#11 Spadaj, Rubidzie, czyli Czyżby pożegnanie z Teorią Wszystkiego?

Witajcie Drodzy Marsjanie.

Dlaczego Marsjanie? Bo trzeba być co najmniej Marsjaninem, żeby czytać takie rzeczy! A kim trzeba być, żeby je pisać? Zdradzę Wam sekret. Jestem z Saturna ;) Żartowałem. Z MediaExpert.

Ale do rzeczy. Chciałem Was tylko lekko znobilitować, że zabraliście się za kolejny fizyczny temat w te Jeszcze-Wakacje. Niektórym jest trudno myśleć, a co dopiero czytać niestworzone, fizyczne teksty. Może strzelę sobie samobója, ale wiecie, że meduzy przeżyły 400 mln lat ewolucji nie posiadając mózgu? To dobra informacja dla niektórych ludzi ;) Ale, oczywiście, nie dla Nas! :)

Dziś chciałem Was uraczyć informacją ze świata nauki, która dała mi wiele do myślenia. Wszystkie komercyjne newsy ciągle trąbią o tym, że pociąg mknący w stronę znalezienia Teorii Wszystkiego, czyli kwantowej grawitacji, pędzi coraz szybciej, ma się dobrze i nawet widać już na dalekim horyzoncie końcową stację. Czyli, że unifikacja teorii kwantów i teorii względności Einsteina ma być właśnie tym kierunkiem, w którym podążamy, i to podążamy słusznie.

W całym tym zalewie hurra optymizmu fizyki teoretycznej znalazłem kamyczek w ogródku - głos sceptycyzmu, i to wrzucony ze strony fizyków doświadczalnych.

Jednym słowem - weryfikacja napuszonych tez za pomocą jednego sprytnego doświadczenia. To bardzo ważne, bo żadna teoria, jeśli nie potwierdzą jej doświadczenia, nie jest teorią słuszną. To rzeczywistość weryfikuje teorie, teorie nie kreują rzeczywistości. Cały gmach fizyki teoretycznej pnący się w kierunku Teorii Wszystkiego może runąć... Albo, po prostu, doświadczenie opisane przeze mnie solidnie zweryfikować wiele założeń i posłać do piachu wiele teorii kwantowej grawitacji.

1. Czym jest Teoria Wszystkiego, czyli równanie na T-shircie.

Słyszałem kiedyś zgrabne powiedzenie jednego z naukowców: 'Teoria Wszystkiego powinna być eleganckim zestawem równań, tak zwięzłym a jednocześnie treściwym, że byłaby dobrym napisem na koszulce'. Fizycy szukają czegoś, co w jednym bądź kilku równaniach opisze Rzeczywistość. Lubią elegancję i zwięzłość, symetrię i prostotę. Bo lwia ilość równań w fizyce, szczególnie tych elementarnych, jest prosta.

W dzisiejszych czasach za Teorię Wszystkiego uznaje się teorię kwantowej grawitacji. Poszukiwana jest teoria, która będzie pomostem między teorią kwantów i ogólną teorią względności.
Teoria kwantów opisuje świat i jego relacje w najmniejszych skalach, czyli wzajemne oddziaływania cząstek, również elementarnych, takich jak elektrony bądź fotony, i nieco większe - protony, neutrony, oraz wiele innych.

Ogólna teoria względności jest dziełem Eisnteina i opisuje grawitację jako efekt zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masywne ciała, takich jak planety i gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. Jest teorią działającą w skalach makro.

Dlaczego akurat grawitacja kwantowa ma być teorią wszystkiego? Bo tylko grawitacja, ze wszystkich czterech sił fundamentalnych, nie została 'skwantowana'. To znaczy nie opisano jej w skali mikro, nie znaleziono nośnika siły grawitacji, czyli grawitonu oraz nie stwierdzono, jak ten grawiton skaluje się w grawitacyjne zakrzywienie czasoprzestrzeni w ogólnej teorii względności. Nie znaleziono pomostu między dwiema wiodącymi i poprawnymi w swych domenach teoriach. Siła elektromagnetyczna ma swój foton, siły jądrowe słabe i silne bozony W i Z oraz bezmasowe gluony. A grawitacja jest na razie pod względem nośnika bardzo problematyczna.

Mikro i makro. O ile obydwie teorie świetnie działają na swoich poletkach, o tyle nie są ze sobą kompatybilne. Ciała duże i małe wydają się stosować do dwóch zupełnie różnych zestawów zasad. Chociaż to trochę logiczne - małym dzieciom nie wolno tego samego, co dużym rodzicom... Ciekawe, co poszukiwacze kwantowej teorii grawitacji powiedzieliby na taki argument ;)

Ogólna teoria względności potrzebuje do swojego prawidłowego funkcjonowania czasoprzestrzeni gładkiej, analogowej. Mechanika kwantowa przewiduje, że wszystko powinno dać przedstawić w skończonej liczbie 'dyskretnych' elementów. Łącznie z przestrzenią. Jest też kilka innych powodów niekompatybilności, ale pozostańmy przy fakcie: kwanty nie lubią Einsteina.

2. Atomy rubidu i Galileusz.

Jedną z prób pogodzenia dwóch wielkich teorii opisanych powyżej podjęli naukowcy z Huazong University of Science and Technology w Wuhan (wybaczcie, że nie podałem nazwy w oryginale - musiałbym ją chyba narysować i wkleić obrazek albo specjalnie z okazji pisania tego posta dokupić chińską klawiaturę; wiem, jestem trochę niekompetentny ;)). Odtworzyli oni eksperyment Galileusza z 1589 roku na... atomach rubidu. Postanowili 'zrzucić' atomy rubidu, posiadające pewne własności kwantowe, takie jak spin - sprawić, by spadały swobodnie w polu grawitacyjnym. Chcieli sprawdzić, czy zasada równoważności zastosuje się do obiektów kwantowych, czy własność kwantowa - spin - wpłynie na grawitację. Jeśli by wpłynęła, wtedy można by wysnuwać wnioski o dyskretnej naturze oddziaływania grawitacyjnego.

Zasada równoważności mówi, że przyspieszenie grawitacyjne, czyli spadek swobodny ciała, jest takie samo dla wszystkich obiektów, niezależnie od masy. Jednym słowem, Galileusz wziął i zrzucił jednocześnie z Krzywej Wieży w Pizie (podobno; źródła mówią raczej o spuszczenia ich z równi pochyłej, ale mniejsza o to) dwie kule o różnych masach i spadły one w tym samym czasie. Dziś ciekawie obrazują to doświadczenia, w których w komorze próżniowej (aby pominąć opory powietrza) garść pierza i zrzucona jednocześnie ... kula do kręgli, spadają z jednakowej wysokości w tym samym czasie! Fajna ta fizyka ;)

Trybicie już coś? Grawitacja, obiekty kwantowe...? Kwantowa grawitacja! Słusznym tropem dociekliwy Czytelnik podążał.

3. Bum tralala, rubid w polu grawitacyjnym zapie... rnicza w dół.

Wiele teorii kwantowej grawitacji przewiduje, że zasada równoważności, która jest kluczowa dla ogólnej teorii względności, może zostać pogwałcona. Brrrr.

To znaczy, że pewne własności kwantowe, takie jak spin, mogą wpływać na zasadę równoważności. A to z kolei znaczy, że pewne zasady fizyki kwantowej w jakiś sposób wpływają na grawitację i w ten sposób stworzą połączenie pomiędzy fizyką kwantową a fizyką klasyczną.

Jednym słowem, według niektórych tez, efekty kwantowe zaburzają swobodny spadek będący efektem całkowicie grawitacyjnym... Jeśli grawitacja ma cechy kwantowe, a tego wszyscy tu do cholery szukają, to własność kwantowa jakim jest spin musi jakoś na nią wpłynąć. Do cholery ;) Lecz jeśli grawitacja rządzi się odmiennymi prawami i jest innej niż kwantowa natury, wtedy własność kwantowa atomów rubidu nie wpłynie, nie 'zahaczy' o nią, spłynie, jak po kaczce.

Czym jest spin kwantowy? Nie wiecie? I tu Was mam. Nie wiecie, to zaraz się dowiecie ;)

4. A dowiecie się w punkcie 4.

Nie musimy wiele wiedzieć. O spinie oczywiście. Wystarczy tyle, że...

Spin jest wielkością kwantowomechaniczną, która jest nazywana wewnętrznym momentem pędu (w zasadzie spinowym, gdyż jest to jakość sama w sobie) ale on sam jest bodaj jedyną obserwablą (własnością) która nie ma odpowiednika w mechanice klasycznej. Czyli nie jest związany z obrotem cząstki, jak wskazuje na to angielskie nazewnictwo.

W świecie rządzącym się mechaniką klasyczną, obracający się obiekt ma własności magnetyczne dość podobne, jakie wykazują cząstki elementarne. Fizycy uwielbiają analogie, więc nazwali tę własność 'spinem'. Jednak elektron to nie obracająca się kuleczka. Spin elektronu, w odróżnieniu od rzuconej piłki tenisowej, nigdy się nie zmienia i ma tylko dwie możliwe orientacje.

Spin jest po prostu kolejną naturalną, wbudowaną w nią i niezmienną własnością cząstki, tak jak masa, kolor czy ładunek. I, nie! To, że elektron ma kolor, nie oznacza, że jest niebieski, na litość boską... ;))) Podobnie ze spinem. Kuleczka się nie kręci. Ładunek to też nie ładunek ziemniaków, ale jeśli dobrnąłeś aż tutaj, Czytelniku, to na pewno to wiesz :)

5. Dla dociekliwych oraz Wielki Finał Doświadczenia.

Doświadczenie polegało na zmierzeniu interferometrem (czyli urządzeniem, które bardzo dokładnie zmierzyło ruch cząstek) ruchu atomów rubidu 'wystrzelonych' w górę za pomocą lasera w swoistej próżniowej tubie. Atomy, po osiągnięciu pewnego pułapu, mogły po chwili (odległości mierzymy w bardzo niewielkich ułamkach metra a czas w ułamkach sekund, również niewielkich) opaść w spadku swobodnym. Atomy rubidu zostały schłodzone do temperatury zaledwie milionowych stopnia powyżej zera absolutnego (w celu zapewnienia większej stabilności; atomy poruszają się intensywniej im wyższa temperatura) miały przeciwne spiny. Przeciwne, aby stwierdzić, że jeden z nich zachował się inaczej niż drugi.

Eksperyment pokazał, że grawitacja nic nie zrobiła sobie z przeciwnych spinów i potraktowała atomy rubidu jak zwykłe obiekty klasyczne. Czyli, dosłownie, jak małe kamyczki :)

Zasada równoważności została zachowana, atomy spadły w niemal identycznym czasie, z dokładnością jednej części na 10 milionów.

Grawitacja nie wykazała cech kwantowych, nawet w bardzo małych skalach.

Klasyczne prawa grawitacji stosowały się nadal do obiektów kwantowych. Przyspieszenie grawitacyjne jest takie samo dla obiektów kwantowych i klasycznych. Po raz pierwszy spróbowano, podczas swobodnego spadku atomów, zbadać proces pod kątem spinu kwantowego, jednak efekty doświadczenia z torbą puściły kilka egzotycznych teorii kwantowej grawitacji.

6. Wnioski z tej myślowej podróży ;)

Doświadczenie zdaje się pokazywać, że grawitacja jest oddziaływaniem zupełnie innym niż trzy pozostałe, wydaje się po prostu... nie być kwantowa. Nie podlegać skwantowaniu, digitalizacji, podzieleniu na najmniejsze możliwe cząstki, jak reszta oddziaływań. Czy to możliwe, że trzy siły fundamentalne są 'cyfrowe', a jedna 'analogowa'? Że istnieje taka asymetria?

Fizycy zawsze szukają symetrii, bo lubią elegancję i prostotę w teoriach. Tak działają nasze umysły, szukają analogii, systematyzują i klasyfikują według klucza, który stwarzają na podstawie wcześniejszych doświadczeń. Uczą się na wzorcach i potem je powielają. Po prostu, szukamy w tym Wszechświecie jakiejś logiki, która, niestety, prowadzi nas do tego, że Wszechświat w końcu musi odpowiadać naszym wyobrażeniom o nim...

Ale nasze logiczne wyobrażenie o Kosmosie zderza się często z rzeczywistością i raz po raz każe weryfikować poglądy. Tak jak w przypadku mechaniki kwantowej, która zdaje się przeczyć zwykłej logice. Aby ją zrozumieć, trzeba było stworzyć logikę nową.

Ja jednak uważam, że jest bardzo możliwe, że grawitacja może sprawić niespodziankę. Jest to możliwe, bo przecież można tak mniemać z powodu braku niezbitych danych doświadczalnych. Może inaczej. Nie jest to niemożliwe.

Może wymyka się ona się prostemu zaklasyfikowaniu, usymetrowieniu, potraktowaniu jak inne siły? Skwantowaniu? Może jest hipsterem wśród sił? ;) Dopóki nie przekona mnie niepodważalne doświadczenie, mogę myśleć, jak przedstawiłem. Być może mamy trzy siły jednego rodzaju, a jedną innego. Dlaczego nie?

Na razie jest, w dużym uproszczeniu, 1:0 dla analogowej grawitacji, za sprawą eksperymentu Chińczyków z rubidem. Bo nie ma na przykład doświadczeń, które sugerowały istnienie kwantu - grawitonu. Są teorie, ale one są zawsze weryfikowane przez rzeczywistość. Ale czy sprawa jest zamknięta? :)

Na pewno nie. Być może, gdy będziemy dysponować lepszą i dokładniejszą technologią, wnioski okażą się zupełnie inne. Już nieraz historia pokazała, jak bardzo na przestrzeni wieków, właśnie z postępem techniki, zmieniało się nasze wyobrażenie o miejscu, w którym żyjemy. Od Słońca, które było bogiem, po Ziemię jako centrum Wszechświata, aż po mechanikę kwantową.

Dlatego pozostaje mieć otwarty umysł i czekać. Niech niebieskie kuleczki dalej się kręcą, a ziemniaki... ;)