Diskusní fórum teorie superstrun
Průběh diskuse: březen, 1.-9. duben, 10.-17. duben, 18.-30. duben, květen-srpen, září-říjen(1), říjen(2), listopad, aktuálně
Následující text slouží jako jemný úvod do superstrun. Čtěte pomalu, a když nebudete rozumět, ptejte se.
Úvod do úvodu:
Možná o tom víte, možná ne. Fyzika stojí v současné době před velkou výzvou. Je jí formování takzvané teorie superstrun. Již delší dobu se ví, že Einsteinova obecná relativita a kvantová mechanika jsou v zásadním rozporu. Přesto byly obě tyto teorie na konkrétních příkladech experimentálně prokázány. Proč by ale měly pro "velké" věci platit jiné přírodní zákony, než pro věci "malé". Tento gordický uzel se snaží rozetnout superstrunná teorie. Její základní myšlenkou je, že každá elementární částice se dá popsat jako jednorozměrné vlákno energie, které nazýváme strunou. Tato struna může různými způsoby kmitat, čehož důsledkem jsou fundamentální vlastnosti dané částice. Američan Brian Greene napsal knihu Elegantní vesmír, která se jako první snaží přiblížit myšlenky této teorie nejširší veřejnosti. Její český překlad vyšel v roce 2001 v nakladatelství Mladá Fronta. Přestože teorie superstrun je relativně mladá a spoustu věcí zbývá ještě dořešit, představuje obrovský krok k takzvané finální teorii. Je překvapující, v jakém stadiu se dnes již fyzika nachází. Svědčí o tom i výrok předního teoretického fyzika Stephena Hawkinga. Mnozí mu vyčítají, že v jeho vesmíru nezůstává žádné místo pro působení Boha. Na to on odpovídá: "Má práce ukazuje jen na to, že nemusíme přijímat představu vesmíru, který vznikl jako výsledek Boží myšlenky. Ale pořád zbývá otázka, proč se vesmír vůbec obtěžuje existovat. Chcete-li, můžete definovat Boha jako odpověď na tuto otázku."
Základ teorie:
Podle teorie strun nejsou elementárními stavebními kameny vesmíru bodové částice (velikost 0), jak nás učí teorie zvaná standardní model. Místo toho jsou jimi tenká jednorozměrná vlákna, která periodicky vibrují - struny. Kromě nich obsahuje strunová teorie také vícerozměrné objekty zvané n-brány, ale to není tak podstatné. Další důležitá věc, kterou nás moderní fyzika učí a kterou se strunová teorie všemožně snaží využít, je pojem symetrie. Postulát, že ve všech inerciálních vztažných soustavách platí stejné fyzikální zákony, se nazývá relativita (ať už klasická, nebo einsteinovská). To je zářivý příklad symetrie. Znamená zavedení demokracie do tohoto světa, zrovnoprávnění všech pohledů. Každý pozorovatel má stejné právo tvrdit, že se nepohybuje, že se pohybují ostatní. Kromě "obyčejných" symetrií využívá teorie superstrun ještě jednu další - supersymetrii. Tato symetrie svazuje částice s celočíselným spinem (tj. vlastním momentem hybnosti), které nazýváme bosony, a částice s poločíselným spinem - fermiony. Supersymetrie ovšem není vlastností pouze teorie superstrun. I samotný standardní model lze rozšířit tak, aby byl sypersymetrický.
Důsledky:
1. Ještě máme v živé paměti, jaký převrat (zakřivený prostor i čas) znamenala Einsteinova relativita. Už tedy víme, že důsledky odvozované ze symetrií mohou být překvapující. Od dob Einsteina také říkáme, že čas lze chápat jako čtvrtý rozměr. Pozoruhodným důsledkem teorie strun je tvrzení, že náš prostor nemá pouze tři rozměry, ale 9 (v M-teorii pak 10). Logická otázka zní: "Jaktože jsme si toho dosud nevšimli?" Odpověď tu je. Přebytečné dimenze jsou totiž "svinuty" do velmi malého útvaru - variety (např. Calabi-Yauovy). Kdybychom žili v prostoru, který má tvar povrchu nekonečně dlouhého válce o velice malém poloměru, také bychom si mohli myslet, že žijeme v jednorozměrném světě. Prostě proto, že fyzicky bychom se mohli pohybovat jen směrem "dopředu" nebo "dozadu". Podobně je to se svinutými dimenzemi v teorii strun. Navíc přesný tvar variety jednoznačně určuje takové vlastnosti superstrunného vesmíru, jako jsou hmotnosti a náboje elementárních částic nebo vlastnosti interakcí.
2. Teorie superstrun nás učí, že nemá smysl mluvit o délkách menších, než tzv. Planckova délka (cca 10-34m). Menší objekty neexistují, takže nelze uskutečnit měření na menších vzdálenostech. Tímto jednoduchým způsobem byl vyřešen problém, který vznikl při slučování rovnic obecné teorie relativity (OTR) a kvantové mechaniky (QM). Na subplanckovských vzdálenostech by totiž v důsledku kvantových fluktuací docházelo k extrémním fluktuacím struktury časoprostoru. Jestliže ale ve vesmíru existuje dolní limit pro velikost částice, pak k ničemu takovému nemůže dojít.
3. Měření vzdálenosti lze uskutečnit tak, že pošleme objekt známou rychlostí do prostoru a budeme měřit dobu jeho letu. V nestrunové fyzice žádný problém. Pokud máme například teorii strun v prostoru, který vypadá jako plášť válce s velkým poloměrem R, pak můžeme říct, že uzavřená struna, která je okolo válce navinutá, bude mít velkou délku. Existuje ale ještě alternativní druh popisu, o kterém lze matematicky dokázat, že odpovídá úplně stejné fyzikální situaci. Při tomto úhlu
pohledu je poloměr válce 1/R a struna se pohybuje ve směru svinuté dimenze, přičemž už vůbec nemusí být na válec namotaná. Její délka tedy může být velice malá. Výsledek měření vzdálenosti tedy závisí na tom, zda použijeme struny lehké (nenavinuté) nebo těžké, navinuté. Podle teorie strun jsou oba výsledky ekvivalentní (jsou správně). Při běžném měření používáme vždy struny lehké, protože je to technicky snadno proveditelné. Z toho ale plyne, že známe jen jednu definici pojmu vzdálenost, přestože ve skutečnosti jsou dvě. Navíc za těchto okolností je tvrzení, že vesmír se rozpíná, stejně správné jako tvrzení, že vesmír se smršťuje.
Stav teorie:
Teorií superstrun existuje 5 druhů (typ I, IIA, IIB a heterotické SO(32) a E8×E8). Jsou svázány celou sítí dualit (ekvivalencí), která kromě nich obsahuje i M-teorii, o níž tolik znalostí jako o superstrunách nemáme. Matematický aparát je zatím neúplný. Je známa řada poruchových (přibližných) metod, které se ale dají užít jen pro tzv. slabě vázané struny a pro popis vesmíru na skutečně fundamentální úrovni nestačí. Neporuchové formulace známe pouze v několika speciálních případech, takže zbývá velké množství nezodpovězených otázek. Je pravděpodobné, že dnes známe jen zlomek teoretické struktury, která se za superstrunami skrývá. Je to jako skládat Rubikovu kostku. I když máme složenou velkou část, nemůžeme odhadnout, kolik práce nám ještě zbývá.
Na závěr filosofická poznámka. Jestliže finální teorie existuje a fyzikové ji skutečně objeví, ani tak nikdy nebude jisté, že je to opravdu ona. Ve fyzice totiž nelze dokázat platnost tvrzení. Exaktně dokázat lze pouze neplatnost, vzhledem k tomu že žádné zařízení neměří se stoprocentní přesností.
Užitečné odkazy:
Interduction to superstrings by John M. Pierre
Základní myšlenky teorie na stránce Luboše Motla
Domácí stránka bestselleru Elegantní vesmír
Fabiho odkazy na superstruny
Článek o jednom zajímavém objevu z roku 1996
Kvantová fyzika: Dvojštěrbinové experimenty
Obecná relativita: Detektory gravitačních vln
Stručný úvod do teorie pivního pole :-)
Připomínky a dotazy posílejte autorovi stránek.
Můžete se vrátit zpět na homepage anebo tam, odkud jste přišli.
