Popularna Teorija struna, koja je dugo godina smatrana najboljim kandidatom za opisivanje svih poznatih fizičkih stanja, prema mnogim stručnjacima doživljava krizu
Tekst: Darko Donevski
Da bi rešili problem koji onemogućava da se definiše Teorija svega, naučnici su osmislili Teoriju struna. Ona tačkaste objekte kakve analizira čestična fizika (na primer kvarkove), zamenjuje jednodimenzionalnim objektima – strunama. Naučnici su dugo ovu teoriju smatrali najboljim kandidatom za opisivanje svih poznatih fizička stanja u konačnom matematičkom obliku.
Za opis ove popularne teorije mogu se iskoristiti zvuci koje prave žice na gitari. U zavisnosti od toga koliko su jako pritisnute i od kakvog materijala načinjene, žice će proizvoditi različite muzičke tonove. Iako revolucionarna i obećavajuća, Teorija struna po mnogima poslednjih godina doživljava veliku krizu.
Mala i velika skala
Kosmos kakav poznajemo danas može se podeliti na strukture koje su izgrađene na malim i velikim skalama. Kada bismo zaronili u mikroskale našeg svemira, u njemu bismo našli elementarne čestice. Kvantna teorija polja odlično opisuje ponašanje tih najmanjih delova materije, ali ima jedan nedostatak: funkcionalna je u slučaju kada je gravitaciona sila zanemarljiva.
S druge strane, strukture koje sačinjavaju velike skale poput zvezda, galaksija, grupa galaksija i svega između što nalazimo u univerzumu, mogu se objasniti Ajnštajnovom Opštom teorijom relativnosti. Problem nastaje kada pokušamo da spojimo te dve važne teorije. Rezultat za sada izostaje.
Čini se da se jaz između kvantne i relativističke fizike mora premostiti jer objedinjavanje ta dva teorijska modela može dovesti do odgovora na pitanje kako se ponašao svemir kada je bio tek rođen, uzavreo i gust, sa svim silama koje su (bar se tako smatra) bile ujedinjene.
U teoriji struna govori se o pobuđenim stanjima elementarnih struna. U idealnom slučaju, jedno od tih vibracionih stanja biće pridruženo čestici koja je odgovorna za prenos gravitacione sile. Na taj način bi teorija struna bila u osnovi onoga što se u kosmologiji zove „kvantna gravitacija“. Takav fizički model mogao bi da objasni šta se dešavalo u prvim trenucima rađanja univerzuma, svega nekoliko milijarditih delova sekunde nakon Velikog praska, u epohi poznatoj pod imenom Plankova era.
Treba istaći i da su naučnici iz Srbije dali važan doprinos primeni i razvoju teorije struna: Mihailo Čubrović je 2009. godine objavio rad u časopisu Science iz oblasti koja povezuje strune sa kvantnom fizikom kondenzovanog stanja. Nemanja Kaloper, profesor na Univerzitetu Dejvis, u Kaliforniji, aktivno se bavi rešavanjem primordijalnih kosmoloških problema.
Mnogi njegovi radovi uvode i porede efekte kosmologije struna sa „klasičnom“ kosmologijom, naročito kada je u pitanju tamna energija, pomalo misteriozna sila koja uslovljava da se naš univerzum ubrzano širi i koja sačinjava više od 70 odsto ukupnog kosmičkog inventara.
Problem previše rešenja
Klasičan pristup pokušaju da se dve važne teorije (kvantna i teorija relativnosti) ujedine, nije doneo rezultate, iako su na tom problemu radili veliki umovi poput Ajnštajna i Hokinga. Strune su donele novu ideju, potpuno rušeći mit o intuitivnoj percepciji prostora u kom egzistiramo. U odnosu na Ajnštajnovo prostor-vreme koje je sačinjeno od tri prostorne i jedne vremenske dimenzije, teorija struna zahteva dodatne dimenzije da bi njena matematička rešenja bila validna.
Tako su se tokom prethodnih decenija rodile njene različite varijante u zavisnosti od broja dimenzija kojima raspolažu: od desetodimenzionalne teorije superstruna do bozonske teorije struna koja daje rešenje za čak 26 dimenzija. Ljudi veoma teško mogu da vizualizuju takvu sliku, sa dimenzijama koje se u pojedinim situacijama stapaju i formiraju zatvorene petlje. Zbog toga je ponuđena Teorija brana, modifikacija osnovne teorije kao pokušaj da se elegantnije objasni ceo fenomen.
Prema toj teoriji, naš četvorodimenzionalni prostor je samo podskup višedimenzionalnog prostora, a sile imaju svoju jačinu u zavisnosti od toga da li su proizašle iz otvorenih ili zatvorenih struna. Međutim, mnogo je problema koji prate ideju o strunama, zbog čega se stiče utisak da je ona u velikoj krizi. Ričard Fajnman, nobelovac i jedan od najznačajnijih fizičara 20. veka, otvoreno ju je kritikovao jer je eksperimentalno izuzetno teško dokaziva, a povrh svega, broj matematičkih rešenja je prevelik da bi se čitava teorija smatrala kvalitetnom.
Da stvari budu još teže, u osnovi teorije struna nalazi se supersimetrija, vrsta prostorno-vremenske simetrije koja svakoj čestici pridružuje njenog „supersimetričnog partnera“. Preciznije govoreći, ona predviđa da svakom bozonu (čestici koja prenosi silu), korespondira jedan fermion (čestica koja stvara materiju). I pored nekih nagoveštaja koji su dolazili sa eksperimenta Velikog hadronskog sudarača u CERN-u, dokazi za postojanje supersimetričnih čestica za sad su samo indirektni.
Iako veliki broj naučnika veruje da će se takva čestica u CERN-u brzo detektovati, mnogi strahuju da bi u suprotnom ishodu Teorija struna ostala samo jedna lepa teorija koja nije dobila svoju potvrdu. Kroz diskusije sa stručnjacima koji se aktivno bave teorijom i primenom struna može se zaključiti da ona otvara vrata i za veliku naučno-filozofsku diskusiju o tome šta je to što određuje da neka teorija bude prihvaćena kao tačna, ukoliko nemamo aktuelne eksperimentalne kapacitete da to učinimo i da li treba teoriju odbaciti samo zato što u konkretnom trenutku nemamo tehnološku sposobnost da je empirijski dokažemo? Koliko dugo bismo čekali u slučaju negativnog odgovora?
Za i protiv
Konrad Šalm je istraživač koji se bavi fizikom struna na Lorencovom institutu u Lajdenu. Jedan je od vodećih evropskih istraživača u toj oblasti i pokušava da spoji predviđanja koja ova teorija daje u oblasti kosmologije sa budućim posmatračkim projektima iz te oblasti. Naročito je znatiželjan za mogućnosti primene teorije na rešavanje problematike perturbacija gustine koje su u inflatornom svemiru (etapi razvoja svemira koji je doveo do njegovog naglog širenja) uticale na stvaranje signala kosmičke pozadine, detektovanog kao „otisak prsta“ ranog univerzuma. Za ovo otkriće dodeljena je Nobelova nagrada 2006. američkim astronomima Materu i Smutu.
Njegova ideja je da buduće kosmološke probe mogu da dokažu ono što teorija struna predviđa – ukoliko su efekti njihovih vibracija dovoljno dugog trajanja, oni tada mogu da načine temperaturne razlike u kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini (tačkice različite boje na mapi svemira koju je snimio teleskop PLANCK). Za projekte u oblasti kosmologije struna, holandski naučnici su dobili nacionalnu podršku za istraživanja u narednih pet godina.
Druga grupa koja se aktivno bavi ovim pitanjem, u Groningenu, ima za cilj da reši problem jednačine stanja vakuuma, kako bi opisali na koji način tamna energija dominira našim univerzumom. Ivon Zavala jedna je od naučnika koji rade u toj grupi, i ona smatra da je teorija struna u krizi u meri u kojoj ljudi ne mogu da prihvate postojanje neintuitivnih teorija, kao što je to prvobitno bio slučaj sa inflacijom ili relativnošću.
Pored navedenih činjenica, znameniti teorijski fizičari širom sveta zameraju da sama teorija struna i nema prava svojstva da bude nazvana teorijom, s obzirom na to da nije tačno definisano kakav matematički formalizam treba koristiti, niti su jasno definisani njeni fundamentalni principi. Veliki hadronski sudarač, kao i teleskop PLANCK, koji je snimao anizotropiju u kosmičkom pozadinskom zračenju (zračenju koje je poteklo iz svemira kada je sredina postala prvi put dovoljno retka da ga propusti), nisu dali dokaze za bilo kakvu fiziku izvan postojećeg standardnog modela.
Velikani nauke i kosmologije, poput Džordža Elisa i Lize Rendal, smatraju da bezbroj varijacija teorije struna od kojih svaka predviđa drugačiji multiverzum, ne mogu biti naučno prihvaćene, jer nemamo nikakve mogućnosti da dokažemo njihovo postojanje, a neki idu čak i dalje nazivajući je pseudonaukom. Da li je to naznaka velikog razdora u teorijskoj i posmatračkoj kosmologiji 21. veka?
I, ako jeste, da li i šta nauka u svom osnovnom obliku treba da menja da bi brže dovela do odgovora na fundamentalna pitanja poput problema početnih uslova u svemiru i stvaranja gravitacione sile. Do tada, teorija struna još živi, jer po rečima njenog najvećeg zagovornika Edvarada Vitena, ona je pokušaj da se priroda razume dublje i dalje od dosadašnjih konvencionalnih puteva – strunu treba pustiti da vibrira i na taj način ćemo svi zajedno bolje razumeti muziku kosmosa.