Elegantni kosmos

Brajan Grin

Elegantni kosmos

PrevodAna Jei

Aleksandar Dragosavljevi

Superstrune, skrivene dimenzije i potraga za konacnom teorijom

Naslov originala

Brian Greene: The eLeGANT UNIVeRSe

Copyright 2003, 1999 by Brian R. Greene

Copyright 2009 za srpsko izdanje, heliks

Izdava

heliks

Za izdavaa

Brankica Stojanovi

Recenzent

Prof. dr Branko Dragovi

Redaktor

Aleksandra Dragosavljevi

Lektor

Vesna uki

tampa

Artprint, Novi Sad

Tira

500 primeraka

Prvo izdanje

Knjiga je sloena

tipografskim pismima

Swift i Fairfield

ISBN: 978-86-86059-06-2

Smederevo, 2009.

www.heliks.rs

Mojoj majci i uspomeni na mog oca,

s ljubavlju i zahvalnocu

vii

Sadraj

Predgovor drugom izdanju ix

Predgovor xiii

Deo I: Na rubu saznanja

1. Povezani strunom 3

Deo II: Dilema o prostoru, vremenu i kvantima

2. Prostor, vreme i oko posmatraa 23

3. O krivinama i naborima 51

4. Mikroskopske ludorije 81

5. Potreba za novom teorijom: opta relativnost naspram

kvantne mehanike 111

Deo III: Kosmika simfonija

6. Samo muzika: sutina teorije superstruna 127

7. ta je super u superstrunama? 156

8. Vie dimenzija nego to se moe naslutiti 173

9. Neoborivi dokazi: eksperimentalni potpisi 197

viii

Deo IV: Teorija struna i tkanje prostorvremena

10. Kvantna geometrija 217

11. Cepanje tkanja prostora 247

12. Vie od struna: u potrazi za M-teorijom 265

13. Crne rupe: perspektiva teorije struna / M-teorije 300

14. Razmiljanja o kosmologiji 323

Deo V: Objedinjavanje u dvadeset prvom veku

15. Izgledi za budunost 349

Napomene 365

Nauni pojmovnik 387

Spisak navedene ili preporuene literature 399

Indeks 401

ix

Predgovor drugom izdanju

Dok sam pisao knjigu Elegantni kosmos, znao sam da moda nee imati mnogo italaca. Knjigom o izazovima i uspesima u savreme-noj potrazi za najskrivenijim zakonima prirode, neete se uspavljivati

niti e vas zabavljati dok se sunate na plai. Moglo bi se oekivati da ni

skromnijem krugu italaca ne bude privlana knjiga u kojoj se opisuje

tako apstraktna tema naglaeno naunog aspekta, a ne kroz ivot nau-

nika ili zanimljive prie iz istorije nauke. Ali, to me nije naroito brinulo,

jer sam esto sebi ponavljao (uz izvesnu melodramatinost) kako u biti

zadovoljan uspem li da doprem do samo jedne osobe i predstavim joj

novi spektar ideja, novi nain razmiljanja o njoj samoj i njenom mestu

u kosmosu. Nije vano da li je to uenik koji ne moe odluiti ta da stu-

dira, zaposleni koji traga za neim to e ga odvui od svakodnevnog

mrcvarenja, ili penzioner koji najzad ima vremena da ita o savremenim

pravcima razvoja nauke kad bih uspeo da ih povedem ka novom vienju

kosmosa koje izvire iz moderne fizike, pisanje Elegantnog kosmosa vredelo

bi truda. Ta misao pomagala mi je u zahtevnim trenucima s kojima se

mnogi autori susreu tokom pisanja ozbiljnog dela.

Podsticaj su mi davali i posetioci raznih mojih predavanja opteg

nivoa o relativizmu, kvantnoj mehanici i mojoj specijalnosti teoriji

superstruna oarani neobinim i zadivljujuim idejama proizalim iz

najsmelijih naunih istraivanja. Kosmos iji su prostor i vreme raste-

gljivi, s vie dimenzija nego to moemo opaziti, kosmos u kome se tka-

nje vremena i prostora moe parati, u kome je moda sve nainjeno od

Predgovor

x

vibracija ultramikroskopskih energetskih niti zvanih strune, zadivio je

ljude i mnogi su poeleli da ga bolje razumeju. Elegantni kosmos izrastao

je iz tih predavanja, jer sam hteo da napiem knjigu za one bez formal-

nog znanja iz matematike i fizike, kako bi im te oblasti postale bliske.

Iako je prvi knjievni agent kome sam pokazao rukopis bez dvoumljenja

odbio da se zaloi za knjigu to je razumljivo, jer je pretpostavljao da

je tematika previe struna kako bi privukla veeg izdavaa tokom pre-

davanja mogao sam osetiti snano zanimanje slualaca za nauku. Skoro

da sam ga mogao opipati.

Dok sam pisao Elegantni kosmos iskoristio sam to zanimanje, a pozi-

tivne reakcije na knjigu svedoe o uroenoj tenji mnogih od nas da

temeljno i smelo istraujemo ovo mesto koje zovemo dom. Povrh toga,

ova knjiga je potvrdila moje uverenje da fizika obezbeuje piscu grau

koja spada meu najbolje to se moe zamisliti. Svi volimo dobru priu.

Oboavamo misterije koje nas stavljaju na muke. Svi se radujemo kad

autsajder uporno gura napred iako su prepreke naizgled nepremostive.

Svi mi, na neki nain, traimo smisao sveta oko nas. A svi ti elementi

lee u srcu moderne fizike. Ta je pria velianstvena razotkrivanje ita-

vog kosmosa; jedna je od najveih misterija postanak kosmosa; izgledi

kao da nikad nisu bili manji dvonona bia, u kosmikim razmerama

tek pridolice, pokuavaju da otkriju eonske tajne; a potraga je gotovo

nikad zahtevnija traganje za osnovnim zakonima koji bi objasnili sve

to vidimo, i vie od toga, od najsitnijih estica do najudaljenijih galak-

sija. Teko je zamisliti poetnu taku koja vie obeava.

Laici esto ne prave jasnu razliku izmeu zastraujueg jezika mate-

matike od koga je fizika izgraena i zanosnih ideja s kojima se hvata u

kotac. Ali, to bi bilo kao da ocenjujem knjigu Haklberi Fin itajui je na

grkom. Iako stalno koristim grki alfabet, ne znam ni rei grkog, pa bi

moj utisak o knjizi bio, u najmanju ruku, sumnjiv. Slino tome, kada se

uklone matematike prepreke, a koncepti moderne fizike iskau se jezi-

kom razumljivim svima, mnogi koji su mislili da ih nauka ne interesuje

otkrivaju da ih opinjava. Osloboene od tehnike interpretacije, teme

moderne fizike doslovno su univerzalne.

To postaje sve jasnije jer je fizika sve zastupljenija u kulturi pove-

ava se broj pozorinih, muzikih i knjievnih dela inspirisanih moder-

nom naukom. Znam za desetak novijih pozorinih komada, jedan kon-

cert od etiri stava gudakog kvarteta, mnoge filmove i brojne scenarije,

Predgovor

xi

za jednu operu, niz slika i skulptura koje u razliitoj meri izraavaju,

tumae i nadograuju ljudsku dramu naunog putovanja. To je divno,

ali ne mogu rei da me naroito iznenauje. Oduvek su na mene silan

utisak ostavljala umetnika dela koja su mogla snano da prodrmaju moj

oseaj za stvarno i bitno, a ta shvatanja delim s mnogim ljudima koje

sam sreo. Upravo takav uticaj imaju najznaajnija otkria u fizici tokom

poslednjih stotinu godina. Ne preterujem kada kaem da su relativnost

i kvantna mehanika iznedrili zakone realnosti koje teorija superstruna

iako vie spekulativna preispituje iz temelja. Ne iznenauje to slikari,

pisci, kompozitori i filmski umetnici otkrivaju saglasje izmeu svog dela

i ovih naunih izazova koji menjaju status quo.

To nije jednosmeran proces. Otkria u fizici sporo se integriu u kolek-

tivno sagledavanje sveta. I danas, skoro sto godina kasnije, mnogi teko u

potpunosti shvataju eksperimentalno potvrena Ajntajnova otkria ili

ona iz kvantne fizike. Umetnost bi mogla biti savren medij za potpuno

uvoenje nauke u svakodnevnu konverzaciju, poto je hrabro prigrlila

nauku, a to to sama duboko opinjava koristi kako bi proizvela znaajna

zabavna dela. Mogue je i to da e umetnika dela inspirisana naukom

dati novi podsticaj naunoj imaginaciji i, na moda skriven nain, pri-

premiti nas za naredni korak na putu ka shvatanju kosmosa. Menjanjem

otrog svetla koje obasjava nauku iz isto strogog, numerikog i kogni-

tivnog ugla u meke, neodreenije blistanje ljudskih oseaja, otvaraju

se silne mogunosti. Kada se nauka jasno prihvati kao sastavni deo onog

to nas ini ljudima, naa veza s kosmosom bie znatno ojaana; zaista,

nauka je nit koja nas sve uplie u tkanje realnosti.

to se tie napretka u teoriji superstruna, godine posle prvog izdanja

Elegantnog kosmosa bile su posebno produktivne, ali tek treba da nastupi

revolucija u razmiljanju koju mnogi nasluuju iza svakog ugla fizike. To

ima i dobre i loe strane. Kada bih danas pisao knjigu o teoriji superstruna,

izneo bih iste ideje moda bih istaknuo druge detalje, ali rezultat bi se

malo razlikovao od Elegantnog kosmosa. Najznaajnije dve promene mogle

bi biti poglavlje o zanimljivim novim idejama i jedno novo razmatranje.

Prema tim idejama, strune i dodatne prostorne dimenzije ije postojanje

proizlazi iz teorije struna, neto su vee nego to se u naelu mislilo (ta

se mogunost tek uobliavala dok sam pisao Elegantni kosmos; predstavio

sam je u kratkim crtama u raznim belekama na kraju knjige). Razmo-

trio bih genijalan nov rad u kome se traga za preciznijom (takozvanom

Predgovor

xii

neperturbativnom) formulacijom teorije struna. Dakle, dok itate esto,

osmo i dvanaesto poglavlje, imajte na umu dve injenice: strune i dodatne

dimenzije moda nisu tako male kakvim ih predstavljam i napravljen

je znaajan pomak u nalaenju preciznih jednaina teorije o strunama

(premda fiziari jo uvek nisu uspeli da pomou tih jednaina ree kljune

nedoumice predoene u navedenim poglavljima).

Negativna strana teksta kome nisu neophodne velike izmene, jeste

to to mnoge prepreke opisane u njemu jo uvek nisu prevaziene. Iako

svi elimo da napredak bude brz i drastian, ovakvo stanje je potpuno

oekivano. Teorija superstruna dotie najfundamentalnije probleme u

teorijskoj fizici, od kojih su mnogi izvan dometa eksperimentalnih istra-

ivanja. Uspeh bi bio nesaglediv, jer bi se nali odgovori na najozbilj-

nija pitanja o kosmosu. Ali, napredak se moe ostvariti samo uz velike

napore, strpljenje, sreu i mnogo nadahnua a kada e se to desiti, i s

koliko uspeha moemo da nagaamo, ali ne moemo predvideti niti

uticati na razvoj.

Moda e naa generacija uspeti da dosegne nivo eljenog uvida.

Mogue je da e se smeniti mnogo generacija pre nego to se to desi.

Pouzdano moemo tvrditi samo to da neemo dobiti odgovore ako ih ne

potraimo. Sudei po najtalentovanijim diplomcima koji poinju da se

bave ovom oblau, bie mnogo istraivaa punih entuzijazma, spremnih

da preuzmu tafetu i odmaknu dalje. Pokuavaemo, revnosno emo se

truditi da u godinama koje dolaze otkrijemo tajne kosmosa.

xiii

Predgovor

Tokom poslednjih trideset godina ivota, Albert Ajntajn je bez posu-stajanja tragao za takozvanom objedinjenom teorijom polja teori-jom koja bi mogla da opie sile prirode u jednom, sveobuhvatnom, kohe-

rentnom sistemu. Ajntajna nisu motivisale stvari koje esto povezujemo

s naunim poduhvatima, poput pokuaja da se objasni neki eksperimen-

talno dobijen podatak. Umesto toga, vodilo ga je strasno uverenje da e

se kroz najdublje razumevanje vasione otkriti njeno najvee udo: jedno-

stavnost i mo principa na kojima se zasniva. Ajntajn je hteo da osvetli

mehanizme funkcionisanja kosmosa jasnije nego iko pre kako bismo se

mogli diviti njegovoj istoj lepoti i eleganciji.

Ajntajn nije ostvario taj san, uglavnom zato to mu podeljene karte

nisu ile naruku: u njegovo vreme, mnoga kljuna svojstva materije i

mnoge sile prirode bile su ili nepoznate ili u najboljem sluaju povrno

tumaene. Ali, u drugoj polovini dvadesetog veka, fiziari su u svakoj

narednoj generaciji uz povremene prekide i skretanja u slepe uliice

upotpunjavali otkria svojih prethodnika kako bi stekli celovitiju sliku

o tome kako vasiona funkcionie. Danas, mnogo godina poto je Ajn-

tajn obznanio svoju potragu za objedinjenom teorijom polja koju nije

krunisao uspehom, fiziari veruju kako su najzad pronali okvir u kome

e spojiti sva zasebna vienja u beavnu celinu u jedinstvenu teoriju

kojom e se, u naelu, moi objasniti sve pojave. Ta teorija, teorija super-

struna, tema je ove knjige.

Predgovor

xiv

U knjizi Elegantni kosmos pokuao sam da predstavim izuzetne ideje

koje iskrsavaju iz vodeih istraivanja u oblasti fizike irem krugu ita-

laca, posebno onima koji nisu kolovani za matematiku ili fiziku. Drei

otvorena predavanja o teoriji superstruna proteklih nekoliko godina,

zapazio sam kako mnogi ljudi ele da shvate ta najnovija istraivanja

kau o osnovnim zakonima kosmosa, uviaju kako ti zakoni uslovlja-

vaju velianstvenu promenu naeg poimanja kosmosa i kakvi izazovi

nam predstoje u neprekidnoj potrazi za konanom teorijom. Verujem

da e ova knjiga, objanjavajui glavna dostignua fizike od vremena

Ajntajna i hajzenberga, i opisujui kako su se njihova otkria velian-

stveno razgranala u smele naune pomake naeg doba, obogatiti i zado-

voljiti tu radoznalost.

Nadam se da e Elegantni kosmos biti zanimljiv i itaocima koji imaju

izvesna nauna predznanja. Nadam se i da e studentima i profeso-

rima prirodnih nauka Elegantni kosmos razjasniti neke od osnovnih ideja

moderne fizike, kao to su specijalna i opta teorija relativnosti i kvan-

tna mehanika, i pri tom otkriti zarazno ushienje istraivaa koji su sve

blii dugo prieljkivanoj objedinjenoj teoriji. Strastvenim itaocima dela

popularne nauke, pokuao sam da objasnim mnoge uzbudljive pomake

u naem shvatanju kosmosa u poslednjoj deceniji. to se tie mojih

kolega u drugim naunim disciplinama, nadam se da e im ova knjiga

pomoi da steknu realnu i uravnoteenu predstavu o tome zato teore-

tiare struna toliko silno zanima napredovanje u potrazi za konanom

teorijom o prirodi.

Teorija superstruna obuhvata mnogo toga. To je obimna tema koja se

oslanja na mnoga centralna otkria u fizici. Poto teorija superstruna uje-

dinjuje zakone koji vladaju u svetovima velikih i malih stvari, koji vode

fiziku do najudaljenijih krajeva kosmosa i do najsitnijih delia materije,

toj temi se moe pristupiti na vie naina. Odabrao sam da u sreditu

izlaganja bude nae sve opsenije razumevanje prostora i vremena. Sma-

tram da je to naroito uzbudljiv razvojni put ijim se krenjem obelo-

danjuje pravo bogatstvo novih, znaajnih ideja. Ajntajn nam je otkrio

svet u kome se prostor i vreme ponaaju na zadivljujue neobian nain.

Dananja najsmelija istraivanja integrisala su njegova otkria u teoriju

o kvantnom svemiru sa brojnim skrivenim dimenzijama ugraenim u

tkanje kosmosa, ija raskono prepletena geometrija moda skriva odgo-

vore na neka od najvanijih postavljanih pitanja. Premda neki od ovih

Predgovor

xv

koncepata nisu oigledni, videemo da se mogu spoznati pomou bli-

skih analogija.

U itavoj knjizi pokuavao sam da se drim nauke i da istovremeno

usmeravam itaoca esto kroz analogije i metafore ka intuitivnom shva-

tanju naina na koji su naunici doli do dananje koncepcije kosmosa.

Iako izbegavam tehnike izraze i jednaine, zbog radikalnih novih kon-

cepata koje razmatram, italac e moda morati da povremeno zastane i

dobro razmisli o ponekom odeljku ili se udubi u neko objanjenje, kako

bi potpunije shvatio razvoj ideja. Nekoliko odeljaka u delu IV (koji se tie

najnovijih dostignua) neto su apstraktniji od ostalih: pobrinuo sam se

da unapred upozorim itaoce na njih i da organizujem tekst tako da se

mogu preskoiti ili samo povrno pregledati, a da to minimalno utie na

logiki tok knjige. Pridodao sam renik naunih pojmova kao jednosta-

van i pristupaan podsetnik o idejama predstavljenim u glavnom izlaga-

nju. Premda e manje temeljni itaoci moda preskoiti beleke na kraju

knjige, predaniji italac otkrie da one pojaavaju zakljuke iz teksta,

objanjavaju ideje koje su uproeno predstavljene u knjizi, a poneke su

struni izleti za one sa ozbiljnijim matematikim predznanjem.

Dugujem zahvalnost mnogima koji su mi pomogli da napiem ovu

knjigu. Dejvid Stajnhard proitao je rukopis s velikom panjom i veli-

koduno mi pomogao britkim urednikim savetima i dragocenim ohra-

brenjima. Dejvid Morison, Ken Vajnberg, Rafael Kasper, Nikolas Bols, Sti-

ven Karlip, Artur Grinspun, Dejvid Mermin, Majkl Popovic i ani Ofen

podrobno su iitali rukopis i predloili detaljne sugestije koje su umno-

gome unapredile knjigu. Ostali koji su proitali ceo rukopis ili njegove

delove i zaduili me svojim savetima i ohrabrenjima jesu Pol Aspinvol,

Persis Drel, Majkl Daf, Kurt Gotfrid, Doua Grin, Tedi Deferson, Mark

Kamionkovski, Jakov Kanter, Andra Kova, Dejvid Li, Megan Makjuan,

Nari Mistri, hasan Padamsi, Ronen Pleser, Masimo Porati, Fred eri, Lars

Streter, Stiven Strogac, endru Strominger, henri Taj, Kumrun Vafa i Gabri-

jele Venecijano. Posebnu zahvalnost dugujem Rafaelu Ganeru za njegova

konstruktivna zapaanja na poetku pisanja, koja su mi pomogla da

uobliim knjigu, i Robertu Maliju na blagom ali upornom podsticanju da

odem korak dalje od pukog razmiljanja o knjizi i da se latim pera. Sti-

ven Vajnberg i Sidni Kolman dali su mi dragocene savete i ukazali pomo.

Sa zadovoljstvom se zahvaljujem i Kerol Arer, Viki Karstens, Dejvidu

Predgovor

xvi

Kaselu, en Kojl, Majklu Dankanu, Dejn Forman, Vendi Grin, Suzan Grin,

eriku Jendresenu, Gariju Kasu, ivi Kumar, Robertu Mohiniju, Pem Mor-

haus, Pjeru Ramonu, Amandi Sals i Irou Simoneliju. Mnogo dugujem

i Kostasu eftimiju zbog pomoi pri proveravanju injenica i nalaenju

referenci i Tomu Rokvelu koji je, sa strpljenjem dostojnim sveca i vrhun-

skom umetnikom vetinom, pretvorio moje skice u pratee ilustracije.

Zahvaljujem i endruu hensonu i Dimu Setni na pomoi u pripremi

nekoliko strunijih slika.

hauardu Dordiju, eldonu Glaou, Majklu Grinu, Donu varcu,

Donu Vileru, edvardu Vitenu i, jo jednom, endruu Stromingeru,

Kumrunu Vafi i Gabrijelu Venecijanu, hvala to su pristali da razgova-

raju sa mnom i izneli line stavove o mnogim temama koje sam obradio

u ovoj knjizi.

Rado sam prihvatio napredna zapaanja i neprocenjive sugestije

Angele fon der Lipe i otroumne primedbe Trejsi Negl, mojih urednika

u izdavakoj kui V. V. Norton obe su mnogo doprinele da tekst postane

jasniji. Zahvaljujem i svojim agentima, Donu Brokmanu i Katinki Met-

son, jer je pod njihovim strunim rukovodstvom knjiga postala dostup na

itaocima.

Na petnaestogodinjoj velikodunoj podrci mojim istraivanjima u

teorijskoj fizici, zahvaljujem Nacionalnoj fondaciji za nauku, Fondaciji

Alfreda P. Sloana i amerikom Ministarstvu energetike. Moda se i nisam

sluajno u svom radu usredsredio na uticaj teorije superstruna na nae

poimanje prostora i vremena; u nekoliko poglavlja opisao sam pojedina

istraivanja u kojima sam imao sree da uestvujem. Iako se nadam da

e itaoci uivati u svedoenjima neposrednog uesnika, shvatam da bi

mogli stei utisak kako je moja uloga u razvoju teorije struna znaaj-

nija nego to jeste. Zato bih ovom prilikom napomenuo kako je na svetu

hiljade fiziara koji su nezamenljivi i posveeni uesnici u zahtevnom

zadatku da se uoblii konana teorija o vasioni. Izvinjavam se svima iji

rad nije ugraen u materijal ove knjige; to je posledica perspektive iz koje

ja sagledavam ovu temu i ogranienja koje namee opte razmatranje.

Na kraju, od srca se zahvaljujem elen Arer na njenoj beskrajnoj lju-

bavi i podrci, bez ega ova knjiga ne bi bila napisana.

Deo I

Na rubu saznanja

3Poglavlje 1

Povezani strunom

Bilo bi previe dramatino nazivati to zatakavanjem. Ali, vie od pola veka ak i usred nekih od najveih naunih dostignua u istoriji fiziari su utke pratili tamni oblak koji se nadvijao nad horizontom. Pro-

blem je sledei: savremena fizika poiva na dva kamena temeljca. Jedan

je Ajntajnova opta teorija relativnosti, koja definie teorijski okvir za

shvatanje vasione na najviem nivou: na nivou zvezda, galaksija, galakti-

kih jata, sve do zadivljujue irine same vasione. Drugi je kvantna meha-

nika, teorijska osnova za sagledavanje vasione u najmanjim razmerama:

u svetu molekula i atoma, sve do subatomskih estica poput elektrona

i kvarkova. U dugogodinjim istraivanjima, fiziari su, sa skoro neza-

mislivom preciznou, eksperimentalno potvrdili sva predvianja ovih

teorija. Ali, iste ove teorijske alatke neizbeno grade drugi zabrinjavajui

zakljuak: opta relativnost i kvantna mehanika, onako kako su trenutno

definisane, ne mogu vaiti istovremeno. Dve teorije koje stoje iza izvanred-

nog napretka fizike u proteklih sto godina objanjenje irenja kosmosa

i fundamentalna struktura materije meusobno su neuskladive.

Ako niste do sada uli za ovaj estoki antagonizam, moda se u ovom

trenutku pitate ta mu je uzrok. Odgovor nije teko shvatiti. Fiziari uvek

(izuzev u najekstremnijim situacijama) prouavaju ili male i lake stvari

(kao to su atomi i njihove komponente) ili stvari velike i teke (poput

zvezda i galaksija), ali nikad i jedno i drugo u isto vreme. To znai da im

je potrebna samo kvantna mehanika ili opta relativnost i da mogu, sve

elegantni kosmos

4

pogledajui ispod oka, odbaciti luckaste prekore suprotne strane. Pede-

set godina ovaj pristup nije bio blaen koliko i neznanje, ali je bio pri-

lino blizu tome.

Ali, vasiona moe biti ekstremna. U sredinjim dubinama crne rupe,

golema masa se saima do minijaturnih razmera. U trenutku Velikog pra-

ska, itav kosmos se izlio iz mikroskopskog jezgra naspram koga zrnce

peska izgleda kolosalno veliko. To je svet majunih, a ipak neverovatno

masivnih stvari na koje je neophodno primeniti i kvantnu mehaniku i

optu teoriju relativnosti. Sa svakom novom stranicom ove knjige, bie

sve jasnije zato spojene jednaine kvantne mehanike i opte relativno-

sti ponu da se tresu, tandru i pue se kao auto iji je motor prokuvao.

Ili, da se izrazim manje opisno iz nesretnog spoja ove dve teorije dobi-

jaju se besmisleni odgovori na razumna pitanja. ak i ako ste spremni da

ostavite unutranjost crne rupe i nastanak vasione pod velom tajne, ne

moete se odupreti oseaju da se netrpeljivost izmeu kvantne mehanike

i opte relativnosti naprosto mora dublje razumeti. Zar je mogue da je

svemir na najfundamentalnijem nivou podeljen i da za velike stvari vai

jedan skup zakona, a za male drugi, bez dodirnih taaka s prvim?

Teorija superstruna, novajlija u poreenju s dostojanstvenim, zrelim

teorijama kvantne mehanike i opte relativnosti, na prethodno pitanje

odgovara odrino. U celom svetu, fiziari i matematiari su u protekloj

deceniji obavljali intenzivna istraivanja i otkrili nov nain opisivanja

materije kojim se na najtemeljnijem nivou uklanja napetost izmeu opte

relativnosti i kvantne mehanike. Teorija superstruna ini i vie od toga:

u tom novom okviru, opta relativnost i kvantna mehanika neophodne su

jedna drugoj da bi imale smisla. Prema teoriji superstruna, spoj zakona

velikih i malih stvari ne samo da je sretan, ve je i neizbean.

To je dobra vest. Ali, teorija superstruna krae, teorija struna vodi

ovaj spoj korak dalje. Ajntajn je tri decenije traio objedinjujuu teoriju

fizike koja bi utkala sve sile prirode i konstituente materije u jedinstvenu

teorijsku tapiseriju. Nije uspeo. Danas, na poetku treeg milenijuma,

pobornici teorije struna tvrde da su niti te neuhvatljive objedinjujue tapi-

serije najzad spoznate. Teorija struna ima potencijala da pokae kako su

sva udesna deavanja u kosmosu od neobuzdanog plesa subatomskih

kvarkova do raskonog valcera binarnih zvezda, od primordijalne vatrene

lopte Velikog praska do fascinantnog vrtloga nebeskih galaksija odrazi

jednog velianstvenog fizikog principa, jedne vrhunske jednaine.

Povezani s trunom

5

Poto moramo drastino izmeniti svoje shvatanje prostora, vremena i

materije ako hoemo da spoznamo ta svojstva teorije struna, valja da se

neko vreme navikavamo na njih. Kada se teorija struna sagleda u odgo-

varajuem kontekstu, ona postaje dramatian, ali logian izdanak revo-

lucionarnih otkria u fizici tokom poslednjih stotinu godina. Videemo

da konflikt izmeu opte relativnosti i kvantne mehanike nije prvi, ve

trei u nizu vodeih sukoba u prolom veku razreenje svakog, zadiv-

ljujue je izmenilo nae razumevanje svemira.

Tri sukoba

Prvi sukob, koji datira jo s kraja devetnaestog veka, nastao je oko svoj-

stava kretanja svetlosti. Ukratko: po Njutnovim zakonima kretanja, ako

trite dovoljno brzo, moete sustii zrak svetlosti, dok prema Maksvelovim

zakonima elektromagnetizma to ne moete uraditi. U poglavlju 2 obja-

snio sam kako je Ajntajn razreio ovaj sukob pomou specijalne teorije

relativnosti, i potpuno preokrenuo nae shvatanje prostora i vremena.

Prema specijalnoj teoriji relativnosti, prostor i vreme ne mogu se vie

posmatrati kroz univerzalne, nepromenljive koncepte koje svi doivlja-

vamo na isti nain. Po Ajntajnu, oni su rastegljive konstrukcije iji oblik

i izgled zavise od kretanja posmatraa.

Razvoj specijalne teorije relativnosti postavio je pozornicu za naredni

sukob. Jedan od Ajntajnovih zakljuaka glasi da nijedan objekt ta-

nije, nikakvo dejstvo ili poremeaj bilo koje vrste ne moe putovati

bre od svetlosti. Ali, u poglavlju 3 saznaete da su Njutnovom ekspe-

rimentalno potvrenom i intuitivno prihvatljivom teorijom gravitacije

obuhvaena i dejstva koja se trenutno prenose na velike daljine. Jo jed-

nom je Ajntajn preuzeo stvar u svoje ruke i osmislio novi koncept gra-

vitacije u svojoj optoj teoriji relativnosti iz 1915. godine. Opta teorija

relativnosti iz korena je preokrenula dotadanje vienje prostora i vre-

mena, kao i njena prethodnica specijalna teorija relativnosti. Ne samo

da prostor i vreme zavise od kretanja pojedinca, ve se mogu uvijati i

kriviti ako postoji materija ili energija. Videemo da takvi poremeaji

u tkanju prostora i vremena prenose silu gravitacije s jednog mesta na

drugo. Zato se prostor i vreme ne mogu vie posmatrati kao pasivna

pozornica na kojoj se odigravaju kosmiki dogaaji; naprotiv, specijalna

elegantni kosmos

6

i opta teorija relativnosti pokazuju da su prostor i vreme aktivni ue-

snici samih dogaanja.

Obrazac se jo jednom ponovio: otkrie opte relativnosti reilo je jedan

sukob, ali je izazvalo novi. U prve tri decenije dvadesetog veka, fiziari su

razvili kvantnu mehaniku (predstavljenu u poglavlju 4), reakciju na brojne

ozbiljne probleme koji su se javili kada bi se principi fizike devetnaestog

veka primenili na mikroskopski svet. Kao to sam ve pomenuo, trei i

najdublji sukob nastao je usled neusklaenosti kvantne mehanike i opte

relativnosti. U poglavlju 5 videete da blago zaobljena geometrijska forma

prostora iz opte teorije relativnosti nikako ne ide uz neobuzdano, razdra-

eno ponaanje mikroskopskog sveta kvantne mehanike. Poto je teorija

struna tek sredinom osamdesetih godina prolog veka ponudila reenje,

ovaj sukob se s pravom naziva centralni problem moderne fizike. Da bismo

shvatili teoriju struna, koja se nadograuje na specijalnu i optu teoriju

relativnosti, neophodno je da bitno drugaije sagledamo koncept vremena

i prostora. Na primer, veina prihvata zdravo za gotovo da na svemir ima

tri prostorne dimenzije. Ali, teorija struna se ne slae s tim: po njoj, na

svemir ima mnogo vie dimenzija nego to opaamo a one su gusto uple-

tene u uvijeno tkanje svemira. Ovakve predstave prostora i vremena toliko

su vane da emo se njih drati u svim narednim objanjenjima. Teorija

struna je, u sutini, pria o prostoru i vremenu posle Ajntajna.

Da biste na pravi nain shvatili teoriju struna, moraemo da napra-

vimo korak unazad i ukratko objasnimo ta smo u proteklom veku nau-

ili o mikroskopskoj strukturi svemira.

Svemir u najmanjim razmerama: ta znamo o materiji

Stari Grci smatrali su da je materija svemira sainjena od majunih nede-

ljivih komponenata koje su nazvali atomi. Pretpostavljali su da bi obilje

materijalnih objekata, po analogiji sa ogromnim brojem rei u jeziku

sa alfabetskim pismom sagraenim od raznolikih kombinacija malog

broja slova, moglo biti rezultat kombinacija malobrojnih, razliitih, ele-

mentarnih gradivnih jedinica. Ispravna pretpostavka. Vie od dve hiljade

godina kasnije, jo uvek verujemo da je to istina, premda se identitet

tih najfundamentalnijih jedinica drastino menjao tokom vremena. U

devetnaestom veku, naunici su pokazali da mnoge poznate supstance

Povezani s trunom

7

poput kiseonika i ugljenika sadre najmanje komponente koje se mogu

opaziti; sledei tradiciju, nazvali su ih atomi. Ime se zadralo, ali istorija

je pokazala da je pogreno: atomi su, sasvim izvesno, deljivi. Poetkom

tridesetih godina prolog veka, u radovima D. D. Tomsona, ernesta

Raderforda, Nilsa Bora i Dejmsa edvika predstavljen je solarni model

atoma poznat mnogima od nas. Atomi, koji nisu ni priblino najelemen-

tarniji konstituenti materije, sastoje se od jezgra s protonima i neutro-

nima, okruenog rojem elektrona u orbitama.

Izvesno vreme, mnogi fiziari su smatrali da su protoni, neutroni i

elektroni ti grki atomi. Ali, 1968. godine, eksperimentatori na Univer-

zitetu Stanford, koristei se sve veom moi tehnologije u istraivanju

mikroskopskih dubina materije, pokazali su da ni protoni ni neutroni

nisu fundamentalne estice. Otkrili su da se oni sastoje od tri vrste manjih

estica zvanih kvarkovi: ovo udno ime, preuzeto iz knjige Fineganovo bdenje

Dejmsa Dojsa, nadenuo je teorijski fiziar Mari Gel-Man, koji je jo ranije

pretpostavio njihovo postojanje. eksperimentatori su potvrdili da postoje

dva tipa kvarkova, nazvani malo manje kreativno gornji (engl. up) i

donji (engl. down). Protoni se sastoje od dva gornja kvarka i jednog donjeg;

neutron se sastoji od dva donja kvarka i jednog gornjeg.

Sve to vidite u zemaljskom svetu i na nebesima, po svemu sudei,

sastoji se od kombinacija elektrona i gornjih i donjih kvarkova. Nema

eksperimentalnih dokaza da se neka od ove tri estice sastoji od neeg

manjeg. Ali, postoje vrste indikacije da svemir sadri dodatne estine

konstituente. Sredinom pedesetih godina prolog veka, Frederik Rejns i

Klajd Kovan otkrili su uverljiv eksperimentalni dokaz da postoji i etvrta

vrsta fundamentalne estice zvana neutrino, to je jo ranih tridesetih

godina dvadesetog veka predvideo Volfgang Pauli. Ispostavilo se da je

neutrine vrlo teko nai to su pravi duhovi od estica, jer vrlo retko

stupaju u interakcije s materijom: neutrino prosene energije lako moe

proi kroz olovo debljine vie stotina biliona kilometara, a da to skoro

uopte ne utie na njegovo kretanje. Pravo je olakanje uti to, jer dok

itate ove redove, milijarde neutrina poreklom sa Sunca prolaze kroz vae

telo i kroz zemlju, na svom usamljenikom putovanju po kosmosu. Kra-

jem tridesetih godina prolog veka, fiziari koji su prouavali kosmike

zrake (pljuskove estica koji bombarduju zemlju iz svemira), otkrili su

esticu nazvanu mion koja se od elektrona razlikuje samo po tome to

je od njega oko dvesta puta tea. Poto mioni nisu potrebni ni za ta u

elegantni kosmos

8

kosmikom poretku, ni za kakvu nereenu zagonetku, niti za neki kutak

skrojen po njihovoj meri, nobelovac Isidor Isak Rabi, strunjak za fiziku

estica, doekao je bez oduevljenja otkrie miona, i zapitao: Ko je to

traio? Bez obzira na sve, mion je stigao. I to nije bio kraj.

Koristei jo moniju tehnologiju, fiziari su nastavili da lome delie

materije s jo veom energijom, u trenu stvarajui uslove neviene jo od

Velikog praska. Meu krhotinama su traili nove fundamentalne sastojke

da bi proirili sve vei spisak estica. evo ta su jo otkrili: etiri nova tipa

kvarkova arobni (engl. charm), udni (engl. strange), dubinski (engl. bottom)

i vrni (engl. top) i novog, jo teeg roaka elektrona nazvanog tau, kao i

dve estice po svojstvima sline neutrinu (nazvane mionski neutrino i tau-

neutrino, kako bi se razlikovale od izvornog neutrina, sada zvanog elek-

tronski neutrino).

Ove estice stvaraju se u visokoenergetskim sudarima i postoje samo

kratko vreme; nisu konstituenti nieg to obino sreemo. Ali, ni to nije

sve. Za svaku od ovih estica postoji antiestica estica iste mase, ali s

pojedinim suprotnim svojstvima, kao to je naelektrisanje (i druge veli-

ine definisane ostalim silama, kako je navedeno nie u tekstu). Na pri-

mer, antiestica elektrona je pozitron: ima istu masu kao elektron, ali

njegovo naelektrisanje je +1, dok je naelektrisanje elektrona -1. Kada se

spoje, materija i antimaterija anihiliraju i daju istu energiju zato u

naem svetu vrlo retko moemo opaziti antimateriju.

Fiziari su uoili obrazac meu ovim esticama, prikazanim u tabeli

1.1. estice materije svrstavaju se u tri grupe koje se esto nazivaju fami-

lije. Svaka familija sadri dva tipa kvarkova, elektron ili nekog od njegovih

roaka, i jednu vrstu neutrina. Izuzev mase, koja je najmanja u prvoj, a

najvea u treoj familiji, ostala svojstva srodnih vrsta estica u razliitim

familijama identina su. Fiziari su do sada uspeli da ispitaju strukturu

materije dimenzija milijarditog dela milijarditog dela metra i pokazali

su da se sve poznato bilo da je nastalo prirodno ili vetaki, u ogromnim

ureajima za cepanje atoma sastoji od nekakve kombinacije estica iz

ove tri familije i njihovih antiestica.

I povran pregled tabele 1.1 zbunie vas vie nego to je Rabija zbunilo

otkrie miona. Razvrstavanje po familijama unosi izvestan red, ali brojna

bitna pitanja i dalje su bez odgovora. Zato ima toliko fundamentalnih

estica, naroito kada se ini da su najveem broju stvari u svetu koji nas

okruuje potrebni samo elektroni i gornji i donji kvarkovi? Zato postoje tri

Povezani s trunom

9

familije, a ne jedna ili etiri ili vie? Zato je raspodela mase estica naizgled

proizvoljna na primer, zato je tau oko 3.520 puta tei od elektrona? Zato

vrni kvark tei kao 40.200 gornjih kvarkova? To su udni, naizgled sluajni

brojevi. Da li iza njih zaista stoji sluajnost, nekakav boanski izbor ili postoji

logino nauno objanjenje za te osnovne odlike naeg kosmosa?

Familija 1 Familija 2 Familija 3

Cestica Masa Cestica Masa Cestica Masa

elektron 0,00054 Mion 0,11 Tau 1,9

elektronski

neutrino

< 108Mionski

neutrino

< 0,0003

Tau-

neutrino

< 0,033

u-kvark 0,0047 c-kvark 1,6 t-kvark 189

d-kvark 0,0074 s-kvark 0,16 b-kvark 5,2

Tabela 1.1 Tri familije fundamentalnih estica i njihove mase (izraene preko mase protona). Dosadanji pokuaji da se eksperimentalno odredi masa neutrina bili su neuspeni. (Kvarkovi su oznaeni po poetnom slovu njihovog engleskog imena.)

Sile ili, gde je foton?

Stvari postaju komplikovanije kada uzmemo u obzir i sile prirode. Svet oko

nas obiluje mehanizmima za ispoljavanje dejstva: loptice se mogu uda-

rati palicom, bandi entuzijasti mogu da se bacaju s visokih platformi,

magneti mogu da odravaju superbrze vozove neposredno iznad metal-

nih ina, Gajger-Milerov broja moe da otkucava u blizini radioaktivnog

materijala, nuklearne bombe mogu da eksplodiraju. Na objekte moemo

delovati tako to emo ih snano gurati, vui ili tresti, bacati ili ispaljivati

na njih druge objekte, razvlaiti ih, uvrtati ili lomiti, hladiti ih, zagrevati

ili spaljivati. U proteklih stotinu godina, fiziari su prikupili brojne dokaze

da se sve pomenute interakcije izmeu raznih objekata i materijala, kao

i milioni miliona drugih interakcija koje se svakodnevno odvijaju pred

naim oima, mogu svesti na kombinacije etiri elementarne sile. Jedna

od njih je gravitaciona sila. Ostale tri su elektromagnetna, slaba i jaka sila.

elegantni kosmos

10

Gravitacija nam je najbliskija od svih sila, s obzirom na to da zbog nje

kruimo oko Sunca i stojimo sa obe noge na Zemlji. Masa objekta odreuje

kolikom gravitacionom silom on moe da utie na druge objekte i obr-

nuto. Sledea poznata sila je elektromagnetna. Ona stoji iza svih pogodno-

sti modernog ivota svetla, raunara, televizije, telefona i iza mone pri-

rodne pojave munja u oluji, kao i iza nenog dodira ruke. Na mikroskopskom

planu, naelektrisanje estice za elektromagnetnu silu isto je to i masa za

gravitaciju: odreuje jainu elektromagnetne pobude ili odziva estice.

Jaka i slaba sila najmanje su nam poznate, jer su dometi njihovog dej-

stva subatomski to su nuklearne sile. Zato su te dve sile otkrivene najkas-

nije. Jaka sila lepi kvarkove unutar protona i neutrona; takoe, spaja

protone i neutrone u atomskom jezgru. Slabu silu znamo kao silu odgo-

vornu za radioaktivni raspad elemenata kao to su uranijum i kobalt.

Tokom prolog veka, fiziari su otkrili da sve etiri sile imaju dve zajednike

odlike. Kao prvo, na mikroskopskom nivou postoji estica koja predstavlja

najmanji paket ili deli svake od etiri sile (podrobnije o tome u poglavlju 5).

Ako ispalite laserski zrak pitolj sa elektromagnetnim zracima ispalju-

jete tok fotona, najmanjih delia elektromagnetne sile. Slino tome, najma-

nje komponente slabe i jake sile jesu estice koje nazivamo slabi kalibracioni

bozoni i gluoni. (Ime gluon vrlo je deskriptivno: gluoni se mogu posmatrati kao

mikroskopski sastojci jakog lepka engl. glue koji spreava da se atomsko

jezgro raspadne.) U eksperimentima izvrenim do 1984. godine, potvreno

je da postoje ove tri vrste estica sila i precizno su utvrena njihova svojstva

(tabela 1.2). Fiziari veruju da takva estica postoji i za gravitacionu silu to

je graviton ali to jo uvek nije eksperimentalno potvreno.

Sila Cestica sile Masa

Jaka Gluon 0

elektromagnetna Foton 0

Slaba Slabi kalibracioni bozoni 86, 97

Gravitaciona Graviton 0

Tabela 1.2 etiri sile prirode, s pridruenim esticama i masama estica izraenim preko mase protona. (estice slabe sile javljaju se u varijetetima s dve mogue mase, kao to je i navedeno u tabeli. Teorijska istraivanja pokazuju da graviton ne bi trebalo da ima masu.)

Povezani s trunom

11

Druga zajednika odlika sila prepoznaje se u narednoj analogiji: kao

to masa (naelektrisanje) odreuje kako gravitacija (elektromagnetna

sila) utie na esticu, tako naboj jake sile i naboj slabe sile predstav-

ljaju meru delovanja jake i slabe sile na esticu. (Ova svojstva detaljno su

predstavljena u tabeli priloenoj u belekama za ovo poglavlje.1) Ali, i u

ovom sluaju vai isto to i za mase estica: fiziari jesu precizno izme-

rili pomenuta svojstva, ali niko ne ume da objasni zato se na kosmos

sastoji ba od ovih estica s takvim svojstvima.

Otkrivanje zajednikih odlika veliki je pomak, ali i umnoava brojne

nepoznanice u vezi sa silama. Na primer, otkud ba etiri osnovne sile?

Zato ih nema pet ili tri ili, moda, samo jedna? Zato sile imaju tako razli-

ita svojstva? Zbog ega su jaka i slaba sila osuene na to da deluju na

mikroskopskom nivou, dok raspon delovanja gravitacije i elektromagnetne

sile nije ogranien? I otkud tako velika razlika u intenzitetu ovih sila?

Da biste potpunije razumeli poslednje pitanje, zamislite da drite

po jedan elektron u svakoj ruci i da te identino naelektrisane estice

primiete jednu drugoj. Gravitaciona sila e ih terati da se priblie, dok

e elektromagnetna sila delovati odbojno i teiti da ih razdvoji. Koja je

jaa? Odgovor ne ostavlja mesta sumnji: elektromagnetno odbijanje je

jae milion milijardi milijardi milijardi milijarda puta (1042)! Ako biceps

na vaoj desnoj ruci predstavlja jainu gravitacione sile, onda bi biceps

na levoj ruci morao da se protegne do kraja poznatog svemira kako bi

predstavio jainu elektromagnetne sile. elektromagnetna sila nije sasvim

nadvladala gravitaciju u naem svetu samo zato to se veina stvari oko

nas sastoji od jednake koliine pozitivnog i negativnog naelektrisanja ije

se sile meusobno potiru. S druge strane, poto je gravitacija uvek pri-

vlana, ne postoji analogno ponitavanje vie mase znai veu gravita-

cionu silu. Ali, gravitaciona sila je, u osnovi, izuzetno slabana sila. (Zbog

toga je postojanje gravitona teko eksperimentalno potvrditi potraga

za najmanjim deliem najslabije sile veliki je izazov.) eksperimenti su

pokazali i to da je jaka sila oko sto puta jaa od elektromagnetne sile, a

oko sto hiljada puta od slabe sile. Ali, ta je razlog raison dtre? Zato

su kosmike sile u ovakvim odnosima?

Ovo pitanje nije plod dokonog filozofiranja o tome zato su stvari ova-

kve umesto onakve; svemir bi bio sasvim drugaije mesto kada bi svoj-

stva estica materije i sile bile ak i sasvim malo drugaije. Na primer,

stabilnost jezgara oko stotinu elemenata iz periodnog sistema zavisi od

elegantni kosmos

12

odnosa snaga izmeu jakih i elektromagnetnih sila. Protoni stisnuti u

atomskom jezgru elektromagnetno se odbijaju, ali jaka sila izmeu kvar-

kova, od kojih se oni sastoje, sreom nadjaava ovo odbijanje i dri pro-

tone na okupu. Ali, neznatna promena u odnosu snaga ove dve sile lako bi

naruila ravnoteu izmeu njih i izazvala dezintegraciju veine atomskih

jezgara. Povrh toga, da je masa elektrona nekoliko puta vea, elektroni i

protoni teili bi da se kombinuju u neutrone, gojei jezgro vodonika (naj-

jednostavnijeg elementa u kosmosu, ije jezgro sadri samo jedan proton)

i spreavajui stvaranje sloenijih elemenata. Zvezde zavise od fuzije sta-

bilnih jezgara i ne bi se mogle formirati kad bi nastupile takve promene

u fundamentalnoj fizici. Jaina gravitacione sile takoe ima vanu ulogu

u formiranju zvezda. Ogromna gustina materije u jezgru zvezde pokree

njenu nuklearnu pe i omoguava nastanak zvezdane svetlosti. Kada bi

gravitaciona sila bila jaa, jezgro zvezde bi se jo vre steglo i bilo bi

mnogo vie nuklearnih reakcija. Ali, kao to velika vatra bre sagori od

svee, i zvezda poput Sunca bi se usled intenzivnijih nuklearnih reakcija

pre istroila, pa bi posledice na stvaranje ivota u nama znanom obliku

bile pogubne. S druge strane, kada bi se jaina gravitacione sile znatno

smanjila, materija se uopte ne bi drala na okupu, pa se zvezde i galak-

sije ne bi mogle formirati.

Mogli bismo da nastavimo, ali ve vam je jasno: svemir je takav kakav je

zato to estice materije i sila imaju ovakva svojstva. Ali postoji li nauno

objanjenje zato imaju ovakva svojstva?

Teorija struna: osnovna ideja

U teoriju struna ugraena je mona konceptualna paradigma u kojoj se

po prvi put nudi okvir za nalaenje odgovora na pomenuta pitanja. Raz-

motrimo prvo osnovnu ideju.

estice iz tabele 1.1 jesu slova svekolike materije. Izgleda da nemaju

unutranju strukturu, kao ni njihovi lingvistiki pandani. Prema teoriji

struna, ako bismo mogli da jo preciznije istraimo ove estice s pre-

ciznou mnogo veom od one koju omoguava moderna tehnologija

otkrili bismo da svaka estica nije kao takica, ve da je u obliku majune

jednodimenzionalne petlje. Poput beskonano tanke gumice, svaka estica

Povezani s trunom

13

sadri vibrirajue, oscilirajue, razigrano vlakno koje su fiziari, bez Gel-

Manovog literarnog dara, nazvali struna (engl. string). Na slici 1.1 prikazana

je ta kljuna ideja o teoriji struna pomou jedne obine materije, jabuke:

pri svakom narednom uveanju, otkrivaju se sve sitniji elementi na sve

niim nivoima u njenoj strukturi. Teorija struna dodaje novi, mikroskop-

ski sloj vibrirajuu strunu u razlaganju atoma na protone, neutrone,

elektrone i kvarkove.2

Iako se ne opaa na prvi pogled, ovom jednostavnom zamenom ta-

kastih konstituenata materije strunama, reava se problem nekompati-

bilnosti kvantne mehanike i opte relativnosti (u ta emo se uveriti u

poglavlju 6). Dakle, teorija struna razvezuje Gordijev vor moderne teo-

rijske fizike. To je izuzetno dostignue, ali je samo jedan od razloga to

teorija struna pobuuje takvo oduevljenje.

Slika 1.1 Materija se sastoji od atoma, koji su sastavljeni od kvarkova i elektrona. Prema teoriji struna, sve takve estice predstavljaju majune petlje vibrirajue strune.

atomi

elektron

protoni, neutroni

kvark

struna struna

elegantni kosmos

14

Teorija struna kao objedinjena teorija svega

U Ajntajnovo vreme, jake i slabe sile jo uvek nisu bile otkrivene; ipak,

on je utvrdio da je postojanje i samo dve odvojene sile gravitacije i elek-

tromagnetizma vrlo problematino. Ajntajn nije mogao prihvatiti da je

ustrojstvo prirode tako ekstravagantno. Zato je krenuo u tridesetogodi-

nju potragu za objedinjenom teorijom polja koja bi nadao se pokazala da

su ove dve sile samo manifestacije jedinstvenog velikog naela. Ova don-

kihotovska potraga odvojila je Ajntajna od glavnog toka fizike u kome

je, razumljivo, bilo mnogo uzbudljivije uroniti u novu oblast, kvantnu

mehaniku. Poetkom etrdesetih godina prolog veka, napisao je prija-

telju: Postao sam usamljen stari momak, poznat uglavnom po tome to

ne nosi arape, koga pokazuju kao udaka u posebnim prilikama.3

Ajntajn je iao ispred svog vremena. Vie od pola veka kasnije, nje-

gov san o objedinjenoj teoriji postao je sveti gral moderne fizike. Zna-

tan broj fiziara i matematiara sve je sigurniji u to da bi teorija struna

mogla doneti reenje. Pomou samo jednog principa da se na mikroskop-

skom nivou sve sastoji od kombinacije vibrirajuih niti teorija struna

predoava jedinstven sistem kojim je mogue obuhvatiti sve sile i svu

materiju.

Na primer, u teoriji struna iznosi se da su opaena svojstva estica,

navedena u tabelama 1.1 i 1.2, odraz razliitih naina na koji struna moe

da vibrira. Klavirske ice ili strune violine imaju rezonantne frekvencije

na kojima najradije vibriraju sheme vibracija koje sluhom doivljavamo

kao razliite muzike note i njihove vie harmonike; isto vai i za petlje u

teoriji struna. Ali videemo da se svaka od preferiranih shema vibriranja

umesto kao nota, ispoljava kao estica ija su svojstva mase i sila odre-

ena shemom oscilovanja strune. elektroni u struni vibriraju na jedan

nain, gornji kvarkovi na drugi itd. Svojstva estice u teoriji struna nisu

nipoto zbirka haotinih eksperimentalnih uvida, ve su odraz iste fizike

pojave: rezonantnih shema vibriranja muzike, takorei fundamental-

nih petlji strune. Isto se moe primeniti i na sile u prirodi. Videemo da

se i esticama sile mogu pridruiti odreene sheme vibriranja strune;

dakle, sve sva materija i sve sile objedinjeno je pod istim svodom

Povezani s trunom

15

mikroskopskih oscilacija struna. Sve to postoji, muzika je sainjena od

nota koje strune mogu da sviraju.

Prvi put u istoriji fizike imamo teorijsku potporu kojom se moe obja-

sniti svaka fundamentalna odlika na kojoj je svemir izgraen. Zato se

teorija struna ponekad pominje kao teorija svega (engl. Theory of Every-

thing, T.O.E.) ili konana teorija. Ovi ambiciozni pridevi ukazuju na

najdublju teoriju fizike teoriju koja je temelj svih ostalih teorija, i pored

koje nije potrebno pa ak ni izvodljivo ponuditi dublju razjanjavajuu

osnovu. U praksi, mnogi teoretiari struna imaju skromniji stav i sma-

traju da je svrha teorije svega da objasni svojstva fundamentalnih estica

i osobine sila koje uzajamno deluju i utiu jedne na druge. Tvrdokorni

redukcionista smatrao bi da nikakvog ogranienja nema, i da se, u naelu,

sve od Velikog praska do snova moe objasniti preko fundamental-

nih mikroskopskih procesa koji obuhvataju osnovne konstituente mate-

rije. Ako znate sve o iniocima, tvrdi redukcionista, onda razumete sve

to postoji.

Redukcionistika filozofija lako potpiruje vatrene rasprave. Mnogi

smatraju luckastim i odbojnim tvrdnje da su uda ivota i kosmosa samo

odrazi besmislenog plesa mikroskopskih estica u koreografiji zakona

fizike. Da li je mogue da su zadovoljstvo, tuga ili dosada samo hemijske

reakcije u mozgu izmeu molekula i atoma, a one, gledano iz jo uma-

njenije mikroskopske perspektive, predstavljaju reakcije izmeu estica

iz tabele 1.1, koje su, u sutini, samo vibrirajue strune? Nobelovac Stiven

Vajnberg je prilino racionalno odgovorio na ovakve kritike u knjizi Snovi

o konanoj teoriji (Dreams of a Final Theory):

Na drugoj strani su protivnici redukcionizma koji se zgraaju nad

onim to vide kao sumornu stranu nauke. Koliko god bilo mogue da

se oni i njihov svet svedu na ivot estica ili polja i njihovih interak-

cija, oseaju da se njihovo postojanje obesmiljava tim znanjem... Ne

bih pokuavao da odgovorim na ove kritike vedrim priama o lepo-

tama moderne nauke. Redukcionistiki pogled na svet jeste hladan i

otuen. Mora se prihvatiti kakav jeste, ne zato to nam se svia, ve

zato to je to nain na koji svet funkcionie.4

Pojedinci se slau s takvim krutim stavom, drugi ga odbacuju.

Ima naunika koji smatraju da nam teorija haosa otkriva zakone nove

vrste koji poinju da vae kada nivo sloenosti sistema poraste. Jedno je

elegantni kosmos

16

razumeti ponaanje elektrona i kvarka, sasvim drugo koristiti to znanje

da bi se sagledalo ponaanje tornada. Veina se slae s tim. Ali, miljenja

su neusaglaena o tome da li razliiti i esto neoekivani fenomeni koji

se mogu javiti u sistemima sloenijim od jedne estice zaista predstav-

ljaju nove fizike principe, ili su ti principi izvedeni (makar i na uasno

sloen nain) iz fizikih principa koji upravljaju izvanredno velikim bro-

jem elementarnih konstituenata. Smatram da oni ne predstavljaju nove

i nezavisne zakone fizike. Bilo bi teko objasniti svojstva tornada preko

fizikih svojstava elektrona i kvarkova, ali ja tu vidim nepremostive pre-

preke u raunanju, a ne potrebu za novim fizikim zakonima. I u ovom

sluaju, neki se ne bi sloili s takvim stavom.

ak i kada bismo prihvatili spornu logiku upornih redukcionista,

van sumnje je, i primarno vana za putovanje opisano u ovoj knjizi,

injenica da je princip jedno, a praksa sasvim drugo. Skoro svi se slau

u ovome: kada bi se postavila teorija svega, to ne bi nikako rasvetlilo sva

pitanja kojima se bave psihologija, biologija, geologija, hemija, ak i fizika.

Kosmos je toliko udesno bogato i sloeno mesto da otkrie konane teo-

rije u smislu predoenom na ovom mestu ne bi oznailo kraj nauke.

Naprotiv, otkrie teorije svega konanog objanjenja svemira na njego-

vom najsiunijem mikroskopskom nivou, teorije koja se ne oslanja ni

na jedno dublje objanjenje obezbedilo bi najvru osnovu na kojoj

bi se moglo izgraditi ljudsko znanje o svetu. Njeno otkrie predstavljalo

bi poetak, a ne kraj. Konanom teorijom obezbedio bi se postojani stub

naune usklaenosti, to bi nas uverilo da je svemir pojmljiv.

Stanje teorije struna

Prevashodna namena ove knjige je da objasni delovanje svemira prema

teoriji struna, a posebno se naglaava kako ti rezultati utiu na nae

shvatanje prostora i vremena. Za razliku od mnogih drugih izlaganja o

naunom razvoju, ovo nije posveeno sasvim uoblienoj teoriji, potvr-

enoj kroz snana eksperimentalna testiranja, i potpuno prihvaenoj u

nauci. U narednim poglavljima uveriete se u to jer teorija struna ima

tako duboku i prefinjenu teoretsku strukturu da nam i pored impresiv-

nog napretka u prethodne dve decenije, jo uvek predstoji dug put pre

nego to obznanimo kako smo potpuno ovladali njome.

Povezani s trunom

17

Teoriju struna treba posmatrati kao radnu teoriju, iji su do sada pre-

cizno definisani delovi otkrili zadivljujuu prirodu svemira, vremena i

materije. Skladno spajanje opte relativnosti i kvantne mehanike ogro-

man je uspeh. Povrh toga, za razliku od prethodnih teorija, teorija struna

ima kapacitet da odgovori na praiskonska pitanja o najosnovnijim inio-

cima i silama prirode. Jednako vana, iako donekle tee saglediva, jeste

izuzetna elegancija i odgovora i teorijske potpore za odgovore koje teorija

struna daje. Na primer, za mnoge aspekte prirode u teoriji struna koji na

prvi pogled izgledaju kao proizvoljni tehniki detalji na primer, broj

inilaca fundamentalnih estica i njihova svojstva ispostavlja se da su

rezultat sutinskih i opipljivih aspekata geometrije svemira. Ako je teorija

struna tana, mikroskopsko tkanje naeg svemira predstavlja raskono

zapetljan viedimenzionalni lavirint sainjen od struna kosmosa to se

uvijaju i vibriraju bez kraja, ritmino otkucavajui zakone vaseljene. Svoj-

stva osnovnih gradivnih blokova prirode ni priblino nisu tek sluajni

detalji, ve su duboko proeta tkanjem prostora i vremena.

Meutim, jedino su merodavne definitivne, proverljive pretpostavke

pomou kojih se moe odrediti da li je teorija struna zaista uklonila veo

tajne s najdubljih istina o naem kosmosu. Moda e proi izvesno vreme

pre nego to se nae razumevanje dovoljno produbi da taj cilj i ostvarimo,

iako bi rezultati eksperimenata (videete u poglavlju 9) mogli snano

i bitno podrati teoriju struna u narednih desetak godina. Nadalje, u

poglavlju 13 proitaete da je na osnovu teorije struna nedavno reena

kljuna zagonetka o crnim rupama, vezana za Bekenstajn-hokingovu

entropiju, koja se preko dvadeset i pet godina tvrdoglavo opirala razot-

krivanju konvencionalnijim metodama. Ovaj uspeh uverio je mnoge da

teorija struna utire put ka najdubljem razumevanju kosmosa.

edvard Viten, jedan od pionira i vodeih strunjaka teorije struna,

saeto je opisao stanje reima: Teorija struna je deo fizike dvadeset prvog

veka koja je sluajno iskrsla u dvadesetom veku. Tu je procenu prvi uobli-

io slavni italijanski fiziar Danijele Amati.5 To bi se, u izvesnom smislu,

moglo uporediti sa situacijom kada bi se nai preci s kraja devetnaestog

veka nali pred savremenim superraunarom, ne znajui kako se radi

na njemu. Kroz inventivne pokuaje i poune greke, stekli bi predstavu

o moi superraunara, ali bilo bi potrebno uloiti odluan i dugotrajan

napor kako bi se razreila prava misterija. Nasluivanja o moi raunara,

nalik nagovetajima razjanjavajue moi teorije struna, podstakla bi

elegantni kosmos

18

izuzetno snanu motivaciju da se potpuno razotkrije mehanizam rada

raunara. Slina motivacija danas nagoni generaciju teorijskih fiziara

da potpuno i analitiki precizno rastumae teoriju struna

Vitenovo zapaanje i stavovi drugih strunjaka na ovom polju, uka-

zuju na to da bi mogle proi decenije, ili ak i vekovi, pre nego to sasvim

razvijemo i shvatimo teoriju struna. To bi, zaista, moglo biti tano. Mate-

matika teorije struna toliko je sloena da, do danas, niko ak nije utvrdio

jednaine te teorije. Fiziarima su poznate samo pribline jednaine, a

ak i takve, previe su komplikovane, te su samo delimino reene. Ipak,

druga polovina poslednje decenije prolog veka donela je nadahnjujue

pomake odgovore na teorijska pitanja (za sada) nezamislive teine. To bi

moglo znaiti da e se celovito kvantitativno razumevanje teorije struna

ukazati mnogo pre nego to se isprva mislilo. irom sveta, fiziari razvijaju

nove mone tehnike preciznije od brojnih do sada korienih aproksima-

tivnih metoda, sa uzbuenjem sastavljajui razliite delie tajanstvene

slagalice teorije struna.

Iznenaujue je to to ovakvi pomaci obezbeuju nove polazne take

za ponovno tumaenje nekih osnovnih aspekata teorije za koju se ve

neko vreme zna. Na primer, normalno je da se, posmatrajui sliku 1.1,

zapitate: Zato strune, a ne maleni frizbiji? Ili mikroskopske grudvice?

Ili kombinacija svega toga? U poglavlju 12 videete da najnovija istrai-

vanja pokazuju kako te druge vrste sastojaka imaju vanu ulogu u teo-

riji struna, i otkrivaju da je teorija struna zapravo deo jo velianstvenije

sinteze zasad tajanstveno nazvane M-teorija. Najnovija otkria tema su

zavrnih poglavlja knjige.

Napredak u nauci nije neprekidan proces, ve niz zastoja i proboja.

Neki periodi obiluju velikim pomacima, drugi su suni za edne istrai-

vae. Naunici obznanjuju rezultate, teorijske i eksperimentalne. Nauna

zajednica razmatra rezultate, ponekad ih odbacuje, drugi put ih menja,

a povremeno, ti rezultati su inspirativna polazita za nova i preciznija

sagledavanja fizikog univerzuma. Drugim reima, nauka napreduje cik-

cak putanjom prema nadamo se konanoj istini. Poetak te putanje

obeleen je najranijim pokuajima oveanstva da sagleda svemir, a kraj

joj ne moemo sagledati. Ne znamo da li je teorija struna sluajna odmo-

rina stanica na tom putu, naglo skretanje ili krajnji cilj. Ali istraiva-

nja iz poslednje dve decenije, koja sprovode stotine posveenih fiziara i

Povezani s trunom

19

matematiara iz brojnih zemalja, pobuuju osnovanu nadu da smo na

pravom i, mogue, konanom putu.

To to smo i uz ovako ogranieno razumevanje teorije struna mogli

stei jasan, nov uvid u to kako dejstvuje kosmos, svedoi o njenoj raskoi

i dalekosenosti. Sredinju nit koju emo nadalje slediti ine razvojni

procesi koji vode ka revoluciji u naem razumevanju prostora i vremena

zapoetoj sa Ajntajnovom specijalnom i optom teorijom relativnosti.

Videemo da tkanje svemira, ako je teorija struna ispravna, ima svojstva

koja bi oduzela dah i Ajntajnu.