A szuperhúrok és az antropikus elv

Az elméleti fizika egyik legújabb eredménye az úgynevezett szuperhúrelmélet, amely választ kíván adni a modern fizika valamennyi eddig megoldatlan kérdésére, sőt még az antropikus elvre is, amely szerint az univerzumban a természeti állandók úgy vannak nagyon precízen összehangolva, hogy létrejöhessen értelmes élet. Ezzel kapcsolatban egy nemzetközi tudományos folyóiratban egy híres fizikus úgy nyilatkozott, hogy a szuperhúrelmélet szerint végtelen sok világegyetem létezhet.Ezek között pedig a mi világegyetemünk egészen különleges, egyedi, hiszen ez az egyetlen olyan lehetséges világegyetem, amelynek a míködésére a szuperhúrelmélet nem érvényes. A tréfás megállapítás mögött a modern fizika nagy dilemmája rejtőzik, amelynek megoldását sokan a szuperhúrelmélettől remélik, és bár olykor
úgy tínhet, hogy az alagútban dereng már valami fény, de azt nem tudhatjuk, hogy ez tényleg az alagút vége, vagy egy szembejövő másik vonat.

A dilemma abban áll, hogy a modern fizika két hatalmas „tartóoszlopa”, nevezetesen a relativitáselmélet és
a kvantumelmélet egymásnak ellentmond. Márpedig ebből a „józan paraszti ész” alapján az következne, hogy ha az egyik igaz, akkor a másik nem lehet igaz. De ha kísérleteket végzünk az elméletek igazolására, akkor a kísérletek mind a két elmélet helyességét külön-külön igazolják.A szuperhúrelmélet pedig azt a lehetetlennek látszó feladatot tízte ki célul, hogy egyesíti a két elméletet.Ha két tudományos elméletet egyesíteni akarunk, felmerül a kompatibilitás kérdése. Ezt a kifejezést leginkább a számítástechnikából ismerjük. Azt mondhatjuk például, hogy a Windows XP operációs rendszer felülről kompatibilis a Win-98-hoz. Ez azt jelenti, hogy a Windows XP nagyobb tudású, mint a Win-98, és ezért a Win-98 rendszerben létrehozott fájlokat a Windows XP nehézség nélkül kezelni tudja, abban azonban már nem lehetünk biztosak, hogy a Win-98 képes megnyitni és sikeresen kezelni minden olyan fájlt, amely a Windows XP rendszerben készült.

Ehhez hasonlóan beszélhetünk a tudományos elméletek kompatibilitásáról is, és például azt mondhatjuk, hogy a relativitáselmélet felülről kompatibilis a Newton-féle klasszikus mechanikával és gravitációs elmélettel. Ez azt jelenti, hogy a relativitáselmélet jól leírja mindazokat a mechanikai eseményeket, amelyek a klasszikus mechanikában előfordulnak, de ez fordítva nem mindig igaz.A fénysebességet megközelítő sebességek esetén ugyanis a klasszikus mechanika nagyon pontatlan eredményeket ad, kis sebesség esetén azonban az eltérés észre sem vehető. Hogy mi számít a fényhez képest „kis” sebességnek, arra példa lehet egy 10-szeres hangsebességgel száguldó írhajó, amelyre ha felírjuk mind a két elméletnek megfelelően a mozgásegyenleteket, akkor ezek eredménye között az eltérés nem fogja elérni a százmilliomod százalékot.Már a klasszikus fizika sem volt teljesen egységes. A klasszikus mechanika és klasszikus elektrodinamika között is van bizonyos ellentmondás. Az előbbi szerint a távoli objektumok közötti erőhatás esetén a kölcsönhatás kialakulása azonnali, az utóbbi szerint viszont a kölcsönhatás legfeljebb fénysebességgel terjedhet.

Kimutatható ugyanakkor, hogy a relativitáselmélet nemcsak a klasszikus mechanikához, de a klasszikus elektrodinamikához is felülről kompatibilis, és ezért úgy tekinthetjük, hogy a relativitáselmélet a klasszikus mechanika és klasszikus elektrodinamika egyesítésének elmélete. Ehhez hasonlóan kellene egyesíteni a relativitáselméletet és a kvantumelméletet is oly módon, hogy találni kellene egy olyan elméletet, amely mind a kettőhöz felülről kompatibilis. Ezt a reménybeli elméletet nevezték eredetileg kvantumgravitációs elméletnek, de ma már sokak számára úgy tínhet, hogy ezt a szerepet esetleg a szuperhúrelmélet fogja betölteni.

Ellentmondások sora
A feladat nem ígérkezik egyszerínek. Ami ugyanis a relativitáselmélet és a kvantumelmélet közötti ellentmondást illeti, ez több, önmagában is problematikus ellentmondásból kombinálódik. Ilyenek elsősorban:

• A relativitáselmélet szerint a fizikai jelenségek lefolyása determinisztikus, ami azt jelenti, hogy a kiindulási paraméterek ismeretében bármely fizikai rendszer jövőbeli állapota elvileg pontosan kiszámítható. Ezzel szemben a kvantumelmélet valószíníségi függvényekkel számol, és ez azt jelenti, hogy a fizikai jelenségeket a kiszámíthatatlan véletlen is befolyásolja.
• A relativitáselmélet egységes 4 dimenziós téridőt feltételez. A kvantumelméletben ezzel szemben tér és idő két eltérő tulajdonságú entitás, és ezért a dimenziók felcserélése még formális matematikai értelemben sem megengedett.
• A relativitáselmélet szerint gravitációs erőtér voltaképpen egyáltalán nem létezik. Ehelyett a térben elhelyezkedő tömegek meggörbítik maguk körül a teret (pontosabban az egész 4 dimenziós téridőt), és a görbült térben a tárgyak úgy mozognak, mintha gravitációs erő hatna reájuk. A kvantumelmélet szerint ezzel szemben a gravitációs erőtér valóságosan létezik, és a többi kölcsönhatáshoz hasonlóan ezt is úgynevezett virtuális részecskék áramlása közvetíti, bár ezeket eddig kísérleti úton felfedezni még nem sikerült.
• A relativitáselmélet szerint nem létezhet fénysebességnél gyorsabb „azonnali” kölcsönhatás vagy információátadás. A kvantumelméletben ezzel szemben az EPR paradoxon szerint nem lehetetlen az azonnali információ-kommunikáció sem (lásd bővebben az IPM 2006. januári számban megjelent cikket a parapszichológia és a tudat kapcsolatáról).
• A relativitáselmélet szerint a fizikai jelenségek „objektív” módon zajlanak, vagyis a jelenségeket nem befolyásolja a megfigyelés. A kvantumelmélet koppenhágai interpretációja szerint azonban a tudatos megfigyelés befolyásolja a fizikai kísérletek eredményét, amelyek így a kísérleti objektum és a kísérletező személy kölcsönhatása során alakulnak ki.
• A kvantumfizika szerint az úgynevezett kvantumfluktuáció során a vákuumban, vagyis a „semmiből” folyamatosan képződnek anyag– antianyag részecskepárok, amelyek azután meg is semmisítik egymást. A relativitáselmélet szerint viszont anyagi részecskék spontán keletkezése lehetetlen.
• A relativitáselmélet szerint egy objektum nem hatolhat át egy másikon anélkül, hogy azokban sérülés ne keletkezzen. A kvantumelmélet azonban megengedi ilyen „alagúteffektus” létezését, sőt ezt kísérletileg is igazolni tudja.

Még sorolhatnánk tovább a logikai ellentmondásokat, de talán ennyi is elegendő annak szemléltetésére, hogy milyen súlyos problémákat kellene megoldani az egyesített elmélettel. (Az ilyen és hasonló logikai ellentmondások részletesebb kifejtése megtalálható a szerző „Buddha és a részecskegyorsító” címí könyvében – a szerk.).

A páratlan térdimenziók
Mindezen ellentmondások feloldását ígéri mostanában a szuperhúrelmélet. Ha ennek alapgondolatát meg akarjuk érteni, érdemes először tisztázni a térgörbület fogalmát.A görbült tér elméleti lehetősége matematikai értelemben már az 1800-as évek első felében felmerült a Bolyai–Gauss–Lobacsevszkij-féle geometriában, majd néhány évtizeddel később – más előjellel – a Riemann-féle geometriában, fizikai jelentést azonban csak a relativitáselméletben nyert.
E fogalom megvilágításához gondoljunk arra, hogy egy sík vagy görbült felület kétdimenziós térnek tekinthető. Példa lehet erre a Föld felszíne. Ha az Egyenlítő mentén elindulunk nyugat felé és „nyílegyenesen” haladunk, előbb-utóbb kelet felől vissza fogunk érkezni oda, ahonnan elindultunk. Hasonló tapasztalásunk lehet akkor is, ha egy délkör mentén észak felé indulunk el, és egyenesen haladva először az Északi-, majd a Déli-sark érintésével jutunk vissza a kiindulási helyre. Most képzeljük el azt, hogy a Föld nem gömbölyí, hanem tojás alakú. Ebben az esetben a délkör mentén hosszabb utat kell bejárni a Föld megkerüléséhez, mint az Egyenlítő mentén. Ez tehát egy aszimmetrikusan görbült kétdimenziós tér.

Ami a szuperhúrelméletet illeti, ennek is több változata van. Mindegyikre jellemző, hogy az ismert dimenziókon túl a köznapi életben nem tapasztalható többlet dimenziókat tételez fel. Az így kialakuló sokdimenziós tér, illetve téridő pedig a különféle dimenziók mentén eltérő mértékben görbült. Az eddig publikált különféle hipertér és szuperhúrelméletekben a téridő dimenziók száma 5+1 és 31+1 közötti változatokat mutat, amelyben a +1 dimenzió jelenti az időt. Mostanában leginkább a 9+1 dimenziós változatot népszerísítik. Ebben a 3 tapasztalható térdimenziót 6 nem tapasztalható térdimenzió egészíti ki. A tapasztalható térdimenziók mentén a térgörbület csekély, vagyis ezek a dimenziók csaknem „egyenesek” és ezek irányában az univerzum körüljárása több milliárd fényéves úthosszat jelent. Ezzel szemben a nem tapasztalható térdimenziók mentén a görbület mértéke akkora, hogy a körüljárási úthossz sokmilliárdszor kisebb, mint az atommagok mérete.Ebben a 9 dimenziós térben lebegnek az úgynevezett szuperhúrok, ezek a parányi energiaszálak, amelyek rezonanciaállapotai realizálják a különféle anyagi részecskéket. A jelenség hasonló a hegedíhúr rezgéséhez, amelyben különféle állóhullámok alakulhatnak ki és ezek hozzák létre az alapharmonikus rezgésszámának egész számú többszörösével rezgő felharmonikusokat, és adják meg ezzel a hegedí jellegzetes hangzását.

Az elmélet szerint léteznek zárt és nyitott szuperhúrok. Az utóbbiak két végponttal rendelkeznek és ezek segítségével összekapcsolódhatnak más szuperhúrokkal, és mivel az egyesítés következtében új rezonanciafrekvenciák alakulnak ki, ezáltal jöhetnek létre új részecskék. Az elmélet feltételez egy olyan részecskét is, amely a gravitációs kölcsönhatást közvetíti és ily módon felelős a térgörbület kialakulásáért, ez pedig a zérus tömegí és 2 spiní (perdületí) graviton, amely a zárt hurkú szuperhúr egyik lehetséges rezgési állapotának felel meg.A szuperhúrok hossza általában sok nagyságrenddel kisebb a részecskék méreténél. Publikáltak azonban olyan elméletet is, amely szerint létezhetnek galaxisokat átszelő hosszúságú, de végtelenül vékony szuperhúrok is. A legtöbb szuperhúrelméletben a térdimenziók száma páratlan, és ha ehhez hozzáadjuk az egyetlen idődimenziót, akkor páros dimenziószámú téridő adódik. Ezt a követelményt az indokolja, hogy csupán páratlan számú térdimenzió esetén teljesülnek az ismert fizikai szimmetriák. Ennek ellenére kidolgoztak egy 10+1 dimenziós szupergravitációs elméletet is, ebben azonban egyes szimmetriák sérülést szenvednek.

A fizikai állandók hatalma
A szuperhúrelmélet, illetve annak egyfajta továbbfejlesztése magyarázatot kíván adni a természet finomhangolására és az ezzel kapcsolatos antropikus elvre is.Mint tudjuk, a természetben léteznek bizonyos állandó paraméterek, amelyek biztosítják, hogy a fizikai, kémiai, biológiai folyamatok mindig ugyanolyan törvényszeríségek szerint míködjenek.A természeti állandókat két fő csoportba lehet sorolni. Eszerint vannak matematikai és vannak fizikai állandók. Matematikai állandóra példa lehet a pí szám (3,1415926536…), amely megadja a kör kerületének és átmérőjének viszonyát egy euklideszi típusú térben, vagy az e szám (2,7182818285…), amely a természetes logaritmus alapszáma. A fizikai állandók nem függetlenek a matematikai állandóktól, azokkal szoros kapcsolatban vannak. Fizikai állandóra példa lehet a fény vákuumbeli sebessége, az elektron töltése és nyugalmi tömege, a gravitációs állandó, a vákuum dielektromos állandója, a Planck-féle állandó, a Boltzmann állandó stb.Mivel az ismert fizikai állandók kombinálásával elvileg egyre újabb és újabb állandókat képezhetünk, felvethető a kérdés, hogy hány független fizikai állandó létezik, vagyis hány olyan állandó van, amelyet a többi állandóból nem lehet levezetni. Prof. dr. John C. Baez (University of California) szerint a független fizikai állandók száma összesen 26. Felvethető az a kérdés is, hogy a fizikai állandók öröktől fogva léteznek-e, vagy csak a feltételezett ősrobbanás során alakultak ki, és az is, hogy miért éppen akkorák a fizikai állandók, amekkorák.

A kérdés nagyon fontos. Ugyanis bármelyik fizikai állandó csekély megváltozása megváltoztatná a világ míködését, olyannyira, hogy például a csillagok nem tudnának sugározni, mert bennük nem míködne termonukleáris reakció, vagy az atomok nem tudnának szerves molekulákat alkotni, s ezért nem jöhetett volna létre az élet, sőt esetleg egyáltalán nem létezhetnének atomok, mert az elektronok nem lennének képesek az atommagok körül stabil pályákon keringeni, stb.A természeti állandók pontos összehangolásának következménye az is, hogy a víz +4 Celsius-fokos állapotában a legsíríbb, s ezért a jég nem süllyed le a víz fenekére, hanem a tetején úszik. Ha nem így lenne, a folyókban, tavakban és tengerekben nem lehetne élet. Hogy a világ éppen olyan, amilyen, az a fizikai állandók rendkívül precíz összehangolásának következménye. Az egyik legfontosabb természeti állandó, nevezetesen a finomszerkezeti állandó például akkora pontossággal van beállítva az éppen optimális értékre, mintha a Holdon elhelyezett egyforintos érme közepébe találnánk egy puskával a Földről. Nehéz elhinni, hogy a természeti állandók pontos összhangja csupán a vakvéletlen míve, mert ha ez tényleg véletlen, akkor ennek a véletlennek kisebb a valószínísége, mintha valakinek minden héten ötös találata lenne a lottón.

Az értelmes összhang rejtélye
Ebből a felismerésből kiindulva több természettudós feltételezi, hogy megalapozott az antropikus elv. Ennek alapgondolata az, hogy az univerzum éppen azért ilyen, hogy létezhessen benne értelmes lény, aki megfigyeli.
Ezen túlmenően egyes természettudósok kifejezetten azt feltételezik, hogy az állandók precíz finomhangolása mögött jogosan feltételezhető egyfajta magasabb intelligencia. Mások ezt a feltevést tudománytalannak tarják, és „természetes” okot keresnek. Erre adhat elvileg lehetőséget a szuperhúrelmélet továbbfejlesztett változata, a bránelmélet. A brán nem más, mint a rejtett dimenziókban létező több dimenziós „szupermembrán”, amely képes a húrokhoz hasonlóan különféle rezgésállapotokat felvenni és amelynek kiterjedése az atommag töredékétől akár az univerzum méretéig terjedhet. Az elmélet szerint a bránok a kvantum-vákuumban a gőzbuborékokhoz hasonló módon spontán képződnek és a több dimenziós bránbuborékok tágulása során a felületükön 3 dimenziós világok jöhetnek létre. Ezzel a módszerrel végtelen sok világegyetem keletkezhet és ezekben a természeti állandók konkrét értéke véletlenszeríen alakul ki. A végtelen sok világegyetem között azután véletlenül létrejöhet olyan kombináció is, amely a mi univerzumunkra jellemző, s éppen a paraméterek ilyen kombinációja tette lehetővé, hogy megszülessünk és felvessük az antropikus elv filozófiai értelmét. Eszerint tehát a mi világegyetemünk egyfajta kozmikus darwinizmus eredménye lehet.

A szuperhúrelméletek legnagyobb hátránya, hogy a szuperhúrok és szupermembránok létezését kísérleti úton nem sikerült kimutatni, és az ilyen elméletek prediktív képessége is nagyon gyenge.Egy elmélet prediktív képessége azt jelenti, hogy az elmélet segítségével előre meg lehet jósolni bizonyos fizikai jelenségeket. A szuperhúr elméletek eddig ebben a vonatkozásban nem sokat nyújtottak, inkább csak arra voltak alkalmasak, hogy önmagukban ismert jelenségekre utólag logikusnak látszó spekulatív magyarázatokat kínáljanak, és ezt is csak azon az áron, hogy más egyéb jelenségek esetén az elmélet gyakran csődöt mond. Lehet persze, hogy ez az út végül is járhatónak bizonyul. Eddig azonban csak az derült ki, hogy íróasztal mellett – fizikai kísérletek nélkül – remek elméleteket lehet kiagyalni és nagyon érdekes és olvasmányos értekezéseket lehet ezekről írni…. §