O, daleko. I coraz dalej ! A była tak bliziutko, na wyciągnięcie ręki: Theory of Evrything (TOE) czyli Teoria Wszystkiego. Jeszcze dziesięć, dwadzieścia lat temu, tuzy fizyki zapewniały wszem i wobec, iż prawie już jest gotowa TOE, jeszcze tylko drobne uzupełnienia, korekty, ostatnie zapinanie układów równań, a będziemy mieli ostateczną teorię wszystkiego, co istnieje znane i nie poznane.
Poszukiwania jednego równania (no może, co najwyżej dwóch równań), z którego można by było czystą dedukcją, wyprowadzić wszystkie związki szczegółowe, opisujące wszystkie dziedziny i warstwy przyrody, rozpoczęto dosyć wcześnie ,bo w pierwszej połowie wieku minionego.
Wieloletnie prace w zakresie unifikacji fizyki, a dokładnie prace nad stworzeniem jednolitej teorii z trzech: z mechaniki kwantowej, teorii względności i teorii grawitacji podjął już w latach 20-tych ub.w. astrofizyk angielski A.S.Eddington. Wybrał drogę dosyć oryginalną ,bo drogę badania relacji liczbowych pomiędzy stałymi fizycznymi fundamentalnymi w rodzaju : stała grawitacji G, stał Plancka h, prędkość światła w próżni c , masy elektronu i protonu, ładunek elektryczny elektrony, itd., ze szczególnym uwzględnieniem tajemniczych stałych tzw. sprzężenia ,które charakteryzują natężenie każdego z czterech oddziaływań fundamentalnych.
A.Eddington, do końca życia nie porzucił myśli unifikacji fizyki na tej drodze(wspierali go G.Gamow i P.Dirac,każdy po swojemu czyli trochę inaczej)),ale nie ujawniał swoich badań numerycznych, mimo odkrycia szeregu dziwnych i zaskakujących współzależności pomiędzy stałymi fundamentalnymi fizyki(Eddington min. sugerował ,że owe “stałe” nie są stałe lecz zależą od historii świata), gdyż natrafił na klimat w środowisku niezbyt przychylny dla tego rodzaju poszukiwań i dopiero po jego śmierci opublikowano komplet hipotez, rachunków i sugestii dalszych penetracji problemu ,owoc wieloletnich poszukiwań A.Eddingtona[1].
Wsparli prace A.Einsteina ,Herman Weyl oraz Teodor Kaluza z Felixem Kleinem
[ http://autodafe.nowy.salon24.pl/103148.html ] ,nawet bardziej skutecznie i z rozległymi konsekwencjami dla dalszego rozwoju fizyki, od samego inicjatora jednolitej teorii pola. Ten tor podążania ku TOE, był bardziej filozoficzny i fizykalny od drogi A.Eddingtona ,gdyż jego fundamentem były nowe koncepcje przestrzeni i czasu i prowadził do unii wiedzy o kosmosie, z wiedzą o elementarnych składnikach materii.
Niestety ,gwałtowny rozwój fizyki atomowej, powstanie i rozwój mechaniki kwantowej spowodowały, iż projekt A.Einsteina jednolitej teorii pola po śmierci autora został odstawiony na “boczny tor”.
Unifikacja fizyki stała się programem badawczym “hadronowców”. Pierwszym krokiem było dostrzeżenie - w budowie uniwersalnych teorii fizycznych - roli zasad : cechowania oraz symetrii i jej łamania, a także roli wielkości energii uczestniczących w zjawiskach oraz oddziaływaniach między obiektami mikroświata zwanymi cząstkami elementarnymi.
Zasada cechowania może być prosto wyjaśniona następującą tezą sprawdzoną doświadczalnie: własności cząstek elementarnych nie są absolutne, lecz zależą od ich relacji z resztą świata [http://autodafe.nowy.salon24.pl/89989.html].
Na przykładzie ładunku elektrycznego możemy powiedzieć ,że określenie znaku ładunku cząstki jest zupełnie dowolne( elektron może być dodatni lub ujemny) byleby tylko ładunki te nie oddziaływały bezpośrednio ze sobą, lecz za pośrednictwem pewnego pola.
Dla elektronu, tym polem jest, pole elektromagnetyczne. Idea ta(autorstwa H.Weyla) prowadzi do możliwości przewidywania nowych pół przenoszących siły pomiędzy cząstkami. Taka teoria nosi nazwę teorii z cechowaniem.
Yang i Mills w 1954 roku, ideę Weyla zastosowali do cząstek mających trzy rodzaje ładunków ( przypisano im trzy barwy, mamy więc ładunek czerwony, żółty i niebieski) i odkryli pole fizyczne o bardzo skomplikowanej strukturze , przypominającej osiem pól elektromagnetycznych oddziaływujących ze sobą, oraz z tymi trzema ładunkami.
Teorie Yanga-Millsa opisują oddziaływanie silne i słabe czyli stanowią taką małą unifikację.
Drugą małą unifikację przeprowadzili w 1967 roku Glashow- Weinberg – Salam przedstawiając teorię jednoczącą oddziaływanie słabe z elektromagnetycznym. Poszli oni jeszcze dalej w poglądzie ,że cechy i własności cząstek elementarnych nie są ich wewnętrznymi (imanentnymi) atrybutami, lecz powstają jako wynik oddziaływania cząstek ze środowiskiem otaczającym je.
Według tej idei, masa elektronu nie jest jego wewnętrzną cechą lecz pochodzi z oddziaływania z tzw. cząstkami Higgsa (bozony Higgsa). W fazie początkowej wszechświata (wysoka temperatura, wielkie energie)panowała pełna symetria, tak co do rodzajów cząstek ,jak i ich atrybutów zapewniona przez odpowiednie rodzaje pól Higgsa.
W miarę stygnięcia wszechświata symetria znikała, i obecnie najbardziej trwałe, stabilne konfiguracje są asymetryczne. Istnieje tylko jeden rodzaj cząstek Higgsa i dlatego elektron i neutrino są tak odmienne. Samorzutne łamanie symetrii rozwiązuje dylemat pomiędzy unifikacją, a różnorodnością.
Obydwie małe unifikacje leżą u podstaw Modelu Standardowego zwanego Wielką Unifikacją (GUT).
GUT nie jest jednak fundamentalną teorią fizyki zwaną Teorią Wszystkiego (TOE)z kilku powodów:
- do tej pory nie wykryto cząstki Higgsa
- jest zależna od 19 swobodnych parametrów
- nie unifikuje pola grawitacyjnego z pozostałymi oddziaływaniami.
Do roli TOE pretenduje natomiast pewna postać uogólnienia kilku teorii strun (M-teoria), ale jej związek z doświadczeniem nie istnieje, a także jej struktura formalna nie jest całkowicie spójna[2].
Perspektywa uzyskania TOE jest w chwili obecnej prawie żadna. Po prostu, fizycy zachowują się tak, jakby taki program badawczy przestał ich interesować.
Lee Smolin w 1997 roku opublikował książkę [3], w której TOE jest rozpatrywana na wielu stronach, ale już w następnej pracy[4] TOE znika, zastąpiona przez kilkanaście teorii fizyki ,każda opisująca określony wycinek lub poziom rzeczywistości odrębnym aparatem kategorialnym.
W ostatniej zaś książce[5] tego samego autora, bądź co bądź o dużym dorobku w dziedzinie teorii strun i kwantowej grawitacji, następuje rzeczywisty krok naprzód: obok 16 modeli teoretycznych, którym poświęcona jest uwaga autora ,mamy trzy stroniczki tekstu(81-83),gdzie otwarcie głosi ,że idea Teorii Wszystkiego (TOE) okazała się mrzonką i jako taka, odchodzi w niebyt.
Nie mogę napisać ,że wiem dlaczego się tak stało, iż TOE była mirażem teoriopoznawczym. Możliwe ,że rację ma Stanisław Heller ,który tutaj na salonie, przy okazji dyskusji na temat emergencji na moim blogu [http://autodafe.nowy.salon24.pl/105503.html], przedstawił interesującą dyrektywę metodologiczną dla postępowania w celu osiągnięcia TOE.
Czytam u tego autora ,który ma bezbłędną intuicję filozofa przyrody[
«emergencję można traktować na dwa sposoby: 1.jako odstępstwo od oczekiwań wynikające z interpolacji modeli,albo 2.jako dowód na to,że to przyroda ujawnia się przez zjawisko emergencji,iż nie jest do końca matematycznie ścisła,a więc,że do jej zrozumienia niezbędne są inne jeszcze algorytmy logiczno - semantyczne. Albo nie dotarliśmy jeszcze do struktury zawierającej wzorzec elementarności fizyczno- logicznej,albo takiej elementarności poprostu nie ma i należałoby szukać czegoś dodatkowego poza faktami logicznymi i fizycznymi,jakiegoś dodatkowego rytmu czegoś,co w przyrodzie jest,a czego nie zauważyliśmy myślowo lub eksperymentalnie.»
O tym, że St.Heller ma rację i jest na właściwym tropie, można w skrócie dowieść tak.
Dotychczasowe poszukiwanie TOE bije rekordy w powielaniu formalizmów matematycznych oraz dwóch głównych idei ontologicznych.
Proponuje się mianowicie wciąż coraz to ogólniejsze symetrie(np.supersymetria ) i techniką spontanicznego łamania tych symetrii próbuje się wyjaśniać istniejące obiekty fizyczne i ich właściwości.
Równolegle i jednocześnie postuluje się coraz to nowsze teorie z cechowaniem i przedstawia się hipotezy istnienia nowych pól i ich cząstek. Związek z empirią i eksperymentem nie istnieje, gdyż prawie wszystkie hipotezy i projekty doświadczeń leżą poza zasięgiem współczesnej technologii( energie !). Czyli jest tak, jak pisze St.Heller :
“suma teorii nie będzie osiągała sumy aksjomatów, tylko zawsze pewnąniezgodność między aksjomatami(ich implikacjami).»
Ten swoisty “ pat”, jest maskowany obecnie taką oto praktyką badawczą. Odstępuje się od poglądu,iż teoria ostateczna unifikująca, będzie mieć postać specyficznej kwantowej teorii pola,i prawdopodobnie TOE będzie radykalnie odmienna od teorii pola.
Jej związek z doświadczeniem może być bardzo nikły,czyli może przypominać abstrakcyjne idee ontologiczne w rodzaju idei Parmenidesa lub Spinozy.
Do opisu konkretnych,szczególowych zjawisk używa się aktualnie całych grup teorii efektywnych,zwanych emergencyjnymi ,które są odmienne od dawnych pełniących funkcje etapów pośrednich w drodze do TOE.
Teorie te nie spełniają kryteriów,Einsteina,Dysona lub Chandrasekhara , to znaczy nie są ani eleganckie(piękne),ani nie odznaczają się prostotą,ani nie spełniają postulatu spójności logicznej i formalnej,jak również nie muszą być renormalizowalne w sensie Dyson,a chociaż dają jednoznaczne przewidywania. I właśnie od tych teorii wymaga się jedynie przewidywań weryfikowalnych w eksperymencie. Równania tych teorii, są wyższego rzędu niż drugi i spełniają wiekszośc rodzajów niezmienniczości (relatywistycznej,cechowania),a przedewszystkim są lokalne i silnie kauzalne.
Teorie efektywne są wyrazem pewnej skromności teoriopoznawczej fizyki współczesnej i nie mogą generować mechanicznie TOE.»Maszynka matematyczna» jakby się «zacięła», na wyjściach jej jej formalnych rachunków nie pojawia się golbalny obraz Wszechświata.Nowa ontologia rzeczy i zjawisk nie rodzi się jako produkt hiperabstrakcyjnych wirtualnych bytów pomyslanych.Jak uparcie, acz słusznie, pisze St.Heller potrzebny jest nowy namysł nad strukturą świata i nowa semantyka.
Literatura
[1] A.S.Eddington, Fundamental Theory, Cambridge,1948
[2] M.Green, J. Schwarz, E. Witten, Superstring theory, Cambridge ,1998.
[3] L.Smolin,The Life of The Cosmos,N Y 1997 (pol.tł. Warszawa,Amber,1997 )
[4] L.Smolin,The Roads to Quantum Gravity, N.Y.2000 (pol.tł. Warszawa,CIS,2001)
[5] L.Smolin,The Trauble With Physic, N.Y.2006 ( pol. Tł. Warszawa,prószyński,2008)
