Tajemnice niektórych z największych zagadek wszechświata, uważa Sera Cremonini, mogą leżeć w zachowaniu jego najdrobniejszych składników.
Rozważmy początek wszechświata. W ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu 14 miliardów lat temu, ogromna ilość ciasno zamkniętej materii eksplodowała w supergorące morze subatomowych cząstek.
Rozważmy też czarne dziury, które powstają, gdy zapadają się masywne gwiazdy. Ściskają one materię tak gęsto, że nic, co wchodzi w ich obszar, nigdy nie wydostaje się na zewnątrz, nawet światło.
Jak oddziaływały pierwsze cząstki wszechświata? Jak tworzyły kwarki i jak się łączyły, tworząc pierwsze protony i neutrony? I jakie prawa rządzą „grawitacyjną osobliwością” czarnej dziury, rozdarciem w czasoprzestrzeni, gdzie gęstość i grawitacja stają się nieskończone?
Cremonini, asystent profesora fizyki, bada te pytania przez pryzmat teorii strun, która twierdzi, że każda cząstka we wszechświecie jest wykonana z maleńkich wibrujących strun energii. Mierząc zaledwie 10-34 metrów, struna porównuje się pod względem wielkości do kwarka, tak jak atom porównuje się pod względem wielkości do Ziemi.
Struny są obiektami jednowymiarowymi, posiadającymi długość, ale nie szerokość. Mogą być otwarte, tworzyć zamkniętą pętlę lub dołączać do membran lub rozgałęzień, które mogą być maleńkie lub wypełniać cały wszechświat. Podobnie jak struny gitarowe nastrojone na różne częstotliwości, wibracje strun mogą być powiązane z różnymi cząstkami, które znamy. Jedna z nich odpowiada grawitonowi, cząstce, która, jak się uważa, przenosi siłę grawitacji. Sposób, w jaki struny i membrany układają się i oddziałują ze sobą, daje początek właściwościom cząstek subatomowych, które obserwujemy.
„Idea stojąca za teorią strun jest prosta”, mówi Cremonini. „Zajrzyj w głąb jakiejkolwiek cząstki, a zobaczysz maleńką wibrującą strunę. Jest to fundamentalna jednostka, której szukaliśmy, fundamentalna jednostka, która tworzy wszystko.”
Teoria strun, mówi Cremonini, jest najlepszą z dotychczas opracowanych ram, które stanowią pomost pomiędzy dwiema niezgodnymi teoriami opisującymi działanie wszechświata. Ogólna teoria względności Alberta Einsteina naucza, że grawitacja jest zagięciem przestrzeni i czasu; jest deterministyczna i opisuje zjawiska na wielką skalę. Mechanika kwantowa jest probabilistyczna; reguluje zachowanie cząstek atomowych i subatomowych.
„Ogólna teoria względności Einsteina jest piękną, dobrze sprawdzoną teorią, która mówi nam, jak masywne obiekty wypaczają strukturę czasoprzestrzeni” – mówi Cremonini. „Dzięki niej mamy systemy GPS, rozumiemy orbity planet i ugięcie światła wokół galaktyk. W zeszłym roku eksperyment LIGO po raz pierwszy wykrył fale grawitacyjne, które Einstein przewidział 100 lat wcześniej. Są to tętnienia w samej czasoprzestrzeni, spowodowane zderzeniem dwóch czarnych dziur, spektakularne potwierdzenie ogólnej teorii względności.
„Ale ogólna teoria względności działa dobrze tylko na dużych odległościach lub w dużych skalach – z planetą, jabłkiem lub samolotem. Teoria ta nie jest w stanie opisać grawitacji wszędzie we wszechświecie. Załamuje się ona, gdy przechodzimy na bardzo, bardzo małe odległości, gdzie efekty mechaniki kwantowej nie mogą być ignorowane.
„Ogólna teoria względności i mechanika kwantowa dobrze wyjaśniają swoje reżimy, ale potrzebujemy teorii, teorii kwantowej grawitacji, która zjednoczy je obie, aby opisać sytuacje, w których efekty grawitacyjne i kwantowe są równie ważne. Teoria strun jest w tej chwili najbardziej obiecującą i spójną strukturą, jaką dysponujemy, by rzucić światło na kwantową naturę grawitacji. Jest to zestaw narzędzi, których możemy użyć, aby odpowiedzieć na pytania o początek wszechświata, zachowanie i własności czarnych dziur oraz strukturę czasoprzestrzeni. Wszystkie te idee łączą się ze sobą.”
Cremonini otrzymał ostatnio trzyletni grant od National Science Foundation na badanie mikrostruktury czasoprzestrzeni, czterowymiarowego kontinuum, w które z czasem wplecione są trzy wymiary fizyczne. Wykorzystując technikę zwaną holografią, ma ona nadzieję rzucić światło na zjawiska począwszy od bezpośrednich następstw Wielkiego Wybuchu, poprzez strukturę i właściwości czarnych dziur, aż po zachowanie niekonwencjonalnych materiałów, takich jak wysokotemperaturowe nadprzewodniki.
Sferyczna krowa
Cremonini rozpoczyna większość swoich badań z ołówkiem i kartką papieru, pisząc równania różniczkowe niewiele bardziej skomplikowane od tych, które studenci uczą się rozwiązywać na studiach. Są to równania ogólnej teorii względności z kwantową teorią pola i teorią strun.
„Wiele z tych obliczeń wymaga fizycznej intuicji”, mówi. „Niektóre z nich można wykonać ręcznie. Kiedy już ustawię problem we właściwy sposób, wtedy korzystam z pomocy komputera.
Jak większość fizyków, Cremonini przyjmuje wiele przybliżeń i założeń dotyczących świata rzeczywistego. Jest to szczególnie ważne w przypadku teorii strun, ponieważ naukowcy nie opracowali jeszcze narzędzi, które umożliwiałyby produkcję lub obserwację strun.
„W fizyce jest taki dowcip o kulistej krowie” – mówi. „Większość problemów, nad którymi pracują fizycy, wymaga od nas dokonywania przybliżeń świata rzeczywistego, na przykład wzięcia krowy i zrobienia z niej kuli, ponieważ kulę jest o wiele łatwiej modelować niż prawdziwą krowę.
„Nie mamy narzędzi matematycznych do rozwiązania pewnych problemów, więc jesteśmy zmuszeni do dokonywania uproszczeń i przybliżeń, które sprowadzają je do czegoś, z czym możemy sobie poradzić. Musimy odnieść problem, którego nie potrafimy rozwiązać, do czegoś, co wiemy, że jest rozwiązywalne bez utraty jego istotnych właściwości fizycznych.”
Słownik grawitacyjno-kwantowy
Dwoistość w teorii strun, mówi Cremonini, daje wgląd w to, jak grawitacja odnosi się do świata mechaniki kwantowej. Niektóre aspekty czasoprzestrzeni grawitacyjnej, jak mówi, mają alternatywne opisy w świecie kwantowym.
„W teorii strun dowiadujemy się, że pewne teorie grawitacji, które żyją w określonej liczbie wymiarów, mają odpowiadające im i całkowicie równoważne opisy w teoriach kwantowych, które żyją w jednym wymiarze mniej. Ze względu na tę różnicę w liczbie wymiarów nazywamy to holografią, ponieważ przypomina to hologram, który jest projekcją obiektu trójwymiarowego na dwa wymiary.”
Jak w słowniku francusko-niemieckim lub japońsko-angielskim, mówi Cremonini, teoria grawitacji i odpowiadająca jej teoria kwantowa zawierają tę samą ilość informacji, ale są zapisane za pomocą różnych słów i konwencji. Holografia oferuje „bogatą sieć” powiązań, mówi Cremonini, które umożliwiają tłumaczenie między grawitacją a światem kwantowym oraz zupełnie nowe myślenie o niektórych z ich najtrudniejszych aspektów. Jak się okazuje, problem, który jest trudny do rozwiązania w jednej dziedzinie, można przełożyć na drugą – zazwyczaj grawitacyjną – gdzie można go łatwiej rozwiązać.
Ocena asymetrii rzeczywistości
Celem obecnych badań Cremonini jest rozszerzenie zakresu problemów, do których można skutecznie zastosować techniki holograficzne.
„Techniki holograficzne zostały pierwotnie opracowane dla prostych systemów, które dobrze się zachowują, mają dużo symetrii i nie są zbyt realistyczne” – mówi. „Odkryliśmy, że te techniki są znacznie szersze i całkiem potężne. Pytam, jak bardzo możemy rozszerzyć i uogólnić te pomysły na bardziej złożone systemy z mniejszą symetrią, które są bliższe naszemu wszechświatowi, a zatem bardziej realistyczne.
„Fizycy lubią myśleć o rzeczach w kategoriach symetrii. Większość naszego postępu, szczególnie w fizyce cząstek elementarnych, opiera się na zrozumieniu systemów, które są wysoce symetryczne; są one po prostu łatwiejsze do zrozumienia. Ale w prawdziwym życiu natura ma wiele mechanizmów łamania symetrii, a procesy są dynamiczne i o wiele bardziej skomplikowane.”
Problemy, które stanowią największe wyzwanie dla fizyków, mówi Cremonini, zazwyczaj dotyczą układów, których składniki – na przykład elektrony – silnie ze sobą oddziałują. W takich przypadkach modelowanie zachowania układów w różnych temperaturach lub ich przejść fazowych z jednego stanu do drugiego jest notorycznie trudne.
Jedno z takich przejść fazowych, które badał Cremonini, występuje w układzie kwantowym zwanym plazmą kwarkowo-gluonową. Zgodnie z teorią chromodynamiki kwantowej (QCD), protony i neutrony tworzące jądro atomu składają się z trzech małych kwarków, które są ściśle związane ze sobą przez cząstki zwane gluonami. Przy wystarczająco wysokich energiach, w zjawisku, które jest echem stanu wczesnego wszechświata, kwarki i gluony fizycznie rozdzielają się i swobodnie unoszą się w gorącej zupie, czyli plazmie. Przejście fazowe, które rozłącza kwarki znane jest jako dekonfinacja QCD i jest przedmiotem eksperymentów w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów w Brookhaven National Laboratory oraz w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych w Szwajcarii.
„Ze względu na silne oddziaływania pomiędzy kwarkami i gluonami,” mówi Cremonini, „system ten jest bardzo trudny do badania. Ale można go odwzorować na odpowiedni układ grawitacyjny, gdzie niektóre z jego właściwości są znacznie łatwiejsze do zbadania.”
Gdy energia rządzi zachowaniem
W swoim projekcie NSF, Cremonini stara się wykorzystać techniki holograficzne do badania kwantowych faz materii, których zachowanie jest słabo poznane, właśnie z powodu tak silnych oddziaływań. Przykładem są nadprzewodniki wysokotemperaturowe, które osiągają nadprzewodnictwo w temperaturach tak wysokich jak -70 stopni Celsjusza, w porównaniu z progiem -240 stopni dla zwykłych metalicznych materiałów nadprzewodzących.
Ponieważ posiadają one silnie oddziałujące składniki, mówi Cemonini, nadprzewodniki wysokotemperaturowe są znacznie trudniejsze do modelowania niż zwykłe nadprzewodniki.
„Nadprzewodniki wysokotemperaturowe są bardzo interesującymi materiałami, ale nie ma głębokiego zrozumienia dlaczego one nadprzewodzą,” mówi. „Zachowanie składników tych materiałów jest bardzo dziwne. Ich elektrony są tak splątane i oddziałują ze sobą tak silnie, że nie jesteśmy w stanie zrozumieć ich zachowania używając technik, które normalnie stosowalibyśmy w przypadku zwykłych nadprzewodników lub konwencjonalnych metali. Techniki holograficzne dają nam sposób na napisanie wykonalnych obliczeń, które umożliwiają modelowanie tych systemów i ich niezwykłych właściwości.”
Zachowanie wielu systemów można porównać do zachowania dzieci doświadczających haju wywołanego cukrem. Kiedy energia jest usuwana z systemu, mówi Cremonini, system relaksuje się do jego zerowej energii lub stanu podstawowego. Kiedy energia jest dodawana, często z zastosowaniem ciepła, system staje się pobudzony i wykazuje bogate zachowanie.
„W fizyce, ważne jest, aby zrozumieć, jak systemy zachowują się, gdy odprowadzasz ich energię i do jakiego stanu się odprężają. Zachowanie jest funkcją energii.
„Pomyśl o tym, co się dzieje, gdy woda wrze. Tworzy się bąbel – niestabilność w systemie – i zaczyna rosnąć. Następnie tworzy się więcej bąbelków i rośnie w parującą masę. Tak właśnie myślimy o przejściach fazowych; są one tam, ponieważ tworzy się niestabilność, a następnie rośnie. W mojej pracy badam różne fazy kwantowe i rodzaje niestabilności, które mogą z nich wynikać.”
W swoim projekcie NSF, Cremonini bada również jak grawitacja wyłania się z mikroskopijnych, kwantowo-mechanicznych składników. Ma nadzieję, że jej odpowiedzi rzucą światło na strukturę czasoprzestrzeni, początek i wczesną ewolucję wszechświata oraz fizykę czarnych dziur.
„Teoria strun dała nam wiele wglądów w związek pomiędzy ogólną względnością a mechaniką kwantową, szczególnie w ciągu ostatnich 20 lat. Pomogła nam ona poznać fundamentalną strukturę czarnych dziur. Wiemy, że czarne dziury mają temperaturę, co oznacza, że jest z nimi związana entropia. Ale entropia jest nie tylko miarą nieporządku. Mówi nam ona również, że czarna dziura powinna składać się z wielu mikroskopijnych kawałków. Jednym z wielkich sukcesów teorii strun jest to, że dała nam ona sposób na obliczenie mikroskopijnych kawałków, z których składają się pewne czarne dziury i bardzo dokładnie odtworzyła ich entropię. Jest to niezwykłe, i jest to konieczność dla każdej teorii kwantowej grawitacji.
„Być może istnieje inna teoria, która może opisać wszystkie te zjawiska. To możliwe, ale jak na razie teoria strun to najlepsze ramy, jakie mamy.”
Opowiadał Kurt Pfitzer
.