ROZDZIAŁ 1
Światy poza przestrzenią i czasem
Chcę wiedzieć, jak Bóg stworzył ten świat.
Nie interesuje mnie to czy inne zjawisko.
Chcę znać Jego myśli, reszta to szczegóły.
Albert Einstein
Dwa wydarzenia z dzieciństwa ogromnie wpłynęły na mój sposób rozumienia świata i spowodowały, że zostałem fizykiem teoretykiem.
Jak zostałem fizykiem
Pamiętam, że czasami rodzice zabierali mnie do słynnego japońskiego Ogrodu Herbacianego w San Francisco. Jedno z moich najszczęśliwszych wspomnień z tego okresu związane jest z tamtejszym stawem. Przesiadując nad nim, zafascynowany obserwowałem karpie, które pływały dostojnie pod liliami wodnymi i mieniły się kolorami.
W tych spokojnych chwilach pozwalałem swobodnie błądzić mojej wyobraźni. Zadawałem sobie naiwne pytania, jakie może sobie stawiać tylko dziecko, na przykład: jak karpie w stawie postrzegają świat wokół siebie? Jak dziwny musi być ich świat, myślałem.
Przebywając przez całe swoje życie w tym płytkim stawie, karpie wierzą, że ich "wszechświat" składa się z mętnej wody i lilii. Spędzając większość czasu na żerowaniu na dnie stawu, mają tylko niejasne przeczucie, że ponad powierzchnią może istnieć inny świat. Nie mogą zrozumieć natury mojego świata. Zaintrygowało mnie to, że siedziałem tylko kilka centymetrów od karpi, a jednak dzieliła mnie od nich ogromna otchłań. Karpie i ja spędzaliśmy swoje życie w dwóch osobnych wszechświatach, nigdy nie przekraczając nawzajem ich granic, chociaż znajdowała się między nami tylko najcieńsza z barier - powierzchnia wody.
Kiedyś wyobraziłem sobie, że i karpie mają swoich "uczonych". Wyśmiewaliby oni każdą rybę, która twierdziłaby, że ponad liliami istnieje równoległy świat. Dla "karpia-uczonego" rzeczywiste byłoby tylko to, co ryby mogą zobaczyć lub to, czego mogą dotknąć. Staw byłby dla nich wszystkim. Niewidzialny świat poza stawem nie miałby naukowego sensu.
Pewnego razu złapała mnie burza. Zauważyłem, że powierzchnię stawu bombardują tysiące kropli deszczu. Gdy woda wzburzyła się, fale popychały lilie wodne we wszystkich kierunkach. Szukając schronienia przed wiatrem i deszczem, zastanawiałem się, jak odbierałyby to wszystko karpie. Miałyby wrażenie, że lilie wodne poruszają się same, że nic ich nie popycha. Nie dostrzegałyby wody, w której żyją, tak jak my nie widzimy powietrza i przestrzeni wokół nas, byłyby więc zaskoczone tym, że lilie wodne mogą same się poruszać.
Wyobrażałem sobie, że aby ukryć swoją niewiedzę, ich "uczeni" wymyślili sprytną ideę, zwaną siłą. Nie mogąc zrozumieć, że na niewidzialnej powierzchni mogą istnieć fale, doszliby do wniosku, że lilie poruszają się, ponieważ coś tajemniczego i niewidzialnego, zwanego siłą, działa między nimi. Mogliby nadać tej iluzji dystyngowaną, robiącą wrażenie nazwę (taką jak "działanie na odległość" lub "zdolność lilii do poruszania się bez popychania").
Innym razem wyobraziłem sobie, co by się stało, gdybym wyłowił jednego "uczonego" ze stawu. Zanim wpuściłbym go z powrotem do wody, rzucałby się wściekle w moich rękach. Byłem ciekaw, jakby to wyglądało dla reszty karpi. Dla nich byłoby to z pewnością bardzo niepokojące wydarzenie. Najpierw zauważyłyby, że jeden z "uczonych" zniknął z ich wszechświata. Po prostu zaginął, nie zostawiając śladu. Nigdzie nie mogłyby znaleźć żadnej wskazówki wyjaśniającej jego zniknięcie. Kiedy w kilka sekund później wrzuciłbym go z powrotem do stawu, "uczony" pojawiłby się nagle znikąd. Inne karpie odebrałyby to jako cud.
Po dojściu do siebie "uczony" opowiedziałby niezwykłą historię. "Niespodziewanie - stwierdziłby - w jakiś sposób zostałem wyjęty z wszechświata (stawu) i wrzucony w tajemniczy inny świat, pełen oślepiających świateł i obiektów o niezwykłych kształtach, których nigdy przedtem nie widziałem. Najdziwniejszy był stwór, który mnie więził i w najmniejszym stopniu nie przypominał ryby. Byłem zaskoczony, widząc, że nie miał żadnych płetw, a jednak mógł się poruszać. Uderzyło mnie, że znane mi prawa natury nie stosowały się w tym innym świecie. Potem, tak samo nagle, znalazłem się z powrotem w naszym wszechświecie". (To opowiadanie o podróży poza wszechświat byłoby, oczywiście, tak fantastyczne, że większość karpi odrzuciłaby je jako kompletny nonsens).
Często myślę, że jesteśmy podobni do karpi pływających beztrosko w stawie. Przeżywamy życie w naszym "stawie", przekonani, że Wszechświat składa się tylko z rzeczy, które można zobaczyć lub dotknąć. Jak w przypadku karpi, nasz świat składa się z rzeczy znanych i dostępnych obserwacjom. Zadowoleni z siebie, nie chcemy przyznać, że tuż obok, choć poza naszym zasięgiem, mogą istnieć równoległe wszechświaty lub inne wymiary. Jeśli nasi uczeni tworzą takie pojęcia, jak siła, to tylko dlatego, że nie potrafią wyobrazić sobie niewidzialnych drgań, wypełniających pustą przestrzeń. Niektórzy nawet oburzają się, gdy wspomni się o wyższych wymiarach, ponieważ nie można ich łatwo zmierzyć w laboratorium.
Od tego czasu zafascynowany byłem możliwością istnienia innych wymiarów. Jak większość dzieci pochłaniałem powieści przygodowe, w których podróżnicy w czasie przenosili się w inne wymiary i poznawali niewidzialne, równoległe wszechświaty, gdzie nie obowiązywały zwykłe prawa fizyki. Dorastałem, zastanawiając się, czy statki wpływające do Trójkąta Bermudzkiego znikają tajemniczo w dziurze w przestrzeni. Podziwiałem cykl Fundacji Isaaca Asimova, w którym odkrycie podróży hiperprzestrzennej doprowadziło do powstania Imperium Galaktycznego.
Głębokie i trwałe wrażenie wywarło na mnie także inne wydarzenie z mojego dzieciństwa. Kiedy miałem osiem lat, usłyszałem historię, która pozostała ze mną przez resztę życia. Pamiętam, jak nauczyciele w szkole opowiadali nam o niedawno zmarłym wielkim uczonym. Mówili o nim z ogromnym szacunkiem, nazywając go jednym z największych uczonych w dziejach ludzkości. Podobno bardzo niewielu ludzi potrafiło zrozumieć jego idee, ale jego odkrycia zmieniły cały świat i wszystko wokół nas. Nie rozumiałem wtedy wiele z tego, co próbowali nam powiedzieć, ale najbardziej zaintrygowało mnie w historii tego człowieka to, że zmarł, zanim zdążył dokonać swego największego odkrycia. Mówiono, że tworzył tę teorię latami, a gdy zmarł, niedokończone notatki ciągle leżały na jego biurku.
Zafascynowała mnie ta historia. Dla dziecka była to wielka zagadka. Czego dotyczyła ta niedokończona praca? Co zawierały notatki na biurku? Jaki problem mógł być tak trudny i ważny, że uczony tej miary poświęcił wiele lat swojego życia na jego rozwiązywanie? Zaciekawiony, zdecydowałem się dowiedzieć wszystkiego, co mogłem, o Albercie Einsteinie i jego nieukończonej teorii. Ciągle ciepło wspominam wiele pełnych skupienia godzin, spędzonych na czytaniu wszystkich książek o tym wielkim człowieku i jego teoriach, jakie udało mi się znaleźć. Gdy w miejscowej bibliotece zapoznałem się ze wszystkimi książkami na ten temat, zacząłem zawzięcie przeszukiwać inne biblioteki i księgarnie w mieście, aby znaleźć więcej informacji. Okazało się, że ta historia jest o wiele bardziej ekscytująca niż jakakolwiek zagadka kryminalna i o wiele ważniejsza niż wszystko, co mogłem sobie wyobrazić. Zdecydowałem, że spróbuję dotrzeć do korzeni tej zagadki, nawet gdybym musiał zostać fizykiem teoretykiem.
Wkrótce dowiedziałem się, że niedokończone notatki na biurku Einsteina były próbą skonstruowania czegoś, co nazywał zunifikowaną teorią pola, teorią, która mogłaby wyjaśnić wszystkie prawa rządzące naturą od najmniejszego atomu do największej galaktyki. Jako dziecko nie rozumiałem jednak, że może istnieć związek między karpiami pływającymi w Ogrodzie Herbacianym i niedokończonymi notatkami leżącymi na biurku Einsteina. Nie rozumiałem, że wyższe wymiary mogą pomóc stworzyć zunifikowaną teorię pola.
Później, w szkole średniej, miejscowe biblioteki przestały mi wystarczać, więc często odwiedzałem bibliotekę Wydziału Fizyki Uniwersytetu Stanforda. Tam dowiedziałem się, że teoria Einsteina przewidywała możliwość istnienia nowej substancji, zwanej antymaterią, która zachowywałaby się jak zwyczajna materia, z jednym wyjątkiem: w kontakcie ze zwykłą materią ulegałaby anihilacji, uwalniając przy tym duże ilości energii. Przeczytałem również, że uczeni zbudowali wielkie urządzenia zwane akceleratorami, dzięki którym mogli otrzymywać w laboratorium mikroskopijne ilości tej egzotycznej substancji.
Jedną z zalet młodości jest to, że nie zniechęcają jej prozaiczne trudności, które większości dorosłych wydają się nie do przezwyciężenia. Nie doceniając związanych z tym przeszkód, postanowiłem skonstruować własny akcelerator. Zacząłem studiować literaturę naukową, aż przekonałem się, że mogę zbudować coś, co nazywano betatronem - urządzenie zdolne do rozpędzania elektronów do energii kilku milionów elektronowoltów. (Milion elektronowoltów to energia, jaką uzyskują elektrony przyspieszane w polu elektrycznym o napięciu miliona woltów).
Zacząłem od kupna niewielkiej ilości sodu 22, który jest radioaktywny i w sposób naturalny emituje pozytony (cząstki antymaterii odpowiadające elektronom). Następnie zbudowałem tak zwaną komorę pęcherzykową, dzięki której można obserwować ślady pozostawiane przez cząstki elementarne. Udało mi się zrobić setki pięknych zdjęć śladów pozostawionych przez antymaterię. Wreszcie ogołociłem okoliczne sklepy elektroniczne, zebrałem potrzebne części, włącznie z setkami kilogramów stali transformatorowej, i zbudowałem w garażu betatron o energii 2,3 miliona elektronowoltów, co wystarczało do wyprodukowania wiązki antyelektronów. Aby skonstruować olbrzymie magnesy potrzebne w betatronie, przekonałem rodziców, żeby pomogli mi nawinąć 40 kilometrów miedzianego drutu. Spędziliśmy ferie Bożego Narodzenia na środku szkolnego boiska, nawijając i układając masywne zwoje, które miały zakrzywiać drogi wysokoenergetycznych elektronów.
Ukończony betatron o wadze 150 kilogramów i mocy 6 kilowatów zużywał całą energię, jaką byliśmy w stanie wytworzyć w domu. Gdy go włączałem, zwykle przepalałem wszystkie bezpieczniki i cały dom pogrążał się w ciemnościach. Gdy co jakiś czas dom tonął w mroku, moja matka często z rezygnacją kręciła głową. (Domyślałem się, że prawdopodobnie się zastanawia, dlaczego nie mogła mieć syna, który gra w baseball lub koszykówkę, zamiast budować w garażu wielkie elektryczne maszyny). A ja byłem zadowolony, że za pomocą tego urządzenia udało mi się wytworzyć pole magnetyczne potrzebne do przyspieszenia wiązki elektronów, 20 tysięcy razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi.
W obliczu piątego wymiaru
Moja rodzina nie była zamożna, więc rodzice obawiali się, że nie będę mógł kontynuować moich eksperymentów i nauki. Na szczęście nagrody, jakie zdobyłem za różne projekty naukowe, zwróciły na mnie uwagę fizyka atomowego Edwarda Tellera. Jego żona wspaniałomyślnie pomogła mi otrzymać czteroletnie stypendium na Uniwersytecie Harvarda, dzięki czemu spełniły się moje marzenia.
Mimo że na Harvardzie studiowałem fizykę teoretyczną, to na przekór oczekiwaniom moje zainteresowanie wyższymi wymiarami stopniowo wygasło. Podobnie jak wszyscy inni fizycy, zacząłem rygorystyczne i gruntowne studia nad wyższą matematyką, opisującą każdą siłę przyrody z osobna, w zupełnej izolacji od pozostałych. Pamiętam, że gdy pewnego razu rozwiązywałem zadanie z elektrodynamiki, zapytałem mojego nauczyciela, jak wyglądałoby rozwiązanie, gdyby przestrzeń była zakrzywiona w wyższym wymiarze. Spojrzał na mnie w dziwny sposób, jakbym był trochę stuknięty. Podobnie jak inni przede mną, nauczyłem się wkrótce odkładać na bok moje wcześniejsze dziecinne wyobrażenia o wielowymiarowej przestrzeni. Powiedziano mi, że hiperprzestrzeń nie jest obiektem godnym poważnych studiów.
Nigdy nie zadowalało mnie jednak takie oddzielne podejście do różnych dziedzin fizyki i często wracałem myślami do karpi żyjących w Ogrodzie Herbacianym. Równania bowiem, których używaliśmy do opisu elektryczności i magnetyzmu, odkryte przez Maxwella w XIX wieku, mimo że sprawdzały się nadzwyczaj dobrze, sprawiały wrażenie dość arbitralnych. Czułem, że fizycy (podobnie jak karpie) wymyślili "siły", aby ukryć niewiedzę o tym, jak ciała mogą oddziaływać na siebie na odległość.
W trakcie studiów dowiedziałem się, że jedna z największych dyskusji XIX stulecia dotyczyła tego, w jaki sposób światło podróżuje w próżni. (Światło gwiazd może bez trudu przebyć miliardy miliardów kilometrów w próżni przestrzeni kosmicznej). Eksperymenty wykazały ponad wszelką wątpliwość, że światło jest falą. Jednak jeśli światło jest falą, potrzebuje czegoś, co mogłoby "falować". Fale dźwiękowe potrzebują powietrza, fale na wodzie potrzebują wody, ale ponieważ w próżni nie ma czym falować, dochodzimy do paradoksu. Jak światło może być falą, jeżeli nie ma niczego, w czym mogłyby się tworzyć fale? Fizycy wymyślili więc substancję, zwaną eterem, która wypełniała próżnię i odgrywała rolę ośrodka drgań dla światła. Jednak eksperymenty przekonująco wykazały, że eter nie istnieje4.
Kiedy zacząłem pracę nad doktoratem z fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, przez przypadek dowiedziałem się, że istnieje alternatywne, aczkolwiek kontrowersyjne, wyjaśnienie tego, jak światło może podróżować w próżni. Ta konkurencyjna teoria była tak niezwykła, że kiedy się na nią natknąłem, doznałem wstrząsu. Ów szok był podobny do tego, jakiego doświadczyło wielu Amerykanów, gdy dowiedzieli się o zastrzeleniu prezydenta Johna Kennedy'ego. Ciągle jeszcze pamiętają oni moment, kiedy usłyszeli te szokujące wiadomości, co robili i z kim rozmawiali w tej chwili. My, fizycy, również doznajemy wstrząsu, kiedy po raz pierwszy spotykamy się z teorią Kaluzy-Kleina. Teorię tę uważano za fantastyczną spekulację i nigdy nie wykładano jej na studiach, więc młodzi fizycy mogli ją odkryć tylko podczas przypadkowej lektury.
Ta alternatywna teoria najprościej wyjaśnia problem światła: w rzeczywistości jest ono drganiem piątego wymiaru lub tego, co mistycy nazywali czwartym wymiarem. Jeśli światło może podróżować w próżni, to tylko dlatego, że sama próżnia drga, gdyż "próżnia" naprawdę istnieje w czterech wymiarach przestrzennych i jednym czasowym. Przez dodanie piątego wymiaru siła grawitacji i światło mogą zostać połączone w zadziwiająco prosty sposób. Przypomniawszy sobie dziecięce doświadczenia z Ogrodu Herbacianego, nagle zrozumiałem, że to jest właśnie teoria matematyczna, której szukałem.
Stara teoria Kaluzy-Kleina zawierała jednak wiele trudnych, technicznych problemów, co czyniło ją bezużyteczną przez ponad pół wieku. To wszystko uległo zmianie w ostatniej dekadzie. Bardziej zaawansowane wersje tej teorii - teoria supergrawitacji, zwłaszcza zaś teoria superstrun - ostatecznie wyeliminowały jej nieścisłości. Niespodziewanie teoria wyższych wymiarów stała się przedmiotem intensywnych badań w instytutach naukowych na całym świecie. Wielu fizyków ze światowej czołówki jest teraz przekonanych, że poza zwykłymi czterema wymiarami przestrzeni i czasu istnieją także inne. Co więcej, fizycy teoretycy przypuszczają, że idea wyższych wymiarów może być decydującym krokiem w tworzeniu wszechstronnej teorii, która zjednoczy prawa natury - teorii hiperprzestrzeni.
Jeśli okaże się ona poprawna, historycy nauki będą mogli kiedyś napisać, że jedną z największych pojęciowych rewolucji w dwudziestowiecznej nauce było stwierdzenie, iż hiperprzestrzeń to klucz do najgłębszych sekretów natury i samego Stworzenia.
Koncepcja ta wywołała lawinę badań naukowych. Kilka tysięcy artykułów, napisanych przez fizyków teoretyków z najważniejszych placówek badawczych na całym świecie, poświęcono właśnie zgłębianiu własności hiperprzestrzeni. Strony "Nuclear Physics" i "Physics Letters", dwóch wiodących czasopism naukowych, zostały zalane artykułami analizującymi tę teorię. Zorganizowano ponad dwieście międzynarodowych konferencji fizycznych, na których dyskutowano nad konsekwencjami istnienia wyższych wymiarów.
Niestety, ciągle jeszcze dzieli nas długa droga od eksperymentalnego potwierdzenia, że nasz Wszechświat rzeczywiście istnieje w wyższych wymiarach. (Jak udowodnić poprawność tej teorii i, być może, nawet wykorzystać potęgę hiperprzestrzeni, opowiem później). Obecnie teoria ta przyjęła się jednak jako pełnoprawna gałąź współczesnej fizyki teoretycznej. Jednym z najbardziej aktywnych ośrodków badań nad wielowymiarową czasoprzestrzenią jest na przykład Institute for Advanced Study w Princeton, gdzie Einstein spędził ostatnie lata swojego życia (i gdzie powstała ta książka).
Steven Weinberg, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1979 roku, scharakteryzował tę pojęciową rewolucję, stwierdzając niedawno, że fizyka teoretyczna upodabnia się coraz bardziej do literatury fantastycznonaukowej.
Dlaczego nie widzimy wyższych wymiarów?
Na pierwszy rzut oka te rewolucyjne koncepcje wydają się niezwykłe, ponieważ przyjmujemy, że nasz codzienny świat jest trójwymiarowy. Nieżyjący już fizyk Heinz Pagels zauważył: "Jedna z cech naszego fizycznego świata wydaje się tak oczywista, że większość ludzi przyjmuje ją bez zdziwienia - trójwymiarowość przestrzeni"5. Niemal instynktownie czujemy, że każdy obiekt można opisać, podając jego wysokość, szerokość i głębokość. Przez określenie trzech liczb możemy zlokalizować dowolne miejsce w przestrzeni. Jeśli chcemy zjeść z kimś obiad w Nowym Jorku, mówimy: "Spotkajmy się na dwudziestym czwartym piętrze budynku na rogu Czterdziestej Drugiej ulicy i Pierwszej Alei". Dwie liczby wyznaczają skrzyżowanie ulic, a trzecia wysokość nad ziemią.
Piloci samolotów również wiedzą dokładnie, gdzie się znajdują, dzięki trzem liczbom: wysokości i dwóm współrzędnym określającym ich pozycję na mapie. Wyznaczenie tych trzech liczb rzeczywiście pozwala zlokalizować każde miejsce na świecie, od czubka własnego nosa po granice dostępnego obserwacjom Wszechświata. Nawet dzieci to rozumieją. Testy z niemowlętami wykazały, że mogą one raczkować do brzegu urwiska, gdy jednak spojrzą w dół, zawrócą. Oprócz instynktownego rozumienia pojęć "lewo" i "prawo" oraz "do przodu" i "do tyłu", dzieci wiedzą również intuicyjnie, co oznacza "w górę" i "w dół". Wynika stąd, że intuicyjne pojęcie trzech wymiarów jest silnie zakorzenione w naszych umysłach już od wczesnego dzieciństwa.
Einstein rozszerzył to pojęcie, włączając czas jako czwarty wymiar. Na przykład, aby spotkać się z kimś na obiedzie, powiedzmy o godzinie 12.30 na Manhattanie, czyli określić zdarzenie, należy również podać jego czwarty wymiar - czas, w którym się odbędzie.
Dzisiaj uczeni chcieliby wyjść poza wprowadzoną przez Einsteina koncepcję czwartego wymiaru. Zainteresowania naukowców ogniskują się wokół piątego (dodatkowego wymiaru przestrzennego, oprócz czasu i trzech wymiarów przestrzennych) oraz wyższych wymiarów. (Aby uniknąć zamieszania, w książce tej hołduję zwyczajowi nazywania czwartego wymiaru wymiarem przestrzennym obok długości, szerokości i wysokości. Fizycy faktycznie mówią o piątym wymiarze, ale tutaj postąpię zgodnie z tradycją historyczną. Czas będę nazywać czwartym wymiarem czasowym).
Jak można zobaczyć czwarty wymiar przestrzenny?
Problem w tym, że nie można. Nie można wyobrazić sobie wielowymiarowych przestrzeni, więc wszelkie tego rodzaju próby są z góry skazane na niepowodzenie. Wybitny dziewiętnastowieczny fizyk niemiecki Hermann von Helmholtz porównał niemożliwość zobaczenia czwartego wymiaru z niezdolnością ślepca do zrozumienia pojęcia koloru. Bez względu na to, jak elokwentnie opisywalibyśmy czerwień niewidomej osobie, słowa nie są w stanie przekazać sensu czegoś tak bogatego w znaczenia jak kolor. Nawet bardzo doświadczeni matematycy i fizycy teoretycy zajmujący się od lat wielowymiarowymi przestrzeniami przyznają, że nie potrafią ich sobie wyobrazić. W zamian wycofują się w świat równań matematycznych. Jednak mimo że matematycy, fizycy i komputery nie mają problemu z rozwiązywaniem równań w wielowymiarowych przestrzeniach, ludzie nie są w stanie wyobrazić sobie innych wszechświatów poza ich własnym.
W najlepszym razie, aby wyobrazić sobie cienie wielowymiarowych obiektów, możemy użyć różnych matematycznych sztuczek, opracowanych na przełomie wieków przez matematyka i mistyka Charlesa Hintona. Inni matematycy, jak Thomas Banchoff, dziekan Wydziału Matematyki na Uniwersytecie Browna, stworzyli programy komputerowe, pozwalające manipulować wielowymiarowymi obiektami poprzez rzutowanie ich cieni na płaski dwuwymiarowy ekran komputera. Jak u greckiego filozofa Platona, który twierdził, że jesteśmy podobni do mieszkańców jaskiń skazanych na oglądanie tylko niewyraźnych szarych cieni życia toczącego się na zewnątrz, programy komputerowe Banchoffa pozwalają jedynie rzucić okiem na cienie wielowymiarowych obiektów.
Nawiasem mówiąc, to ewolucja ponosi odpowiedzialność za to, że nie potrafimy wyobrażać sobie wyższych wymiarów. Nasz mózg ewoluował w ten sposób, aby poradzić sobie z mnóstwem niebezpieczeństw czyhających na nas w trzech wymiarach. Natychmiast, bez zastanowienia potrafimy rozpoznać zagrożenie i zareagować na rzucającego się na nas lwa lub szarżującego słonia. Istotnie, ci ludzie, którzy potrafili lepiej wyobrażać sobie, w jaki sposób ciała poruszają się, obracają i wyginają w trzech wymiarach, mieli wyraźnie większe szanse na przetrwanie. Niestety, dobór naturalny nie wymuszał na ludziach opanowania ruchu w czterech wymiarach. Z pewnością umiejętność widzenia czwartego wymiaru przestrzennego nie pomogłaby nikomu obronić się przed atakującym tygrysem szablastozębnym. Lwy i tygrysy nie wyskakują na nas z czwartego wymiaru.
Prawa natury są prostsze w wyższych wymiarach
Peter Freund, profesor fizyki teoretycznej w Instytucie Enrico Fermiego na Uniwersytecie w Chicago, uwielbia przekomarzać się ze słuchaczami wykładów w kwestiach własności wielowymiarowych wszechświatów. Był on jednym z pionierów prac nad teoriami hiperprzestrzeni, kiedy jeszcze uważano, że lokują się zbyt daleko od głównego nurtu fizyki. Przez lata Freund wraz z niewielką grupą uczonych parał się w odosobnieniu nauką dotyczącą wyższych wymiarów. Jednak ostatecznie stała się ona modną i pełnoprawną gałęzią badań naukowych. Dzisiaj Freund z radością stwierdza, że jego dawne zainteresowania w końcu przyniosły owoce.
Freund nie pasuje do tradycyjnego obrazu zrzędliwego, zaniedbanego naukowca zajętego wyłącznie swoją wąską dziedziną. Przeciwnie, jest on wytwornym, elokwentnym człowiekiem, o wielkiej kulturze i figlarnym, łobuzerskim uśmiechu. Urzeka laików fascynującymi opowieściami o szybko następujących po sobie odkryciach naukowych. Równie dobrze czuje się, gryzmoląc po tablicy gęsto zapisanej równaniami, jak i żartując na bankietach. Mówi ochrypłym głosem, z wyraźnym rumuńskim akcentem i ma rzadki dar wyjaśniania tajemniczych i skomplikowanych pojęć fizyki w żywy, zajmujący sposób.
Freund przypomina nam, że zazwyczaj uczeni zapatrywali się sceptycznie na ideę wyższych wymiarów, ponieważ nie można ich było zmierzyć ani wykorzystać w żaden konkretny sposób. Jednak obecnie rośnie wśród naukowców świadomość, że każda trójwymiarowa teoria jest "zbyt ciasna", aby opisać siły rządzące Wszechświatem.
Podkreśla on, że w ostatniej dekadzie w fizyce przeważał pogląd, iż prawa natury stają się prostsze i bardziej eleganckie, gdy formułuje się je w wyższych wymiarach, będących ich naturalnym miejscem. Prawa opisujące światło i grawitację znajdują właściwą im postać, gdy sformułuje się je w wielowymiarowej czasoprzestrzeni. Decydującym krokiem w kierunku unifikacji praw natury jest więc zwiększanie liczby wymiarów czasoprzestrzeni, co pozwala na dołączanie kolejnych rodzajów oddziaływań. W wyższych wymiarach dysponujemy wystarczającym "miejscem", aby zjednoczyć wszystkie fizyczne oddziaływania.
Wyjaśniając, dlaczego wyższe wymiary pobudzają wyobraźnię świata naukowego, Freund posługuje się następującą analogią: "Wyobraźmy sobie przez chwilę geparda - piękne, zwinne zwierzę, jedno z najszybszych na Ziemi - wędrującego swobodnie po sawannach Afryki. W swoim naturalnym środowisku to wspaniałe zwierzę jest niemal dziełem sztuki, niezrównanym pod względem prędkości i wdzięku. Teraz - mówi Freund - wyobraźmy sobie, że gepard został pojmany i umieszczony w nędznej, ciasnej klatce w zoo. Pokazywany dla naszej rozrywki, stracił swój niepowtarzalny wdzięk i piękno. Zamiast właściwej mu siły i elegancji widzimy tylko widmo geparda. Możemy porównać tego geparda do praw fizyki, które są piękne w swoim naturalnym miejscu. Naturalnym środowiskiem praw fizyki jest wielowymiarowa czasoprzestrzeń. Jednak mierzyć prawa fizyki potrafimy tylko wtedy, kiedy zostały już złamane i są pokazywane w klatce, którą jest nasze trójwymiarowe laboratorium. Oglądamy zatem geparda pozbawionego swojej urody i wdzięku"6.
Przez dziesięciolecia fizycy dziwili się, dlaczego cztery siły natury są tak podzielone - dlaczego "gepard" wygląda tak żałośnie i apatycznie w swojej klatce. Podstawową przyczyną, dla której te cztery oddziaływania wydają się tak niepodobne do siebie, zauważa Freund, jest to, że obserwujemy "uwięzionego geparda". Nasze trójwymiarowe laboratoria są dla praw fizyki sterylnymi klatkami w zoo. Kiedy zaś sformułujemy te prawa w wielowymiarowej czasoprzestrzeni, w ich naturalnym środowisku, zobaczymy ich prawdziwy blask i moc, staną się one proste i potężne. Rewolucja przetaczająca się obecnie przez fizykę polega na uświadomieniu sobie, że naturalnym środowiskiem geparda jest hiperprzestrzeń.
Aby zilustrować, w jaki sposób dodanie wyższych wymiarów może uprościć zagadnienie, przypomnijmy sobie wojny prowadzone przez starożytny Rzym. Wielkie wojny rzymskie, często składające się z wielu mniejszych bitew, przebiegały zawsze w sporym zamieszaniu, wśród plotek i mylnych informacji napływających do obu walczących stron z wielu różnych kierunków. Rzymscy wodzowie działali często na ślepo, ponieważ bitwy toczono na kilku frontach jednocześnie. Rzym wygrywał bitwy bardziej dzięki brutalnej sile niż elegancji swojej strategii. Dlatego jedną z naczelnych zasad sztuki wojennej jest zdobycie wyżej położonego terenu, czyli wzniesienie się w górę, w trzecim wymiarze, ponad dwuwymiarowe pole bitwy. Z dogodnego miejsca na wysokim wzgórzu, z panoramicznym widokiem na pole bitwy, chaos walki wydaje się znacznie mniejszy. Innymi słowy, oglądany z trzeciego wymiaru (to znaczy ze szczytu wzgórza) chaos mniejszych potyczek scala się w spójny, jednolity obraz.
Innym zastosowaniem tej zasady - że natura staje się prostsza w wyższych wymiarach - jest główna idea szczególnej teorii względności Einsteina. Einstein odkrył, że czas jest czwartym wymiarem, i wykazał, iż przestrzeń i czas łączą się ze sobą w czterowymiarowej teorii. To z kolei musiało doprowadzić do unifikacji wszystkich wielkości fizycznych mierzonych w przestrzeni i czasie, takich jak materia i energia. Znalazł w ten sposób precyzyjne matematyczne wyrażenie na jedność materii i energii: E = mc2, które jest chyba najsłynniejszym równaniem fizyki7.
Aby docenić nadzwyczajną moc tej unifikacji, przedstawię teraz cztery fundamentalne oddziaływania - oddziaływanie elektromagnetyczne, silne i słabe oddziaływania jądrowe oraz oddziaływanie grawitacyjne - podkreślając różnice między nimi i pokazując, w jaki sposób wyższe wymiary umożliwiają jednolity ich opis. W ciągu ostatnich dwóch tysięcy lat uczeni odkryli, że wszystkie zjawiska we Wszechświecie dają się sprowadzić do czterech sił, które na pierwszy rzut oka wydają się zupełnie do siebie niepodobne.
CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI
PEŁNY SPIS TREŚCI:
Przedmowa
Podziękowania
CZĘŚĆ I. Wkraczamy w piąty wymiar
