Elegantni Svemir

ure dnik biblioteke: Ognjen Strpi

izdava : Naklada Jesenski i Turk za izdava a: Mišo Nejašmi

preveo: Goran Vujasinovi redaktor prijevoda: dr. Vjera Lopac

grafi ki urednik: Boris Kuk tisak: Stega tisak d.o.o., Zagreb

www.jesenski-turk.hr

BRIAN GREENE

ELEGANTNI SVEMIR SUPERSTRUNE, SKRIVENE DIMENZIJE I POTRAGA

ZA KONA NOM TEORIJOM

Naklada Jesenski i Turk Zagreb, travanj 2012.

Brian Greene: The Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Questfor the Ultimate Theory Copyright © Brian R. Greene 1999, 2003 Copyright za hrvatsko izdanje © Naklada Jesenski i Turk 2011

Mojoj majci i uspomeni s ljubavlju

i

na oca,

zahvalnoš u

Stranice su podijeljene na dvije za lakse citanje na malim citacima. Treba odabrati Landscape (Horizontalni pogled) za veca slova. Sadrzaj je na str. 13 a tu su dane i odgovarajuce stranice za citac tj. pdf. Na racunalu je preglednije citati u kontinuiranom pogledu nego zasebno. Pdf je pretraživ.

Sadržaj

Predgovor 2003

18

Predgovor

30

1. DIO / NA GRANICAMA SPOZNAJE..

42

Zavezani strunom 2. DIO / DILEMA O PROSTORU,

46

VREMENU I KVANTIMA Prostor, vrijeme i oko promatra a

90 94

O uvojima i mreškanju

170

Mikroskopska udnovatost

250

Potreba za novom teorijom:

330

3. DIO / KOZMI KA SIMFONIJA ista glazba: osnove teorije superstruna

370 374

"Super" u superstrunama

450

Više dimenzija nego što ih oko vidi

494

Corpus delicti: eksperimentalni potpisi.

554

4. DIO / TEORIJA STRUNA I TKIVO PROSTORVREMENA

598

Kvantna geometrija

602

Kidanje tkiva prostora

682

365

730

Crne rupe: perspektiva teorije struna / M-teorije . .411

822

Razmišljanja o kozmologiji

443

886

477

954

479

958

Glosar znanstvenih pojmova

499

998

Kazalo

515

1030

Onkraj struna: u potrazi za M-teorijom

5. DIO / UJEDINJENJE U DVADESETPRVOM STOLJE U Izgledi

Predgovor 2003.

Pišu i Elegantni svemir bio sam svjestan da bi itateljstvo te knjige moglo biti malobrojno. Napokon, knjigu o izazovima i trijumfima modernog istraživanja najdubljih zakona prirode vjerojatno ne biste ponijeli na plažu niti je itali u toploj postelji prije spavanja. inilo se i da bi knjiga o tako apstraktnoj temi, i to s naglaskom na znanosti a ne na li nostima znanstvenika niti na povijesnim anegdotama, imala još

malobrojniju publiku. No to me nije posebno zabrinjavalo jer sam si esto (i nedvojbeno s dozom melodramati nosti) govorio da ako budem imao barem jednog itatelja, ako mu predstavim nov spektar ideja, nov na in razmišljanja o sebi i svom mjestu u univerzumu, to e mi biti dovoljno. Bilo da je to mlad student koji pokušava odlu iti što e specijalizirati, zaposleni profesionalac koji traži nešto izvan svakodnevne rutine ili umirovljenik koji je napokon pronašao vremena za itanje o razvoju znanosti, ako im uspijem pokazati nov put prema univerzumu kako ga vidi moderna fizika, trud uložen u pisanje Elegantnog svemira ne e biti uzaludan. Ta pomisao pomogla mi je u krizama koje mnogi autori proživljavaju usred važnog projekta. Neprekidno me je ohrabrivala i publika koja je poha ala razna predavanja za laike koje sam držao o teoriji relativnosti, kvantnoj mehanici i o svojoj specijalnosti - teoriji superstruna - publika koja se divila neobi nim i za udnim mislima koje nastaju u avangardnim istraživanjima. Svemir 9

u kojem se prostor i vrijeme mogu oblikovati, svemir s više dimenzija nego što ih vidimo, svemir u kojemu se tkivo prostora može pocijepati, svemir u kojemu se možda sve sastoji od titraja ultramikroskopskih petlji energije koje nazivamo superstrunama - taj svemir uzbu ivao je ljude i mnogi su ga željeli bolje razumjeti. Elegantni svemir izrastao je iz tih predavanja, jer sam htio napisati knjigu za itatelje bez formalnog poznavanja matematike i fizike. Iako ga je književni agent kojemu sam svoj prijedlog prvome ponudio bez razmišljanja odbio - vjerojatno ocijenivši da je tema odviše specijalizirana da bi privukla nekog velikog izdava a - na svojim predavanjima osje ao sam jak entuzijazam za znanost. Bio je gotovo opipljiv. Elegantni svemir oslonio se na taj entuzijazam, a izvrsne reakcije na koje je naišao svjedo e o uro enom nagonu mnogih od nas da predano i hrabro istražuju ovo što nazivamo svojim svijetom. Osim toga, potvrdio je moje vjerovanje

da fizika autoru nudi udesno maštovitu gra u. Svi volimo dobru pri u. Svi volimo zagonetke. Svi volimo autsajdera koji ne odustaje usprkos naizgled nepremostivim preprekama. Svi mi, u ovom ili onom obliku, pokušavamo prona i smisao u svijetu oko sebe. A svi ti elementi skrivaju se u srži moderne fizike. Ta pri a je epska - doga anja u cijelom svemiru; zagonetka je jedna od najtežih - kako je nastao svemir; prepreke su gotovo nesavladive: dvonošci, novopridošlice u svemirskim razmjerima, pokušavaju otkriti vje ne tajne; a potraga je jedna od najdubljih - istraživanje fundamentalnih zakona koji objašnjavaju sve što vidimo, i više od toga, od najsitnijih estica do najudaljenijih galaksija. Teško je i zamisliti bogatiju gra u. Neznanstvenici katkad ne razlikuju jezik koji ih zastrašuje - matematiku, jezik na kojem se razvija fizika - od zadivljuju ih ideja kojima se poigrava. No to bi bilo kao da ja pokušavam pro itati Huckleberry Finna na gr kom. Iako se neprekidno služim gr kom abecedom, ne govorim ni rije 10

tog jezika i zato bi moj dojam o tom romanu bio, blago re eno, umanjen. Sli no tome, kad spustimo matemati ke prepreke i pojmove moderne fizike izrazimo svima poznatim jezikom, kako bi ih upoznali i razmišljali o njima, mnogi od onih koji su mislili da ih znanost ne zanima ostanu bez daha. Kad se teme moderne fizike ekstrahira iz njihova stru nog jezika, pokazuje se da su one doslovno univerzalne. To je sve jasnije u posljednje vrijeme, jer je fizika sve prisutnija u kulturi - sve ve i broj kazališnih, glazbenih i likovnih djela nadahnjuje se modernom znanoš u. Znam za barem desetak novijih drama, jedan guda ki kvartet, mnogo filmova i drama, jednu operu, niz slika i kipova koji u odredenoj mjeri izražavaju, tuma e i proširuju ljudsku dramu koju predstavlja put znanosti. Premda je to doista udesno, to me ne iznena uje. Uvijek me je oduševljavala umjetnost i književnost koja dobro protrese moj dojam o tome što je uistinu zbiljsko i važno, a mnogi dijele to moje gledište. A upravo to ine i dalekosežna dostignu a u fizici u

posljednjih stotinu godina. Nije pretjerano re i da su teorija relativnosti i kvantna mehanika iz korijena promijenile pravila stvarnosti, a teorija superstruna danas ih iznova korigira. Nije nikakvo udo da slikari, pisci, skladatelji i filmski stvaraoci pronalaze sli nosti izme u svoga rada i tih znanstvenih izazova statusu quo. No to nije jednosmjerna ulica. Integriranje otkri a fizike u naš kolektivni svjetonazor polagan je proces. Još i danas, nakon stotinu godina, ve ina ljudi još ne cijeni eksperimentima potvr ene lekcije koje nam je održao Einstein, a ni pouke kvantne mehanike. Prilaze i znanosti bez straha, i služe i se sebi svojstvenom snagom fascinacije u stvaranju zabavnih i dramati nih djela, umjetnost je možda savršeno sredstvo za punu integraciju znanosti u razgovore o svijetu. Možda emo doživjeti ak i da znanoš u nadahnuta djela svijeta umjetnosti ponude nove poticaje znanstvenoj imaginaciji, a na neki neopipljiv na in možda e nas i pripre11

miti za sljede i korak u razumijevanju svemira. Promjenom jarkog svjetla koje obasjava znanosti iz strogog, broj anog i kognitivnog u blaži, prozra niji sjaj ljudske senzibilnosti, otvaraju se silne mogu nosti. Kad se znanost napokon shvati kao integralan dio svega što nas ini ljudima, naša povezanost s univerzumom bit e znatno ja a; doista, znanost je nit koja nas sve povezuje s tkivom stvarnosti. Što se ti e razvoja teorije superstruna, godine nakon prvog objavljivanja Elegantnog svemira bile su iznimno plodne, ali tek treba do i do revolucije u mišljenju, o kojoj mnogi naslu uju da vreba na nas iza ugla. To ima i dobre i loše posljedice. S pozitivne strane, ništa u ovom tekstu nije zastarjelo niti je postalo nevažno. Kad bih danas pisao knjigu o teoriji struna, obradio bih sve što sam iznio i ovdje, možda bih tu i tamo promijenio naglasak, ali kona an tekst uglavnom se ne bi razlikovao od Elegantnog svemira. Dodao bih poglavlje o zanimljivim novim idejama koje nazna uju

da su strune i dodatne prostorne dimenzije nešto ve e nego što se obi no misli (mogu nost koja se u vrijeme pisanja tek razvijala; ukratko smo je razmotrili u brojnim bilješkama), i raspravu o ingenioznim radovima koji istražuju egzaktniju (takozvanu neperturbativnu) formulaciju teorije struna. Dakle, kad budete itali poglavlja 6, 8 i 12, imajte na umu da strune i dodatne dimenzije možda nisu tako malene kao što ih opisujem, te da je postignut zna ajan uspjeh u iznalaženju egzaktnih jednadžbi teorije struna (iako fizi ari zasad nisu uspjeli primijeniti te jednadžbe u rješavanju glavnih pitanja postavljenih u tim poglavljima). Negativna strana toga što tekstu ove knjige nije potrebna revizija u tome je što mnoge u njoj opisane prepreke još nisu svladane. Iskreno re eno, iako bismo svi željeli da napredak bude brz i žestok, taj ritam upravo je primjeren. Teorija superstruna bavi se najdubljim problemima teorijske fizike, od kojih su mnogi izvan dosega eksperimentalne provjere. Korist od kona nog uspjeha bit e golema, jer e neka od 12

najdubljih pitanja o univerzumu dobiti odgovor. Ali za napredak je potrebno marljivo raditi, imati strpljenja, sre e, a i mnogo nadahnu a - a ništa od toga ne može se predvidjeti ni kontrolirati. Možda emo željenu razinu spoznaje ostvariti u ovoj generaciji, a možda ne emo. Možda e to doživjeti tek daleki naraštaji. Zasad možemo sa sigurnoš u re i samo da to ne emo znati ako ne pokušamo. Sude i po sve nadarenijim studentima koji se posve uju tom podru ju, imat emo mnogo predanih istraživa a spremnih da uzmu baklju i upute se trnovitim putem. U sljedeim desetlje ima svesrdno emo pokušavati rasvijetliti tajne univerzuma.

13

14

Predgovor Bk«? •

Albert Einstein je posljednjih trideset godina svoga života neumorno pokušavao prona i takozvanu teoriju ujedinjenog polja - teoriju kadru da opiše prirodne sile jednim, sveobuhvatnim, koherentnim okvirom. Einsteina nije motiviralo ono što obi no povezujemo sa znanstvenim pothvatima, kao što je pokušaj da se objasni ovaj ili onaj podatak dobiven eksperimentom. Njega je vodila strastvena vjera da emo najdubljim razumijevanjem univerzuma otkriti njego-

vo najve e udo: jednostavnost i mo na ela na kojima se on temelji. Einstein je želio iznijeti na svjetlo dana mehanizam univerzuma s nikad prije postignutom jasno om, što bi nam omogu ilo da se divimo njegovoj istoj ljepoti i eleganciji. Einstein nije ostvario taj san, velikim dijelom zato što je imao loše karte: velik broj bitnih svojstava materije i prirodnih sila u njegovo doba bio je još nepoznat ih u najboljem slu aju pogrešno shva en. Ali posljednjih pedesetak godina fizi ari su u svakom novom naraštaju - uz mnogo zastoja i skretanja u slijepe ulice - postojano gradili na temeljima otkri a svojih prethodnika kako bi složili potpuniju sliku o mehanizmu univerzuma. A sada, dugo nakon što je Einstein artikulirao svoju potragu za ujedinjenom teorijom, ali je ostao praznih ruku, fizi ari vjeruju da su napokon pronašli okvir u koji se može postaviti te spoznaje tako da ine savršenu cjelinu - jednu teoriju koja je u na elu kadra opisati sve pojave. Ta teorija, teorija superstruna, tema je ove knjige. 15

Elegantni svemir napisao sam u pokušaju da dojmljive spoznaje koje nastaju u avangardnoj fizici postanu dostupne širokom spektru itatelja, posebno onima koji nisu u ili matematiku ni fiziku. Na javnim predavanjima o teoriji superstruna koja držim ve nekoliko godina, svjedo io sam želji mnogih da razumiju što nam nova istraživanja govore o fundamentalnim zakonima univerzuma, na koji na in ti zakoni zahtijevaju temeljitu rekonstrukciju našeg shva anja univerzuma, i kakvi nas izazovi ekaju u trajnoj potrazi za kona nom teorijom. Nadam se da e ova knjiga, objasnivši velika dostignu a fizike, sve od Einsteina i Heisenberga, i opisavši uspjeh tih otkri a u kontekstu velikih promjena našega doba, obogatiti i zadovoljiti tu radoznalost. Tako er se nadam da e Elegantni svemir zanimati i itatelje koji imaju odre eno znanstveno obrazovanje. Za studente i predava e fizike, nadam se da e ova knjiga kristalizirati neke osnovne stvari o modernoj fizici, kao što

su specijalna teorija relativnosti, op a teorija relativnosti i kvantna mehanika, prenose i zarazno uzbu enje istraživaa koji se približavaju dugo traženoj ujedinjenoj teoriji. Za ljubitelje popularne znanosti pokušao sam objasniti mnoge zadivljuju e napretke u našem razumijevanju svemira do kojih je došlo u proteklom desetlje u. A što se ti e mojih kolega u drugim znanstvenim strukama, nadam se da e im ova knjiga pružiti iskren i uravnotežen dojam o tome zašto su teoreti ari struna tako zaneseni napretkom ostvarenim u potrazi za kona nom teorijom prirode. Teorija superstruna baca široku mrežu. To je široka i duboka tema koja uklju uje mnoga važna otkri a u fizici. Budu i da ta teorija ujedinjuje zakone na velikoj i malenoj skali, zakone koji vladaju fizikom i u najdaljim svemirskim prostranstvima i u najsitnijim mrvicama tvari, toj se temi može pristupiti iz mnogo smjerova. Odlu io sam se usredoto iti na naše razumijevanje prostora i vremena, koje se neprekidno razvija. Smatram da je to posebno zanimljiv ra16

PREDGOVOR

zvojni put, koji utire bogatu i fascinantnu stazu kroz bitno nove spoznaje. Einstein je pokazao svijetu da se prostor i vrijeme ponašaju na za udan na in. Danas su avangardna istraživanja integrirala njegova otkri a u kvantni univerzum s mnoštvom skrivenih dimenzija, skutrenih u tkivu univerzuma - dimenzija u ijoj se bogatoj i zamršenoj geometriji možda krije klju za neka od najdubljih ikad postavljenih pitanja. Iako su neki od tih pojmova teško shvatljivi, vidjet emo da im se može približiti prakti nim analogijama. A kada shvatimo te zamisli, one e nam ponuditi udesnu, revolucionarnu perspektivu na univerzum. U cijeloj knjizi trudio sam se ne udaljiti se od znanosti a ipak pružiti itatelju intuitivno razumijevanje - esto preko analogija i metafora - kako su znanstvenici došli do današnjeg shva anja univerzuma. Iako izbjegavam stru ni jezik i jednadžbe, zbog radikalno novih pojmova o kojima je rije , itatelj e možda poželjeti zastati, zamisliti se nad ponekim

odlomkom ili objašnjenjem, kako bi uspijevao pratiti razvoj ideja. Neki odjeljci u 4. dijelu (koji se odnosi na najnovije teorije) ponešto su apstraktniji od ostalih; potrudio sam se unaprijed upozoriti itatelja na te odjeljke i strukturirati tekst tako da ih se može preletjeti ili presko iti uz minimalne posljedice po logi ki tok knjige. Dodao sam glosar znanstvenih pojmova kao lak i pristupa an podsjetnik na ideje objašnjene u glavnom tekstu. Premda e opušteniji itatelji poželjeti presko iti bilješke, marljiviji me u njima u na i e potkrepu tvrdnji iznesenih u tekstu, kao i nekoliko stru nih ekskursa za matemati ki nadarene. Mnogim ljudima dugujem zahvalnost na pomo i tijekom pisanja ove knjige. David Steinhardt pro itao je rukopis s velikom pomnjom i velikodušno ponudio oštroumne uredni ke intervencije i poticaje od neprocjenjive vrijednosti. David Morrison, Ken Vineberg, Raphael Kasper, Nicholas Boles, Steven Carlip, Arthur Greenspoon, David Mermin, Michael Popowits i Shani Offen pažljivo su pro itali rukopis 17

i iznijeli detaljne reakcije i prijedloge koji su u velikoj mjeri poboljšali izlaganje. Me u ostalima koji su pro itali cijeli rukopis ili njegove dijelove su Paul Aspinwall, Persis Drell, Michael Duff, Kurt Gottfried, Joshua Greene, Teddy Jefferson, Mare Kamionkowski, Yakov Kanter, Andras Kovacs, David Lee, Megan McEwen, Nari Mistry, Hasan Padamsee, Ronen Plesser, Massimo Poratti, Fred Sherry, Lars Straeter, Steven Strogatz, Andrew Strominger, Henry Tye, Cumrun Vafa i Gabriele Veneziano. Posebnu zahvalnost dugujem Raphaelu Gunneru zato što me je, izme u ostaloga, strogo kritizirao u prvim fazama pisanja i tako mi pomogao da oblikujem op i ton knjige, i Robertu Malleyju na njegovim blagim, ali upornim poticajima da prestanem samo razmišljati o knjizi i "stavim olovku na papir". Steven Weinberg i Sidney Coleman bili su izvor vrijednih savjeta i podrške, a zadovoljstvo mi je priznati da su mi mnogim korisnim podacima pomogli Carol Archer, Vicky Carstens, David Cassel, Anne Coyle, Michael Duncan, Jane Forman, Wendy Greene, Sušan Gree-

ne, Erik Jendresen, Gary Kass, Shiva Kumar, Robert Mawhinney, Pam Moorehouse, Pierre Ramond, Amanda Salles i Eero Simoncelli. Costas Efthimiou zadužio me je time što mi je pomogao pri provjeravanju injenica i pronalaženju referenci, te time što je moje po etne žvrljotine pretvorio u skice na temelju kojih je Tom Rockwell - strpljivoš u sveca i besprijekornim umjetni kim okom - stvorio crteže koji ilustriraju tekst. Zahvaljujem i Andrewu Hansonu i Jinu Sethni na pomo i u pripremi nekoliko specijaliziranih crteža. Konzultacije i osobnu perspektivu o raznim temama pružili su mi Howard Georgi, Sheldon Glashow, Michael Green, John Schwarz, John Wheeler, Edward Witten te, još jedanput, Andrew Strominger, Cumrun Vafa i Gabriele Veneziano. Na velikodušnoj potpori mojim istraživanjima teorijske fizike tijekom više od petnaest godina zahvaljujem National Science Foundation, Alfred P. Sloan Foundation i U. S. 18

Department of Energy. Vjerojatno nije slu ajno što se moje istraživanje usredoto ilo na utjecaj koji teorija superstruna ima na naše poimanje prostora i vremena, pa u dva kasnija poglavlja opisujem neka otkri a u kojima sam imao sre e sudjelovati. Iako se nadam da e itatelj uživati itaju i te "insajderske" pri e, shva am da e one možda ostaviti pretjeran dojam o mojoj ulozi u razvoju teorije superstruna. Zato koristim ovu priliku da priznam kako više od tisu u fizi ara diljem svijeta predano sudjeluje u naporu da se oblikuje kona na teorija univerzuma. Ispri avam se svima onima koje nisam uklju io u ovaj prikaz; to je samo odraz tematske perspektive koju sam odabrao i ograni enog prostora ovoga op eg izlaganja. Na kraju, srda no zahvaljujem Ellen Archer na nepokolebljivoj ljubavi i podršci, bez koje ova knjiga nikad ne bi bila napisana.

19

20

1. D IO

N A GRANICAMA SPOZNATE

21

22

P RVO P OG LA VL JE

Zavezani strunom

Bilo bi odviše dramati no nazvati to prikrivanjem, ali više od pola stolje a - usprkos nekima od najve ih znanstvenih dostignu a u povijesti - fizi ari su prešutno svjesni oblaka koji zamra uju daleki obzor. Problem je ovaj: moderna fizika po iva na tri kamena temeljca. Prvi je op a teorija relativnosti Alberta Einsteina, koja nudi teorijski okvir za razumi-

jevanje univerzuma u najve im razmjerima: zvijezda, galaksija, grozdova galaksija i golemog svemirskog prostranstva onkraj njih. Drugi je kvantna mehanika, koja pruža teorijski okvir za razumijevanje univerzuma u najmanjim razmjerima: molekula, atoma, sve do subatomskih estica kao što su elektroni i kvarkovi. Kroz duge godine istraživanja fizi ari su eksperimentalno potvrdili, do gotovo nezamislive preciznosti, gotovo sva predvi anja svih tih teorija. No isti ti teorijski alati neizbježno vode do sljede eg uznemiruju eg zaklju ka: u svojim današnjim formulacijama, op a teorija relativnosti i kvantna mehanika ne mogu obje biti ispravne. Te dvije teorije, koje su u osnovi golemog napretka fizike proteklih stotinu godina - napretka koji je objasnio širenje svemira i fundamentalnu strukturu materije - me usobno su neuskladive. Ako još niste uli za taj nepomirljiv sukob, možda se pitate zašto niste. Na to nije teško odgovoriti. U svim situacijama osim najekstremnijih, fizi ari prou avaju ono što je ili maleno i lagano (kao što su atomi i njihove 23

sastavnice) ili ono što je golemo i teško (kao što su zvijezde i galaksije), ali ne i jedno i drugo u isto vrijeme. To zna i da se služe ili samo kvantnom mehanikom ili samo op om teorijom relativnosti, pa se mogu samo bez rije i osvrnuti i slegnuti ramenima na ljutite primjedbe iz drugog tabora. Taj pristup ve pedeset godina nije baš jednak blaženom neznanju, ali nije ni daleko od njega. Ali, univerzum doista može biti ekstreman. U dubini središta crne rupe golema masa stisnuta je do minijaturne veliine. U trenutku velikog praska cijeli univerzum erumpirao je iz mikroskopskog grumen a, tako malenog da je zrno pijeska u odnosu na njega pravi gorostas. Stoga je na tim podru jima, si ušnim, ali ipak nevjerojatno masivnim, potrebno istodobno primijeniti i kvantnu mehaniku i op u teoriju relativnosti. Kao što e postajati sve jasnije u ovoj knjizi, kada kombiniramo jednadžbe op e teorije relativnosti s onima kvantne mehanike, one po inju škripati, podrhtavati i puštati paru poput automobila kojem je zakuhao hladnjak.

Re eno manje figurativno, u tom nesretnom spoju tih dviju teorija, ispravno postavljena fizikalna pitanja daju besmislene odgovore. ak i ako smo spremni na to da duboka unutrašnjost crne rupe i pitanje po etka univerzuma ostanu zaogrnuti velom tajne, ne možemo se oteti dojmu da sukob kvantne mehanike i op e teorije relativnosti poziva na dublje razumijevanje. Zar je doista mogu e da j e univerzum na fundamentalnoj razini podijeljen i zahtijeva jedan sklop zakona za velike stvari, a drugi, neuskladiv sklop zakona kad su stvari malene? Teorija superstruna, pravi skorojevi u usporedbi s asnim starinama kvantne mehanike i op e teorije relativnosti, odlu no odgovara da to nije mogu e. Intenzivna istraži^ vanja fizi ara i matemati ara proteklih deset godina otkrila su da taj novi pristup opisivanju prirode na najdubljoj razini razrješava napetost izme u op e teorije relativnosti i kvantne mehanike. U tom okviru, op a teorija relativnosti 24

i kvantna mehanika zahtijevaju jedna drugu da bi teorija imala smisla. Prema teoriji superstruna, brak izme u zakona velikoga i malenoga nije samo sretan nego i neizbježan. To je dobra vijest. No teorija superstruna - skra eno, teorija struna - postavlja to jedinstvo na još višu razinu. Einstein je tri desetlje a tražio ujedinjenu teoriju fizike koja bi ispreplela sve prirodne sile i materijalne sastavnice u jednoj teorijskoj tapiseriji. Nije uspio. Danas, u osvit novog tisu lje a, zastupnici teorije struna tvrde da su niti te tapiserije napokon otkrivene. Teorija struna ima potencijal da pokaže kako su svi udesni doga aji u univerzumu - od grozni avog plesa subatomskih kvarkova to dostojanstvenog valcera binarnih zvijezda, od primordijalnog ognja do veli anstvenih spirala nebeskih galaksija - odraz jednog velikog fizikalnog na ela, jedne važne jednadžbe. Budu i da ta svojstva teorije struna zahtijevaju da drasti no promijenimo svoje razumijevanje prostora, vremena i materije, trebat emo neko vrijeme da se naviknemo na

njih, da ih usvojimo tako da nam barem ne smetaju. Ali, kao što e postati jasno, kad se teoriju struna sagleda u pravom kontekstu, ona postaje dramati an, ali prirodan razvoj revolucionarnih otkri a u fizici iz proteklih stotinu godina. Štoviše, vidjet emo da sukob izme u op e teorije relativnosti i kvantne mehanike zapravo nije prvi, nego tre i u nizu temeljnih sukoba u proteklom stolje u, a sva njihova rješenja dovela su do zapanjuju e promjene našeg razumijevanja univerzuma.

Tri sukoba Prvi sukob, prepoznat još krajem devetnaestog stolje a, odnosio se na zagonetna svojstva gibanja svjetlosti. Ukratko, prema zakonima gibanja Isaaca Newtona, ako tr ite dovoljno brzo, mo i ete dosti i odlaze u zraku svjetlosti, dok pre25

ma zakonima elektromagnetizma Jamesa Clerka Maxwella, ne ete to mo i. Kao što emo raspraviti u poglavlju 2, Einstein je razriješio taj sukob svojom specijalnom teorijom relativnosti, i tako postavio naglavce naše razumijevanje prostora i vremena. Prema specijalnoj relativnosti, prostor i vrijeme više ne možemo shva ati kao univerzalne pojmove, u kamen uklesane, koje svi mi jednako doživljavamo. Umjesto toga, prostor i vrijeme pojavili su se u Einsteinovoj obradi kao podatni konstrukti iji oblik i pojava ovise o stanju promatra eva gibanja. Razvoj specijalne relativnosti odmah je postavio pozornicu za drugi sukob. Jedan od zaklju aka Einsteinova djela glasi da nijedan predmet - štoviše, nikakav utjecaj ni poreme aj - ne može putovati brže od svjetlosti. No, kao što emo raspraviti u poglavlju 3, Newtonova empirijski uspješna i intuitivno zadovoljavaju a op a teorija gravitacije uklju uje utjecaje koji se trenutno prenose preko velikih prostranstava. Tad je nastupio Einstein (opet on) i riješio

spor ponudivši novo poimanje gravitacije svojom op om teorijom relativnosti iz 1915. Kao što je specijalna relativnost oborila prethodne pojmove prostora i vremena, to je ponovila i op a relativnost. Ne samo da gibanje promatra a utje e na prostor i vrijeme, nego se oni mogu i iskriviti i uviti u prisutnosti materije ili energije. Vidjet emo da ta iskrivljenja tkiva prostora i vremena prenose gravitacijsku silu s jednog mjesta na drugo. Dakle, prostor i vrijeme više ne možemo shva ati kao inertnu pozadinu na kojoj se odvijaju doga aji univerzuma; umjesto toga, u specijalnoj, a potom i op oj relativnosti, oni imaju povezane uloge u samim tim doga ajima. A tada se ponovilo: otkri e op e relativnosti riješilo je jedan spor, a izazvalo drugi. Prva tri desetlje a dvadesetog stolje a fizi ari su razvijali kvantnu mehaniku (o kojoj raspravljamo u poglavlju 4) kao reakciju na odre en broj teških problema koji su nastali kad se pojmove fizike devetnae26

stog stolje a primijenilo na mikroskopski svijet. Kao što smo spomenuli, tre i i najdublji sukob nastao je iz nesukladnosti kvantne mehanike s op om relativnoš u. Kako emo vidjeti u poglavlju 5, blago zakrivljen geometrijski oblik prostora koji je nastao u op oj relativnosti ne uklapa se u grozni avo, uzavrelo mikroskopsko gibanje univerzuma koje implicira kvantna mehanika. Budu i da je teorija struna tek sredinom 1980-ih ponudila rješenje, taj sukob se s pravom naziva glavnim problemom moderne fizike. Štoviše, ve ina nas uzima zdravo za gotovo da naš univerzum ima tri prostorne dimenzije. No, prema teoriji struna, to nije tako, jer ona tvrdi da naš univerzum ima mnogo više dimenzija nego što ih oko vidi - dimenzija koje su vrsto uvijene u nabrano tkivo svemira. Ti zadivljuju i uvidi u prirodu prostora i vremena tako su važni da e biti vode a tema u izlaganjima. Teorija struna, u stvarnom smislu, pri a je o prostoru i vremenu nakon Einsteina. Da bismo shvatili što teorija struna doista jest, moramo

se osvrnuti i ukratko opisati što smo u posljednjem stolje u nau ili o mikroskopskoj strukturi univerzuma.

Univerzum u najmanjim razmjerima: što znamo o materiji Drevni Grci naslu ivali su da se tkivo univerzuma sastoji od si ušnih "nedjeljivih" sastojaka koje su nazvali atomima. Kao što se od obilja kombinacija malog broja slova abecede tvori golem broj rije i, Grci su pretpostavili da bi i širok raspon materijalnih predmeta mogao biti rezultat kombinacija malenog broja posebnih, elementarnih blokova. Pretpostavka je bila to na. Više od 2000 godina potom još vjerujemo da je to istina, iako je identitet fundamentalnih jedinica pretrpio brojne izmjene. U devetnaestom stolje u znanstvenici su dokazali da mnoge poznate tvari, poput ugljika i kisi27

ka, imaju najmanji prepoznatljiv sastojak; slijede i tradiciju drevnih Grka, nazvali su ih atomima. Taj naziv se zadržao, ali povijest je pokazala da je pogrešan, jer su atomi itekako "djeljivi". Po etkom 1930-ih kolektivan rad J. J. Thomsona, Ernesta Rutherforda, Nielsa Bohra i Jamesa Chadwicka uspostavio je model atoma nalik na Sun ev sustav, koji ve inom dobro poznajemo. Daleko od toga da su elementarne sastavnice materije, atomi se sastoje od jezgre, koja sadrži protone i neutrone, a okružuje ju roj elektrona u orbitama. Neko vrijeme su mnogi fizi ari mislili da su protoni, neutroni i elektroni gr ki "atomi". No, 1968. su eksperimentatori u stanfordskom Centru za linearne akceleratore, služe i se pove anim tehnološkim mogu nostima za prodor u mikroskopske dubine tvari, otkrili da ni protoni ni neutroni nisu fundamentalni. Umjesto toga, dokazali su da se oni sastoje od tri manje estice, nazvane kvarkovi - nadahnut odlomkom iz Finneganova bdijenja Jamesa Joycea, to duhovito ime nadjenuo im je teorijski fizi ar Murray Gell-Mann,

koji je još prije naslu ivao da postoje. Eksperimentatori su potvrdili da se kvarkovi dijele na dvije vrste, koje su dobile nešto manje kreativna imena: gornji i donji. Proton se sastoji od dva gornja kvarka i jednog donjeg, a neutron od dva donja i jednog gornjeg. Sve što vidite na zemlji i na nebu na injeno je od kombinacija elektrona, gornjih kvarkova i donjih kvarkova. Nijedan eksperimentalni podatak ne nazna uje da bi se neka od te tri estice sastojala od ne ega manjega. No, mnoštvo dokaza upu uje na to da univerzum ima i dodatne esti ne sastojke. Sredinom 1950-ih Frederick Reines i Clyde Cowan eksperimentima se pronašli nesporne dokaze o etvrtoj fundamentalnoj estici, nazvanoj neutrino - estici koju je poetkom 1930-ih predvidio Wolfgang Pauli. Pokazalo se da je neutrine teško prona i jer su to estice-duhovi koje rijetko stupaju u interakcije s drugom materijom: neutrino prosje ne energije lako može pro i kroz mnogo bilijuna kilometara 28

olova a da to uop e ne utje e na njegovo gibanje. Sad biste trebali odahnuti, jer upravo sada, dok ovo itate, kroz vaše tijelo i kroz Zemlju prolaze milijarde neutrina koje je na poetku njihova usamljenog puta kroz svemir izbacilo Sunce. Krajem 1930-ih, fizi ari koji su prou avali kozmi ke zrake (snopove estica koji bombardiraju Zemlju iz svemira), otkrili su drugu esticu, nazvanu mion - istovjetnu elektronu, osim što je mion oko 200 puta teži. Budu i da u kozmi kom poretku nije bilo ni ega što bi zahtijevalo postojanje miona - nikakve neriješene zagonetke, nikakve prikladne niše - fizi ar estica i nobelovac Isidor Isaac Rabi nije baš dobrodošlicom pozdravio otkri e miona: "Ma tko je to naredio?" - rekao je. No ipak, mion je bio tu. A to je bio tek po etak. Služe i se sve mo nijom tehnologijom, fizi ari su i dalje sudarali komadi e tvari, sve ve om energijom, na trenutak stvaraju i uvjete nevi ene nakon velikog praska. U krhotinama nastalim nakon sudara tražili su nove fundamentalne sastojke i dodavali ih sve duljem popisu estica. Evo što su

pronašli: još etiri kvarka: za arani, udni, dubinski i vršni, te još jednog, još težeg ro aka elektrona, nazvanog tau, kao i dvije druge estice sa svojstvima sli nima neutrinu (nazvane su mionski neutrino i tauonski neutrino kako bi ih se razlikovalo od originalnog neutrina, koji sada nosi ime elektronski neutrino). Te estice nastaju visokoenergijskim sudarima i postoje tek na trenutak; one nisu sastojci ni ega na što obi no nailazimo. No ak ni to nije kraj cijele pri e. Sve te estice imaju partnersku anti esticu - esticu identine mase ali suprotnu u nekim drugim aspektima, kao što je elektri ni naboj (a i naboji drugih sila, koje emo razmotriti u daljnjem tekstu). Na primjer, elektronova anti estica zove sepozitron - ima posve jednaku masu kao i elektron, ali njegov elektri ni naboj je +1, dok je elektri ni naboj elektrona -1. Kad se dotaknu, materija i antimaterija mogu se poništiti i tako stvoriti istu energiju - zato u svijetu oko nas ima iznimno malo antimaterije koja se prirodno pojavljuje. 29

Fizi ari su uo ili pravilnost u tim esticama, prikazanu u tablici 1.1. Materijalne estice uredno su razvrstane na tri skupine, koje se esto naziva porodicama. Svaka porodica sadrži dva kvarka, jedan elektron ili nekog njegova ro aka, i jednu vrstu neutrina. Komplementarne vrste estica u trima porodicama imaju ista svojstva, osim mase, koja je u svakoj porodici sve ve a. To zna i da su fizi ari dosad istražili strukturu materije do razmjera od milijardinke milijardinke metra i dokazali da se sve na što smo dosad naišli - bilo da se pojavljuje prirodno ili je nastalo umjetno u velikim razbija ima atoma - sastoji od neke kombinacije estica iz tih triju porodica i od njihovih antimaterijalnih partnera. Porodica 1 estica Masa elektron 0,00054 elektronski neutrino