Czy uda si´
do roku 2050
zunifikowaç
Steven Weinberg fizyk´?
Eksperymenty prowadzone w CERN i innych oĘrodkach fizyki wysokich
energii pozwolÄ… uzupe"niç Model Standardowy czÄ…stek elementarnych,
ale opracowanie zunifikowanej teorii wszystkich oddzia"ywał

najprawdopodobniej wymagaç b´dzie zupe"nie nowych pomys"ów
ednym z podstawowych celów fizyki jest opi- tacyjne, co nastr´cza ogromnych trudnoĘci. Podejrze-
sanie niezwyk"ej róŻnorodnoĘci przyrody w jed- wamy, Å»e obserwowane róŻnice mi´dzy podstawowy-
nolity sposób. Najwi´ksze jej dotychczasowe mi si"ami zosta"y spowodowane przez zdarzenia, któ-
osiÄ…gni´cia by"y kolejnymi krokami na tej dro- re nastÄ…pi"y tuÅ» po Wielkim Wybuchu, ale nie jesteĘmy
J
dze: w XVII wieku Isaac Newton zunifikowa" mecha- w stanie zbadaç szczegó"ów tak wczesnej kosmi-
nik´ ziemskÄ… i niebieskÄ…; dwa stulecia póęniej James cznej historii bez lepszej teorii grawitacji i innych si".
Clerk Maxwell po"Ä…czy" optyk´ z teoriÄ… elektrycznoĘci Istnieje wprawdzie szansa, Å»e prace nad unifikacjÄ… zo-
i magnetyzmu, a mi´dzy rokiem 1905 i 1916 Albert stanÄ… zakoÅ‚
czone do roku 2050, ale nie ma co do tego
Einstein zrobi" to samo z geometrią czasoprzestrzeni pewnoĘci.
i teoriÄ… grawitacji; w latach dwudziestych zaĘ, dzi´ki
powstaniu mechaniki kwantowej, zatar"y si´ grani- Pola kwantowe
ce mi´dzy chemiÄ… i fizykÄ… atomowÄ… [ilustracje na stro-
nach 40 i 41]. Model Standardowy to kwantowa teoria pola. Jego
Ostatnie 30 lat Å»ycia Einstein poĘwi´ci" na bezsku- g"ównymi elementami sÄ… pola, m.in. elektryczne i ma-
teczne poszukiwanie  zunifikowanej teorii pola , któ- gnetyczne XIX-wiecznej elektrodynamiki. Ma"e zabu-
ra po"Ä…czy"aby ogólnÄ… teori´ wzgl´dnoĘci  jego w"asnÄ… rzenia tych pól przenoszÄ… energi´ i p´d z miejsca na
teori´ czasoprzestrzeni i grawitacji  z teoriÄ… elektro- miejsce, a mechanika kwantowa powiada, Å»e tworzÄ…
magnetyzmu Maxwella. Ostatnio osiÄ…gni´to pewien one paczki lub kwanty, które w laboratorium rozpo-
post´p na tej drodze, ale prowadzi ona w innym kierun- znajemy jako czÄ…stki elementarne. Na przyk"ad kwan-
ku. Obecna teoria czÄ…stek elementarnych i si", znana tem pola elektromagnetycznego jest foton.
jako Model Standardowy, zunifikowa"a elektromagne- W Modelu Standardowym kaŻdej cząstce, która zo-
tyzm z oddzia"ywaniami s"abymi, czyli si"ami odpo- sta"a zaobserwowana w laboratoriach fizyki wysokich
wiedzialnymi za wzajemne przekszta"canie si´ proto- energii, odpowiada pole [górna ilustracja na stronie 42].
nów i neutronów w przemianach promieniotwórczych Mamy wi´c pola leptonowe: ich kwanty to dobrze zna-
i w gwiazdach. Model Standardowy opisuje równieÅ» ne elektrony, które tworzÄ… zewn´trzne otoczki zwy-
niezaleÅ»nie, ale w podobny sposób, oddzia"ywania k"ych atomów, podobne do elektronów ci´Å»sze czÄ…st-
silne, które utrzymują kwarki wewnątrz protonów ki, znane jako miony i taony, oraz pokrewne, elek-
i neutronów oraz protony i neutrony wewnątrz jąder
atomowych.
Mamy ca"kiem dobre wyobraÅ»enie o tym, jak od- Zunifkowana teoria powinna ujawniç kwantowÄ…
dzia"ywania silne moÅ»na po"Ä…czyç z teoriÄ… oddzia"y- natur´ przestrzeni i czasu. Przy najmniejszych
wał
s"abych i elektromagnetycznych (program ten na- odleg"oĘciach przestrzeł
moÅ»e byç zastÄ…piona przez
zywa si´ WielkÄ… UnifikacjÄ…), ale powiedzie si´ to tylko nieustannie zmieniajÄ…cÄ… si´ struktur´ strun
wtedy, gdy zostanÄ… równieÅ» uwzgl´dnione si"y grawi- i membran lub przez coĘ jeszcze dziwniejszego.
38 ÂWIAT NAUKI StyczeÅ‚
2000
ALFRED T. KAMAJIAN
Zunifikowanie róŻnych
ElektrycznoĘç
zjawisk w jednej teorii
od dawna znajdowa"o
si´ w centrum
zainteresował
fizyki.
Elektro-
Magnetyzm
Model Standardowy magnetyzm
czÄ…stek elementarnych
opisuje trzy z czterech
znanych si" przyrody Âwiat"o
Oddzia"ywania
(oddzia"ywania
elektros"abe
elektromagnetyczne,
s"abe i silne),
które trzeba
zunifikowaç z ogólnÄ…
Rozpad beta
teoriÄ… wzgl´dnoĘci
Oddzia"ywania
Model
opisujÄ…cÄ… si"y
s"abe
Standardowy
grawitacyjne i natur´
Oddzia"ywania
przestrzeni i czasu.
neutrin
Protony
Oddzia"ywania
Neutrony
silne
?
Piony
Ziemska
grawitacja
Powszechna
grawitacja
Mechanika
Ogólna teoria
nieba
wzgl´dnoĘci
Geometria
czasoprzestrzeni
trycznie oboj´tne czÄ…stki, zwane neutrinami. RóŻ- lepiej ugruntowanych zasad fizyki, a miano-
ne pola odpowiadają teŻ kwarkom róŻnych ty- wicie, Że przestrzeł
wyglÄ…da tak samo we
pów. Niektóre kwarki są związane w protonach wszystkich kierunkach. (Na przyk"ad gdyby
i neutronach tworzÄ…cych jÄ…dra zwyk"ych ato- wsz´dzie istnia"o pole magnetyczne, wówczas
mów. Si"y mi´dzy tymi czÄ…stkami powstajÄ… w wyróŻniony by"by kierunek, który da"oby si´
wyniku wymiany fotonów i innych podobnych wykryç za pomocÄ… zwyk"ego kompasu.) Uwa-
czÄ…stek elementarnych  W+, W i Z0 przenoszÄ… Å»a si´, Å»e to w"aĘnie oddzia"ywanie innych pól
oddzia"ywania s"abe, a osiem rodzajów gluonów Modelu Standardowego z tymi wszechobecny-
jest odpowiedzialnych za oddzia"ywania silne. mi polami skalarnymi nadaje wyst´pujÄ…cym
Te czÄ…stki majÄ… bardzo róŻne masy; dotych- w nim czÄ…stkom mas´.
czas w rozk"adzie ich mas nie zauwaŻono Żad-
nej prawid"owoĘci: elektron jest 350 tys. razy Ponad topem
lÅ»ejszy od najci´Å»szego kwarka, a neutrina nawet
jeszcze lÅ»ejsze. Model Standardowy nie zawie- Aby uzupe"niç Model Standardowy, trzeba
ra Å»adnego mechanizmu nadawania mas tym potwierdziç obecnoĘç tych pól skalarnych i zba-
czÄ…stkom dopóty, dopóki nie wprowadzimy do- daç, ile ich istnieje. WiÄ…Å»e si´ to z odkryciem no-
datkowych pól, zwanych polami skalarnymi. wych czÄ…stek elementarnych, zwanych cz´sto
Termin  skalarne oznacza, Å»e pola te nie wyróŻ- czÄ…stkami Higgsa, które mogÄ… byç rozpoznane
niają Żadnego kierunku, w przeciwieł
stwie do jako kwanty tych pól. Mamy wszelkie powody
pól elektrycznych i magnetycznych oraz innych przypuszczaç, Å»e uda si´ tego dokonaç przed
wyst´pujÄ…cych w Modelu Standardowym. W"a- rokiem 2020, gdy tzw. DuÅ»y Zderzacz Hadro-
snoĘci te pozwalają polom skalarnym przeni- nowy (Large Hadron Collider  LHC) w CERN,
kaç ca"Ä… przestrzeÅ‚
, nie naruszajÄ…c jednej z naj- Europejskim Laboratorium Fizyki CzÄ…stek w po-
40 ÂWIAT NAUKI StyczeÅ‚
2000
JOHNNY JOHNSON
NajdonioĘlejsze post´py
Mechanika kwantowa:
w fizyce dokonujÄ… si´,

dualnoĘç korpuskularno-falowa,
gdy podstawowe zasady
superpozycja, prawdopodobieł
stwa
róŻnych teorii "Ä…czÄ… si´
w jednÄ… nowÄ… struktur´.
Nie znamy jeszcze
Kwantowa teoria pola:
wirtualne cząstki, zasady, która pozwoli"aby
renormalizacja
na zunifikowanie
kwantowej teorii pola,
która stanowi podstaw´
Szczególna teoria wzgl´dnoĘci:
Modelu Standardowego,
geometria czasoprzestrzeni,
?
z ogólnÄ… teoriÄ… wzgl´dnoĘci.
wzgl´dnoĘç ruchu
Ogólna teoria wzgl´dnoĘci:
zasada równowaŻnoĘci,
dynamika czasoprzestrzeni
Mechanika Newtona:
prawo powszechnego ciąŻenia,
si"y i przyspieszenia
bliÅ»u Genewy, b´dzie juÅ» pracowa" od z górÄ… dzia"ywaniami przy energii oko"o 1016 GeV.)
dziesi´ciu lat. W fizyce czÄ…stek elementarnych jesteĘmy przy-
Dzi´ki temu akceleratorowi powinniĘmy od- zwyczajeni do bardzo duÅ»ych stosunków mas,
kryç co najmniej jednÄ… oboj´tnÄ… elektrycznie jak 350 000 do 1 w przypadku stosunku masy
czÄ…stk´ skalarnÄ…. PonieĘlibyĘmy jednak ogrom- kwarka górnego i elektronu,
nÄ… poraÅ»k´, gdyby si´ okaza"o, Å»e to jest wszyst- ale to drobiazg w porówna-
ko, co uda"o nam si´ odkryç do roku 2020. Nie niu z bardzo duÅ»ym stosun-
mielibyĘmy bowiem wówczas Å»adnej wskazów- kiem skali energii fundamen- Jak majÄ… powstaç
ki, jak rozwiÄ…zaç wielkÄ… zagadk´ dotyczÄ…cÄ… cha- talnej unifikacji 1016 GeV (lub
idee niezb´dne
rakterystycznych energii spotykanych w fizy- nawet 1018 GeV) do skali
ce, zwanÄ… problemem hierarchii. energii oko"o 100 GeV, typo-
do opisania Ęwiata,
Najci´Å»szÄ… znanÄ… czÄ…stkÄ… w Modelu Standar- wej dla Modelu Standardo-
w którym nie da si´
dowym jest kwark top, inaczej górny (t), o ma- wego [dolna ilustracja na
sie równowaŻnej energii 175 gigaelektrono- stronie 42]. Sedno problemu
stosowaç Å»adnych
woltów (1 GeV to nieco wi´cej niÅ» energia hierarchii tkwi w zrozumie-
intuicyjnych odczuç
równowaŻna masie protonu.) [Patrz: Tony M. niu tego bardzo duŻego sto-
Liss i Paul L. Tipton,  Odkrycie kwarka top ; sunku, owego ogromnego
zaczerpni´tych z Å»ycia
Âwiat Nauki, listopad 1997] Spodziewamy si´, skoku z jednego poziomu do
w czasoprzestrzeni?
Å»e nie odkryte jeszcze czÄ…stki skalarne b´dÄ… mia- drugiego w skali energii, i w
"y podobne masy, od 100 do kilkuset GeV. Istnie- wyjaĘnieniu tego nie przez
je jednak poszlaka wskazujÄ…ca na istnienie dopasowanie sta"ych w na-
znacznie wi´kszej skali mas, które pojawiÄ… si´ szych teoriach, aby uzyskaç odpowiedni stosu-
w równaniach nie odkrytej jeszcze zunifikowa- nek energii, ale jako naturalnej konsekwencji
nej teorii. Pola gluonów oraz pola związane fundamentalnych zasad.
z cząstkami W, Z i z fotonem w Modelu Stan- Teoretycy rozwaŻają kilka interesujących po-
dardowym oddzia"ują z róŻną si"ą z innymi po- mys"ów prowadzących do naturalnego rozwią-
lami tego modelu; to w"aĘnie dlatego si"y po- zania problemu hierarchii, rozwaŻając nową
wstajÄ…ce przy wymianie gluonów sÄ… zwykle zasad´ symetrii, zwanÄ… supersymetriÄ… (co jedno-
oko"o 100 razy silniejsze od innych. Grawitacja czeĘnie zwi´ksza dok"adnoĘç, z jakÄ… si"y oddzia-
jest znacznie s"absza: si"a grawitacyjna mi´dzy "ywaÅ‚
zbiegajÄ… si´ przy energii 1016 GeV), lub
elektronem i protonem w atomie wodoru jest proponujÄ…c nowe silne oddzia"ywania zwane
oko"o 10 39 razy mniejsza od si"y elektrycznej. technikolorem albo "Ä…czÄ…c obie te idee [ilustra-
Ale si"y tych wszystkich oddzia"ywał
zaleŻą cja na stronie 44]. We wszystkich tych teoriach
od energii, przy jakiej sÄ… mierzone [górna ilustra- bierze si´ pod uwag´ dodatkowe si"y, które uni-
cja na stronie 43]. ZadziwiajÄ…ce jest to, Å»e gdy od- fikujÄ… si´ z oddzia"ywaniami silnymi, s"a-
dzia"ywania pól Modelu Standardowego eks- bymi i elektromagnetycznymi przy energii oko-
trapoluje si´ do obszaru wysokich energii, "o 1016 GeV. Nowe oddzia"ywania stajÄ… si´ sil-
wówczas zrównujÄ… si´ one przy energii nieco ne przy pewnej energii znacznie mniejszej niÅ»
wi´kszej niÅ» 1016 GeV, a si"a grawitacyjna staje si´ 1016 GeV, ale nie moÅ»emy ich obserwowaç bez-
z nimi porównywalna przy energii niewiele poĘrednio, gdyŻ nie dzia"ają na znane cząstki
wi´kszej niÅ» 1018 GeV. (Niektóre proponowane Modelu Standardowego. Dzia"ajÄ… natomiast na
obecnie modyfikacje teorii grawitacji prowadzą inne cząstki, które są zbyt masywne, aby da"o
do zrównania si"y grawitacyjnej z innymi od- si´ je wytwarzaç w naszych laboratoriach. Te
ÂWIAT NAUKI StyczeÅ‚
2000 41
W Modelu Standardowym
a
kaŻdej cząstce materii
i kaŻdej sile odpowiada
pewne pole kwantowe.
Podstawowe czÄ…stki
materii sÄ… fermionami
tworzÄ…cymi trzy generacje (a).
KaŻda generacja
ma podobne w"asnoĘci.
b
Fundamentalne si"y
sÄ… przenoszone przez
Gluony
bozony (b), które
grupujÄ… si´ zgodnie
z trzema pokrewnymi
symetriami. Prócz tego
Foton
jedna lub kilka czÄ…stek
c
Higgsa albo pól (c) nadaje
masy cząstkom innych pól.
CzÄ…stki Higgsa
 bardzo ci´Å»kie czÄ…stki majÄ… jednak masy przetrwaç wczesne momenty Wielkiego Wybu-
znacznie mniejsze niÅ» 1016 GeV, gdyÅ» masy te chu i moÅ»e tworzy w przestrzeni mi´dzygalak-
generujÄ… nowe oddzia"ywania, które sÄ… silne tycznej  ciemnÄ… materi´ , przypuszczalnie sta-
tylko przy energiach znacznie mniejszych niÅ» nowiÄ…cÄ… obecnie dominujÄ…cy sk"adnik materii
1016 GeV. W tym podejĘciu znane czÄ…stki Mo- we WszechĘwiecie. W kaÅ»dym razie moÅ»na mieç
delu Standardowego b´dÄ… oddzia"ywa"y z bar- nadziej´, Å»e do roku 2050 zrozumiemy przyczy-
dzo ci´Å»kimi czÄ…stkami i ich masy powstanÄ… ja- ny tego ogromnego stosunku skal energii wy-
ko wtórny efekt tego stosunkowo s"abego od- st´pujÄ…cych w przyrodzie.
dzia"ywania. Ów mechanizm pozwoli rozwiÄ…zaç Co wtedy? Nie ma praktycznie Å»adnych szans
problem hierarchii, gdyÅ» czyni znane czÄ…stki na to, aby da"o si´ kiedykolwiek przeprowadzaç
lÅ»ejszymi od tych bardzo ci´Å»kich, których ma- eksperymenty polegajÄ…ce na badaniu procesów
sy sÄ… z kolei znacznie mniejsze niÅ» 1016 GeV. z udzia"em czÄ…stek o energii 1016 GeV. Przy obec-
Wszystkie dotychczasowe idee mają wspól- nie wykorzystywanej technologii Ęrednica ak-
nÄ… cech´: wymagajÄ… istnienia ca"ej menaÅ»erii no- celeratora jest proporcjonalna do energii uzy-
wych czÄ…stek o masach niewiele wi´kszych niÅ» skiwanej przez przyspieszane w nim czÄ…stki.
1000 GeV. JeÅ»eli zatem tkwi w tym ziarno praw- Aby zatem rozp´dzaç je do energii 1016 GeV, po-
dy, to czÄ…stki te powinniĘmy odkryç przed ro- trzebny by"by akcelerator o Ęrednicy kilku lat
kiem 2020 w eksperymentach prowadzonych Ęwietlnych. Gdyby nawet komuĘ uda"o si´ zna-
na LHC, a niektóre z nich moÅ»e pojawiÄ… si´ na- leÄ™ç sposób na skupianie makroskopowych por-
wet wczeĘniej w Fermilab lub CERN. Up"ynie cji energii na jednej cząstce, to tempo zachodze-
jednak pewnie kilka dziesi´cioleci i trzeba b´- nia reakcji przy tych energiach by"oby zbyt
dzie zbudowaç nowe akceleratory, aby zbadaç powolne, aby stanowiç Ä™ród"o uÅ»ytecznej infor-
Problem hierarchii
dok"adnie ich w"asnoĘci. Gdy wreszcie te czÄ…st- macji. Lecz choç nie jesteĘmy w stanie bezpo-
obnaÅ»a naszÄ… ignorancj´.
ki zostanÄ… odkryte i uda si´ zbadaç ich w"asno- Ęrednio badaç procesów zachodzÄ…cych przy
DoĘwiadczalnie (Żó"te
Ęci, dowiemy si´, czy któraĘ z nich by"a w stanie energiach rz´du 1016 GeV, istnieje realna szansa
pasmo) zbadano zakres
energii do oko"o 200 GeV
i odkryto wiele róŻnych
Skala
czÄ…stek (czerwony)
unifikacji
i róŻnych skal energii
elektros"abej
oddzia"ywał
(zielony),
które są nadspodziewanie
Kwark
Kwark
dobrze opisywane Kwark górny
Mion
powabny dolny (top)
przez Model Standardowy.
Zagadką pozostaje duŻy
Elektron Proton
Taon
odst´p do kolejnych dwóch
W, Z
skal energii, energii
unifikacji oddzia"ywał

silnych i elektros"abych,
oko"o 1016 GeV, i skali
Plancka, oko"o 1018 GeV,
10 3 100 103 106 109

charakteryzujÄ…cej
Energia (GeV)
kwantowÄ… grawitacj´.
42 ÂWIAT NAUKI StyczeÅ‚
2000
a
Teoretyczne ekstrapolacje
b
pokazują, Że trzy
MODEL STANDARDOWY MODEL STANDARDOWY Z SUPERSYMETRIŃ
oddzia"ywania wyst´pujÄ…ce
w Modelu Standardowym
(silne i zunifikowane si"y
60 Grawitacja 60
Grawitacja
s"abe i elektromagnetyczne)
są w przybliŻeniu tak samo
silne przy bardzo duŻej
energii (a) i stajÄ… si´
Si"y
jeszcze bardziej podobne,
40 elektros"abe 40
Si"y
jeŻeli dopuĘcimy
elektros"abe
supersymetri´ (b).
GruboĘç krzywej
reprezentuje
20 20
w przybliŻeniu
niepewnoĘç
Si"y silne
w sile sprz´Å»enia.
Si"y silne
0 0
100 103 106 109 1012 1015 1018 100 103 106 109 1012 1015 1018
Energia oddzia"ywania (GeV) Energia oddzia"ywania (GeV)
na to, Å»e prowadzÄ… one do powstawania zauwa- nymi; majÄ… one prostszÄ… struktur´ od teorii nie-
Żalnych eksperymentalnie efektów przy osią- renormalizowalnych.
galnych obecnie energiach, gdyÅ» sÄ… to procesy To ta prostsza, renormalizowalna struktura
wychodzÄ…ce poza ramy dopuszczalne przez Mo- Modelu Standardowego pozwoli"a uzyskaç ilo-
del Standardowy. Ęciowe przewidywania wyników eksperymen-
Model Standardowy jest kwantową teorią po- talnych  ów sukces by" potwierdzeniem
la szczególnego typu, taką, która jest  renorma- poprawnoĘci teorii. W szczególnoĘci renorma-
lizowalna . OkreĘlenie to zosta"o wprowadzo- lizowalnoĘç i róŻne zasady symetrii Modelu
ne w latach czterdziestych, gdy fizycy uczyli si´, Standardowego wykluczajÄ… procesy takie jak
jak za pomocÄ… pierwszych kwantowych teorii rozpad pojedynczego protonu i zabraniajÄ… neu-
pola obliczaç ma"e przesuni´cia poziomów ener- trinom mieç mas´. Fizycy doĘç powszechnie
getycznych atomów. Okaza"o si´ wówczas, Å»e wierzyli, Å»e poprawna kwantowa teoria pola
obliczenia wykorzystujÄ…ce kwantowÄ… teori´ po- powinna byç renormalizowalna. Ten wymóg
la dawa"y nieskoł
czone wyniki, a ta sytuacja okaza" si´ bardzo waÅ»nÄ… wskazówkÄ… dla teore-
zwykle oznacza, Że teoria ma jakiĘ powaŻny de- tyków przy budowaniu Modelu Standardo-
fekt lub jest uÅ»ywana poza jej dopuszczalnym wego. Najbardziej niepokojÄ…ca wydawa"a si´
obszarem stosowalnoĘci. Z czasem znaleziono niemoÅ»noĘç stworzenia (z fundamentalnych po-
sposób na radzenie sobie z nieskoł
czonymi wy- wodów) renormalizowalnej kwantowej teorii
raŻeniami przez w"ączanie ich do niektórych grawitacji.
przedefiniowywanych, lub  renormalizowa-
nych sta"ych fizycznych, takich jak "adunek St"umione oddzia"ywania
i masa elektronu. (Minimalny wariant Modelu
Standardowego z jedną cząstką skalarną zawie- DziĘ patrzymy na to inaczej. Teorie cząstek
ra 18 takich sta"ych.) Teorie, w których ta proce- elementarnych zmieniajÄ… si´ w zaleÅ»noĘci od
dura si´ sprawdza"a, nazwano renormalizowal- energii procesów i rozpatrywanych reakcji. Si"y
powstajÄ…ce podczas wymiany bardzo masyw-
nych czÄ…stek sÄ… zwykle bardzo s"abe przy ener-
Skala unifikacji giach mniejszych od energii ich masy spoczyn-
Skala
oddzia"ywał

kowej. Inne efekty mogÄ… byç w podobny sposób
Plancka
elektros"abych i silnych
zmniejszone, tak Że przy niskich energiach otrzy-
mujemy tzw. efektywnÄ… teori´ pola, w której te
oddzia"ywania sÄ… zaniedbywalne. Teoretycy
zdali sobie spraw´ z tego, Å»e dowolna funda-
mentalna teoria kwantowa zgodna ze szczegól-
nÄ… teoriÄ… wzgl´dnoĘci, w obszarze niskich ener-
gii, b´dzie wglÄ…da"a jak renormalizowalna
kwantowa teoria pola. Wprawdzie w tym przy-
padku nieskoł
czonoĘci si´ znoszÄ…, ale te efek-
tywne teorie nie majÄ… tak prostej struktury jak
teorie renormalizowalne w klasycznym sensie.
1012 1015 1018
Wyst´pujÄ… bowiem dodatkowe skomplikowa-
ne oddzia"ywania, które choç powinny byç ca"-
ÂWIAT NAUKI StyczeÅ‚
2000 43
OdwrotnoĘç si"y sprz´Å»enia
OdwrotnoĘç si"y sprz´Å»enia
Co dalej? Istnieje kilka a Nowe czÄ…stki
Nowe si"y
moŻliwoĘci zunifikowania
fizyki, które wykraczają
poza Model Standardowy.
Modele technikolorowe (a)
wprowadzajÄ… nowe
oddzia"ywanie podobne
do oddzia"ywania
 kolorowego , wiąŻącego
kwarki. Powoduje to
pojawienie si´ nowych
rodzin czÄ…stek niepodobnych
do znanych trzech rodzin
czÄ…stek. Supersymetria (b)
Supersymetria
Partner supersymetryczny
kojarzy fermiony z bozonami b
i dodaje kaŻdej znanej
czÄ…stce supersymetrycznego
partnera. M-teoria i teoria
strun (c) korzystajÄ… z nowych
tworów, takich jak maleł
kie
struny, p´tle i membrany,
które przy ma"ych energiach
zachowujÄ… si´ jak czÄ…stki.
c
kowicie wykluczone, sÄ… jedynie silnie wyt"u- Å»e neutrino ma mas´ tego rz´du, co powinno
mione poniÅ»ej pewnej skali energii. zostaç ostatecznie ustalone w ciÄ…gu najbliÅ»-
Grawitacja jest takim w"aĘnie st"umionym szych kilku lat, a wi´c przed rokiem 2050 [patrz:
nierenormalizowalnym oddzia"ywaniem. To Edward Kearns, Takaaki Kajita i Yoji Tosuka,
na podstawie si"y tego oddzia"ywania (a raczej  Na tropie mas neutrin ; Âwiat Nauki, paÄ™dzier-
jego s"aboĘci) w obszarze niskich energii są- nik 1999].
dzimy, Że jego fundamentalna skala energii Obserwacje tego typu dostarczą cennych
jest rz´du 1018 GeV. Inne st"umione nierenor- wskazówek, jak naleÅ»y skonstruowaç zunifiko-
malizowalne oddzia"ywanie mog"oby powo- wanÄ… teori´ wszystkich oddzia"ywaÅ‚
, ale osta-
dowaç rozpad protonu z po"owicznym czasem teczne jej dopracowanie najprawdopodobniej
rozpadu od 1031 do 1034 lat, co moÅ»e byç proce- nie b´dzie moÅ»liwe bez radykalnie nowych po-
sem zbyt powolnym do zaobserwowania, na- mys"ów. Pewne obiecujÄ…ce idee juÅ» si´ poja-
wet do roku 2050 [patrz mój artyku" pt.  The wi"y. Istnieje pi´ç róŻnych teorii bardzo ma"ych
Decay of the Proton ; Scientific American, czer- jednowymiarowych obiektów zwanych stru-
wiec 1981]. Inne st"umione nierenormalizowalne nami, których stany drgał
przy niskich ener-
oddzia"ywanie mog"oby nadawaç neutrinom giach moÅ»na identyfikowaç jako róŻne rodzaje
bardzo ma"Ä… mas´, oko"o 10 11 GeV. Dysponu- czÄ…stek. WyglÄ…da na to, Å»e w 10-wymiarowej
jemy juŻ wskazówkami Ęwiadczącymi o tym, czasoprzestrzeni prowadzą one do teorii gra-
44 ÂWIAT NAUKI StyczeÅ‚
2000
witacji i innych si" bez Żadnych rozbieŻnoĘci. strun w 10 wymiarach i teorii pola w 11 wymia-
OczywiĘcie, nie Å»yjemy w 10 wymiarach, byç rach. Niestety, si"y w tej fundamentalnej teorii
moÅ»e jednak szeĘç z nich jest tak silnie zwini´- najprawdopodobniej nie sÄ… ani bardzo silne, ani
tych, Å»e nie dajÄ… si´ zaobserwowaç przy ener- bardzo s"abe, co wyklucza moÅ»liwoĘç zastoso-
giach poniÅ»ej 1016 GeV na czÄ…stk´. W ostatnich wania teorii zaburzeÅ‚
.
kilku latach pojawi"y si´ przypuszczenia, Å»e
tych pi´ç teorii strun (oraz kwantowa teoria Jak rozpoznaç w"aĘciwÄ… odpowiedÄ™
pola w 11 wymiarach) to jedynie róŻne przybli-
Å»enia jednej fundamentalnej teorii, zwanej Trudno powiedzieç, kiedy te problemy uda
niekiedy M-teoriÄ… [patrz: Micheal J. Duff,  Po- si´ przezwyci´Å»yç. MoÅ»e juÅ» jutro w rozes"a-
wrót teorii strun ; Âwiat Nauki, kwiecieÅ‚
1998]. nym po Ęwiecie preprincie upora si´ z nimi jakiĘ
Nikt jednak nie wie, jak wyglądają równania m"ody teoretyk? Równie dobrze jednak mogą
tej teorii. pozostaç nie rozwiÄ…zane aÅ» do roku 2050, a na-
wet 2150. Kiedy jednak sobie z nimi poradzi-
Poza czasoprzestrzeniÄ… my, to  choç nie b´dziemy mogli eksperymen-
towaç przy energii 1016 GeV czy teÅ» zaglÄ…daç do
Na drodze ku temu stoją dwie wielkie prze- innych wymiarów  bez trudu rozpoznamy
szkody. Po pierwsze, nie wiemy, jakie fizyczne prawdziwoĘç tej fundamentalnej zunifikowanej
O AUTORZE
prawa rzÄ…dzÄ… tÄ… fundamentalnÄ… teoriÄ…. TworzÄ…c teorii. RozstrzygajÄ…ce b´dzie sprawdzenie, czy
ogólnÄ… teori´ wzgl´dnoĘci, Einstein opar" si´ na teoria ta poprawnie wyjaĘnia mierzone wartoĘci
zasadzie, którÄ… wydedukowa" ze znanych w"a- sta"ych fizycznych wyst´pujÄ…cych w Modelu
snoĘci grawitacji  z równowaŻnoĘci si" grawi- Standardowym, jak i innych dodatkowych efek-
tacyjnych i bezw"adnoĘci, takich jak si"a odĘrod- tów wykraczających poza ten model, które do
kowa. Do budowy Modelu Standardowego tego czasu zostanÄ… odkryte.
wykorzystano zasad´ zwanÄ… symetriÄ… cecho- Byç moÅ»e, gdy w koÅ‚
cu zrozumiemy, jak
wania  jest ona uogólnieniem dobrze znanej czÄ…stki i si"y zachowujÄ… si´ przy energii si´gajÄ…-
w"asnoĘci elektrycznoĘci, w której istotne są je- cej 1018 GeV, natrafimy na nowe zagadki i do
dynie róŻnice napi´ç, a nie same napi´cia. koÅ‚
cowej unifikacji znów b´dzie bardzo dale-
Nie odkryliĘmy jeszcze Å»adnych praw rzÄ…- ko. Ale osobiĘcie w to wÄ…tpi´. Nic nie wskazu-
dzÄ…cych M-teoriÄ…. RóŻne jej przybliÅ»enia wy- je na istnienie fundamentalnej skali energii wi´k-
glÄ…dajÄ… jak teorie strun lub teorie pola w wielo- szej niÅ» 1018 GeV, a z teorii strun wynika nawet,
STEVEN WEINBERG
wymiarowych czasoprzestrzeniach, ale praw- Że wyŻsze energie nie mają sensu.
kieruje GrupÄ… TeoretycznÄ…
dopodobnie fundamentalna teoria nie b´dzie Odkrycie zunifikowanej teorii, opisujÄ…cej zja-
w University of Texas
w ogóle korzysta"a z czasoprzestrzeni. Kwan- wiska przy dowolnej energii, pozwoli nam od- w Austin i wyk"ada tam
na Wydziale Fizyki
towÄ… teori´ pola bardzo silnie ograniczajÄ… zasa- powiedzieç na najistotniejsze kosmologiczne
i Wydziale Astronomii.
dy dotyczÄ…ce natury czterowymiarowej czaso- pytania. Czy rozszerzajÄ…ca si´ chmura galaktyk,
Za prace w dziedzinie fizyki
przestrzeni, wynikające ze szczególnej teorii którą nazywamy Wielkim Wybuchem, mia"a cząstek elementarnych
otrzyma" wiele wyróŻnieł
,
wzgl´dnoĘci. A zatem w jaki sposób mogÄ… naro- poczÄ…tek w okreĘlonej chwili w przesz"oĘci? Czy
m.in. Nagrod´ Nobla
dziç si´ pomys"y niezb´dne do sformu"owania by" to jedynie epizod w znacznie wi´kszym
z fizyki w 1979 roku
fundamentalnej teorii, jeĘli ta ma opisywaç Ęwiat, wszechĘwiecie, w którym duÅ»e i ma"e wybuchy i National Medal of Science
(Narodowy Medal za
w którym wszystkie intuicyjne odczucia z Ży- zachodzą nieustannie? A jeĘli tak, to czy sta"e
OsiÄ…gni´cia Naukowe)
cia w czterowymiarowej czasoprzestrzeni oka- przyrody, a nawet jej prawa, zmieniajÄ… si´ od
w 1991 roku. Trzeci tom
zujÄ… si´ bezuÅ»yteczne? wybuchu do wybuchu?
(Supersymetry) jego
monografii pt. The Quantum
Po drugie, gdybyĘmy nawet potrafili sformu- Znalezienie pe"nej odpowiedzi na te pytania
Theory od Fields
"owaç t´ fundamentalnÄ… teori´, moglibyĘmy nie nie b´dzie oznaczaç koÅ‚
ca fizyki. Fundamen-
(Kwantowa teoria pól)
wiedzieç, jak jÄ… wykorzystaç do przewidywaÅ‚
, talna teoria najprawdopodobniej nie pomoŻe
ukaza" si´ w grudniu ub.r.
nak"adem Cambridge
które by jÄ… potwierdzi"y. W wi´kszoĘci udanych w rozwiÄ…zaniu niektórych niezwykle istotnych
University Press. Drugi tom
przewidywał
Modelu Standardowego wyko- problemów wspó"czesnej fizyki, takich jak zro-
tej monografii (Modern
rzystano metody obliczeł
zwane teoriÄ… zabu- zumienie turbulencji i nadprzewodnictwa wy-
applications  Nowoczesne
zastosowania) zosta"
rzeł
. W mechanice kwantowej tempo róŻnych sokotemperaturowego. B´dzie to jednak koniec
uznany za  najlepszÄ…
procesów fizycznych jest sumą po wszystkich pewnego rodzaju fizyki: poszukiwania zunifi-
spoĘród innych ksiąŻek
moŻliwych poĘrednich stanach, przez które te kowanej teorii, która wyjaĘnia wszystkie inne
na temat kwantowej
procesy mogÄ… zachodziç. W teorii zaburzeÅ‚
fakty ze Ęwiata fizycznego. teorii pola pod wzgl´dem
T"umaczy" g"´bi uj´cia, ogólnoĘci
uwzgl´dniamy najpierw najprostsze stany po-
Marek Demiał
ski i zdecydowania .
Ęrednie, nast´pnie nieco bardziej z"oÅ»one itd.
OczywiĘcie, takie podejĘcie sprawdza si´ tylko
wtedy, gdy coraz to bardziej z"oŻone stany po-
LITERATURA UZUPE¸NIAJŃCA
Ęrednie wnoszą coraz to mniejszy wk"ad do tem-
pa procesu, co zwykle nast´puje, gdy si"y od- UNIFIED THEORIES OF ELEMENTARY-PARTICLE INTERACTION. Steven Weinberg; Scientific
American, vol. 231, nr 1, s. 50-59, VII/1974.
powiedzialne za ten proces sÄ… odpowiednio
SNY O TEORII OSTATECZNEJ. Steven Weinberg; Wydawnictwo Alkazar, Warszawa 1994.
s"abe. Niekiedy daje si´ wykazaç, Å»e teoria z bar-
REFLECTIONS ON THE FATE OF SPACETIME. Edward Witten; Physics Today, vol. 49, nr 4,
dzo silnymi oddzia"ywaniami jest równowaŻ- s. 24-30, IV/1996.
DUALITY, SPACETIME AND QUANTUM MECHANICS. Edward Witten; Physics Today, vol. 50,
na innej teorii z bardzo s"abymi si"ami, i wów-
nr. 5, s. 28-33, V/1997.
czas moÅ»na stosowaç metod´ zaburzeÅ‚
. Wy-
THE ELEGANT UNIVERSE: SUPERSTRINGS, HIDDEN DIMENSIONS, AND THE QUEST FOR THE
gląda na to, Że tak jest w przypadku niektórych
ULTIMATE THEORY. Brian Green; W. W. Norton, 1999.
par ze wspomnianych wczeĘniej pi´ciu teorii
ÂWIAT NAUKI StyczeÅ‚
2000 45