Chodzi Einstein po swoim gabinecie i podziwia swoje równania:
- jaka piękna jest struktura tej czasoprzestrzeni. Co za elegancka, geometryczna forma. Toż to prawdziwa poezja. Jaki szyk?
Zaraz potem wzrok pada na równania opisujące materio-energię.
- a cóż to za brzydactwo!? Co za okropna dżungla pomieszanych, przypadkowych form? W porównaniu z zachwycającą symetrią czasoprzestrzeni, ta nie ma nic wspólnego z geometrią. Tam marmur, a tu drewno. Gdyby tak podać geometryczną formę materii?
Nie wiadomo, czy scenka taka miała miejsce na pewno, ale zamienić drewno w marmur - było marzeniem Einsteina do końca życia, nie zrealizowanym zresztą nigdy.
Gdyby porucznik Borewicz znalazł przypadkowo kartkę z napisem: „Ławeczka Tuwima w Łodzi– godz. 17.00” - zapewne poczułby pewien niedosyt. Dla dociekliwego oficera dochodzeniowego znać czas i miejsce to za mało. Jemu z pewnością będzie brakowało czegoś więcej. Jeśli tam nie pójdzie i nie zobaczy to nie dowie się czy chodzi tu o zamach terrorystyczny, kontrabandę czy po prostu o randkę Maćka z Beatą. Nasz świat wypełniony jest treścią. Nie wystarczy wiedzieć gdzie i kiedy, ale należałoby też wiedzieć, co.
Czy ta treść mogłaby choćby teoretycznie mieć jakiś geometryczny charakter? Bądź, co bądź jest to jednak dodatkowy stopień swobody, który trzeba uwzględnić opisując jakąś sytuację. Samo miejsce i czas to niewiele znaczy. W danym miejscu i czasie mogą się dziać różne rzeczy.
Przestrzeń i czas nie mogą się zmieniać niezależnie jedno od drugiego, bowiem przenikają się nawzajem. Są jakby kompatybilne za sobą. Posługują się tym samym geometrycznym językiem. Dlatego też Einstein połączył przestrzeń i czas w jedno i twór ten nazwał czasoprzestrzenią. Minkowski ukazał, że czasowi można umownie przypisać formę geometryczną, przynajmniej teoretycznie. Ja nie bałem się i poszedłem w tym względzie na całość. Kombinowany twór pod nazwą czasoprzestrzeń można uprościć jeszcze bardziej i ja to zrobiłem. Zastąpiłem go czysto geometryczną 4D-przestrzenią i tym samym, nie chwaląc się, wprowadziłem najpiękniejszą symetrię.
Wiemy też, że masa i energia także mają wpływ na przestrzeń i czas. Jest to udowodnione i możemy to wpisać po stronie potwierdzonych faktów. Duże masy mają zdolność zakrzywiania przestrzeni i powodują zwolnienie upływu czasu w obrębie tego zakrzywienia. Zatem masa i energia nie mogą sobie istnieć bezkarnie bez wywoływania zmian w przestrzeni i w czasie. Energia, masa, przestrzeń i czas są to rzeczy współzależne i nie mogące bez siebie istnieć. Nie bez powodu wymieniamy jednym tchem słowa: masa i energia - jak gdyby były one czymś podobnym. W rzeczywistości tak jest. Są to wielkości równoważne, co udowodnił Einstein swoim sławnym wzorem E=mc2. Masa jest formą istnienia energii i odwrotnie. Ponieważ prędkość światła jest zawsze taka sama, więc umownie mają nawet te same jednostki. Jedno i drugie można wyrażać np. w elektronowoltach albo i kilogramach masy.
Zachodzi zatem pytanie, czy energia (także masa) nie mogłaby tworzyć wraz z czasem i przestrzenią czegoś, co Einstein i Minkowski nazwaliby np. energio-czaso-przestrzenią. O ile czasoprzestrzeń odpowiada nam jedynie na pytanie:, kiedy i gdzie, to taki triplet mówiłby nam:, kiedy, gdzie i co. Wtedy znalibyśmy już prawdopodobnie także odpowiedź na pytania: jak i dlaczego.
Czy jest to pomysł zbyt fantastyczny? Zbyt absurdalny? Na szczęście nie siedzi obok nas ekspert, który by nam próbował takie pomysły wybić z głowy. Wytłumaczyłby nam, że jeśli chodzi o grawitację to zgoda. W przypadku grawitacji geometria odniosła olbrzymi sukces. Pole siłowe, jakim jest grawitacja można wytłumaczyć jako zakrzywienie czasoprzestrzeni. Natomiast cząstkami i ich oddziaływaniami rządzi mechanika kwantowa, a ta nie ma nic wspólnego z geometrią. Jak na razie nikomu jeszcze nie udało się nadać mechanice kwantowej geometrycznej formy. Mechanika kwantowa wydaje się bardzo oporna na jakiekolwiek powiązania ze światem geometrii. Królują tam cząstki i prawdopodobieństwa zdarzeń. Cząstki materialne oddziaływują ze sobą za pomocą innych cząstek zwanych cząstkami oddziaływania. Cząstki te, czyli kwanty energii, mogą być zarówno rzeczywiste jak i wirtualne.
Po pierwszym zachłyśnięciu się sukcesami odniesionymi przez Einsteina w dziedzinie geometrii czasoprzestrzeni na początku dwudziestego wieku, przyszły trudne chwile przez następnych kilkanaście lat. Nie udało się zastosować podobnego triku do cząstek elementarnych. Pomijając już fakt, że mało kto wiedział, jak takie wygięcie czasoprzestrzeni miałoby wyglądać, to w dodatku wchodziły tu w grę niesamowite różnice w wartościach liczb. Grawitacja potrafi operować na dużych odległościach, lecz jej siła jest niesłychanie słaba w porównaniu z innymi oddziaływaniami na krótkich dystansach. Jeśli porównamy ją z siłami działającymi między protonem a elektronem, zobaczymy, że jest ona słabsza o rząd trzydziestu paru zer, czyli biliony miliardów miliardów razy. Siły działające wewnątrz jąder atomowych jeszcze bardziej całą rzecz komplikują. Zamieszczenie ich w jednym wzorze, prowadzi nieuchronnie do wielkości bliskich nieskończoności. Udział jednych jest pomijalnie mały w porównaniu z drugimi.
Dla przeciętnego człowieka grawitacja i światło nie mają ze sobą nic wspólnego. Przeciętnemu fizykowi-teoretykowi jednak myśl o połączeniu grawitacji ze światłem oraz innymi siłami w jednolitą zunifikowaną teorię pola nie daje spać. O ileż piękniejsze stałoby się życie fizyka, gdyby mógł pewnego słonecznego poranka za pomocą jednego lub dwu prostych równań ująć tak różne zachowanie się poszczególnych sił. Ani matematycznie ani pojęciowo nie daje się powiązać grawitacji Einsteina z teorią światła Maxwella i oddziaływaniami jądrowymi. Każde z oddziaływań rządzi się innymi prawami oraz ma inny charakter i pochodzenie.
Zaprzestano więc wysiłków, zwłaszcza, że w tym czasie pojawiła się nowa nauka mająca zupełnie inne podejście do materii. O matematycznie pięknej, lecz trudnej do wyobrażenia czasoprzestrzeni zapomniano na wiele lat. Nadszedł czas mechaniki kwantowej.
Wypada bliżej opisać świat, gdzie rządzi mechanika kwantowa. A jest to świat tajemniczy i pełen niuansów, w którym jedyną pewną rzeczą jest to, że nic nie jest pewne. Gdy dwa elektrony przemykają obok siebie, wymieniają między sobą tzw. fotony wirtualne, dzięki czemu każdy z nich wie, gdzie jest drugi. Wykazują się tutaj sporą inteligencją, ponieważ gdyby były głupawe, to z pewnością nie udałaby im się taka sztuczka. Wymiana fotonów wirtualnych w jakiś sposób tłumaczy ich sposób zachowania, ale nie wyjaśnia, jak jest naprawdę. Dwa elektrony odpychają się od siebie, ponieważ mają ładunek tego samego znaku i to jest fakt. Nie łudźmy się, że ktoś wie, jak i dlaczego one to robią. Sposób, w jaki oddziaływują ze sobą cząstki na odległość jest jedną z największych tajemnic Natury. Można powiedzieć, że cząstki wirtualne to tylko sposób fizyków na ukrycie swej niewiedzy.
A więc pola siłowe czy cząstki oddziaływania? Geometria czy dynamika?
Ponieważ mechanika kwantowa zajmuje się tylko skutkami i niczego nie tłumaczy, po sześćdziesięciu latach znów wrócono do prób wprowadzenia geometrii i symetrii do świata cząstek. Jednak tu się nic nie zmieniło i grawitację w dalszym ciągu trudno jest kwantować, natomiast siłom o krótkim zasięgu nikomu nie udało się nadać formy geometrycznej w postaci czasoprzestrzeni.
Czasoprzestrzeń stała się magicznym słowem - słowem, które budzi szacunek. Gdy ktoś w towarzystwie mówi o czasoprzestrzeni, od razu wywołuje podziw wśród maluczkich a ponadto sam sobie wydaje się jakby mądrzejszym i lepszym od innych. Gdy jeszcze do tego dochodzi zakrzywienie czasoprzestrzeni, to można dostać zawrotów głowy od nadmiaru mądrości i faktycznie niektórzy mylą zakrzywienie czasoprzestrzeni z zakrzywieniem zwykłej przestrzeni i nie odróżniają tych dwóch pojęć. Nie jest łatwo zrezygnować z takiego słowa, gdy zdążyło już nabrać takiego znaczenia. Gdy dużo mówi się o czymś i to jeszcze z takim pietyzmem, wtedy nabiera to cech prawdziwości i w końcu staje się pewnikiem. Nikt nie chce zrezygnować z takiego pojęcia, lecz może właśnie powinien? Aby zakwestionować taki pewnik, trzeba się wykazać nie lada odpornością w świecie nauki.
Co innego - My. Nasze kariery nie są zagrożone, ponieważ nie mamy stopni naukowych i zajmujemy się fizyką z czystej przyjemności. Nam nikt nie płaci, więc nasza sytuacja jest komfortowa i powinniśmy to wykorzystać. Nam wolno zrobić przypuszczenie, że w krainie, gdzie czas nie istnieje (4D-przestrzeń), wprowadzanie go burzy tylko ustanowiony porządek rzeczy i wszystko komplikuje. Czas w tej krainie nic nie zmienia i dlatego nie występuje jako zmienna. Nic zatem dziwnego, że w czasoprzestrzeni nie da się połączyć ze sobą żadnych teorii zawierających czas. Jeśli czasoprzestrzeń jest pojęciem nie do końca prawdziwym to wszystkie teorie nawiązujące do niej także będą nieprawdziwe. A było już wiele prób. Opis historii wzlotów i upadków poszczególnych teorii na przestrzeni ostatniego stulecia zajmuje zazwyczaj dużo miejsca w każdej książce i pozwala ich autorom podnieść sobie znacznie honorarium autorskie. Może i ja kiedyś tego spróbuję? Kto jest ciekaw historii nauki, może sięgnąć w zasadzie po dowolną popularnonaukową książkę z tej dziedziny.
Ani Einsteinowi, ani nikomu innemu nie udało się zastosować czasoprzestrzeni do wyjaśnienia sił działających w świecie cząstek elementarnych. Drewna nikomu nie udało się przemienić w marmur. Nawet ostatni krzyk mody, teoria strun z wszelkimi modyfikacjami nie oparła się zanieczyszczeniu czasem, czyli drganiom (strun).W przypadku teorii superstrun matematycy powinni się czuć szczególnie usatysfakcjonowani. Teoria strun łączy ze sobą odległe gałęzie matematyki i potrzebuje potężnego aparatu matematycznego, takiego jak: powierzchnie Riemanna, algebry Kaca-Moody’ego, superalgebry Liego, grupy skończone, funkcje modularne i topologię algebraiczną w sposób, który zadziwia samych matematyków. W związku z teorią strun, studentom na niektórych wydziałach matematyczno-fizycznych doszło kilkakrotnie więcej materiału do opanowania, z czego są nadzwyczaj zadowoleni. Gdyby się kiedyś okazało, że to, czego się uczą dzisiaj na pamięć jest do niczego nie potrzebne, mieliby przynajmniej satysfakcję, że nie stracili młodości i mieli same piękne i niezapomniane chwile na uczelni.
Czyżby grawitacja aż tak bardzo różniła się od innych oddziaływań? Czy w Naturze taka asymetria jest naturalna? Natura to piękna Pani, która lubi wiele rzeczy ukrywać (przed nami). Taki ma sposób bycia. Wielu daje się na to nabrać, ale mnie i moich Czytelników tym nie zmyli. Oddziaływania są tylko tym co widać na zewnątrz. My powinniśmy dotrzeć do tego co się kryje pod spodem.
Kwanty energii łatwo jest sobie wyobrazić nawet dziecku. Kulka w postaci np. fotonu zabiera energię jednemu elektronowi i przenosi do innego. To tak jakby jednemu dziecku tatuś zabrał piłkę i dał drugiemu. To łatwe do zrozumienia, prawda? Jednakże taki prosty do wyobrażenia proces powoduje mnóstwo komplikacji. Należałoby zapytać się wprost:
Czym tak naprawdę jest energia?
Ale o tym w następnych notkach.
Eligiusz Smela
Łódź dn. 5 Listopada 2012 r.
