Strona głównaPytania → Jaki jest obecny status teorii...

Jaki jest obecny status teorii strun?

Pytanie

Pyta Piotr

Jaka jest obecna sytuacja teorii strun? Według wielu uczonych jest to „ślepa uliczka”, a projekt „teoria strun” jest utrzymywany przy życiu tylko ze względu na duże pieniądze, które jeszcze są udostępniane.

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Piotr Sułkowski

Status teorii strun jest bez wątpienia bardzo ciekawy — na pewno na tyle, że dociekliwość naukowa wymaga dalszego badania tej teorii, a wedle jeszcze większej ilości uczonych (w tym takich, których dokonania zostały uznane przyznaniem nagród Nobla, medali Fieldsa, i innych prestiżowych wyróżnień) opinie wyrażone w drugim zdaniu pytania są niesłuszne (w szczególności mówienie o dużych pieniądzach jest nieporozumieniem — jak na razie teoria strun jest dziedziną teoretyczną, której finansowanie jest znikome w porównaniu z jakimikolwiek dziedzinami doświadczalnymi).

Z jednej strony rzeczywiście należy przyznać, że (jak dotąd) teoria strun nie spełniła pokładanych w latach ’80 i ’90 XX w. nadziei — tzn. dotychczas nie okazała się być „teorią wszystkiego”, której przewidywania można by sprawdzić eksperymentalnie. Ponadto hipotetyczne struny, których różnego rodzaju wzbudzenia przejawiać by się miały w postaci znanych obecnie (i jeszcze nieznanych) cząstek elementarnych, miałyby być na tyle znikomych rozmiarów, że obecne doświadczenia nie byłyby w stanie ich wykryć. Brak możliwości eksperymentalnej weryfikacji teorii jest bez wątpienia istotnym problemem. Natomiast warto zaznaczyć, że brak nowych danych eksperymentalnych nie jest jedynie problemem teorii strun, ale w dużej mierze całej fizyki wysokich energii; np. jak dotąd największym odkryciem nowego, potężnego akceleratora LHC w CERN jest zidentyfikowanie cząstki Higgsa, która teoretycznie przewidziana została już w roku 1964 — natomiast jak dotąd LHC nie dostarczyło innych wyników, które można by nazwać przełomowymi (np. odkrycia nowych cząstek, supersymetrii, itp.).

Z drugiej strony, teoria strun okazała się niezwykle głębokim schematem teoretycznym, który w dużej mierze zmienił nasz punkt widzenia na naturę oddziaływań fundamentalnych, a także doprowadził do wielu przełomów w matematyce. Z tych punktu widzenia teoria strun odniosła bardzo duże sukcesy. Po pierwsze jest ona jedyną teorią, która w spójny sposób łączy i godzi ze sobą teorię pól z cechowaniem (na których oparta jest cała fizyka cząstek elementarnych), z ogólną teorią względności — tzn. z samego charakteru oddziaływań strunowych naturalnie wynikają równania pól z cechowaniem, jak też równania Einsteina teorii względności. Po drugie, teoria strun przewiduje, że (przynajmniej w pewnych przypadkach) oddziaływania pól z cechowaniem można opisać poprzez oddziaływania grawitacyjne (i vice versa) — jest to niezwykle intrygujący wniosek, który w dodatku znalazł zastosowanie przy analizie doświadczeń prowadzonych w „zderzaczu ciężkich jonów” RHIC; w tym sensie można zatem powiedzieć, że przewidywania teorii strun znajdują eksperymentalne zastosowania. Teoria strun wymaga także istnienia supersymetrii oraz dodatkowych wymiarów, których poszukiwaniu również poświęcone są eksperymenty w LHC w CERN — istnienia supersymetrii i dodatkowych wymiarów  nie można tak po prostu wykluczyć, i warto ich poszukiwać nawet bez względu na przewidywania teorii strun.

Należy też podkreślić, że aparat teoretyczny teorii strun jest związany z wieloma innymi działami fizyki: oczywiście ze wspomnianymi już teorią cząstek elementarnych i teorią grawitacji, a także fizyką statystyczną, fizyką materii skondensowanej, etc. Czołowi fizycy zajmujący się teorią strun dokonali ważnych odkryć także w tych innych dziedzinach — świadczy to o tym, że teoria strun nie jest hermetyczną dziedziną, a naukowcy nią się zajmujący są fizykami o szerokich horyzontach, którzy zajmują się po prostu tym, co jest ważne i istotne. Jeśli ktokolwiek zaproponowałby inną teoretyczną konstrukcję, która np. w naturalny sposób łączyłaby teorię pól z cechowaniem z teorią względności, to na pewno fizycy pracujący nad teorią strun takiemu pomysłowi uważnie by się przyjrzeli i (bez żadnych uprzedzeń) zaczęli badać jego konsekwencje, z czysto naukowej ciekawości. Natomiast (i być może niestety?) innych teorii o takich własnościach jak dotąd nikt nie jest w stanie zaproponować.

Wreszcie, teoria strun przyczyniła się do przełomowych odkryć w matematyce — już samo to wystarczyłoby za argument, że warto tę teorię rozwijać. Np. w wyniku naprawdę niezwykłych przewidywań teorii strun powstała bardzo prężna dziedzina, zwana symetrią lustrzaną. Teoria strun miała (i ma) też bardzo duży wpływ na rozwój teorii węzłów, oraz innych dziedzin matematyki. Za prace związane z zagadnieniami związanymi z teorią strun medale Fieldsa (najwyższe wyróżnienia w matematyce) otrzymali Edward Witten oraz Maxim Kontsevich; inni medaliści Fieldsa, którzy zajmują się zagadnieniami związanymi z teorią strun, lub których wyniki bezpośrednio z tą teorią się łączą, to m.in. Michael Atiyah, Simon Donaldson, Richard Borcherds, Shing-Tung Yau, Andrei Okounkov. Nie może być przypadkiem, że prace wybitnych matematyków łączą się z teorią strun; bez wątpienia jest to przejawem intrygującej jedności fizyki i matematyki, obserwowanej w całej nowożytnej historii tych nauk.

Podsumowując, teoria strun jest bardzo intrygującym pomysłem teoretycznym, który bez wątpienia miał (i ma) wpływ na nasze rozumienie natury fundamentalnych oddziaływań fizycznych, a także bardzo silnie przyczynił się do rozwoju matematyki w ostatnich dekadach. Na pewno teoria ta jest jest warta dalszej analizy. Z dużym prawdopodobieństwem można spodziewać się dalszych odkryć teoretycznych z nią związanych oraz wpływu na inne dziedziny fizyki i matematyki. Bez wątpienia też ważne odkrycia doświadczalne w dziedzinie cząstek elementarnych (w szczególności w dalszej działalności LHC) będą poważnie analizowane pod kątem zgodności z tą teorią.