Morgunblaðið - 26.09.1999, Blaðsíða 25

MORGUNBLAÐIÐ
SUNNUDAGUR 26. SEPTEMBER 1999 25

!
Svarthol,
strengir og
sannleikskorn
ÞÓTT engum nema inn-
vígðum sé ætlað að
skilja það sem fram fer
í fyrirlestri í strengjafræðum
er ekki annað hægt en að hafa
gaman af því að fylgjast með
Leonard Susskind á sviði.
Hann er fyrirlesari af guðs
náð og heldur eins konar sýn-
ingu. Manni finnst maður jafn-
vel skiija eitthvað, pínulítið.
Þau hljóma í það minnsta
spennandi fyrir áhugamann
um vísindaskáldskap þessi
svarthol og vangaveltur um mikla-
hvell, almyndir, de Sitter geim og
hvort alheimurinn komi til með falla
saman eða eða ekki.
Leonard Susskind prófessor í eðl-
isfræði við Stanfordháskóla, þar
sem Lárus Thorlacius vann með
honum um árabil, er í fremstu röð
kennilegra eðlisfræðinga. Hann er
einn af frumkvöðlum strengjafræð-
innar og hlaut hin virtu alþjóðlegu
Sakurai-verðlaun í kennilegri eðlis-
fræði 1998 fyrir framlag sitt til
fræðanna. Samstarfsmenn Susskind
hafa fyrir satt að hann búi að „ein-
stöku ímyndunarafli og frumleika“ í
fræðimennsku sinni.
Eftir fyrirlesturinn sem fram fór
á sal M.A. tyllum við okkur í hæg-
indastóla inni á heimavist skólans
og Edduhóteli staðarins. Susskind
er hlýr í viðmóti, dálítið seiðkarla-
legur og aldeilis tilbúinn að
sitja fyrir svörum. A liðlega
; klukkstundar löngum
\ fundi okkar gætir
aldrei óþreyju
/ þrátt fyrir
. /á \
cunnáttu
yrils.
Susskind tekur
ð síður en svo óstinnt
p þegar ég byrja á því að
yrja hann um hvað ég eigi að
yrja heldur segir mér undan og
striki við könnun fjarlægra fyrir-
bæra úti í geimnum þótt geimferðir
manna hafi látið á sér standa og má
segja að sú grein, stjameðlisfræðin,
hafi aldrei staðið í meiri blóma en
núna. Mín sérgrein, öreindafræðin,
hefur reyndar alltaf verið á leiðinni
inn á við að skoða gerð heimsins á
sem minnstum skala. Þessar fræði-
greinar tengjast engu að síður á
ýmsan hátt. Það er kannski ekki
augljóst en engu að síður staðreynd
að það þarf fræðilega lýsingu á ör-
eindum, á mjög smáum skala, til
þess að öðlast skilning, á vettvangi
eðlisfræðinnar, á því hvemig al-
heimurinn þróaðist á sínu upphafs-
skeiði. Það má leysa ýmis verkefni í
heimsfræðinni (e. cosmology) ef
menn ná tökum á öreindafræðinni."
Akkilesarhæll strengjafræðinnar,
ef svo má segja, er skortur á til-
raunum til að sannreyna hana.
Hverjir eru möguleikarnir á því að
úr honum rætist?
„Öflugasti línuhraðall sem við
eigum, er til staðar í Stánford, og
hann er um þrír kílómetrar á lengd.
Til þess að gefa þá orku sem dygði
tii að við „sæjum“ að öreindir era
strengir þyrfti hraðal sem næði
héðan og inn að miðju vetrarbraut-
arinnar, miðað við sömu tækni og
notast er við í Stanford-hraðlinum.
Og það tæki um 30 þúsund ár að
framkvæma hverja tilraun!
Því er ljóst að við eram ákaflega
fjarri því að sannreyna kenninguna
með tilraunum. Við getum ekki
ofan af byltingum í eðlisfræði á 20.
öld og strengjafræðinni sem hann
og japansk-ameríski fræðimaðurinn
Nambu settu fyrstir fram, hvor í
sínu lagi, árið 1969. „Strengjafræði
er eiginlega söguleg nafngift. Hug-
myndir okkar Nambu urðu til í allt
öðra umhverfi, eiginlega á allt
annarri öld! Þá hafði enginn eðlis-
fræðingur sem tók sig alvarlega
áhuga á svartholum. Menn vora að
rannsaka róteindir og nifteindir.
Við voram hálfgerðir utangarðs-
menn fyrir vikið.
Síðan hefur mikið vatn rannið til
sjávar: Strengjafræði hefur fengið
viðurkenningu vísindasamfélagsins,
að mestu, og við hana binda margir
vonir um samþættingu þyngdarafls-
fræði og skammtakenningar þannig
að hægt sé að beita einni kenningu í
allri eðlisfræði.
Samþættingarvandinn
Ósamrýmanleiki afstæðiskenn-
inga Einsteins og skammtakenning-
arinnar, sem hann var sömuleiðis
frumkvöðull að, hefur staðið kenni-
legri eðlisfræði og heimsfræði fyrir
þrifum lungann úr öldinni.
Skammtakenningin hefur með ár-
unum þróast í að verða ríkuleg og
nákvæm kenning um allar smáar
agnir. SífeUt smærri, frá atómi til
kjarna til kvarka til ljóseinda. Af-
stæðiskenningin hefur orðið að
kenningu um þyngdarafl og sveigt
tímarúm sem notuð er til að skoða
geiminn, útþenslu alheims og svart-
hol. Alltaf mjög stór fyrirbæri þar
sem þyngdarmassi er svo mikill að
þyngdaraflsverkunin skiptir mestu
máli.
En þegar venjulegum aðferðum
skammtakenningar er beitt á
þyngdaraflsvandamál fer allt úr
skorðum. Niðurstaðan verður
ætíð sú sama: Líkur, á
hveiju sem er, era
alltaf óendanlega
miklar. Sem
byggt okkur
endalaust
stærri hraðla og
verðum því meira og
meira að reiða okkur á
það sem við getum séð í
kringum okkur og draga af
því ályktanir um það hvernig
alheimurinn var í upphafi. Síðan má
setja út frá því skorður á kenningar
og kenningasmíð. Þetta er nú þegar
farið að skiia sér í strengjafræði og
annarri öreindafræði. Menn nota
sem sagt heimsfræðina til að skilja
smærri einingar og gangvirki
þeirra. En eins og alltaf í góðum
vísindum þá geta lausnimar látið á
sér standa.“
Orðalagið sem þú greipst til rétt í
þessu minnir á „Eins og í öllum góð-
um sögum Að hve mikiu leyti ertu
að fást við skáldskap?
„Ja, það er nú til fræg tilvitnun,
ég man nú ekki eftir hverjum hún
er höfð, sem er eitthvað á þessa
leið: „There is nothing as tragic as
when a beautiful theory is ruined
by an ugly experimental fact“.
(„Fátt er harmrænna en þegar fal-
legri kenningu er kollvarpað af
ljótri staðreynd sem leiðir af til-
raun.“) Að vissu leyti hafa öreinda-
fræðin og strengjafræðin verið
leyst úr viðjum þess að þurfa að
standa skil á niðurstöðum tilrauna
og það hefur orðið til þess að vís-
indamenn hafa gefið ímyndunarafl-
inu lausan tauminn. Nú geta þeir til
dæmis talað kinnroðalaust um ell-
Morgunblaðið/Kristján Kristjánsson
Leonard Susskind gantast við Þórð Jónsson á sal MA.
er auðvitað tómt bull. Því hafa allir
eðlisfræðingar vitað að sá dagur
rynni upp að kenningamar þyrfti að
samræma. Einstein eyddi síðustu
áram ævi sinnar við að reyna það en
tókst ekki,“ segir Susskind.
Svaríð í svartholi?
Susskind segir að með strengja-
fræði hafi eðlisfræðingum lærst að
hugsa um skammtafræði og þyngd-
arafl með nýjum hætti. Það hafi m.a.
skipt máli að hugsa sér öreindina
sem streng frekar en punkt. „Ég
held að strengjafræði geymi lykilinn
að lausn samþættingarvandans. Við
eram að byrja að skilja tengslin á
milli þessara kenninga á mun dýpri
hátt en áður.
Það hefur rannið upp fyrir okkur
að fjölmargar þær hugmyndir sem
við höfum búið að era rangar; að
rúm og tími er allt öðra vísi en við
héldum. Heldur en Einstein hélt. Og
að líklega eigi hlutir afturkvæmt úr
svartholum rétt eins og skammta-
fræðin krefst. En þetta krefst rótt-
tækra breytinga á því hvemig hugs-
að er um þessa hluti. Við erum því
mjög spenntir út af þessu öllu,“ seg-
ir Susskind með glampa í augum.
Eins óvísindalega, eða lygilega, og
það kann að hljóma í eyrarn jarð-
bundinna þá leita strengjafræðingar
að sínum heilaga kaleik í því sem
lengi hefur verið talið fastheldnasta
fyrirbæri alheims: Svartholinu sem
ku allt gleypa og engu sleppa út úr
sér, ekki einu sinni ljósglætu. „Það
var breski vísindamaðurinn Stephen
Hawking sem lagði það fyrstur
manna til að eðli svarthola væri alls
ekki eins og þyngdaraflsfræðin
kveða á um, stöðugt fyrirbæri sem
svifi óbreytt um í geimnum um alla
eilífð, heldur hlyti það að leysast
efu víddir og ýmislegt annað sem
áður þótti heldur ábyrgðar-
laust.
En auðvitað
þurfa þessar hug-
myndir
allar að
vera vel
grandaðar í
þekktum
fræðum og stærð-
fræðilega vel skilgi-eindar.
Menn þurfa að geta próf-
að afleiðingar þeirra þó að
það sé ekki nema með frek-
ari reikningi innan kenningar-
innar. Þær eru þar með ekki bara
gripnar úr lausu lofti og algjör
skáldskapur. En ég neita því alls
ekki að sumar mestu framfarir síð-
ustu árin hafa orðið vegna þess að
menn hafa leyft sér að sleppa
ímyndunaraflinu lausu.“
Hvað er átt við með „fallegri
kenningu“ eins og kom fram í til-
vitnuninni sem þú notaðir?
Vegna þess að við eigum ekki
kost á að framkvæma tilraunir til
að sannreyna kenningarnar verðum
við að spyrja öðru vísi spurninga og
reyna þá frekar að hafa að leiðar-
ljósi hvort kenningarnar fái staðist
upp að endingu eins og önnur fyrir-
bæri.
Áður fyrr þurfti ekki að hafa
úhyggjur af hlut sem sogaðist inn í
svarthol; hann var horfinn inn í hul-
inn heim. Það er samt hægt að láta
sem svo að hann sé þar enn og
spyrja: Hvað verður um upplýsing-
amar sem búa í efninu sem féll í
svarholið? Hafa þær þurrkast út að
eilífu? Með því að beita skammta-
kenningalegri hugsun komst Hawk-
ing að því að öll sú orka sem fer inn í
svartholið verður að skila sér aftur
sem geislun. Þyngdai-fræðin kveður
hins vegar á um að ekkert skili sér
út úr svartholinu! Það er einmitt
verkefni strengjafræðinnar að leysa
þessa þversögn. Og ég held að svar-
ið sé komið: Skammtakenningin hef-
ur vinningin,“ segir Susskind með
sannfæringu.
Upplausn svartholsins er, að sögn
Susskind, skammtafræðilegt ferli:
Það gefur frá sér geislun, svipað og
geislavirkur kjami, og að lokum
leysist það með öllu upp. „Það tekur
auðvitað afar langan tíma. Þessi
hugmynd Hawkings olli miklum
raglingi: Hvað verður um efnið sem
fór inn? „Man“ orkan sem skilar sér
út hvað fór inn? Þetta varð lykil-
spuming vegna þess að skammta-
kenningin gengur að vissu leyti út
frá því að ekkert gleymist nokkum
tíma; að allt sem falli inn í svarthol
sé á einhvem hátt endurgert þegar
það komi út.“
Almyndarlegt lögmál
Ut frá ofangreindum hugmynd-
um hafa eðlisfræðingar, að sögn
Susskinds, snúið sér að því að þróa
kenningar til að skoða alheiminn í
ljósi lögmáls sem kennt er við „al-
mynd“ eða „hólógram“. „Það sem
stærðfræðilega og svo skiptir visst
fegurðarsjónarmið máli: Kenningar
sem gefa einfaldar niðurstöður og,
já, í einhverjum skilningi, falleg
svör era eftirsóknarverðar.
Og þetta er alls ekki út í bláinn;
það hefur reynst vel í gegnum tíð-
ina að leita að kenningum sem hafa
mikla samhverfu. Jafnvel meðan
tilrauna naut við í framlínu öreinda-
fræðinnar höfðu kenn-
ingasmiðir oft feg-
urðarsjónarmið
að leiðarljósi
fellur inn í svarthol kemst aldrei al-
veg að yfirborði þess heldur fyllir
upp í eins konar skel mjög nálægt
því. Og skelin sú arna geymir allar
upplýsingar um efnið. Félli öll jörð-
in, öll okkar menning, inn í svarthol
ættu upplýsingarnar um hana að
varðveitast í þunnu lagi við yfirborð
þess. Þær þrívíddarapplýsingar era
því geymdar með einhverjum hætti
í tvívíðu yfirborði svartholsins og
hlýðir því lögmáli almyndarinnar
sem geymir þrívíða mynd á tvívíð-
um fleti.
Við eram nú byrjaðir að nota al-
mennt form þessarar hugmyndar
við að skoða alheiminn. Hugmyndin
er sú að við getum tekið afmarkað
svæði hvar sem er í geimnum og
lýst öllu því sem þar er „inni“ á for-
sendum almyndarinnar, með því að
skoða jaðar eða útmörk svæðisins,
svo að segja. Þar sé hægt að lesa
þrívíðar upplýsingar á tvívíðu
formi.“
Þessi kenning, sem Susskind varð
einna fyrstur að leggja fram, er
byltingarkennd og alls óvænt, að
hans sögn. „Menn hafa alltaf
ímyndað sér að það þyrfti að lýsa
öllu innvolsinu. Að ef lýsa ætti
þessu herbergi þyrfti að staðsetja
hvem hlut nákvæmlega og lýsa
honum á sínum stað í smáatriðum.
En með því fást, að því er virðist,
allt of miklar upplýsingar. Allt sem
maður þarf að vita er að finna í
veggjum herbergisins! Það átti eng-
inn von á því að hægt væri að lýsa
svæði með svona „yfirborðskenn-
ingu“,“ segir Susskind.
Vísindi og túlkun þeirra
En telur Susskind að hægt sé að
líta svo á að þessar nýju kenningar
gangi að einhverju marki út á túlk-
anir, séu skáldlegar að vissu marki.
„Nei, hreint ekki. Þetta era vísindi
eins og hver önnur. Og þegar fram
líða stundir munu þau renna saman
við önnur vísindi. Eða hverfa að
öðram kosti. Auðvitað byggja þessi
vísindi að vissu marki á skáldlegri
frásögn, en það sama gildir um öll
vísindi. Ég held að allir bindi vonir
við að einhvem tíma verði hægt að
styðjast við tilraunir í þróun kenn-
ingarinnar.
Strengjafræði og fleiri kenning-
um í svipuðum dúr er fyrst og
fremst ætlað að fylla upp í götin í
þekkingu okkar á öreindum (elem-
entary particles). Þessar agnir, sem
líta skal á sem strengi en ekki
punkta, hafa alls konar eiginleika;
rafhleðslu, snúning, hraða, og ýmis
önnur einkenni. Þær hafa reyndar
svö mörg einkenni að það er erfitt
að líta á þær sem öreindir; það er
og gerðu ýmsar mikilvægar upp-
götvanir sem síðar fengust stað-
festar með tilfinningasnauðari að-
ferðum.“
„Svört verða sólskin" þegar
að björtustu stjömur, 30 sinn-
um stærri en sólin, brenna
upp, á aðeins milljón árum,
blása út í „rauða ofurrisa“,
sprínga að hætti sprengi-
stjama, falla inn í sig og
mynda svarthol.