Albert Einstein
Einsteinowskie poszukiwania zunifikowanej teorii
Po zdobyciu sławy dzięki kilku błyskotliwym przełomom w fizyce, w tym ruchu Browna, efektu fotoelektrycznego oraz szczególnej i ogólnej teorii względności, Albert Einstein spędził ostatnie trzydzieści lat swojego życia na bezowocnych poszukiwaniach sposobu połączenia grawitacji i elektromagnetyzmu w jedną elegancką teorię.
Einstein był motywowany intelektualną potrzebą zjednoczenia sił natury. Czuł bardzo mocno, że cała natura musi być opisana przez jedną teorię. „Intelekt poszukujący zintegrowanej teorii nie może zadowolić się założeniem, że istnieją dwie odrębne dziedziny całkowicie niezależne od siebie ze względu na swoją naturę” – powiedział Einstein w swoim wykładzie noblowskim w 1923 roku.
Wierzył ponadto, że istnieje związek między potrzebą rozwiązania pozornych paradoksów mechaniki kwantowej a potrzebą zjednoczenia elektromagnetyzmu i grawitacji. Einstein zawsze upierał się, że mechanika kwantowa może być wyprowadzona z jakiejś pełniejszej teorii. Dla Einsteina, który nigdy nie był zadowolony z dziwactw i przypadkowości tkwiących w teorii kwantowej, każda akceptowalna zunifikowana teoria pola musiała mieć w konsekwencji mechanikę kwantową.
W latach dwudziestych XX wieku, kiedy Einstein rozpoczął pracę nad zunifikowaną teorią pola, elektromagnetyzm i grawitacja były jedynymi znanymi siłami, a elektron i proton jedynymi znanymi cząstkami subatomowymi. Większość ówczesnych fizyków była podekscytowana nowo odkrytą teorią kwantową i poświęcała swój czas na badanie jej dziwacznych i interesujących konsekwencji. Nie widzieli wielkiej potrzeby stworzenia teorii jednoczącej elektromagnetyzm i grawitację.
Ale Einstein, a także kilku innych naukowców, pracowało nad problemem unifikacji. W 1918 roku Hermann Weyl zaproponował schemat unifikacji oparty na uogólnieniu geometrii Riemanniana. Teodor Kałuża, zainspirowany pracami Weyla, pokazał, że rozszerzając czasoprzestrzeń do pięciu wymiarów, można otrzymać równania Einsteina w czterech wymiarach oraz dodatkowy układ równań, który jest równoważny równaniom Maxwella dla elektromagnetyzmu. Piąty wymiar byłby zwarty, zwinięty tak nieznacznie, że nie moglibyśmy go wykryć. Oskar Klein później udoskonalił ten pomysł.
Ostatnia tablica Einsteina, Institute for Advanced Study (1955).
Einsteinowi spodobało się podejście pięciowymiarowe. W 1919 r. napisał do Kałuży: „Pomysł osiągnięcia unifikacji za pomocą pięciowymiarowego świata cylindrów nigdy by mi nie przyszedł do głowy… Na pierwszy rzut oka ogromnie podoba mi się Twój pomysł.” Kaluza opublikował swoją pracę w 1921 roku, a Einstein opublikował swoją pierwszą pracę na temat zunifikowanej teorii pola, z Jacobem Grommerem, podążając za podobnym podejściem, w 1922 roku.
Inne podejście, którego próbował Einstein, obejmowało rozszerzenie ogólnej teorii względności o równania elektromagnetyzmu poprzez uogólnienie tensora metrycznego przy zachowaniu czterowymiarowej geometrii.
Einstein pracował wytrwale nad tymi dwoma podstawowymi podejściami przez ostatnie trzydzieści lat swojego życia, ale żadna z tych metod nigdy nie przyniosła kompletnej, zunifikowanej teorii, której poszukiwał.
Podążał, a potem szybko odrzucał pomysł za pomysłem. „Większość mojego intelektualnego potomstwa kończy bardzo młodo na cmentarzu zawiedzionych nadziei” – napisał Einstein w liście z 1938 roku.
Ale nigdy nie zrezygnował z poszukiwania jednolitej teorii. Nawet gdy leżał na łożu śmierci, kontynuował swoją pracę. Na dzień przed śmiercią poprosił, aby przyniesiono mu jego ostatnie notatki.
Jedną z przyczyn niepowodzenia Einsteina w odkryciu jednolitej teorii może być odrzucenie przez niego mechaniki kwantowej, co spowodowało, że zignorował nowe osiągnięcia w fizyce i zdystansował się od reszty społeczności fizyków. Einstein zdawał sobie sprawę ze swojego stanowiska i w 1954 roku stwierdził, że „muszę wyglądać jak struś, który na zawsze chowa głowę w relatywistycznym piasku, aby nie stawić czoła złym kwantom”. Ale im więcej pracował nad unifikacją, tym bardziej Einstein oddalał się od reszty społeczności fizyków.
Stawał się też coraz bardziej pochłonięty formalnymi argumentami matematycznymi, zamiast podążać za fizyczną intuicją, która w młodości prowadziła go do wielkich odkryć.
Wielu ludzi twierdzi, że Einstein poniósł porażkę, ponieważ po prostu wyprzedzał swoje czasy. Wiedza i narzędzia potrzebne do stworzenia zunifikowanej teorii po prostu nie zostały opracowane przed śmiercią Einsteina w 1955 roku.
Dziś wielu fizyków podejmuje się jego zadania. Najbardziej obiecującym podejściem wydaje się być teoria strun, która wymaga 10 lub więcej wymiarów i opisuje wszystkie cząstki elementarne jako wibrujące struny, z różnymi trybami wibracji wytwarzającymi różne cząstki.
Teoria strun nie poczyniła jeszcze żadnych sprawdzalnych przewidywań, a niektórzy naukowcy martwią się, że teoretycy strun, podobnie jak Einstein w swoich późniejszych latach, odeszli zbyt daleko od fizycznej rzeczywistości w swojej obsesji na punkcie pięknej matematyki. Jednak wielu innych uważa, że teoria strun rzeczywiście zawiera klucz do ukończenia misji Einsteina, a naukowcy mają nadzieję znaleźć sposoby na przetestowanie niektórych przewidywań teorii strun.
Chociaż jego własna praca nigdy nie doprowadziła do powstania użytecznej teorii fizycznej, Einstein ustanowił unifikację jako ważny cel fizyki. Rzeczywiście, teoria wszystkiego jest powszechnie nazywana „świętym Graalem” współczesnej fizyki. Einstein byłby zapewne zadowolony, że tak wielu fizyków z entuzjazmem poświęca swoją karierę na realizację jego marzenia.
Ed. Uwaga: W związku ze zbliżającym się Światowym Rokiem Fizyki kończymy nasz cykl felietonów historycznych poświęconych Einsteinowi. Zmieniamy też autorów. Przez pięć lat „Ten miesiąc w historii fizyki” był pisany przez zastępcę redaktora naczelnego Jennifer Ouellette; nadchodzące kolumny (jak również ta) będą dziełem pisarza naukowego Erniego Tretkoffa.