W sumie to powinniśmy winić za to starożytnych Greków – to oni to wszystko zaczęli. Pomysł wydawał się jak najbardziej sensowny. Jeśli zaczniemy kopać, będziemy mogli odkryć składowe naszej rzeczywistości – z czego ostatecznie składa się materia, jakie zasady rządzą jej zachowaniem. Kopiąc zatem dostatecznie głęboko, będziemy mogli sięgnąć złota – teorii w jaki sposób wszystko wokół nas działa.
W pewnym sensie, jako ludzie byliśmy w tym naprawdę dobrzy. Niesamowitości teorii kwantowych mogą nas wprowadzić w osłupienie, jednak standardowy model fizyki cząstek elementarnych, zbudowany na tym wszystkim z powodzeniem redukuje całość do zaledwie kilku fundamentalnych cząstek oraz działaniu jedynie trzech sił. Oszałamiająca umysł ogólna teoria względności dotycząca czasu i przestrzeni, prezentuje kosmologię, która z niesamowitą precyzją opisuje Wszechświat zdominowany przez czwartą siłę – grawitację. Owszem, na każdej z teorii można znaleźć rysy, jednak z pewnością będą one eliminowane z czasem jak jako cywilizacja poruszamy się na przód (spójrzcie na załączony diagram ? w języku angielskim, otwarcie w nowym oknie). Czy uda się stworzyć absolutnie doskonałą teorię, którą połączy obie z nich?
Zadając takie pytanie fizykom możemy narazić się na odpowiedzi w złym humorze. “Fizyka cząstek elementarnych jest w zasadzie w stanie w jakim była chemia z okresu Dmitriego Mendeleeva” – czyli podczas tworzenia układu okresowego pierwiastków, mówi David Deutsch z Uniwersytetu w Oxfordzie. “Udało się tym zaklasyfikować kilka rzeczy i stwierdzono, że istnieje jakaś podstawowa struktura, jednak nikt nie dał odpowiedzi czym jest ta struktura”.
Co jest istotne – teoria kwantowa oraz ogólna teoria względności pozostają fundamentalnie niezgodne. Nie stanowi to problemu jeśli chcemy użyć względności, aby opisać obiekty bardzo duże jak gwiazdy, galaktyki czy ogólnie kosmos. Również teoria kwantowa odpowiada wszystkim małym elementom, jak molekuły, atomy, cząsteczki subatomowe. Jednak aby w pełni zrozumieć Wszechświat musimy dowiedzieć się jak taki malutki, kosmiczny noworodek stał się tak duży. Zatem odwołując się do teorii Wielkiego Wybuchu potrzebujemy obu teorii współpracujących ze sobą. Podobnie jest z istnieniem czarnych dziur. Tak jak Stephen Hawking oraz Jacob Bekenstein wykazali w 1970, te potwory mogą zniszczyć informację, czyli coś co jest niemożliwe w teorii kwantowej.
Nawet coś tak podstawowego jak przestrzeń i czas podkreślają jak bardzo źle obie teorie się dogadują. W teorii względności czasoprzestrzeń jest jak gładki czterowymiarowy arkusz. Kwantowe teorie pola zadają kłam standardowemu modelowi sugerując, że przestrzeń jest zamknięta w jednostkach o wielkości około 10-35 metra (tzw. długość Plancka – w pętlowej grawitacji kwantowej to najmniejsza długość mająca sens fizyczny), a sam czas nie traktują jako coś realnego i nadającego się do obserwacji.
Fizycy zapytani o wybór pomiędzy tymi dwoma teoriami, w większości gotowi są postawić pieniądze na kwantową teorię, jako tę “właściwą”. Argumentują to faktem, że jej matematyka jest rodzajem udanego pryzmatu, przez który można oglądać świat. Aczkolwiek począwszy od Einsteina, wielu fizyków miało problem z teorią kwantową, która wydawała się im “nierealna” oraz przerażająca w swojej współintuicyjnej korelacji pomiędzy pozornie niepowiązanymi obiektami. Jeśli nie możemy znaleźć przekonującego, fizycznego powodu dlaczego te korelacje w ogóle istnieją, być może teoria kwantowa jest jedynie przybliżeniem do czegoś większego – tak niektórzy naukowcy argumentują swoje odczucia względem tej teorii.
Próby wyjścia tej formy impasu spowodowały zwrócenie się do matematycznych konceptów, takich jak symetria. Jednym z rezultatów jest supersymetria – teoria powszechnie uważana za stojącą za powstaniem teorii strun, która wydaje się obecnie najlepszym kandydatem na “ostateczną” teorię. Teoria strun zakłada, że przestrzeń ma ukryte dodatkowe wymiary. Powołuje symetrie osadzone w tych wymiarach w celu zakrzywienia energii w geometryczne kształty, wyglądające jak niektóre podstawowe cząstki elementarne lub naśladujące trójwymiarowe krzywe posiadające masę.
Teoria te wyprodukowała kilka wiarygodnych wyobrażeń cząstek, takich jak długo poszukiwany grawiton – cząstka elementarna, która nie ma masy, ani ładunku elektrycznego i przenosi oddziaływanie grawitacyjne. W ten sposób podejmuje się kroki w kierunku ujednolicenia obrazu wszystkich czterech sił natury w oparciu o podstawy teorii kwantowej. Jednak podobnie jak inne zaproponowane ramy dla teorii wszystkiego, ta również zawiera duży błąd. “Teoria strun przewiduje nowe rzeczy, jednak w większości nie są one do przetestowania, przynajmniej w przewidywalnej przyszłości”, mówi Paul Davies ze Stanowego Uniwersytetu Arizona w Temple.
Renate Loll z Uniwersytetu Radboud w Nijmegen, Holandia twierdzi, że ten fakt spowodował, że teoria wszystkiego po cichu zniknęła. “Przez moment możesz to dostrzec na papierze, szczególnie w okresie rozwoju teorii strun, jednak całkowicie obecnie wyszła ona z mody”. Chris Isham z londyńskiego Imperial College idzie jeszcze dalej. Teoria wszystkiego jest “przychologicznie przekonywująca”, jak sam mówi, jednak nie ma powodu, aby sądzić, że takowa istnieje lub że jesteśmy w stanie ją odnaleźć. Fakt, że jesteśmy w stanie zajść tak daleko z matematyką jest niezwykły, jednak nie oznacza to, że jesteśmy w stanie wykorzystać ją całkowicie do wszystkiego.
Jednym z problemów jest to, że matematyka przedstawia nieskończone możliwości, w których liczby i abstrakcyjne ilości mogą następować po sobie, jednak nie wskazuje na to co może leżeć poza nimi. “Matematyka ujawnia jedynie prawdę o abstrakcyjnych obiektach”, mówi Deutsch. “Fizyka nie tyle co stara się badać te obiekty, ale stara się dowiedzieć które z nich faktycznie mają odbicie w rzeczywistości”. Zakres czystej matematyki jaką znamy i którą wykorzystaliśmy do skonstruowania teorii fizyki, jest względnie niewielki.
Przykładowo wszystkie relacje pomiędzy cząsteczkami, polem, przestrzenią i czasem mogą być przedstawione przez podzbiór operacji matematycznych, które są do obliczenia z wykorzystaniem maszyny Turinga. “Nie wiemy dlaczego”, kontynuuje Deutsch. “To po prostu wydaje się być brutalnym faktem”. Zatem progres idący w kierunku znalezienia teorii wszystkiego może wymagać rozgałęzienia w rejony matematyki, które dzisiaj nie są uznawane za obliczalne.
Przeczucia jakie posiada osobiście sam Deutsch są jeszcze bardziej radykalne. Uważa on, że musimy porzucić ideę, która służy nam dobrze w ciągu ostatniego stulecia. Znaczy to, że jeśli zaczynamy od matematyki, to znajdziemy rzeczywistość która na nią odpowie. Zamiast tego musimy najpierw spojrzeć na problemy w naszym rozumieniu fizycznego Wszechświata – zaginionej materii we Wszechświecie lub dlaczego grawitacja jest znacznie słabszą siłą niż inne. Następnie należałoby sprawdzić jak zmieniony sposób naszego postrzegania świata może rozwiązać te problemy. “Trzeba będzie na nowo sformułować go matematycznie i spróbować go rozwiązać. To powinno być być dokonane w takiej właśnie kolejności”, twierdzi Deutsch. “Sporo zagadnień z fizyki teoretycznej stara się wykonać matematykę jako pierwszą, a w ten sposób to nigdy nie zadziała”.
Rodzi się zatem pytanie czy jest to wszystko warte wysiłku? Davies uważa, że tak – jednak tylko pod warunkiem jeśli stanie się dla nas jasne, że nawet jeśli fizycy zdefiniują teorię wszystkiego, to nie będzie ona zawierała odpowiedzi na wszystkie pytania. “To nie pomoże nam rozwiązać problemów z pochodzeniem życia czy naturą samej świadomości”, mówi naukowiec. Lisa Randall z Uniwersytetu Harward mówi o tym nawet bardziej dosadnie. “Nawet jeśli byśmy znali ostateczną teorię, to w jaki sposób mielibyśmy nią wyjaśnić fakt, że po prostu tu jesteśmy?”.
Mówi się, że największym powodem do kontynuowania poszukiwań nie jest cel sam w sobie, ale drogi jakie obierzemy, aby go osiągnąć. Nasze największe, zmieniające życie spojrzenia naukowe przyszły z prób uproszczenia fizyki i zebranie razem różnorakich obszarów rozumienia świata. James Clerk Maxwell połączył nasze rozumienie elektryczności i magnetyzmu, dostarczając teoretyczny fundament na którym zbudowano większość współczesnej technologii. Einstein zunifikował koncepty energii i masy ze swoim sławnym E=mc2 – dzięki czemu chociażby otworzono erę nuklearną. “Patrząc historycznie, te rzeczy zwykle nas do czegoś prowadziły“, mówi Davies.
Dla purystów takie podejście może zawierać zbyt wiele utylitaryzmu. Jednak każdy kto szuka ostatecznej teorii, sam siebie stawia w obliczu ryzyka wielkiego rozczarowania, jak mówi dalej Davies. Ponadto powstaje ryzyko powtórzenia błędu z XIX wieku, w którym uważano, że fizyka jest już kompletna. “Możesz pojawić się z jakimś niesamowitym schematem i teorią, można to później umieścić na witrażach, świętując cudowne osiągnięcie ludzkiego intelektu. Jednak wciąż zawsze pozostanie możliwość, że ktoś zaproponuje coś lepszego”.
Źródło: New Scientist Grafika: Garrett Lisi