NOVA | Učitelé | Elegantní vesmír | Věda o superstrunách | PBS

Věda o superstrunách

Dnešní fyzici se potýkají s problémem. Přijali dvě odlišné teorie, které vysvětlují fungování vesmíru: Obecná teorie relativity Alberta Einsteina, která popisuje vesmír ve velmi velkém měřítku, a kvantová mechanika, která popisuje vesmír ve velmi malém měřítku. Obě tyto teorie byly v drtivé většině podpořeny experimentálními důkazy.

Naneštěstí se tyto teorie vzájemně nedoplňují. Obecná teorie relativity, která popisuje fungování gravitace, předpokládá hladký a plynulý vesmír s deformacemi a křivkami v tkanině prostoročasu. Kvantová mechanika – se svým principem neurčitosti – předpokládá, že v nekonečně malém měřítku je vesmír turbulentním, chaotickým místem, kde lze události předvídat pouze s pravděpodobností. Ve dvou případech, kdy je třeba použít obě konkurenční teorie – k popisu velkého třesku a hloubky černých děr -, se rovnice rozpadají.

Většina fyziků se jen těžko smiřuje s tím, že vesmír funguje podle dvou různých (a někdy i protichůdných) teorií. Podle nich je pravděpodobnější, že vesmír se řídí jedinou teorií, která vysvětluje všechna pozorování a data.

Hon za jedinou teorií

Z tohoto důvodu se fyzikové vydávají na hon za jednotnou teorií. Taková teorie by pod jednou střechou spojila všechny čtyři přírodní síly: gravitaci, nejslabší ze čtyř, jak ji vysvětluje obecná teorie relativity, a elektromagnetismus a silné a slabé síly, jak je vysvětluje kvantová teorie pole. Einstein usiloval o jednotnou teorii tím, že se snažil sjednotit elektromagnetismus a gravitaci.

Teorie superstrun, nazývaná také teorie strun, je současnou formulací tohoto pokračujícího hledání. Teorie strun se pokouší sjednotit všechny čtyři síly, a tím sjednotit obecnou relativitu a kvantovou mechaniku. Jejím jádrem je poměrně jednoduchá myšlenka – všechny částice jsou tvořeny malými vibrujícími vlákny energie. (Název teorie strun je odvozen od vzhledu těchto energetických vláken, který připomíná strunu.) Na rozdíl od běžných strun mají tyto struny délku (v průměru asi 10-33 cm), ale nemají tloušťku. Teorie strun předpokládá, že částice, z nichž se skládá veškerá hmota, kterou vidíte ve vesmíru, a všechny síly, které umožňují interakci hmoty, jsou tvořeny malými vibrujícími vlákny energie.

V současné době přijímaná a experimentálně ověřená teorie fungování vesmíru na subatomárních škálách tvrdí, že veškerá hmota se skládá z bodových částic – a jejich prostřednictvím interaguje. Tato teorie, známá jako standardní model, popisuje elementární částice a tři ze čtyř základních sil, které slouží jako stavební kameny našeho světa (seznam těchto částic najdete v tabulce Elementární částice a v tabulce Částice základních sil). Tato teorie nezahrnuje gravitaci.

V teorii strun odpovídá každému typu elementární částice hmoty – a každému typu nosné částice základní síly, která zprostředkovává interakce mezi částicemi hmoty – jedinečný vibrační vzorec struny, podobně jako různé tóny hrané na housle odpovídají jedinečným vibracím struny. To, jak struna vibruje, určuje vlastnosti – jako je náboj, hmotnost a spin – částice, kterou je. Rovnice teorie strun by mohly dát vzniknout elementárním částicím, jaké známe v současnosti (elektrony, kvarky, fotony atd.), ale protože zatím nelze provést podrobné numerické předpovědi, je obtížné zjistit, zda sortiment možných vibračních vzorů správně odpovídá všem známým částicím hmoty a nositelům síly. Struny mohou být buď otevřené, nebo uzavřené a tvořit smyčku. To, zda je struna otevřená nebo uzavřená, určuje typ interakcí, kterým může podléhat.

Je to právě povaha strun, která sjednocuje obecnou relativitu a kvantovou mechaniku. Podle kvantové teorie pole interagují částice na nulové vzdálenosti v časoprostoru. Podle obecné teorie relativity nemůže teoretická částice, která je nositelem síly pro gravitaci, graviton, působit na nulovou vzdálenost. Struny pomáhají toto dilema vyřešit. Protože jsou jednorozměrné a mají délku, „rozmazávají“ interakce na malé vzdálenosti. Toto rozmazávání vyhlazuje časoprostor natolik, že graviton může interagovat s ostatními částicemi kvantového pole, a tím sjednocuje obě sady zákonů.

Silná cenovka

Ale teorie strun má při vší své eleganci svou cenu. Aby byla teorie konzistentní, musí mít vesmír více než tři prostorové rozměry. Ve skutečnosti teorie strun předpovídá vesmír s devíti prostorovými a jedním časovým rozměrem, celkem tedy s 10 rozměry. (Nejnovější verze teorie strun předpovídá 11 rozměrů.) Devět prostorových rozměrů se skládá ze tří rozšířených rozměrů, s nimiž se setkáváme v každodenním životě, a šesti teoretických drobných, stočených rozměrů, které nelze pozorovat pomocí stávajících technologií. Těchto šest dodatečných rozměrů se vyskytuje v každém bodě známého trojrozměrného světa. Existence více než tří prostorových rozměrů je tak obtížně uchopitelný koncept, že si jej nedokážou představit ani teoretici strun. Často používají analogie, které jim pomáhají si tyto abstrakce představit.

Představte si například list papíru s dvourozměrným, rovným povrchem. Pokud tento povrch srolujete, vznikne trubice a jeden rozměr se stočí. Nyní si představte, že pokračujete v rolování povrchu, dokud jej nesrolujete tak pevně, že vnitřní stočený rozměr jakoby zmizí a trubice bude vypadat prostě jako čára. Podobným způsobem se dodatečné rozměry předpovězené teorií strun stočí tak těsně, že v každodenní zkušenosti jako by zmizely.

Tyto stočené rozměry mohou nabývat určitých složitých konfigurací známých jako Calabiho-Yauovy tvary. Bohužel existují desítky tisíc variant těchto tvarů a je obtížné zjistit, které z nich by mohly správně reprezentovat dodatečné rozměry našeho vesmíru. Je důležité vědět, které z nich jsou správné, protože právě tvar těchto dodatečných rozměrů určuje vzorce vibrací strun. Tyto vzory zase představují všechny složky, které umožňují existenci známého vesmíru.

Tyto dodatečné rozměry mohou být tak malé jako 10-35 metrů nebo tak velké jako desetina milimetru. Případně by tyto dodatečné rozměry mohly být stejně velké nebo větší než náš vesmír. V takovém případě se někteří fyzici domnívají, že by gravitace mohla unikat přes tyto dodatečné rozměry, což by mohlo pomoci vysvětlit, proč je gravitace ve srovnání s ostatními třemi silami tak slabá.

Je to shoda

Teorie strun také požaduje, aby každá známá částice hmoty měla dosud neobjevenou odpovídající „super“ částici nositele síly a každá známá částice nositele síly měla dosud neobjevenou odpovídající „super“ částici hmoty. Tato myšlenka, známá jako supersymetrie, pomáhá stanovit vztah mezi částicemi hmoty a částicemi nosičů sil. Tyto teoretické částice, nazývané superčástice (viz níže „Částice a spartakoule“), jsou pravděpodobně hmotnější než jejich známé protějšky, což může být důvod, proč dosud nebyly pozorovány současnými urychlovači a detektory částic.

* Graviton a Higgsův boson zatím nebyly experimentálně potvrzeny. úplný výčet částic a jejich navrhovaných superpartnerů najdete v části „Elementární částice“ na adrese www.pbs.org/nova/elegant/.

Potenciál toho, co by teorie strun mohla pomoci vysvětlit, je obrovský. Mohla by odhalit, co se stalo v okamžiku vzniku vesmíru. Teorie velkého třesku popisuje pouze to, co se stalo po prvním extrémně malém zlomku sekundy. Podle konvenčních teorií se předtím vesmír smrskl na nulovou velikost – což je nemožné. Pod záštitou teorie strun se vesmír možná nikdy nezmenšil do bodu, ve kterém by zanikl, ale spíše mohl začít s nepatrnou velikostí – velikostí jediné struny.

Teorie strun by také mohla pomoci odhalit podstatu černých děr, které sice předpovídá obecná teorie relativity, ale nikdy nebyly plně vysvětleny na kvantové úrovni. Pomocí jednoho typu teorie strun fyzici matematicky popsali miniaturní černé díry bez hmotnosti, které se – poté, co projdou změnami v geometrii dodatečných rozměrů teorie strun – objeví jako elementární částice s hmotností a nábojem. Někteří teoretici se nyní domnívají, že černé díry a elementární částice jsou totožné a že jejich vnímané rozdíly odrážejí něco podobného fázovým přechodům, jako je přechod kapalné vody v led.

Teorie strun také otevírá dveře různým hypotézám o vývoji a povaze prostoru a času, například o tom, jak mohl vypadat vesmír před velkým třeskem nebo o schopnosti prostoru trhat se a opravovat nebo procházet topologickými změnami.

Kdy to všechno začalo

Teorie strun není zcela nová. Vyvíjí se již od konce 60. let 20. století. V jednu chvíli existovalo pět variant této teorie. V polovině 90. let pak vznikla teorie známá jako M-teorie, která těchto pět teorií sjednotila. M-teorie je považována za poslední krok ve vývoji teorie strun (viz „M-teorie, magie, tajemství, matka?“ vpravo).

Nejnovější inkarnace teorie strun – M-teorie – odhalila, že pět dřívějších verzí teorie strun bylo jen pět různých aspektů jedné teorie.

Žádná část teorie strun nebyla experimentálně potvrzena. Částečně je to proto, že teoretici zatím teorii nerozumějí natolik dobře, aby mohli učinit definitivní testovatelné předpovědi. Kromě toho se předpokládá, že struny jsou tak malé – méně než miliardtina miliardtiny velikosti atomu – že technologie, jako jsou současné urychlovače a detektory, nejsou dostatečně výkonné, aby je odhalily (viz níže „Hledání fundamentu“). Přestože teorii strun zatím nelze experimentálně ověřit, fyzikové doufají, že některé její aspekty lze podpořit nepřímými důkazy, například prokázáním existence:

• extra rozměrů. Fyzikové doufají, že současné nebo budoucí urychlovače částic budou schopny pomoci naznačit existenci dalších rozměrů. Detektory by mohly změřit chybějící energii, která by unikla z našich dimenzí do těchto extra dimenzí, a případně tak poskytnout důkaz, že tyto dimenze existují.

• superčástice. Vědci využijí současné urychlovače částic a urychlovače příští generace k hledání superpartnerských částic předpovězených teorií strun.

• fluktuace v záření pozadí. Vesmír je prostoupen rovnoměrným zářením o velmi nízké teplotě 2,7 stupně Kelvina. Předpokládá se, že jde o pozůstatek původní velmi vysoké teploty velkého třesku. Porovnáním teplot z různých míst na obloze vzdálených od sebe jen asi 1 stupeň byly zjištěny extrémně malé teplotní rozdíly (řádově statisíciny stupně Kelvina). Vědci hledají ještě menší teplotní rozdíly specifické formy, které mohou zůstat z nejranějších okamžiků velkého třesku, kdy mohlo být dosaženo energií potřebných k vytvoření strun.

Hledání fundamentálních částic

Přestože fyzikové pomocí urychlovačů nalezli důkazy pro většinu částic hmoty a sil, které tvoří standardní model, stále hledají teoretickou nosnou částici síly zvanou Higgsův boson. Tento graf ukazuje energie, při nichž byly nalezeny nebo teoreticky předpokládány některé částice a silová sjednocení (plná kolečka), a označuje energie, které lze zkoumat pomocí současných nebo plánovaných srážečů (prázdná kolečka). Fyzikové doufají, že Velký hadronový urychlovač CERN ve Švýcarsku a Francii, jehož spuštění je plánováno na rok 2007, by mohl odhalit důkazy o existenci Higgsova bosonu, stejně jako náznaky teoretického gravitonu a nepolapitelných superpartnerských částic. Zdá se, že sjednocení silných a elektroslabých sil nebo nalezení teoretických strun bude vyžadovat zkoumání energií daleko přesahujících možnosti současných technologií. Někteří teoretici se však domnívají, že energie strun může být blíže současným nebo plánovaným energiím urychlovačů.