Didžioji Visatos simfonija

Žinoma, pasaulį sudarančios stygos vargiai primena mūsų įsivaizduojamas. Stygų teorijoje stygomis vadinamos neįtikėtinai maži energijos siūlai. Šie siūlai veikia primena mažutėlaites gumytes, galinčias visaip vingiuoti, ištįsti ir susitraukti. Tačiau visa tai nereiškia, kad jomis neina „sugroti“ Visatos simfonijos, juk, anot stygų teorijos kūrėjų, iš šių „siūlų“ viskas ir susideda.

Fizikos prieštaros

Antroje XIX a. pusėje fizikams atrodė, kad moksle nieko rimto atrasti jau nebegalima. Klasikinė fizika manė, kad rimtų problemų jai jau neliko, o visa pasaulio sandara atrodė kaip idealiai suderinta ir prognozuojama mašina. Bėda, kaip sakoma, kilo dėl niekniekio – vieno mažučio „debesėlio“, temdžiusio vaiskų, suprantamą mokslo dangų. O būtent, – skaičiuojant absoliučiai juodo kūno (hipotetinis kūnas, bet kurioje temperatūroje sugeriantis visą į jį krintantį spinduliavimą, nepaisant bangos ilgio – NS). Skaičiavimai rodė, kad bendra bet kurio absoliučiai juodo kūno spinduliavimo energija turi būti be galo didelė. Norėdamas išvengti tokio akivaizdaus absurdo, vokiečių fizikas Maxas Planckas 1900 metais iškėlė mintį, kad regimoji šviesa, rentgeno spinduliai ir kitos elektromagnetinės bangos gali išspinduliuojamos tik tam tikromis, apibrėžtomis, diskretiškomis energijos porcijomis, kurias jis pavadino kvantais. Pasinaudojus šia idėja, atskirą absoliučiai juodo kūno spinduliavimo problemą išspręsti pavyko. Tačiau kvantų hipotezės pasekmės determinizmui dar nebuvo suvoktos. O tada, 1926 m., kitas vokiečių mokslininkas, Werneris Heisenbergas, suformulavo žymųjį neapibrėžtumo principą.

Iš esmės jis reiškia, kad, kitaip, nei iki tol buvo tvirtinama, gamta riboja mūsų gebėjimą prognozuoti ateitį, remiantis fizikos dėsniais. Kalbama, savaime suprantama, apie subatominių dalelių ateitį ir dabartį. Paaiškėjo, kad jos elgiasi visai kitaip, nei mus supantys makropasaulio objektai. Subatominiam lygyje erdvės audinys tampa nelygus ir chaotiškas. Mažų dalelyčių gyvenimas toks audringas ir nesuprantamas, kad, prieštarauja sveikam protui. Jame erdvė ir laikas tokie iškreipti ir persipynę, kad jame nėra mums tokių įprastų sąvokų, kaip „kairė“ ir „dešinė“, „viršus“ ir „apačia“, ir netgi „iki“ ir „po to“. Negalima tvirtai pasakyti, kuriame konkrečiai erdvės taške konkrečiu momentu yra ta ar kita dalelė, ir koks tuo momentu jos impulso momentas. Egzistuoja tik dalelės egzistavimo daugybėje erdvėlaikio sričių tikimybė. Subatominiu lygmeniu dalelės lyg „išteptos“ po erdvę. Negana to, nėra apibrėžtas ir pats dalelių „statusas“: vienose situacijose jos elgiasi kaip bangos, kitose – demonstruoja dalelių savybes. Fizikai tai vadina kvantų mechanikos (KM) korpuskuliniu banginiu dualizmu.

Bendrojoje reliatyvumo teorijoje, lyg valstybėje su priešingais įstatymais, reikalai iš principo kitokie. Erdvė čia primena batutą – lygų audinį, kurį gali išlenkti ir ištempti masę turintys objektai. Jie deformuoja erdvėlaikį – šią deformaciją mes jaučiame kaip gravitaciją. Ar verta sakyti, kad darni, taisyklinga ir prognozuojama BRT niekaip nesuderinama su „nenuspėjama chuligane“ – kvantų mechanika, ir iš čia išplaukia, kad makropasaulis su mikropasauliu negali draugauti. Štai čia pagalbon ir atskuba stygų teorija.

Visko teorija

Stygų teorija įkūnija visų fizikų puoselėjamą, dviejų iš esmės prieštaraujančių viena kitai GRT ir KM teorijų suvienijimo, svajonę, kuri iki paskutinių dienų ramybės nedavė didžiausiajam „čigonui ir bastūnui“ Albertui Einšteinui.

Daugelis mokslininkų įsitikinę, kad viską, nuo gracingo galaktikų šokio iki beprotiškos subatominių dalelių pasiutpolkės, galima paaiškinti vos vienu fundamentaliu fizikos principu. Gali būti, netgi vienu dėsniu, apjungiančiu visas energijos, dalelių ir sąveikų rūšis kokia nors elegantiška formule.

BRT aprašo vieną iš žinomiausių Visatos jėgų – gravitaciją. KM aprašo likusias tris jėgas: atomų branduoliuose protonus ir neutronus suklijuojančią stipriąją branduolinę sąveiką, elektromagnetizmą ir silpnąją branduolinę sąveiką, dalyvaujančią radioaktyviame skilime. Bet kuris įvykis, nuo atomo jonizacijos iki žvaigždės gimimo, aprašomas materijos sąveika per šias keturias jėgas. Naudojant sudėtingą matematiką, pavyko įrodyti, kad elektromagnetizmo ir silpnosios branduolinės sąveikos prigimtis bendra, ir taip apjungti jas į elektrosilpnąją. Vėliau prie jų prisijungė ir stiprioji branduolinė sąveika – o štai gravitacija prie jų niekaip nenori šlietis. Stygų teorija – viena iš rimčiausių visų keturių sąveikų apjungimo, o tai reiškia, ir visus Visatos reiškinius aiškinančios, teorijos kandidačių – ne veltui ją vadina „Visko teorija“.

Pradžioje buvo mitas

Iki šiol toli gražu ne visi fizikai žavisi stygų teorija. O atsiradimo apyaušryje ji atrodė be galo tolima nuo realybės. Pats jos gimimas – legenda.

XX a. septintojo dešimtmečio pabaigoje jaunas italų fizikas teoretikas Gabriele'is Veneziano ieškojo lygčių, kurios galėtų paaiškinti stipriąją branduolinę sąveiką – nepaprastai galingus „klijus“, sutvirtinančius atomų branduolius, į vieną suklijuojančius protonus ir neutronus. Pasak legendos, jis netyčia aptiko dulkėtą matematikos istorijos knygą, kurioje rado dviejų šimtmečių senumo lygtį, kurią pirmą kartą užrašė šveicarų matematikas Leonhardas Euleris. Kaip gi stebėjosi Veneziano aptikęs, kad Eulerio lygtis, ilgai laikyta vien matematikos įdomybe, aprašo tą stipriąją sąveiką.

Kaip buvo iš tiesų? Lygtis, veikiausiai, buvo ilgo Veneziano darbo metų rezultatas, o atsitiktinumas tik padėjo žengti pirmąjį žingsnį link stygų teorijos atradimo. Eulerio lygtis, nuostabiai aprašiusi stipriąją sąveiką, pradėjo naują gyvenimą.

Galų gale ją pastebėjo jaunas amerikiečių fizikas – teoretikas Leonardas Susskindas, kuris išvydo, kad formulė aprašo neturinčias vidinės struktūros ir galinčias vibruoti daleles. Šios dalelės elgėsi taip, kad negalėjo būti tiesiog taškinėmis dalelėmis. Susskindas suprato – formulė aprašo siūlą, primenantį tamprią gumelę. Ji galėjo ne tik išsitempti ir susitraukti, bet ir banguoti, vingiuoti. Aprašydamas savo atradimą, Susskindas pristatė revoliucinę stygų idėją.

Deja, didžioji dauguma jo kolegų šią teoriją sutiko gan šaltai.

Standartinis modelis

Tuo laiku mokslas įsivaizdavo daleles kaip taškus, o ne kaip stygas. Fizikai daug metų tyrė subatominių dalelių elgesį, įgreitindami jas ir sutrenkdami, bei tyrinėdami šių susidūrimų pasekmes. Paaiškėjo, kad Visata daug turtingesnė, nei buvo galima įsivaizduoti. Tai buvo tikras elementariųjų dalelių „demografinis sprogimas. Aukštųjų fizikos mokyklų aspirantai bėgiojo koridoriais šaukdami, kad atrado naują dalelę, – jų pavadinimui nebeužteko raidžių.

Bet, deja, naujų dalelių „gimdyklose“ mokslininkai taip ir nesugebėjo rasti atsakymo į klausimą – kodėl jų tiek daug ir iš kur jos randasi?

Tai pastūmėjo fizikus link neįprastos ir stulbinančios prognozės – jie suprato, kad gamtoje veikiančias jėgas taip pat galima paaiškinti dalelėmis. Tai yra, egzistuoja materijos dalelės, o yra dalelių, pernešančių sąveikas. Tokie, pavyzdžiui, yra fotonai – šviesos dalelės. Kuo daugiau šių dalelių–pernešėjų, šiuo atveju, fotonų, kuriais mainosi materijos dalelės, tuo ryškesnė šviesa. Mokslininkai spėjo, kad būtent šis mainymasis dalelėmis-pernešėjomis ir yra tai, ką suvokiame kaip jėgą. Šį spėjimą patvirtino eksperimentai. Taip fizikams pavyko pasistūmėti link Einšteino svajonės apjungti visas sąveikas, įgyvendinimo.

Mokslininkai mano, kad persikėlę į momentą iškart po Didžiojo sprogimo (DS), kai visata buvo trilijonus kartų karštesnė, elektromagnetizmo ir silpnosios branduolinės sąveikos dalelių-pernešėjų negalėtume atskirti, nes jos apsijungusios į vieną jėgą, vadinamą elektrosilpnąją. O prisigretinus prie DS momento dar arčiau, elektrosilpnoji sąveika apsijungtų su stipriąja į vieną „superjėgą“.

Nežiūrint to, kad viską dar reikėjo įrodyti, KM staiga paaiškino, kaip subatominiame lygyje sąveikauja trys iš keturių fundamentaliųjų jėgų. Be to, paaiškino gražiai ir neprieštaringai. Šis darnus sąveikų vaizdas galiausiai buvo pavadintas Standartiniu modeliu. Deja, šioje tobuloje teorijoje žiojėjo didelė spraga – ji neaprašė žymiausios makropasaulio jėgos – gravitacijos.

O kodėl manoma, kad gravitacija paklūsta kvantų mechanikos dėsniams? Už tokio manymo „pagrindimą“ 2011 m. buvo įteikta Nobelio premija fizikos srityje. Tai paremta faktu, kad Visatos plėtimasis ne lėtėja, kaip manyta anksčiau, o atvirkščiai – spartėja. Šis greitėjimas aiškinamas veikimu ypatingos „antigravitacijos“, būdingos kosminiam vakuumui. Antra vertus, kvantiniu lygmeniu nieko visiškai tuščio būti negali – vakuume nuolat atsiranda ir tuoj pat išnyksta subatominės dalelės. Toks dalelių mirgėjimas, spėjama, ir sukuria antigravitacišką tamsiąją energiją, pripildančią tuščią erdvę.

Savo laiku būtent A. Einšteinas, iki gyvenimo galo taip ir nepripažinęs kvantų mechanikos (kurią pats ir numatė) paradoksalių principų, prognozavo tokios energijos formos egzistavimą. Laikydamasis aristoteliškos klasikinės graikų filosofijos savo tikėjimu pasaulio amžinumu, Einšteinas nenorėjo tikėti, tuo, ką prognozavo jo paties teorija, o konkrečiai, kad Visata turi pradžią. Norėdamas „įamžinti“ pasaulį, Einšteinas į savo teoriją netgi įterpė kosmologinę konstantą ir taip aprašė tuščios erdvės energiją. Laimei, po keleto metų išaiškėjo, kad Visata – visai ne sustingusi forma, o plečiasi. Tada Einšteinas atsisakė kosmologinės konstantos, pavadinęs ją „didžiausia savo gyvenimo klaida“.

Dabar mokslas išsiaiškino, kad tamsioji energija visgi egzistuoja, nors jos tankis daug mažesnis, nei spėjo Einšteinas (beje, tamsiosios energijos tankis, – viena iš didžiausių dabartinės fizikos mįslių). Tačiau, kad ir kokia kosmologinė konstanta bebūtų maža, jos visiškai pakanka įsitikinimui, kad gravitacijoje kvantų efektai egzistuoja.

Subatominės matrioškos

Nepaisant nieko, devintojo dešimtmečio pradžioje, stygų teorijoje dar buvo neišspręstų prieštarų, moksle vadinamų anomalijomis. Schwarzas ir Greenas ėmėsi jų šalinimo. Jų pastangos nenuėjo veltui: mokslininkams pavyko pašalinti kai kurias teorijos prieštaras. Ir jų, jau pripratusių prie savo teorijos nuleidimo negirdomis, nustebimui nebuvo krašto, kai mokslo bendruomenės reakcija sudrebino visą mokslo pasaulį. Per nepilnus metus stygų teoretikų gretos pradėtos skaičiuoti šimtais. Būtent tada stygų teorijai suteiktas Visko teorijos titulas. Atrodė, naujoji teorija gali aprašyti visas pasaulio sudedamąsias dalis. Štai tos dedamosios.

Kaip žinia, kiekvienas atomas susideda iš dar mažesni dalelių – elektronų, kurie skrieja apie branduolį, sudarytą iš protonų ir neutronų. Protonai ir neutronai savo ruožtu, susideda iš dar mažesnių dalelių – kvarkų. Tačiau stygų teorija tvirtina, kad kvarkais reikalas nesibaigia. Kvarkus sudaro mažutėlaičiai vingiuoti energijos siūlai, primenantys stygas. Kiekviena iš tų stygų neįsivaizduojamai maža. Tokia maža, kad jei atomą padidintume iki Saulės sistemos matmenų, styga būtų sulig medžiu. Lygiai, kaip violončelės stygos vibracijos sukuria tai, ką girdime kaip skirtingas natas, įvairūs stygos virpėjimo būdai (modos), suteikia dalelėms jų unikalias savybes – masę, krūvį ir kita. Žinote kuo skiriasi, tarkime, jūsų nago galiuko protonai nuo dar neatrastų gravitonų? Tik trumpiausių juos sudarančių stygų rinkiniu ir jų virpėjimu.

Žinoma, visa tai labai nuostabu. Dar nuo Senovės Graikijos laikų fizikai buvo pripratę, kad viskas šiame pasaulyje sudaryta iš kažko, panašaus į rutuliukus, mažų dalelių. Ir še tau, kad nori, nespėjus priprasti prie nelogiško KM numatomo tų rutuliukų elgesio, siūloma visiškai atsisakyti šios paradigmos ir operuoti kažkokiais spagečių gabalėliais…

Penktasis matmuo

Nors daugelis mokslininkų vadina stygų teoriją matematikos triumfu, kai kurios problemos vis dar lieka – visų pirma, nėra jokios galimybės artimiausiu metu patikrinti jos eksperimentiškai. Nė vienas instrumentas pasaulyje, nei egzistuojantis, nei galintis atsirasti perspektyvoje, stygų „pamatyti“ negali. Todėl kai kurie mokslininkai netgi kelia klausimą: stygų teorija yra fizikos ar filosofijos teorija?‥ Tiesa, „pamatyti“ stygas visai nebūtina. Stygų teorijos įrodymui reikia ko kito – kas skamba kaip mokslinė fantastika – papildomų erdvės matmenų egzistavimo patvirtinimo.

Kas tai yra? Esame pripratę prie trijų erdvės matmenų ir ketvirto – laiko matmens. Tačiau stygų teorija numato ir kitų, papildomų matmenų egzistavimą. Bet pradėkime iš eilės.

Iš tiesų papildomų matmenų egzistavimo idėja kilo mažne prieš šimtą metų. Ji atėjo tada dar nežinomam vokiečių matematikui Theodorui Kaluza'ai 1919 metais. Jis iškėlė mintį apie mūsų Visatoje egzistuojantį dar vieną, nematomą, matmenį. Šią idėją išgirdo A. Einšteinas, ir iš pradžių ji labai jam patiko. Tačiau vėliau suabejojo jos teisingumu, ir sulaikė Kaluza'o publikaciją net porai metų. Straipsnis, tiesa, galų gale buvo paskelbtas, o papildomas matmuo tapo savotišku fizikos genijaus žaisliuku.

Kaip žinia, Einšteinas parodė, kad gravitacija yra ne kas kita, kaip erdvėlaikio matmenų deformacija. Kaluza spėjo, kad elektromagnetizmas taip pat gali būti raibuliai. Kodėl mes jo neregime? Kaluza rado atsakymą į šį klausimą – elektromagnetizmo raibuliai gali egzistuoti papildomame, neregimame matmenyje. Bet kur jis

Atsakymą į šį klausimą pateikė švedų fizikas Oskaras Benjaminas Kleinas, kuris spėjo, kad penktasis Kaluza\os matmuo susuktas milijardus kartų stipriau, nei atomo matmenys, tad ir negalime jo matyti. To mažo penktojo matmens, esančio visur aplink, egzistavimas ir yra stygų teorijos pagrindas.

Dešimt matmenų

Bet iš tiesų stygų teorijos lygtims reikia netgi ne vieno, o šešių papildomų matmenų (iš viso, drauge su mums pažįstamais keturiais, jų lygiai 10). Visų jų forma labai susukta ir sudėtingai kreiva. Ir visi jie – neįsivaizduojamai maži.

Ir kokį gi poveikį tokie nedidukai matmenys gali daryti mūsų dideliam pasauliui? Pagal stygų teoriją, lemiamą: čia viską lemia forma. Spausdami skirtingus saksofono klavišus, keičiate muzikinio instrumento vidaus, kur cirkuliuoja oras, formą. Taip randasi skirtingi garsai.

Stygų teorija teigia, kad panašiai pasireiškia papildomi erdvės matmenų išlinkimai ir pasisukimai. Šių papildomų matmenų formos sudėtingos ir įvairios, ir kiekviena verčia jų viduje esančias stygas vibruoti skirtingai būtent dėl savo formų. Juk, tarkime, vienai stygai vibruojant ąsotyje, o kitai – lenkto pašto trimito viduje, vibracijos bus visiškai skirtingos. Beje, pagal stygų teoriją papildomų matmenų formos daug sudėtingesnės už ąsočio.

Kaip surėdytas pasaulis

Mokslas dabar žino skaičius, kurie yra Visatos fundamentalios konstantos. būtent jos apsprendžia supančio pasaulio savybes ir charakteristikas. Tai tokios konstantos, kaip, pavyzdžiui, elektrono krūvio dydis, gravitacinė konstanta, šviesos greitis vakuume… Ir jei šios skaičius netgi nežymiai pakeisime, – pasekmės bus katastrofiškos. Pavyzdžiui, kas nutiktų, jei sustiprintume elektromagnetinę sąveiką? Staiga išvystume, kad jonai ėmė stipriau vienas nuo kitą stumti ir žvaigždes verčianti skleisti šviesą ir šilumą termobranduolinė sintezė staiga nutrūko. Visos žvaigždės užgestų.

O kaip tai susiję su stygų teorija ir jos papildomais matmenimis? Reikalas tas, kad pagal ją, būtent papildomi matmenys apsprendžia tikslias fundamentalių konstantų reikšmes. Vienos matmenų formos verčia stygą vibruoti vienaip, ir sukuria tai, ką matome kaip fotoną, kitose formose stygos vibruoja kitaip, ir sukuria elektroną – būtent šios mažutės formos ir apsprendžia visas esmines šio pasaulio konstantas.

Superstygų teorija

Praėjusio amžiaus devintojo dešimtmečio viduryje stygų teorija įgavo didybę ir darną, tačiau šio monumento viduje viešpatavo painiava. Vos per keletą metų radosi net penkios stygų teorijos versijos. Ir nors visos rėmėsi stygomis ir papildomais matmenimis (visos penkios versijos apjungtos į superstygų teoriją – NS), ši versijų detalės smarkiai skyrėsi.

Vienose versijose stygų galai buvo laisvi, kitose – priminė žiedus. O kai kuriems teorijos variantams reikėjo ne 10, o netgi 26 matmenų. Paradoksalu, bet visas penkias versijas dabar galima pavadinti vienodai tikėtinomis. Tačiau kuri iš jų aprašo mūsiškę Visatą? Tai dar viena stygų teorijos mįslė. Būtent todėl daug fizikų vėl numojo ranka į „beprotiškąją“ teoriją.

Tačiau pati pagrindinė stygų problema, kad, kaip jau buvo minėta, neįmanoma (bent jau kol kas), įrodyti jų egzistavimo eksperimentiškai.

Tačiau kai kurie mokslininkai užsimena, kad naujos kartos greitintuvuose bus minimali, tačiau visgi galimybė, patikrinti papildomų matmenų hipotezę. Nors dauguma, aišku, įsitikinę, kad jei ir įmanoma, tai, deja, galėtų atsitikti dar labai negreit – mažiausiai po kelių dešimtmečių, daugiausiai – netgi po šimtmečio.