22.03.2019-11:00:00   |   Marek Jurčík
Väčšina vtedajších vedcov jeho snahu pokladala za utopickú túžbu starého génia. Preto keď Einstein zomrel, v jeho šľapajach dlho nik nepokračoval. Jednotná teória sa do náplne práce teoretických fyzikov opätovne dostala len v posledných dvadsiatich rokoch. A najlepším kandidátom na ňu je strunová teória.

Odvekí nepriatelia


Teória kvantovej mechaniky sa doslova vymyká zdravému rozumu. Stanovenie presnej polohy častíc nahradilo určovanie pravdepodobnosti ich výskytu na rôznych miestach. Fotóny a atómy (ale aj niektoré molekuly) popisuje raz ako body, inokedy ako vlny, prípadne ako oboje súčasne. Napriek všetkým zvláštnostiam sa však jej predpovede dokonale zhodujú s experimentálnymi pozorovaniami a zatiaľ neexistuje presnejší opis objektov na úrovni atómov.



Všeobecnej teórii relativity pre zmenu patrí makrosvet - galaxie, hviezdy, vesmír ako celok... Vedcom umožňuje pochopiť gravitáciu a všetky s ňou spojené efekty. Ide o „klasickú“ teóriu v zmysle, že sa zaobíde bez akýchkoľvek pravdepodobností a neurčitostí.

Hlavným cieľom modernej teoretickej fyziky je zjednotiť tieto dve teórie do jednej teórie všetkého. Tá by na všetky štyri fundamentálne prírodné sily použila spoločný kvantovo-mechanický jazyk, vďaka čomu by dokázala popísať každý objekt vo vesmíre.1

Lenže všetky „zjednocujúce“ snahy fyzikov sa doposiaľ vždy skončili neúspechom. V rovniciach nádejných teórií totiž vždy vystupovali nekonečná, čo je z fyzikálneho hľadiska nezmysel. Neexistuje nekonečná pravdepodobnosť, že sa objekt bude nachádzať na danom mieste. Zjednotenie kvantovej mechaniky so všeobecnou teóriou relativity preto predstavuje najzložitejší problém, s akým sa teoretická fyzika doposiaľ stretla.

Čo vedcov vôbec motivuje, aby sa oň snažili? Asi najlepším príkladom je veľký tresk. Raný vesmír bol totiž tak extrémne hustý, že si jeho opis vyžaduje teóriu relativity, no zároveň natoľko malý, že sa pri jeho opise nezaobídeme ani bez kvantovej mechaniky. Zjednocujúca teória by teda mohla poodhaliť odpovede na jedny z najstarších a najzásadnejších otázok ľudstva: pôvod vesmíru a fundamentálnu povahu priestoru a času.

V súčasnosti sa za najlepšieho kandidáta na teóriu všetkého často považuje M-teória, ktorá vychádza z teórie strún.

Nová odpoveď na starú otázku

Skoncipovanie strunovej teórie nemožno pripísať jedinej osobe. Išlo o mnohoročné úsilie viacerých vedcov.

Jej základy položil taliansky fyzik Gabriele Veneziano v roku 1968. Ako pracovník CERN-u študoval zrážky častíc, aby pochopil podstatu silnej jadrovej sily. Pri rozbore nameraných údajov objavil súvislosť vlastností tejto sily s matematickým zápisom známym ako Eulerova beta funkcia. Avšak chýbala mu fyzikálna predstava, čo vlastne tento matematický vzorec popisuje.



S tou prišiel zhruba o dva roky neskôr medzinárodný tím vedcov na čele s americkým fyzikom Leonardom Susskindom. Výskumníci ukázali, že pozorované výsledky zrážok častíc možno vysvetliť ako pôsobenie malého a extrémne tenkého vlákna, ktoré sa dá matematicky opísať beta funkciou. Vlákno neskôr označili termínom struna.

No táto prvá strunová teória nebola príliš úspešná. Presnejší rozbor ďalších zrážok častíc totiž odhalil, že jej predpovede nesúhlasia s experimentom.

Napriek očividným prekážkam sa jej štúdiom začal zaoberať teoretický fyzik John Henry Schwarz. Matematicky ju upravil do podoby, ktorú nazval superstrunová teória. Tá už umožňovala vysvetliť nové výsledky pozorované v urýchľovačoch.

Súčasne ale superstrunová teória predpovedala, že pri vysokoenergických zrážkach častíc by mali vznikať veľmi neobvyklé častice s nulovou pokojovou hmotnosťou a spinom.2 Keďže ich nikto dovtedy (a vlastne dodnes) nespozoroval, vyzeralo to na ďalší neúspech strunovej teórie.

Úpadok a ďalšie vzkriesenie


Avšak Schwarz pri porovnaní s inými teóriami zistil, že týmito neobvyklými časticami by mohli byť gravitóny – kvantá, prostredníctvom ktorých sa šíri gravitácia. Podobnými časticami sú napríklad fotóny prenášajúce svetlo. Práve gravitón predstavoval nočnú moru teoretických fyzikov. Nikomu sa ho totiž nepodarilo pričleniť ku jednotnému kvantovo-mechanickému popisu zvyšných troch fundamentálnych síl bez toho, aby v rovniciach nevznikali nezmyselné nekonečná.

Strunová teória tak nepredstavovala iba kvantový opis silnej jadrovej sily, ale všetkých štyroch. Išlo o vytúženú zjednocujúcu teóriu. Avšak ani tento nový objav vedeckú obec práve nenadchol. Pôvodné Schwarzove rovnice totiž bolo potrebné viackrát matematicky upraviť. Navyše vysvitlo, že správne výsledky v nich možno dosiahnuť až po započítaní dodatočných šiestich priestorových dimenzií.2 To bolo prinajmenšom zvláštne, pretože na opis sveta si fyzika vždy vystačila s troma priestorovými a jedným časovým rozmerom.



Vyššie dimenzie si nedokážeme predstaviť. Možno ich opísať iba matematicky. Ukazuje sa, že všetky dosahujú veľkosť zhruba na úrovni Planckovej dĺžky (hodnota Planckovej dĺžky je približne 1,616 × 10-35 m) a sú zvinuté do komplikovaného útvaru, ktorý sa podľa svojich objaviteľov nazýva Calabiho–Yauova varieta. Tieto dodatočné rozmery existujú v každom bode nám známeho trojrozmerného sveta. Dôsledkom príliš miniatúrnych rozmerov ich ale súčasné vedecké prístroje nedokážu zachytiť.


-


Približné znázornenie Calabiho–Yauovej variety (zdroj: public domain)


Do polovice 90. rokov navyše vznikli ďalšie štyri konzistentné strunové teórie, čo je na zjednocujúcu teóriu priveľa. Vedci totiž hľadali len jednu "univerzálnu rovnicu".

Americký fyzik Edward Witten ale zistil, že všetkých päť superstrunových teórii v skutočnosti predstavuje len približné popisy jednej takzvanej M-teórie, ktorá pracuje s jedenástimi rozmermi. M značí anglické magic, mystery alebo membrane. Podrobný matematický rozbor M-teórie totiž odhalil, že popri strunách na najmenšej úrovni existujú aj ľubovoľne rozmerné štruktúry nazvané brány. Tie obmedzujú pohyb koncov otvorených strún. (Existujú totiž dva druhy strún – otvorené, ktoré pripomínajú kúsok nitky s voľnými koncami, a uzavreté. Tie majú oba konce spojené.)

Hoci M-teória predstavuje najvýznamnejšieho kandidáta na teóriu všetkého, predostiera natoľko abstraktné predstavy, že mnoho vedcov pochybuje o jej správnosti a pokladá ju skôr za akúsi matematickú hračku. Rovnako je na tom aj samotná strunová teória. Aj ona popisuje natoľko malé objekty, že ich súčasné prístroje nedokážu ani len nepriamo detegovať a je otázne, či sa to vôbec niekedy podarí.

Chýba dôkaz


Na druhej strane, je možné, že sa vedcom podarí odhaliť aspoň niektoré makroskopické dôsledky superstrunových teórii. Výpočty totiž odhalili, že čím viac energie struna obsahuje, tým rýchlejšie kmitá. Od istého okamihu už ale ďalší prísun energie neovplyvní spôsob vibrovania, ale vyvolá zväčšovanie rozmerov (predĺženie) struny, pričom pre jej rast neexistuje žiaden limit.

Čiže sústredením dostatočného množstva energie do jedného bodu v priestore by experimentátori mohli struny zväčšiť (predĺžiť) do pozorovateľnej podoby. Hlavnú prekážku opäť predstavujú technické možnosti.



Zástancovia superstrunových teórii ale tvrdia, že dlhé struny už vznikli, a to v extrémne horúcom vesmíre tesne po veľkom tresku. A hoci pravdepodobne dnes už neexistujú, mohli po sebe zanechať nepatrné stopy, ktoré by sme mohli objaviť v kozmickom reliktnom žiarení. Takže teóriu o miniatúrnych strunách možno napokon potvrdia astronomické pozorovania.

Iné výpočty vychádzajúce z M-teórie dokonca predpovedajú, že struny môžu aj za normálnych okolností dosahovať rozmery okolo 10-18 m. Ide o hodnotu asi sto miliónov miliardkrát väčšiu ako sprvu predpokladané rozmery zodpovedajúce Planckovej dĺžke. Zhruba zodpovedá veľkosti kvarkov.3 Hoci aj takéto rozmery sa môžu zdať príliš malé, náznaky strún tejto veľkosti by vedci mohli pozorovať napríklad v urýchľovačoch častíc už o niekoľko desiatok rokov.

-

Tento článok sme Vám mohli priniesť vďaka podpore na Patreone. Aj symbolický príspevok nám pomôže zverejňovať viac kvalitných článkov.


-

Poznámky
1. Medzi základné prírodné sily patrí silná a slabá jadrová interakcia, elektromagnetizmus a gravitácia.
2. Podľa teórie strún vlastnosti častíc vznikajú dôsledkom rôznych spôsobov vibrácii strún. Avšak tri dimenzie neposkytovali dostatok „priestoru“ na splnenie vibračných vzorov nevyhnutných nato, aby mohli vzniknúť všetky pozorované vlastnosti hmoty a súčasne rovnice boli matematicky korektné. Výpočty ukázali, že požadované podmienky možno splniť len v dodatočných rozmeroch, a to minimálne v desiatich.
3. K týmto výsledkom možno dospieť za predpokladu, že celý náš vesmír predstavuje trojrozmernú bránu.

Zdroje:
https://en.wikipedia.org/wiki/String_theory
https://www.quantamagazine.org/why-is-m-theory-the-leading-candidate-for-theory-of-everything-20171218/
https://www.quora.com/Could-there-exist-something-smaller-than-the-strings-in-string-theory
Brian Greene, Struktura vesmíru – čas, prostor, povaha reality, Paseka (2012)
https://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2016/apr/07/how-big-is-a-quark

Titulný obrázok: www.pixabay.com
Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail