Kas tai yra stygų teorija, kuo ji skiriasi nuo Niutono mechanikos ir nuo kvantinės lauko teorijos ir kodėl fizikai pateko į aklavietę

Iš pradžių reikėtų pasiaiškinti, kas yra fizikinė teorija. Tiksliau, aptarti, ką vadiname fizikine teorija. Pradėkime nuo mechanikos. Niutono mechanika – teorija, aprašanti fizinių objektų sąveiką ir tų sąveikų sukeltą judėjimą. Niutono mechaniką aprašo vos kelios formulės, kuriomis remiantis, galima apskaičiuoti sąveikaujančių objektų trajektorijas. Tačiau iš tiesų Niutono mechanika yra nelyginant iš atskirų kaladėlių pagal tam tikras taisykles sudarytas konstruktorius.

Niutono mechanika galima aprašyti bet kokius objektus: mestą ir parabole skriejantį akmenį, ar svorių sąveiką per spyruoklę. Nereikia iš anksto žinoti, kokią fizikinę sistemą norime aprašyti. Niutono mechanika galima aprašyti įvairiausias fizines sistemas. Tai yra, apie fizikinę teoriją, apie mechaniką, galima galvoti kaip apie konstruktorių, kaip apie PowerPointą: yra platforma, kuria remdamiesi, galite kurti įvairius pristatymus; vadovaudamiesi bazinėmis taisyklėmis, galite įterpti tekstą, galite paveikslėlius, dar ką nors – gausite skirtingus pristatymus. Ir šiuo atveju PowerPointas — tiesiog žaidimo taisykles apibrėžianti platforma.

Lygiai tas pats pasakytina apie mechaniką. Teisingai kombinuojant ingredientus, ja galima aprašyti bet kokią fizikinę sistemą. Yra dalelės šen, spyruoklytės ten, ir jos sąveikauja jėga F, o paskui Niutono lygtys aprašo kaip kiekviena dalis judės. Kiekviena fizikinė teorija – konstruktorius. Ir nėra visiškai teisinga teigti, kad Niutono mechanika gali nuspėti, tarkime, akmens trajektoriją. Nes prieš tai, kai Niutono mechanika nuspės akmens trajektoriją, tą konstruktorių reikia surinkti. Iš pradžių reikia tarti, kad egzistuoja vienas akmuo ir jį veikia traukos jėga, ir pateikti pradinius parametrus. Ir tik tada mechanika bus galima kažką numatyti.

Visa tai gan akivaizdu. Dažniausiai nesitikime, kad mechanikos vadovėlis atsakys, kur lėks akmuo. Knyga gali tik pateikti taisykles, kuriomis remiantis, galima tokias prognozes daryti. Tačiau tai svarbu įsisąmoninti, nes tie patys kriterijai taikomi ir rimtesnėms fizikinėms teorijoms, tarkime, stygų teorijai.

Prieš pradėdami aptarinėti stygų teoriją, pasiaiškinkime kitą fizikinę teoriją — kvantinę lauko teoriją. Kvantinė lauko teorija — formalus elementariųjų dalelių sąveikų aprašymas. Yra įvairios kvantinės lauko teorijos. Pavyzdžiui, elektronai aprašomi vadinamuoju Dirako lauku. Higgso bozoną aprašo kvantinė skaliarinio lauko teorija. Fotonų aprašymui arba bozonų kalibravimui yra kvantinė kalibruojančių laukų teorija. O paskui iš šių ingredientų galime surinkti konstruktorių. Lygiai kaip mechanikos atveju galėjome sakyti, kad turime vieną svarelį pakabintą ant spyruoklės, ar kelis svarelius ir kelias spyruokles, taip ir kvantinėje lauko teorijoje yra keli, skirtingai sąveikaujantys laukai. Yra taisyklės, pagal kurias galime šiuos ingredientus surinkti, ir taip gauti labai skirtingas fizikines teorijas.

Tarkime, jei sudėsime visas eksperimentiškai stebėtas šio konstruktoriaus aprašomas daleles, gausime vadinamąjį Standartinį modelį. Standartinis modelis — konkreti kvantinio lauko teorijos realizacija, aprašanti žinomas elementarias daleles, kurios stebimos eksperimentiškai ir aprašo jas itin gerai. Kol kas nėra rimtų prieštarų tarp eksperimentų rezultatų ir Standartino modelio prognozių. Tačiau kvantinė lauko teorija tampa ką nors numatyti galinčia teorija, tik surinkus iš jos kažką konkretaus. Tai yra, Standartiniu modeliu galima kažką numatyti, o kvantinė lauko teorija tokios galios iš viso neturi, nes tai tik savotiškas konstruktorius – lygiai kaip mechanika. Kol neįvardiname konkrečių ingredientų, nieko numatyti neįmanoma. Reikia, grubiai tariant, pateikti parametrų reikšmes: kokios bus dalelės, kokios jų masės, kaip jos sąveikaus – tik tada galima kažką numatyti.

Kvantinėje lauko teorijoje yra instrukcija, kuria vadovaujantis, galima surinkti drauge praktiškai bet kokias daleles. Ir daugmaž suprantame, kaip šis dalelių tarpusavio sąveikos procesas veikia kvantinės lauko teorijos konstruktoriaus rėmuose. Tačiau yra viena vienintelė dalelė, kuriai šiame konstruktoriuje vieta nenumatyta – gravitonas, kuris masės neturi, o jo sukinys 2. Nežinome, kaip kvantiniame lygyje užrašyti gravitonų tarpusavio sąveikas ar su kitais laukais. Galima pasakyti kitaip: neturime kvantinės gravitacijos teorijos. Klasikinė gravitacijos teorija yra — tai Einšteino reliatyvumo teorija. Ji gravitonų tarpusavio sąveiką paaiškina klasikiniu būdu. Bet jeigu norime – o norime – gravitonus aprašyti kvantiniu lygmeniu, deja, tokio elemento konstruktoriuje nėra.

Galime aprašyti bet kokių dalelių sąveikas kvantiniu lygmeniu išskyrus gravitonų. Tai, kad nesuprantame, kaip teoriniame lygyje aprašyti gravitonų kvantinę sąveiką — viena iš pagrindinių neišspręstų teorinės fizikos problemų.

Stygų teorija šią problemą išsprendžia, nes pateikia gravitonų aprašymo kvantiniu lygmeniu metodą, bent jau pateikia koncepciją. Tačiau pati savaime stygų teorija — sudėtingesnis konstruktorius.

Kvantinė lauko teorija – konstruktorius, turintis baigtinį ingredientų skaičių, kuriuos aišku, kaip galima kombinuoti. Ir suprantame, kokios gali būti tų kombinacijų pasekmės. O štai stygų teorija – kur kas įdomesnis ir lankstesnis konstruktorius. Jame irgi yra kaladėlės, tačiau visiškai kitokios. Pasirodo, jas galima kombinuoti begale būdų, gerokai daugiau, nei yra kvantinėje lauko teorijoje. Stygų teorijos atveju, viena vertus, žinome, kad galime aprašyti visas reikalingas daleles: ir skaliarus, ir fermionus, ir kalibruotus bozonus, ir gravitoną. Bet iš kitos pusės, kombinacijų tiek daug, kad nebegalime suprasti, ką galima padaryti, nes padaryti galima praktiškai viską, kas tik šaus į galvą – konstruktorius pernelyg lankstus. Tai stygų teorijos stiprybė, o antra vertus – problema.

Iš pradžių manyta, kad gerai išnagrinėję stygų teoriją, suprasime, kodėl mūsų pasaulis surėdytas būtent taip, kaip jis surėdytas – stygų teorija aprašo visas fundamentalias sąveikas. Suprasime, kodėl eksperimentuose registruojame būtent tokias elementarias daleles, kodėl mūsų Visata yra būtent tokio dydžio. Tai yra, frazės, kad stygų teorija yra „visko teorija“ prasmė – stygų teorija aprašo mūsų pasaulį pačiu fundamentaliausiu lygiu.

Bet ši frazė turi ir kitą prasmę: stygų teorija — labai lankstus konstruktorius, ir iš jo galima sukurti daug kitų teorijų. Daug arba praktiškai visos įdomios fizikinės teorijos, pasirodo, yra atskiri stygų teorijos atvejai. Tai yra, stygų teorijos įvairialypumą galima pritaikyti konkrečiam atvejui, ir to konkretaus atvejo rėmuose atsiranda konkreti įdomi fizikinė teorija. Ir praktiškai visos įdomios fizikinės teorijos telpa į stygų teorijos rėmus.

Yra dar vienas svarbus aspektas. Kadangi stygų teorija tokia įvairialypė ir šis konstruktorius toks lankstus, tai vienos konkrečios teorijos nėra. Yra nesusijusios arba nelabai tampriai susijusios žinių salelės. Paties mokslo žinių organizavimo ir mokslo bendruomenės požiūriu, tai primena matematiką.

Viena vertus, matematiką vertiname kaip vieningą mokslą, tačiau pažvelgus kitaip, matematika yra žinių sritis ir ji tokia įvairialypė, kad skirtingas matematikos temas nagrinėjantys mokslininkai gali labai menkai bendrauti tarpusavyje ir netgi iki gali nesuprasti vienas kito klausimų specifikos.

Lygiai taip ir stygų teorija. Ji panaši į matematiką, nes turi daug tarpusavyje susijusių, tačiau techniškai labai besiskiriančių, sričių. Todėl specialistai, save vadinantys „stygininkais“, gali užsiimti skirtingais jos aspektais ir netgi iki galo nesuprasti kitu aspektu užsiimančio kolegos darbo specifikos. Kai žmonės pasakoja apie savo darbo ypatybes, jie savo temą vadina stygų teorija, tačiau dviejų mokslininkų du pasakojimai labai stipriai skirsis. Ir tai šiek tiek primena pasakėčią apie išminčius, užrištomis akimis tyrinėjusius dramblį, kai kiekvienas tyrinėjo tik savo dalį dramblio ir įsivaizdavo jį vis kitaip. Būtent tai dabar vyksta su stygų teorija: kiekvienas specialistas mato tik savo dalį. Žinoma, mes suprantame, kad tai vieninga teorija, tačiau bendro supratimo, kuris apjungtų atskiras žinias, kol kas nėra.

Pabaigai dar reikėtų paminėti stygų teorijos numatymo galią, o tiksliau, jos nebuvimą. Manyta, kad stygų teorija sugebės numatyti, kodėl mūsų pasaulio sandara būtent tokia, kokia yra, nes tai fundamentali teorija, visko teorija, tai yra visas fundamentalias daleles pačiu giliausiu, fundamentaliausiu lygiu aprašanti teorija, taigi, galinti numatyti viską. Tačiau įvyko atvirkščiai.

Stygų teorija pasirodė esanti toks lankstus konstruktorius, kad į ją galima įstatyti faktiškai bet kokią teoriją. Ji prarado savo numatymo galią. Lygiai kaip mechanika negali nieko numatyti, kol nebus patikslinta, kokia fizikinė sistema nagrinėjama, o kvantinė lauko teorija – kol nepatikslinsite dalelių, jų masių ir savybių, taip ir stygų teorija negali nieko numatyti, kol neįvardinsite apie kokią konkrečią stygų teorijos realizaciją ar konkretų stygų teorijos kontekstą kalbama. Stygų teorijos įvairialypumas pražudė jos numatymo galią.