Od wody do struny

Nazwa "atom" w języku greckim oznacza "niepodzielny". To, że atom - w dzisiejszym rozumieniu - niepodzielny nie jest, udowodniono już dość dawno. Ale starożytnym Grekom od okrycia dzisiejszego atomu było jeszcze daleko i różnego rodzaju koncepcji dotyczących tego, z czego składa się materia, nie brakowało.

Tales z Miletu (ok. 600 r. p.n.e.) natknął się kiedyś na skamieliny będące zachowanymi w skale pozostałościami dawnych zwierząt. I doszedł do wniosku, że wszystko, co istnieje na świecie, składa się z wody. "Wszystko jest z wody, z wody powstało i z wody się składa" uważał Tales i dowodził: "To, co żywe, żyje wilgocią, martwe wysycha, zarodki wszystkiego są mokre, a pokarm soczysty". To właśnie woda miała być prasubstancją, zwaną arche, substancją wieczną, niezmienną. Co ciekawe, podobną hipotezę znajdujemy tysiąc lat później w Koranie. Tales, co do budowy materii mylił się oczywiście, ale to on stworzył pierwszą racjonalną teorię budowy świata, wyeliminowawszy siły nadprzyrodzone. I zostawił nam bardzo dobre twierdzenie geometryczne.

Młodsze pokolenia Greków nie uważały jednak, że woda wystarczy jako jedyny budulec. Heraklit z Efezu (ok. 540-480 p.n.e.) dodał więc do koncepcji wody ogień jako przyczynę zachodzących w materii zmian. Jeszcze dalej poszedł Sycylijczyk Empedokles (ok. 490-430 p.n.e), który twierdził, że tak twardych przedmiotów jak kamienie czy w ogóle stan stały z samej tylko wody, powietrza i ognia trudno otrzymać i do hipotezy dodał trzeci podstawowy element - ziemię.

Tę koncepcję podchwycił z kolei Arystoteles ( 384-322 p.n.e. ). Uważał on jednak, że zmienny świat ziemski różni się w dużym stopniu od bardziej stabilnych gwiezdnych sfer, toteż tradycyjnie uznawane żywioły nie wystarczają do opisu Ziemi. I do świata gwiazd dodał hipotetyczny piąty żywioł - kwintesencję.

Hipotezy te były rzecz jasna mocno wadliwe, bo żadna z nich nie odpowiada prawdzie. Woda, powietrze, ogień czy ziemia ( o kwintesencji nie wspominając) nie są ani pierwiastkami, ani atomami. Docenić chyba jednak należy fakt, że Grecy poprzez swoje spekulacje dali podstawy pewnemu sposobowi myślenia. A mianowicie, że w skład złożonych substancji wchodzą substancje prostsze. Zapoczątkowany wtedy myślowy skok jeszcze się nie skończył; fizycy nadal szukają coraz mniejszych struktur w budowie wszechświata.

Atomy duszy

Jednocześnie zrodziło się pytanie dotyczące natury budowy materii. Czy ma ona budowę ciągłą, czy nie? Inaczej mówiąc, czy można coraz to mniejsze elementy dzielić w nieskończoność, czy też istnieje gdzieś granica wyznaczająca istnienie cząstki niepodzielnej? Bardzo śmiałych hipotez nie brakowało.

Słuszną hipotezę wysunął Leucyp z Miletu (ok. 480 p.n.e.). Uważał on, że materia składa się z ziarenek Można tu sobie wyobrazić duży strumień szybko sypiącego się, suchego piachu: z daleka wygląda on jak ciągła struga; przy bliższych oględzinach okazuje się jednak, że jest złożony z dużej ilości grudek. Podobnie jest zresztą z wodą, ale tego nie da się zaobserwować gołym okiem. Leukippos twierdził, że istnieją niepodzielne atomy, że są one otoczone próżnią, mają różne kształty i rozmiary, ruszają się, popychają się i łączą w kształty i właściwie każdy przedmiot składa się z atomów odmiennego gatunku. Ten tok myślenia kontynuował uczeń Leucypa, Demokryt z Abdery (460-370 p.n.e). To on nazwał niepodzielne cząstki atomami. Uważał ponadto, że istnieją nie tylko atomy wody, mleka czy kości, ale także atomy światła, dźwięku, a nawet duszy. Te ostatnie miały mieć wyjątkowe właściwości.

Mgiełka materializmu

Atomizm stał si ę podstawą myślenia epikurejczyków, czyli naśladowców Epikura z Samos (341-270 p.n.e). To oni - jak można stwierdzić, przymrużając nieco oko - stworzyli pierwszą broń atomową, ale raczej była to broń duchowa. Atakowali bowiem wiarę w zabobony, a także samą wiarę w bogów jako istoty nadprzyrodzone; twierdzili, że skoro wszystko złożone jest z atomów (bogowie też), to wszystkim rządzą prawa natury. Rzymian do atomizmu przekonywał Lukrecjusz (ok. 99-55 p.n.e), a jego poemat filozoficzny "O naturze rzeczy" można właściwie uznać za pierwszy podręcznik do chemii.

Teoria atomistyczna wcale jednak nie chwyciła. Platon i jego uczeń Arystoteles byli jej zagorzałymi krytykami, choćby dlatego że atomizm otaczała mgiełka materializmu i ateizmu. A to właśnie poglądy Arystotelesa przyjęły się jako główna szkoła myślowa w średniowieczu i do rewolucji umysłowej dotyczącej atomów trzeba było czekać aż do XVII wieku.

- To wtedy rozgorzała bardzo ważna dyskusja na temat ciągłości materii. Zastanawiano się na przykład, czy światło ma strukturę falową czy cząstkową - opowiada "Tygodnikowi" fizyk, profesor Krzysztof Meissner z Uniwersytetu Warszawskiego.

Myślnik długi na kilometry

Potem długo, długo nie było nic.

Zastanawiano się jednak, czy właściwości chemiczne materii da się opisać liczbowo, i tu z pomocą przyszedł Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), którego waga pozwoliła badać masę reagujących ze sobą substancji, a on sam został z czasem uznany za ojca współczesnej chemii.

Gromadzone dane ułożył w jedną całość John Dalton (1766-1844). Ten nierozpoznający kolorów pilny obserwator pogody lubił grać w kręgle. Niewykluczone, że to właśnie kule do kręgli podsunęly mu wyobrażenie o atomach jako mikroskopijnych niepodzielnych kulkach.

Dalton uważał, że wszystkie atomy wchodzące w skład danego pierwiastka są takie same, podczas reakcji chemicznej zmieniają partnerów, a waga dostarcza informacji o zmianach masy, do których dochodzi podczas owych reakcji. Swą teorię atomistyczną Dalton przedstawił w pierwszej dekadzie XIX wieku; nadał także poszczególnym pierwiastkom symbole oraz określił - jak to ujął - ciężar atomowy danych pierwiastków.

Warto podkreślić, że badania Daltona były oparte na eksperymentach, obserwacjach i wnioskowaniu, co odróżniało znacznie jego metodę od spekulacji Greków.

Z czasem poznawano coraz więcej pierwiastków. W 1869 roku poukładał je - zgodnie z zasadą powtarzających się właściwości chemiczych pierwiastków w zależności od ciężaru - Rosjanin Dymitr Iwanowicz Mendelejew. Gromadę ponad 60 pierwiastków umieścił w swym słynnym i obowiązującym do dziś układzie okresowym.

Kolejnym przełomem było odkrycie elektronu w 1897 roku. Dokonał tego Brytyjczyk J.J. Thomson, który badając promienie katodowe, dowiódł, że częściami składowymi atomu są małe, negatywnie naładowane cząstki. Thomson jako pierwszy wykazał, że atom nie jest niepodzielny i że ma wewnętrzną strukturę. Nazwę "elektron" zaproponowano kilka lat wcześniej i choć Thomson używał nazwy "cząsteczka", naukowcy ostatecznie przyjęli nazwę "elektron".

- Wtedy uważano, że atom to takie dodatnie ciasto, w którym zanurzony jest ujemny elektron - mówi profesor Meiss­ner.

Tę hipotezę obalił w 1910 r. Nowozelandczyk Ernest Rutherford.

- Bombardował on cząstkami alfa (dwa protony + dwa neutrony) złotą folię. Okazało się, że cząstki te odbijały się do tyłu; gdyby atomy były jak ciasto, cząstki te na przykład tylko nieznacznie odchylałyby się - dodaje profesor Meissner.

Tym sposobem Rutherford doszedł do wniosku, że w środku atomu musi znajdować się dodatnio naładowane jądro.

Rozmiar typowego atomu to dwie dziesięciomiliardowe części metra, czyli 0,2 nanometry.

"Dwadzieścia milionów atomów ułożonych w rządku miałoby długość czterech milimetrów, czyli równą mniej więcej temu myślnikowi »-«. (...) Aby ułożony z miliona atomów myślnik miał trzy kilometry długości, pojedynczy atom musiałby mieć wielkość trzech milimetrów, czyli tyle, ile jedno ziarenko kawioru" - pisze w swojej książce "Palec Galileusza" brytyjski chemik Peter Atkins.

Jednocześnie prowadzono badania nad promieniotwórczością; prekursorem był tu francuski fizyk Henri Becque­rel, który samo zjawisko zaobserwował w 1896 roku; dalsze badania prowadziła jego doktorantka Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie. Razem odkryli pierwiastki rad i polon (w 1898 roku) oraz opracowali teorię promieniotwórczości.

Tymczasem na scenie pojawił się Albert Einstein, nieznany fizykom, pochodzący z Niemiec szwajcarski urzędnik patentowy. W 1905 roku opublikował on wyjaśnienie tzw. zjawiska fotoelektrycznego (czyli wybijania elektronów) z powierzchni metalu pod wpływem światła, za co kilkanaście lat póżniej otrzymał Nagrodę Nobla.

Einstein wyjaśnił to zjawisko, posiłkując się hipotezą kwantów, zaproponowaną w 1900 roku przez Maxa Plancka, a mówiącą o tym, że energia cieplna nie ma charakteru ciągłego, tylko jest emitowana porcjami. Tak rozpoczęła się era mechaniki kwantowej.

Jednocześnie naukowcy zastanawiali się, jak wygląda atom. Japończyk Hantaro Nagaoka sądził, że tak jak Saturn - jądro w środku i elektronowe pierścienie dookoła.

W zachodnim myśleniu przyjął się stworzony w 1912 roku przez duńskiego fizyka Nielsa Bohra model planetarny z jądrem w środku i krążącymi po różnych orbitach elektronami, niczym planety wokół Słońca. Takie postrzeganie atomu fukcjonuje w umysłach wielu z nas do dziś, ale jak miały pokazać późniejsze badania, ów model nie ma nic wspólnego z rzeczywistością.

Gdzie przód, gdzie tył

"Jeśli ktoś twierdzi, że wie, o czym jest teoria kwantów, to znaczy, że nic z niej nie rozumie" - twierdził genialny amerykański fizyk Richard Feynman.

Ten brak zrozumienia rozpoczął się w latach 1924-27. Wtedy to francuski fizyk Louis de Broglie zasugerował, że cząsteczka może być jednocześnie falą i na odwrót. Potwierdziły to badania austriackiego fizyka Erwina Schrödingera, który przedstawił swe słynne matematyczne równania.

Jednocześnie pochodzący z niemiec fizyk Werner Heisenberg zaproponował swą zasadę nieoznaczoności, która stwierdza, że badając subatomową cząstkę, możemy poznać dokładnie albo jej pęd, albo położenie, ale nie obie wartości naraz. A sam pomiar (a więc bombardowanie danej cząstki światłem, czyli fotonami) zmienia jej pęd i położenie. Okazało się, że w fizyce badającej zjawiska w przestrzeniach mniejszych niż atom nic nie jest "na pewno", wszystko jest "być może", i to, co możemy określić - np. położenie elektronu w danej chwili - to tylko mniejsze lub większe prawdopodobieństwo.

Atom zaczął wyglądać jak mniej lub bardziej rozmazana chmura, a nie struktura z dużą kulką w środku (jądro) i małymi kulkami krążącymi na zewnątrz (elektrony).

Z czasem okazało się, że zaproponowana przez Einsteina czasoprzestrzeń (połączone trzy wymiary przestrzenne z czwartym wymiarem - czasem) nie jest precyzyjna i elegancka. Na poziomie subatomowym czasoprzestrzeń gotuje się jak gęsta grochówka, przestają w niej obowiązywać pojęcia przód-tył, prawo-lewo, góra-dół, a nawet przed i po.

Odpisali zdawkowo

Był rok 1968. Młody włoski fizyk Gabriele Veneziano poszukując równań matematycznych, które pomogłyby mu wyjaśnić naturę oddziaływań silnych - utrzymujących razem protony i neutrony w jądrze atomowym - natrafił przypadkiem na zakurzoną książkę napisaną w Szwajcarii 200 lat wcześniej. Znalazł w niej równania, które do tej pory uważano jedynie za matematyczną ciekawostkę. Zorientował się jednak, że obrazują one, na czym polegają oddziaływania silne. Szybko opublikował pracę i na zawsze zasłynął jako "przypadkowy" odkrywca.

Piękna to historia, tyle że nie do końca prawdziwa.

- Czasami czytam w różnych książkach, że ten model został odkryty przez przypadek, czy też znaleziony w książce do matematyki. Ale nie najlepiej się z tym czuję, bo prawda jest taka, że pracowałem nad tym bardzo ciężko przez rok. To, co przez przypadek odkryliśmy, to teoria strun - mówił Veneziano w popularnonaukowym filmie "Elegancki wszechświat".

Zgodnie z tą teorią, u podstaw budowy składowych części atomu leżą struny - niesłychanie małe włókna energii. Pionierzy teorii strun uważali, że być może mają one postać pętli jak gumki recepturki, być może są otwarte jak krótka nitka spaghetti, być może są skręcone jak psie kłaki. Wiadomo jednak, że wszystkie są bardzo silnie napięte i drgają w określony sposób. To właśnie te drgania mają nadawać cząstkom elementarnym takie, a nie inne właściwości. Na początku lat 70. teoria strun zaczęła żyć własnym życiem. Jednym z jej najzagorzalszych zwolenników był amerykański naukowiec Leonard Susskind. Przez kilka miesięcy siedział na swoim strychu i analizował, w jaki sposób dzięki równaniom można wyobrazić sobie owe superstruny (w skrócie nazywane po prostu strunami). Doszedł do wniosku, że taka struna jest elastyczna, może rozciągać się i kurczyć oraz podrygiwać.

- Równania nie zostawiały cienia wątpliwości. Wtedy zdawałem sobie sprawę, że jestem jedynym człowiekiem na świecie, który o tym wie - wspomina Susskind w "Eleganckim wszechświecie".

Susskind napisał artykuł o nowej, rewolucyjnej teorii i wysłał go do oceny kompetentnym recenzentom.

- Byłem przekonany, że to będzie szok. Że nagłówki gazet będą krzyczeć "Susskind to nowy Einstein" - opowiadał. Nie bezpodstawnie. Teoria strun była i jest do dziś najlepszym kandydatem pretendującym do miana Teorii Wszystkiego, czyli fizycznego modelu ostatecznie wyjaśniającego działanie wszechświata i eleminującego sprzeczności między klasyczną fizyką Einsteina a fizyką kwantową. Ale marzenia Susskinda szybko legły w gruzach.

- Recenzenci odpisali zdawkowo, że praca nie jest najlepsza i chyba nie powinno się jej publikować. Spadłem wtedy z krzesła. Wpadłem w depresję, było mi smutno, byłem nerwowym wrakiem. Efekt był taki, że poszedłem do domu i się upiłem - zwierzał się naukowiec.

Wydawało się, że teoria strun jest martwa. Większość fizyków miała zresztą inne zajęcie.

W 1964 roku wysunięto hipotezę istnienia kwarków - mniejszych od protonu czy neutronu składników materii. Zrobili to niezależnie od siebie Amerykanin Murray Gell-Mann oraz Amerykanin rosyjskiego pochodzenia Georg Zweig.

Cztery lata później w akceleratorze SLAC okazało się, że przy małych energiach elektrony odbijają się od protonu tak jak od kulki. Ale przy energiach większych elektrony zaczęły odbijać się jakby od punktowych obiektów. Piękno tego eksperymentu polegało na powtórzeniu się historii - coś pozornie ostatecznie małego miało jeszcze mniejsze części składowe. Takie zdarzenie miało już przecież miejsce 50 lat wcześniej podczas eksperymentu Rutherforda! W ten sposób potwierdzono istnienie kwarków, których znamy dziś ostateczną liczbę: jest ich sześć i każdy ma swój "zapach" oraz nazwę: górny, dolny, dziwny, powabny, spodni, szczytowy. Występują też w trzech różnych "kolorach" (czerwony, zielony, niebieski). Jednocześnie fizycy bawili się w inny rodzaj kosmicznego wandalizmu. W nowych, potężnych akceleratorach zderzali ze sobą cząstki elementarne rozpędzone do bliskich światła prędkości. Badając wyniki tych kolizji, odkrywali coraz to nowe cząstki, które powstawały w wyniku zderzeń i niemal natychmiast znikały - ale istniały.

Okazało się, że natura jest znacznie bardziej różnorodna, niż się wydawało. Co miesiąc odkrywano nową cząstkę. Do ich opisu nie starczało liter w alfabetach. A teoria mówiła o tym, że cząstki to nie tylko cegiełki, z których składa się wszechświat. To także nośniki oddziaływań; na przykład to, że trzy kwarki trzymają się razem i tworzą proton, zawdzięczamy gluonom - cząstkom, które działają na kwarki jak klej. Nośniki oddziaływań odkryto dla oddziaływań elektromagnetycznych, słabych i silnych, powoli spełniając marzenie Einsteina o stworzeniu Teorii Wszystkiego. Bo ta przewiduje, że jeśli cofniemy czas o 14 miliardów lat do początku wszechświata, do momentu Wielkiego Wybuchu, okaże się, że wtedy wszechświatem rządziły prawa, które da się ująć w jedną spójną teorię. Nagle okazało się, że mamy jedną spójną teorię cząstek, która potrafi tym samym językiem opisać oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne. Wyłaniający się obrazek nazwano Modelem Standardowym.

Kusząca teoria

Model Standardowy nie obejmował jednak czwartej siły - grawitacji.

Teoria strun znalazła się na marginesie. Było z nią zresztą wiele problemów: wymagała na przykład istenienia tachionów, czyli hipotetycznych cząstek poruszających się szybciej niż światło, na co nie zezwalała teoria Einsteina. Według niektórych badaczy wszechświat miał mieć np. 10 wymiarów przestrzennych (w przeciwieństwie do trzech, które znamy z codziennego życia). Było też sporo anomalii matematycznych.

W pewnym momencie amerykański fizyk John Schwarz stwierdził jednak, że jeżeli struny są znacznie mniejsze, niż się wydawało, mogą one opisywać to, jak działa grawitacja w świecie subatomowym. Ale znów, na tak przełomową pracę środowisko fizyków nie zareagowało. Schwarz nie poddawał się. Wiedział, że jeżeli ma rację, to teoria strun może wyjaśniać na poziomie kwantowym działanie wszystkich sił z grawitacją włącznie, a zatem to ona mogła być Teorią Wszystkiego. Wraz z Brytyjczykiem Michaelem Greenem w 1984 roku pozbył się anomalii matematycznych. I wtedy teoria strun weszła w epokę renesansu, zaczęły się nią zajmować nowe pokolenia fizyków.

Teoria strun jest kusząca. Nie ma w niej konfliktu między stabilną czasoprzestrzenią w Einstenowskiej makroskali a czasoprzestrzenią rozbałaganioną w kwantowej mikroskali. Dzięki teorii strun fizyka Einsteina i mechanika kwantowa nie wykluczają się.

Dlaczego zatem nie została ogłoszona Teorią Wszystkiego? Kłopot w rozmiarze strun. Przykładowa struna jest bardzo, bardzo mała. Gdyby atom powiększyć do rozmiarów układu słonecznego, struna miałaby wielkość drzewa. Oznacza to, że nie możemy jej zaobserwować, bo nie mamy do tego odpowiednich instrumentów, a fizykom trudno takie instrumenty w ogóle sobie wyobrazić. Co więcej, nie możemy przeprowadzić też eksperymentów na strunach. A hipoteza, która nie może być zweryfikowana dzięki obserwacjom lub eksperymentom, nie spełnia wymogów współczesnej nauki i nie może być uznana za dobrą teorię.

Nie oznacza to, że fizycy odłożyli teorię strun do lamusa. Z czasem teoretycznie rozwiązali problem dodatkowych sześciu wymiarów - bardzo małych, znajdujących się w każdym punkcie przestrzeni i owiniętych wokół samych siebie. Naukowcy byli tak skuteczni, że stworzyli pięć różnych teorii strun. Każda była dobra, ale wszystkie wykluczały się wzajemnie. Jedna wymagała nawet istnienia 26 wymiarów. Która opisywała nasz wszechświat? Kto mieszkał we wszechświatach opisywanych przez pozostałe cztery teorie? Jeśli było ich pięć, to można skonstruować pięć kolejnych. Teoria strun jako Teoria Wszystkiego stawała się Teorią Niczego.

Analiza radykalnych pomysłów wymaga radykalnych umysłów. Właścicielem takiego umysłu jest amerykanin Ed Witten. W 1995 roku wykazał on, że pięć różnych teorii strun, to tak naprawdę jedna teoria widziana z różnych punktów widzenia. Ta nowa teoria Wittena zyskała miano Teorii M - "M-Theory". Ceną, jaką Witten zapłacił za teorię, było wprowadzenie jeszcze jednego, jedenastego wymiaru. Ten jedenasty wymiar pozwala strunie na rozrośnięcie się do membrany, czy też jak mówią fizycy, "brany", która może być tak duża jak nasz wszechświat. Okazuje się zatem - jeśli Witten ma rację - że nasz wszechświat to brana, być może jedna z wielu zawieszonych w innym wymiarze. To tak jakbyśmy mieszkali na kromce chleba. Tyle że takich kromek jest obok nas całkiem sporo. Teoria strun wyjaśnia też, dlaczego grawitacja jest tak słabą siłą w porównaniu z innymi. Być może grawitony, czyli nośniki siły grawitacji, uciekają z naszego wszechświata i przepływają do innego. Jeśli więc na którejś branie istnieje inteligentne życie, być może kiedyś wynajdziemy urządzenie do kontaktowania się z obcymi poprzez wymianę silnych impulsów grawitacyjnych.

Marzenia o grawitacyjnym telefonie to na razie tylko tyle: marzenia.

- Nie jest zapisane w gwiazdach, że kiedykolwiek stworzymy teorię wszystkiego - mówi Weinberg. - Ale ja uważam, że prędzej czy później do tego dojdziemy.

Konsultacja naukowa: dr Cezary Juszczak, Uniwersytet Wrocławski

Źródła:

"Palec Galileusza", Peter Atkins, wyd. Rebis

"The Elegant Universe", wyd. Nova

"The Universe in a Nutshell", Stephen Hawking, wyd. Bantam Press Wikipedia

"A co Ciebie obchodzi, co myślą inni", Richard Feynman, wyd. Znak.