Jak się patrzy na świat fizyczny, to jest on podzielony na świat kwantowy i klasyczny. OTW należy do świata klasycznego. Od samego początku fizycy zastanawiali się, jak będzie wyglądać kwantowa wersja OTW i prawie od stu lat próbują „kwantować" grawitację. Wydaje mi się, że połączenie tych dwóch światów może doprowadzić do zupełnie nowego spojrzenia na zjawiska zachodzące przy bardzo wysokich energiach. Mamy teorie, które wspaniale sprawdzają się w zakresie klasycznym oraz kwantowym, ale fizycy czują ich ograniczenia. Dalej jest ocean nieznanego i nikt nie wie, co się tam dzieje. Mam nadzieję, że jednak doczekamy nowej wizji świata bez tej dychotomii „świat klasyczny – świat kwantowy", tylko będzie to coś niezwykłego.
Prof. Ferreira twierdzi, że po OTW można się jeszcze spodziewać doniosłych rezultatów. Czym jeszcze teoria Einsteina może nas zaskoczyć?
W dziedzinie OTW fizycy bynajmniej nie spoczęli na laurach. Powodem do niepokoju jest koncepcja ciemnej materii. Okazało się, że aby wyjaśnić własności galaktyk i Wszechświata, trzeba założyć istnienie innych cząstek, bardzo słabo oddziałujących ze zwykłą materią, z którą mamy do czynienia na co dzień. Ciemną materię odkryto dzięki jej oddziaływaniom grawitacyjnym. Nikt cząstek ciemnej materii nie widział, ale ich ewentualne istnienie wykracza poza model standardowy cząstek, który tym samym nie może być kompletny. Ale nawet rozszerzenie tego modelu nie będzie oznaczać końca pracy, bo pozostaje grawitacja, którą też by trzeba do tego modelu włączyć. Mamy przecież hipotetyczną, przewidzianą przez OTW cząstkę nazwaną grawitonem – też gdzieś dla niej musi znaleźć się miejsce.
Czy same równania OTW mogą ukrywać w sobie niespodziewane rozwiązania, opisujące nowe zjawiska czy też otwierające do nich drogę? Czy mogą się one kryć w gąszczu tej wyrafinowanej matematyki?
Myślę, że w OTW ciągle tkwią możliwości, że ktoś tam zauważy coś nowego. Teoria ta opiera się na koncepcji, że świat jest czterowymiarowy: czas plus trzy wymiary przestrzenne. Bardzo szybko po sformułowaniu OTW pojawiła się koncepcja, żeby zobaczyć, co się stanie, jeżeli świat ma pięć wymiarów. Okazała się rzecz fascynująca, której do tej pory nie rozumiemy – pięciowymiarowy świat jest taki jak nasz plus oddziaływania elektromagnetyczne. W pewnym sensie pięciowymiarowy świat pozwala powiązać grawitację ze zjawiskami elektromagnetycznymi, choć wydaje się, że jedno z drugim nie ma nic wspólnego. Matematyka, struktura tych równań, podpowiadają: a może jednak?
Czy OTW można uznać za ostateczny model grawitacji?
W fizyce nie ma modeli ostatecznych. Popatrzmy na to z perspektywy historycznej: jak Newton odkrył prawo powszechnej grawitacji, to wydawało się, że złapaliśmy Pana Boga za nogi, bo wszystko stało się jasne. Była to teoria, która wspaniale sprawdzała się na Ziemi i w bliskim kosmosie, znakomicie opisywała nasz układ planetarny – czego chcieć więcej? Potem okazało się, że nie zgadza się ona ze szczególną teorią względności. U Newtona oddziaływania rozchodzą się natychmiast, z nieskończoną prędkością. Zdaniem Einsteina tak być nie może, granicą jest tu prędkość światła. Trzeba było teorię Newtona zmienić i tak powstała ogólna teoria względności.
OTW ma kłopoty na dwóch biegunach: w paśmie bardzo wysokich energii, czyli w czarnych dziurach, i w bardzo niskich energiach – z naszego punktu widzenia – czyli na poziomie kwantowym. OTW staje się tam niewydolna i wymaga ulepszenia. Sam Einstein, gdy ją publikował, uważał, że jest niedokończona, że czegoś jej brakuje i jest częścią czegoś większego.
Świadczą o tym choćby kłopoty ze stałą kosmologiczną, którą Einstein najpierw przyjął, a potem się jej wyparł. Fizycy jakoś ją mierzą, nadają jej wymiar liczbowy, ale wciąż nie wiadomo na pewno, czy ona jest różna od zera. Efekty podobne do stałej kosmologicznej mogą powodować jakieś pola skalarne. Jeżeli nawet obserwacje potwierdzą, że stała kosmologiczna jest różna od zera, to narzuca się kolejne pytanie: kto i jak ustalił jej wartość. Trzeba znaleźć fizyczny proces, który za nią stoi.
Od lat słyszy się o obalaczach teorii Einsteina, o alternatywnych wobec OTW teoriach grawitacji. Co pan myśli na ten temat?
Nauka jako dziedzina nie ma żadnych ograniczeń. Jeżeli ktoś chce się zajmować innymi teoriami grawitacji – proszę bardzo. Wedle mojego odczucia próby modyfikowania OTW na razie do niczego dobrego nie doprowadziły. Za każdym razem dochodzi przy tym do psucia tego pięknego tworu, jakim jest OTW, a rezultat jest niezadowalający.
Niektóre z tych prób polegają na eliminacji kluczowego dla OTW pojęcia czasoprzestrzeni, która u Einsteina jest podstawową tkanką naszej rzeczywistości. Jeżeli czasoprzestrzeni nie ma albo ma ona strukturę ziarnistą, to Einstein nie miał racji?
Jest to problem kwantowej teorii grawitacji, której wciąż nie mamy i nie bardzo widać, skąd by się pojawiła. Na horyzoncie rysuje się cała masa prób, ale na moje wyczucie żadna z nich nie jest dostatecznie radykalna, żeby doprowadzić do powiązania kwantów ze światem klasycznym – również na poziomie czasoprzestrzeni. Jestem pewien, że nasze podejście do kwantów i grawitacji trzeba zmienić, aby znaleźć kwantowy wariant OTW. On może bardzo odbiegać od schematów, których używamy w tej chwili.
Dlaczego to jest takie trudne?
Za mało wiemy. Jest to kryzys wyobraźni – nie potrafimy sobie wyobrazić, jak ten kwantowy świat uwzględniający grawitację i czasoprzestrzeń mógłby wyglądać. Są tam rzeczy, które przechodzą ludzkie pojęcie i nawet wyobraźnią nie jesteśmy w stanie tego w tej chwili ogarnąć.
Fizyka zajęła się badaniem zjawisk tak subtelnych, że zaczyna brakować narzędzi do tych badań. Możemy zbudować narzędzia pomiarowe z tej materii, którą dysponujemy – ale ona okazuje się zbyt ordynarna do potraktowania tych subtelnych zjawisk. Nie bardzo widać z tego wyjście, bo nikt nam nie da innej materii.
Kryzys dotyczy raczej koncepcji, bo jeśli chodzi o możliwości obserwacyjne, to tu mamy jeszcze rezerwy. Za naszego życia nastąpiła rewolucja wywołana wynalezieniem tranzystora, co dało początek całej technice komputerowej. Innym odkryciem tej rangi był laser. Gdyby nie lasery, w wielu dziedzinach bylibyśmy w ciemnym lesie. Bez lasera o odkryciu fal grawitacyjnych nie byłoby mowy.
Zjawiska na poziomie kwantowym być może umożliwią stworzenie komputera kwantowego. Możliwość manipulowania na poziomie atomowym, czyli nano, doprowadzi do nowych materiałów i sposobów detekcji. W materii są ukryte jeszcze takie możliwości, z których dziś nie zdajemy sobie sprawy, a które zostaną rozpoznane i wydobyte jutro. Mam nadzieję, że te nowe sposoby i technologie pomogą nam tam, gdzie dziś nie dajemy sobie rady.
— Rozmawiał Marek Oramus, pisarz, dziennikarz, specjalizujący się w zagadnieniach cywilizacyjnych
Prof. Marek Demiański jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Specjalizuje się w astrofizyce relatywistycznej i kosmologii. Był kierownikiem dwóch konsorcjów przygotowujących misję satelity Planck
PLUS MINUS
Prenumerata sobotniego wydania „Rzeczpospolitej”:
prenumerata.rp.pl/plusminus
tel. 800 12 01 95