Elegantni
kosmos

Superstrune, skrivene dimenzije
i potraga za konacˇnom teorijom

Bilo bi previše dramatično nazivati to zataškavanjem. Ali, više od pola

veka – čak i usred nekih od najvećih naučnih dostignuća u istoriji –

fizičari su ćutke pratili tamni oblak koji se nadvijao nad horizontom. Problem

je sledeći: savremena fizika počiva na dva kamena temeljca. Jedan

je Ajnštajnova opšta teorija relativnosti, koja definiše teorijski okvir za

shvatanje vasione na najvišem nivou: na nivou zvezda, galaksija, galaktičkih

jata, sve do zadivljujuće širine same vasione. Drugi je kvantna mehanika,

teorijska osnova za sagledavanje vasione u najmanjim razmerama:

u svetu molekula i atoma, sve do subatomskih čestica poput elektrona

i kvarkova. U dugogodišnjim istraživanjima, fizičari su, sa skoro nezamislivom

preciznošću, eksperimentalno potvrdili sva predviđanja ovih

teorija. Ali, iste ove teorijske alatke neizbežno grade drugi zabrinjavajući

zaključak: opšta relativnost i kvantna mehanika, onako kako su trenutno

definisane, ne mogu važiti istovremeno. Dve teorije koje stoje iza izvanrednog

napretka fizike u proteklih sto godina – objašnjenje širenja kosmosa

i fundamentalna struktura materije – međusobno su neuskladive.

Ako niste do sada čuli za ovaj žestoki antagonizam, možda se u ovom

trenutku pitate šta mu je uzrok. Odgovor nije teško shvatiti. Fizičari uvek

(izuzev u najekstremnijim situacijama) proučavaju ili male i lake stvari

(kao što su atomi i njihove komponente) ili stvari velike i teške (poput

zvezda i galaksija), ali nikad i jedno i drugo u isto vreme. To znači da im

je potrebna samo kvantna mehanika ili opšta relativnost i da mogu, sve

pogledajući ispod oka, odbaciti luckaste prekore suprotne strane. Pedeset

godina ovaj pristup nije bio blažen koliko i neznanje, ali je bio prilično

blizu tome.

Ali, vasiona može biti ekstremna. U središnjim dubinama crne rupe,

golema masa se sažima do minijaturnih razmera. U trenutku Velikog praska,

čitav kosmos se izlio iz mikroskopskog jezgra naspram koga zrnce

peska izgleda kolosalno veliko. To je svet majušnih, a ipak neverovatno

masivnih stvari na koje je neophodno primeniti i kvantnu mehaniku i

opštu teoriju relativnosti. Sa svakom novom stranicom ove knjige, biće

sve jasnije zašto spojene jednačine kvantne mehanike i opšte relativnosti

počnu da se tresu, tandrču i puše se kao auto čiji je motor prokuvao.

Ili, da se izrazim manje opisno – iz nesretnog spoja ove dve teorije dobijaju

se besmisleni odgovori na razumna pitanja. Čak i ako ste spremni da

ostavite unutrašnjost crne rupe i nastanak vasione pod velom tajne, ne

možete se odupreti osećaju da se netrpeljivost između kvantne mehanike

i opšte relativnosti naprosto mora dublje razumeti. Zar je moguće da je

svemir na najfundamentalnijem nivou podeljen i da za velike stvari važi

jedan skup zakona, a za male drugi, bez dodirnih tačaka s prvim?

Teorija superstruna, novajlija u poređenju s dostojanstvenim, zrelim

teorijama kvantne mehanike i opšte relativnosti, na prethodno pitanje

odgovara odrično. U celom svetu, fizičari i matematičari su u protekloj

deceniji obavljali intenzivna istraživanja i otkrili nov način opisivanja

materije kojim se na najtemeljnijem nivou uklanja napetost između opšte

relativnosti i kvantne mehanike. Teorija superstruna čini i više od toga:

u tom novom okviru, opšta relativnost i kvantna mehanika neophodne su

jedna drugoj da bi imale smisla. Prema teoriji superstruna, spoj zakona

velikih i malih stvari ne samo da je sretan, već je i neizbežan.

To je dobra vest. Ali, teorija superstruna – kraće, teorija struna – vodi

ovaj spoj korak dalje. Ajnštajn je tri decenije tražio objedinjujuću teoriju

fizike koja bi utkala sve sile prirode i konstituente materije u jedinstvenu

teorijsku tapiseriju. Nije uspeo. Danas, na početku trećeg milenijuma,

pobornici teorije struna tvrde da su niti te neuhvatljive objedinjujuće tapiserije

najzad spoznate. Teorija struna ima potencijala da pokaže kako su

sva čudesna dešavanja u kosmosu – od neobuzdanog plesa subatomskih

kvarkova do raskošnog valcera binarnih zvezda, od primordijalne vatrene

lopte Velikog praska do fascinantnog vrtloga nebeskih galaksija – odrazi

jednog veličanstvenog fizičkog principa, jedne vrhunske jednačine.

Svemir u najmanjim razmerama: šta znamo o materiji

Stari Grci smatrali su da je materija svemira sačinjena od majušnih nedeljivih

komponenata koje su nazvali atomi. Pretpostavljali su da bi obilje

materijalnih objekata, po analogiji sa ogromnim brojem reči u jeziku

sa alfabetskim pismom sagrađenim od raznolikih kombinacija malog

broja slova, moglo biti rezultat kombinacija malobrojnih, različitih, elementarnih

gradivnih jedinica. Ispravna pretpostavka. Više od dve hiljade

godina kasnije, još uvek verujemo da je to istina, premda se identitet

tih najfundamentalnijih jedinica drastično menjao tokom vremena. U

devetnaestom veku, naučnici su pokazali da mnoge poznate supstance

poput kiseonika i ugljenika sadrže najmanje komponente koje se mogu

opaziti; sledeći tradiciju, nazvali su ih atomi. Ime se zadržalo, ali istorija

je pokazala da je pogrešno: atomi su, sasvim izvesno, deljivi. Početkom

tridesetih godina prošlog veka, u radovima Dž. Dž. Tomsona, Ernesta

Raderforda, Nilsa Bora i Džejmsa Čedvika predstavljen je solarni model

atoma poznat mnogima od nas. Atomi, koji nisu ni približno najelementarniji

konstituenti materije, sastoje se od jezgra s protonima i neutronima,

okruženog rojem elektrona u orbitama.

Izvesno vreme, mnogi fizičari su smatrali da su protoni, neutroni i

elektroni ti grčki „atomi“. Ali, 1968. godine, eksperimentatori na Univerzitetu

Stanford, koristeći se sve većom moći tehnologije u istraživanju

mikroskopskih dubina materije, pokazali su da ni protoni ni neutroni

nisu fundamentalne čestice. Otkrili su da se oni sastoje od tri vrste manjih

čestica zvanih kvarkovi: ovo čudno ime, preuzeto iz knjige Fineganovo bdenje

Džejmsa Džojsa, nadenuo je teorijski fizičar Mari Gel-Man, koji je još ranije

pretpostavio njihovo postojanje. Eksperimentatori su potvrdili da postoje

dva tipa kvarkova, nazvani – malo manje kreativno – gornji (engl. up) i

donji (engl. down). Protoni se sastoje od dva gornja kvarka i jednog donjeg;

neutron se sastoji od dva donja kvarka i jednog gornjeg.

Sve što vidite u zemaljskom svetu i na nebesima, po svemu sudeći,

sastoji se od kombinacija elektrona i gornjih i donjih kvarkova. Nema

eksperimentalnih dokaza da se neka od ove tri čestice sastoji od nečeg

manjeg. Ali, postoje čvrste indikacije da svemir sadrži dodatne čestične

konstituente. Sredinom pedesetih godina prošlog veka, Frederik Rejns i

Klajd Kovan otkrili su uverljiv eksperimentalni dokaz da postoji i četvrta

vrsta fundamentalne čestice zvana neutrino, što je još ranih tridesetih

godina dvadesetog veka predvideo Volfgang Pauli. Ispostavilo se da je

neutrine vrlo teško naći – to su pravi duhovi od čestica, jer vrlo retko

stupaju u interakcije s materijom: neutrino prosečne energije lako može

proći kroz olovo debljine više stotina biliona kilometara, a da to skoro

uopšte ne utiče na njegovo kretanje. Pravo je olakšanje čuti to, jer dok

čitate ove redove, milijarde neutrina poreklom sa Sunca prolaze kroz vaše

telo i kroz zemlju, na svom usamljeničkom putovanju po kosmosu. Krajem

tridesetih godina prošlog veka, fizičari koji su proučavali kosmičke

zrake (pljuskove čestica koji bombarduju zemlju iz svemira), otkrili su

česticu nazvanu mion – koja se od elektrona razlikuje samo po tome što

je od njega oko dvesta puta teža. Pošto mioni nisu potrebni ni za šta u

kosmičkom poretku, ni za kakvu nerešenu zagonetku, niti za neki kutak

skrojen po njihovoj meri, nobelovac Isidor Isak Rabi, stručnjak za fiziku

čestica, dočekao je bez oduševljenja otkriće miona, i zapitao: „Ko je to

tražio?“ Bez obzira na sve, mion je stigao. I to nije bio kraj.

Koristeći još moćniju tehnologiju, fizičari su nastavili da lome deliće

materije s još većom energijom, u trenu stvarajući uslove neviđene još od

Velikog praska. Među krhotinama su tražili nove fundamentalne sastojke

da bi proširili sve veći spisak čestica. Evo šta su još otkrili: četiri nova tipa

kvarkova – čarobni (engl. charm), čudni (engl. strange), dubinski (engl. bottom)

i vršni (engl. top) – i novog, još težeg rođaka elektrona nazvanog tau, kao i

dve čestice po svojstvima slične neutrinu (nazvane mionski neutrino i tauneutrino,

kako bi se razlikovale od izvornog neutrina, sada zvanog elektronski

neutrino).

Ove čestice stvaraju se u visokoenergetskim sudarima i postoje samo

kratko vreme; nisu konstituenti ničeg što obično srećemo. Ali, ni to nije

sve. Za svaku od ovih čestica postoji antičestica – čestica iste mase, ali s

pojedinim suprotnim svojstvima, kao što je naelektrisanje (i druge veličine

definisane ostalim silama, kako je navedeno niže u tekstu). Na primer,

antičestica elektrona je pozitron: ima istu masu kao elektron, ali

njegovo naelektrisanje je +1, dok je naelektrisanje elektrona -1. Kada se

spoje, materija i antimaterija anihiliraju i daju čistu energiju – zato u

našem svetu vrlo retko možemo opaziti antimateriju.

Fizičari su uočili obrazac među ovim česticama, prikazanim u tabeli

1.1. Čestice materije svrstavaju se u tri grupe koje se često nazivaju familije.

Svaka familija sadrži dva tipa kvarkova, elektron ili nekog od njegovih

rođaka, i jednu vrstu neutrina. Izuzev mase, koja je najmanja u prvoj, a

najveća u trećoj familiji, ostala svojstva srodnih vrsta čestica u različitim

familijama identična su. Fizičari su do sada uspeli da ispitaju strukturu

materije dimenzija milijarditog dela milijarditog dela metra i pokazali

su da se sve poznato – bilo da je nastalo prirodno ili veštački, u ogromnim

uređajima za cepanje atoma – sastoji od nekakve kombinacije čestica iz

ove tri familije i njihovih antičestica.

I površan pregled tabele 1.1 zbuniće vas više nego što je Rabija zbunilo

otkriće miona. Razvrstavanje po familijama unosi izvestan red, ali brojna

bitna pitanja i dalje su bez odgovora. Zašto ima toliko fundamentalnih

čestica, naročito kada se čini da su najvećem broju stvari u svetu koji nas

okružuje potrebni samo elektroni i gornji i donji kvarkovi? Zašto postoje tri

familije, a ne jedna ili četiri ili više? Zašto je raspodela mase čestica naizgled

proizvoljna – na primer, zašto je tau oko 3.520 puta teži od elektrona? Zašto

vršni kvark teži kao 40.200 gornjih kvarkova? To su čudni, naizgled slučajni

brojevi. Da li iza njih zaista stoji slučajnost, nekakav božanski izbor ili postoji

logično naučno objašnjenje za te osnovne odlike našeg kosmosa?

Stvari postaju komplikovanije kada uzmemo u obzir i sile prirode. Svet oko

nas obiluje mehanizmima za ispoljavanje dejstva: loptice se mogu udarati

palicom, bandži entuzijasti mogu da se bacaju s visokih platformi,

magneti mogu da održavaju superbrze vozove neposredno iznad metalnih

šina, Gajger-Milerov brojač može da otkucava u blizini radioaktivnog

materijala, nuklearne bombe mogu da eksplodiraju. Na objekte možemo

delovati tako što ćemo ih snažno gurati, vući ili tresti, bacati ili ispaljivati

na njih druge objekte, razvlačiti ih, uvrtati ili lomiti, hladiti ih, zagrevati

ili spaljivati. U proteklih stotinu godina, fizičari su prikupili brojne dokaze

da se sve pomenute interakcije između raznih objekata i materijala, kao

i milioni miliona drugih interakcija koje se svakodnevno odvijaju pred

našim očima, mogu svesti na kombinacije četiri elementarne sile. Jedna

od njih je gravitaciona sila. Ostale tri su elektromagnetna, slaba i jaka sila.

Gravitacija nam je najbliskija od svih sila, s obzirom na to da zbog nje

kružimo oko Sunca i stojimo sa obe noge na Zemlji. Masa objekta određuje

kolikom gravitacionom silom on može da utiče na druge objekte i obrnuto.

Sledeća poznata sila je elektromagnetna. Ona stoji iza svih pogodnosti

modernog života – svetla, računara, televizije, telefona – i iza moćne prirodne

pojave munja u oluji, kao i iza nežnog dodira ruke. Na mikroskopskom

planu, naelektrisanje čestice za elektromagnetnu silu isto je što i masa za

gravitaciju: određuje jačinu elektromagnetne pobude ili odziva čestice.

Jaka i slaba sila najmanje su nam poznate, jer su dometi njihovog dejstva

subatomski – to su nuklearne sile. Zato su te dve sile otkrivene najkasnije.

Jaka sila „lepi“ kvarkove unutar protona i neutrona; takođe, spaja

protone i neutrone u atomskom jezgru. Slabu silu znamo kao silu odgovornu

za radioaktivni raspad elemenata kao što su uranijum i kobalt.

Tokom prošlog veka, fizičari su otkrili da sve četiri sile imaju dve zajedničke

odlike. Kao prvo, na mikroskopskom nivou postoji čestica koja predstavlja

najmanji paket ili delić svake od četiri sile (podrobnije o tome u poglavlju 5).

Ako ispalite laserski zrak – „pištolj sa elektromagnetnim zracima“ – ispaljujete

tok fotona, najmanjih delića elektromagnetne sile. Slično tome, najmanje

komponente slabe i jake sile jesu čestice koje nazivamo slabi kalibracioni

bozoni i gluoni. (Ime gluon vrlo je deskriptivno: gluoni se mogu posmatrati kao

mikroskopski sastojci jakog lepka – engl. glue – koji sprečava da se atomsko

jezgro raspadne.) U eksperimentima izvršenim do 1984. godine, potvrđeno

je da postoje ove tri vrste čestica sila i precizno su utvrđena njihova svojstva

(tabela 1.2). Fizičari veruju da takva čestica postoji i za gravitacionu silu – to

je graviton – ali to još uvek nije eksperimentalno potvrđeno.Gravitacija nam je najbliskija od svih sila, s obzirom na to da zbog nje

kružimo oko Sunca i stojimo sa obe noge na Zemlji. Masa objekta određuje

kolikom gravitacionom silom on može da utiče na druge objekte i obrnuto.

Sledeća poznata sila je elektromagnetna. Ona stoji iza svih pogodnosti

modernog života – svetla, računara, televizije, telefona – i iza moćne prirodne

pojave munja u oluji, kao i iza nežnog dodira ruke. Na mikroskopskom

planu, naelektrisanje čestice za elektromagnetnu silu isto je što i masa za

gravitaciju: određuje jačinu elektromagnetne pobude ili odziva čestice.

Jaka i slaba sila najmanje su nam poznate, jer su dometi njihovog dejstva

subatomski – to su nuklearne sile. Zato su te dve sile otkrivene najkasnije.

Jaka sila „lepi“ kvarkove unutar protona i neutrona; takođe, spaja

protone i neutrone u atomskom jezgru. Slabu silu znamo kao silu odgovornu

za radioaktivni raspad elemenata kao što su uranijum i kobalt.

Tokom prošlog veka, fizičari su otkrili da sve četiri sile imaju dve zajedničke

odlike. Kao prvo, na mikroskopskom nivou postoji čestica koja predstavlja

najmanji paket ili delić svake od četiri sile (podrobnije o tome u poglavlju 5).

Ako ispalite laserski zrak – „pištolj sa elektromagnetnim zracima“ – ispaljujete

tok fotona, najmanjih delića elektromagnetne sile. Slično tome, najmanje

komponente slabe i jake sile jesu čestice koje nazivamo slabi kalibracioni

bozoni i gluoni. (Ime gluon vrlo je deskriptivno: gluoni se mogu posmatrati kao

mikroskopski sastojci jakog lepka – engl. glue – koji sprečava da se atomsko

jezgro raspadne.) U eksperimentima izvršenim do 1984. godine, potvrđeno

je da postoje ove tri vrste čestica sila i precizno su utvrđena njihova svojstva

(tabela 1.2). Fizičari veruju da takva čestica postoji i za gravitacionu silu – to

je graviton – ali to još uvek nije eksperimentalno potvrđeno.

Druga zajednička odlika sila prepoznaje se u narednoj analogiji: kao

što masa (naelektrisanje) određuje kako gravitacija (elektromagnetna

sila) utiče na česticu, tako „naboj jake sile“ i „naboj slabe sile“ predstavljaju

meru delovanja jake i slabe sile na česticu. (Ova svojstva detaljno su

predstavljena u tabeli priloženoj u beleškama za ovo poglavlje.1) Ali, i u

ovom slučaju važi isto što i za mase čestica: fizičari jesu precizno izmerili

pomenuta svojstva, ali niko ne ume da objasni zašto se naš kosmos

sastoji baš od ovih čestica s takvim svojstvima.

Otkrivanje zajedničkih odlika veliki je pomak, ali i umnožava brojne

nepoznanice u vezi sa silama. Na primer, otkud baš četiri osnovne sile?

Zašto ih nema pet ili tri ili, možda, samo jedna? Zašto sile imaju tako različita

svojstva? Zbog čega su jaka i slaba sila osuđene na to da deluju na

mikroskopskom nivou, dok raspon delovanja gravitacije i elektromagnetne

sile nije ograničen? I otkud tako velika razlika u intenzitetu ovih sila?

Da biste potpunije razumeli poslednje pitanje, zamislite da držite

po jedan elektron u svakoj ruci i da te identično naelektrisane čestice

primičete jednu drugoj. Gravitaciona sila će ih terati da se približe, dok

će elektromagnetna sila delovati odbojno i težiti da ih razdvoji. Koja je

jača? Odgovor ne ostavlja mesta sumnji: elektromagnetno odbijanje je

jače milion milijardi milijardi milijardi milijarda puta (1042)! Ako biceps

na vašoj desnoj ruci predstavlja jačinu gravitacione sile, onda bi biceps

na levoj ruci morao da se protegne do kraja poznatog svemira kako bi

predstavio jačinu elektromagnetne sile. Elektromagnetna sila nije sasvim

nadvladala gravitaciju u našem svetu samo zato što se većina stvari oko

nas sastoji od jednake količine pozitivnog i negativnog naelektrisanja čije

se sile međusobno potiru. S druge strane, pošto je gravitacija uvek privlačna,

ne postoji analogno poništavanje – više mase znači veću gravitacionu

silu. Ali, gravitaciona sila je, u osnovi, izuzetno slabašna sila. (Zbog

toga je postojanje gravitona teško eksperimentalno potvrditi – potraga

za najmanjim delićem najslabije sile veliki je izazov.) Eksperimenti su

pokazali i to da je jaka sila oko sto puta jača od elektromagnetne sile, a

oko sto hiljada puta od slabe sile. Ali, šta je razlog – raison d’être? Zašto

su kosmičke sile u ovakvim odnosima?

Ovo pitanje nije plod dokonog filozofiranja o tome zašto su stvari ovakve

umesto onakve; svemir bi bio sasvim drugačije mesto kada bi svojstva

čestica materije i sile bile čak i sasvim malo drugačije. Na primer,

stabilnost jezgara oko stotinu elemenata iz periodnog sistema zavisi od

odnosa snaga između jakih i elektromagnetnih sila. Protoni stisnuti u

atomskom jezgru elektromagnetno se odbijaju, ali jaka sila između kvarkova,

od kojih se oni sastoje, srećom nadjačava ovo odbijanje i drži protone

na okupu. Ali, neznatna promena u odnosu snaga ove dve sile lako bi

narušila ravnotežu između njih i izazvala dezintegraciju većine atomskih

jezgara. Povrh toga, da je masa elektrona nekoliko puta veća, elektroni i

protoni težili bi da se kombinuju u neutrone, gojeći jezgro vodonika (najjednostavnijeg

elementa u kosmosu, čije jezgro sadrži samo jedan proton)

i sprečavajući stvaranje složenijih elemenata. Zvezde zavise od fuzije stabilnih

jezgara i ne bi se mogle formirati kad bi nastupile takve promene

u fundamentalnoj fizici. Jačina gravitacione sile takođe ima važnu ulogu

u formiranju zvezda. Ogromna gustina materije u jezgru zvezde pokreće

njenu nuklearnu peć i omogućava nastanak zvezdane svetlosti. Kada bi

gravitaciona sila bila jača, jezgro zvezde bi se još čvršće steglo i bilo bi

mnogo više nuklearnih reakcija. Ali, kao što velika vatra brže sagori od

sveće, i zvezda poput Sunca bi se usled intenzivnijih nuklearnih reakcija

pre istrošila, pa bi posledice na stvaranje života u nama znanom obliku

bile pogubne. S druge strane, kada bi se jačina gravitacione sile znatno

smanjila, materija se uopšte ne bi držala na okupu, pa se zvezde i galaksije

ne bi mogle formirati.

Mogli bismo da nastavimo, ali već vam je jasno: svemir je takav kakav je

zato što čestice materije i sila imaju ovakva svojstva. Ali postoji li naučno

objašnjenje zašto imaju ovakva svojstva?

Teorija struna: osnovna ideja

U teoriju struna ugrađena je moćna konceptualna paradigma u kojoj se

po prvi put nudi okvir za nalaženje odgovora na pomenuta pitanja. Razmotrimo

prvo osnovnu ideju.

Čestice iz tabele 1.1 jesu „slova“ svekolike materije. Izgleda da nemaju

unutrašnju strukturu, kao ni njihovi lingvistički pandani. Prema teoriji

struna, ako bismo mogli da još preciznije istražimo ove čestice – s preciznošću

mnogo većom od one koju omogućava moderna tehnologija –

otkrili bismo da svaka čestica nije kao tačkica, već da je u obliku majušne

jednodimenzionalne petlje. Poput beskonačno tanke gumice, svaka čestica

sadrži vibrirajuće, oscilirajuće, razigrano vlakno koje su fizičari, bez Gel-

Manovog literarnog dara, nazvali struna (engl. string). Na slici 1.1 prikazana

je ta ključna ideja o teoriji struna pomoću jedne obične materije, jabuke:

pri svakom narednom uvećanju, otkrivaju se sve sitniji elementi na sve

nižim nivoima u njenoj strukturi. Teorija struna dodaje novi, mikroskopski

sloj – vibrirajuću strunu – u razlaganju atoma na protone, neutrone,

elektrone i kvarkove.2

Iako se ne opaža na prvi pogled, ovom jednostavnom zamenom tačkastih

konstituenata materije strunama, rešava se problem nekompatibilnosti

kvantne mehanike i opšte relativnosti (u šta ćemo se uveriti u

poglavlju 6). Dakle, teorija struna razvezuje Gordijev čvor moderne teorijske

fizike. To je izuzetno dostignuće, ali je samo jedan od razloga što

teorija struna pobuđuje takvo oduševljenje.

Teorija struna kao objedinjena teorija svega

U Ajnštajnovo vreme, jake i slabe sile još uvek nisu bile otkrivene; ipak,

on je utvrdio da je postojanje i samo dve odvojene sile – gravitacije i elektromagnetizma

– vrlo problematično. Ajnštajn nije mogao prihvatiti da je

ustrojstvo prirode tako ekstravagantno. Zato je krenuo u tridesetogodišnju

potragu za objedinjenom teorijom polja koja bi – nadao se – pokazala da

su ove dve sile samo manifestacije jedinstvenog velikog načela. Ova donkihotovska

potraga odvojila je Ajnštajna od glavnog toka fizike u kome

je, razumljivo, bilo mnogo uzbudljivije uroniti u novu oblast, kvantnu

mehaniku. Početkom četrdesetih godina prošlog veka, napisao je prijatelju:

„Postao sam usamljen stari momak, poznat uglavnom po tome što

ne nosi čarape, koga pokazuju kao čudaka u posebnim prilikama.“3

Ajnštajn je išao ispred svog vremena. Više od pola veka kasnije, njegov

san o objedinjenoj teoriji postao je sveti gral moderne fizike. Znatan

broj fizičara i matematičara sve je sigurniji u to da bi teorija struna

mogla doneti rešenje. Pomoću samo jednog principa – da se na mikroskopskom

nivou sve sastoji od kombinacije vibrirajućih niti – teorija struna

predočava jedinstven sistem kojim je moguće obuhvatiti sve sile i svu

materiju.

Na primer, u teoriji struna iznosi se da su opažena svojstva čestica,

navedena u tabelama 1.1 i 1.2, odraz različitih načina na koji struna može

da vibrira. Klavirske žice ili strune violine imaju rezonantne frekvencije

na kojima najradije vibriraju – sheme vibracija koje sluhom doživljavamo

kao različite muzičke note i njihove više harmonike; isto važi i za petlje u

teoriji struna. Ali videćemo da se svaka od preferiranih shema vibriranja

umesto kao nota, ispoljava kao čestica čija su svojstva mase i sila određena

shemom oscilovanja strune. Elektroni u struni vibriraju na jedan

način, gornji kvarkovi na drugi itd. Svojstva čestice u teoriji struna nisu

nipošto zbirka haotičnih eksperimentalnih uvida, već su odraz iste fizičke

pojave: rezonantnih shema vibriranja – muzike, takoreći – fundamentalnih

petlji strune. Isto se može primeniti i na sile u prirodi. Videćemo da

se i česticama sile mogu pridružiti određene sheme vibriranja strune;

dakle, sve – sva materija i sve sile – objedinjeno je pod istim svodom

mikroskopskih oscilacija struna. Sve što postoji, muzika je sačinjena od

nota koje strune mogu da sviraju.

Prvi put u istoriji fizike imamo teorijsku potporu kojom se može objasniti

svaka fundamentalna odlika na kojoj je svemir izgrađen. Zato se

teorija struna ponekad pominje kao „teorija svega“ (engl. Theory of Everything,

T.O.E.) ili „konačna teorija“. Ovi „ambiciozni“ pridevi ukazuju na

najdublju teoriju fizike – teoriju koja je temelj svih ostalih teorija, i pored

koje nije potrebno pa čak ni izvodljivo ponuditi dublju razjašnjavajuću

osnovu. U praksi, mnogi teoretičari struna imaju skromniji stav i smatraju

da je svrha teorije svega da objasni svojstva fundamentalnih čestica

i osobine sila koje uzajamno deluju i utiču jedne na druge. Tvrdokorni

redukcionista smatrao bi da nikakvog ograničenja nema, i da se, u načelu,

sve – od Velikog praska do snova – može objasniti preko fundamentalnih

mikroskopskih procesa koji obuhvataju osnovne konstituente materije.

Ako znate sve o činiocima, tvrdi redukcionista, onda razumete sve

što postoji.

Redukcionistička filozofija lako potpiruje vatrene rasprave. Mnogi

smatraju luckastim i odbojnim tvrdnje da su čuda života i kosmosa samo

odrazi besmislenog plesa mikroskopskih čestica u koreografiji zakona

fizike. Da li je moguće da su zadovoljstvo, tuga ili dosada samo hemijske

reakcije u mozgu između molekula i atoma, a one, gledano iz još umanjenije

mikroskopske perspektive, predstavljaju reakcije između čestica

iz tabele 1.1, koje su, u suštini, samo vibrirajuće strune? Nobelovac Stiven

Vajnberg je prilično racionalno odgovorio na ovakve kritike u knjizi Snovi

o konačnoj teoriji (Dreams of a Final Theory):

Na drugoj strani su protivnici redukcionizma koji se zgražaju nad

onim što vide kao sumornu stranu nauke. Koliko god bilo moguće da

se oni i njihov svet svedu na život čestica ili polja i njihovih interakcija,

osećaju da se njihovo postojanje obesmišljava tim znanjem… Ne

bih pokušavao da odgovorim na ove kritike vedrim pričama o lepotama

moderne nauke. Redukcionistički pogled na svet jeste hladan i

otuđen. Mora se prihvatiti kakav jeste, ne zato što nam se sviđa, već

zato što je to način na koji svet funkcioniše.4

Pojedinci se slažu s takvim krutim stavom, drugi ga odbacuju.

Ima naučnika koji smatraju da nam teorija haosa otkriva zakone nove

vrste koji počinju da važe kada nivo složenosti sistema poraste. Jedno je

razumeti ponašanje elektrona i kvarka, sasvim drugo koristiti to znanje

da bi se sagledalo ponašanje tornada. Većina se slaže s tim. Ali, mišljenja

su neusaglašena o tome da li različiti i često neočekivani fenomeni koji

se mogu javiti u sistemima složenijim od jedne čestice zaista predstavljaju

nove fizičke principe, ili su ti principi izvedeni (makar i na užasno

složen način) iz fizičkih principa koji upravljaju izvanredno velikim brojem

elementarnih konstituenata. Smatram da oni ne predstavljaju nove

i nezavisne zakone fizike. Bilo bi teško objasniti svojstva tornada preko

fizičkih svojstava elektrona i kvarkova, ali ja tu vidim nepremostive prepreke

u računanju, a ne potrebu za novim fizičkim zakonima. I u ovom

slučaju, neki se ne bi složili s takvim stavom.

Čak i kada bismo prihvatili spornu logiku upornih redukcionista,

van sumnje je, i primarno važna za putovanje opisano u ovoj knjizi,

činjenica da je princip jedno, a praksa sasvim drugo. Skoro svi se slažu

u ovome: kada bi se postavila teorija svega, to ne bi nikako rasvetlilo sva

pitanja kojima se bave psihologija, biologija, geologija, hemija, čak i fizika.

Kosmos je toliko čudesno bogato i složeno mesto da otkriće konačne teorije

– u smislu predočenom na ovom mestu – ne bi označilo kraj nauke.

Naprotiv, otkriće teorije svega – konačnog objašnjenja svemira na njegovom

najsićušnijem mikroskopskom nivou, teorije koja se ne oslanja ni

na jedno dublje objašnjenje – obezbedilo bi najčvršću osnovu na kojoj

bi se moglo izgraditi ljudsko znanje o svetu. Njeno otkriće predstavljalo

bi početak, a ne kraj. Konačnom teorijom obezbedio bi se postojani stub

naučne usklađenosti, što bi nas uverilo da je svemir pojmljiv.

Brian Greene: The ELEGANT UNIVERSE

Izdavač
Heliks