stąd ogromna popularność teorii strun. Koncepcje jednak, zgodnie z rygorami nauki, należy sprawdzić, najlepiej eksperymentalnie. I tu czar strunowej symfonii od razu pryska, bo nikt na razie nie wymyślił dającego się przewidzieć sposobu jej empirycznej weryfikacji. Mówiąc inaczej, strunowa kompozycja nigdy nie została zagrana na prawdziwych instrumentach.
Nie zraża to teoretyków, którzy postanowili pisać dalej nuty tej nieodtworzonej nigdy strunowej muzyki, szukając nowych tonów i brzmień w matematycznych formułach. Powstały m.in. supersymetryczna teoria strun oraz M-teoria - jako uogólnienie teorii strun, wymagające istnienia dodatkowego, jedenastego wymiaru, dodanego do dziesięciu wcześniej przewidywanych. Podstawowym obiektem w M-teorii jest dwuwymiarowa membrana, która redukuje się do fundamentalnej struny w wyniku redukcji tego dodatkowego wymiaru. Teoretycy wciąż podkreślają, że nie powinno się odnosić do obu idei jako do niezależnych teorii - są one w zasadzie przejawem jednej, najbardziej ogólnej koncepcji.
Pętle kwantowej grawitacji
Jedną z nowszych prób pogodzenia pozornie niepasujących do siebie teorii mechaniki kwantowej oraz ogólnej teorii względności jest pętlowa grawitacja kwantowa (PGK, Loop Quantum Gravity), znana również jako pętlowa grawitacja lub kwantowa geometria. PGK próbuje ugruntować kwantową teorię grawitacji, w której sama przestrzeń jest skwantowana. Określenie "kwantowa" oznacza, że koncepcja ta stanowi kwantową wersję pewnej teorii klasycznej - w tym wypadku ogólnej teorii względności, utożsamiającej grawitację z geometrią czasoprzestrzeni (5).
W ogólnej teorii względności o metryce i koneksji można myśleć jak o pewnych funkcjach określonych w każdym punkcie czasoprzestrzeni, będących w stanie w każdym punkcie przyjmować dowolne wartości. Natomiast w pętlowej grawitacji metryka i koneksja nie są zwykłymi "funkcjami", lecz spełniają pewne reguły mechaniki kwantowej - np. nie mogą przyjmować dowolnych wartości (mogą się zmieniać skokowo) i nie można równocześnie wyznaczyć metryki oraz koneksji z dowolną dokładnością.
Teoria PGK boryka się jednak ze sporymi problemami. Trudno w niej choćby, poza samą geometrią, zawrzeć materię, z jakiej jesteśmy zbudowani i jaka nas otacza. Nie bardzo wiadomo też, jak w wersji kwantowej, w odpowiedniej granicy, uzyskać klasyczne równania Einsteina.
Na skraju rozdzielczości
Swoistym, oryginalnym i budzącym emocje sposobem na Teorię Wszystkiego jest hipoteza holograficzna, przenosząca problemy poznawcze na nieco inny plan. Fizyka czarnych dziur zdaje się wskazywać, iż nasz Wszechświat wcale nie jest taki, jak przedstawiają go nam nasze zmysły. Otaczająca nas rzeczywistość może być bowiem hologramem - projekcją dwuwymiarowej płaszczyzny (6).
Craig Hogan, prof. fizyki z ośrodka badań Fermilab, sugeruje, iż wiele wyników eksperymentów, np. tych przeprowadzanych w LHC, wskazuje, iż poziom podstawowej rozdzielczości hologramu został właśnie przez nas osiągnięty. Jeśli więc Wszechświat jest hologramem, być może właśnie dotarliśmy do granic rozdzielczości rzeczywistości. Niektórzy fizycy proponują intrygującą hipotezę, że czasoprzestrzeń, w której żyjemy, nie jest ostatecznie ciągła, lecz, podobnie jak obraz pochodzący z cyfrowego zdjęcia, na najbardziej podstawowym poziomie składa się ze swoistych "ziaren" lub "pikseli".
Hogan zbudował interferometr, zwany holometrem Hogana, który ma dotrzeć do kwantowej natury samej przestrzeni i obecności czegoś, co naukowcy nazywają "holograficznym szumem". "Holometer" składa się z dwóch ustawionych obok siebie interferometrów. Wysyłają one jednokilowatowe wiązki laserowe do urządzenia rozszczepiającego je na dwie prostopadłe wiązki o 40-metrowej długości, które odbijają się i wracają do punktu rozszczepiania, tworząc fluktuacje w jasności promieni świetlnych. Jeśli wywołają one określony ruch w urządzeniu rozszczepiającym, dowodzić to będzie wibracji samej przestrzeni.
Niektórzy sądzą, że to właśnie teoria holograficznego Wszechświata może wreszcie pogodzić teorię względności i mechanikę kwantową. Bliska zasadzie holograficznej pozostaje hipoteza Wszechświata jako symulacji, której najbardziej znanym orędownikiem jest Niklas Boström. Naukowiec sugeruje, że przy pomocy wystarczająco potężnego komputera możliwe jest stworzenie wiernej symulacji całej cywilizacji, albo nawet całego Wszechświata.
Specjaliści z uniwersytetu w Southampton, współpracujący z kolegami z Kanady i Włoch, twierdzą, że istnieje konkretny dowód na to, iż Wszechświat może być swego rodzaju iluzją. Są nim pewne nieregularności kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, znanego też jako promieniowanie reliktowe lub CMB (cosmic microwave background). Zespół fizyków teoretycznych z tej uczelni w poszukiwaniu potwierdzenia teorii holograficznej natury wszechświata przeanalizował ogromne ilości danych, usiłując znaleźć nieregularności promieniowania reliktowego. Naukowcy przetestowali cały zestaw różnych modeli holograficznych i porównali ich przewidywania z wynikami obserwacji rozkładu materii w bardzo wczesnym Wszechświecie, uzyskanymi na bazie pomiarów satelity Planck. Udało się w ten sposób wykluczyć kilka modeli, inne z nich jednak okazały się w dużej mierze zgodne z obserwacjami.
Innymi słowy, badacze sugerują, że to, co odkryli, potwierdza, iż żyjemy w hologramie, a uznanie tego faktu spowodowałoby unifikację fizyki w swoistą teorię wszystkiego. Gdyby uznano ten model fizyczny, byłby to koniec teorii Wielkiego Wybuchu czy pojęć takich, jak inflacja Wszechświata. Z drugiej strony stanowiłoby to również wytłumaczenie np. dla paradoksu obserwatora w fizyce kwantowej - czyli poglądu, zgodnie z którym sam fakt obserwacji zjawiska wpływa na wynik obserwacji, podobnie jak sposób obserwacji znanych nam obrazów holograficznych wpływa na ich wygląd.
Czy o taką Teorię Wszystkiego nam chodziło? Trudno powiedzieć. W końcu na razie wciąż żadnej nie znamy…
Wieloświat, czyli wszystko traci sens
Poza Wszechświatem jako hologramem i/lub symulacją innym, nieco złośliwym żartem z naszych wysiłków w znalezieniu Teorii Wszystkiego jest hipoteza wieloświata. Według kwantowej teorii wielu światów Hugh Everetta III, nazywanej przez niego "wieloświatową interpretacją mechaniki kwantowej", wszystko, co może się zdarzyć, zdarza się na pewno w którejś z odnóg rzeczywistości. U Everetta każdy stan superpozycji jest jednakowo realny i urzeczywistnia się w innym, równoległym wszechświecie. Kwantowy multiwszechświat jest jak rozgałęziające się w nieskończoność drzewo.
Zgodnie z jedną z interpretacji mechaniki kwantowej w tej przestrzeni znajdują się wszechświaty, które pochodzą od naszego Wszechświata. Co chwila powstają w tej przestrzeni nowe uniwersa. Dzieje się tak za każdym razem, gdy powstaje we wszechświecie wybór - np. dana cząsteczka może poruszyć się kilkoma drogami i wtedy tworzy się tyle nowych wszechświatów, ile jest możliwych dróg, a w każdym z nich cząsteczka porusza się po innej drodze. Innego rodzaju multiwersum opisane zostało we wspominanej już M-teorii. Według niej nasz i inne wszechświaty powstały w wyniku kolizji membran w przestrzeni jedenastowymiarowej. W przeciwieństwie do wszechświatów w "multiwersum kwantowym" mogą w nich panować zupełnie różne prawa fizyki.
Koncept multiwszechświata czy wieloświata rozwiązuje wiele problemów, np. idealnego dostrojenia, jednak w sensie naukowym wydaje się być ślepą uliczką. Niezbyt istotnymi czyni bowiem wszelkie pytania "dlaczego?". Co więcej, badanie innych wszechświatów nie wydaje się w ogóle do pomyślenia. No i samo pojęcie Teorii Wszystkiego traci tu kompletnie sens.
W piątej sile siła
Może jednak wcale nie trzeba przerzucać się wielkimi, ambitnymi teoriami? Może wystarczy zwrócić uwagę na odkrycia, które na razie wydają się niepozorne, ale niewykluczone, że doprowadzą do wielkich rezultatów?
W sierpniu ubiegłego roku fizycy teoretycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine opublikowali na łamach czasopisma "Physical Review Letters" artykuł o tym, że poza oddziaływaniem grawitacyjnym, elektromagnetycznym, słabym oraz silnym, prawdopodobnie jest jeszcze jedna siła…
W 2015 r. naukowcy z Węgierskiej Akademii Nauk poszukiwali tzw. ciemnego fotonu, hipotetycznego nośnika piątej siły natury. Podczas zderzania izotopu litu - 7Li - z protonami, odkryli obecność nowego bozonu (7), który był ok. trzydzieści razy cięższy od elektronu. Nie potrafili jednak orzec, czy to nośnik oddziaływań. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine przyjrzeli się danym węgierskich badaczy oraz przeanalizowali dotychczasowe eksperymenty, które skupiały się na tej dziedzinie. W efekcie zaprezentowali nową teorię. Łączy ona ze sobą wszystkie istniejące dane i wskazuje na prawdopodobne odkrycie piątej siły natury. Według nich, tą tajemniczą cząstką może być tzw. bozon X, zwany "protonofobicznym" - ze względu na brak interakcji z tą cząstką elementarną. Naukowcy uważają zresztą, że piąta siła natury może wraz z innymi oddziaływaniami stanowić różne aspekty jednej, bardziej fundamentalnej zasady, lub też jest śladem prowadzącym do ciemnej materii.
Ciemna część rachunku
Szacuje się, że aż 27% całej materii we Wszechświecie pozostaje niewidoczne, a w dodatku wszystko, co da się "dostrzec" - począwszy od Twojej kanapki do kwazarów - stanowi zaledwie 4,9% materii. Reszta to ciemna energia.
Astronomowie dokładają ogromnych starań, aby wyjaśnić, dlaczego ciemna materia istnieje, dlaczego w tak ogromnych ilościach i czemu mimo to pozostaje ukryta. Nie emitując żadnej widocznej energii, jest wystarczająco silna, aby utrzymać galaktyki w gromadach, powstrzymując je przed wolnym rozprzestrzenianiem się w kosmosie. Czym jest ciemna materia? Aksjonem, WIMP-em, grawitonem czy supercząstką z teorii Kaluzy-Kleina?
No i najważniejsze pytanie - jak możemy myśleć o Teorii Wszystkiego, nie wyjaśniając problemu ciemnej materii (i, rzecz jasna, ciemnej energii)?
W nowej teorii grawitacji, zaproponowanej przez fizyka teoretycznego Erika Verlinde z Uniwersytetu w Amsterdamie, znaleziono sposób, aby pozbyć się tego dręczącego problemu. W przeciwieństwie do tradycyjnego podejścia, traktującego grawitację jako podstawową siłę natury, Verlinde widzi ją jako wyłaniającą się własność przestrzeni. To wyłanianie się jest procesem, w którym natura tworzy coś potężnego, używając do tego małych, prostych elementów. W efekcie ostateczna kreacja wykazuje właściwości, których nie mają mniejsze cząstki.
Wyłaniająca się lub entropiczna grawitacja, jak nazywa ją nowa teoria, odpowiedzialna jest za odchylenia i anomalie w rotacji galaktyk, które obecnie są przypisane działalności ciemnej materii. W koncepcji Verlinde grawitacja pojawia się w efekcie zmian w fundamentalnych jednostkach informacji, przechowywanych w strukturze czasoprzestrzeni. Jednym słowem, grawitacja byłaby konsekwencją entropii, a nie podstawową siłą w kosmosie. Czasoprzestrzeń składałaby się z trzech znanych nam wymiarów i uzupełniona byłaby o czas. Byłaby elastyczna.
Oczywiście kłopotów z ciemną energią też można się pozbyć, szukając innej teorii, która głosi, że problemu w ogóle nie ma, bo nie ma czegoś takiego jak ciemna energia. Zgodnie z wynikami nowych symulacji komputerowych, opublikowanymi w marcu 2017 r. przez węgiersko-amerykański zespół naukowców, 68% Wszechświata zakładanego w starszym modelu, zwanym w skrócie Lambda-CDM, po prostu nie istnieje.
Świat nauki zaakceptował pojęcie ciemnej energii, które pojawiło się w latach 90. XX wieku po obserwacjach światła z supernowych typu Ia, znanych również jako "świece standardowe". Efektem obserwacji była też teoria przyspieszenia ekspansji Wszechświata, uhonorowana w 2011 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.
Tymczasem badacze z uniwersytetów Eötvös Loránd z Węgier oraz Hawajskiego z USA, ogłosili niedawno, iż ciemna energia to "wynalazek", który pojawił się jako efekt uproszczeń w obliczeniach. W nowym modelu, nazywanym przez badaczy Avera, Wszechświat rozszerza się podobnie jak bąbelkująca piana mydlana. Tempo ekspansji jest podobne do obserwowanego, zgadza się też przyspieszenie, a wszystko odbywa się w zgodzie z teoriami Einsteina. Jednak w węgiersko-amerykańskiej koncepcji znika potrzeba brania w rachunku pod uwagę ciemnej energii. Opis badań opublikowano w periodyku "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society".
Wszystko może działać i bez teorii
W filozofii nauki istnieje stanowisko przeciwne realizmowi, zwane instrumentalizmem. Zgodnie z nim wszystkie obiekty niemożliwe do zaobserwowania za pomocą zmysłów są jedynie "użytecznymi fikcjami". Naprawdę nie istnieją - albo przynajmniej nie jest jasne, czy istnieją. Są jednak przydatne, bo dzięki nim możemy przewidywać i wyjaśniać zjawiska w ramach teorii fizycznych, formułowanych, oczywiście, w języku matematyki.
Naukowcy dopuszczają myśl, że Wszechświata nie da się zunifikować w jednej teorii - a tym bardziej w matematycznym równaniu. Wszelkie symetrie i przewidywania mogą jedynie być wynalazkami matematyki i generalnie wynikać z naszych potrzeb psychologicznych, np. dążenia do zdobycia ostatecznych i definitywnych odpowiedzi. Sam Wszechświat być może jednak nie potrzebuje wcale jakiejkolwiek unifikacji, aby istnieć i funkcjonować całkiem sprawnie.
Karawana noblowska jedzie dalej
Podobnie całkiem sprawnie jak Wszechświat funkcjonuje noblowski mechanizm przyznawania corocznie nagród za osiągnięcia w fizyce, które zbliżają nas w niewielkim stopniu, lub wcale nie zbliżają, do Teorii Wszystkiego. Więcej - w naszym świecie całkiem nieźle radzą sobie rozmaite urządzenia i wynalazki techniczne, oparte na noblowskich odkryciach naukowych. Dość przypomnieć nagrodzone kilka lat temu badania nad niebieskimi LED-ami, które wcale nie potrzebują wyjaśnienia fundamentalnych zasad Wszechświata, aby służyć nam nieomal na każdym kroku.
Zapewne również w tym roku po raz kolejny nagrodzone zostanie naukowe osiągnięcie, które na wszystkie pytania nie odpowie i całości uniwersum nie ogarnie, za to może bardzo przydać się - jeśli nie praktycznie, w świecie użytkowej techniki - przynajmniej do rozszerzania krok po kroku naszej wiedzy o rzeczywistości. Tak jak ma to miejsce np. z kolejnymi detekcjami fal grawitacyjnych.
Jednym z często wymienianych kandydatów do tegorocznego fizycznego Nobla jest prof. Rainer "Rai" Weiss (8). To współwynalazca techniki interferometru laserowego, wykorzystanego w LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) - detektorze fal grawitacyjnych, mającym na koncie już trzy potwierdzone rejestracje fal grawitacyjnych. LIGO stanowi wspólne przedsięwzięcie naukowców z MIT, instytutu Caltech i wielu innych szkół wyższych. Projekt jest sponsorowany przez National Science Foundation. Idea budowy detektora powstała w 1992 r., a jego pomysłodawcami byli Kip Thorne i Ronald Drever z Caltech oraz właśnie Rainer Weiss z MIT. Drever, niestety, umarł w marcu br., ale pozostali dwaj mogą się w październiku znaleźć na liście laureatów.
W grudniu 2015 r. fale grawitacyjne zostały zarejestrowane przez oba detektory obserwatorium LIGO - znajdujące się w Livingston w stanie Luizjana oraz Hanford w stanie Waszyngton. Pierwsza, historyczna, detekcja miała jednak miejsce we wrześniu 2015 r., a poinformowano o niej w lutym 2016 r. To pierwsze zderzenie czarnych dziur zarejestrowane za pomocą fal grawitacyjnych oznaczane jest symbolem GW150914. Detekcja w drugi dzień Świąt Bożego Narodzenia 2015 r. to GW151226, a informacja o niej pojawiła się w czerwcu 2016 r. O trzeciej detekcji dowiedzieliśmy się rok później.
Astronomowie porównują ostatnie wydarzenia związane z falami grawitacyjnymi do odsunięcia nieprzenikalnych dotychczas zasłon i możliwości przyjrzenia się wreszcie temu, jak Wszechświat tak naprawdę działa. Mówiąc inaczej, fale elektromagnetyczne to drgania w przestrzennym ośrodku, natomiast grawitacyjne to drgania samego ośrodka.
Żelaznym kandydatem do Nagrody Nobla od lat jest Anton Zeilinger (9), fizyk austriacki, specjalizujący się w interferometrii kwantowej, profesor fizyki doświadczalnej na Uniwersytecie w Wiedniu. Przez europejską współpracę z chińskimi ośrodkami badawczymi Austriak jest związany z głośnymi ostatnio orbitalnymi eksperymentami teleportacji kwantowej. Niewykluczone, że znajdzie się w grupie uhonorowanych, wraz z chińskimi naukowcami zajmującymi się projektami teleportacji i telekomunikacji kwantowej.
Zeilinger prowadzi badania nad podstawowymi zjawiskami mikroświata (zwłaszcza stanami splątanymi). W latach 80. wykonał szereg eksperymentów interferencyjnych wykorzystujących neutrony. W 1989 r. przewidział wraz z Danielem Greenbergerem i Michaelem Horne’em, że splątanie trzech lub więcej cząstek daje korelacje kwantowe absolutnie niezgodne z jakimkolwiek obrazem opartym na pojęciach relatywistycznej fizyki klasycznej. Najsłynniejszym eksperymentem Zeilingera była pierwsza kwantowa teleportacja dokonana pomiędzy dwoma fotonami, które powstały w dwóch odrębnych aktach emisji (1997 r.).
Od kilku lat mówi się też o konieczności docenienia przez Komitet Noblowski lawiny odkryć planet pozasłonecznych. W spekulacjach wymieniany jest przede wszystkim Geoffrey W. Marcy, amerykański astronom, który we współpracy z Paulem Butlerem i Debrą Fischer uczestniczył w odkryciu siedemdziesięciu spośród stu pierwszych znanych planet pozasłonecznych.
Jeśli jednak szwedzcy akademicy trzymać się będą osiągnięć mających bardziej praktyczne znaczenie i technologiczny potencjał, być może uhonorują badaczy eksperymentujących z efektami związanymi z fotoniką nanodrutów, wliczając w to budowę pierwszego nanodrutowego lasera. W orbicie ich zainteresowań mogą znaleźć się też Yoshinori Tokura, Ramamoorthy Ramesh i James Scott - za badania nad ferroelektrycznymi nośnikami pamięci (Scott) oraz nad nowymi materiałami ferroelektrycznymi (pozostała dwójka).
Wśród kandydatur wymienianych już w ostatnich latach byli również naukowcy rozwijający technologie metamateriałów o ujemnym współczynniku załamania światła, czyli takie nazwiska jak: Victor Veselago (Wiktor Wiesiełago), John Pendry, David Smith, Xiang Zhang, Sheldon Schultz czy Ulf Leonhardt. Być może Komitet Noblowski przypomni sobie też o twórcach i badaczach kryształów fotonicznych, a więc o takich naukowcach, jak np. Eli Yablonovitch, Shawn Lin czy John Joannopoulos.
Wszystkie do tej pory przyznane i przyszłe "małe" Noble - czyli nagrody za koncepcje wycinkowe, prowadzące do konkretnych wynalazków technicznych - teoretycznie powinny znaleźć finał z chwilą opracowania Teorii Wszystkiego. Ta bowiem ma dać każdą możliwą odpowiedź i rozwiązanie każdej kwestii.
Teoretycznie to ciekawe pytanie - czy Teoria Wszystkiego oznacza finał nauki, potrzeby eksperymentowania i poszukiwania? Tylko teoretycznie…
Mirosław Usidus
