Kodėl stygų teorija buvo neteisingai apkalbama – ir kaip ją patikrinti

Šio amžiaus pradžioje bakalauro studijose Josephas Conlonas vengė populiariojo mokslo samprotavimų apie stygų teoriją, kadangi norėjo užsiimti ja techniniu lygiu, be išankstinių nusistatymų. Tada buvo praėję keli metai nuo „antrosios stygų teorijos revoliucijos“, kai fizikos teoretikai manė galintys prisiartinti prie giliausių realybės klodų, gal netgi sukurti visko teoriją. Besigilinantį į matematiką Conloną tai pavergė.

Stygų teorijoje viskas sudaryta iš vienmačių stygų (žr. „Stygų teorija: Pagrindai“), ir dar prognozuoja esant didžiulį galimų visatų masyvą – 10⁵⁰⁰, jei kam įdomu. Ką apie tai bemanytumėte, galima sakyti, kad stygų teorija nepasiūlė patikrinamų prognozių, kurių daugelis tikėjosi. Dabar, ji turi nepatikrinamos, gal netgi nemokslinės teorijos reputaciją. Vienas stygų teorijos kritikas pavadino ją „netgi ne klaidinga“.

Tačiau dabar Oxfordo universitete fiziku dirbančiam Conlonui susižavėjimas šia teorija neišblėso. Stygų teorija, teigia jis, tebelieka potencialiu būdu suvienyti nesuderinamus gravitacijos ir kvantinės fizikos pasaulius, sukurti suvienytąją kvantinės gravitacijos teoriją. Be to, jis tvirtina, kad jo tiriama sritis buvo neteisingai apkalbama, ir kad ją atmetantys taiko dvigubus standartus. Jis netgi teigia, kad stygų teorija pateikia prognozes, kurias galėtume patikrinti būsimais astronominiais stebėjimais.

Čia Conlonas pasakoja New Scientist apie stygų teorijos džiaugsmus, kodėl ją nurašyti per anksti, ir kodėl vertėtų peržiūrėti vertingos mokslinės idėjos koncepciją.

Thomas Lewton:
– Kuo stygų teorija tokia patraukli?

Joseph Conlon:
– Pradėjus ją studijuoti, aiškėja, kad ten itin daug idėjų ir ši teorija atrodo automatiškai žinanti apie daugybę neįtikėtinų gamtos struktūrų. Kuriant teoriją, būtina, kad ji būtų nuosekli, kitaip tariant joje nebūtų vidinių matematinių prieštaravimų. Atrodo, kad ji tuoj sugrius – ir privalai dalykus atlikti tam tikru būdu, kad šių prieštaravimų išvengtum – bet, per plauką viskas pavyksta. Tai Auksaplaukės skaičiavimai. Žmonės tokį jausmą apibūdina fraze „stygų magija“.

Taigi, prie teorijos privalu artintis naudojant konkrečias struktūras. Bet tada paaiškėja, kad šioje matematikoje yra sužadinimai, labai primenantys dalelių klases, kurios yra dalelių fizikos standartiniame modelyje: „chiraliniai fermionai“, kurie yra elektronų analogai, ar „vektoriniai bozonai, kurie yra standartinio modelio W ir Z bozonų analogai ir taip toliau. Tai lyg spraudžiantis per siaurą tunelį, atsiveria milžiniška, deimantų kupina ertmė.

– Tai išties skamba jaudinamai! O tai iš kur idėja, kad stygų teoretikai pasuko ne ten?

– Ji randasi iš žmogiško troškimo pasakoti greitai pasibaigiančias sakmes apie herojus ir piktadarius. Bet spartaus ir vienareikšmio atsakymo į empirinius kvantinės gravitacijos klausimus viltis nėra pagrįsta. Energijos lygiai, kur tokios kvantinės gravitacijos teorijos, kaip stygų teorija, garantuotai veikia, yra daug didesnės, nei galime pasiekti dabartinėmis technologijomis, tokiomis, kai CERN LHC. Todėl pasakyti „taip, stygų teorija yra tikrai teisinga“ arba „ne, ji neabejotinai klaidinga“ yra labai sunku.

Stygų teorijos tikrinimo viešųjų ryšių reikalai niekam tikę. Pasakyti, kad atomai egzistuoja, buvo neįmanoma didžiąją žmonijos istorijos dalį – tai nereiškia, kad atomų idėja buvo neteisinga. Fizikos teoretika yra sunki ir čia dalykai gali užtrukti ilgai.

– Stygų teorijai priekaištaujama, kad ji apibūdina visas visatas, išskyrus mūsiškę. Mūsų visatos erdvėlaikio kreivis šiek tiek teigiamas, bet stygų teorija aprašo tik neigiamo kreivio visatas. Ar tai nėra rimta problema?

– Mažą teigiamą mūsų visatos kreivį sukelia nedidelė kosmoso vakuumo teigiama energija. Tai plačiai žinoma tamsioji energija. O tamsioji energija yra didžiausia atvira fizikos problema. Bandymus teoriškai paskaičiuoti šią „vakuumo energiją“ veikia kvantinės korekcijos, atsirandančios ir išnykstančios vakuume, kurios daug didesnės už stebimas reikšmes. Tad, iš tiesų, stygų teorija to teisingai neparodo, bet, kol kas šios problemos sprendimo nėra ir už stygų teorijos ribų.

Kaip bebūtų, stygų teorija stulbinamai tiksliai ir netikėtai aprašė kvantinę gravitaciją erdvėse su neigiama vakuumo energija. Tai vyksta dėl vadinamos AdS/CFT atitikties. Viena iš to kilusi įžvalga yra tai, kad kvantinės gravitacijos teorija, tarkime, penkiuose matmenyse, gali būti identiška negravitacinėms keturiuose matmenyse. Nors neigiamos vakuumo energijos mūsų visatoje nematome, man šių rezultatų gilumas suteikia užtikrintumą teorijos tvirtumu.

– O ką pasakytumėte apie mintį, kad stygų teorija turi praktiškai be galo daug sprendinių, tad, vėlgi, yra atsieta nuo realybės?

– Be galo daug sprendinių turi ir bendrasis reliatyvumas ir nesuskaitoma galybė kvantinio lauko teorijų. Sprendinių skaičius pats savaime nėra problema, kol mūsų visatai taikomi sprendiniai gali būti gauti, lyginant juos su aplinkiniu pasauliu. Stygų teorijos – ir kitų kvantinės gravitacijos paieškų būdų – keblumas yra potencialių sprendinių apribojimas stebėjimais. Skiriamuosius matavimus atlikti sunku, nes šios teorijos ima galioti neįtikėtinai aukštose energijose.

– Tai kaip galime patikrinti stygų teoriją?

– Stygų teoriją ir stebimą fiziką jungia daug ryšių. Tarkime, yra dalykų, kurie, jei būtų teisingi, būtų nuostabūs, kurie tikriausiai neteisingi, bet kuriuos gali pasisekti gauti. Pateiksiu pavyzdį: kosminės gijos yra hipotetinės, itin ilgos, grynos energijos gijos, keliaujančios beveik šviesos greičiu. Yra galimybė, kad šios kosminės gijos iš tiesų yra fundamentalios stygų teorijos stygos. Potencialiai jos gali būti įmanoma stebėti, nes jos iškreiptų erdvėlaikį ir iš tolimų galaktikų link mūsų sklindančią šviesą deformuotų taip, kad matytume savotišką dvigubą atvaizdą.

– Skamba labai neįtikėtinai…

– Yra dar kai kas. Stygų teorija yra 10-matmenų teorija, kas reiškia, kad jeigu ji teisinga, tuomet iš tiesų prie mums žinomų trijų, yra dar papildomi erdvės matmenys. Bet jeigu jų nematome, tuomet kur jie? Man šiuo atveju atrodo naudinga analogija su bandymu megzti, mūvint bokso pirštines. Megzti nepavyks, nes mastelis, kuriuo bandote tai atlikti, yra daug mažesnis nei esate jautrus, mūvėdami tokias didžiules pirštines. Bet tai nereiškia, kad mezgimas neįmanomas iš principo.

Stygų teorijos atveju tai reiškia, kad papildomi matmenys turi būti „sukompaktinti“, kitaip tariant, taip susukti iki tokio mažumo, kad negalime jų aptikti. Čia ir pasiekiame esmę. Atliekant tai matematiškai, aiškėja, kad tai reiškia daleles, vadinamų moduliais, kurių savybės būdingos papildomų matmenų dydžio ir formos charakteristikoms. Moduliai ypač įdomūs kosmologijos kontekste, nes gyvena labai ilgai, tad niekur nepradingsta ir potencialiai gali suteikti stebimas žymes.

– Ar sakote, kad galėtume ieškoti modulių?

– Taip, jie yra pavyzdžiai to, ką iš principo galėtume atlikti, ir jei pasiseks, rasti. Panašu, kad moduliai sukurti pirmąją sekundės dalį po didžiojo sprogimo, ir kadangi jie sąveikauja tik gravitaciškai, jie trumpam būtų išlikę gausiau, nei kitos dalelės. Sekundės dalelę visatos energija būtų daugiausiai modulių, kurių prigimtis panaši į stygų, formos. Tai sritis, kur galime kalbėti apie ankstyvosios visatos stygiškumo idėją ir jos ryšį su stebėjimais.

– Ar galime pažvelgti pakankamai toli praeitin, kad galėtume imtis ieškoti šių dalelių?

– Dar ne, bet viltis yra. Apie tai, kokia buvo visata nuo didžiojo sprogimo momento iki pirmųjų branduolių susidarymo, žinome labai mažai, neaišku netgi, kiek visatos buvo sudaryta iš materijos, o kiek iš spinduliavimo. Tačiau tai, kaip šį laiką pateikia kosmologijos stygų modeliai, skiriasi nuo standartinio kosmologijos modelio, nes šie du karkasai numato skirtingas „būsenos lygtis“. Su kolegomis neseniai publikavome straipsnį, kuriame bandome išsiaiškinti, kokios tos alternatyvios istorijos būtų.

Iš principo, šio periodo tyrimus galima atlikti gravitacinėmis bangomis. Jos sklinda per viską ir todėl gali kilti iš sekundės dalies po didžiojo sprogimo. Tai vadinamos pirmykštės gravitacinės bangos ir jos gali būti vienas iš neseniai atrasto gravitacinių bangų ūžesio paaiškinimų. Šio fono pokyčio dydžio kitimo priklausomybė nuo gravitacinių bangų ilgio gali parodyti, kokia yra visatos būsenos lygtis. Būsimais stebėjimais gauti gravitacinių bangų spektrai gali parodyti, ar visatos pradžioje buvo ilgas, materijos dominuojamas spektras, vėliau parėjęs į spinduliavimo. Gravitacinių bangų fiksavimo technologijos sparčiai tobulėja: pavyzdžiui, neseniai gauti Šiaurės Amerikos nanohercinės gravitacinių bangų observatorijos pulsarų periodų matavimo masyvu gauti duomenys.

– Jei pamatytumėte šį žymenį, tai būtų užtikrintas stygų teorijos patvirtinimas?

– Griežtai būtų galima sakyti tik tai, kad dominuojam materijos dalelė, besielgiančios kaip moduliai. Tai neparodo užtikrintai, kad šios dalelės kilusios iš papildomų matmenų stygų kompaktifikavimo. Man labiau patinka manyti apie tai kaip apie tam tikrus stygų teorijos motyvuojamus scenarijus, kurie gali būti patikrinti taip, kaip daroma įprastai moksle. Bet net jei modulio dalelės būtų atrastos, tai nepadarytų stygų teorijos vienintele tikra visatos teorija.

Beje, tas pats galioja ir kitam dalelių tipui, dažnai minimam, kalbant apie stygų teoriją, aksionams. Net jei išsiaiškintumėme, kad egzistuoja daug aksionų rūšių, tai neįrodytų stygų teorijos teisingumo.

– O ką, jei daug skirtingų stebėjimų – kosminių gijų, modulių, aksionų – rodytų į stygų teoriją iš skirtingų pusių?

– Jei tai kvaksi, vaikščioja žeme ir plaukioja ant vandens, tada imi galvoti, kad tai gali būti antis.

– Ar kas nors galėtų įtikinti jus mesti stygų teoriją?

– Kol tai lieka puikiu idėjų, apie kurias kitu atveju nepagalvotum, motyvatoriumi – ne. Stygų teorija suteikė tiek daug visose srityse, supančiose kvantinės mechanikos ir gravitacijos suvienijimo klausimą. Pavyzdžiui, jei norite suprasti kvantinio lauko teorijas ar matematiką ar kosmologiją ar dalelių fiziką – tolimas nuo kvantinės gravitacijos sritis – stygų teorija tai gali atsakyti. Daug stygų teorijos varžovų kitose teorinės fizikos srityse nei kvantinė gravitacija, nelabai turi ką pasiūlyti.

– Tikite, kad yra visas tas teorinės fizikos sritis vienijanti struktūra?

– Standartins dalelių modelis yra aiškiai struktūrizuotas. Pavyzdžiui, dalelės eina po tris vadinamose generacijose. Tai kažkas lemia; standartinis modelis iki galo to nepaaiškina. Ir manau, jei rimtai ieškote gerų to galutinio pasakojimo idėjų, kelias link jų veda per stygų teoriją.

Thomas Lewton
www.newscientist.com