Brian Greene a húrelméletről

1919-ben egy gyakorlatilag ismeretlen német matematikus, Theodor Kaluza egy nagyon merész és bizonyos szempontból nagyon furcsa ötlettel állt elő. Azt indítványozta hogy a Világmindenség valójában nem csak azzal a három dimenzióval rendelkezik, mint amiről tudomásunk van. A balra-jobbra, hátra-előre és a fel-le mellett Kaluza azt feltételezte, hogy további térdimenziók is létezhetnek, melyeket valamilyen okból nem vagyunk képesek érzékelni. Nos, ha valaki előáll egy merész és furcsa ötlettel, akkor az néha nem is több mint egy merész és furcsa ötlet, de semmi köze a minket körülvevő valósághoz. Ez a bizonyos ötlet azonban, bár még nem tudjuk hogy helyes vagy helytelen-e, - és az előadás végén beszélek néhány kísérletről, melyek a következő években esetlegesen eldönthetik hogy az ötlet helyes vagy helytelen-e - ez az ötlet nagy befolyással volt a utobbi évszázad fizikatudományára és még manapság is forrása számtalan élvonalbeli kutatásnak.

Így hát szeretnék egy kicsit mesélni ezen extradimenziók történetéről. Hol is kezdjem? Hogy elkezdhessük kell egy kis háttérismeret. Menjünk 1907-be. Ez az az év, mikor Einstein dicsfényben fürdik a speciális relativitáselmélet felfedezése miatt, és elhatározza hogy új fába vágja a fejszéjét -- megpróbálja megérteni a gravitáció hatalmas, mindent átfogó erejét. Abban az időszakban sok olyan ember volt aki úgy gondolta hogy a feladat már eleve megoldottnak tekinthető. Newton már megajándékozta a világot a korai 1600-as években a gravitációelmélettel mely jól működik, leírja a bolygók mozgását, a Hold mozgását és így tovább, valamint kétségbevonható almák leesését fákról, emberek fejét találva el. Mindez megmagyarázható Newton munkájának felhasználásával.

De Einstein rájött hogy Newton kihagyott valamit a történetből, hiszen még Newton is elismerte hogy bár rájött hogyan számítsa ki a gravitáció hatását, arra nem volt képes, hogy rájöjjön igazából hogyan is működik. Hogyan lehetséges az, hogy a 93 millió mérföldnyire lévő Nap valahogy befolyásolja a Föld mozgását? Hogyan lehetséges az hogy a Nap áthidalja az üres, közömbös teret és valahogyan hatást fejt ki? Einstein a következő feladatot tűzte ki maga elé: rájönni hogy a gravitáció miként is működik. Hadd mutassam meg hogy mire jött rá. Einstein rájött, hogy maga az űr az a közeg mely a gravitációt közvetíti. Az ötlet a következő: képzeljük el hogy az űr az alapja mindennek.

Einstein szerint az űr sima és sík, jelenlévő anyag hiányában. De ha anyag is van a környezetben, mint például a Nap, akkor ez az űr szövetének vetemedését, görbülését okozza. És ez közvetíti a gravitációs erőt. Még a Föld is meggörbíti a teret maga körül. Most nézzék a Holdat! A Hold azon oknál fogva marad pályán, mert mintegy a mélyedes falán gördül a görbült környezetben melyet a Nap és a Hold valamint a Föld hoznak létre puszta jelenlétükkel. Nézzük meg a teljes képet. A Föld azért marad pályán mert a mélyedés falán gördül végig a görbült környezetben, melyet a Nap jelenléte hoz létre. Ez a gravitáció működését magyarázó új elmélet.

Nos, ezt az elméletet 1919-ben csillagászati megfigyelések útján bizonyították. Tényleg működik. Leírja az észlelt adatokat. Ez pedig világhírűvé tette Einsteint. Ez gondolkodásra késztette Kaluzát. Kaluza, Einstenhez hasonlóan, egy elméleten dolgozott amit mi "egyesített elmélet" - nek hívunk. Ez egy elmélet ami megmagyarázhatja az összes természeti erőt egy maréknyi ötletből, egy maréknyi alapelvből, egy mesteregyenletből kiindulva, ha úgy tetszik. Igy hát Kaluza azt mondta magában, Einsteinnek sikerült leírnia a gravitációt a tér vetemedései és görbületei alapján-- Igazából a tér és idő vetemedései alapján, hogy pontosak legyünk. Talán eljátszhatom ugyanezt a másik ismert erővel melyet abban az időben elektromágneses erőként ismertek-- mi más erőket is ismerünk manapság, de akkoriban ez volt az egyetlen további erő melyről az embereknek tudomása volt. Tudják, az az erő, ami az elektromosságért és a mágneses vonzásért felel, stb.

Kaluza azt mondta, talán megismételheti ugyanezt a játékot és leírhatja az elektromágneses erőt vetemedések és görbületek alapján. Ez felvetette a következő kérdést: minek a vetemedései és görbületei? Einstein már felhasználta a teret és az időt, a vetemedéseket és görbületeket hogy leírja a gravitációt. Nem úgy tünt hogy más is vetemedne vagy görbülne. Kaluza azt mondta, rendben, talán a térnek több dimenziója is létezhet. Azt mondta: ha le akarok írni egy további erőt talán egy további dimenzióra van szükségem. Tehát azt feltételezte hogy négy - nem három térdimenzió - létezik és az elektromágnesesség abban a negyedik térdimenzióban történő vetemedések és görbülések útján létezik. És itt ugrik a majom a vízbe: amikor felvázolta az egyenleteket melyek leírják a vetemedéseket és görbületeket egy négy- és nem háromdimenziós Világegyetemre vonatkoztatva, szembetalálkozott azokkal a régen ismert egyenletekkel, melyeket Einstein a három térdimenzióra vezetett le, azokkal melyek a gravitaciót írják le-- de Kaluza a negyedik térdimenzió figyelembevétele miatt egy további egyenletet is talált. És amikor megvizsgálta ezt az egyenletet, rájött hogy az nem más, mint az az egyenlet, melyet a tudósok régóta az elektromágnesesség leírására használtak. Bámulatos -- egyszerűen előkerült. Annyira lázba jött a felismeréstől, hogy körbefutotta a házát azt kiabálva hogy "Győzelem!" -- mivel megtalálta az egyesített elméletet.

Egyértelmű hogy Kaluza nagyon komolyan vette az elméleteket. Tény, hogy létezik egy törtenet arról hogy amikor meg akart tanulni úszni: elolvasott egy könyvet mely az úszást tárgyalta (nevetés) --aztán belevetette magát az óceánba. Ez az ember elméletekre bízta az életét. Nos, azokban közülünk akik kicsit gyakorlatiasabban gondolkodnak azonnal két kérdés merül fel. Egy: ha több térdimenzió létezik, akkor hol vannak ezek? Nem látjuk őket. Kettő: részleteiben is működik-e ez az elmélet, ha alkalmazzuk a körülöttünk lévő világra? Nos, az első kérdés 1926-ban került megválaszolásra egy Oscar Klein nevű kolléga által. Azt javasolta hogy a dimenzióknak két fajtája létezhet -- létezhetnek nagy, könnyen érzekelhető dimenziók és parányi feltekeredett dimenziók, Annyira feltekeredett dimenziók, hogy hiába vesznek körül minket nem vagyunk képesek érzékelni őket.

Hadd szemléltessem. Képzeljék el hogy megfigyelnek valamit, olyasmit mint egy kábelt mely egy közlekedési lámpát tart. Manhattan-ben, a Central Park-ban vagyunk - ez most igazábol lényegtelen -- és ez a kábel egydimenziósnak néz ki a távolból, de mindannyian tisztában vagyunk vele hogy van némi vastagsága. Bár nagyon nehezen kivehető messziről. Ha azonban közelítünk hozzá és más szemszögből nézzük, mondjuk egy parányi rohangáló hangyáéból -- a hangyák annyira kicsik hogy hozzáférnek az összes dimenzióhoz -- a hosszúság dimenziójához, de az óra járásával megegyező és ellentétes irányú dimenzióihoz is. Remélem értékelik ezt. Nagyon sok időt vett igénybe rávenni erre a hangyákat.

(Nevetés)

Ez a példa azonban szemlélteti hogy két fajta dimenzió létezhet, nagy és parányi. Továbbá azt hogy a nagy dimenziók lehetnek azok melyeket könnyen észlelhetünk, de létezhetnek további feltekeredett dimenziók, hasonlóan a kábel körkörös részéhez, melyek olyan parányiak hogy ezeddig láthatatlanok maradtak. Hadd mutassam meg hogy hogyan is képzeljük ezt el. Ha megvizsgáljuk magát a teret -- Természetesen csak két dimenzióban mutathatom a képernyőn. Valamelykőtök ezt is megoldja a jövőben, de minden ami nem sík egy képernyőn az egy újabb dimenzió, kicsinyítünk, még jobban, még jobban, es megérkezünk az tér mikroszkópikus mélységeibe -- az ötlet a következő: létezhetnek parányi feltekeredett dimenziók.

Íme egy kis köralak -- annyira parányi hogy nem érzékeljük. Ha azonban kis mirkroszkópikus hangyák lennénk akkor mozoghatnánk az ismert nagy dimenziókban-- melyet a négyzetrácsos terület jelképez,-- de eppúgy haladhatnánk az apró, feltekeredett dimenzióban, ami annyira parányi hogy nem láthatjuk szabad szemmel, és még legkifinomultabb műszereinkkel sem. De mélyen beleágyazva az tér szövetébe több dimenzió is létezhet mint amit érzékelünk. Nos, ez egy magyarazat arra hogy hogyan létezhet több dimenzió - mint amiket érzékelünk - az Univerzumban. Mi van a másik kérdéssel amit feltettem: tényleg működik ez az elmélet ha megpróbáljuk alkalmazni a valós világra?

Nos, kiderült hogy mikor Einstein, Kaluza és sokan mások azon dolgoztak hogy finomítsanak az alapötleten és az Univerzum fizikájára alkalmazzák - ahogyan azt akkoriban értelmezték -, részleteiben nem működött ez az elmélet. Részletesen, például nem tudták az elektron tömegét ezen elmélet alapján helyesen levezetni. Sokan dolgoztak rajta, de a negyvenes- és bizonyosan az ötvenes években ez a furcsa de lenyűgöző ötlet a természeti törvények egyesítéséről felejtésbe merült. Amíg valami csodalatos dolog történt a mi korunkban. Manapság az egyesített elmélet új megközelítését keresik a hozzám hasonló fizikusok, és sokan mások világszerte, Szuperhúrelméletnek hívják, mint ahogyan már sejthették. A csodálatos dolog a szuperhúrelméletben az, hogy első látásra semmi köze további dimenziókhoz, de ha tanulmányozzuk a szuperhúrelméletet rájövünk hogy felkarolja a több dimenzió ötletét egy új, üditő formában.

Hadd magyarázzam el hogyan is működik. Mi is az a szuperhúrelmélet? Nos, ez egy elmélet mely választ keres a következő kérdésre: mik azok az alapvető, láthatatlan, oszthatatlan alkotóelemek, melyek felépítik a körulöttünk lévo világot? Az ötlet a következő: Képzeljük el hogy egy hétköznapi tárgyat szemlélünk, egy gyergyát a gyertyatartóban, és meg szeretnénk tudni hogy miből áll. Így hát útnak indulunk mélyen a tárgy belsejébe és megvizsgáljuk az összetevőit. Annyira mélyre --mindannyian tudjuk hogy ha eléggé mélyre jutunk atomokkal találkozunk. Azt is tudjuk hogy az atomok nem az út végét jelentik. Parányi elektronok raja veszi körül az atommagokat, amik neutronokból es protonokbol állnak. Még a neutronok és protonok is kisebb részecskékből állnak össze, amiket kvarkoknak hívunk. Itt ér véget a hagyományos elmélet.

Íme a húrelmélet új ötlete. Mindezen részecskék mélyén van valami más is. Ez a valami egy táncoló energiaszál. Úgy néz ki mint egy vibráló húr -- innen származik a húrelmélet elnevezés. Hasonlóan egy cselló vibráló húrjaihoz, amik különböző minta szerint képesek vibrálni, a húrok is ugyanúgy képesek különböző minta szerint vibrálni. Nem képeznek különböző hangjegyeket. Inkább különböző részecskéket hoznak létre, melyek a körülöttünk létező világ alapjai. Ha ezek az ötlek helyesek, akkor mikroszkópikus szinten az Világegyetem így nézne ki. Nagyszámú parányi táncoló energiaszálból áll, melyek különböző frekvenciákon rezegnek. A különböző frekvenciák képezik a különböző részecskéket. Az így létrehozott részecskék felelősek a körülöttünk létező világ gazdagságáért.

Ezt értjük egyesítés alatt, mert az anyagi részecskék, elektronok és kvarkok, sugárrészecskék, fotonok, gravitonok és minden természeti erő ugyanazon alapegységből áll. Tehát az anyagi részecskék és a természeti erők mind a vibráló húrok ötletének fedele alatt egyesülnek. Ezt értjük egyesített elmélet alatt. És itt van a kutya elásva: Ha tanulmányozzuk a húrelmélet matematikáját azt látjuk hogy nem működik egy olyan Univerzumban melyben csak 3 térdimenzió létezik. Nem működik négydimenziós, sem ötdimenziós, sem hatdimenziós Univerzumban. Ha tanulmányozzuk az egyenleteket, rájövünk hogy csak tíz térdimenziós, és egy idődimenziós világegyetemben működik. Visszatérünk Kaluza és Klein ötletéhez-- a világ, megfelelő módon ábrázolva, több dimenzióval rendelkezik mint amennyit érzékelünk.

Elgondolkodva ezen azt mondhatják: nos, rendben, ha léteznek további dimenziók és tényleg parányiak és felcsavarodottak, talán tényleg nem láthatjuk őket ha elég kicsik. No de ha létezik egy pindurka zöld emberkékből álló civilizáció és lekicsinyítjük őket annyira hogy nem láthatjuk őket, az is ugyanúgy igaz lehet. Ez a húrelmélet másik előrejelzése-- nem, ez nem tartozik a húrelmélet előrejelzései közé.

(Nevetés)

De felveti a kérdést: csak megpróbáljuk elrejteni ezeket a további dimenziókat, vagy levezethetünk belőlük valamit a valóságról. A hátralévő időt szeretnem arra felhasználni hogy bemutassam az extradimenzók két jellegzetességét. Az első, hogy sokan közülünk hisznek abban hogy ezek az extradimenziók képesek megmagyarázni a talán legalapvetőbb kérdést amire azt elméleti fizika és a tudomány választ keresnek. A kérdés a következő: ha megvizsgáljuk a körülöttünk létező világot, ahogy azt a tudósok tették az elmúlt néhány 100 évben, akkor feltűnik hogy létezik kb. 20 szám, melyek ténylegesen leírják az Univerzum tulajdonságait. Ezek a számok, mint például a részecskék tömege, olyanoké mint az elektronok és quarkok, vagy a gravitáció erőssége, az elektromágneses erő erőssége -- kb. 20 olyan szám melyeket hihetetlen pontosságal határoztak meg, de senki nem tudja megmagyarázni hogy ezek a számok miért pontosan ezeket az értékeket veszik fel.

Nos, a húrelmélelet tartogat erre a kérdésre valamilyen magyarázatot? Még nem. Azonban úgy gondoljuk hogy ezek a számok azért veszik fel a rájuk jellemző értékeket, mert az extradimenziók alakja formálja őket. A legcsodálatosabb az, hogy ha ezek a számok más értékeket vennének fel mint amiket valójában felvesznek, az általunk ismert Univerzum nem létezhetne. Ez egy alapvető kérdés. Miért ennyire finomhangoltak ezek a számok, annak érdekeben hogy ragyoghassanak a csillagok és bolygók formálódhassanak? Ha belegondolunk hogy eljátszva ezekkel a számokkal -- - mondjuk ha rendelkeznék 20 tárcsával es hagynám hogy tetszés szerint babráljanak a számokkal, majdnem minden változtatás a Világegyetem eltünését okozná. Szóval meg tudjuk magyarázni ezt a 20 számot? A húrelmélet szerint ennek a 20 számnak köze van az extradimenziókhoz. Nézzük meg hogyan! Ha extradimenzióról beszélünk a húrelmélet kapcsán, akkor nem csak egy dimenzióról van szó, mint Kaluza és Klein elmélete esetében. A húrelmélet szerint a további dimenziók eképp néznek ki: Nagyon bonyolult és átszőtt alakjuk van.

Íme egy példa valamire, amit mi Calabi-Yau formának nevezünk - Az elnevezés most nem lényeges. Amint láthatják az extradimenziók önmagukba hajlanak és érdekes alakban, struktúrában szövik át egymást. A lényeg az hogy ha az extradimenziók így néznek ki, akkor a minket körülvevő Univerzum mikroszópikus szinten hasonlóképpen nézne ki. Ha meglendítjük a karunkat, akkor ezen extradimenziók mentén mozog újra meg újra, de ezek annyira parányiak hogy észre sem vesszük őket. Mi lehet ennek a felismerésnek a fizikai kihatása a 20 számra?

Gondoljanak bele. Ha megnézik ezt a hangszert, egy kürtöt, akkor láthatják hogy a levegőáramlat rezgései a hangszer alakjátol függenek. A húrelmélet esetében pedig az összes szám a húrok vibrálásának tükröződése. Mint ahogyan a levegőáramlatokra hatással vannak a hangszer fordulatai és kanyarulatai, ugyanúgy a húrokat a vibráló geometriai minták befolyásolják, amelyekben mozognak. Hadd adjak hozzá a történethez néhany húrt. Ha megnézik hogy kis pajtásaink hogyan vibrálnak -- megjelennek mindjárt -- már ott is vannak, figyeljék meg hogy a vibrálásukat befolyásolja az extradimenziók geometriája.

Ha tehát pontosan tudnánk hogy hogyan néznek ki az extradimenziók -- még nem tudjuk, de ha tudnánk -- képesek lennénk kiszámolni a lehetséges hangjegyeket, a lehetséges rezgési mintákat. Ha pedig ki tudnánk számolni a lehetséges rezgési mintákat, akkor képesnek kell lennünk arra, hogy kiszámoljuk a 20 számot. Ha pedig az eredmény amit kapunk egybeesik azon számok értékeivel, melyeket már meghatároztak részletes és pontos kísérletekkel, az sok szempontból az első és alapvető magyarázata lenne annak hogy miért is olyan az Univerzum szerkezete, amilyen. Nos, a második kérdés, mellyel be is fejezném, a következő: hogyan tudnánk közvetlenül bizonyítani ezen további dimenziók létezését? Több-e ez az elmélet mint egy érdekes matematikai építmény mely képes lehet megmagyarázni a világ néhány előtte megmagyarázhatatlan tulajdonságát, vagy ténylegesen be tudjuk bizonyítani az extradimenziók létezését? Mi azt gondoljuk -- és úgy hiszem ez egy nagyon izgalmas dolog -- hogy a következő kb. öt évben be tudjuk bizonyítani ezeknek az extradimenzióknak a létezését.

A következőképpen fogjuk bebizonyítani: a svájci Genfben található CERN kutatóintézetben egy Large Hadron Colider nevű szerkezetet építenek. Ebben a gépben részecskéket küldenek egy alagúton át egymással ellenkező irányban, megközelítőleg fénysebességgel. Néha ezeket a részecskéket ütközőpályára állítják, hogy aztán frontálisan ütköznek. Abban reménykedünk, hogy az ütközésnek elég energiája lesz ahoz, hogy az ütközés közben keletkezett törmelékből kilökődjön valamennyi a mi dimenzióinkból, rákényszerülve hogy más dimenziókba távozzon. Hogyan fogjuk ezt észlelni? Nos, megmérjük az ütközés utáni energiamennyiséget, összehasonlítjuk az ütközés előttivel, és ha kevesebb az energia mint az ütközés előtt, ez azt bizonyítja hogy az energia távozott. Ha pedig abban a megfelelő mintában távozik mint amit előtte már ki tudtunk számolni, akkor ez bizonyítani fogja hogy léteznek extradimenziók.

Hadd mutassam meg hogyan néz ki. Képzeljenek el egy bizonyos részecskét melyet gravitonnak hívunk -- ilyen részecskére számítunk távozó törmelékként, ha az extradimenziók tényleg léteznek. Lássuk hogy néz ki a kísérlet. Fogjuk ezeket a részecskéket és összeütköztetjük. Összeütköztetjük, és ha igazunk van, az ütközés energiájának egy része törmelék formájában jelenik meg, mely eltávozik az extra dimenziókba. Ilyen típusú kísérletre várunk a következő 5-10 évben. Ha pedig ez a kísérlet sikerül, ha észleljük hogy ez a részecske kilökődik érzékelve hogy kevesebb energia van a mi dimenziónkban mint amikor elkezdtük a kísérlelet, akkor az bizonyítani fogja hogy az extradimenziók valóban léteznek.

Számomra ez egy igen figyelemreméltó történet, és egy figyelemreméltó lehetőség. Visszatekintve Newton abszolút terére -- mely csak egy aréna, egy színpad, melyben az Univerzum eseményei zajlanak. Aztán megjelenik Einstein és azt mondja hogy az űr vetemedik és görbül, és ez a gravitáció. Most pedig megjelenik a húrelmélet és azt állítja hogy képes a gravitációt, a kvantummechanikát és az elektromágnesességet egybegyúrni egy csomaggá, de csak akkor ha az Univerzum több dimenzióval rendelkezik mint amennyit érzékelünk. Ez a kísérlet pedig bebizonyíthatja mindezt még a mi életünk folyamán. Lenyűgöző lehetőség. Nagyon köszönöm a figyelmüket.

(Taps)