Teorija svega: konačno odredište – Astrofizičari su postavljači najvećih pitanja, i to takvih koja se graniče sa metafizikom. Koji su osnovni gradivni blokovi koji konstituišu vasionu? I koji su zakoni kojima se oni upravljaju? Dva su osnovna stuba nosioca moderne fizike – kvantna mehanika i opšta teorija relativnosti. Ukoliko ih pomirimo, imaćemo sve odgovore. Da li?

Ostanite smeli! Stupimo u problematiku najveće misterije savremenog naučnog doba i potencijalno odlučujućeg rešenja za sve potonje probleme sa pribranošću i uverenjem da smo joj dorasli. Kao što ćete uvideti – a što će autor, uz svu poniznost pred ovako kapitalnom temom, pokušati da predoči najrečitije moguće – predivna apstraktnost nemogućeg subatomskog sveta nadilazi i mnoge umetničko-scenarističke vizije oslikane na “pokretnim slikama” SF žanra. Čuli ste već da je “stvarnost čudnija od fikcije”? Pa, ova neporecivo jeste. Ujedno je i stvarnija od stvarnosti.

Najpre, mala fusnota o poslednjoj sentenci iz uvoda. Ne slažu se svi stručnjaci glede svemoći Teorije Svega, niti čak o njenom eventualnom postojanju. Postoji izvesna opozicija ove ideje, unutar koje je regrutovan i jedan velikan, njen nekada najveći pobornik, ali o svemu tome ćemo na koncu priče. Jedna od dimenzija u glavnoj ulozi i ona koje smo nesumnjivo svesni kao ljudi, vreme, itekako je konačna sa našeg stanovišta, stoga počnimo sada!

O čemu se tu, zapravo, radi?

“Čini se nadmoćnom stvari znati objašnjenje svega. Zašto se pojavljuje, zašto nestaje, zašto jeste.” Još onomad u epohi antike, bejahu to Sokratove reči. Od pamtiveka, postoji jedna neutaživa težnja čovekova da objedini sva svoja znanja u Jedno. Mnogi teoretičari i filozofi nauke veruju da je ovo bio prvi dodir metafizike sa “opipljivim”. Ovo je, u krajnju ruku, bilo tipično za stari svet, kulturološki opredeljen za holizam i svest o celovitosti sistema, sveta, svemira.

Nerado nas vraćam u klupe, ali je za razumevanje Teorije Svega odlučujuće podsetiti se četiri osnovne (fundamentalne) sile koje vladaju svim fizičkim svetom. To su gravitacija, elektromagnetizam, slaba i jaka nuklearna sila. Svaka od njih ima podjednako krucijalnu, iako dijametralno suprotnu, ulogu u opštem ustrojstvu kosmosa. Za ovaj slučaj, od posebne važnosti su poslednje dve: slaba nuklearna sila, odgovorna za radioaktivnost, i jaka nuklearna sila koja vezuje neutrone i protone u jezgru atoma.

Setimo se i da se kvantna mehanika odnosi na nepojmljivo mali i dalek svet: atome, protone, elektrone, neutrone, te zatim i na još sićušnije opeke koji kao da su tu da nam dodatno zagorčaju život: kvarkove, leptone, gluone…Relativnost, sa druge strane, deluje na potpuno drugoj skali: na gigantskom makrosvetu zvezda i galaksija. Problem? Ova dva najveća intelektualna zaveštanja XX veka su međusobno isključiva. Šta je, onda, činiti?

Jednostavno, naizgled. Ajnštajnova Opšta teorija relativnosti opisala je gravitaciju na divno intuitivan i, od skora definitivno dokazan, način: kao proizvod zakrivljenja prostor-vremena (pogledati sliku). Takozvani “Standardni model” definisao je fiziku elementarnih čestica i sila kojima interaguju međusobno (pogledati grafički prikaz). A jedna od implikacija revolucionarnog poimanja gravitacije preneta na “jezik” standardnog modela glasi da bi sila teže morala biti prenošena česticom krštenom graviton. Misija: objediniti sve te, često oprečne i nekompatibilne, paradigme jednom teorijom koja bi razjasnila sve od Velikog Praska preko kvantne fizike do predviđanja ishoda svakog eksperimenta. Mačiji kašalj?

Nipošto. Ali, čini se sve da to postane.

Zaplet se komplikuje

Kada je 1960. opitom ustanovljeno da su konačni najmanji gradivni blokovi atoma tzv. kvarkovi, koji čine protone i neutrone, nauka je konačno stigla na finalno (ili početno, zavisi kako gledate na to) uporište osnove sve materije. Ubrzo je registrovano i postojanje leptona, odgovornih za postojanje elektrona. Novi postulati i otkrića su prestizali jedni druge: sve ove čestice, predloženo je, moraju imati bizarne partnere u vidu antimaterije, čestica iste mase ali suprotnog naboja. Ovo je bilo neophodno radi održivosti teorije supersimetrije, o kojoj ćemo ubrzo pobliže raspredati.

Nekih 40 godina ranije, nemački fizičar Theodor Kaluza primenio je sintezu Ajnštajnove gravitacione teorije i Maksvelove teorije elektromagnetizma. Ujedno, prvi je uvrstio dodatnu, petu dimenziju tkanju prostor-vremena – upravo onaj sastojak koji se slagao sa Maksvelovim jednačinama. 1926. godine, švedski fizičar Oskar Klein pružio je premijeru danas tako rasprostranenog objašnjenja zbog čega ne možemo videti petu dimenziju: zbog toga što je “sklupčana” u krug previše mali da bi se video i doživeo čulima.

Kako bi izrazito vizuelni ljudski um ovo bio u stanju da makar približno predoči, najčešće se upotrebljava analogija o mravu na koncu. Osim pravolinijskog kretanja, mrav se može obrtati oko konca i samo on može biti svestan dodatne cirkularne dimenzije. Gledano sa velike udaljenosti, međutim, konac izgleda samo i jedino kao jednodimenzionalna linija dok je dodatna dimenzija sakrivena.

Ova zamisao, preteška za vreme u koje je nastala, oživljena je sa dolaskom još jednog titanskog intelektualnog poduhvata – supersimetrije.

Sav taj jaz

Rekoh vam da ćemo se vratiti na antimateriju! Jedno od predviđanja je da svaka čestica standardnog modela ima ima svog supersimetričnog partnera, što poduplava broj znanih vrsta čestica. Veliki Hadronski Sudarač u CERN-u ih već nekoliko godina aktivno traži, simulirajući postulirane uslove kakvi su vladali nekoliko milionitih delića nanosekunde nakon Velikog Praska i sudarajući čestice nezamislivim brzinama. Ukoliko se realizuje, biće to jedno od najmonumentalnijih otkrića svih vremena.

A u čemu leži posebna draž supersimetrije? U tome što predviđa gravitaciju. Matematika supersimetrije veli da je čin pretvaranja elektrona u svog simetričnog partnera i obrnuto identičan procesu pomeranja istog kroz prostor-vreme. Supersimetrija nudi vezu između svojstava kvantnih čestica i prostor-vremena, a teorija koja inkorporira gravitacionu silu i supesimetriju naziva se supergravitacijom.

Matematika supergravitacije uvodi još jedan “triler” obrt: obećanih 11 dimenzija prostor-vremena! Da li bih tih dodatnih sedam, ako eliminišemo već poznate četiri, moglo da opiše slabu, jaku i elektromagnetnu silu?

Ne sasvim, jer su se javili izvesni problemi kao što je nemogućnost da se teorijom od 11 dimenzija objasni interakcija kvarkova i elektrona sa slabom nuklearnom silom. Osim toga, jednačine supergravitacije stavljene u funkciju računjanja izvesnih kvantnih procesa za rezultat daju beskonačnost. Besmisao tog ishoda uslovio je preusmerenje pažnje na, nakon dodatnih dimenzija i supersimetrije, treći i najslasniji sastojak fantastične M teorije: superstrune!

Revolucija!

Sada se držite za nešto čvrsto, jer će sami temelji onoga na čemu sedite, kroz šta hodate i šta udišete biti izvrnuti. U teoriji superstruna, osnovni blokovi materije su strune koje obitavaju u nekoj vrsti “paralelne stvarnosti”, univerzumima sa 10 dimenzija prostor-vremena. Poput struna violine, svaka može vibrirati na različite načine, a od čega zavisi koju će elementarnu česticu predstavljati.

Posebno zgodna osobenost ove vrtoglave teorije je fakat da šest dodatnih dimenzija može biti “upakovano” na načine koji anuliraju ranije stečene probleme sa supergravitacijom i slabom nuklearnom silom. Njena najveća prednost, pak, je u tome što su sa njom anomalije sa beskonačnošću koje su “zagadile” teoriju supersimetrije potpuno isčezle!

A onda se neko setio: zašto stati kod jednodimenzionalnih struna? Zašto ne dvodimenzionalne membrane koje mogu formirati i oblik površine mehura, ako treba? Ovo, zapravo, nije bio hir dokonog uma već ishod nužnosti (zaista, malo šta potpada pod hirove u fizici, iako može lako da odaje takav utisak). Jer, kao što superstrune mogu da “žive” u 10 dimenzija, supermembrane mogu u 11, pod diktatom supergravitacije (kalkulisano i potvrđeno 1987.). Šlag na torti: ako se sećate Kaluza-Klein pretpostavke od pre nekoliko pasusa, koja je sugerisala sakrivenost pete, ili u ovom slučaju, jedanaeste dimenzije, moguće je “obaviti” je membranom. Ta obmotana membrana bi izgledala kao struna u deset dimenzija. Sve se poklopilo!

1995. godine, Edward Witten sa Princetona je pod jedan krov objedinio strune, membrane i 11 dimenzija u M-teoriju, za sada vodećeg kandidata za prestižno zvanje Teorije Svega (u zavisnosti koga pitate, ono “M” stoji za “magiju”, “misteriju” ili “membranu”). Njegov nalaz je uputio na jednostavan, ali toliko previđan zaključak: svi ti pristupi samo su različite manifestacije iste teorije, a ne suprotstavljeni konstrukti. Najednom, izrodila se odlična mogućnost potvrde ove teorije – crnim rupama. Naime, još 1974., Stephen Hawking je zaključio da crne rupe ipak mogu zračiti izvesnom energijom, iz čega proishodi da imaju temperaturu i drugu termodinamičku odliku – entropiju, meru uređenosti jednog sistema. Entropiju crne rupe bi moglo odrediti računanjem svih kvantnih stanja čestica koje je sačinjavaju. Svi pokušaji da se to učini su propali – do pojave M-teorije koja je do tančina ponovila Hawkingovu formulu entropije.

Tri godine nakon Wittenovog prodora, Juan Maldacena sa istog instituta osmislio je najeteričniju hipotezu: šta bi trebalo da se dešava unutar hipotetičkog univerzuma sa mnogim dimenzijama prostora i gravitacije. Oslonivši se na spasonosne membrane, otkrio je dualitet: da je sve što se dešava na obodu takvog univerzuma ekvivalentno ponašanju membrana u nekoj unutarnjoj regiji. Ovo je zapanjujuće stoga što svet na površi univerzuma izgleda toliko drugačije od sveta unutar njega. Primenjeno na nas, čini se da smo samo senka na ivici univerzuma više dimenzija. Sve one očaravajuće, mahom umetničke vizije multiverzuma i paralelnih realnosti dugujemo, u osnovi, ovoj misli, čije su nus-prozvod.

Pejzaž vaseljena

Zagonetno svojstvo M-teorije je u broju načina na koji dodatne dimenzije mogu da se savijaju i formiraju, a taj broj je, moguće – beskonačno! Od neograničenog broja potencijalnih univerzuma, neki mogu nalikovati našem, sa fizičkim uređenjem od tri generacije kvarkova i leptona i četiri sile – mnogi, pak, se ni iz daleka ne bi mogli prepoznati. Ponajviše zato što, teoretska osnova M-teorije nalaže da bi u njima vladali zakoni fizike rudimentarno sučeljeni sa našim.

Dakle, da li je M-teorija konačna Teorija Svega? Predstoji serija falsifikacija i opita koje će morati da položi da se tako ispostavi. Neke od njenih odlika poput supersimetrija ili ekstra dimenzija mogu se pojaviti u kolajderima ili astrofizičkim opservacijama. Svako predviđanje ishoda je nezahvalno i izuzetno teško.

Imamo privilegiju da budemo savremenici najuzbudljivijeg doba u istoriji nauke. Doba u kojem ćemo, moguće, svedočiti ili novom početku ili kraju fizike. Eri potvrde drugih svetova. Epohi ujedinjenja najkolosalnijih nasleđa ljudskog intelektualnog kapaciteta u jedan skup koji će zaseniti sve ikada viđeno. Sa svime time, da li je za očekivati i nov fatum čovečanstva, ponovno promišljanje našeg mesta u ustrojstvu svega, zalog za budućnost? Sve su to još tek (op)sene na dalekom horizontu. Možda će i “običan” čovek moći da postavlja najveća pitanja kada ovaj “Sveti Gral”, ključ svekolikog bivanja koji nas je i ovde doveo, bude pronađen.

Šta je Standardni model?

A šta bi, u svoj toj veličanstvenoj zbrci, trebala da bude sama sila? Pa, kvantna teorija polja kaže da se sila između osnovnih čestica prenosi još jednim setom posebno teško uhvatljivih čestica. Foton je, na primer, prenosilac elektromagnetne sile. Zgodno nazvan gluon (eng. glue – lepak) medijator je osnovne sile: “lepak” koji drži čestice na okupu. W i Z čestice imaju ulogu prenosnika slabe nuklearne sile. Njihovo postojanje potvrđeno je 70-ih i 80-ih.

Pogledajte sada tabelu čestica standardnog modela i fokusirajte se na kolonu Prve generacije. U pitanju su sve čestice koje će nam ikada trebati – elementi od kojih smo sagrađeni vi, ja i sve ono što vidimo i ne vidimo. Iz nekog razloga, vaseljena nije bila zadovoljna ovime: sazdala je i čestice Druge i Treće generacije koje su identične Prvim, osim u jednoj stvari: teže su.

Standardni model fizike čestica dopunjuje božanstveno eterični Higsov bozon, trenutno najtraženiji “begunac” mikrosveta na čemu se vrlo prilježno radi u CERN-u. Ovaj matematički okvir je preživeo sve ispite i testove i služi kao vrlo pouzdan “predviđač” fizike čestica. Poslednji trijumf u nizu bilo je potvrđeno otkriće “gornjeg” kvarka 1995. godine, koji je bio neophodan radi održavanja konzistentnosti Standardnog modela, te i same tri generacije “porodice” kvarkova i leptona pod istim krovom.

Umesto zaključka: Ironična kovanica

Ako vam se sam termin “Teorija Svega” čini apokrifnim ili unekoliko podsmešljivim, na dobrom ste tragu. 60-ih godina XX veka svako malo je dolazilo do pravih bujica preterano generalizujućih teorija, što je pokrenulo zajedljivi refleks kod mnogih. Ne najmanje od svih, Stanislav Lem, proslavljeni velikan SF književnosti je “popularizovao” kovanicu, i to u liku pradede jednog od njegovih protagonista, Ijona Tichy-a o kome se u nizu Lemovih dela referiše da je radio na “Opštoj Teoriji Svega”.

Za P.U.L.S.E: Andrej Vidović

Tekstovi o nauci na portalu P.U.L.S.E

Um i Spoznaja na portalu P.U.L.S.E

  kvantna fizika, multiverzum, superstrune, teorija svega