Brajan Grin (Brian Greene) o teoriji struna

1919. godine, gotovo nepoznat nemački matematičar Teodor Kaluza predstavio je vrlo smelu i na neki način bizarnu ideju. On je pretpostavio da naš Univerzum možda ima više od tri dimenzije, kojih smo svi svesni. Odnosno, da pored levo-desno, napred-nazad i gore-dole, mogu postojati dodatne prostorne dimenzije koje iz nekog razloga ne možemo da vidimo. Kada neko dođe do tako sulude i bizarne ideje, ponekad je ona samo to - suluda i bizarna i nema ništa zajedničko sa svetom oko nas. Ova ideja, međutim, iako još uvek ne znamo da li je ispravna ili pogrešna, a kasnije ću reći nešto o eksperimentima koji, u narednih nekoliko godina, mogu da nam pokažu da li je ispravna, ova ideja imala je ogroman uticaj na fiziku poslednjeg veka, i nastavlja da podstiče najsavremenija istraživanja.

Zato bih voleo da vam ispričam nešto o ovim dimenzijama. Međutim, odakle početi? Za uvod u ovu priču vratićemo se u 1907. godinu. Te godine Ajnštajn je zablistao otkrivši specijalnu teoriju relativiteta, i odlučio da se posveti novom projektu: potpunom razmevanju veličanstvene sile gravitacije. U tom trenutku, mnogi su smatrali da je ta stvar već rešena. Njutn je svetu podario teoriju gravitacije krajem 17. veka, koja dobro radi, opisuje kretanje planeta, kretanje Meseca i tako dalje, nepotvrđenu priču o jabukama koje padaju sa drveća i udaraju ljude u glavu. Sve to se može opisati i objasniti rezultatima Njutnovog rada.

Ali, Ajnštajn je primetio da je Njutn nešto izostavio, jer i sam Njutn je pisao o tome kako iako zna da izračuna efekat gravitacije ne može sasvim da razume kako ona stvarno funkcioniše. Kako to da Sunce, 149 miliona kilometara daleko, nekako utiče na kretanje Zemlje? Na koji način Sunce kroz toliki prazan prostor utiče na Zemlju? I to je novi zadatak koji je Ajnštajn postavio sebi - da otkrije kako gravitacija funkcioniše. Pokazao bih vam sada šta je Ajnštajn otkrio. On je otkrio da je medijum koji provodi gravitaciju sam prostor. Ideja je sledeća: zamislite da je prostor supstrat svega što postoji.

Ajnštajn je rekao da je prostor ravan i gladak ukoliko ne postoji materija. Ali, ukoliko postoji materija, kao što je Sunce, ona izaziva da se sam prostor uvija i krivi. I na taj način ispoljava se gravitaciona sila. Čak i Zemlja krivi prostor oko sebe. Setite se Meseca. Mesec ostaje u svojoj orbiti, prema ovoj ideji, zato što se kotrlja niz dolinu u savijenom prostoru, koju Sunce i Mesec i Zemlja prave samim svojim prisustvom. Pogledajmo celu sliku. Zemlja ostaje u svojoj orbiti zato što se "kotrlja" niz dolinu u prostoru koja nastaje usled toga što postoji Sunce. To je ta nova ideja koja objašnjava gravitaciju.

Ta ideja testirana je 1919. godine astronomskim posmatranjima. I ona je stvarno tačna. Potpuno opisuje podatke dobijene posmatranjem. To je proslavilo Ajnštajna širom sveta. I to je navelo Kaluzu na razmišljanje. On, kao i Ajnštajn, je tragao za onim što nazivamo "ujedinjujuća teorija". To je ona teorija koja će moći da objasni sve sile u prirodi samo jednim setom ideja, jednim skupom principa... Jednom glavnom jednačinom, ako želite. Zato je Kaluza rekao sebi sledeće: "Ajnštajn je opisao gravitaciju preko zakrivljenja prostora, ustvari zakrivljenja prostora i vremena, da budemo precizni... Možda ja mogu da se na isti način poigram sa drugom poznatom silom", a u to vreme to je bila sila elektromagnetizma. Danas znamo za još neke osnovne sile, ali tada je to bila jedina za koju su ljudi znali. Znate je, sila odgovorna za elektricitet i privlačenje magneta i tako dalje.

Dakle, Kaluza kaže sebi da se poigra na isti način i opiše elektromagnetizam u okvirima zakrivljenja. Odmah se postavlja pitanje: zakrivljenja čega? Ajnštajn je već iskoristio prostor i vreme, njihovo zakrivljenje, kako bi opisao gravitaciju. Izgledalo je da ne postoji ništa više da se zakrivi. Pa je Kaluza rekao: "Pa, možda postoji još prostornih dimenzija. Ukoliko želim da opišem još jednu silu, možda mi treba još jedna dimenzija." Tako je zamislio svet sa četiri prostorne dimenzije, umesto tri i kako elektromagnetizam stvara zakrivljenja te četvrte dimenzije. Stvar je sada u sledećem: kada je stavio jednačine na papir, one koje opisuju zakrivljenja četvorodimenzionog prostora, dobio je iste one jednačine koje je Ajnštajn već ustanovio za trodimenzioni prostor, odnosno one za gravitaciju, ali je dobio još jednu jednačinu, zbog još jedne dimenzije. I kada ju je pogledao, to je bila ista ona jednačina koju su naučnici već mnogo vremena kotistili da opišu elektromagnetizam. Za divno čudo - ona je sama iskočila. Ovaj uvid ga je toliko uzbudio da je trčao po kući i vikao: "Pobeda!", jer je pronašao ujedinjujuću teoriju.

Kaluza je, očigledno, bio čovek koji je teoriju uzimao veoma ozbiljno. Zapravo, anegdota kaže da kada je hteo da nauči da pliva, pročitao je knjigu spisa o plivanju (Smeh) i zaronio u okean. To je čovek koji bi svoj život rizikovao za teoriju. Za nas ostale koji smo više orjentisani na praksu, iz njegovog predloga odmah su se pojavila dva pitanja. Prvo: ako postoji više dimenzija prostora - gde su? Izgleda da ih ne vidimo. I drugo: da li je ova teorija zaista ispravna, da li nepogrešivo radi kada pokušamo da je primenimo na svet oko nas? Odgovor na prvo pitanje dao nam je Oskar Klajn 1926. godine. On je pretpostavio da dimenzije mogu da postoje u dva oblika: velike - koje je lako uočiti i male, sitne, uvijene dimenzije, koje su toliko sitne da iako su oko nas jednostavno ne možemo da ih vidimo.

Pokazaću vam to sada. Zamislite da gledate u nešto, naprimer u kabl između semafora. Recimo da ste na Menhetnu, u Central Parku, što i nije važno sada, ali iz vaše tačke gledišta kabl izgleda jednodimenziono, ali i vi i ja znamo da on ima neku debljinu. Nju je jako teško videti iz daleka. Ali ako zumiramo pogled i zauzmemo perspektivu, recimo, malog mrava koji po njemu šeta - mali mravi su toliko sitni da mogu da pristupe svim dimenzijama - dimenziji dužine, ali i kretanja u pravcu kazaljke na satu i suprotno. Nadam se da ćete znati da cenite ovo. Trebalo je jako mnogo vremena da nateramo mrave da rade ovo.

(Smeh)

Ali ovo ilustruje činjenicu da može da postoji dve vrste dimenzija: velike i male. A ideja je da su velike dimenzije oko nas one koje možemo da vidimo i da mogu da postoje dodatne dimenzije, uvijene kao sam taj kabl, i tako male da su do danas nevidljive. Pokazaću vam kako bi to moglo da izgleda. Ako pogledamo, recimo, sam prostor, a na ekranu mogu da vam pokažem samo dve dimenzije, neko će to jednog dana ispraviti, ali sve što nije ravno na ekranu jeste nova dimenzija. I ako idemo ka sitnijim i sitnijim i sitnijim, sve do mikroskopskih dubina samog prostora, ovo je ta ideja: mogu postojati dodatne uvijene dimenzije.

Ovde je mali krug, toliko mali da ga ne vidimo. Ali ako biste bili ultramikroskopski mrav koji tuda šeta, mogli biste da se krećete po velikim dimenzijama, koje poznajemo, to je kao mreža, ali mogli biste i da pristupite malim uvijenim dimenzijama koje su toliko male da ne mogu da se vide ni golim okom ni najfinijom opremom kojom raspolažemo danas. Ali, duboko uronjene u strukturu samog prostora mogu da postoje dodate dimenzije, pored ove tri. Na taj način objašnjavamo kako svemir može da ima dodatne dimenzije. Ali šta je sa drugim pitanjem koje sam postavio: da li teorija zapravo "radi" kada pokušamo da je primenimo na realan svet?

Pa, ispostavlja se da su Ajnštajn i Kaluza i mnogi drugi radili na usklađivanju ove ideje i njenoj primeni u fizici tog vremena, odnosno tadašnjem razumevanju univerzima i u detaljima, ona nije radila. Na primer, nisu mogli da izračunaju tačnu masu elektrona preko ove teorije. Jako mnogo ljudi je radilo na tome, ali do 40-ih i svakako 50-ih ova čudna ali izazovna ideja o ujedinjenju zakona fizike je nestala. Sve dok se u naše vreme nešto sjajno nije dogodilo. Danas imamo novi pristup ujedinjenju zakona fizike, i time se bavimo ja i drugi fizičari, mnogi fizičari širom sveta. To nazivamo teorijom superstruna, kao što ste mogli da pretpostavite. Sjajna stvar je da ova teorija na prvi pogled nema ništa sa dodatnim dimenzijama, ali kada je proučavamo, uviđamo da ona tu ideju oživljava na jedan sasvim drugi način.

Reći ću vam kako to ide. Šta je to teorija superstruna? Pa, to je teorija koja pokušava da odgovori na sledeće pitanje: koji su bazični, fundamentalni, nedeljivi činioci koji izgrađuju apsolutno sve oko nas? Ideja je sledeća. Zamislite da posmatramo poznati objekat, recimo sveću u svećnjaku, i zamislite da pokušavamo da shvatimo od čega je sastavljena. Tako krećemo na put duboko u sam objekat kako bismo ispitali sastavne delove. Jako duboko, ovo svi znamo, dolazimo do atoma. Isto tako znamo da atomi nisu kraj priče. Oni imaju male elektrone koji se kreću oko jezgra izgrađenog od protona i neutrona. Čak i protoni i neutroni sadrže manje čestice, koje smo nazvali kvarkovima. Ovde prestaje konvencionalna ideja.

Sada nastupa teorija struna. Duboko u svakoj od ovih čestica postoji još nešto. To nešto su male energetske niti. Izgledaju kao strune koje vibriraju - iz te ideje proističe ova teorija. I kao što strune koje vidite na violončelu mogu da vibriraju na različite načine, tako mogu i ove. One ne proizvode različite tonove, već na taj način izgrađuju različite čestice od kojih je izgrađen svet. Tako da, ukoliko su ove ideje tačne, ovako izgledaju ultramikroskopski pejzaži univerzuma. On je izgrađen od ogromnog broja ovih malih končića vibrirajuće energije, koja vibrira različitim frekvencijama. Različitim frekvencijama izgrađuju se raziličte čestice. A različite čestice odgovorne su za sve bogatstvo sveta oko nas.

I tu vidite ujedinjenje - zato što čestice materije, elektroni i kvarkovi, čestice zračenja - fotoni; gravitoni - sve su izgrađene od jedne stvari. Tako su sile prirode i materija spojene, određene samo vibrirajućim strunama. To je ono što podrazumevamo pod ujedinjujućom teorijom. E sad, stvar je u sledećem. Kada izučavamo matematiku teorije struna, uviđamo da ona ne funkcioniše u trodimenzionalnom prostoru. Ona ne funkcioniše ni u prostoru sa četiri dimenzije, ni pet, ni šest. Konačno, jednačine imaju smisla samo u prostoru koji ima 10 prostornih i jednu vremensku dimenziju. To nas vraća na ideju Kaluza i Klajna, da naš svet, kada se ispravno opiše, ima više dimenzija od onih koje vidimo.

Vi sada možete da razmislite o tome i kažete sledeće - OK, ako imamo dodatne dimenzije i ako su jako uvijene, da, onda možda ne možemo da ih vidimo jer su mnogo male. Ali ako postoji civilizacija malih zelenih ljudi koja hoda tamo dole, i ako su i oni toliko mali da ne možemo da ih vidimo, onda je to tačno. Još jedno od predviđanja teorije struna. Ne, to nije još jedno od predviđanja ove teorije.

(Smeh)

Ali postavlja se pitanje: da li samo pokušavamo da sakrijemo te dimenzije, to jest, da li nam one govore nešto o svetu? U vremenu koje nam je preostalo, želeo bih da vam predstavim i dve njihove karakteristike. Prva: mnogi od nas veruju da postojanje ovih dimenzija krije odgovor na jedno od najdubljih pitanja teoretske fizike i nauke uopšte. A to pitanje je sledeće: kada gledamo svet oko nas, kao što to naučnici rade poslednjih sto godina, čini se da postoji dvadesetak brojeva koji opisuju naš Univerzum. Ti brojevi su mase pojedinih čestica, elektrona i kvarkova naprimer, jačina gravitacije, elektromagnetne sile - lista dvadesetak brojeva koji su izmereni sa neverovatnom preciznošću. Ali niko ne može da objasni zašto ti brojevi imaju baš te vrednosti.

Da li teorija struna nudi odgovor? Ne još. Ali verujemo da odgovor može da se krije u formi tih dodatnih dimenzija. I sjajna stvar je sledeća: kada bi ti brojevi bili drugačiji ovakav Univerzum ne bi postojao. Ovo je duboko pitanje. Zašto su te vrednosti tako fino podešene, da imamo zvezde koje sijaju i planete oko njih, kada znamo da ako se ti brojevi malo izmene - ako biste izmenili bilo koji od tih brojeva na bilo koji način, onda ceo Univerzum prestaje da postoji. Dakle, možemo li da objasnimo tih 20 brojeva? Teorija struna predlaže da su vrednosti tih brojeva u vezi sa dodatnim dimenzijama. Pokazaću vam kako. Kada govorimo o dodatnim dimenzijama u teoriji struna, ne radi se o jednoj dimenziji, kao što su mislili Kaluza i Klajn. Teorija struna nam govori sledeće o dimenzijama: njihova geometrija je prilično bogata i isprepletana.

Ovo je primer nečega što je poznato kao Calabi-Yau oblik. Ime nije naročito važno. Ali kao što možete da vidite, dodatne dimenzije se upliću oko sebe i prepliću u interesantne oblike i strukture. Mi mislimo da ukoliko te dimenzije izgledaju ovako, onda bi ovako izgledao i Univerzum, uveličan veliki broj puta. Kada zamahnete rukom, prolazili biste kroz ove dimenzije iznova i iznova, ali ih ne biste osetili. Kakve su, onda, fizičke posledice u vezi sa onih 20 brojeva?

Obratite pažnju na ovo. Ako pogledate ovaj instrument, hornu, vidite da vibracije vazdušnih struja zavise od oblika samog instrumenta. U teoriji struna, svi ti brojevi su posledica načina na koji strune vibriraju. Pa kao što na vazdušne struje utiču zakrivljenja samog instrumenta, tako će i strune biti pod uticajem načina na koji vibriraju unutar geometrije u kojoj se pokreću. Pogledajmo sada neke od struna. Ako gledate kako one vibriraju, a sad ćete da ih vidite, evo ih, osmotrite kako je to njihovo vibriranje pod uticajem geometrije dodatnih dimenzija.

Pa kada bismo znali kako tačno te dimenzije izgledaju, što još uvek ne znamo, ali kada bismo znali, mogli bismo i da izračunamo moguće note, odnosno načine na koji mogu da vibriraju. A kada bismo to mogli da izvedemo, onda bismo dobili onih dvadesetak brojeva. I ako se vrednosti koje bismo dobili tim proračunima slažu sa vrednostima tih brojeva, koje smo ranije odredili kroz detaljne i precizne eksperimente, to bi na mnoge načine bilo prvo fundamentalno objašnjenje toga zašto je Univerzum takav kakav je. Drugi problem i sa time ću završiti, jeste kako možemo da testiramo postojanje tih dimenzija? Da li je ovo samo interesantan matematički model, koji može da objasni ranije neobjašnjiva svojstva sveta, ili zapravo možemo da dokažemo postojanje tih dimenzija eksperimentalno? Mi smatramo, i ja smatram, da je ovo jako uzbudljivo i da ćemo u narednih pet godina moći da testiramo postojanje tih dodatnih dimenzija.

Ovako će to da izgleda. U CERN-u, u Ženevi, pravimo mašinu koja se zove Veliki sudarač čestica. Ta mašina će čestice slati kroz tunel u suprotnim pravcima i približno brzinom svetlosti. Te čestice ćemo zatim tako usmeravati da se čeono sudaraju. Nadamo se da će ti sudari biti dovoljne energije i da će moći da neke stvari iz naših dimenzija ubace u druge dimenzije. Kako ćemo znati da se to dogodilo? Pa, merićemo energiju posle sudara i uporediti je sa energijom pre sudara i ako bude bilo manje energije posle, to će biti dokaz da je deo energije sklonjen. A ako to budemo mogli da opišemo jednačinama, to će biti dokaz da dodatne dimenzije postoje.

Pogledajte kako će to da izgleda. Zamislite česticu koja se zove graviton, to je jedna od stvari koju očekujemo da dobijemo pri sudarima, ako dodatne dimenzije postoje. Ovako će eksperiment da izgleda. Uzmete čestice i sudarite ih jako. Ako smo u pravu, deo energije tih sudara otići će na prebacivanje u druge dimenzije. Ovakave eksperimente radićemo u narednih pet, sedam ili desetak godina. I ako budu uspešni i ako vidimo taj tip čestica i ustanovimo manjak energije u našim dimenzijama, u odnosu na energiju na početku, to će biti dokaz da dodatne dimenzije zaista postoje.

Za mene je ovo neverovatna priča, i neverovatna prilika. Vratimo se na Njutna i apsolutistički prostor - koji je samo arena, pozornica na kojoj se dešava sve u svemiru. Onda dolazi Ajnštajn i kaže sledeće: prostor i vreme mogu da se zakrivljuju i to je gravitacija. Zatim dolazi teorija struna koja kaže: da - gravitacija, kvantna mehanika, elektromagnetizam - sve zajedno su u jednom paketu, ali samo ako Univerzum ima više dimenzija od onih koje vidimo. Ovaj eksperiment će to testirati za vreme naših života. Neverovatna mogućnost. Hvala vam mnogo.

(Aplauz)