Piękno wszechświata

Brian Greene, wybitny specjalista od teorii strun, odkrywa przed nami, warstwa po warstwie, kolejne tajemnice i pokazuje 11-wymiarowy wszechświat, w którym tkanka przestrzeni sama się rozdziera i scala, a cała materia – od najmniejszych kwarków po gigantyczne supernowe – powstaje w wyniku drgań mikroskopijnie małych pętli energii.

„Piękno wszechświata” przybliża nam jedne z najbardziej skomplikowanych pojęć w historii nauki i sprawia, że stają się one niezwykle atrakcyjne. Książka ta, jak żadna inna, pozwala nam zrozumieć, jak działa wszechświat.

***

Książka Greene’a jest dla teorii strun tym, czym dzieło Stephena Hawkinga było dla czarnych dziur.
„New York Times”

Pasjonująca podróż przez krainę wspaniałych widoków.
„Los Angeles Times”

Greene pisze potoczystym, poetyckim stylem. […] Doskonale poradził sobie z zadaniem przetłumaczenia abstrakcyjnych matematycznych idei na język obrazów.
„The Washington Post Book World”

Metafory Greene’a są nierzadko równie celne, co piękne. […] «Piękno wszechświata» to fascynująca książka.
„Discovery Magazine”

Teoria strun jest najciekawszą ideą, jaka pojawiła się w fizyce od czasu, gdy Stephen Hawking zajrzał do czarnej dziury. […] Greene wyjaśnia ją w sposób zrozumiały dla każdego.
„San Francisco Chronicle”

Niezwykle ważna książka. […] «Piękno wszechświata» przedstawia idee i cele – a także niektóre sylwetki – twórców teorii strun przejrzyście i z wdziękiem.
„Scientific American”

PRZEDMOWA

Przez ostatnie trzydzieści lat życia Albert Einstein wytrwale poszukiwał tak zwanej zunifikowanej teorii pola, teorii, która opisałaby siły natury w obejmującym wszystko, spójnym systemie. Einsteinem nie kierowały motywy, które zwykle wiążemy z przedsięwzięciami naukowymi, takimi jak chęć wyjaśnienia konkretnych wyników badań. Powodowało nim raczej mocne przeświadczenie, że zgłębienie tajemnic Wszechświata odsłoni to, co w nim najcudowniejsze: prostotę i siłę zasad, które nim rządzą. Einstein chciał wyjaśnić naturę Wszechświata w sposób tak jasny, jak nigdy dotąd, abyśmy wszyscy mogli podziwiać jego absolutne piękno i elegancję.
Einsteinowi nigdy nie udało się zrealizować tego marzenia, głównie za sprawą obiektywnych trudności. W owych czasach nie znano jeszcze pewnych zasadniczych właściwości materii i sił natury lub — w najlepszym razie — niezbyt dobrze je rozumiano. Jednakże w ciągu ostatniego półwiecza kolejne pokolenia fizyków — raz szybciej, raz wolniej, a czasem zapędzając się w ślepą uliczkę — dzięki odkryciom swoich poprzedników coraz lepiej rozumiały, jak funkcjonuje Wszechświat. Obecnie, długo po tym, jak Einstein podjął bezskuteczną próbę sformułowania zunifikowanej teorii Wszechświata, fizycy nabierają pewności, że w końcu odkryli wspólne podstawy rozmaitych fragmentów wiedzy — teorię, która daje możliwość opisania w zasadzie wszystkich zjawisk fizycznych. Jest to teoria superstrun. Ona właśnie stała się tematem tej książki.
Napisałem Piękno Wszechświata, aby przybliżyć najnowsze odkrycia naukowe w dziedzinie fizyki, zwłaszcza tym, którzy nie mają wykształcenia fizycznego czy matematycznego. Dając w ciągu ostatnich kilku lat wykłady na temat teorii superstrun, zauważyłem ogromne zainteresowanie wynikami obecnie prowadzonych badań dotyczących podstawowych praw rządzących Wszechświatem. Wiele osób chciało się dowiedzieć, dlaczego prawa te wymagają całkowitej zmiany naszego obrazu kosmosu i jak wiele wysiłku będą jeszcze kosztowały poszukiwania teorii ostatecznej. Mam nadzieję, że wyjaśniając główne osiągnięcia w dziedzinie fizyki od czasów Einsteina i Heisenberga, a także opisując wspaniałe owoce ich odkryć, książka ta zaspokoi ową ciekawość.
Żywię też nadzieję, że Piękno Wszechświata zainteresuje również czytelników mających pewne przygotowanie z dziedziny nauk ścisłych. Liczę na to, że wyjaśniając studentom nauk ścisłych i nauczycielom fundamentalne zagadnienia współczesnej fizyki — szczególną i ogólną teorię względności oraz mechanikę kwantową — książka ta przekaże im jednocześnie nieco zaraźliwego entuzjazmu, cechującego badaczy, którzy zbliżają się do odkrycia długo poszukiwanej zunifikowanej teorii. Pamiętając o gorliwym czytelniku literatury popularnonaukowej, próbuję wyjaśnić wiele napawających radością osiągnięć, których dokonano w ostatnim dziesięcioleciu. Mam nadzieję, że moim kolegom zajmującym się innymi dyscyplinami naukowymi książka ta pozwoli wyrobić sobie rzetelny i wyważony pogląd na to, dlaczego teoretycy strun odnoszą się tak entuzjastycznie do postępu w poszukiwaniach ostatecznej teorii natury.
Teoria superstrun obejmuje liczne działy. Jest to złożona dziedzina, korzystająca z wielu najważniejszych odkryć w fizyce. Ponieważ łączy prawa dotyczące zarówno tego, co wielkie, jak i tego, co małe — prawa, które rządzą fizyką opisującą najdalsze zakątki kosmosu, ale także najmniejsze fragmenty materii — istnieje wiele sposobów podejścia do tego tematu. Postanowiłem się skupić na naszym ewoluującym obrazie przestrzeni i czasu. Uważam ten temat za szczególnie pasjonujący. Mam też nadzieję, że przedstawienie owej problematyki pozwoli dostrzec fascynujące bogactwo najważniejszych odkryć, których dokonano ostatnio. Einstein pokazał światu, że przestrzeń i czas zachowują się w niezwykły sposób. Współcześni badacze włączyli jego odkrycia do kwantowego wszechświata o wielu ukrytych wymiarach, których bogata geometria zawiera być może klucz do odpowiedzi na część najistotniejszych pytań. Chociaż niektóre pojęcia są dość zawiłe, przekonamy się, że potrafimy uchwycić ich znaczenie za pomocą analogii z życia codziennego. Po zrozumieniu owych pojęć ujrzymy Wszechświat w zaskakującej, wręcz rewolucyjnej perspektywie.
W całej książce staram się trzymać faktów naukowych. Jednocześnie często posługuję się analogiami i przenośniami, chcąc, aby czytelnik intuicyjnie zrozumiał, w jaki sposób uczeni doszli do obowiązującego dziś wyobrażenia o kosmosie. Unikam języka specjalistycznego i równań, ale ze względu na pojawianie się całkowicie nowych pojęć czytelnik odczuje być może potrzebę dłuższego zastanowienia się nad kwestiami omówionymi w rozdziale lub przemyślenia podanych wyjaśnień, aby z pełnym zrozumieniem śledzić dalszy tok rozumowania. Kilka podrozdziałów części IV (poświęconej głównie najnowszym osiągnięciom) jest nieco trudniejszych od reszty. Starałem się jednak ułożyć tekst tak aby można je było tylko przejrzeć lub nawet pominąć z minimalną szkodą dla logiki wywodu. W przypomnieniu sobie pojęć wprowadzanych w tekście pomoże też dołączony przeze mnie słowniczek terminów naukowych. Uwagi zamieszczone na końcu książki, w przypisach, mniej zaangażowany czytelnik może pominąć. Znajdują się tam uzasadnienia tez postawionych w tekście, obszerne wyjaśnienia omówionych wcześniej skrótowo pojęć, a także kilka technicznych zagadnień, których zrozumienie wymaga przygotowania matematycznego.
Wielu osobom jestem winien podziękowania za pomoc okazaną mi w trakcie pisania tej książki. David Steinhardt, który z uwagą przeczytał rękopis, nie żałował wnikliwych uwag redakcyjnych i słów zachęty. David Morrison, Ken Vineberg, Raphael Kasper, Nicholas Boles, Steven Carlip, Arthur Greenspoon, David Mermin, Michael Popowits i Shani Offen po starannym zapoznaniu się z tekstem przekazali mi szczegółowe uwagi i wskazówki, które w znacznym stopniu poprawiły sposób prezentacji materiału. Całość lub część rękopisu przeczytali też: Paul Aspinwall, Persis Drell, Michael Duff, Kurt Gottfried, Joshua Greene, Teddy Jefferson, Marc Kamionkowski, Yakov Kanter, Andras Kovacs, David Lee, Megan McEwen, Nari Mistry, Hasan Padamsee, Ronen Plesser, Massimo Poratti, Fred Sherry, Lars Straeter, Steven Strogatz, Andrew Strominger, Henry Tye, Cumrun Vafa i Gabriele Veneziano. Wszyscy oni udzielili mi rad i okazali pomoc. Szczególne podziękowania należą się Raphaelowi Gunnerowi, między innymi za dogłębną krytyczną analizę początkowej wersji książki, co pomogło nadać jej doskonalszy kształt, oraz Robertowi Malleyowi za łagodną, ale zdecydowaną zachętę, abym zamiast myśleć o książce, „chwycił wreszcie za pióro”. Cennych rad i pomocy udzielili mi Steven Weinberg i Sidney Coleman. Do osób, którym z przyjemnością dziękuję za przydatne rozmowy, należą także: Carol Archer, Vicky Carstens, David Cassel, Anne Coyle, Michael Duncan, Jane Forman, Susan Greene, Wendy Greene, Erik Jendresen, Gary Kass, Shiva Kumar, Robert Mawhinney, Pam Morehouse, Pierre Ramond, Amanda Salles i Eero Simoncelli. Costasowi Efthimiou jestem wdzięczny za pomoc w sprawdzaniu faktów i wyszukiwaniu źródeł bibliograficznych, a także za przerobienie wykonanych przeze mnie szkiców na rysunki, z których Tom Rockwell stworzył — z cierpliwością świętego i mistrzostwem artysty — ilustracje zamieszczone w tekście. Dziękuję również Andrew Hansonowi i Jimowi Sethnie za pomoc w przygotowaniu kilku bardziej specjalistycznych rysunków.
Howardowi Georgiemu, Sheldonowi Glashowowi, Michaelowi Greenowi, Johnowi Schwarzowi, Johnowi Wheelerowi, Edwardowi Wittenowi oraz ponownie Andrew Stromingerowi, Cumrunowi Vafie i Gabriele Veneziano jestem wdzięczny za to, iż w czasie rozmów podzielili się ze mną poglądami na różne tematy poruszane w tej książce.
Z przyjemnością wyrażam uznanie dla wnikliwości Angeli Von der Lippe oraz wielkiej wrażliwości na szczegóły Traci Nagle, które były moimi redaktorami w wydawnictwie W.W. Norton. Obie przyczyniły się do znacznego poprawienia jasności wykładu. Dziękuję również moim agentom, Johnowi Brockmanowi i Katince Matson, za ich profesjonalną pomoc w doprowadzeniu książki do publikacji.
Narodowej Fundacji na rzecz Nauki, Fundacji Alfreda Sloana i amerykańskiemu Ministerstwu Energetyki jestem wdzięczny za hojne wspieranie moich badań w dziedzinie fizyki teoretycznej przez ponad piętnaście lat. Skupiałem się w nich na problemie wpływu teorii superstrun na nasze pojmowanie przestrzeni i czasu. W dalszych rozdziałach opisuję część odkryć, w których miałem szczęście uczestniczyć. Choć mam nadzieję, że czytelnikowi spodobają się owe relacje naocznego świadka, zdaję sobie sprawę, że mogą one pozostawić wrażenie, iż mój udział w tworzeniu teorii superstrun był większy niż w rzeczywistości. Pozwolę więc sobie skorzystać z tej okazji, aby wyrazić uznanie dla ponad tysiąca fizyków na całym świecie, którzy z zaangażowaniem uczestniczą w tworzeniu ostatecznej teorii Wszechświata. Przepraszam też wszystkich, których dokonań nie opisałem. Jest to związane z wyznaczonym przeze mnie zakresem tematycznym oraz ograniczeniami objętościowymi, jakim musi podlegać pozycja popularnonaukowa.
Na koniec z głębi serca dziękuję Ellen Archer za jej niezmienną miłość oraz wsparcie, bez których książka ta nigdy by nie powstała.