Teoria Strun IV [Supersymetria]

Wyobraźmy sobie Wszechświat w którym prawa fizyki zachowane są lokalnie. Innymi słowy w różnych miejscach Wszechświata obowiązują różne prawa. Nie byłoby to zbyt przyjemne dla nauki. Za każdym razem naukowcy musieliby przeprowadzać te same doświadczenia w różnych miejscach, aby dowiedzieć się czegoś więcej na temat natury. Jeszcze większy zamęt odczulibyśmy, gdyby prawa natury zmieniały się z taką częstotliwością w czasie jak my zmieniamy skarpetki. Budzilibyśmy się rano i świat wokół nas byłby całkowicie inny niż ten wczorajszy. Nie byłoby wtedy sensu ustanawiać ogólnych praw rządzących przyrodą. Nie miałoby nawet sensu uprawianie nauki. Świat nauki w znaczącym stopniu zależy od tego czy prawa są niezmienne czy nie. Na szczęście wiele wskazuje na to, że są stałe. Świadczą o tym doświadczenia przeprowadzane przez naukowców związane z badaniem naszego otoczenia jak i odległych zakątków Wszechświata. Jesteśmy zatem głęboko wierzący w kwestii niezmienniczego charakteru praw fizyki. Użyłem słowa "wierzący" ponieważ nie mamy stuprocentowej pewności czy naprawdę tak jest. Nie byliśmy przecież na drugim krańcu Wszechświata i nie wykonaliśmy pomiaru, a więc niewykluczone że właśnie tam prawa fizyczne przybierają inną postać. Fizycy do określenia tej właściwości natury - niezależności praw fizycznych od miejsca i czasu - używają określenia symetrii natury. Innymi słowy natura każdą chwile i miejsce traktuje tak samo; symetrycznie. Daje nam to pewną przyjemność podobnie jak sztuka i jej symetria. Nie jest to jedyna własność symetrii, którą możemy zauważyć. Zasada względności mówi nam, że wszystkie prawa fizyczne muszą być takie same w każdym układzie niezależnie od tego z jaką stałą prędkością się porusza. Natura zatem traktuje każdego obserwatora w identyczny sposób; symetrycznie. Szczególna teoria względności pokazuje nam, że każdy obserwator zaobserwuje coś innego, gdy się porusza lecz obowiązują u niego te same prawa jak u każdego innego obserwatora. Co więcej zasada równoważności na której opiera się ogólna teoria względności mówi nam że prawa fizyką są identyczne nawet wtedy gdy obserwator porusza się skomplikowanym ruchem przyspieszonym. Możemy zauważyć jeszcze jeden rodzaj symetrii, która związana jest z przestrzenią i czasem. Gdy wykonamy pomiar za pomocą aparatury, to gdy obrócimy ją o pewien kąt i wykonamy pomiar ponownie to będzie on taki sam jak przed obrotem. Jest to tak zwana symetria obrotowa. Istnieją jeszcze tak zwane symetrie cechowania lecz mają one abstrakcyjny charakter i dotyczą symetrii niezwiązanych z czasoprzestrzenią. Następnym ciekawym rodzajem symetrii jest symetria związana z cząstkami elementarnymi. Omówimy ją zatem.

---

Tajemnicza symetria

---

Elektrony krążą w pewnym sensie wokół jądra atomowego podobnie jak Ziemia wokół Słońca. Wiemy też, że Ziemia obraca się wokół własnej osi. Pytanie brzmi: czy elektron krąży wokół własnej osi? Koncepcja cząstki punktowej raczej wyklucza taki scenariusz. Jeżeli coś obraca się wokół własnej osi, to środek jest w spoczynku, a punkty oddalone od środka mają pewną prędkość. Elektron jako cząstka punktowa nie posiada żadnych innych punktów. Wydaje się zatem, że coś jest nie tak z koncepcją cząstki punktowej. Do czasu aż na scenę wchodzą zjawiska kwantowomechaniczne. Fizycy w XX wieku zauważyli, że wiele tajemniczych zjawisk związanych ze światłem można wytłumaczyć przy założeniu że elektron posiada pewne właściwości magnetyczne. André Marie Ampère w XIX wieku pokazał, że magnetyzm jest skutkiem ruchu ładunku elektrycznego. Okazało się, że dane doświadczalne wskazywały na to, że jedyny ruch elektronu, który byłby z nimi zgodny to ruch obrotowy. Własność ta została nazwana spinem.

Elektron oczywiście obraca się wokół własnej osi tylko w pewnym sensie. Używamy tutaj terminów klasycznych, aby połowicznie przyswoić sobie te zjawiska. Nie jest to taki obrót jak obrót łyżwiarza. Łyżwiarz kiedyś przestanie się obracać wokół własnej osi. Elektron nigdy, a dodatkowo robi to ze stałą "prędkością". Po dalszych badaniach okazało się, że nie tylko elektrony posiadają spin.

Posiadają go wszystkie cząstki. Nawet cząstki przenoszące oddziaływania. Jedyna różnica jest taka, że mają różne wartości spinu. Innymi słowy mają inną prędkość obrotu. Naukowcy mogli nawet przewidzieć jaką wartość spinu musi mieć grawiton. I to jeszcze przed powstaniem teorii strun. Scherk i Schwarz pokazali na gruncie teorii strun, że rzeczywiście zawiera ona w swoim repertuarze strunę której drgania odpowiadają cząstce o spinie równym 2, to jest takiej która posiada właściwości grawitonu. Pokazali zatem ponownie, że teoria strun uwzględnia grawitacje.

No dobrze co ma jednak spin do symetrii natury. Wiemy że klasyczny ruch obrotowy prowadzi to tak zwanej niezmienniczości względem obrotu - symetrii obrotowej. Spin natomiast jest pewnym subtelnym rodzajem abstrakcyjnego obrotu. Może on też prowadzi do odmiennej zasady symetrii. Dokładnie w 1971 roku dowiedziono że tak! Matematyczne ujęcie choć dosyć skomplikowane pokazało, że istnieje jeszcze jeden rodzaj symetrii natury związanej ze spinem cząstek. Dla symetrii tej ukuto termin - supersymetria.

---

Supersymetria

---

Nie jest ona tak intuicyjna jak wyżej przedstawione symetrie natury. Wynika bezpośrednio ze skomplikowanych rachunków matematycznych i bardzo trudno zrozumieć czym jest i dlaczego się pojawiła. Jednym wynikającym z niej wnioskiem jest fakt, że jeżeli Wszechświat jest supersymetryczny to każda cząstka posiada swojego partnera, którego spin różni się o połówkę. Wiemy przecież, że cząstki materii posiadają spin równy 1/2, a cząstki przenoszące siły spin równy 1. Wygląda na to, że supersymetria doskonale ujednolica opis cząstek. Niestety w latach siedemdziesiątych fizycy chcieli zastosować koncepcję supersymetrii do modelu standardowego i zauważyli, że żadna z opisanych tam cząstek nie łączy się w pary. Okazało się dodatkowo, że jeżeli sumersymetria jest prawdziwa to każda cząstka musi posiadać swojego supersymetrycznego partnera. Jest to bardzo nieekonomiczne. Wydłuża dwukrotnie listę cząstek. Dodatkowo żaden supersymetryczny partner nie został wykryty. Dla przykładu jeżeli elektron posiada spin 1/2 to jego superpartner nazwany s-elektronem powinien mieć spin równy 0.

Supersymetria mimo wszystko pozwala na rozwiązanie wielu kwantowomechanicznych problemów związanych z oddziaływaniami podstawowymi lecz jest to temat na inny artykuł. Co jednak z teorią strun?

---

Teoria superstrun

---

Teoria strun o której pisałem w poprzednich rozdziałach ściślej nazywa się teorią strun bozonowych. Nazwa ta wynika z faktu, że dopuszczała ona tylko takie drgania struny, której spin był całkowity. Nie uwzględniała zatem drgań fermionowych, to jest strun o spinie połówkowym a wiemy przecież że cząstki materii posiadają spin połówkowy. Nie była ona zatem zupełna. Dodatkowo przewidywała istnienie drgań, które wskazywały na istnienie cząstek o ujemnej masie - tachionów. Na początku lat siedemdziesiątych fizyk o nazwisku Ramond postanowił włączyć do teorii strun bozonowych drgania fermionowe. Był to wyjątkowy moment. Powstała wtedy nowa teoria strun, ale to nie wszystko. Wynikało z niej, że drgania bozonowe i drgania fermionowe występują parami! Każde drganie bozonowe było odpowiednikiem innego drgania fermionowego i odwrotnie. Ujawniła się supersymetryczna natura teorii strun a nową zmodyfikowaną teorię nazwano supersymetryczną teorią strun lub krócej teorią superstrun. Fascynujące jak wszystko po kolei zaczęło się układać. Okazało się nawet, że drgania tachionowe nie mają wpływu na superstrunę, dzięki czemu fizyka pozbyła się frustrującego problemu.

Teoria superstrun jeszcze bardziej zbliżyła się do celu unifikacji wszystkich oddziaływań. Uwzględniała drgania fermionowe, pozbyła się problemu z tachionami. Ukazała piękno supersymetrii no i jak już wiemy spaja ze sobą grawitacje i oddziaływania kwantowe. Było jednak coś co sprawiało mały problem. Jak zawsze zresztą...

Wyobraź sobie, że spotykasz swojego kolegę i mówi on do Ciebie, że rozwiązał zagadkę piramid egipskich. Pokazuje on Tobie dowody i przekonuje Ciebie o swojej racji. Uznajesz to za bardzo przekonującą teorię, po czym mówi on Tobie, że jest to jedno potencjalne wyjaśnienie i zaczyna pokazywać Tobie drugie równie przekonujące. Następnie przedstawia Tobie trzecie czwarte i piąte wytłumaczenie. Wszystkie doskonale udowodnione. Coś byłoby nie tak. Wyjaśnienie może być tylko jedno. Podobnie sprawa się miała z teorią superstrun. Okazało się, że supersymetrie można było dołączyć do teorii strun na pięć różnych sposobów i każdy wydawał się prawidłowy, lecz w szczegółach różniły się od siebie znacznie. Oto one:

Teoria typu I
Teoria typu IIA
Teoria typu IIB
Teoria heterotyczna SO(32)
Teoria heterotyczna E8xE8

Było to bardzo niepokojące. Uważano, że tylko jedna z nich jest prawdziwa, lecz która? Na szczęście okazało się potem, że wszystkie pięć różnych teorii to tak na prawdę jedna spójna teoria superstrun, ale o tym w przyszłości. Wszystko idzie gładko. Okaże się jednak, że unifikacja na gruncie teorii superstrun wymaga od nas całkowitej zmiany jeżeli chodzi o nasze pojęcie czasu i przestrzeni w takim stopniu, że sam Einstein byłby zdziwiony. No przecież Wszechświat byłby nudny gdyby zawierał tylko trzy wymiary przestrzenne.