NEMANJA: SMIRENOUMLJE

nedjelja, 27.04.2008.

Kraj stoljeća

Image and video hosting by TinyPic

Image and video hosting by TinyPic

Image and video hosting by TinyPic

Krokodil i Rosebud

Ako zanemarimo oklop od tvrdih koštanih ploča prevučenih snažnom rožnatom navlakom (te činjenicu da na očima imaju tri kapka - gornji, donji i migavicu), najupečatljivije su obilježje krokodila njihovi zastrašujući zubi, opako poredani u izduženoj vilici. Istina je o snazi što pokreće te čeljusti, međutim, dugo ostala skrivena: mišići koji otvaraju krokodilove ralje - za razliku od onih koji ih zatvaraju - tako su slabi, da desetgodišnje dijete može, bez ikakva napora, držati strašne vilice zatvorenima.
Zato postoji sto načina na koji možemo svladati arhetipskog gmaza.
Sa svemirom nije tako: ruža se postojećeg prostorvremena mogla rascvasti samo na jedan način, a konačna je tajna upisana u strukturi magičnog Pupoljka.
Fizičari kraja stoljeća stoje pred posljednjom tajnom.

Ambicija

Pravila su igre poznata i svatko može pokušati.
Prvo valja uzeti dobru knjigu o teoriji relativnosti i upoznati se sa zakrivljenom strukturom prostorvremena te prirodom gravitacije, univerzalne sile koja dominira na velikim udaljenostima.
Zatim valja proučiti knjigu koja obrađuje standardni model elementarnih čestica. Tu se opisuju kvantna polja preostalih triju fundamentalnih sila što upravljaju mikrosvijetom - elektromagnetizma, jake i slabe nuklerne sile. (Na kraju se nalazi i lista svih važnih konstanti prirode, poput brzine svjetlosti u vakuumu, Planckove konstante i tome slično.)
Iscrpni popis poznatih elementarnih čestica, kao i njihovih svojstava, može se naći u knjižici koju svake druge godine objavljuje Lawrence Berkeley Laboratory.
Zadaća čije riješenje osigurava besmrtnost glasi: sve ove sile, zakone i polja valja obuhvatiti jedinstvenom i kompaktnom matematičkom formulacijom, koja nedosmisleno demonstrira neizbježnost svega što je bilo, što jest i što će doći.
Ambicija je stara kao svijet.

Ruđer

Grci su počeli prvi.
Po običaju, kombinirali su jasne intuicije - da Sve mora biti Jedno - s nejasnim formulacijama: Heraklit je zagonetni Pupoljak naslutio u Logosu, Parmenid u Sfairosu, a Pitagora u harmonijama brojčanih odnosa (s proizvoljnim vrijednostima, dakako).
S Newtonovom su teorijom gravitacije stvari prvi put postale matematički određenije, a prvu je ozbiljnu formulaciju ponudio Ruđer Bošković.
Njegovo se poopćenje Newtonove sheme, izloženo u okviru izvođenja svih opaženih fizičkih fenomena iz jednog zakona ili Sile, može naći u spisu Theoria Philosophiae Naturalis. (Ruđer je čini se vjerovao da je ova univerzalna Sila Bog, ili manifestacija Njegove volje.)
Shema izgleda ovako.
Krivulja prati djelovanje Sile među dvama "točkama materije". Njezina snaga varira s promjenom udaljenosti među njima, po sekvenci DFHKMOQSTV. (Udaljenost je prikazana na apscisi AC, snaga Sile po ordinati AB.) Kao što vidimo, Sila je odbojna u gornjim registrima, privlačna u donjim, a zanimljivo je da je na velikim udaljenostima (na točki V i dalje) uvijek privlačna, tako da shema sadrži Newtonov model gravitacije (koja opada s kvadratom udaljenosti) kao vlastitu aproksimaciju.
Ruđer piše da je "i najpovršniji pogled dovoljan" da se uvjerimo u vjerodostojnost njegove Teorije.
Novija istraživanja pokazuju da stvari ipak nisu tako jednostavne.

Zvijezde i Robi K.

Nakon glamuroznog Einsteinovog neuspjeha s općom teorijom polja - pokušaja ujedinjenja gravitacije i elektromagnetizma, s ispuštanjem događaja u atomskoj jezgri - konfiguracija se magičnog Pupoljka počela jasnije nazirati kroz optiku dviju moćnih novih ideja - simetrija i struna.
Na prvoj počiva standardni model elementarnih čestica, a druga obećava prvu teorijsku formulaciju koja smisleno integrira obje revolucije u fizici XX. stoljeća - teoriju relativnosti i kvantnu mehaniku.
Simetrije poznajemo iz iskustva, a njihove se specifičnosti mogu ilustrirati nizovima zvijezda i pričicom o Robiju K.
Zamislite da vam je mali zločesti Dalmatinac - Robi K. - izronio jedanaest identičnih morskih zvijezda i sada se poigrava s vašim strpljenjem, rotirajući njihove krakove dok vi ne gledate. Svaki put kad okrenete pogled, Robi K. zarotira jednu zvijezdu najmanje za jedan krak ulijevo, za petinu punog okreta, 72° oko središnje točke. Očito, postoji ukupno pet transformacija kod kojih nećete uočiti nikakvu promjenu kad ponovo pogledate zvijezde (sjene na krakovima označavaju smjer vrtnje i u stvarnosti ne postoje). Osim toga, budući da je svaki zvjezdani krak bilateralno simetričan (poput našeg lica), donji je niz zvijezda istovjetan gornjem nizu odraženom u ogledalu.
Postoji dakle ukupno deset transformacija koje ostavljaju morsku zvijezdu invarijantnom - pet rotacija (jedna trivijalna) i pet refleksija.
Te su transformacije simetrije zvijezde.
Robi K. vam je nehotice otkrio njezinu unutarnju strukturu: ishod je dvaju sukcesivnih transformacija uvijek bio istovjetan novoj transformaciji, koja očito pripada istoj grupi. U matematici, grupa predstavlja zatvoreni sustav transformacija, koji određuje dopuštene poteze u igrama ove vrste, pod uvjetom invarijantnosti.
U(1)*SU(2)*SU(3)
Sve fundamentalne teorije u fizici sadrže neke simetrije, obično znatno složenije od Robijevih rotacija i refleksija.
U specijalnoj relativnosti, simetrije se odnose na zakone prirode koji ostaju isti - invarijantni - za promatrače koji se kreću jednoliko jedan u odnosu prema drugom; u općoj relativnosti to važi za sve referentne okvire.
Simetrija u pozadini elektroslabe teorije - prvog uspješnog koraka ka unifikaciji teorije elementarnih čestica - nešto je složenija; dok se prve dvije odnose na prostor i vrijeme, potonja se odnosi na identitete različitih tipova čestica. Ako zamislimo da svaka čestica nosi mali brojčanik, s kazaljkom usmjerenom prema etiketama "elektron", "neutrino", "foton", "W" ili negdje između, elektroslaba simetrija nalaže da zakoni prirode zadržavaju isti oblik ako rotiramo oznake na brojčaniku na određene načine.
Teorija je posljednje, jake nuklearne sile, također zasnovana na simetrijama poput spomenutih, a njezina je grupa najsloženija; osam je relevantnih generatora simetrije realizirano u vidu osmerostruke gluonske lepeze - čestica-prijenosnika jake sile - a lokalna se simetrija odnosi na specifičnu vrstu kromodinamičkog naboja zvanog "boja".
Tehnički su nazivi ovih grupa egzotični, a njihov produkt U(1)*SU(2)*SU(3) sačinjava (djelomice unificirani) standardni model.

Narušena simetrija

Nije teško uočiti suptilnu razliku između simetrija poput zvijezda Robija K. i onih koje postulira standardni model. Zvijezde su očito simetrične, svijet koji vidimo oko sebe očito nije. Uz to, po elektroslaboj bi teoriji mase fotona i W - čestica morale biti iste, a nisu; stvarni fotoni nemaju masu mirovanja, W čestice nesumnjivo imaju.
Potonja je simetrija dakle ugrađena u jednadžbe koje diktiraju svojstva spomenutih čestica, premda riješenja tih jednadžbi, koja opisuju svojstva samih čestica, nisu simetrična. (To je tehnički moguće jer se simetrija jednadžbi odražava samo u općem obrascu svih riješenja, ali ne nužno i u svakom pojedinom.)
Prema ovoj općeprihvaćenoj slici, mi živimo u svijetu narušenih simetrija, koji je tek nesavršeni, platonički odraz sveobuhvatnog svemirskog Carstva, izraženog u konturama Pupoljka, što se pokazuju samo na ekstremnim energijama, kakve su vladale neposredno nakon velikog praska.
Na tim energijama standardni model prestaje važiti i trebale bi ga zamijeniti superstrune.

Laso

U opisanim su formulacijama elementarne čestice uvijek tretirane kao točke lišene strukture. Kad se čestica kreće, njezina je putanja predočena kao "svjetska linija" u prostoru. Ova je procedura, karakteristična za kvantnu teoriju polja, odgovorna za redovnu pojavu beskonačnih veličina u jednadžbama, koje se ponekad mogu renormalizirati, ali pri pokušajima ujedinjenja gravitacije s ostalim silama daju potpuno besmislene rezultate.
Revizionistička shema stoga kao temeljne sastojke svijeta, umjesto točkastih čestica, postulira jednodimenzionalne, submikroskopske, oscilirajuće omče ili petlje - strune. Kad se strune gibaju, njihova putanja nalikuje lasu koje vibrira u prostoru, u određenim modusima.
U ovoj redukcionističkoj ontologiji postoji dakle samo jedan entitet, a sve opažene fizičke razlike odgovaraju različitim oscilacijama i tenzijama. Ako neka struna vibrira na "visini" određene niskoenergetske note - recimo C - njezina će se vibracija očitovati kao elementarna materijalna čestica, recimo elektron; D vibracija će biti šarmantni kvark, G foton i tako dalje. Različiti akordi na nevidljivoj harfi predstavljaju različite materijalne konfiguracije koje vidimo.
Budući da živimo u niskoenergetskom režimu rascvale ruže, rekvijem se danas izvodi samo u donjem registru (na bas-liniji).
Neovisno o tome, strune mogu oscilirati u beskonačnom registru, tako da potencijalno najviši, zaglušujući tonovi "zvuče" poput ekstremnih, visokih energija, na kojima su skrivene supersimetrije.
Ova bi nam unificirajuća svojstva teorije (super)struna trebala konačno omogućiti pogled u srce Pupoljka.

Deset dimenzija

Svaka atraktivna gesta, međutim, ima svoju cijenu.
U slučaju superstruna, ona se očituje u činjenici da teoriju nije moguće matematički konzistentno formulirati u tri prostorne i jednoj vremenskoj dimenziji; valjane formulacije variraju od deset do dvadeset šest dimenzija (jedne vremenske i resto prostornih).
Na pitanje gdje su preostale dimenzije koje ne vidimo u svakodnevnom iskustvu, teoretičari odgovaraju - sakrile su se.
Ingeniozni je odgovor prvi smislio Oscar Klein.
Zamislimo, sugerirao je Klein, da su dodatne dimenzije (jedna ili više njih) nekako "zarolane" u teksturu vidljivog prostora na submikroskopskoj razini. Situacija nalikuje propitivanju gumenog crijeva za poljevanje vrta; gledano iz daljine, ono izgleda kao vijugava crta, a točka na njemu kao jednodimenzionalna "čestica". No, ako uzmemo crijevo u ruku i pogledamo pobliže, vidjet ćemo da je guma ustvari obavijena oko uskog prostornog tunela, kroz koji teče voda. Po toj pretpostavci, ono što "iz daljine" izgleda poput jednodimenzionalne crte ili točke, zapravo može biti složeni topološki objekt, s višedimenzionalnim "rupama", kompaktificiranim na različite načine.
Dodatne dimenzije koje teorija postulira ne možemo vidjeti naprosto zato jer su previše male, a vjeruje se da o njihovu broju i strukturi ovise neka dosad neobjašnjena svojstva standardnog modela, poput broja generacija leptona i kvarkova.
Zašto su, međutim, samo tri prostorne i jedna vremenska dimenzija ekspandirale, odnosno zašto su se ostale "spontano" zarolale poput submikroskopskih gumenih crijeva, zasad ostaje nejasno.

Princeton String Quartet

Višedimenzionalnost nije jedino neobično svojstve postojećih "teorija svega". Obećavajući model heterotičkih superstruna, koji je razvila skupina poznata kao Princeton String Quartet, uključuje čitave nevidljive galaksije.
Simetrična je šifra u toj verziji E**E* (riječ je o tzv. izuzetnim Lie grupama), pri čemu prva E* grupa približno opisuje opažene osobine standardnog modela, dok nam druga dočarava posve novu, nepoznatu vrstu materije, koju po definiciji ne možemo vidjeti, budući da njezina fizika u izvjesnom smislu prolazi mimo nas. Naprimjer, ako bismo usmjerili laser ili reflektor prema planetu od ove sjenovite materije, ne bismo vidjeli ništa: prisustvo planeta mogli bismo detektirati samo kroz gravitacijske efekte, kao u slučaju crne rupe.
Iako početno zvuči nevjerojatno, pretpostavka o postojanju nevidljivih galaksija nije nespojiva s uvidom da masa vidljive materije predstavlja tek nešto više od deset posto ukupne mase svemira.
Ostalo bi, ako je teorija točna, mogle biti ove supersimetrične sjenke - glazba sfera, u izvedbi Princeton String Quarteta.
No, nije isključeno ni da je Shakespeare u pravu i da je "ostalo" - šutnja.

- 20:15 - Komentari (9) - Isprintaj - #


View My Stats

Blog.hr koristi kolačiće za pružanje boljeg korisničkog iskustva. Postavke kolačića mogu se kontrolirati i konfigurirati u vašem web pregledniku. Više o kolačićima možete pročitati ovdje. Nastavkom pregleda web stranice Blog.hr slažete se s korištenjem kolačića. Za nastavak pregleda i korištenja web stranice Blog.hr kliknite na gumb "Slažem se".Slažem se