Nauka

Piąty wymiar Lisy

Czas, przestrzeń i coś jeszcze

Według Randall i Sundruma cały wszeświat, poza grawitacją, jest zamknięty w czterech wymiarach. Ale jest jeszcze jeden wymiar, w którym oddziaływuje grawitacja. Według Randall i Sundruma cały wszeświat, poza grawitacją, jest zamknięty w czterech wymiarach. Ale jest jeszcze jeden wymiar, w którym oddziaływuje grawitacja. Domen Colja / PantherMedia
Jest niebywale utalentowana, wściekle pracowita, wymyśliła jedną z najbardziej wyrafinowanych teorii budowy Wszechświata. Ale kto słyszał o Lisie Randall?
Lisa Randall jest młoda, obdarzona niebywałą inteligencją i aktywna zawodowo. Ktoś taki jest skazany na karierę.PAP Lisa Randall jest młoda, obdarzona niebywałą inteligencją i aktywna zawodowo. Ktoś taki jest skazany na karierę.

Artykuł w wersji audio

Lisa Randall jest autorką jednego z najbardziej frapujących modeli teoretycznych Wszechświata. W nieoficjalnych rankingach, uwzględniających liczbę i rodzaj cytowań prac naukowych, jej nazwisko pojawia się w ścisłej czołówce – tuż obok gigantów fizyki, takich jak Steven Weinberg i Edward Witten, ponad Stephenem Hawkingiem, Rogerem Penrose’em czy Maxem Tegmarkiem. Ponadto Randall jest młoda i obdarzona przymiotami nie tylko intelektu (na blogu naukowym Cosmic Variance toczyła się dyskusja, czy wypada porównywać urodę Amerykanki do wdzięków Jodie Foster, czy nie). Jest też niebywale aktywna, nie tylko zawodowo. Zasiada w licznych komitetach naukowych, napisała libretto do opery Héctora Parra o dodatkowych wymiarach Wszechświata, uprawia wspinaczkę skałkową. Czyta Herberta, Sontag i Lampedusę, ale uwielbia też Wodehousa, ogląda dobre seriale („Mad Men”), cytuje Björk i Eminema. Wprawdzie dwie jej książki popularnonaukowe znalazły licznych czytelników, a „Time” i „Newsweek” umieściły Randall na listach najbardziej wpływowych intelektualistów ostatnich lat, a mimo to wciąż pozostaje ona w cieniu innych fizyków, płci męskiej. Dlaczego? Bo nie czaruje.

Strunowcy kontra modelarze

Randall zajmuje się prawdopodobnie najbardziej wyrafinowanymi matematycznie i konceptualnie dziedzinami fizyki – teorią strun i wyrastającą z niej M-teorią. Są one równie obiecujące, co kontrowersyjne. Streszczanie ich złożonej historii i założeń byłoby skazane na porażkę, powiedzmy więc tylko tyle, że są narzędziami, które fizycy wynaleźli, by zespolić dwie wielkie, wspaniałe teorie: mechanikę kwantową oraz ogólną teorię względności. Pierwsza opisuje wydarzenia w skali mikro, druga – w skali kosmologicznej. Obie powstały niemal równolegle, mniej więcej wiek temu. Jednak jak wpleść oddziaływania grawitacyjne w opis zjawisk zachodzących w świecie cząstek elementarnych, jak spójnie ująć matematycznie wszystkie oddziaływania fizyczne – tego wciąż nie wie nikt.

Pewne rozwiązania podsunęła rozwijana od lat 70. ubiegłego wieku teoria strun. W 1974 r. John Schwarz (Amerykanin, dziś California Institute of Technology) i Joël Scherk (nieżyjący już fizyk francuski) w jednym z wielu przebłysków geniuszu dostrzegli w splątanych wątkach dotychczasowych teorii kandydatkę na teorię wszystkiego. Według nich, bazowym elementem rzeczywistości miałyby być struny, czyli (hipotetyczne) maleńkie obiekty o rozmiarach 10-35 m, których drgania (oscylacje) postrzegamy jako masy, ładunki, spiny i inne własności znanych nam cząstek elementarnych. Z czasem teorię strun rozwinięto, dokładając element tak zwanej supersymetrii. Zakłada on, że ekosystem cząstek jest bardzo złożony, bo każdej z nich odpowiada supersymetryczny partner (mamy więc kwarki i skwarki, elektrony i selektrony itd.). W trakcie dalszych dociekań fizycy zauważyli, że struny mogą być tylko szczególnym, jednowymiarowym przypadkiem innych obiektów – nazwanych branami – które mogą się rozciągać w dowolnej liczbie wymiarów. Być może cały nasz czterowymiarowy Wszechświat to nic innego, jak taki kosmologiczny obiekt zanurzony w przestrzeni o większej liczbie wymiarów.

W teorii strun pokładano olbrzymie nadzieje. To była prawdziwa rewolucja. Niepokoiła jednak, między innymi, mnogość różnych, równoważnych (dualnych) sformułowań teorii. Dopiero w 1995 r. Edward Witten, gigant (zwany też papieżem) współczesnej fizyki z Institute for Advanced Study, wyjaśnił kolegom, że większość z nich jest równoważna i że można je przedstawić w formie jednej, wielkiej M-teorii. Co znaczy tajemnicze M, Witten przewrotnie nie doprecyzował. Może mysterious (tajemnicza)? Może magical (magiczna)? Może mother (matka)? A może raczej missing (brakująca)?

Powyższe teorie mają i mniej wdzięczne oblicze. Po pierwsze, wchodzą na niezbadany jeszcze teren matematyki. Po drugie, operują w zakresie skal i energii nieosiągalnych dla współczesnych i prawdopodobnie także przyszłych eksperymentatorów. Po trzecie, mają sens tylko w 10 lub 11 wymiarach, z których wszystkie – poza czterema – są zwinięte do mikroskopijnych rozmiarów (poniżej tzw. skali Plancka). Choć istnienie dodatkowych wymiarów wynika bezpośrednio z prac Einsteina, także i one prawdopodobnie zawsze będą poza zasięgiem analizy doświadczalnej. Po czwarte, teorie owe generują niezliczone rozwiązania, sugerując, że nasz Wszechświat z jego prawami fizyki jest tylko jedną z kwadrylionów jego możliwych realizacji – co jest co najmniej zastanawiające.

Mając tak mocne argumenty do dyskusji, fizycy podzielili się na dwa, niemal antagonistyczne obozy, odgrywając kolejną odsłonę dramatu o antycznej proweniencji. Zwolennicy strun i bran stanęli po stronie Platona, który wierzył w istnienie prawd absolutnych. Naprzeciwko ustawili się duchowi spadkobiercy Arystotelesa, przedkładający konkret ponad teorie piękne, ale pozostające w bliżej nieokreślonym związku z rzeczywistością. Ci ostatni to bardzo liczni fizycy ulepszający od lat Model Standardowy – może nie najpiękniejszą, ale skuteczną i systematycznie potwierdzaną doświadczalnie teorię, obejmującą trzy z czterech podstawowych oddziaływań.

Kiedy Lisa Randall studiowała na Harvardzie w latach 80., panowie z przeciwnych drużyn nie podawali sobie rąk. Wkrótce, także za sprawą Amerykanki, miało się to zmienić.

Nos plus szczęście

Randall urodziła się w 1962 r., w nowojorskim Queensie, który w powszechnym przekonaniu do Manhattanu ma się mniej więcej tak jak Praga Północ do Żoliborza. Jej ojciec pracował jako reprezentant handlowy, matka zajmowała się głównie domem. Nie słyszano o przypadkach naukowców w rodzinie. Tymczasem Lisa okazała się utalentowaną matematycznie uczennicą, a potem takąż studentką. Wybrała fizykę, bo – jak opowiada – chciała zajmować się czymś, co nosi znamiona trwałej prawdy. Miała się stać pierwszą kobietą, która zdobyła stałe zatrudnienie (wielce pożądany w USA tenure) na wydziale fizyki Princeton University, a potem w Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Harvard University. Stało się tak mimo oporów „nieprzyjaznych środowisk” (Larry Summers, rektor Harvardu w latach 2001–06, zasłynął stwierdzeniem, że brak kobiet w naukowych rankingach „odzwierciedla ich wrodzone niedostatki”). Z tego też powodu Randall mówi o nauce, nie o ludziach, którzy ją uprawiają – bo nie chce zniechęcać kobiet. „Mogłoby się tak stać, gdybym opowiedziała o wszystkich tych facetach” – mówiła miesięcznikowi „Scientific American”.

Randall ma zmienne, jak przyznaje, naukowe zainteresowania i nieczęsto spotykany wśród uczonych (bo ryzykowny) nawyk zabierania się do tych problemów, o których początkowo ma mgliste pojęcie. W podtekście zawsze pozostają jednak co najmniej dwa zasadnicze, dręczące fizyków od lat pytania. Pierwsze dotyczy niezrozumiałej, potężnej różnicy w intensywności oddziaływań fizycznych (siła grawitacji jest nieporównanie słabsza od pozostałych). Drugie ma związek z zagadką masy. Czym jest masa, dlaczego cząstki są nią obdarzone i dlaczego w tak zróżnicowany sposób – nie wiadomo. Pod koniec lat 90. Randall weszła we współpracę z Ramanem Sundrumem, dziś utytułowanym pracownikiem John Hopkins University, a kilkanaście lat temu – człowiekiem na skraju załamania kariery zawodowej. On również miał skłonność do zabawiania się niebezpiecznymi teoriami. Ku swojemu zaskoczeniu, spacerując niekończącymi się korytarzami MIT w poszukiwaniu dostatecznie dużej, wolnej tablicy, Randall i Sundrum obmyślili wykorzystujący struny i brany model, który można szybko sprawdzić doświadczalnie. To właśnie w dużej mierze stanowi o absolutnej wyjątkowości ich pomysłu. Mieliśmy dużo szczęścia, wspomina Randall. Lisa ma nieziemskiego nosa, opowiada Sundrum.

Randall i Sundrum nie potrzebowali aż 10 czy tym bardziej 11 wymiarów. Wystarczyło im pięć. Cztery dobrze już znamy z wypróbowanej teorii Einsteina, piąty został wprowadzony przez niemieckiego fizyka Theodora Kaluzę już w 1919 r. W odróżnieniu od tego ostatniego, Randall i Sundrum zasugerowali, że może on być na tyle „duży”, że dowodów jego obecności dostarczy wkrótce Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) pod Genewą. Świat według nich wygląda następująco: znane nam cząstki i wszystkie oddziaływania, poza grawitacyjnym, są uwięzione na jednej, czterowymiarowej branie. Ale jest jeszcze druga brana – na niej skoncentrowane jest oddziaływanie grawitacyjne. Obie brany dzieli cieniutka bariera pięciowymiarowej przestrzeni, którą przenikać może tylko grawitacja. Ponieważ jednak przestrzeń ta jest ekstremalnie zakrzywiona (analogią może być strome górskie zbocze), nawet ona dociera do naszej brany znacznie osłabiona. Choć brzmi to karkołomnie, model z 1999 r. wynika w niewymuszony sposób z równań, które Einstein sformułował blisko wiek temu. Przynajmniej jedno gigantyczne pytanie fizyki znajduje więc zgrabną odpowiedź. Być może także pozostałe. Idea ta była na tyle zaskakująca, że początkowo nie ufali jej nie tylko koledzy i przyjaciele Randall, ale także ona sama. Pierwsze reakcje środowiska były, mówiąc delikatnie, powściągliwe. Szczęśliwie potencjał modelu dostrzegł sam Stephen Hawking. Wkrótce potem przyszły tysiące cytowań, uznanie i – co nie mniej ważne – propozycja pracy dla Sundruma.

Piątego wymiaru i drugiej brany nie dojrzymy bezpośrednio, ale informacji na temat ich kształtu (geometrii) może wkrótce dostarczyć wspomniany Wielki Zderzacz. Produkty zachodzących tam zderzeń, na przykład tak zwane cząstki Kaluzy-Kleina, mogą wystąpić w roli posłańców z domen rzeczywistości niedostępnych dotąd dla fizyków. Po fatalnej w skutkach, a spowodowanej przez trywialny błąd spawania awarii z 2009 r., zderzacz powoli zaczyna osiągać docelową moc. Zaczyna się największy i najbardziej ekscytujący eksperyment w dziejach ludzkości, który może wprowadzić dramatycznie nowy sposób myślenia o mechanizmach rzeczywistości – pisze Randall w swojej drugiej, wydanej przed paroma miesiącami książce „Knocking On Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World” („Pukając do nieba bram, czyli jak fizyka i myślenie naukowe rozświetlają Wszechświat i współczesny świat”). To właśnie w tej i pierwszej książce („Ukryte wymiary Wszechświata”, Prószyński i S-ka, 2011) znajdziemy odpowiedź na pytanie, dlaczego poza branżą o Randall wciąż słychać niewiele.

Prawda ponad piękno

Randall jest naukowcem, którego trudno sprzedać. Nie promuje zgrabnych teorii w telewizji. Nie kreśli fantastycznych prognoz, a daje rzeczowy, dokładny opis tego, jak działa nauka. A działa ona często skokami, nieliniowo. Od czasów Galileusza toruje sobie drogę między szerokimi marginesami niewiedzy. To proces powolny, polegający na ścisłej łączności teorii z eksperymentem, na programowej nieufności wobec autorytetów, na porzuceniu idei prawd absolutnych. W przeciwieństwie do wielu naukowych samców alfa Randall nie rozkłada pawiego ogona wszechkompetencji (choć na przykład jej opis LHC w książce „Knocking on Heaven’s Door” jest dowodem zupełnie niebywałej wiedzy technicznej). Co wielu osobom wydaje się podejrzane, Randall pracuje jednocześnie nad kilkoma arcywyrafinowanymi, często sprzecznymi modelami tych samych zjawisk, bo celem nadrzędnym jest nie potwierdzenie konkretnego modelu, a dążenie do prawdy. „Mogę uprawiać dobrą naukę pozostając sceptyczna. Nie mogę wyolbrzymiać własnych twierdzeń. Jestem to winna opinii publicznej” – wyjaśniała niedawno w miesięczniku „Physics Today”. Randall nie przystaje do żadnych obozów. I nie jest w natchniony sposób sentymentalna.

Matematyk i fizyk niemiecki Hermann Weyl powiedział kiedyś swojemu druhowi Freemanowi Dysonowi, że zawsze próbuje połączyć to, co prawdziwe, z pięknem. Ale kiedy musi wybierać, zwykle staje po stronie tego drugiego. Randall – niekoniecznie. „Wyznaję, że to założenie zawsze wydawało mi się trochę śliskie” – pisze w nowej książce. „Choć wszyscy uwielbiają widzieć piękno w sercu teorii naukowej, jest ono – w najlepszym razie – kryterium subiektywnym, które nigdy nie będzie arbitrem prawdy”. Randall powtarza za Thomasem Huxleyem, przyjacielem Darwina, że wiele pięknych teorii naukowych zostało zabitych przez brzydki fakt. Nieraz piękno, symetria i prostota bywają punktami wyjścia dla teorii fizycznej, ale potem przychodzi czas żmudnych obliczeń, czasem kapitulacji, a zwykle konstatacji, że finalna teoria wcale prosta nie jest. Wygląda na to, pisze (pięknie zresztą) Randall, że podobnie jak najlepsze dzieła sztuki, prawa przyrody są na tyle proste, by móc je podziwiać, i jednocześnie na tyle złożone, by nie poczuć znudzenia.

Prawdopodobnie dopiero zaczynamy skrobać powierzchnię rzeczywistości. Być może, powtarza Randall za Wittenem, czas zakwestionować fundamentalny charakter takich pojęć, jak chociażby wymiar. Bo czymże w końcu jest wymiar? Czas i przestrzeń też prawdopodobnie są skazane na zagładę. Proces ten będzie jednak przebiegał w zupełnie inny sposób, niż chcielibyśmy przypuszczać. Zapewne mniej spektakularny i bardziej mozolny. Randall blisko w tym poglądzie do Richarda Feynmana. Ten geniusz fizyki w 1979 r. tak odpowiadał sceptykom, którym jego teorie wydawały się trudne do zaakceptowania: „Przyglądaliśmy się przyrodzie uważnie, i tak właśnie ona działa. Jeśli wam się nie podoba, idźcie gdzieś indziej! Do innego wszechświata! Gdzieś, gdzie reguły są prostsze, filozoficznie przyjemniejsze, łatwiejsze psychologicznie. Jeśli jednak mam powiedzieć szczerze, jak wygląda świat według ludzi, którzy ciężko walczyli, żeby go zrozumieć, to mogę tylko powtórzyć: właśnie tak”.

Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Kraj

Jak Jarosław Kaczyński zbudował sobie sektę?

Dlaczego tak wiele osób tak bardzo wierzy w talenty, umiejętności, wiedzę, siłę moralną i osobiste przymioty, słowem – w nadzwyczajność Jarosława Kaczyńskiego?

Ewa Wilk
05.04.2016
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną