Teorie unifikacji współczesnej fizyki

Obrazek wyróżniający: Schematyczna ilustracja relacji między M-teorią, pięcioma teoriami superstrun i superwymiarowością jedenaściewymiarową

Wpis Teorie unifikacyjne współczesnej fizyki zawiera krótkie omówienie następujących tematów:

1. Teoria Małej Unifikacji (oddziaływań elektrosłabych)
2. T. Wielkiej Unifikacji (oddziaływań silno-elektro-słabych)
3. Teoria Superunifikacji (wszystkich czterech oddziaływań)
4. Kwantowa teoria grawitacji
5. Teoria Superstrun i M-teoria
6. Czy możliwe jest zbudowanie Teorii Ostatecznej (Teorii Wszystkiego)

W fizyce – zarówno dawnej jak i współczesnej – obserwuje się silną tendencję do jednolitego ujmowania wszystkich zjawisk fizycznych czyli do unifikacji fizyki. Izaak Newton zunifikował fizykę nieba oraz fizykę ziemi, wykazując, że podlegają one wspólnym prawom mechaniki klasycznej oraz prawu powszechnej grawitacji. Z kolei James C. Maxwell wykazał, że zjawiska elektryczne, magnetyczne i optyczne (świetlne) tworzą jedną całość zwaną polem elektromagnetycznym.

Podobnie w fizyce współczesnej Albert Einstein połączył (w STW) czas i przestrzeń w jedną całość zwaną czasoprzestrzenią Minkowskiego, a następnie połączył (w OTW) czasoprzestrzeń z grawitacją, wykazując, że pole grawitacyjne to nic innego jak zakrzywienie czasoprzestrzeni.

Obecnie buduje się kilka teorii unifikacyjnych w fizyce.

1. Teoria Małej Unifikacji (oddziaływań elektrosłabych)

Pierwsze trzy teorie unifikacji dotyczą unifikacji oddziaływań.

Teoria Małej Unifikacji wykazała, że w wysokich temperaturach, które występowały na wcześniejszych etapach ewolucji Wszechświata, oddziaływania elektromagnetyczne były identyczne z oddziaływaniami słabymi (jądrowymi).

Przewidywania tej teorii zostały potwierdzone, a zatem program Małej Unifikacji został zrealizowany. Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe łączą się (w wysokich temperaturach) w oddziaływania elektrosłabe.

2. Teoria Wielkiej Unifikacji (oddziaływań silno-elektro-słabych)

Teoria Wielkiej Unifikacji występuje w kilku wersjach, z których żadna nie została dotąd doświadczalnie potwierdzona.

Przewiduje ona, że w temperaturach jeszcze wyższych, panujących w fazie inflacji trzy fundamentalne oddziaływania:

• silne,
• elektryczne i
• słabe

tworzyły jedno oddziaływanie silnoelektrosłabe.

Z teorii wynika, że najlżejsze bariony zwane protonami powinny się rozpadać po średnim okresie życia wynoszącym około 10^–30 lat. Znaczyłoby to, że jedno z ważnych praw zachowania – prawo zachowania ładunku barionowego – zostaje obalone.

Ponieważ nie stwierdzono dotąd rozpadu żadnego protonu, buduje się bardziej skomplikowane teorie „wydłużające” życie protonu.

Zbudowanie tej teorii miałoby wielkie znaczenie dla kosmologii. Teoria ta powinna wyjaśnić przyczyny inflacji, czyli przyśpieszonej ekspansji Wszechświata w czasie około 10^–35 s po Wielkim Wybuchu.

3. Teoria Superunifikacji (wszystkich czterech oddziaływań)

Jeszcze ambitniejszym planem jest unifikacja wszystkich czterech oddziaływań fundamentalnych, łącznie z grawitacją. Przewiduje się, że w momencie gdy Wszechświat osiągnął próg Plancka (10^–44 s) wszystkie cztery oddziaływania tworzyły jedno superoddziaływanie nazywane supergrawitacją.

Realizacja superunifikacji jest szczególnie trudna, gdyż wymaga połączenia

ogólnej teorii względności (OTW) z mechaniką kwantową (MQ),

a więc dwóch fundamentalnych i jednocześnie zasadniczo odmiennych teorii fizycznych. Wskazuje to na związek Teorii Superunifikacji z budowaną obecnie kwantową teorią grawitacji.

4. Kwantowa teoria grawitacji

Trzy oddziaływania fundamentalne:

• silne,
• słabe oraz
• elektromagnetyczne

są opisywane przez mechanikę kwantową oraz kwantową teorię pola, natomiast

•  oddziaływanie grawitacyjne

jest opisywane przez OTW.

Dlatego zbudowanie kwantowej teorii grawitacji wymaga kwantyzacji pola grawitacyjnego na wzór kwantyzacji pozostałych oddziaływań, które zostały już zrealizowane. Oznacza to, że połączenie grawitacji z resztą oddziaływań wymaga połączenia OTW oraz MQ w jednolitą teorię zwaną kwantową teorią grawitacji. Jest zatem wielce prawdopodobne, że Teoria Superunifikacji oraz kwantowa teoria grawitacji stanowią ten sam program realizowany nieco odmiennymi środkami.

Trzeba dodać, że kwantyzacja pola grawitacyjnego będzie oznaczać kwantyzację samej czasoprzestrzeni, tzn. wykazanie, że czas i przestrzeń mają także strukturę nie ciągłą lecz dyskretną (“przerywistą”).

Warto podkreślić, że trzy ostatnie teorie stanowią jak dotąd raczej programy unifikacji, dlatego jedynie Teoria Małej Unifikacji jest uznawana za teorię faktycznie zbudowaną i sprawdzoną.

5. Teoria Superstrun i M-teoria

Kolejną, przy tym nader oryginalną teorią, zmierzającą do pełnej unifikacji fizyki, jest Teoria Superstrun.

Jest to teoria, która ujmuje cząstki elementarne (kwarki, elektrony, fotony itp.) nie jako obiekty punktowe, lecz jako jednowymiarowe drgające struny, o długości porównywalnej z długością Plancka: l = 10^–33 cm.

Kolejnym wielce oryginalnym pomysłem realizowanym w Teorii Superstrun jest wprowadzenie na poziomie elementarnym 10-wymiarowej przestrzeni, co wraz z 1-wymiarowym czasem daje 11-wymiarową czasoprzestrzeń. Siedem z tych wymiarów uległo zwinięciu do bardzo małych rozmiarów (dlatego ich nie obserwujemy). Trzy pozostałe natomiast, uczestniczą w ekspansji Wszechświata.

Rezygnuje się zatem z założenia, które dotąd wydawało się oczywiste, że obiekty fizyczne mają tyle samo wymiarów, ile wymiarów ma przestrzeń, w której się poruszają.

Jedną z zalet Teorii Superstrun jest zdolność do połączenia cząstek materii (fermionów) z cząstkami oddziaływań. A dokładnie, cząstkami przenoszącymi oddziaływania, zwanymi bozonami.

Wykazano, że Teoria Superstrun faktycznie nie stanowi jednej teorii, lecz pięć wersji teorii, z których każda rozpada się na szereg dalszych odmian. Obecnie próbuje się połączyć wszystkie te wersje i odmiany w jednolitą teorię zwaną

M-teorią.

Według M-teorii oprócz jednowymiarowych strun istnieją także brany o ilości wymiarów od dwóch do dziesięciu.

Kosmologiczne zastosowania M-teorii prowadzą do wniosku, że nasz Wszechświat może się okazać trójwymiarową braną zanurzoną w dziesięciowymiarowej hiperprzestrzeni. (Hiperprzestrzenią nazywa się przestrzeń o większej niż trzy liczbie wymiarów). Prowadzi to do koncepcji wielości światów.

M-teoria – według przypuszczeń jej zwolenników – powinna obejmować całą fizykę, tzn. zawierać w sobie wszystkie dotąd zbudowane teorie fizyczne, takie jak:

• OTW
• MQ
• termodynamika
• teoria cząstek elementarnych itp.

W związku z tym, Teoria Superstrun w jednej ze swoich najnowszych postaci, zwanych M-teorią, jest uważana obecnie za najpoważniejszą kandydatkę do miana

Teorii Wszystkiego.

6. Czy możliwe jest zbudowanie Teorii Ostatecznej (Teorii Wszystkiego)

 

 

Według Einsteina i wielu innych wybitnych fizyków współczesnych (Steven Weinberg, Lee Smolin, Michio Kaku oraz Brian Greene) fizyka zmierza do zbudowania Teorii Wszystkiego. Pojęcie takiej teorii nie jest jednak jednoznaczne.

Na obecnym etapie możliwe jest zapewne jedynie zbudowanie Teorii Wszystkiego w tym najbardziej umiarkowanym (najskromniejszym) znaczeniu, w którym teoria ta będzie zawierać wiedzę teoretyczną zawartą we wszystkich współczesnych teoriach fizycznych. Będzie ona zatem dostarczała zunifikowanej wiedzy o wszystkich poznanych zjawiskach fizycznych.

Bardziej ambitna fizyczna Teoria Wszystkiego, której być może nigdy nie da się stworzyć, powinna adekwatnie opisywać wszystkie istniejące (także te niepoznane) zjawiska fizyczne.

Jeszcze bardziej fundamentalną Teorią Wszystkiego byłaby teoria opisująca całokształt zjawisk przyrodniczych i społecznych, czyli świat w jego całokształcie.

 

 

 

 

 

 

Ilustracje

M-teoria – źródło: Wikimedia Commons
Poziomy budowy materii – źródło: Wikimedia Commons

Zob. też: Szczególna teoria względności (STW)
Ogólna teoria względności (OTW)