Stygos (Konkursinis straipsnis)

Mokslo žinioms gausėjant visatos aiškinimai tampa vis sudėtingesni ir keistesni – kai kurie skamba taip panašiai į mokslinės fantastikos scenarijų, kad net sunku paaiškinti, ką jie mums sako apie tikrovę. Vienas tokių – stygų teorija. Ji populiari – bent jau šį žodžių junginį dauguma yra girdėję – ir bando paaiškinti visa ko prigimtį. Kodėl žmonija ją sugalvojo ir ar ji mums padeda suprasti visatą? Ar tai tik bevertė idée fixe, kurią reikėtų mesti lauk?

Norėdami iki galo suprasti realybę, žiūrėjome į viską iš labai arti ir stebėjomės plika akimi nematomu pasauliu. Stebuklingi kraštovaizdžiai dulkėse, zoologijos sodai keistų padarėlių, sudėtingi baltymų robotai... Visi jie sudaryti iš molekulinių struktūrų, kurios savo ruožtu sudarytos iš begalybės dar mažesnių dalelių – atomų. Manėme, kad atomai – paskutinis realybės sluoksnis. Jų egzistavimą numatė jau senovės graikai: V a. pr. Kr. gyvenęs Demokritas sakė, kad visata sudaryta ir nedalomų dalelių (graikiškai ἄτομος – nepadalinamas) ir tuštumos. Dar pačioje XX a. pradžioje stebėjomes atomų pasauliu, kol nepamatėme, kad į švino atomų branduolius atsitenkę kosminiai spinduliai, tai yra, didelės energijos atomų branduolių srautai, skildavo į daugybę mažesnių už atomus dalelių.Taip atradome daleles, kurios tikrai nebegali būti padalintos į dar mažesnes, todėl pavadinime jas elementariosiomis. Bet tada iškilo problema: elementariosios dalelės tokios mažos, kad jų negalėjome matyti net stipriausiais mikroskopais.

Dabar verta stabtelėti ir apsvarstyti bendresnius dalykus. Kas yra matymas? Kad mes kažką pamatytume, reikia šviesos – elektromagnetinės bangos. Ji atsitrenkia į daikto paviršių ir yra to paviršiaus atspindima į mūsų akis. Banga iš objekto atneša informaciją, kurią smegenys naudoja nuotraukai sukurti. Taigi neįmanoma objekto matyti be jokios sąveikos su juo. Matymas tam tikra prasme yra lytėjimas. Tai – aktyvus, o ne pasyvus procesas. Tad kodėl nematome elementariųjų dalelių net pasitelkę mikroskopą? Tiesiog jos tokios mažos, kad net elektromagnetinės bangos, kurias gebame matyti, yra per didelės, kad jas paliestų. Matoma šviesa tiesiog praeina pro šalį. Mes galime pabandyti tai išspręsti sukurdami žymiai mažesnio bangos ilgio elektromagnetinę bangą. Tačiau mažesnis bangos ilgis reiškia daugiau energijos. Taigi, kai daug energijos turinti banga palies dalelę, dalelė pakis. Vadinasi, žiūrėdami į dalelę mes ją pakeičiame. Todėl neįmanoma tiksliai nustatyti elementariųjų dalelių. Šis faktas yra toks svarbus, kad net turi savo pavadinimą – Heizenbergo neapibrėžtumo principas. Tai – kvantinės fizikos fundamentalus pagrindas.

Tad kaip tos dalelės atrodo? Kokia yra jų prigimtis? Nežinome. Žinome tik tiek, kad jos egzistuoja. O iš kur galime žinoti? Pirma pastebėta elementarioji dalelė – elektronas, kurį 1897 m. atpažino J. J. Thomsonas. 1928 m. reliatyvistinė P. A. M. Diraco kvantinė teorija numanė, kad egzistuoja teigiamai įkrautas elektronas, kitaip – pozitronas. Kadangi buvo labai sunku paaiškinti beta skilimą, 1930 m. gimė neutrino hipotezė, o 1934 m. jo egzistavimas buvo teoriškai patvirtintas, nors faktiškai jį aptiko tik 1956 m. Į sąrašą taip pat buvo įtraukta kita dalelė: fotonas, kurį A. Einšteinas pirmą kartą pasiūlė 1905 m. kaip savo fotoefekto teorijos dalį. Kitos aptiktos dalelės buvo susijusios su bandymais paaiškinti protonų ir neutronų sąveiką atomo branduolyje. Tačiau kaip galima atlikti matematinius skaičiavimus susijusius su elementariosiomis dalelėmis, jeigu mes jų nematome? Padarėme tai, ką žmonės visada daro, ir sukūrėme naują pasakojimą apie visatą – matematinę fantastiką. Tai istorija apie taškinę dalelę. Tarkime, kad dalelė yra taškas erdvėje, pasižymintis tam tikra elektros iškrova ir mase. Tokiu, pavyzdžiui, laikomas elektronas. Šitaip fizikai gali daleles apibrėžti ir apskaičiuoti galimas jų sąveikas. Tai vadinama kvantinio lauko teorija. Ši teorija išsprendė daug problemų, ja paremtas standartinis dalelių fizikos modelis, o jis labai tiksliai prognozuoja daugelį dalykų. Kai kurios kvantinės savybės buvo išbandytos ir jų tikslumo paklaida yra vos 0,0000000000002 %. Taigi nors dalelės nėra taškai, elgiantis su jomis taip, tarsi būtų, pavyksta susidaryti neblogą visatos vaizdą. Ši idėja ne tik pastūmėjo mokslą pirmyn, ji taip pat paskatino įvairiausių technologijų, kurias naudojame kasdien, raidą.

Tačiau šiame, rodos, daugybę dalykų paaiškinančiame modelyje yra didžiulė problema – gravitacija. Kvantinės mechanikos požiūriu visas fizikines jėgas neša tam tikros dalelės. Bet, anot Alberto Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos, gravitacija nėra jėga kaip visos kitos visatos jėgos. Jeigu visatą įsivaizduotume kaip spektaklį, dalelės būtų aktoriai, o gravitacija – scena. Paprastai kalbant, gravitacija yra geometrijos teorija. Čia kalbama apie paties erdvėlaikio – distancijų, kurias mums reikia aprašyti absoliučiai tiksliai – geometriją. Bet kvantiniame pasaulyje tiksliai apskaičiuoti, kaip jau sakėme, yra neįmanoma, tad gravitacija nedera su kvantinio lauko teorija. Kai fizikai bandė mąstyti apie gravitaciją kaip apie dar vieną dalelę standartiniame modelyje, jiems nebepavyko nieko apskaičiuoti. Jeigu būtų įmanoma sukurti teoriją, kurioje gravitacija veiktu išvien su kvantine mechanika ir standartiniu modeliu, tokia teorija apimtų absoliučiai viską. Ji paaiškintų visatos prigimtį.

Todėl labai protingi žmonės, kaip Werner Heisenberg ir kiti prisidėjo prie naujosios teorijos kurimo. Jie sugalvojo naują pasakojimą. Jie paklausė savęs: kas yra sudėtingesnis už tašką? Linija arba styga. Taip gimė stygų teorija, kurią perpratę galime atrakinti Didžiojo sprogimo paslaptis. Einšteino lygtys nebeveikia Didžiojo sprogimo metu ir juodosios skylės viduryje. Dvi įdomiausios vietos visatoje mums nepasiekiamos skaičiuojant pagal Einšteino lygtis. Stygų teorija nukelia mus į tai, kas vyko prieš Didįjį sprogimą. Stygų teoriją itin elegantišką padaro tai, kad ji elementariųjų dalelių gausybę ir skirtumus paaiškina kaip skirtingus stygos vibravimo režimus. Taip, kaip vibruojanti smuiko styga gali išgauti daug skirtingų garsų, taip iš skirtingai vibruojančios kvantinio pasaulio stygos gali atsirasti skirtingos dalelės. Bet šiame aiškinime svarbiausia, kad į jį nesunkiai patenka ir gravitacija. Stygų teorija suteikė galimybę sujungti visas pagrindines visatos jėgas į vieną modelį. Tai fizikų bendruomenėje sukėlė didžiulį susijaudinimą ir džiaugsmą. Ši teorija greitai tapo žinoma kaip galima viską paaiškinanti teorija.

Dėja, stygų teorija irgi turi savų trūkumų ir kelia daugybę klausimų. Didžioji matematikos dalis, apimanti nuoseklią stygų teoriją, neveikia mūsų tris erdvės ir vieną laiko matmenį turinčioje visatoje. Kad stygų teorija veiktų, turėtų būti bent dešimt matmenų. Papildomi erdviniai matmenys teoriškai suglaudžiami, nes jie yra per maži, kad būtų galima juos tiesiogiai stebėti. Todėl matematiniai apribojimai šiuo metu palaiko stygų teorijas, turinčias 10, 11 arba 26 matmenis. Be to, iš stygų teorijos išplaukia, kad yra daug visatų, o ne viena. Kodėl? Kad tai suprastume, reikia pabandyti išsiaiškinti, iš kur kilo Didysis sprogimas. Einšteino lygtys sukuria vaizdą, kad mes esame vabzdžiai, įkalinti ant milžiniško muilo burbulo, kuris nuolat plečiasi. Stygų teorija teigia, kad tokių burbulų daugialypėje visatoje turėtų egzistuoti daugiau. Susidūrusios dvi visatos suformuoja naują, o kai visata pasidalina pusiau, ji gali sukurti dvi naujas visatas. Manoma, kad Didysis sprogimas įvyko būtent visatų susidūrimo arba dalinimosi metu. Taigi stygų teoriją palaikantys mokslininkai bandė matematiškai skaičiuoti pasitelkę simuliacines visatas. Jie bandė atsikratyti šešiais papildomais stygų teorijai veikti reikalingais matmenimis ir paaiškinti mūsų visatą. Tačiau tai dar niekam nepavyko ir jokie stygų teorijos spėliojimai nebuvo eksperimentiškai įrodyti.

Taigi stygų teorija neatskleidė visos tikrosios visatos prigimties. Būtų galima sakyti, kad ji nenaudinga. Mokslo pagrindas juk yra hipotezės ir eksperimentai. Jeigu eksperimentuoti nepavyksta, kodėl turėtume rūpintis stygomis? Bet iš tiesų svarbiausia, kaip mes šią elegantišką teoriją panaudosime. Fizikos pamatas – matematika. Du plius du lygu keturi. Tai tiesa, ir visai nesvarbu, kaip dėl to jaučiatės. Bet matematika stygų teorijoje neveikia. Būtent čia slypi priežastis, kodėl ši teorija naudinga. Įsivaizduokite, kad norite sukonstruoti kruizinį laivą, bet turite tik mažos valtelės brėžinius. Yra daug skirtumų: variklis, medžiagos, dydis. Bet ir valtis, ir laivas iš esmės yra du kūnai, kurie plaukia. Taigi išstudijavę mažos valtelės brėžinius, vis tiek sužinosite ką nors, kas pravers bandant konstruoti laivą. Remdamiesi stygų teorija, galime pabandyti atsakyti į porą klausimų apie kvantinę gravitaciją, kuri fizikams ramybės nedavė dešimtmečius. Be to, šitaip aiškesni pasidarytų ir kiti klausimai, tokie kaip juodosios skylės informacijos paradoksas arba kas vyksta juodosiose skylėse.

Stygų teorija galėtų pakreipti mūsų mąstymą teisinga linkme. Kai ją tinkamai taikome, ji tampa svarbiu įrankiu fizikams teoretikams ir padeda jiems atrasti naujų kvantinio pasaulio aspektų bei netgi šiek tiek stulbinančios matematikos. Tad galbūt stygų teorija visko nepaaiškina ir nepateikia mums baigtinio pasakojimo apie visatą. Tačiau kaip ir pasakojimas apie taškinę dalelę, ji gali papasakoti svarbių ir naudingų dalykų. Mes dar nežinome, kokia yra visatos prigimtis, bet nesustosime kurti naujų pasakojimų, padedančių suprasti vis naują visatos prigimties aspektą.

Džiugas Balčiūnas, Vilniaus Abraomo Kulviečio klasikinė gimnazija, 9 al klasė

Šaltiniai:

https://www.infoplease.com/encyclopedia/science/physics/concepts/elementary-particles/the-discovery-of-elementary-particles

https://science.howstuffworks.com/atom-smasher.htm

https://science.howstuffworks.com/nuclear.htm

https://lt.wikipedia.org/w/index.php?title=Kosminiai_spinduliai&oldid=5602695

https://www.youtube.com/watch?v=kYAdwS5MFjQ

https://www.youtube.com/watch?v=Da-2h2B4faU&t=277s

https://www.reference.com/science/invented-string-theory-4fcceafe7413f4f5

https://en.wikiversity.org/wiki/Why_10_dimensions