Brajan Grin o teoriji struna [TED]

Godine 1919. praktički nepoznat nemački matematičar po imenu Theodor Kaluza izneo je vrlo odvažnu i, na neki način, bizarnu ideju. Rekao je da bi naš svemir mogao imati više od tri dimenzije koje svi poznajemo. Pored levo, desno, napred, nazad i gore, dole, Kaluza je predložio da bi mogle postojati dodatne prostorne dimenzije koje iz nekog razloga još ne vidimo. Naime, kada neko iznese odvažnu i bizarnu ideju, ona je nekad samo to — odvažna i bizarna, ali nema nikakve veze sa svetom oko nas. Međutim, ova ideja — iako još ne znamo je li valjana ili ne, a na kraju ću razmotriti pokuse koji bi nam u sledećih nekoliko godina, mogli reći je li valjana ili ne — ova ideja imala je veliki uticaj na fizičare u prošlom veku i nadalje nadahnjuje mnoga najnaprednija istraživanja.

Stoga bih vam hteo ispričati nešto o ovim dodatnim dimenzijama. Dakle, kamo idemo? Za početak trebamo malo pozadine. Idemo u 1907. To je godina kad Einstein uživa slavu otkrivši specijalnu teoriju relativnosti i odlučuje prihvatiti se novog zadatka: — potpuno shvatiti gravitaciju, tu veliku silu koja prožima sve. U to doba mnogi ljudi misle da je taj zadatak već rešen. Newton je podario svetu teoriju gravitacije krajem 17. veka koja dobro funkcioniše, objašnjava kretanje planeta, kretanje meseca, jabuka koje padaju sa stabala, udarajući ljude po glavi. Sve to se može opisati pomoću Newtonova dela.

Ali Einstein je shvatio da je Newton izostavio nešto iz cele priče, jer je čak i Newton napisao da iako je shvatio kako izračunati uticaj gravitacije, nije uspeo shvatiti kako ona ustvari funkcioniše. Kako to da Sunce, udaljeno 150 milijuna km, nekako utiče na kretanje zemlje? Kako Sunce prodire kroz prazan i trom prostor i vrši uticaj? I to je zadatak koji si je Einstein zadao — shvatiti kako funkcioniše gravitacija. Dopustite da vam pokažem što je otkrio. Einstein je otkrio da je sâm prostor medij koji prenosi gravitaciju. Ideja je sledeća: zamislite da je prostor podloga svega što postoji.

Einstein kaže da je prostor ravan ako na njemu nema nikakve materije. Ali ako postoji materija u prostoru, kao što je Sunce, ona uzrokuje zakrivljenost prostora. I to prenosi silu gravitacije. Čak i Zemlja zakrivljuje prostor oko sebe.

 

Sad pogledajte Mesec. Prema ovoj teoriji, Mesec ostaje u orbiti jer se kotrlja po udolini u zakrivljenom prostoru koju Sunce, Mesec i Zemlja mogu stvoriti svojom prisutnošću. Sad pogledajmo celu sliku. Sama Zemlja ostaje u orbiti jer se kotrlja po udolini u prostoru koji je zakrivljen zbog Sunčeve prisutnosti. To je nova ideja kako ustvari deluje gravitacija.

Naime, ova ideja je testirana 1919. astronomskim opažanjima. Zaista deluje. Opisuje opažanja. I time je Einstein stekao ugled širom sveta.
                             
I to je navelo Kaluzu na razmišljanje. On je, kao i Einstein, bio u potrazi za tzv. “objedinjenom teorijom”. Radi se o teoriji koja bi sama mogla opisati sve prirodne sile pomoću jednog skupa ideja, jednog skupa principa, takoreći jedne glavne formule. Stoga je Kaluza zaključio, Einstein je uspio opisati gravitaciju u odnosu na uvijanje i zakrivljenje prostora — tačnije, prostora i vremena. Možda ja mogu napraviti isto s drugom poznatom silom, koja je u to vreme bila poznata kao elektromagnetska sila.

 

 

D anas znamo i za druge, ali u ono doba to je bila jedina druga o kojoj su ljudi razmišljali. Znate, sila odgovorna za struju, magnetsku privlačnost i slično.

I tako Kaluza kaže, možda i ja mogu napraviti isto i objasniti elektromagnetsku silu pomoću uvijanja i zakrivljenosti. To je postavilo pitanje uvijanje i krivljenje čega? Einstein je već iskoristio prostor i vreme, uvijanje i krivljenje, da opiše gravitaciju. Kao da nije ništa više ostalo za uvijanje i krivljenje. I tako Kaluza kaže, možda postoji više dimenzija prostora. Rekao je, ako želim opisati još jednu silu, možda mi treba još jedna dimenzija. Zamislio je da svet ima četiri prostorne dimenzija, a ne tri, i da je elektromagnetizam uvijanje i krivljenje u toj četvrtoj dimenziji. Pazite sad ovo: kad je napisao formulu koja opisuje uvijanje i krivljenje u svemiru s četiri prostorne dimenzije, a ne tri, dobio je stare formule koje je Einstein već izveo u tri dimenzije — za gravitaciju — ali je dobio još jednu formulu zbog dodatne dimenzije. I kad je pogledao tu formulu, to nije bila ništa drugo nego formula za koju su naučnici već dugo znali da opisuje elektromagnetnu silu. Zadivljujuće — samo se pojavila. Bio je toliko uzbuđen svojim otkrićem da je trčao oko kuće vičući “Pobeda!” — što je otkrio objedinjenu teoriju.

Naravno, Kaluza je bio čovek koji vrlo ozbiljno shvata teoriju. On, zapravo — postoji priča da je, kad je hteo naučiti plivati, pročitao knjigu, raspravu o plivanju — i zatim zaronio u okean. On je čovek koji bi riskirao svoj život prema teoriji. Ali za one među nama koji su više praktičnog uma, iz ovih promatranja odmah proizlaze dva pitanja.
Prvo: ako je više dimenzija u prostoru, gde su? Izgleda da ih ne vidimo.
I drugo: deluje li ova teorija doista precizno, kad je primenimo na svet oko nas?

Na prvo pitanje odgovor je dao 1926. mladić zvan Oskar Klein. On je izneo ideju da se dimenzije mogu pojavljivati u dve varijante — dimenzije mogu biti velike, lako vidljive, ali mogu biti i male, uvijene, uvijene tako sitno da ih, iako su svuda oko nas, ne možemo videti.

 

Dopustite da vam to prikažem vizuelno. Zamislite da gledate u nešto kao kabel koji drži semafor. Nalazi se u Manhattanu. Vi ste u Central Parku — nebitno je — ali kabel izdaleka izgleda jednodimenzionalno, ali i vi i ja znamo da ima određenu debljinu. Koju je, doduše, teško videti izdaleka. Ali ako se približimo i pogledamo iz perspektive, recimo, malog mrava koji hoda okolo — mravi su tako mali da mogu pristupiti svim dimenzijama — dimenziji dužine, ali također i smeru kazaljke na satu i obrnuto. Nadam se da cenite ovo. Dugo nam je trebalo da nagovorimo mrave da ovo izvedu.

Ali to ilustruje činjenicu da postoje dve vrste dimenzija: velike i male. I ideju da su možda velike dimenzije oko nas one koje lako možemo videti, ali da također postaje dodatne, uvrnute dimenzije, poput kružnog dela kabla, tako sitne da su do sada bile nevidljive. Dopustite da vam pokažem kako bi to izgledalo. Ako pogledamo, recimo, prostore — na ekranu mogu, naravno, prikazati samo dve dimenzije. Neki od vas ovde će rešiti taj problem jednog dana, ali sve što na ekranu nije ravno je nova dimenzija, postaje sve manja, i manja, i manja i u mikroskopskoj dubini samog prostora — ovo je ideja: nalaze se dodatne, uvinute dimenzije.

 

 

Evo jedne u obliku malog kruga — tako je malen da ga ne možemo videti. Ali da ste mikroskopski mrav koji hoda naokolo, mogli biste hodati u velikim dimenzijama koje svi znamo — to je nešto kao rešetkasti dio — ali mogli biste pristupiti i maloj, uvinutoj dimenziji koja je toliko sitna da je ne možemo videti golim okom, pa čak ni našom najrazvijenijom opremom. Ali duboko u građi samog svemira, kao što smo videli, ideja kaže da bi moglo postojati još dimenzija. Dakle, to je objašnjenje kako svemir može imati više dimenzija nego što ih vidimo. Ali što je s drugim pitanjem koje sam postavio: deluje li teorija kad se primeni na stvarni svet?

Pa, pokazalo se da su Einstein i Kaluza i mnogi drugi pokušavali usavršiti ovaj idejni okvir i primeniti ga na fiziku svemira kako je bila shvaćena u to doba, ali to nije funkcionisalo u detaljima. Na primer, na razini detalja nisu uspeli postići da masa elektrona tačno funkcioniše u ovoj teoriji. Mnogo ljudi je radilo na tome, ali do 40-ih, a svakako 50-ih godina ova čudna, ali vrlo privlačna ideja — kako ujediniti zakone fizike — je nestala. Dok se nije desilo nešto čudesno u naše doba.

U našoj eri, novi pristup unificiranju zakona fizike razvijaju fizičari poput mene, i mnogi drugi širom sveta. Zove se teorija superstruna, kao što se dalo naslutiti. I ono što je predivno je da teorija superstruna na prvi pogleda nema nikakve veze s idejom o više dimenzija, ali kad proučavamo teoriju superstruna, otkrivamo da oživljuje tu ideju u blistavom novom ruhu.

Stoga mi dopustite da vam kažem kako glasi. Teorija superstruna — što je to? To je teorija koja pokušava odgovoriti na pitanje: što su osnovni, nedeljivi, sastojci koji sačinjavaju sve na svetu oko nas? Ideja je sledeća. Zamislite da gledamo poznati predmet, sveću u svećnjaku, i zamislite da želimo otkriti od čega se sastoji. Stoga krenemo na putovanje duboko u taj predmet i proučimo njegov sastav. Svi znamo da, ako odemo dovoljno duboko, nalazimo atome. Znamo i to da atomi nisu kraj priče. Imaju male elektrone koji kruže oko centralne jezgre sastavljene od neutrona i protona. Čak i neutroni i protoni imaju u sebi sitnije čestice, kvarkove. I tu tradicionalne ideje završavaju.

 

Evo nove ideje o teoriji struna. U dubini tih čestica, postoji još nešto. To nešto je žareća nit energije. Izgleda kao vibrirajuća struna — odatle ideja o teoriji struna. I kao što vibrirajuće strune, koje ste upravo videli kod čela, mogu vibrirati na različite načine, tako i ove mogu vibrirati po različitim uzorcima. One proizvode različite čestice koje sačinjavaju svet oko nas. Stoga, ako su ove ideje tačne, ovako izgleda ultra mikroskopski krajolik svemira. Sastoji se od velikog broja malih, sitnih niti vibrirajuće energije, koje vibriraju na različitim frekvencijama. Različite frekvencije stvaraju različite čestice. Različite čestice su odgovorne za svo bogatstvo na svetu oko nas.

 

I tu se vidi objedinjenost, jer čestice materije, elektroni i kvarkovi, radijacijske čestice, fotoni, gravitoni, svi su građeni od jednog jedinog entiteta. Stoga su sva materija i sve prirodne sile svrstane zajedno u skupinu vibrirajućih struna. I to smatramo objedinjenom teorijom. Međutim, postoji kvaka. Kad se proučava matematika teorije struna, pokazuje se da ne funkcionira u svemiru koji ima samo tri prostorne dimenzije. Ne funkcioniše niti u svemiru sa četiri prostorne dimenzije, niti pet, niti šest. Na kraju, proučavanje formula pokazuje da funkcioniše samo u svemiru koje ima 10 prostornih dimenzija i jednu vremensku. I to nas vodi natrag do Kaluzine i Kleinove ideje da naš svet, ispravno opisan, ima više dimenzija od onih koje vidimo.
 

Možete o tome razmišljati i reći, dobro, ako imamo dodatne dimenzija i one su čvrsto uvinute da, možda ih nećemo videti ako su jako sitne. Ali ako postoji mala sitna civilizacija zelenih ljudi koja hoda tamo dolje, i ako su oni jako sitni, istina je, nećemo videti ni njih. Jedno od drugih predviđanja teorije struna — ne, to nije jedno od drugih predviđanja teorije struna.
 

Ali postavlja se pitanje: pokušavamo li samo sakriti te dodatne dimenzije, ili nam one nešto govore o svetu? U preostalom vremenu htie bih vam predstaviti dva njihova svojstva. Kao prvo, mnogi među nama veruju da ove dodatne dimenzije sadrže odgovor na možda najozbiljnije pitanje teorijske fizike, teorijske nauke. A to pitanje glasi: kad pogledamo uokolo po svetu, kao što naučnici rade zadnjih sto godina, čini se da postoji nekih 20 brojeva koji uistinu opisuju svemir. To su brojevi poput mase čestica, poput elektrona i kvarka, jačine gravitacije, jačine elektromagnetske sile — lista od dvadesetak brojeva koji su izmereni s neverovatnom preciznošću, no niko ne može objasniti zašto ti brojevi imaju baš tu vrednost.

Nudi li teorija struna odgovor? Ne još. Ali verujemo da bi odgovor na pitanje zašto ti brojevi imaju vrednosti koje imaju mogao da zavisi od oblika dodatnih dimenzija. I čudesna činjenica je da kad bi ti brojevi imali neku drugu vrednost od ovih znanih, svemir kakav poznajemo ne bi postojao. Ovo je ozbiljno pitanje. Zašto su ti brojevi tako fino podešeni da omogućavaju zvezdama da sjaje i planetima da nastaju, kad shvaćamo da ako se poigramo s tim brojevima — kad bih ovde imao 20 brojčanika i kad bih vam dao da smislite i poigrate se s tim brojevima, bilo kakvo poigravanje rezultiralo bi nestankom svemira. Dakle, možemo li objasniti tih 20 brojeva? Teorija struna sugeriše da tih 20 brojeva ima veze s dodatnim dimenzijama. Dopustite da vam pokažem kako. Dakle, kad govorimo o dodatnim dimenzijama u teoriji struna, ne govorimo o jednoj dodatnoj dimenziji, kao u starim idejama Kaluze i Kleina. Evo što teorija struna kaže o dodatnim dimenzijama. Imaju bogato isprepletenu geometriju.

 

Ovo je primer nečeg poznatog pod nazivom “oblik Calabi-Yau”, no ime i nije tako važno. Ali kao što možete videti, dodatne dimenzije se savijaju same u sebe i isprepliću se u vrlo zanimljiv oblik, zanimljivu strukturu. Ideja je da ako dodatne dimenzije izgledaju ovako, onda bi mikroskopski krajolik svemira oko nas izgledao ovako u najsitnijem merilu. Kad zamahnete rukom, uvek biste iznova prolazili kroz ove dodatne dimenzije, ali one su toliko male da toga ne biste bili svesni. Koja je, dakle, fizikalna implikacija relevantna za tih 20 brojeva?
 

Razmislite o ovome: ako pogledate instrument, francuski rog, videćete da vibracije zraka zavise od oblika instrumenta. U teoriji struna, svi brojevi su odrazi načina na koje strune mogu vibrirati. Dakle, kao što su i ta strujanja zraka ovisna o zakrivljenosti instrumenta, i same strune će zavisiti od vibrirajućim uzorcima u geometriji unutar koje se kreću. Dopustite da unesem malo struna u priču, Ako pogledate ove male “momke” koji vibriraju uokolo — sad će se pojaviti — evo ovde, pogledajte kako način na koji vibriraju zavisi od geometrije dodatnih dimenzija.

Stoga, kad bismo tačno znali kako te dodatne dimenzije izgledaju — još ne znamo, ali kad bismo znali — trebali bismo moći izračunati dozvoljene note, dozvoljene uzorke vibriranja. A kad bismo mogli izračunati dozvoljene uzorke vibriranja, trebali bismo biti u stanju izračunati onih 20 brojeva. I ako se rezultati koje dobijemo iz naših proračuna slažu s vrednostima tih brojeva, koje su određene detaljnim i preciznim eksperimentisanjem,tobi na mnoge načine bilo prvo fundamentalno objašnjenje zašto je struktura svemira onakva kakva je.
Nadalje, drugi problem, s kojim bih htio zaključiti, je: kako bismo direktnije  mogli testirati postojanje dodatnih dimenzija? Je li to samo zanimljiva matematička struktura koja bi mogla objasniti prethodno neobjašnjiva svojstva sveta, ili stvarno možemo testirati postojanje tih dodatnih dimenzija? Mislimo — i ovo je, po mom mišljenju, vrlo uzbudljivo — da bismo u sledećih pet godina, ili tu negde, mogli proveriti postojanje tih dodatnih dimenzija.

 U CERN-u, u Ženevi, u Švajcarskoj, gradi se (izgrađen) stroj nazvan veliki hadronski sudarač. To je uređaj koji će poslati čestice duž kružnog tunela, u obrnutim smerovima, brzinom bliskom brzini svetlosti. Svako malo čestice će biti usmerene jedna prema drugoj tako da dođe do direktnog sudara. Ako sudar stvori dovoljno energije, možda izbaci neke ostatke sudara iz naših dimenzija i natera ih da uđu u druge dimenzije. Kako ćemo to znati? Pa, izmerićemo količinu energije nakon sudara, uporediti je s količinom pre, i ako nakon sudara energije bude manje nego pre to će biti dokaz da je energija nekamo otišla. I ako ode u pravom uzorku koji možemo izračunati, to će biti dokaz da postoje dodatne dimenzije.

 

Dopustite da vam pokažem tu ideju vizuelno. Zamislite da imamo određenu česticu zvanu graviton — to je ostatak kakav očekujemo da bude izbačen ako dodatne dimenzije postoje. Evo kako bi eksperiment izgledao. Uzmete ove čestice. Međusobno ih sudarite. I, ako smo u pravu, nešto energije od sudara će otići u ostatak koji odleti u dodatne dimenzije. Dakle to je tip eksperimenta koji ćemo provoditi u sledećih pet, sedam do 10 godina ili tu negde. I ako ovaj eksperiment urodi plodom, ako budemo videli izbacivanje takve čestice jer će biti manje energije u našoj dimenziji nego pre početka, pokazat će se da dodatne dimenzija stvarno postoje.
 

Za mene je to stvarno izvanredna priča i izvanredna prilika. Vraćanje Newtonu s apsolutnim prostorom — nije pružilo ništa osim pozornice na kojoj se odvijaju događaji svemira. Dolazi Einstein i kaže: prostor i vreme se mogu uvijati i kriviti, to je gravitacija. A sad dolazi teorija struna i kaže: da, gravitacija, kvantna mehanika, elektromagnetizam — sve je zajedno u jednom paketu, ali samo ako svemir ima više dimenzija nego što ih vidimo. Ovo je eksperiment koji bi to mogao proveriti u toku našeg života. Čudesne mogućnosti. Hvala puno.

Klikni na sliku za odlazak na TED

 

 

 

 

_________________________________________

 

 

 

ZAŠTO JE 20 FREKVENCIJA STRUNA......ODGOVOR

 

".....čini se da postoji nekih 20 brojeva koji uistinu opisuju svemir. To su brojevi poput mase čestica, poput elektrona i kvarka, jačine gravitacije, jačine elektromagnetske sile — lista od dvadesetak brojeva koji su izmereni s neverovatnom preciznošću, no niko ne može objasniti zašto ti brojevi imaju baš tu vrednost."

 

 

 

ODGOVOR

dr Duško Latas
Fizički fakultet
Beogradski univerzitet

20-ak prirodnih konstanti

 

Teorija struna je pokušaj da se sve elementarne čestice opišu na jedinstven način, kroz vibracije u višedimenzionalnom prostor-vremenu. Ova teorija je uopštenje aktuelne teorije elementarnih čestica koja se zove Standardni model.

 

Šest lepton i šest kvarkova grade čestice materije. Foton, dva W i jedan Z bozon, zajedno sa osam gluona su gradijentni bozoni i oni su povezani sa silama koje se javljaju između čestica materije. I tu je još Higsov bozon, koji masenim česticama daje masu. Veze na ovom crtežu predstavljaju meru interakcije između različitih česticama i u Standardnom modelu to su slobodni parametri teorije. Tako je npr. interacija između Higsovog bozona i elektrona odgovorna za masu elektrona.

 

Mi znamo kolika je ta masa iz eksperimenta i ona nije predviđena teorijom. Isto je i sa masama ostalih elementarnih čestica, kao i s konstantama interakcije. Na primer, naelektrisanje elektrona je povezano sa merom kojom elektron interaguje sa električnim i magnetnim poljem, odnosno fotonom. Slično je i sa ostalim interakcijama. Kada se razmotre svi slobodni parametri Standardnog modela, vidi se da ih ima 19. Postoji nada da će teorija struna predstavljati dublje poznavanje elementarnih čestica i načina kako one interaguju, i dati jedinstven teorijski model za sve te parametre. A zašto ne daje više parametara? Kada bi ih davala, onda bi to bila loša teorija koja ne opisuje prirodu

 

 

Brian Green ~ Elegantni kosmos

ARHIVA
                    FIZIKA
            ASTRONOMIJA