Феномени

Криза Теорије струна

Популарна Теорија струна, која је дуго година сматрана најбољим кандидатом за описивање свих познатих физичких стања, према многим стручњацима доживљава кризу

Текст: Дарко Доневски

Да би решили проблем који онемогућава да се дефинише Теорија свега, научници су осмислили Теорију струна. Она тачкасте објекте какве анализира честична физика (на пример кваркове), замењује једнодимензионалним објектима – струнама. Научници су дуго ову теорију сматрали најбољим кандидатом за описивање свих познатих физичка стања у коначном математичком облику.

За опис ове популарне теорије могу се искористити звуци које праве жице на гитари. У зависности од тога колико су јако притиснуте и од каквог материјала начињене, жице ће производити различите музичке тонове. Иако револуционарна и обећавајућа, Теорија струна по многима последњих година доживљава велику кризу. 

Мала и велика скала

Космос какав познајемо данас може се поделити на структуре које су изграђене на малим и великим скалама. Када бисмо заронили у микроскале нашег свемира, у њему бисмо нашли елементарне честице. Квантна теорија поља одлично описује понашање тих најмањих делова материје, али има један недостатак: функционална је у случају када је гравитациона сила занемарљива.

С друге стране, структуре које сачињавају велике скале попут звезда, галаксија, група галаксија и свега између што налазимо у универзуму, могу се објаснити Ајнштајновом Општом теоријом релативности. Проблем настаје када покушамо да спојимо те две важне теорије. Резултат за сада изостаје.

Чини се да се јаз између квантне и релативистичке физике мора премостити јер обједињавање та два теоријска модела може довести до одговора на питање како се понашао свемир када је био тек рођен, узаврео и густ, са свим силама које су (бар се тако сматра) биле уједињене.

У теорији струна говори се о побуђеним стањима елементарних струна. У идеалном случају, једно од тих вибрационих стања биће придружено честици која је одговорна за пренос гравитационе силе. На тај начин би теорија струна била у основи онога што се у космологији зове „квантна гравитација“. Такав физички модел могао би да објасни шта се дешавало у првим тренуцима рађања универзума, свега неколико милијардитих делова секунде након Великог праска, у епохи познатој под именом Планкова ера.

Треба истаћи и да су научници из Србије дали важан допринос примени и развоју теорије струна: Михаило Чубровић је 2009. године објавио рад у часопису Science из области која повезује струне са квантном физиком кондензованог стања. Немања Калопер, професор на Универзитету Дејвис, у Калифорнији, активно се бави решавањем примордијалних космолошких проблема.

Многи његови радови уводе и пореде ефекте космологије струна са „класичном“ космологијом, нарочито када је у питању тамна енергија, помало мистериозна сила која условљава да се наш универзум убрзано шири и која сачињава више од 70 одсто укупног космичког инвентара.

Проблем превише решења

Класичан приступ покушају да се две важне теорије (квантна и теорија релативности) уједине, није донео резултате, иако су на том проблему радили велики умови попут Ајнштајна и Хокинга. Струне су донеле нову идеју, потпуно рушећи мит о интуитивној перцепцији простора у ком егзистирамо. У односу на Ајнштајново простор-време које је сачињено од три просторне и једне временске димензије, теорија струна захтева додатне димензије да би њена математичка решења била валидна.

Тако су се током претходних деценија родиле њене различите варијанте у зависности од броја димензија којима располажу: од десетодимензионалне теорије суперструна до бозонске теорије струна која даје решење за чак 26 димензија. Људи веома тешко могу да визуализују такву слику, са димензијама које се у појединим ситуацијама стапају и формирају затворене петље. Због тога је понуђена Теорија брана, модификација основне теорије као покушај да се елегантније објасни цео феномен.

Према тој теорији, наш четвородимензионални простор је само подскуп вишедимензионалног простора, а силе имају своју јачину у зависности од тога да ли су произашле из отворених или затворених струна. Међутим, много је проблема који прате идеју о струнама, због чега се стиче утисак да је она у великој кризи. Ричард Фајнман, нобеловац и један од најзначајнијих физичара 20. века, отворено ју је критиковао јер је експериментално изузетно тешко доказива, а поврх свега, број математичких решења је превелик да би се читава теорија сматрала квалитетном.

Да ствари буду још теже, у основи теорије струна налази се суперсиметрија, врста просторно-временске симетрије која свакој честици придружује њеног „суперсиметричног партнера“. Прецизније говорећи, она предвиђа да сваком бозону (честици која преноси силу), кореспондира један фермион (честица која ствара материју). И поред неких наговештаја који су долазили са експеримента Великог хадронског сударача у ЦЕРН-у, докази за постојање суперсиметричних честица за сад су само индиректни.

Иако велики број научника верује да ће се таква честица у ЦЕРН-у брзо детектовати, многи страхују да би у супротном исходу Теорија струна остала само једна лепа теорија која није добила своју потврду. Кроз дискусије са стручњацима који се активно баве теоријом и применом струна може се закључити да она отвара врата и за велику научно-филозофску дискусију о томе шта је то што одређује да нека теорија буде прихваћена као тачна, уколико немамо актуелне експерименталне капацитете да то учинимо и да ли треба теорију одбацити само зато што у конкретном тренутку немамо технолошку способност да је емпиријски докажемо? Колико дуго бисмо чекали у случају негативног одговора?

За и против

Конрад Шалм је истраживач који се бави физиком струна на Лоренцовом институту у Лајдену. Један је од водећих европских истраживача у тој области и покушава да споји предвиђања која ова теорија даје у области космологије са будућим посматрачким пројектима из те области. Нарочито је знатижељан за могућности примене теорије на решавање проблематике пертурбација густине које су у инфлаторном свемиру (етапи развоја свемира који је довео до његовог наглог ширења) утицале на стварање сигнала космичке позадине, детектованог као „отисак прста“ раног универзума. За ово откриће додељена је Нобелова награда 2006. америчким астрономима Матеру и Смуту.

Његова идеја је да будуће космолошке пробе могу да докажу оно што теорија струна предвиђа – уколико су ефекти њихових вибрација довољно дугог трајања, они тада могу да начине температурне разлике у космичкој микроталасној позадини (тачкице различите боје на мапи свемира коју је снимио телескоп PLANCK). За пројекте у области космологије струна, холандски научници су добили националну подршку за истраживања у наредних пет година.

Друга група која се активно бави овим питањем, у Гронингену, има за циљ да реши проблем једначине стања вакуума, како би описали на који начин тамна енергија доминира нашим универзумом. Ивон Завала једна је од научника који раде у тој групи, и она сматра да је теорија струна у кризи у мери у којој људи не могу да прихвате постојање неинтуитивних теорија, као што је то првобитно био случај са инфлацијом или релативношћу.

Поред наведених чињеница, знаменити теоријски физичари широм света замерају да сама теорија струна и нема права својства да буде названа теоријом, с обзиром на то да није тачно дефинисано какав математички формализам треба користити, нити су јасно дефинисани њени фундаментални принципи. Велики хадронски сударач, као и телескоп PLANCK, који је снимао анизотропију у космичком позадинском зрачењу (зрачењу које је потекло из свемира када је средина постала први пут довољно ретка да га пропусти), нису дали доказе за било какву физику изван постојећег стандардног модела.

Великани науке и космологије, попут Џорџа Елиса и Лизе Рендал, сматрају да безброј варијација теорије струна од којих свака предвиђа другачији мултиверзум, не могу бити научно прихваћене, јер немамо никакве могућности да докажемо њихово постојање, а неки иду чак и даље називајући је псеудонауком. Да ли је то назнака великог раздора у теоријској и посматрачкој космологији 21. века?

И, ако јесте, да ли и шта наука у свом основном облику треба да мења да би брже довела до одговора на фундаментална питања попут проблема почетних услова у свемиру и стварања гравитационе силе. До тада, теорија струна још живи, јер по речима њеног највећег заговорника Едварада Витена, она је покушај да се природа разуме дубље и даље од досадашњих конвенционалних путева – струну треба пустити да вибрира и на тај начин ћемо сви заједно боље разумети музику космоса.

ФЕНОМЕНИ

Зашто је небо плаво? Због чега лишће постаје жуто у јесен? Где настаје снег, а где Сунчеве олује додирују Земљу? Наука са лакоћом објашњава свакодневицу – потребно је само да се запитате.

Истражите текстове из рубрике ФЕНОМЕНИ.

Истражите друге текстове:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

ЦПН
Улица краља Петра 46
11000 Београд
Република Србија
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs