Znajdź zawartość

Naukowcy pracujący pod kierunkiem zespołu z Imperial College London dokonali niespodziewanego odkrycia. Jeśli się ono potwierdzi, możliwe będzie eksperymentalne zbadanie prawdziwości teorii strun. Teoria strun i jej późniejsze rozwinięcie - M-teoria - to matematyczny model budowy wszechświata. Jest ona rozwijana od 25 lat przez uczonych, chcących pogodzić ze sobą ogólną teorię względności oraz mechanikę kwantową. M-teoria to potencjalna teoria wszystkiego. Przewiduje ona istnienie wielowymiarowych przestrzeni, wielu wszechświatów, a największą jej słabością jest niemożność przetestowania, które z udzielanych przez nią odpowiedzi są prawdziwe. Profesor Michael Duff i jego koledzy w Imperial College odkryli, że teoria strun może służyć do przewidzenia zachowania splątanych cząstek. To z kolei oznacza, iż można ją przetestować w laboratorium. Nie uzyskamy dowodu na to, że teoria strun jest dobrą 'teorią wszystkiego', jakiej poszukują kosmolodzy i fizycy cząstek. Jednak jej sprawdzenie będzie bardzo ważne dla teoretyków, gdyż pokaże, czy teoria strun w ogóle działa, nawet na tych polach, na których się nie spodziewamy lub które nie są związane z fizyką - mówi Duff. Uczony wpadł na trop odkrycia podczas konferencji naukowej na Tasmanii, gdy słuchał wykładu dotyczącego matematycznej formuły opisującej splątanie kwantowe. Nagle zauważyłem, że formuła ta jest podobna do niektórych wzorów, które używałem do badania czarnych dziur na gruncie teorii strun. Gdy wróciłem do kraju zajrzałem do swoich notatek i okazało się, że matematyczne formuły opisujące tak różne rzeczy były identyczne - opowiada profesor. Jako,że potrafimy uzyskiwać i badań stany splątane, możliwe będzie wykorzystanie teorii strun do przewidywania ich zachowania, a następnie przeprowadzenie eksperymentów, które pozwolą stwierdzić, na ile przewidywania były prawidłowe. Profesor Duff zauważa, że nie wiadomo, dlaczego teoria strun może opisywać stany splątane. Jego zdaniem wytłumaczenia mogą być dwa: albo mówi nam to coś ważnego o wszechświecie, albo też jest to zwykły przypadek. Tak czy inaczej, jest to użyteczne - stwierdza uczony. Przeprowadzenie odpowiednich eksperymentów i wykonanie obliczeń będzie trudne, gdyż musi dotyczyć nie pary, ale czterech splątanych cząstek.

Najpopularniejsza i uznawana za obowiązującą (choć mająca już ciekawą konkurencję) kosmologiczna teoria Wielkiego Wybuchu jest dość trudna do eksperymentalnego potwierdzenia. Być może jednak coś da się w tej materii zrobić: na przykład wymodelować czasoprzestrzeń o innej liczbie wymiarów. Brzmi nierealnie? Nie dla współczesnej techniki! Na samym początku, jak sądzi część teoretyków, wszechświat nie musiał mieć takiej struktury, jaką dziś znamy: czyli trzech wymiarów przestrzeni i jednego wymiaru czasowego. Zamiast tego posiadał dwa wymiary przestrzeni i dwa wymiary czasu. Kiedy przekształcał się on w znaną nam strukturę czasoprzestrzeni, dodatkowe wymiary przewidywane przez teorię strun - jak sądzą fizycy - zwinęły się. Procesowi temu miałoby towarzyszyć zjawisko zwane Wielkim Błyskiem, czyli nagły wzrost radiacji. Przejście od takiego dziwnego wszechświata do nam znanego chce wymodelować eksperymentalnie para fizyków: Igor Smolyaninov z Uniwersytetu Maryland w College Park oraz Evgenii Narimanov z Uniwersytetu Purdue w West Lafayette, w stanie Indiana. Rozważywszy sposób rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w takim dziwnym, przemieniającym się uniwersum dwaj panowie uważają, że da się go wywołać w rzeczywistości, na stole laboratoryjnym. Kluczem do tego miałyby być metamateriały, czyli materiały pozwalające precyzyjnie kontrolować sposób rozchodzenia się w nich światła. Naginanie czasoprzestrzeni w laboratorium? Metamateriały, o których niedawno pisaliśmy, dają nadzieję na powstanie niezwykłych przyrządów optycznych: doskonałych soczewek, potężnych mikroskopów czy materiałów dających niewidzialność. Pomysł Smolyaninova i Narimanova jest jednak daleko bardziej zdumiewający. Kiedy fale świetlne przechodzą przez przezroczysty materiał, ich prędkość zmienia się: maleje długość fali, rośnie zaś częstotliwość. Taka zmiana przebiega jednakowo we wszystkich kierunkach. Smolyaninov i Narimanov opisują teoretycznie metamateriały, w których zależność pomiędzy częstotliwością fali a przestrzenną zmianą pola jest wysoce anizotropowa (niejednakowa dla różnych kierunków). Dla określonych konfiguracji możliwe byłoby zwiększenie rzeczywistej długości fali w wybranym kierunku, podczas kiedy generalna częstotliwość fali zmniejszałaby się. Zespół fizyków uważa, że taka założona hiperboliczna zależność pomiędzy przestrzenną a czasową zmiennością fali elektromagnetycznej odpowiada temu, co działo się w czasoprzestrzeni z dwoma wymiarami przestrzennymi i dwoma czasowymi. Jedną z właściwości takiej specyficznej geometrii jest nieskończona ilość układów pola elektromagnetycznego możliwych dla wybranej długości fali - w naszej (normalnej) czasoprzestrzeni liczba takich układów jest duże, ale nie nieskończona. Opisywany teoretycznie radiacyjny Wielki Błysk podczas przekształcania się wczesnej czasoprzestrzeni w obecną byłby spowodowany właśnie uwolnieniem energii istniejącej w nieskończonych układach pól. Pomysłodawcy zapewniają, że kontrolowana w ten sposób w laboratorium fala nie doprowadzi do żadnych osobliwości ani paradoksów w rodzaju podróży w czasie. Będzie to normalne, fizyczne zjawisko, modelujące jedynie pewien aspekt założonej teoretycznie czasoprzestrzeni. Będzie ono ponadto podlegać prozaicznym ograniczeniom, jak rozpraszanie i utrata energii, które teoria celowo pomija. Czy pomysł zostanie wcielony w życie? Bardzo możliwe. Studium dwojga autorów, opublikowane w Physical Review Letters z 6 sierpnia, proponuje wykonanie eksperymentalnej struktury z konkretnego metamateriału: cienkich arkuszy stworzonych z drobnych drutów galu. Stawałyby się ona bardziej przewodliwe topiąc się w temperaturze nieco wyższej od pokojowej. Według obliczeń topnienie zamieniałoby taki metamateriał ze zwykłego w hiperboliczny i z powrotem. Zatem podczas schładzania rozgrzanego materiału można by obserwować zjawisko analogiczne do Wielkiego Błysku.

Teoria strun - jedna z najbardziej kontrowersyjnych i obiecujących teorii współczesnej fizyki - przestaje być teorią. Po raz pierwszy w historii wykorzystano ją do wyjaśnienia obserwowalnego zjawiska fizycznego. O tym, jak ważne to wydarzenie może świadczyć chociażby fakt, że po raz pierwszy wyliczenia dotyczące teorii strun zostały opublikowane w prestiżowym Science. Od pewnego czasu wiemy, że zjawisko nadprzewodnictwa zachodzi nie tylko w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Dysponujemy coraz liczniejszymi dowodami na istnienie "gorącego nadprzewodnictwa". Dotychczas jednak nikt nie potrafił wyjaśnić tego fenomenu. Widziano jedynie, że ma on związek z wchodzeniem elektronów w tzw. kwantowy stan krytyczny. Jan Zaanen, Mihailo Cubrovic i Koenraad Schalm zaprzęgli teraz teorię strun do wyjaśnienia kwantowego stanu krytycznego. To szczególny stan materii, z którym mamy do czynienia bezpośrednio przed tym, gdy materiał zmienia się w nadprzewodnik w wysokich temperaturach. Uczeni wykorzystali znaną z teorii strun dualność Ads-CFT, która umożliwia przełożenie zjawisk zachodzących w olbrzymich relatywistycznych światach na poziom fizyki kwantowej. Dzięki opisowi wibracji wywoływanych w czarnej dziurze przez wpadający weń elektron, naukowcy byli w stanie opisać to, co dzieje się z elektronami znajdującymi się w kwantowym stanie krytycznym. Ich obliczenia idealnie pasowały. Co prawda tajemnica "gorącego nadprzewodnictwa" nie została całkowicie wyjaśniona, jednak uczeni wykazali, że teoria strun może być przydatna do opisania istotnych fizycznych zjawisk, które możemy zaobserwować. Zaanen przyznaje, że on i jego koledzy do końca nie rozumieją wielu rzeczy, jednak wierzą, iż dzięki teorii strun uda się odpowiedzieć na wiele pytań, które od lat nurtują fizykę.

Uczeni z University of Wisconsin-Madison twierdzą, że możemy "zobaczyć” kształty dodatkowych wymiarów, przewidzianych w teorii strun, badając ich wpływ na energię kosmiczną. W najnowszym numerze pisma Physical Review Letters zamieścili artykuł, który dowodzi, iż możliwe jest wykorzystanie danych uzyskanych z eksperymentów do badania natury dodatkowych wymiarów. Teoria strun (powstała w 1970 roku i zwana obecnie teorią strun bozonowych) mówi, że wszystko we wszechświecie, od najmniejszych cząstek po największe galaktyki, jest zbudowane z niewielkich wibrujących strun energii. Jest to bardzo popularna teoria, ale dotychczas nie mamy żadnych dowodów na jej poparcie. Jej matematyczny model sugeruje, że oprócz znanych nam czterech wymiarów (trzech fizycznych + czas), istnieje jeszcze sześć innych. Te dodatkowe, niewidoczne wymiary, są zakrzywione do rozmiarów subatomowych i "otaczają” każdy najmniejszy punkt wszechświata. Z teorią strun (obecnie jej następczynią jest stworzona w 1984 roku teoria superstrun) naukowcy wiążą olbrzymie nadzieje. Chcieliby z niej wyprowadzić ogólną teorię względności i mechanikę kwantową, tworząc w ten sposób kwantową teorię grawitacji. Prace akademików z Wisconsin być może pozwolą na rozpoczęcie doświadczalnych badań, które pogłębią naszą wiedzę na temat strun i budowy wszechświata. Z matematycznego modelu wynika, że te dodatkowe, niewidoczne dla nas wymiary, mogą przyjąć jeden z dziesiątków tysięcy możliwych kształtów, a każdy z nich będzie własnym kosmosem z własnymi prawami fizycznymi. Te kształty są tak małe, że nie jesteśmy w stanie ich obserwować. Uczeni postanowili więc zaobserwować wpływ, jaki wywierają one na otoczenie. Doszli do wniosku, że sześć niewidocznych wymiarów największy wpływ wywierało przed Wielkim Wybuchem, gdy sam wszechświat był jedynie punktem skondensowanej materii i energii. Pomyśleliśmy, że trzeba się cofnąć w czasie i sprawdzić, co się wówczas działo – powiedział kierujący badaniami fizyk Gary Shiu. Do podróży w czasie wykorzystali mapę energii kosmicznej, uwolnionej podczas Wielkiego Wybuchu. Rozkład energii we wszechświecie znamy m.in. dzięki satelitom NASA. Mapa ta nie zmieniła się w ciągu ostatnich 13 miliardów lat, więc pokazuje nam kosmos w momencie jego tworzenia się. Shiu twierdzi, że tak jak na podstawie cienia rzucanego przez przedmioty można wnioskować o ich kształcie, tak rozkład energii wskazuje na kształt sześciu wspomnianych wymiarów. By odkryć niewidoczne kształty uczeni skorzystali z prostych zasad geometrii. Na ich podstawie, biorąc pod uwagę naszą obecną wiedzę, stworzyli mapę rozkładu energii. Gdy porównano ją z rzeczywistą mapą, zauważono małe, ale istotne różnice. Te właśnie różnice biorą się właśnie z oddziaływania sześciu nieznanych wymiarów, uważa Shiu. Co prawda, dodaje, nie posiadamy obecnie wystarczająco dużej ilości danych, by określić te kształty precyzyjnie, ale już teraz tworzone są projekty, które w najbliższej przyszłości dostarczą nam dodatkowych informacji, które pozwolą stopniowo zmniejszać liczbę możliwych kształtów tworzonych przez sześć wymiarów. Jeśli określimy ich kształt, będziemy wiedzieli, czy teoria strun jest prawdziwa – mówi Henry Tye, fizyk z Cornell University, który nie był zaangażowany w badania.