Teoria wszystkiego

Teoria wszystkiego – poszukiwanie jednolitej teorii fizyki

Jednym z głównych celów współczesnej fizyki jest odkrycie podstawowych zasad, które kierują naszym wszechświatem. Zaskakujące jest to, że nasza rzeczywistość zdaje się być opisana przez stosunkowo niewiele fundamentalnych reguł. Wielu naukowców zastanawia się, czy istnieje jedna, wszechogarniająca reguła lub zestaw reguł, które mogłyby wyjaśnić wszystkie inne prawa fizyki. To pragnienie odkrycia „teorii wszystkiego” stało się siłą napędową dla wielu badań w dziedzinie fizyki. W celu weryfikacji różnych teorii zbudowano kosztowne urządzenia badawcze i obserwatoria, które przyniosły wiele sukcesów.

Jednakże, mimo tych osiągnięć, istnieje wyzwanie w połączeniu dwóch kluczowych teorii współczesnej nauki. Mowa tu o teorii względności Einsteina (opisującej wszechświat na dużą skalę) oraz mechanice kwantowej (badającej zachowania na poziomie atomów i cząstek). Choć obie te teorie skutecznie tłumaczą wyniki wielu eksperymentów, są ze sobą w pewnym sensie sprzeczne. Wielu naukowców próbowało je połączyć, ale z różnym skutkiem.

W tym kontekście warto wspomnieć o Stephenie Wolframie, fizyku i informatyku, który poświęcił znaczną część swojej kariery na badanie prostych algorytmów nazywanych „automatami komórkowymi”. Wolfram odkrył, że nawet najprostsze algorytmy mogą prowadzić do skomplikowanych zachowań, a niektóre z nich wydają się działać w sposób losowy. Jego teza głosi, że wszechświat jest kierowany przez pewien podzbiór tych algorytmów.

Nowa perspektywa na naukę

W 2002 roku Stephen Wolfram przedstawił światu swoje odkrycia w obszernej publikacji zatytułowanej „A New Kind of Science” (Nowy rodzaj nauki). Chociaż książka ta spotkała się z mieszanką recenzji i nie zdobyła takiej popularności, jakiej Wolfram mógł się spodziewać, nie zniechęciło go to do dalszych badań. Teraz prezentuje nam kolejny, równie innowacyjny koncept.

Tym razem Wolfram skupił się na badaniu prostych algorytmów, które różnią się nieco od wcześniej badanych przez niego automatów komórkowych (proste modele matematyczne służące do symulacji różnych systemów). Twierdzi, że te nowe algorytmy są jak najbardziej podstawowe i pozbawione dodatkowej struktury. Co więcej, uważa, że wielokrotne stosowanie tych algorytmów prowadzi do tworzenia modeli o ogromnej złożoności, które można by nazwać „wszechświatami zabawek”.

Jego najbardziej rewolucyjne twierdzenie polega na tym, że fundamentalne prawa fizyki, takie jak teoria względności czy mechanika kwantowa, są wynikiem tej złożoności. Innymi słowy, są one „emergentnymi” (naturalnie wyłaniającymi się) właściwościami tych wszechświatów zabawek.

Wolfram, współpracując z zespołem ekspertów, wyjaśnia, jak teoria względności i krzywizna czasoprzestrzeni mogą być postrzegane jako emergentne właściwości tych modeli. Następnie opisuje, jak mechanika kwantowa może być interpretowana w podobny sposób, ale z innej perspektywy. W jego koncepcji te dwie fundamentalne teorie fizyki są jak dwie strony tej samej monety. Dodatkowo łączy je z innym ważnym pojęciem we współczesnej fizyce: złożonością obliczeniową (idea opisująca skomplikowanie pewnych problemów matematycznych i obliczeniowych).

Nowatorska teoria wszechświata

Stephen Wolfram przedstawia innowacyjną koncepcję, w której twierdzi, że trzy główne filary współczesnej fizyki — teoria względności (opisująca zachowanie obiektów w dużych skalach), mechanika kwantowa (badająca zachowanie cząstek w skali mikroskopijnej) oraz złożoność obliczeniowa (opisująca skomplikowanie pewnych problemów matematycznych i obliczeniowych) — są w gruncie rzeczy jednym i tym samym zjawiskiem, postrzeganym w różny sposób. Wolfram stwierdza: „Jestem przekonany, że mamy już podstawowe ramy, które wyjaśniają, jak działa fizyka”. Jest to odważne twierdzenie.

Musimy uznać, że stworzenie spójnej teorii łączącej teorię względności z mechaniką kwantową to ogromne wyzwanie. Jeśli Wolframowi uda się to potwierdzić poprzez recenzje ekspertów, będzie to przełomowe osiągnięcie.

Jednak warto podchodzić do tego z pewnym sceptycyzmem. Po pierwsze, nie jest jasne, czy Wolfram zamierza poddać swoją pracę formalnej ocenie przez innych naukowców. Jeśli nie, to dlaczego?

Po drugie, każda nowa teoria musi przynosić testowalne prognozy, które odróżniają ją od innych teorii. W przeszłości wiele obiecujących koncepcji zostało odrzuconych, ponieważ ich przewidywania były identyczne z tymi, które już znamy.

Wolfram twierdzi, że jego teoria prowadzi do nowych prognoz. Mówi: „Mamy już kilka wskazówek dotyczących nowych, nieznanych dotąd zjawisk”.

Jednakże nie jest jasne, jak te prognozy można by przetestować. Na przykład, Wolfram sugeruje istnienie elementarnej długości rzędu 10^-93 metrów, co jest znacznie mniejsze niż obecnie uważana za najmniejszą możliwą długość Plancka wynosząca 10^-35 m.

Dodatkowo, według Wolframa, promień elektronu miałby wynosić około 10^-81 m. Tymczasem obecne badania wskazują, że jest on mniejszy niż 10^-22 m.

Kwantyzacja masy

 

Według teorii Wolframa, masa jest „kwantowana”, co oznacza, że przyjmuje wartości w dyskretnych jednostkach, podobnie jak kwanty energii w fizyce kwantowej. Te jednostki masy są niewyobrażalnie małe, rzędu 10^36 razy mniejsze niż masa elektronu.

Co więcej, Wolfram przewiduje, że znane nam cząstki, takie jak elektrony, nie są w rzeczywistości podstawowymi jednostkami materii. Zamiast tego, mogą być złożone z ogromnej liczby prostszych „pierwiastków”. Jego obliczenia sugerują, że elektron mógłby składać się z około 10^35 takich podstawowych elementów.

Wolfram postuluje również istnienie prostszych cząstek, które są zbudowane z mniejszej liczby tych pierwiastków. Nazywa je „oligony”. Co ciekawe, te cząstki mogłyby wywierać siłę grawitacyjną, co prowadzi Wolframa do sugestii, że mogą one stanowić tajemniczą „ciemną materię”. Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, która, według astronomów, stanowi większość masy we wszechświecie, ale nie oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym, dlatego nie możemy jej bezpośrednio zaobserwować.

Jednakże sposób testowania tych przewidywań przez fizyków pozostaje niejasny. Niemniej jednak, być może jest jeszcze za wcześnie, by oczekiwać konkretów. Wolfram sam przyznał, że zaczął intensywnie pracować nad tym pomysłem dopiero kilka miesięcy temu.

Społeczność naukowa a Stephen Wolfram

 

Jednym z aspektów, który warto podkreślić, jest pozycja Wolframa w środowisku fizyków. Choć jest wybitnym uczonym, często jest postrzegany jako osoba stojąca na uboczu głównego nurtu. W teorii, takie położenie nie powinno mieć znaczenia, ale w praktyce ma.

Jednym z głównych zarzutów wobec jego wcześniejszej pracy, „Nowy rodzaj nauki”, było to, że nie doceniał on wystarczająco wkładu innych badaczy w tej dziedzinie. To podejście wpłynęło negatywnie na odbiór i rozpowszechnienie jego idei.

Czy teraz będzie inaczej? Wiele zależy od tego, jak Wolfram będzie komunikować się ze społecznością naukową. Kluczowe znaczenie miałoby poddanie jego teorii formalnej recenzji przez innych ekspertów. Wolfram już podkreślił wartość dyskusji, które prowadził z innymi fizykami. W swojej pracy zamieścił również obszerną listę literatury (choć znacząca część odnosi się do jego własnych prac lub publikacji jego firmy, Wolfram Research). Warto zauważyć, że Wolfram docenił prace Rogera Penrose’a z lat 70. dotyczące kombinatorycznej czasoprzestrzeni, które były prekursorem dla jego własnych badań.

Niezależnie od indywidualnych opinii, nauka jest działalnością zbiorową. Pomysły rozprzestrzeniają się w sieci społecznościowej, w której węzłami są ludzie. Jeśli ktoś nie jest aktywnym uczestnikiem tej społeczności i nie przestrzega jej norm, nie powinien być zaskoczony, jeśli jego prace są pomijane. Chociaż badania teoretyczne, takie jak te Wolframa, mogą być prowadzone z niewielkim finansowaniem, badania eksperymentalne tego nie umożliwiają. Współpraca i rozwój są kluczem do sukcesu, a to, czy Wolfram je osiągnie, zależy w dużej mierze od niego.

Poszukiwanie „teorii wszystkiego” jest nieustającym przedsięwzięciem naukowców na całym świecie.