Do czego zmierza fizyka?

Do czego zmierza fizyka? Odpowiedź w swej ogólności może się wydać banalna: fizyka zmierza do pełnej unifikacji. W terminologii Alberta Einsteina znaczy to, że zmierza do zbudowania teorii logicznie najprostszej, tzn. takiej, z której zasad wynikałaby cała fizyka. W terminach współczesnej fizyki – zmierza do teorii wszystkiego, czyli teorii ostatecznej (Theory of Everything, oznaczanej w języku angielskim skrótem: TOE).

Z takim ogólnym ujęciem zgadzają się wszyscy, tyle że nie wszyscy fizycy uznają ten cel za realny, w pełni osiągalny. Natomiast zasadnicze różnice dotyczą drogi, na której fizyka powinna ten cel osiągnąć lub chociażby przybliżyć. Obecnie można zarysować co najmniej dziesięć takich dróg.

Ale na początku trzeba wspomnieć, co fizyka już osiągnęła w tym kierunku. Otóż zlikwidowała lub osłabiła kilka dualizmów, kilka dychotomii.

Dualizm cząstki i fali

Jego przezwyciężenie nazywa się przekornie w fizyce dualizmem falowo-korpuskularnym. Fizyka klasyczna wyróżniała dwa rodzaje obiektów nieredukowalnych do siebie nawzajem: cząstki rozumiane jako rzeczy oraz fale ujmowane jako procesy.

Mikrofizyka wykazała jednak, że każdy mikroobiekt jest cząstko-falą (lub, jeśli kto woli, falo-cząstką), gdyż w zależności od sytuacji doświadczalnej oraz makroprzyrządu pomiarowego ujawnia bądź to własności korpuskularne, bądź własności falowe.

Dualizm falowo-korpuskularny zniósł zatem dualizm obiektów (tzn. rzeczy i procesów) przez to, że zredukował go do dualizmu własności (tego samego obiektu), który posiada (w potencji) zarówno własności korpuskularne jak i falowe.

Dualizm materii i siły

Osłabieniu uległ także dualizm materii i siły, współcześnie określany jako dualizm materii i oddziaływania.

Ponieważ wszelkie oddziaływania są przenoszone przez cząstki, dualizm ten przerodził się w dualizm fermionów (reprezentujących materię) oraz bozonów (reprezentujących oddziaływanie).

Jest to zarazem dualizm materii korpuskularnej i materii polowej. Warto przy okazji odnotować, że w ramach materii polowej znacznemu osłabieniu uległ dualizm pola elektrycznego i magnetycznego. Podział pola elektromagnetycznego na pole elektryczne i magnetyczne okazał się względny, tzn. zrelatywizowany do układu odniesienia.

Dualizm materii i przestrzeni

Kolejnym dualizmem, który uległ osłabieniu, jest dualizm materii i czasoprzestrzeni.

(Już połączenie czasu i przestrzeni w czasoprzestrzeń było samo w sobie dużym osiągnięciem, najpierw STW, a następnie OTW).

Czasoprzestrzeń została nadzielona przez ogólną teorię względności energią pola grawitacyjnego (ujmowanego jako pole metryczne, czyli zakrzywienie czasoprzestrzeni), dzięki czemu przestała być pasywną areną nie wpływającą na przebieg zjawisk fizycznych.

Jeszcze większą aktywność uzyskała czasoprzestrzeń w mechanice kwantowej oraz kwantowej teorii pola, gdzie występuje ona jako tzw. próżnia kwantowa. Zachodzą w niej nieustannie procesy powstawania (kreacji) i zanikania (anihilacji) cząstek wirtualnych w drodze fluktuacji kwantowych. A to jeszcze bardziej upodabnia i przybliża czasoprzestrzeń do materii.

Teoria Małej Unifikacji

Wreszcie udało się zunifikować – w ramach tzw. Małej Unifikacji – dwa fundamentalne rodzaje oddziaływań: oddziaływania elektromagnetyczne oraz słabe (jądrowe) w oddziaływania elektrosłabe.

Wszystkie wymienione osłabienia dualizmów oraz unifikacje mają pewną godną uwagi właściwość. Mianowicie, nie eliminują one jednych zjawisk na rzecz innych, lecz jedynie ujawniają względność różnic między nimi. Nie stanowią zatem redukcji jednych zjawisk do innych, lecz wykazują, że w pewnych warunkach znikają różnice między danymi klasami zjawisk.

Na przykład Teoria Małej Unifikacji wykazała, że w warunkach wysokich temperatur i gęstości panujących we wczesnych fazach ewolucji Wszechświata (gdy temperatura wynosiła 10³ GeV), oddziaływania elekromagnetyczne oraz słabe nie różniły się od siebie, gdyż były przenoszone przez te same obiekty (te same bozony).

Wynika stąd, że wsparcie w rozwoju fizyki uzyskuje nie skrajny redukcjonizm eliminacyjny, lecz bardziej umiarkowana forma redukcjonizmu. Chodzi o to, aby nie negować swoistości i, co za tym idzie, odrębności (w danych warunkach) badanych zjawisk.

Powszechnie uznaje się za konieczną unifikację dwu pozostałych oddziaływań fundamentalnych z oddziaływaniami elekrosłabymi.

Program Wielkiej Unifikacji

Program ten powinien wykazać, że przy jeszcze wyższej temperaturze i ciśnieniu, jakie panowały w jeszcze wcześniejszych fazach ewolucji Wszechświata oddziaływania silne oraz elektrosłabe były nieodróżnialne od siebie. (Wówczas to, temperatura wynosiła 10¹⁵ GeV i rozpoczęła się faza inflacji, czyli przyśpieszonego rozszerzania się Wszechświata).

Program Superunifikacji

Zmierza do wykazania, że w momencie, gdy Wszechświat osiągnął tzw. próg Plancka (t = 10‾⁴³ s, a temperatura Wszechświata wynosiła 10¹⁹ GeV) jednolite dotąd superoddziaływanie (zwane niekiedy supergrawitacją) rozdzieliło się w drodze tzw. łamania symetrii na oddziaływanie grawitacyjne oraz oddziaływanie silnoelektrosłabe.

Supersymetria reprezentuje najmocniejszy rodzaj symetrii, jaki daje się zastosować w teorii cząstek elementarnych. Pokazuje to, że pojęcie symetrii odgrywa w unifikacji fizyki podstawowa rolę: bez zasad symetrii unifikacja fizyki byłaby w ogóle niemożliwa.

Pełna unifikacja fizyki

Wymaga – obok unifikacji wszystkich oddziaływań fundamentalnych – także unifikacji oddziaływania i materii. Program ten starają się realizować koncepcje zakładające supersymetrię, która ma wyjaśnić przekształcanie wzajemne bozonów (reprezentujących oddziaływanie) i fermionów (reprezentujących materię).

W ten sposób zostałaby wykazana jedność (czyli wzajemna przekształcalność) wszystkich (znanych) cząstek elementarnych i tym samym wszystkich (poznanych) rodzajów rzeczywistości fizycznej. Jednakże nie wszystkich istniejących, gdyż kosmologia współczesna stwierdza istnienie jeszcze dwu dalszych składników rzeczywistości fizycznej. I to nie jakichś składników ubocznych, lecz dominujących we Wszechświecie.

To bowiem, co obserwują astronomowie w postaci gwiazd oraz rozproszonej materii w postaci pyłu i gazu, to tylko „wierzchołek góry lodowej”. Jego wielkość, to około 5 % zawartości fizycznej Wszechświata (same gwiazdy zawierają jedynie 1 %). Obok tego dającego się obserwować “wierzchołka”, zwanego materią świecącą, istnieje według wszelkiego prawdopodobieństwa tzw. materia ciemna, stanowiąca około 25 % zawartości Wszechświata. Wiemy o niej jedynie na podstawie oddziaływania grawitacyjnego, jakie wywiera na obserwowaną materię świecącą. Resztę – a owa reszta wynosi aż około 70 % całkowitej zawartości Wszechświata – stanowi tajemnicza energia. Poprzez tzw. ciśnienie ujemne wytwarza ona pole grawitacyjne o sile odpychającej, które powoduje przyśpieszone rozszerzanie się Wszechświata. A zostało zaobserwowane przez astronomów w ostatnich latach XX wieku.

Spory dotyczą tego, czy jest to statyczna (stała) energia próżni, czy też pewnego rodzaju energia dynamiczna. Przez niektórych fizyków jest nazywana kwintesencją (termin Arystotelesa), której reguły zachowania nie są jeszcze ustalone.

Widać stąd, że program superunifikacji dotyczy raczej jedynie tego 5-procentowego składnika całej zawartości Wszechświata. Czyli dotyczy jedynie materii świecącej, a zatem trudno go uznać za program ostateczny i wyczerpujący.

Inny program unifikacji fizyki

Zakłada połączenie dwu najbardziej fundamentalnych teorii fizycznych: mechaniki kwantowej oraz ogólnej teorii względności w teorię kwantowej grawitacji. (Nie jest jednak jasne, w jakim stopniu program ten jest alternatywny do poprzednich). Program realizowany przez Stephena Hawkinga i wielu innych, uzyskał ważne częściowe wyniki, które doprowadziły do powstania kosmologii kwantowo-relatywistycznej oraz analogicznej (kwantowo-relatywistycznej) teorii czarnych dziur. Ta ostatnia wykazała, że czarne dziury nie są „czarne”, lecz „szare”. Wypromieniowują swą energię i po pewnym – zazwyczaj bardzo długim czasie – wybuchają i przestają istnieć. Właśnie kosmologia kwantowa stara się rozwiązać zagadkę pochodzenia Wszechświata.

Istnieją też dalsze, w pewnym sensie bardziej ambitne teorie unifikacji fizyki. Zakładają one, że podstawą jedności fizyki powinna być zupełnie nowa matematyka oraz całkowicie nowe podejścia i metody, luźno związane z dotychczasowymi teoriami fizycznymi.

Teoria superstrun

Zmierza do pełnej unifikacji fizyki i tym samym pretenduje do miana teorii ostatecznej. Jednakże niektórzy fizycy uważają teorię superstrun za krok wstecz w rozwoju fizyki, która powinna – ich zdaniem – zmierzać do realizacji idei geometryzacji fizyki. To znaczy do redukcji materii do czasoprzestrzeni lub, w każdym razie, do sprowadzenia – jak to się obrazowo mówi – grubo ciosanego „drzewa” materii korpuskularnej do bardziej subtelnego „marmuru”, jakim ma być materia polowa. (Teoria superstrun przypisuje strunom odrębną realność nieredukowalną do czasoprzestrzeni).

Wiadomo, że Albert Einstein, budując tzw. jednolitą teorię pola, chciał właśnie „drzewo” zamienić w „marmur”, to znaczy zredukować całą materię korpuskularną do materii polowej. To, co nie udało się Einsteinowi, udało się w pewnym stopniu kwantowej teorii pola, zgodnie z którą cząstki elementarne to jedynie kwanty pola, czyli dyskretne porcje energii pola. W ten sposób kwantowa teoria pola rzeczywiście zredukowała w pewnej mierze „drzewo” do „marmuru”, czyli materię korpuskularną do materii polowej.

Można powiedzieć, że według kwantowej teorii pola, i w ogóle według współczesnej fizyki, w świecie fizycznym nie istnieje nic poza polami kwantowymi. Cząstki to tylko manifestacje pól kwantowych. Jednakże w ramach samej materii świecącej są dwa zasadniczo odrębne i zarazem podstawowe typy pól: pola fermionowe i bozonowe. Inaczej mówiąc, istnieją pola materii, przejawiające się w fermionach i pola sił reprezentowane przez bozony.

Dopiero superunifikacja jest programem zmierzającym do pełnego zjednoczenia materii i oddziaływania.

Jest programem zbudowania teorii ostatecznej, która ma wyjaśnić – jak mówią fizycy – „wszystkie oddziaływania we Wszechświecie oraz istnienie samego Wszechświata”. Problemem pozostaje także fakt, że kwantowa teoria pola wprowadza odrębne pole dla każdej cząstki danego rodzaju (i odpowiadającej jej antycząstki), podczas gdy liczba cząstek elementarnych wciąż wzrasta.

Można przypuszczać, że wcześniej czy później fizycy zbudują jednolitą teorię obejmującą wszystkie dotąd poznane zjawiska fizyczne. Nie jest przy tym wykluczone, że wszystkie zarysowane programy unifikacji zmierzają w rzeczywistości do zbudowania takiej teorii. Nie będzie to jednak zapewne teoria wszystkich istniejących zjawisk fizycznych. Według Stivena Weinberga – teoria ostateczna  ma się składać z takich praw przyrody, których nie trzeba będzie uzasadniać w odwołaniu do innych, bardziej elementarnych zasad. A to jest zapewne nieosiągalne, jeśli rację ma Karl Popper, że nie istnieją wyjaśnienia ostateczne¹Zob. S. Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, Wyd. Alkazar,  1994, s. 29.

Także kwestia, w jakim stopniu teoria ostateczna fizyki mogłaby pretendować do miana teorii ostatecznej całej nauki, stanowi odrębny trudny problem związany z ustosunkowaniem się do stanowiska zwanego fizykalizmem.

Literatura

Weinberg S., Sen o teorii ostatecznej, Wyd. Alkazar,  1994.

Ilustracje

Rozmaitości Calabiego-Yau, źródło: Wikimedia Commons

Zob. wpisy: Teorie unifikacji współczesnej fizyki
Współczesna kosmologia wobec filozofii
Czym jest fizyka dla filozofii oraz
kategorie: Ontologia oraz Filozofia przyrody i Kosmologia