Наука без граница

ЗАКОН СВИХ ЗАКОНА

Да ли оно што називамо „законима” физике уопште постоји?

Замислимо да две цимерке одлуче да вечерају код куће. Једна од њих воли кинеску храну, док је друга склонија домаћој кухињи. Кад одаберу која јела ће да спремају, оду до оближње продавнице у набавку и баце се на кување. Замислимо и да имају две одвојене кухиње и да је јелима која спремају потребно исто време за припрему. Износе их на трпезаријски сто истовремено и, на своје огромно изненађење, схватају да су два оброка – истоветна! Можемо само да замислимо колико би се те две девојке зачудиле и каква би питања себи поставиле: како од потпуно различитих састојака може да се припреми исто јело? Шта су уопште кинеска и српска кухиња, да ли се разликују? Да ли су обе потпуно погрешно прочитале и припремиле рецепте?
    Професор теоријске физике са Универзитета Мериленда, Шанкар Даш Шарма, у тексту који је објављен у часопису „Њу сајентист” сматра да управо такву недоумицу доживљавају квантни физичари када се сусретну са два потпуно различита описа истог физичког система – рецимо, физичке и таласне природе честице. У случају физике, уместо меса и поврћа састојци су честице и силе, уместо рецепата ту су математичке формуле које описују њихова међусобна дејства, а улогу кувања има поступак „квантизације” – изградње начела квантне механике на основу класичне механике, односно покушај да се на основу класичног разумевања физичких појава разумеју  квантне појаве.
    Али, да ли такав пут уопште има везе са стварношћу и да ли ти закони на основу којих физичари покушавају да баце мало светлости у таму квантног света уопште постоје? Шарма сматра да су начела физике елементарних честица које многи научници сматрају „коначним законима” нашег свемира, заправо само „радни описи” и да нису ништа друго до математичке једначине које се поклапају с начинима рада одређених делова природе. Он верује да таква крута правила не постоје, и да би физика, када их не бисмо посматрали као „апсолутне”, имала много више маневарског простора за успешнија истраживања. Како је уопште стигао до такве замисли?

Шармина дилема

    У тексту објављеном у „Квантамагазину” још један теоретски физичар и професор на Универзитету Принстон, Роберт Дејкграф, такође расправља о томе да ли су „закони физике” у ствари само математичке теорије које се доследно поклапају са неким деловима природе и њеним механизмима. То по његовом мишљењу важи колико за Њутнове законе кретања, толико и за Ајнштајнову теорију релативности или Шредингерове и Диракове једначине у квантној физици, те чак и у случају теорије струна. Дакле, и Шарма и Дејкграф мисле да наши „закони” у ствари нису закони као такви, већ тачни начини описивања стварности коју видимо. Дејкграф такво стање ствари поткрепљује чињеницом да „закони физике” нису непроменљиви, већ се развијају упоредо са развијањем нашег искуственог знања о свету и свемиру.
   Пре само сто година већина закона физике је непосредно повезана с одређеним механизмима у природи. Тако је, рецимо, Хуков закон еластичности описао колика је сила потребна да би се опруга истегла за одређену дужину. Међутим, такво виђење физике променило се почетком 20. века када су људи попут Алберта Ајнштајна кренули у потрагу за дубљим теоријама које би могле да опишу све што се дешава у природи. Ајнштајн је веровао да, у суштини, постоји само један начин на који су наш свемир и његови доследни закони могли да настану. Ако бисмо довољно дубоко копали по суштини физике, открили бисмо тај један и једини начин на који би сви делови природе – материја, зрачења, силе, простор и време – морали да се уклопе како би стварност постојала баш у облику у којем постоји – такозвана „теорија свега”, свети грал физике.
    Но, што физичари више копају тражећи то „средиште” физике, уместо да системи на које наилазе постају све јединственији и једноставнији, чини се да се они све више усложњавају. Да ли се баш она посебна комбинација честица и сила коју смо у овом тренутку открили и сматрамо основном, стварно и налази у основи грађе природе и свемира? Стари Грци сматрали су да су то четири елемента – ватра, вода, земља и ваздух, од 19. века научници су сматрали да је то атом, од 20. века да су то електрони, протони и неутрони, а данас имамо шест врста кваркова, три врсте неутрина, а одскора и Хигсов бозон. Стандардни модел теорије честица данас има 19 природних константи , бројеве попут масе и наелектрисања електрона, а чини се да смо још далеко од „средишта физике” и да вредности данашњих „непроменљивих параметара” у себи не крију никакво дубље значење и пут према некој обједињујућој теорији природе.
    Зато Шарма сматра да законе физике треба посматрати само као математичке једначине које смо створили да би нам помогле у опису одређених делова природе. Док настојимо да докажемо да такви „закони” постоје, ми само откривамо нове појединости о томе како свемир ради и сазнајемо све више, прилагођавајући постојеће једначине. Зато он мисли да је на законе физике боље гледати као на „опне лука”: што више сазнајемо о физици нашег свемира, уклањамо све више слојева. Али, за разлику од лука, у физици су ти слојеви бесконачни: испод сваког оглуљеног појављују се нови, и увек ћемо имати још нешто да научимо о свемиру.
    Другим речима, Шарма – који се и сам бави проучавањем свемира и његових правила – мисли да би научници морали да почну да гледају на законе физике више као на слојеве, а мање као на нека апсолутна правила која треба открити.
    „Ево у чему је ствар”, каже Шарма у чланку, „упркос томе што многи научници мисле да је њихова улога да откривају такве коначне законе, ја једноставно не верујем да они уопште постоје.”
    Он сматра да смо пре револуционарних — и на крају недовршених — покушаја Алберта Ајнштајна да створи „теорију свега”, као и пре свих истраживања у областима попут квантне механике која су уследила, можда и могли да тврдимо да се у суштини природе налазе некакви „закони” које ваља открити.
    „Ипак, како откривамо више о механизмима природе, ми и усавршавамо наше описе, а она је бескрајна. Како су људи уопште могли да буду толико охоли и мислили да ће привидна правила која управљају нашом стварношћу важити и у неким другим стварностима?”
    По њему, чак и у теоријама које су толико суштинске као што је квантна механика, постоји превише тајни и променљивих да бисмо икада могли да стигнемо до њеног дна. Она је више скуп правила које користимо да изразимо своје законе, а не некакав крајњи и свеобухватни закон.
    „Тешко је замислити да ће за хиљаду година физичари и даље користити квантну механику као основни алат за описивање природе. До тог времена нешто друго ће заменити квантну механику, баш као што је она заменила Њутнову механику.”            Шарма не покушава да предвиди шта би могла да буде замена за квантну механику, али не види никакав посебан разлог због којег би се баш тај опис физичког свемира испоставио као врхунац, због чега би већ на почетку 21. века човечанство заувек остало заглављено у квантној механици.
     „То би била баш депресивна помисао!“, додаје он.

            Предели бесконачности

    У људском мозгу постоји око 86 милијарди неурона, а то је мање од броја звезда у Млечном путу – који је пак само кап у океану познатог дела свемира. У поређењу с таквом ограниченом запремином људског мозга, свемир изгледа бесконачно, те је практично невероватно већ и то да неке механизме свемира уопште можемо да разумемо кроз законе физике, а камоли да бисмо могли да откријемо некакве његове коначне и суштинске законе. Ричард Фајнман, амерички физичар, академик и један од твораца савремене квантне електродинамике, рекао је да се „не ради о томе колико смо ми, људи, паметни да схватимо како природа ради, већ колико је природа паметна да испоштује наше законе.”
     Када су ти наши покушаји разумевања природе у питању, од 1968. године и првих покушаја Габријелеа Венецијана да уобличи своја запажања о јаким интеракцијама у некакав математички облик, теорија струна постала је узданица човечанства у тражењу Ајнштајнове „теорије свега”. То је веома строга математичка теорија која описује гравитацију и начела квантне механике на равноправној основи, као јединствен систем, и у складу је са многим нашим опажањима механизама који владају у свемиру. Но, ова теорија се досад бесуспешно мучила да пружи проверљива предвиђања која би превазишла наше тренутно разумевање свемира, што је највероватније последица саме њене суштине.
    Дејкграф у свом чланку ту препреку објашњава односом закона и њиховог учинка. Наиме, математичке једначине које уобличују те законе физике обично имају бесконачан број могућих решења. Тако елегантни Њутнови закони, на пример, описују невероватно широк спектар појава, од пада јабуке на његову главу до орбите Месеца око Земље. Но, ако знамо почетне услове одређеног система које ти закони описују, моћи ћемо да решимо једначине и предвидимо шта ће се следеће с тим системом догодити.
    Ту је и основни камен спотицања теорије струна пошто су у складу с њом наши закони физике – поједностављено речено – само једно од бесконачног низа решења неких једначина у систему који је толико велик да не можемо ни да га докучимо, а камоли да откријемо његове једначине. То је препрека која се у свету теоријске физике назива „потешкоћом пејзажа”.
    Тај пејзаж, према Дејкграфовим размишљањима, можемо да замислимо као бесконачан простор различитих решења, непрегледну џунглу могућих светова (димензија) и закона који у њима владају. У том смислу, наша стварност и закони које „откривамо” само су једно од решења ограничено на један пропланак у том бесконачном пејзажу познатом и као „мноштво свемира” или „мултиверзум”. Зато су ти наши закони од малог значаја у покушају да опишемо закон који је њих створио, на исти начин на који је проучавање пада јабуке с дрвета бесмислено у покушају да се опише понашање Хигсовог бозона.
    Пут до доношења закључака о том „надсистему пејзажа” који се обично користи у науци подразумевао би проучавање што већег броја могућих стварности у том пејзажу, њихових свемира и посебних закона који владају у њима, након чега бисмо могли да пронађемо или претпоставимо одређена правила и докажемо их мерењима – а то је, разуме се, немогућ задатак.
     Дакле, за Дејкграфа закони физике нису значајни, јединствени, нити можемо да причамо о њиховом постојању, пошто у потпуности зависе од места на којем се налазе у „пејзажу”. Тако ни досадашњи приступ физици елементарних честица у којем се закони природе све више брусе у односу на све мање и мање градивне блокове честица и све основније силе које делују између њих, није превише плодан начин гледања на физички свет у једном крајичку пејзажа.
    Међутим, не мора да значи да би у том случају све било изгубљено. Теорија струна каже да би пут кроз мрачну дивљину „пејзажа” некада могао да се заврши и у другој стварности. То би онда био другачији модел, направљен од потпуно другачијег скупа честица и сила који би изнедрио иста основна физичка правила, као што су у случају гладних цимерки два различита рецепта створила исто јело. То је оно што физичари називају „дуални модели”, а односе између њих „дуалност”. Такви дуални системи познати су нам, рецимо, из квантних примера чувеног начела дуалности честица–талас који је открио Хајзенберг.
    Њутнови закони су изузетно успешно описивали нашу стварност скоро 300 година. Ипак смо морали да одемо даље од њих пошто смо сазнали више о свемиру. То исто би могло да се догоди и са квантним законима, пошто су и они у својој суштини скуп правила које користимо да изразимо своје законе, а не сам „закон свих закона”. Свака нова теорија у будућности мораће да се надовезује на физику квантне механике, баш као што је квантна механика надоградња класичне механике. Ако су ова два стручњака у праву, наше разумевање и откривање физичког света наставиће се унедоглед, неометано потрагом за коначним законом и „теоријом свега”, а закони физике ће се стално развијати и никада неће попримити свој коначни облик.