Co, jeśli… rozwiążemy fundamentalne problemy fizyki. Wszystko czeka na teorię, z której może nie wyniknąć nic
Według Einsteina i wielu innych wybitnych fizyków współczesnych celem fizyki jest właśnie stworzenie teorii wszystkiego (TW). Pojęcie takiej teorii nie jest jednak jednoznaczne. Znana pod angielskim terminem theory of everything, ToE, jest hipotetyczną teorią fizyczną opisującą w sposób spójny wszystkie zjawiska fizyczne i pozwalającą przewidzieć wynik dowolnego doświadczenia. Współcześnie tym zwrotem określa się zwykle teorie usiłujące połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności. Jak do tej pory żadna z takich teorii nie została eksperymentalnie potwierdzona.
Obecnie najbardziej zaawansowaną teorią pretendującą do miana TW jest opierająca się na zasadzie holograficznej, 11-wymiarowa M-teoria. Nie jest ona jeszcze dopracowana i przez wielu uważana jest raczej za kierunek rozwoju niż faktyczną teorię.
Wielu uczonych wątpi, czy w ogóle coś takiego jak "teoria wszystkiego" jest możliwe i to w sensie najbardziej podstawowym, na gruncie logiki. Twierdzenie Kurta Gödla mówi, że każdy wystarczająco skomplikowany system logiczny jest albo wewnętrznie sprzeczny (można w nim udowodnić jakieś zdanie oraz jego zaprzeczenie), albo jest niekompletny (istnieją w nim trywialnie prawdziwe zdania, których nie da się dowieść). Stanley Jaki w 1966 roku zauważył, że TW musiałaby być złożoną i niesprzeczną matematyczną teorią, więc z konieczności musiałaby być niekompletna.
Swoistym, oryginalnym i budzącym emocje sposobem na teorię wszystkiego jest hipoteza holograficzna (1), przenosząca problem na nieco inny plan. Fizyka czarnych dziur zdaje się wskazywać, iż nasz Wszechświat wcale nie jest taki, jak mówią nam nasze zmysły. Otaczająca nas rzeczywistość może być hologramem, czyli projekcją dwuwymiarowej płaszczyzny. Dotyczy to także samego twierdzenia Gödla. Tylko czy taka teoria wszystkiego rozwiązuje jakieś problemy, pozwala zmierzyć się z cywilizacyjnymi wyzwaniami?
Opisać Wszechświat. Tylko jaki Wszechświat?
Obecnie mamy dwie nadrzędne teorie, które wyjaśniają prawie każde zjawisko fizyczne - teorię grawitacji Einsteina (ogólną teorię względności) i mechanikę kwantową. Ta pierwsza jest dobra w wyjaśnianiu ruchu obiektów makro, od piłek futbolowych po galaktyki. Mechanika kwantowa doskonale radzi sobie w sferze atomów i cząstek subatomowych. Kłopot w tym, że te dwie teorie opisują nasz świat w zupełnie inny sposób. W mechanice kwantowej wydarzenia rozgrywają się na stałym tle czasoprzestrzeni - podczas gdy w ogólnej teorii względności czasoprzestrzeń jest elastyczna. Jak wyglądałaby kwantowa teoria zakrzywionej czasoprzestrzeni? Nie wiemy.
Najwcześniejsze próby stworzenia jednolitej teorii wszystkiego pojawiły się wkrótce po opublikowaniu ogólnej teorii względności, zanim zrozumieliśmy fundamentalne prawa rządzące siłami jądrowymi. Koncepcje te, znane jako teorie Kaluzy-Kleina, dążyły do zjednoczenia grawitacji z elektromagnetyzmem.
Od dziesięcioleci teoria strun, która przedstawia materię jako złożoną z maleńkich wibrujących strun lub pętli energii, jest uznawana za najlepszą do stworzenia jednolitej teorii fizyki. Niektórzy fizycy wolą jednak kwantową grawitację pętlową, w której przestrzeń kosmiczna sama w sobie jest zbudowana z maleńkich pętli. Jednak ani teoria strun, ani pętlowa grawitacja kwantowa nie zostały przetestowane eksperymentalnie.
Teorie wielkiej unifikacji (GUT z ang. Grand Unification Theory), łączące chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych, przedstawiają oddziaływanie silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego, zunifikowanego oddziaływania. Jednak także żadna z dotychczasowych teorii wielkiej unifikacji nie została potwierdzona doświadczalnie. Wspólną cechą teorii wielkiej unifikacji jest przewidywanie rozpadu protonu. Nie zaobserwowano dotychczas tego procesu. Wynika stąd, iż czas życia protonu powinien być co najmniej rzędu 1032 lat.
Model Standardowy w 1968 r. połączył siły silne, słabe i elektromagnetyczne pod jednym nadrzędnym parasolem. Uwzględniono wszystkie cząstki i ich oddziaływania, a także poczyniono wiele nowych przewidywań, w tym jedno wielkie, dotyczące unifikacji. Przy wysokich energiach, rzędu 100 GeV (energia potrzebna do rozpędzenia pojedynczego elektronu do potencjału 100 miliardów woltów), symetria jednocząca siły elektromagnetyczne i słabe zostanie przywrócona.
Przewidywano istnienie nowych, masywnych bozonów, a wraz z odkryciem bozonów W i Z w 1983 r. przewidywania te zostały potwierdzone. Cztery podstawowe siły zostały zredukowane do trzech. Idea unifikacji zakłada, że wszystkie trzy siły Modelu Standardowego, a być może nawet grawitacja przy wyższych energiach, są zjednoczone w jednej strukturze.
Niektórzy zakładali, że przy jeszcze wyższych energiach, być może w okolicach skali Plancka, siła grawitacji również się zunifikuje. Jest to jedna z głównych motywacji teorii strun. Bardzo interesujący w tych pomysłach jest fakt, że jeśli chcemy mieć unifikację, musimy przywrócić symetrie przy wyższych energiach. A jeśli Wszechświat ma symetrie przy wysokich energiach, które są obecnie łamane, to przekłada się to na coś obserwowalnego, nowe cząstki i nowe oddziaływania.
Lagrangian Modelu Standardowego jest pojedynczym równaniem opisującym cząstki i oddziaływania Modelu Standardowego (2). Składa się z pięciu niezależnych części: dotyczącej gluonów w strefie 1 równania, bozonów słabych w części oznaczonej dwójką, oznaczony trójką jest matematyczny opis sposobu, w jaki materia oddziałuje z siłą słabą i polem Higgsa, cząstki-duchy, które odejmują nadmiarowości pola Higgsa w części czwartej, oraz opisane pod piątką duchy Fadiejewa-Popowa, które wpływają na nadmiarowości oddziaływania słabego. Masy neutrin nie są uwzględnione.
Chociaż Model Standardowy możemy zapisać jako jedno równanie, to tak naprawdę nie jest on jednolitą całością w tym sensie, że istnieje wiele oddzielnych, niezależnych wyrażeń rządzących różnymi składnikami Wszechświata. Poszczególne części Modelu Standardowego nie oddziałują ze sobą, ponieważ ładunek kolorowy nie wpływa na siły elektromagnetyczne i słabe, a bez odpowiedzi pozostają pytania, dlaczego oddziaływania, które powinny zachodzić, jak np. łamanie symetrii CP w oddziaływaniach silnych, nie zachodzą.
Kiedy symetrie zostają przywrócone (na szczycie potencjału), następuje unifikacja. Jednak złamanie symetrii, znajdujące się na samym dole, odpowiada Wszechświatowi, który mamy dzisiaj, wraz z nowymi gatunkami masywnych cząstek. To właściwie jakiego "wszystkiego" ma to być teoria? Tego, który jest, czyli realnego asymetrycznego Wszechświata czy zunifikowanego i symetrycznego, ale przecież ostatecznie nie tego, z jakim mamy do czynienia.
Zwodnicze piękno "kompletnych" modeli
Lars English w książce "There is No Theory of Everything" twierdzi, że nie ma jednego zestawu zasad, który mógłby połączyć ogólną teorię względności z mechaniką kwantową, ponieważ to, co jest prawdą na poziomie kwantowym, niekoniecznie jest prawdą na poziomie grawitacyjnym. A im większy i bardziej złożony system, tym bardziej różni się on od elementów, które go tworzą. "Nie chodzi o to, że te reguły dla grawitacji są sprzeczne z mechaniką kwantową, ale też nie da się ich wyprowadzić z fizyki kwantowej", pisze.
Cała nauka, celowo lub nie, opiera się na założeniu, że istnieją obiektywne prawa fizyczne, które pociągają za sobą wzajemnie zgodny zestaw fundamentalnych postulatów fizycznych, opisujących zachowanie fizycznego Wszechświata i wszystkiego, co się w nim znajduje. Oczywiście, taka teoria nie pociąga za sobą pełnego wyjaśnienia lub opisu wszystkiego, co istnieje, ale przypuszczalnie wyczerpująco opisuje wszystkie testowalne procesy fizyczne. Logicznie jedną z natychmiastowych korzyści w tak rozumianej TW byłoby zakończenie eksperymentów, w których teoria przewiduje negatywne wyniki.
Większość naukowców zajmujących się fizyką będzie musiała zaprzestać badań i zarabiać na chleb nauczaniem, zamiast badaniami. Jednak opinia publiczna prawdopodobnie nie będzie się tym przejmować, tak jak nie przejmuje się tym, czy siła grawitacji może być wyjaśniona w kategoriach zakrzywienia czasoprzestrzeni, czy nie.
Oczywiście, istnieje też inna możliwość - Wszechświat po prostu się nie unifikuje. Symetrie, które wymyśliliśmy, są po prostu naszymi własnymi matematycznymi wynalazkami, a nie opisują fizycznego Wszechświata.
W głośnym artykule dla serwisu Nautil.Us, Sabine Hossenfelder (3), uczona z frankfurckiego Instytutu Studiów Zaawansowanych, oceniła, że "cała ta idea teorii wszystkiego opiera się na nienaukowym założeniu". "To nie jest dobra strategia rozwoju teorii naukowych. (…) Poleganie na pięknie w rozwoju teorii historycznie działało źle". Nie ma, jej zdaniem, powodu, aby przyroda była opisywana przez teorię wszystkiego. Choć potrzebujemy teorii kwantowej grawitacji, aby uniknąć logicznej niespójności w prawach natury, siły w Modelu Standardowym nie muszą być zunifikowane i nie muszą być zunifikowane z grawitacją. Byłoby to ładne, tak, ale jest niepotrzebne. Model Standardowy działa dobrze bez unifikacji, podkreśla badaczka. Natura najwyraźniej ma w nosie to, co fizycy uważają za piękną matematykę, złośliwie komentuje pani Hossenfelder. W fizyce przełomowe odkrycia w rozwoju teorii pochodzą raczej z rozwiązywania matematycznych niespójności niż pięknych i "kompletnych" modeli.
Pomimo tych trzeźwych napomnień wciąż wysuwane są nowe propozycje teorii wszystkiego, takie jak np. opublikowana w 2007 r. praca Garretta Lisi "Wyjątkowo prosta teoria wszystkiego". Ma ona właśnie tę cechę, przed którą przestrzega prof. Hossenfelder, jest piękna i daje się ładnie pokazać za pomocą przyjemnej dla oka wizualizacji (4). Teoria ta, nazywana E8, utrzymuje, że kluczem do zrozumienia Wszechświata jest obiekt matematyczny w kształcie symetrycznej rozety.
Lisi stworzył tę strukturę poprzez umieszczenie podstawowych cząstek na wykresie uwzględniającym zarazem znane oddziaływania fizyczne. Powstała z tego złożona ośmiowymiarowa struktura matematyczna składająca się z 248 punktów. Każda z tych kropek to cząstki o różnych właściwościach. Na diagramie jest pewna grupa cząstek o specyficznych właściwościach, których "brakuje". Przynajmniej część z tych "brakujących" ma teoretycznie coś wspólnego z grawitacją, wypełniając lukę między mechaniką kwantową i ogólną teorią względności.
Zatem fizycy muszą pracować, aby wypełnić "rozetę Lisiego". Jeśli to się uda, to co się stanie? Wielu sarkastycznie odpowiada, że nic szczególnego. Po prostu ładny obrazek zostałby dokończony. Konstrukcja ta może być w tym sensie cenna, gdyż obrazuje nam, jakie w rzeczywistości byłyby konsekwencje skompletowania "teorii wszystkiego". Być może, w sensie praktycznym, znikome.
Mirosław Usidus
