Struny, superstruny a M-teorie

23 Srp

Když sir Isaac Newton uvedl do světa svou mechaniku, zdálo se být „vymalováno“. V 18. a 19. století však bylo nutno Newtonův matematický aparát přizpůsobit pokrokům vědy a vzniku nových oborů založených na studiu elektromagnetismu. Vznikla tak klasická teorie pole, kterou záhy po objevení elektronu doplnila kvantová mechanika. Když pak americký fyzik Albert Michelson dokázal, že světlo se pohybuje konstantní rychlostí v každém směru a vzhledem ke každému pozorovateli, přibyla brzy zásluhou Alberta Einsteina speciální teorie relativity. V kvantové mechanice se s ní začalo počítat pod pojmenováním relativistická kvantová teorie pole. Speciální teorii relativity pak Einstein doupravil do dnešní podoby obecné teorie relativity. Ale ani teď „vymalováno“ není. Obecná teorie relativity a kvantová teorie pole je podle standardního modelu stále neslučitelná. Avšak vypadá to, že cesta ke spojení těchto teorií a tedy finální cesta k teorii velkého sjednocení by se mohla vést přes malé jednorozměrné objekty, kterým říkáme struny, a jejich fundamentální protějšky – membrány.

Našli jsme cestu k teorii velkého sjednocení? Jsou struny ty pravé? Zatím se zdá, že ano. Strunami zkoušíme nahradit všechny elementární částice. Ba co víc. Pomocí teorie superstrun dokážeme popsat veškerou hmotu a v podstatě i úplně všechno ve vesmíru. Překonejme nyní hranici dosavadního chápání hmoty a jejich interakcí díky jednorozměrným vibrujícím strunám, které se pohybují v desetirozměrném prostoru.

Standardní model

Ve standardním modelu jsou elementární částice chápány jako bezrozměrné bodové objekty pohybující se prostorem. Vytyčují tedy jakousi dráhu svého pohybu – „světočáru“. Musíme dále počítat s tím, že kromě svého pohybu v závislosti na čase musíme uvažovat i další stupně volnosti jako náboj, hmotnost, barvu (tedy náboj spojený se silnou interakcí) anebo spin. Standardní model byl postaven na základech kvantové teorie pole. Díky tomuto modelu se nám podařilo s obrovským úspěchem popsat tři známé silové interakce v přírodě. Elektromagnetismus, silnou jadernou a slabou jadernou sílu. Ba co víc. Podařilo se dokonce sjednotit elektromagnetismus a slabou sílu do jediné elektroslabé interakce s vroucím příslibem, že silnou se k nim podaří brzy také přidružit. Bohužel však čtvrtá interakce – gravitace – stále uniká a nic nenasvědčuje tomu, že by mohl být standardní model vhodným řešením.

Matrjoškám odzvonilo

Podařila se úžasná věc. Nahradili jsme všechny bodové částice jednorozměrnými strunami. Svým pohybem pak nevytváří světočáru, ale jakousi „světotrubici“. Význam bodových částic ale nemizí. Díváme-li se na částice zblízka s rozlišením dosud používaným pro popis těchto objektů (tedy 10-18 m), budou se nám jevit stále jako bodové. Jejich strunný charakter by se měl projevovat až při mnohem větším přiblížení. Naše představy byly doposud takové, že cestou do nitra hmoty se dostáváme ke stále menším základním kamenům jako v matrjošce. Tomu ale nejspíš odzvonilo. Matrjošky končí, další kameny nebudou. Základním ztvárněním teorie superstrun jsou tedy tytéž elementární částice, o kterých jsme se zmínili, ale právě v podobě vibrujících strun. Teorie superstrun nám přináší úžasné sjednocení. Snad by se slušelo říci, že vlastně nejúplnější sjednocení, jaké si umíme představit. Máme tady teorii, kde již neexistuje několik různých objektů, ale jen jeden jediný jednorozměrný objekt a ten vytváří svým chováním jednotlivé formy – elementární částice.

Konečně se došlo i na fermiony

Částice, které v přírodě známe, obecně rozdělujeme podle jejich spinu. Částice s celočíselným spinem jsou bosony (např. proton nebo neutron) a částice s poločíselným spinem fermiony (elektron nebo kvarky). Teorie strun měla jednu slabost. Dokázala popsat pouze bosony. Tedy elektrony ani kvarky nebyly původně v teorii zahrnuty. To ale vyřešila supersymetrie a vznikla tak poupravená teorie strun nazvaná teorie superstrun. Ani ta však není prosta všech „mušek“. Existují totiž tři rozdílné teorie superstrun. Ve dvou jsou základními objekty uzavřené struny, ve třetí je struna otevřená. Navíc kombinací teorie strun a superstrun jsme dostali dvě další teorie obecně označované jako „heterotické strunové teorie“. Zmatek byl na světě.

M-teorie

S ohledem na skutečnost, že tady máme pět naprosto různých a přesto fungujících teorií strun (tři superstrunové a dvě heterotické), bylo nutno podniknout takové kroky, aby množiny parametrů, kterými tyto teorie popisujeme, byly sjednoceny do jediné. To nebylo ale tak jednoduché. Zjednodušeným pohledem byla situace ve fyzice taková, že každá teorie se jevila jako jediná samotná planeta se svými vlastními parametry a zákonitostmi, na níž navíc známe jen malý ostrůvek. Během posledních deseti let se však podařilo jakoby proplout mezi všemi těmito ostrůvky a objevit nová místa. „Hic sunt leones“ postupně zmizelo z několika dalších míst tohoto „vesmíru teorií“ a najednou se ukázalo, že jednotlivé teorie leží na ostrovech jediné planety. Ta byla pojmenována M-teorie, protože bude zřejmě matkou všech těchto teorií. Mohlo by tady být ale také druhé vysvětlení písmene M. A to M jako membrána. To proto, že jeden z ostrovů, který byl nalezen při hledání této mateřské teorie, se jeví jako jedenáctirozměrný a nikoli deseti. Tato teorie tedy zavádí ke struně druhý fundamentální objekt – membránu. V jedenáctirozměrném prostoru se jeví jako brčko, zatímco v průmětu do desetirozměrného je to zase jen struna.

10 + 1 rozměr

Jedním z důležitých závěrů teorie superstrun anebo M-teorie je, že struny musí nutně žít ve větším počtu dimenzí než jen třech prostorových a čase. Nejreálnější se nyní zdá, že náš vesmír má celkem 10 rozměrů a čas, přičemž 7 rozměrů je nerozvinutých. Jsou stočeny a zakřiveny natolik, že se svou geometrií v našem světě neprojevují. K tomu, jak si takové rozměry představit, nám lehce poslouží převtělení se do jednorozměrného světa. V jednorozměrném světě bychom žili jako bod pohybující se po přímce. Nic víc. Když by ale ten svět byl dvourozměrný a druhá dimenze by byla svinuta do sebe, mohlo by to vypadat tak, že sice budeme existovat v jednorozměrném světě, ale to proto, že nebudeme mít lupu, která by nám ukázala na tu druhou stočenou dimenzi. Myšlenka extra dimenzí je ukryta ve stupních volnosti. Například náboj. Náboj elektronu se tedy může jevit jako pohyb v jedné ze svinutých dimenzí. Podobně můžeme uvažovat spin, barvu a další.

Kvantová hudba

Zdá se být teorie, ve které se každá částice projevuje jako vibrace jediného druhu struny, příliš postavená na hlavu? Nikoli. Vibrace strun nám náš pohled do nitra hmoty zjednodušují. Zatímco jsme si dříve lámali hlavu s vlnově-korpuskulárními vlastnostmi elementárních částic, struny tento problém řeší. Nemusíme spekulovat nad tím, zda se částice chová jako bodová částice, anebo vlnění. V teorii strun je každá částice malou strunou s různými vibracemi. Můžeme si to představit jako struny na kytaře. Každý tón je projevem jiné částice. A čím vyšší tón dostáváme, tím energetičtější částici získáme. Každý jednotlivý mód struny je jinou částicí.

Leave a Reply