Redakcja: O co chodzi w teorii strun?

Dr hab. Piotr Sułkowski: Teoria strun próbuje wyjaśnić, jakie są podstawowe składniki naszego wszechświata. Według obecnego stanu wiedzy, potwierdzonego doświadczeniami, tego rodzaju podstawowymi obiektami są tzw. cząstki elementarne, czyli np. elektrony, kwarki lub fotony. Istnieje bardzo dobrze potwierdzona teoria zwana Modelem Standardowym, która postuluje, że tych cząstek jest około 20. Znamy ich różne własności, takie jak masy czy ładunki, ale te własności w jakimś sensie wydają się dość chaotyczne. Możemy je wyznaczyć w eksperymentach, ale nie rozumiemy głębszej przyczyny, dlaczego miałyby być takie, a nie inne. Część fizyków jest zaś przekonana, że taka głębsza przyczyna powinna istnieć. Można powiedzieć, że teoria strun jest próbą sformułowania teorii, która przewiduje własności tych cząstek i znajduje w nich jakiś porządek.  

Główny postulat teorii zakłada, że tymi podstawowymi obiektami nie są różne cząstki punktowe, tak jak w Modelu Standardowym, ale istnieje jeden rodzaj fundamentalnego obiektu będący właśnie swoistą struną, czyli obiektem rozciągłym. Ma on jeden wymiar i nie jest punktem, a kształtem o pewnej długości, który może w jakiś sposób drgać. Te cząstki, które znamy z doświadczeń byłyby z kolei przejawami różnego rodzaju drgań fundamentalnych strun. Taka jest główna idea, którą stosunkowo łatwo sformułować, mająca jednak szereg nietrywialnych implikacji, które przekonują bardzo wielu ludzi.

Jedne ze wspomnianych implikacji polegają na tym, że z postulatu o rozciągłych obiektach, których różnego drgania odpowiadają różnego rodzaju cząstkom wynika, iż własności cząstek, które mielibyśmy obserwować, są w pewnych przypadkach takie, jak własności rzeczywistych cząstek, które obserwujemy. Inną zaletą teorii jest również to, że wynikają z niej równania opisujące grawitację, tzw. równania Einsteina. Warto też wspomnieć, że cząstki, które znamy z doświadczeń oddziałują ze sobą na różne sposoby. Wiemy, że mogą się przyciągać np. siłami elektrycznymi czy magnetycznymi, co jest opisane przez Model Standardowy, ale są też w przyrodzie i inne rodzaje oddziaływań, jak choćby grawitacja, która w tym Modelu nie została uwzględniona. Teoria strun proponuje natomiast jednolity opis i grawitacji i zachowań cząstek Modelu Standardowego. Fizycy nazywają taki jednolity opis unifikacją, czyli teorią łączącą dwa rodzaje teorii, które do tej pory wydawały się zupełnie niezależne, co też daje nam istotny sygnał, że teoria strun zawiera w sobie coś ważnego.

Pewien kłopot z nią jest natomiast taki, że te hipotetyczne struny musiałyby być bardzo krótkie i na tyle małe, że dostępna obecnie aparatura eksperymentalna nie pozwala ich zaobserwować bezpośrednio. Wydaje się zresztą, że jeszcze przez wiele najbliższych lat nie będziemy w stanie obserwować, co się dzieje w tak niewielkich skalach. Tak więc ewentualne wskazówki świadczące o poprawności teorii mogą być co najwyżej pośrednie, przynajmniej przy naszym obecnym stanie wiedzy, co jest jednym z kilku powodów, przez które część środowiska naukowego przejawia sceptyczne podejście do tego pomysłu. Wiele osób uważa jednak, że ma on w sobie na tyle dużo nietrywialnych przewidywań, które nie mogą być przypadkowe, że warto tę teorię rozwijać oraz badać konsekwencje jej podstawowych postulatów.

Ważne jest również, aby dobrze zrozumieć, na czym polega związek między drgającymi strunami a cząstkami. Poza tym, że struny są rozciągłe, musiałyby one być również na tyle małe, że obserwując je z odpowiednio dużej odległości nie bylibyśmy w stanie zauważyć tej ich rozciągłości, przez co wydawałyby się nam obiektami punktowymi. Kiedy np. weźmiemy dwuwymiarową kartkę i zwiniemy ją w mały, cienki rulonik, to z pewnej odległości będzie nam się wydawało, że mamy do czynienia po prostu z jakimś kawałkiem jednowymiarowego odcinka, a nie dwuwymiarową płaszczyzną. Tym samym jeżeli patrzymy na coś o małych rozmiarach z dużej perspektywy, wydaje nam się, że ta rzecz ma np. jeden wymiar mniej. Analogicznie wygląda to w teorii strun, gdzie drgania w skalach, na które obserwację pozwalają obecne eksperymenty, byłyby obserwowane po prostu jako cząstki, a nie rozciągłe obiekty.

Ile wymiarów wszechświata zakłada teoria strun?

Przy formułowaniu takich zdań trzeba bardzo uważać. Rzeczywiście w teorii strun pojawia się więcej wymiarów, ale co ważne, to nie jest założenie, a konsekwencja założeń, o których wspomniałem wcześniej. Jeśli założy się, że struny w jakiś sposób drgają i te drgania są zgodne z podstawowymi zasadami mechaniki kwantowej, to z tego faktu wynika, że struny mogą istnieć wyłącznie w dziesięciu wymiarach.

Oczywiście ta liczba 10 jest niezgodna z naszym codziennym doświadczeniem, ponieważ my doświadczamy trzech wymiarów przestrzennych i jednego czasowego, a więc przestrzeń, w jakiej żyjemy jest czterowymiarowa. Z teorii strun wynika jednak, że ona miałaby mieć 10 wymiarów, a więc o 6 wymiarów za dużo. Duża część wysiłku osób zajmujących się teorią strun wiąże się właśnie z tym, żeby wyjaśnić, dlaczego nie możemy obserwować tych 6 dodatkowych wymiarów i jaki mają one wpływ na własności obiektów w naszych czterech wymiarach.

Oglądaj całość