Muzyka Wszechświata

Człowiek, w niepohamowanym szale zdobywania wiedzy i informacji o budowie naszego świata dotarł już prawdopodobnie do kolejnego kresu swoich możliwości poznawczych. Rozbijamy otaczającą nas materię na coraz mniejsze elementy i wydaje się, że dotarliśmy do pewnej granicy, poza którą nie ma już nic materialnego. Coś, co jeszcze do niedawna było czymś trwałym, solidnym, pewnym i niezniszczalnym okazuje się wyłącznie energetyczną emanacją czegoś, co jeszcze do końca nie rozumiemy. Mam na myśli strukturę subatomową materii i niezwykłe pojęcie energii, jako „sprawcy” wszystkiego, co jest wokół nas obecne. Już w tej chwili jedyną drogą poznawczą są niezwykle wyrafinowane teorie matematyczne próbujące odtworzyć budowę naszego świata, które tylko w pewnym ograniczonym zakresie mogą być obecnie potwierdzone doświadczalnie.

Minęło już co prawda kilka tysięcy lat od momentu, kiedy starożytni Grecy „czuli” przez skórę, że nasz materialny świat zbudowany jest z drobnych, niepodzielnych elementów nazwanych przez nich atomami, ale dopiero ostatnich kilkadziesiąt lat nauki pozwoliło na opracowanie teorii budowy cząsteczkowej materii tak niezwykle dokładnie, że jesteśmy niedaleko od możliwości swobodnego jej przekształcania.

Już dzisiaj dosyć skutecznie manipulujemy niezwykle skomplikowaną strukturą genów organizmów żywych, działając praktycznie na poziomie poszczególnych cząsteczek. Niezwykłe postępy elektroniki pozwalają budować układy scalone „przestawiając” pojedyncze atomy lub grupy atomów, budując coraz mniejsze i coraz bardziej skomplikowane struktury pamięci czy procesorów. Fizycy nie mają większych problemów z wyselekcjonowaniem pojedynczych cząstek materii lub oddziaływań (fermionów czy bozonów) w olbrzymich „mikroskopach” (akceleratorach cząstek) pozwalających dostrzec niezwykle dokładnie skomplikowane relacje pomiędzy różnymi cząsteczkami składającym się na budowę materii.

W badaniach struktury materii człowiek poprzez kolejne „rozbijanie” na coraz mniejsze części odkrywał poszczególne elementy składowe jej budowy: strukturę komórkową organizmów żywych, składniki tychże komórek, bakterie, wirusy, cząsteczki chemiczne, pojedyncze atomy, składniki elementarne atomów (protony, neutrony, elektrony), wreszcie składniki niektórych cząstek elementarnych, które wydawały się już niepodzielne jak kwarki.

Dzisiaj coraz bardziej wiarygodna wydaje się informacja, że najbardziej podstawowymi elementami budowy naszego Wszechświata są tzw. struny. To za ich sprawą powstaje cudowna „muzyka” Wszechświata. To właśnie możliwość wykonywania prawie dowolnych drgań tych energetycznych tworów skutkuje tak ogromną ilością możliwych do powstania cząstek elementarnych oraz oddziaływań. To dzięki tym niematerialnym formom „istnienia” powstaje tak namacalny i wydawałoby się trwały, nieprzenikliwy i niezniszczalny świat wokół nas i my sami.

Struny uważamy obecnie za najbardziej podstawowe jednowymiarowe elementy składowe budowy naszej materii i oddziaływań istniejących w przyrodzie (aczkolwiek istnieją ludzie podejrzewający istnienie jej wewnętrznej struktury). Mają one niezwykłe właściwości i możliwości. Mogą one wykonywać prawie dowolne drgania w wyniku czego mogą powstać niezliczone rzesze różnych cząstek elementarnych, a co za tym idzie rozmaite formy materii i oddziaływań siłowych. Można z nich stworzyć praktycznie wszystko, co możemy sobie wyobrazić. Jednakże warunki początkowe istniejące podczas Wielkiego Wybuchu (początku istnienia naszego Wszechświata) narzuciły na powstałe struny energetyczne pewne ograniczenia, które spowodowały, że zdecydowaną przewagę ilościową zyskały niektóre typy cząstek jak np. elektrony czy kwarki (składniki protonów i neutronów). Można powiedzieć, że ktoś, kto potrafi na tych strunach „zagrać” muzykę może stwarzać rozmaite Wszechświaty o całkowicie odmiennej budowie i właściwościach.

Czym są te teoretyczne struny i dlaczego fizycy wprowadzili do świata nauki takie dziwaczne wyjaśnienie budowy „wszystkiego”?

Przez długie lata naukowcy traktowali cząstki elementarne jako punktowe twory o zerowych wymiarach przestrzennych. Tak były traktowane na początku atomy, później elementy składowe tych atomów i poszczególne poznawane coraz liczniej inne cząstki elementarne. Niezwykłą zagadką była tak duża ilość odkrywanych kolejno cząstek elementarnych. Już wtedy narzucało się podejrzenie, że jeżeli czegoś jest zbyt dużo, to pewnie jest to zbudowane z bardziej elementarnych składników.

Fizycy zawsze dążyli do odnalezienia jak najmniejszego zestawu elementarnych składników budujących nasz świat. Jednakże zawsze problemem była powstająca nieskończoność przy badaniu obiektów o zerowych wymiarach. Jak pamiętamy z matematyki wynikiem dzielenia, czy też dokładniej próby podzielenia przez zero jest nieskończoność. A więc gdy wymiary czegoś traktujemy jako zerowe, to pewne właściwości tych obiektów stają się nieskończone, co kłóci się z naszymi obserwacjami doświadczalnymi. Żadna cząstka (np. elektron czy proton) nie posiada przecież nieskończonej energii w żadnej formie. Dlatego też niektórzy fizycy przyjęli, że poznane do tej pory cząstki elementarne nie mają zerowych wymiarów, ale są zbudowane z energetycznych tworów o jednym wymiarze (który możemy nazwać np. długością), o kształcie kawałka drutu czy sznurka, ale o niezwykle małej średnicy, rzędu skali Plancka. Struny te mogą być otwarte, tak jakby odcięty został kawałek sznurka lub zamknięte (sznurek zapętlony z połączonymi na trwałe końcami).

Struny są sprężyste w różnym stopniu, co pozwala im na wykonywanie rozmaitych drgań. Im bardziej napięta jest struna, tym trudniej ją dostrzec. Im naprężenie struny jest mniejsze, tym bardziej jest ona widoczna w naszym świecie. Idąc tym śladem, pospolity elektron zbudowany jest ze struny mało napiętej, a teoretyczny grawiton jest naprężony do granic możliwości. Duże napięcie struny oznacza niejako uwięzienie weń energii i znaczne osłabienie jej wpływu na otoczenie i odwrotnie.

Znany fizyk i doskonały propagator wiedzy Michio Kaku, powiedział, iż rodzaje cząstek “nie są niczym innym, jak różnymi nutami wygrywanymi na superstrunie. Harmonia tej struny to prawa fizyki”. Podobnie jak na strunie w gitarze możemy tworzyć niezwykle wiele możliwych dźwięków i brzmień, ale jednak nie nieskończoną ilość. Ograniczeniami są fizyczne rozmiary (długość  fali) i wewnętrzna struktura budowy samej struny. Podobnie struny materii mają ograniczone do długości Plancka rozmiary, co implikuje pewne ich właściwości. Pozwala to jednak uniknąć problemów z nieskończonością.

Te różne możliwe kształty strun materii i możliwości wykonywania rozmaitych drgań powodują, że obserwowane przez nas cząsteczki i oddziaływania są różne i mają różne właściwości, inne dla każdej cząstki czy siły, pozwalające na ich rozróżnienie. To tak, jakby patrząc się z zewnątrz na wirujące z dużą prędkością podczas pokazu sztukmistrzów kule ognia czy też wirujące śmigła samolotu, widzieć tylko to, co one zakreślają w otaczającej przestrzeni i faktycznie z daleka wyglądające na pewną całość. Każda wytworzona w ten sposób cząstka jest inna i rozróżnialna. W ten sposób można stosunkowo łatwo wyjaśnić tak wielką różnorodność odkrytych cząstek elementarnych, ale równocześnie preferencje ilościowe niektórych cząstek w naszym świecie. Struny mogą też łączyć się ze sobą tworząc bardziej skomplikowane struny. Grając na rozmaitych strunach, w różny sposób, można stworzyć „muzykę” opisującą w najdrobniejszych szczegółach całą otaczającą nas rzeczywistość.

W badaniu struktury materii człowiek doszedł do kresu, gdzie znika wszystko, co w potocznym znaczeniu uważamy za materialne. Coraz bardziej zbliżamy się do stwierdzenia, że podstawowymi składnikami budowy naszego świata są twory energetyczne, nie posiadające prawie nic wspólnego z wyobrażaną dotychczas materialnością. Materialność w sensie trwałości, nieprzenikalności, braku możliwości rozbicia, zamkniętej całości – nie istnieje. Jak w takim razie rozumieć materialność tego świata? Czy jest coś, na czym możemy się stabilnie i pewnie oprzeć? Coś co nie może zniknąć i nie rozpłynie się w wyniku działania czyjejś woli? Kto "gra" na tych strunach? Czy "odgrywana" muzyka Wszechświata ma z góry ustaloną kompozycję, czy też mamy wpływ na jej brzmienie i treść?

I najważniejsze pytanie – czym jest tak zwana energia, bez której nic w tym świecie nie może istnieć. Kto jest jej „właścicielem” czy źródłem? Skąd ona się bierze? Jeżeli nawet przyjmiemy, że nasz świat jest tylko częścią większego Universum, jakąś częścią Multiświata, to skąd wzięła się energia na ich stworzenie czy istnienie? Pytań jest dużo i chociaż wspaniała teoria strun wiele wyjaśnia, niestety jak zwykle nie wszystko i nie do końca…

JERZY SALAK

WSZECHŚWIAT i MY