Hiperprzestrzeń - ebook

Przedmowa

Rewolucje naukowe niemal z definicji zaprzeczają zdrowemu rozsądkowi. Gdyby wszystkie nasze zdroworozsądkowe wyobrażenia o Wszechświecie były poprawne, nauka odkryłaby jego sekrety tysiące lat temu. Celem nauki jest jednak odrzucenie zjawiskowej warstwy obiektów i poznanie ich natury. Gdyby wygląd i istota były tym samym, nauka okazałaby się niepotrzebna.

Według najgłębiej chyba zakorzenionego zdroworozsądkowego wyobrażenia żyjemy w trójwymiarowym świecie. Rozumie się samo przez się, że długość, szerokość i głębokość wystarczają, aby opisać wszystkie obiekty we Wszechświecie dostępne obserwacjom. Eksperymenty z dziećmi i ze zwierzętami wykazały, że rodzimy się z wrodzonym poczuciem, iż świat jest trójwymiarowy. Jeśli jako kolejny wymiar dołączymy czas, te cztery wymiary wystarczą już, aby opisać wszystkie wydarzenia we Wszechświecie. Bez względu na to, co mierzą przyrządy, od wnętrza atomu do najdalszych zakamarków gromad galaktyk znajdujemy dowody istnienia jedynie czterech wymiarów. Twierdząc publicznie, że istnieją inne wymiary lub że nasz Wszechświat współistnieje z innymi, można narazić się na kpinę. A jednak wygląda na to, że ów głęboko zakorzeniony przesąd o trójwymiarowości naszego świata, po raz pierwszy dyskutowany przez starożytnych filozofów greckich dwa tysiące lat temu, zostanie niedługo obalony wraz z postępem nauki.

Książka ta opowiada o rewolucji naukowej zapoczątkowanej przez teorię hiperprzestrzeni1, mówiącą, że oprócz powszechnie akceptowanych czterech wymiarów przestrzeni i czasu istnieją inne wymiary. Wśród fizyków na całym świecie, łącznie z niektórymi laureatami Nagrody Nobla, pogląd, że Wszechświat może istnieć w wielowymiarowej przestrzeni, zyskuje coraz liczniejszych zwolenników. Jeśli teoria ta zostanie udowodniona, zainicjuje głęboką pojęciową i filozoficzną rewolucję w naszym rozumieniu Wszechświata. Teoria hiperprzestrzeni znana jest w nauce jako teoria Kaluzy–Kleina i teoria supergrawitacji, a jej najbardziej zaawansowane sformułowanie nazwano teorią superstrun. Przewiduje ona nawet dokładną liczbę wymiarów: dziesięć2. Do zwykłych trzech wymiarów przestrzennych (długości, szerokości i głębokości) oraz jednego wymiaru czasowego dołączono sześć dodatkowych wymiarów przestrzennych.

Muszę dodać, że teoria hiperprzestrzeni nie została jeszcze potwierdzona eksperymentalnie i w rzeczywistości niezwykle trudno będzie ją udowodnić w laboratorium. Jest ona jednak przedmiotem badań w głównych ośrodkach naukowych całego świata i nieodwołalnie zmieniła krajobraz współczesnej fizyki, inspirując powstanie olbrzymiej liczby (ponad pięciu tysięcy) artykułów naukowych. Nikt jednak nie spróbował wyjaśnić fascynujących własności wielowymiarowych przestrzeni szerokiemu kręgowi odbiorców. Dlatego opinia publiczna jest tylko w niewielkim stopniu, jeśli w ogóle, świadoma tej rewolucji. Powierzchowne odwołania do innych wymiarów i wszechświatów równoległych w szeroko rozumianej kulturze są często mylące. Wielka to szkoda, gdyż znaczenie tej teorii polega na jej zdolności połączenia wszystkich znanych zjawisk fizycznych w zadziwiająco prosty sposób. Ta książka po raz pierwszy przedstawia, poprawnie z punktu widzenia nauki, a jednocześnie przystępnie, fascynujące badania nad hiperprzestrzenią, prowadzone obecnie.

Aby wyjaśnić, dlaczego teoria hiperprzestrzeni wzbudza w świecie fizyki teoretycznej tyle emocji, rozwinąłem cztery podstawowe tematy, które są motywem przewodnim tej książki. Dzielą one książkę na cztery części.

W części I omawiam najdawniejszą historię hiperprzestrzeni, podkreślając, że prawa natury stają się prostsze i bardziej eleganckie, gdy są formułowane w wyższych wymiarach.

Aby zrozumieć, w jaki sposób dodanie wyższych wymiarów może uprościć problemy fizyczne, rozważmy następujący przykład. Dla starożytnych Egipcjan pogoda była zagadką. Co powoduje pory roku? Dlaczego robi się cieplej, gdy podróżuje się na południe? Dlaczego wiatry najczęściej wieją w jednym kierunku? Wyjaśnienie zjawisk pogodowych było niemożliwe z ograniczonego punktu widzenia starożytnych Egipcjan, którym Ziemia wydawała się płaska jak dwuwymiarowa płaszczyzna. Wyobraźmy sobie teraz, że wysyłamy Egipcjanina w rakiecie w przestrzeń kosmiczną, skąd może on zobaczyć całą Ziemię na jej orbicie wokół Słońca. Nagle odpowiedzi na te pytania stają się oczywiste.

W przestrzeni kosmicznej widać wyraźnie, że oś Ziemi jest odchylona o około 23 stopnie od pionu (pion to kierunek prostopadły do płaszczyzny okołosłonecznej orbity Ziemi). Z powodu tego odchylenia północna półkula otrzymuje mniej lub więcej światła słonecznego w zależności od tego, na której połowie orbity znajduje się Ziemia. Ponieważ równik jest bardziej oświetlony niż północne i południowe regiony polarne, gdy się do niego zbliżamy, temperatura wzrasta. Podobnie, ponieważ Ziemia obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem kogoś, kto znajduje się na biegunie północnym, zimne polarne powietrze zmienia kierunek, gdy przemieszcza się na południe w kierunku równika. Ruch ciepłych i zimnych mas powietrza, spowodowany ruchem obrotowym Ziemi, pozwala więc wyjaśnić, dlaczego wiatr najczęściej wieje w jednym kierunku, zależnie od tego, w którym miejscu powierzchni naszej planety się znajdujemy.

Podsumowując, niejasne prawa pogody stają się łatwe do zrozumienia, gdy spogląda się na Ziemię z przestrzeni kosmicznej. Rozwiązaniem tego problemu jest zatem przemieszczenie się w przestrzeni, w górę, w trzeci wymiar. Fakty, które były niemożliwe do zrozumienia w płaskim świecie, nagle stają się oczywiste, gdy ogląda się trójwymiarową Ziemię.

Podobnie prawa rządzące grawitacją i światłem wydają się całkowicie odmienne. Spełniają one różne założenia fizyczne i posługują się różną matematyką. Próby połączenia tych dwóch zjawisk zawsze kończyły się porażką. Jeśli jednak do czterech wymiarów przestrzeni i czasu dodamy jeszcze jeden, piąty wymiar, to równania rządzące światłem i grawitacją wydają się pasować do siebie jak dwa kawałki układanki. Światło można opisać jako wibracje w piątym wymiarze. Widzimy więc, że prawa światła i grawitacji stają się prostsze w pięciu wymiarach.

Dlatego też wielu fizyków jest obecnie przekonanych, że konwencjonalna, czterowymiarowa teoria jest „zbyt mała”, aby adekwatnie opisać siły rządzące Wszechświatem. W czterowymiarowej teorii fizycy musieli upychać siły natury w sposób niezręczny i nienaturalny. Co więcej, ta hybrydowa teoria jest niepoprawna. Gdy użyjemy więcej niż czterech wymiarów, mamy „wystarczająco dużo miejsca”, aby wyjaśnić podstawowe siły w elegancki, spójny sposób.

W części II dalej rozwijam tę prostą ideę, podkreślając, że teoria hiperprzestrzeni może zjednoczyć wszystkie znane prawa natury w jedną teorię. W ten sposób teoria hiperprzestrzeni może okazać się koronnym osiągnięciem dwóch tysiącleci badań naukowych: unifikacją wszystkich znanych sił fizycznych. Może dać nam ona świętego Graala fizyki – „teorię wszystkiego”, która wymykała się Einsteinowi przez tyle lat.

Przez ostatnie pięćdziesiąt lat uczeni zastanawiali się, dlaczego podstawowe siły działające w kosmosie – grawitacja, elektromagnetyzm oraz silne i słabe oddziaływania jądrowe – tak bardzo różnią się między sobą. Próby uzyskania zunifikowanego obrazu wszystkich znanych sił, podejmowane przez największe umysły XX wieku, zakończyły się fiaskiem. Jednak teoria hiperprzestrzeni jest w stanie wyjaśnić istnienie czterech sił natury oraz, jak się wydaje, przypadkowego zbioru cząstek elementarnych w prawdziwie elegancki sposób. W teorii hiperprzestrzeni „materię” można również postrzegać jako wibracje odkształcające tkankę przestrzeni i czasu. Wynika z tego fascynująca możliwość, że wszystko, co widzimy wokół siebie – od drzew i gór po gwiazdy – to nic innego, jak tylko wibracje w hiperprzestrzeni. Jeśli tak jest naprawdę, będziemy mogli w prosty i geometryczny sposób stworzyć spójny, przekonujący opis całego Wszechświata.

W części III rozważę hipotezę, czy w ekstremalnych warunkach przestrzeń można rozciągać aż do jej rozdarcia. Innymi słowy, zastanowię się nad tym, czy hiperprzestrzeń dopuszcza istnienie tuneli biegnących przez przestrzeń i czas. Chociaż podkreślam, że jest to wysoce spekulatywne, fizycy poważnie analizują własności „tuneli czasoprzestrzennych”, łączących odległe części przestrzeni i czasu. Na przykład fizycy z California Institute of Technology z całą powagą zaproponowali konstrukcję wehikułu czasu, składającego się z tuneli łączących przeszłość z przyszłością. Wehikuł czasu opuścił więc już królestwo fantazji i domysłów, stając się pełnoprawnym obiektem badań naukowych.

Kosmolodzy zasugerowali nawet, że nasz Wszechświat jest tylko jednym z nieskończonej liczby wszechświatów równoległych. Wszechświaty te można porównać do olbrzymiej liczby baniek mydlanych unoszących się w powietrzu. W normalnych warunkach kontakt pomiędzy tymi wszechświatami-bańkami jest niemożliwy, ale analizując równania Einsteina, kosmolodzy wykazali, że może istnieć sieć tuneli czasoprzestrzennych, łączących wszechświaty równoległe. Na każdej bańce możemy zdefiniować naszą własną, wyróżnioną przestrzeń oraz czas, mające znaczenie tylko na jej powierzchni; poza bańkami pojęcia przestrzeni i czasu tracą sens.

Choć liczne konsekwencje wynikające z tej dyskusji mają czysto teoretyczny charakter, podróże w hiperprzestrzeni mogą ostatecznie zyskać praktyczne zastosowanie: okazać się jedynym sposobem uratowania inteligentnego życia, łącznie z naszym, w umierającym Wszechświecie. Uczeni powszechnie wierzą, że Wszechświat musi w końcu umrzeć, a z nim całe życie, które pojawiło się w ciągu miliardów lat. Na przykład zgodnie z najbardziej popularną teorią, zwaną teorią Wielkiego Wybuchu, 15–20 miliardów lat temu kosmiczna eksplozja spowodowała rozszerzanie się Wszechświata i oddalanie się od nas galaktyk z olbrzymimi prędkościami. Jeśli jednak pewnego dnia Wszechświat przestanie się rozszerzać i zacznie kurczyć, w końcu zapadnie się w ognistym kataklizmie, zwanym Wielkim Kolapsem, w którym całe inteligentne życie wyparuje w niewyobrażalnym żarze3. Niemniej niektórzy fizycy mają nadzieję, że teoria hiperprzestrzeni podpowie, w jaki sposób uratować inteligentne życie. W ostatnich sekundach umierania Wszechświata inteligentne życie może uciec w hiperprzestrzeń.

W części IV podsumuję wcześniejsze rozważania, zadając praktyczne pytanie: jeśli teoria hiperprzestrzeni okaże się poprawna, kiedy będziemy mogli wykorzystać jej siłę? Nie jest to pytanie wyłącznie akademickie, ponieważ w przeszłości wykorzystanie tylko jednej z czterech podstawowych sił przyrody nieodwracalnie zmieniło bieg historii ludzkości, wydobywając nas z ignorancji i brudu dawnych, przedindustrialnych społeczności i przekształcając we współczesną cywilizację. W pewnym sensie olbrzymią część historii ludzkości można postrzegać jako dzieje stopniowego opanowywania czterech sił natury. Historia cywilizacji przechodziła dogłębną zmianę za każdym razem, gdy kolejna z tych sił została odkryta i ujarzmiona.

Gdy na przykład Isaac Newton zapisał klasyczne prawa grawitacji, zapoczątkował teorię mechaniki, która dała nam prawa rządzące maszynami. To z kolei w wielkim stopniu przyspieszyło rewolucję przemysłową, która wyzwoliła siły polityczne. One natomiast obaliły feudalne dynastie Europy. W połowie lat sześćdziesiątych XIX wieku, gdy James Clerk Maxwell sformułował podstawowe prawa rządzące siłą elektromagnetyczną, rozpoczęła się era elektryczności, która dała nam: prądnicę, radio, telewizję, radar, urządzenia domowe, telefon, kuchenki mikrofalowe, elektronikę użytkową, komputery, lasery i wiele innych cudów. Bez zrozumienia i wykorzystania siły elektromagnetycznej cywilizacja uległaby stagnacji przed odkryciem żarówki i silnika elektrycznego. W połowie lat czterdziestych naszego stulecia wykorzystano siłę jądrową i świat jeszcze raz został przewrócony do góry nogami, gdy zbudowano bomby atomową i wodorową, najbardziej niszczycielską broń na naszej planecie. Ponieważ znajdujemy się u progu zrozumienia wszystkich kosmicznych sił rządzących Wszechświatem, można oczekiwać, że każda cywilizacja, która opanuje teorię hiperprzestrzeni, obejmie władzę nad Wszechświatem.

Ponieważ teoria hiperprzestrzeni opiera się na dobrze zdefiniowanym zbiorze równań matematycznych, możemy obliczyć dokładną ilość energii, potrzebną do skręcenia przestrzeni i czasu w precel lub do stworzenia tuneli czasoprzestrzennych, łączących odległe części Wszechświata. Niestety, wyniki te rozczarowują. Wymagana energia znacznie przekracza wszystko, co dałoby się zgromadzić na naszej planecie. W rzeczywistości energia ta jest tysiąc bilionów razy większa od energii naszych największych akceleratorów. Musimy poczekać wieki, a nawet tysiąclecia, aby nasza cywilizacja rozwinęła techniczne możliwości manipulowania czasoprzestrzenią albo mieć nadzieję na nawiązanie kontaktu z zaawansowaną cywilizacją, która już opanowała hiperprzestrzeń. Książka kończy się więc badaniem intrygującego i spekulatywnego problemu naukowego: jaki poziom technologiczny musimy osiągnąć, aby stać się władcami hiperprzestrzeni.

Ponieważ teoria hiperprzestrzeni prowadzi nas daleko poza zwyczajne, zdroworozsądkowe pojęcia przestrzeni i czasu, w książce zamieściłem również kilka czysto hipotetycznych opowieści. Zainspirował mnie do tego laureat Nagrody Nobla, Isidor I. Rabi, gdy przemawiał do zgromadzenia fizyków. Narzekał on na nikły poziom edukacji naukowej w Stanach Zjednoczonych i krytykował fizyków za zaniedbywanie swojego obowiązku popularyzowania nauki, szczególnie wśród młodzieży. Ostrzegał, że autorzy literatury fantastycznonaukowej zrobili więcej, aby przybliżyć przygodę z nauką, niż wszyscy fizycy razem wzięci.

W poprzedniej książce, Dalej niż Einstein: kosmiczna pogoń za teorią Wszechświata (napisanej wspólnie z Jennifer Trainer), przedstawiłem teorię superstrun, opisałem naturę cząstek elementarnych, obszernie omówiłem obserwowany Wszechświat oraz to, w jaki sposób całą złożoność materii można wyjaśnić za pomocą niewielkich wibrujących strun. Tematem tej książki są inne zagadnienia oraz Wszechświat niewidzialny, czyli królestwo geometrii i czasoprzestrzeni. Książka ta nie skupia się na naturze cząstek elementarnych, lecz na wielowymiarowym świecie, w którym one prawdopodobnie żyją. W trakcie lektury czytelnik zrozumie, że wielowymiarowa przestrzeń nie jest pustą, bierną sceną, na której kwarki odgrywają swoje wieczne role, lecz głównym aktorem w dramacie natury.

Poznając fascynującą historię teorii hiperprzestrzeni, zobaczymy, że poszukiwania ostatecznej natury materii, rozpoczęte przez Greków dwa tysiąclecia temu, były długie i bolesne. Gdy przyszli historycy nauki napiszą ostatni rozdział tej długiej sagi, być może zanotują, że kluczowy przełom dokonał się w momencie odrzucenia zdroworozsądkowych teorii trzech lub czterech wymiarów na rzecz teorii hiperprzestrzeni.

M. K.

Nowy Jork, maj 1993

1 Temat jest tak nowy, że nie powstała jeszcze powszechnie przyjęta nazwa, której używaliby fizycy teoretycy, dyskutując o teoriach wielowymiarowych. Ujmując problem bardziej technicznie: fizyk najczęściej odwołuje się do określonej teorii, takiej jak teoria Kaluzy–Kleina, teoria supergrawitacji czy superstrun, chociaż hiperprzestrzeń jest określeniem szeroko używanym, gdy mówi się o wyższych wymiarach, a „hiper-” to przyjęty w języku naukowym przedrostek, służący do tworzenia nazw obiektów geometrycznych w wyższych wymiarach. W tej książce hołduję temu zwyczajowi i odwołując się do wyższych wymiarów, używam słowa hiperprzestrzeń.

2 Prowadzone w teorii strun prace zaowocowały wyłonieniem nowej teorii – zwanej M-teorią – która przewiduje, że tak naprawdę wymagane jest jedenaście wymiarów. Ta różnica w liczbie wymiarów nie zmienia jednak sensu poruszanych w książce kwestii i wniosków, do jakich dochodzi Autor, rozważając dziesięciowymiarową hiperprzestrzeń (przyp. tłum.).

3 Najnowsze zebrane przez uczonych dane wskazują raczej, że Wszechświat będzie się wiecznie rozszerzał i jego koniec nastąpi, gdy temperatura spadnie niemal do zera absolutnego. Scenariusz taki nosi nazwę Wielkiego Chłodu (przyp. tłum.).Podziękowania

Pisząc tę książkę, miałem szczęście współpracować z Jeffreyem Robbinsem. Był redaktorem, który umiejętnie pokierował procesem powstawania moich trzech poprzednich książek na temat fizyki teoretycznej, napisanych dla naukowców i traktujących o zunifikowanej teorii pola, teorii superstrun i kwantowej teorii pola. Ta książka jest pierwszą pozycją popularnonaukową przeznaczoną dla szerokiego kręgu odbiorców, jaką na jego zamówienie napisałem. Praca z nim była dla mnie wielkim przywilejem.

Chciałbym również podziękować Jennifer Trainer, która razem ze mną napisała dwie poprzednie książki popularnonaukowe. Jeszcze raz wykorzystała swoje zdolności, aby uczynić ten tekst łatwy w odbiorze i na tyle spójny, na ile jest to tylko możliwe.

Na moją wdzięczność zasłużyło również wiele innych osób, które pomogły mi poprawić i ulepszyć wcześniejsze wersje tego tekstu: Burt Solomon, Leslie Meredith, Eugene Mallove i mój agent Stuart Krichevsky.

Chciałbym także podziękować za gościnność Institute for Advanced Study w Princeton, gdzie powstała większa część tej książki. Instytut, w którym Einstein spędził ostatnie dekady swego życia, był odpowiednim miejscem, aby pisać o rewolucyjnych odkryciach, rozwijających i ulepszających większość jego pionierskich prac.