TEORIJA STRUNA

Brajan Grin o teoriji struna [TED]

Predavanja, Savremena fizika

by Dušan Pavlović

Preporučujemo vam da pogledate jedno fantastično TED predavanje o teoriji struna. Predavač je čuveni teorijski fizičar i jedan od najpoznatijih fizičara teorije struna, Brajan Grin, koji je, između ostalog, i autor knjige Elegantni kosmos.

On u ovom predavanju govori o dodatnim prostornim dimenzijama i strunama kao tankim nitima koje u tim dimenzijama vibriraju i tako stvaraju sve čestice i sve sile u Univerzumum, tj. govori o teoriji struna kao objedinjujućoj teoriji koja može da da odgovor na pitanje zašto je Univerzum takav kakav jeste.

http://www.viva-fizika.org/brajan-grin-o-teoriji-struna-ted/

Filip Kiš i Janko Mihelić su preveli ovo predavanje na hrvatski pa na video snimku možete odabrati opciju za hrvatski prevod. A taj isti tekst možete pročitati i ovde:
_______
Godine 1919. praktički nepoznat njemački matematičar po imenu Theodor Kaluza iznio je vrlo odvažnu i, na neki način, bizarnu ideju. Rekao je da bi naš svemir mogao imati više od tri dimenzije koje svi poznajemo. Pored lijevo, desno, naprijed, nazad i gore, dolje, Kaluza je predložio da bi mogle postojati dodatne prostorne dimenzije koje iz nekog razloga još ne vidimo. Naime, kada netko iznese odvažnu i bizarnu ideju, ona je nekad samo to — odvažna i bizarna, ali nema nikakve veze sa svijetom oko nas. Međutim, ova ideja — iako još ne znamo je li valjana ili ne, a na kraju ću razmotriti pokuse koji bi nam u sljedećih nekoliko godina, mogli reći je li valjana ili ne — ova ideja imala je veliki utjecaj na fizičare u prošlom stoljeću i nadalje nadahnjuje mnoga najnaprednija istraživanja.

Stoga bih vam htio ispričati nešto o ovim dodatnim dimenzijama. Dakle, kamo idemo? Za početak trebamo malo pozadine. Idemo u 1907. To je godina kad Einstein uživa slavu otkrivši specijalnu teoriju relativnosti i odlučuje prihvatiti se novog zadatka: — potpuno shvatiti gravitaciju, tu veliku silu koja prožima sve. U to doba mnogi ljudi misle da je taj zadatak već riješen. Newton je podario svijetu teoriju gravitacije krajem 17. stoljeća koja dobro funkcionira, objašnjava gibanje planeta, gibanje mjeseca, gibanje jabuka koje padaju sa stabala, udarajući ljude po glavi. Sve to se može opisati pomoću Newtonova djela.

Ali Einstein je shvatio da je Newton izostavio nešto iz cijele priče, jer je čak i Newton napisao da iako je shvatio kako izračunati utjecaj gravitacije, nije uspio shvatiti kako ona ustvari funkcionira. Kako to da Sunce, udaljeno 150 milijuna km, nekako utječe na gibanje zemlje? Kako Sunce prodire kroz prazan i trom prostor i vrši utjecaj? I to je zadatak koji si je Einstein zadao — shvatiti kako funkcionira gravitacija. Dopustite da vam pokažem što je otkrio. Einstein je otkrio da je sâm prostor medij koji prenosi gravitaciju. Ideja je sljedeća: zamislite da je prostor podloga svega što postoji.

Einstein kaže da je prostor ravan ako na njemu nema nikakve materije. Ali ako postoji materija u prostoru, kao što je Sunce, ona uzrokuje zakrivljenost prostora. I to prenosi silu gravitacije. Čak i Zemlja zakrivljuje prostor oko sebe. Sad pogledajte Mjesec. Prema ovoj teoriji, Mjesec ostaje u orbiti jer se kotrlja po udolini u zakrivljenom prostoru koju Sunce, Mjesec i Zemlja mogu stvoriti svojom prisutnošću. Sad pogledajmo cijelu sliku. Sama Zemlja ostaje u orbiti jer se kotrlja po udolini u prostoru koji je zakrivljen zbog Sunčeve prisutnosti. To je nova ideja kako ustvari djeluje gravitacija.

Naime, ova ideja je testirana 1919. astronomskim opažanjima. Zaista djeluje. Opisuje opažanja. I time je Einstein stekao ugled diljem svijeta. I to je navelo Kaluzu na razmišljanje. On je, kao i Einstein, bio u potrazi za tzv. “objedinjenom teorijom”. Radi se o teoriji koja bi sama mogla opisati sve prirodne sile pomoću jednog skupa ideja, jednog skupa principa, takoreći jedne glavne formule. Stoga je Kaluza zaključio, Einstein je uspio opisati gravitaciju u odnosu na uvijanje i zakrivljenje prostora — točnije, prostora i vremena. Možda ja mogu napraviti isto s drugom poznatom silom, koja je u to vrijeme bila poznata kao elektromagnetska sila. Danas znamo i za druge, ali u ono doba to je bila jedina druga o kojoj su ljudi razmišljali. Znate, sila odgovorna za struju, magnetsku privlačnost i slično.

I tako Kaluza kaže, možda i ja mogu napraviti isto i objasniti elektromagnetsku silu pomoću uvijanja i zakrivljenosti. To je postavilo pitanje uvijanje i krivljenje čega? Einstein je već iskoristio prostor i vrijeme, uvijanje i krivljenje, da opiše gravitaciju. Kao da nije ništa više ostalo za uvijanje i krivljenje. I tako Kaluza kaže, možda postoji više dimenzija prostora. Rekao je, ako želim opisati još jednu silu, možda mi treba još jedna dimenzija. Zamislio je da svijet ima četiri prostorne dimenzija, a ne tri, i da je elektromagnetizam uvijanje i krivljenje u toj četvrtoj dimenziji. Pazite sad ovo: kad je napisao formulu koja opisuje uvijanje i krivljenje u svemiru s četiri prostorne dimenzije, a ne tri, dobio je stare formule koje je Einstein već izveo u tri dimenzije — za gravitaciju — ali je dobio još jednu formulu zbog dodatne dimenzije. I kad je pogledao tu formulu, to nije bila ništa drugo nego formula za koju su znanstvenici već dugo znali da opisuje elektromagnetsku silu. Zadivljujuće — samo se pojavila. Bio je toliko uzbuđen svojim otkrićem da je trčao oko kuće vičući “Pobjeda!” — što je otkrio objedinjenu teoriju.

Naravno, Kaluza je bio čovjek koji vrlo ozbiljno shvaća teoriju. On, zapravo — postoji priča da je, kad je htio naučiti plivati, pročitao knjigu, raspravu o plivanju — i zatim zaronio u ocean. On je čovjek koji bi riskirao svoj život prema teoriji. Ali za one među nama koji su više praktičnog uma, iz ovih promatranja odmah proizlaze dva pitanja. Prvo: ako je više dimenzija u prostoru, gdje su? Izgleda da ih ne vidimo. I drugo: djeluje li ova teorija doista precizno, kad ju primijenimo na svijet oko nas? Na prvo pitanje odgovor je dao 1926. mladić zvan Oskar Klein. On je iznio ideju da se dimenzije mogu pojavljivati u dvije varijante — dimenzije mogu biti velike, lako vidljive, ali mogu biti i male, uvijene, uvijene tako sitno da ih, iako su svuda oko nas, ne možemo vidjeti.

Dopustite da vam to prikažem vizualno. Zamislite da gledate u nešto kao kabel koji drži semafor. Nalazi se u Manhattanu. Vi ste u Central Parku — nebitno je — ali kabel izdaleka izgleda jednodimenzionalno, ali i vi i ja znamo da ima određenu debljinu. Koju je, doduše, teško vidjeti izdaleka. Ali ako se približimo i pogledamo iz perspektive, recimo, malog mrava koji hoda okolo — mravi su tako mali da mogu pristupiti svim dimenzijama — dimenziji dužine, ali također i smjeru kazaljke na satu i obrnuto. Nadam se da cijenite ovo. Dugo nam je trebalo da nagovorimo mrave da ovo izvedu.

Ali to ilustrira činjenicu da postoje dvije vrste dimenzija: velike i male. I ideju da su možda velike dimenzije oko nas one koje lako možemo vidjeti, ali da također postaje dodatne, uvrnute dimenzije, poput kružnog dijela kabela, tako sitne da su do sada bile nevidljive. Dopustite da vam pokažem kako bi to izgledalo. Ako pogledamo, recimo, prostore — na ekranu mogu, naravno, prikazati samo dvije dimenzije. Neki od vas ovdje će riješiti taj problem jednog dana, ali sve što na ekranu nije ravno je nova dimenzija, postaje sve manja, i manja, i manja i u mikroskopskoj dubini samog prostora — ovo je ideja: nalaze se dodatne, uvinute dimenzije.

Evo jedne u obliku malog kruga — tako je malen da ga ne možemo vidjeti. Ali da ste mikroskopski mrav koji hoda naokolo, mogli biste hodati u velikim dimenzijama koje svi znamo — to je nešto kao rešetkasti dio — ali mogli biste pristupiti i maloj, uvinutoj dimenziji koja je toliko sitna da je ne možemo vidjeti golim okom, pa čak ni našom najrazvijenijom opremom. Ali duboko u građi samog svemira, kao što smo vidjeli, ideja kaže da bi moglo postojati još dimenzija. Dakle, to je objašnjenje kako svemir može imati više dimenzija nego što ih vidimo. Ali što je s drugim pitanjem koje sam postavio: djeluje li teorija kad se primijeni na stvarni svijet?

Pa, pokazalo se da su Einstein i Kaluza i mnogi drugi pokušavali usavršiti ovaj idejni okvir i primijeniti ga na fiziku svemira kako je bila shvaćena u to doba, ali to nije funkcioniralo u detaljima. Na primjer, na razini detalja nisu uspjeli postići da masa elektrona točno funkcionira u ovoj teoriji. Mnogo ljudi je radilo na tome, ali do 40-ih, a svakako 50-ih godina ova čudna, ali vrlo privlačna ideja — kako ujediniti zakone fizike — je nestala. Dok se nije desilo nešto čudesno u naše doba. U našoj eri, novi pristup unificiranju zakona fizike razvijaju fizičari poput mene, i mnogi drugi diljem svijeta. Zove se teorija superstruna, kao što se dalo naslutiti. I ono što je predivno je da teorija superstruna na prvi pogleda nema nikakve veze s idejom o više dimenzija, ali kad proučavamo teoriju superstruna, otkrivamo da oživljuje tu ideju u blistavom novom ruhu.

Stoga mi dopustite da vam kažem kako glasi. Teorija superstruna — što je to? To je teorija koja pokušava odgovoriti na pitanje: što su osnovni, nedjeljivi, sastojci koji sačinjavaju sve na svijetu oko nas? Ideja je sljedeća. Zamislite da gledamo poznati predmet, svijeću u svijećnjaku, i zamislite da želimo otkriti od čega se sastoji. Stoga krenemo na putovanje duboko u taj predmet i proučimo njegov sastav. Svi znamo da, ako odemo dovoljno duboko, nalazimo atome. Znamo i to da atomi nisu kraj priče. Imaju male elektrone koji kruže oko centralne jezgre sastavljene od neutrona i protona. Čak i neutroni i protoni imaju u sebi sitnije čestice, kvarkove. I tu tradicionalne ideje završavaju.

Evo nove ideje o teoriji struna. U dubini tih čestica, postoji još nešto. To nešto je žareća nit energije. Izgleda kao vibrirajuća struna — odatle ideja o teoriji struna. I kao što vibrirajuće strune, koje ste upravo vidjeli kod čela, mogu vibrirati na različite načine, tako i ove mogu vibrirati po različitim uzorcima. One ne proizvode različite muzičke note, već različite čestice koje sačinjavaju svijet oko nas. Stoga, ako su ove ideje točne, ovako izgleda ultra mikroskopski krajolik svemira. Sastoji se od velikog broja malih, sitnih niti vibrirajuće energije, koje vibriraju na različitim frekvencijama. Različite frekvencije stvaraju različite čestice. Različite čestice su odgovorne za svo bogatstvo na svijetu oko nas.

I tu se vidi objedinjenost, jer čestice materije, elektroni i kvarkovi, radijacijske čestice, fotoni, gravitoni, svi su građeni od jednog jedinog entiteta. Stoga su sva materija i sve prirodne sile svrstane zajedno u skupinu vibrirajućih struna. I to smatramo objedinjenom teorijom. Međutim, postoji kvaka. Kad se proučava matematika teorije struna, pokazuje se da ne funkcionira u svemiru koji ima samo tri prostorne dimenzije. Ne funkcionira niti u svemiru sa četiri prostorne dimenzije, niti pet, niti šest. Na kraju, proučavanje formula pokazuje da funkcionira samo u svemiru koje ima 10 prostornih dimenzija i jednu vremensku. I to nas vodi natrag do Kaluzine i Kleinove ideje da naš svijet, ispravno opisan, ima više dimenzija od onih koje vidimo.

Možete o tome razmišljati i reći, dobro, ako imamo dodatne dimenzija i one su čvrsto uvinute da, možda ih nećemo vidjeti ako su jako sitne. Ali ako postoji mala sitna civilizacija zelenih ljudi koja hoda tamo dolje, i ako su oni jako sitni, istina je, nećemo vidjeti ni njih. Jedno od drugih predviđanja teorije struna — ne, to nije jedno od drugih predviđanja teorije struna.

Ali postavlja se pitanje: pokušavamo li samo sakriti te dodatne dimenzije, ili nam one nešto govore o svijetu? U preostalom vremenu htio bih vam predstaviti dva njihova svojstva. Kao prvo, mnogi među nama vjeruju da ove dodatne dimenzije sadrže odgovor na možda najozbiljnije pitanje teorijske fizike, teorijske znanosti. A to pitanje glasi: kad pogledamo uokolo po svijetu, kao što znanstvenici rade zadnjih sto godina, čini se da postoji nekih 20 brojeva koji uistinu opisuju svemir. To su brojevi poput mase čestica, poput elektrona i kvarka, jačine gravitacije, jačine elektromagnetske sile — lista od dvadesetak brojeva koji su izmjereni s nevjerojatnom preciznošću, no nitko ne može objasniti zašto ti brojevi imaju baš tu vrijednost.

Nudi li teorija struna odgovor? Ne još. Ali vjerujemo da bi odgovor na pitanje zašto ti brojevi imaju vrijednosti koje imaju mogao ovisiti o obliku dodatnih dimenzija. I čudesna činjenica je da kad bi ti brojevi imali neku drugu vrijednost od ovih znanih, svemir kakav poznajemo ne bi postojao. Ovo je ozbiljno pitanje. Zašto su ti brojevi tako fino podešeni da omogućuju zvijezdama da sjaje i planetima da nastaju, kad shvaćamo da ako se poigramo s tim brojevima — kad bih ovdje imao 20 brojčanika i kad bih vam dao da smislite i poigrate se s tim brojevima, bilo kakvo poigravanje rezultiralo bi nestankom svemira. Dakle, možemo li objasniti tih 20 brojeva? Teorija struna sugerira da tih 20 brojeva ima veze s dodatnim dimenzijama. Dopustite da vam pokažem kako. Dakle, kad govorimo o dodatnim dimenzijama u teoriji struna, ne govorimo o jednoj dodatnoj dimenziji, kao u starim idejama Kaluze i Kleina. Evo što teorija struna kaže o dodatnim dimenzijama. Imaju bogato isprepletenu geometriju.

Ovo je primjer nečeg poznatog pod nazivom “oblik Calabi-Yau”, no ime i nije tako važno. Ali kao što možete vidjeti, dodatne dimenzije se savijaju same u sebe i isprepliću se u vrlo zanimljiv oblik, zanimljivu strukturu. Ideja je da ako dodatne dimenzije izgledaju ovako, onda bi mikroskopski krajolik svemira oko nas izgledao ovako u najsitnijem mjerilu. Kad zamahnete rukom, uvijek biste iznova prolazili kroz ove dodatne dimenzije, ali one su toliko male da toga ne biste bili svjesni. Koja je, dakle, fizikalna implikacija relevantna za tih 20 brojeva?

Razmislite o ovome: ako pogledate instrument, francuski rog, vidjet ćete da vibracije zraka ovise o obliku instrumenta. U teoriji struna, svi brojevi su odrazi načina na koje strune mogu vibrirati. Dakle, kao što su i ta strujanja zraka ovisna o zakrivljenosti instrumenta, i same strune će ovisiti o vibrirajućim uzorcima u geometriji unutar koje se gibaju. Dopustite da unesem malo struna u priču, Ako pogledate ove male “momke” koji vibriraju uokolo — sad će se pojaviti — evo ovdje, pogledajte kako način na koji vibriraju ovisi o geometriji dodatnih dimenzija.

Stoga, kad bismo točno znali kako te dodatne dimenzije izgledaju — još ne znamo, ali kad bismo znali — trebali bismo moći izračunati dozvoljene note, dozvoljene uzorke vibriranja. A kad bismo mogli izračunati dozvoljene uzorke vibriranja, trebali bismo biti u stanju izračunati onih 20 brojeva. I ako se rezultati koje dobijemo iz naših proračuna slažu s vrijednostima tih brojeva, koje su određene detaljnim i preciznim eksperimentiranjem, to bi na mnoge načine bilo prvo fundamentalno objašnjenje zašto je struktura svemira onakva kakva je. Nadalje, drugi problem, s kojim bih htio zaključiti, je: kako bismo izravnije mogli testirati postojanje dodatnih dimenzija? Je li to samo zanimljiva matematička struktura koja bi mogla objasniti prethodno neobjašnjiva svojstva svijeta, ili stvarno možemo testirati postojanje tih dodatnih dimenzija? Mislimo — i ovo je, po mom mišljenju, vrlo uzbudljivo — da bismo u sljedećih pet godina, ili tu negdje, mogli provjeriti postojanje tih dodatnih dimenzija.

to izgleda. U CERN-u, u Ženevi, u Švicarskoj, gradi se stroj nazvan veliki hadronski sudarač. To je uređaj koji će poslati čestice duž kružnog tunela, u obrnutim smjerovima, brzinom bliskom brzini svjetlosti. Svako malo čestice će biti usmjerene jedna prema drugoj tako da dođe do izravnog sudara. Ako sudar stvori dovoljno energije, možda izbaci neke ostatke sudara iz naših dimenzija i natjera ih da uđu u druge dimenzije. Kako ćemo to znati? Pa, izmjerit ćemo količinu energije nakon sudara, usporediti je s količinom prije, i ako nakon sudara energije bude manje nego prije to će biti dokaz da je energija nekamo otišla. I ako ode u pravom uzorku koji možemo izračunati, to će biti dokaz da postoje dodatne dimenzije.

Dopustite da vam pokažem tu ideju vizualno. Zamislite da imamo određenu česticu zvanu graviton — to je ostatak kakav očekujemo da bude izbačen ako dodatne dimenzije postoje. Evo kako bi eksperiment izgledao. Uzmete ove čestice. Međusobno ih sudarite. I, ako smo u pravu, nešto energije od sudara će otići u ostatak koji odleti u dodatne dimenzije. Dakle to je tip eksperimenta koji ćemo provoditi u sljedećih pet, sedam do 10 godina ili tu negdje. I ako ovaj eksperiment urodi plodom, ako budemo vidjeli izbacivanje takve čestice jer će biti manje energije u našoj dimenziji nego prije početka, pokazat će se da dodatne dimenzija stvarno postoje.

Za mene je to stvarno izvanredna priča i izvanredna prilika. Vraćanje Newtonu s apsolutnim prostorom — nije pružilo ništa osim pozornice na kojoj se odvijaju događaji svemira. Dolazi Einstein i kaže: prostor i vrijeme se mogu uvijati i kriviti, to je gravitacija. A sad dolazi teorija struna i kaže: da, gravitacija, kvantna mehanika, elektromagnetizam — sve je zajedno u jednom paketu, ali samo ako svemir ima više dimenzija nego što ih vidimo. Ovo je eksperiment koji bi to mogao provjeriti u toku našeg života. Čudesne mogućnosti. Hvala puno.   www.viva-fizika.org
_______