22. novembra ove godine Džon Švorc (John Schwarz) puni 75 godina. To je prilika da se nešto kaže o ovom izuzetnom teorijskom fizičaru, jednom od tvoraca teorije struna.

Da bi razumeli njegov doprinos treba se podsetiti da teorija struna nije nastala kao „zašto ne?“ hipoteza. Naprotiv, ona je izrasla kroz interpretaciju regularnosti u masi i ugaonom momentu (spinu) nestabilnih čestica koje su nađene u eksperimentima rasejanja. U tim procesima dominantnu ulogu igra takozvana jaka sila, ona ista koja prevazilazi uzajamno elektrostatičko odbijanje protona i time garantuje stabilnost svih atomskih jezgara, pa time i egzistenciju sve kompleksnije materije, uključujući i nas.

Početna verzija teorije struna imala je u sebi samo takozvane bozone, čestice kao recimo pion, Higs, ili foton, čiji matematički opis izgleda isto kao kad ih okrenemo za pun krug. Prirodno, zar ne?

Međutim, u prirodi postoji i druga grupa čestica, takozvani fermioni, na primer elektroni ili protoni, čiji matematički opis izgleda isto tek ako ih okrenemo za dva puna kruga! Naizgled besmisleno, ali to čudno svojstvo je u krajnjoj liniji odgovorno za stabilnost atoma.

Radeći sa kolegom Andre Neveom, Švorc je najpre matematički proširio prvobitnu teoriju struna tako da pored bozona uključuju i fermione. Fizičar Pjer Ramond je nezavisno došao do istih rezultata gotovo u isto vreme. Strune su sada u principu bile u stanju da opišu sve čestice koje učestvuju u jakoj interakciji.

Neve i Švorc su zatim primetili da u takvim modelima postoji čudna simetrija, da za svaki bozon postoji fermion iste mase. Slična zapažanja su napravili i drugi fizičari, u tom i drugom kontekstu, iz čega je polako izrasla jedna od ključnih ideja savremene fundamentalne fizike, ideja o „supersimetriji“ između svih bozona i fermiona.

Slika 1. Interakcija zatvorenih, oscilirajućih struna u prostoru i vremenu.

Prvobitne bozonske strune su predskazivale da postoje tahijoni, čestice brže od svetlosti, što dovodi do raznih fizičkih paradoksa. Međutim, fizičar Klod Lavlas (Claud Lovelace) je sračunao da ako struna može da osciluje u 24 prostornih dimenzija onda u njoj ne postoje tahijoni! Bio je to jedan od magijskih rezultata koji su izgledali kao matematika bez fizičkog smisla, jer niko nije imao ideju od kakvog bi značaja bio prostor-vreme od 26 dimenzija (1 za vreme, 1 za samu dužinu strune i 24 za dimenziju prostora u kome struna osciluje).

Švorc je tada napravio izuzetno otkriće.  Analizirajući svoje strune sa bozonima i fermionima on je otkrio da tahijoni nestaju već ako imamo samo 9 prostornih i 1 vremensku, dakle sve skupa 10 dimenzija! Iako je interpretacija i dalje bila nejasna, smanjenje broja dimenzija je izgledalo atraktivno. Možda će neki dodatni fizički uslov spustiti broj dimenzija na 4?

Par godina kasnije radeći sa kolegom Žoelom Šerkom, Švorc dolazi do prelomnog rezultata. Eksperti su već primetili da vibracije struna sadrže i česticu bez mase mirovanja čiji matematički opis izgleda isto i kad je zavrtimo samo za pola kruga. Šerk i Švorc, i kako to često biva, nezavisno od njih i japanski fizičar Joneja, našli su da ta čudna oscilacija struna zaista ima svojstva identična sa gravitonom, hipotetičkom česticom koja opisuje mikroskopska svojstva gravitacionog polja.

Šerk i Švorc su tada, 1975-te godine, hrabro i vizionarski formulisali ono što je postao program fundamentalne fizike do današnjeg dana i kako izgleda, i za ostatak ovog veka. Strune ne opisuju samo jaku silu, one opisuju sve fundamentalne sile. Strune su u stvari supersimetrične superstrune, i spektar njihovih vibracija pokriva sve poznate i beskraj još neotkrivenih čestica, i bozona i fermiona. Karakteristična veličina struna nije reda veličine protona, već je daleko manja, bliska takozvanoj Plankovoj dužini, koja se smatra najmanjim mogućim rastojanjem na kome pojam prostora i vremena ima smisla. Strune postoje u deseto-dimenzionalnom prostor-vremenu (1+9), ali neki dinamički mehanizam spontano kompaktificira 6 prostornih dimenzija na mikroskopske veličine (kako je ranije špekulisano za hipotetičnu petu dimenziju), tako da za sada vidimo samo tri velike prostorne dimenzije. Isti ili sličan mehanizam narušava supersimetriju između bozona i fermiona, tako da smo do sada detektovali samo „rasparene“ bozone i fermione najnižih masa.

Drugi teoretičari su polako evoluirali ka ovom programu. Ideje ujedinjenja fundamentalnih interakcija, supersimetrije, i kompaktnih dimenzija pojavile su se svaka u svom kontekstu i došle do svojih unutrašnjih ograničenja koja su sva ukazivala na teoriju struna kao naredni korak.

Švorc i njegov dugogodišnji saradnik Majkl Grin (Michael Green) su tada napravili naredni ključni prodor. Teoretičari su već znali da zakoni održanja, kao recimo održanje naelektrisanja, u principu mogu da budu narušeni kroz kvantne procese na mikroskopskom nivou. Takvi procesi dobili su ime kvantnih anomalija. Činjenica da to nije slučaj u prirodi povezana je sa time što je svaki zakon održanja posledica neke simetrije i da su anomalije izbegnute ako te simetrije imaju specifičnu geometrijsku strukturu. Primenjujući tu ideju na teoriju struna, Grin i Švarc su sračunali da je specifična vrsta struna slobodna od kvantnih anomalija ako sadrži monstruoznu simetriju sa 496 generatora između 32 moguća stanja!  

Poređenja radi, recimo da najkompleksnija poznata sila, jaka sila, ima 8 generatora simetrije između 3 moguća stanja. Kao engleski vitezovi koji su pojurili ko će pre izvući mač iz kamena, svet teoretičara je eksplodirao u stampedu analize teorije struna. Na koji način velike simetrije teorije struna dovode do malog broja simetrija koje vidimo i čestica koje merimo? Šta je uzrok kompaktifikacije ekstra dimenzija? Koliko su velike? Šta je uzrok narušenja supersimetrije? Kako naći supersimetrične partnere poznatih čestica? Kakav je uticaj teorije struna na kosmologiju ranog svemira? I tako dalje.

 Rezultat Grina i Švarca je otvorio takozvanu Prvu revoluciju struna.

Slika 2. Grin (levo) i Švorc (desno). Planinarenje u Koloradu kao predah leta 1984-te, kada su našli teoriju struna slobodnu od kvantnih anomalija i otvorili Prvu revoluciju.