Teorie superstrun v lidovém jazyce představuje vesmír jako sbírku vibrujících vláken energie – strun. Jsou základem přírody. Hypotéza popisuje i další prvky – brane. Veškerá hmota v našem světě se skládá z vibrací strun a bran. Přirozeným důsledkem teorie je popis gravitace. To je důvod, proč vědci věří, že je to klíč ke sjednocení gravitace s jinými silami.
Koncept se vyvíjí
Sjednocená teorie pole, teorie superstrun, je čistě matematická. Stejně jako všechny fyzikální koncepty je založen na rovnicích, které lze určitými způsoby interpretovat.
Dnes nikdo přesně neví, jaká bude konečná verze této teorie. Vědci mají o jejích obecných prvcích dost mlhavou představu, ale nikdo zatím nepřišel s definitivní rovnicí, která by pokryla všechny teorie superstrun, a experimentálně se ji zatím nepodařilo potvrdit (i když ani vyvrátit). Fyzici vytvořili zjednodušené verze rovnice, ale ta zatím zcela nepopisuje náš vesmír.
Teorie superstrun pro začátečníky
Hypotéza je založena na pěti klíčových myšlenkách.
- Teorie superstrun předpovídá, že všechny předměty v našem světě se skládají z vibrujících vláken a energetických membrán.
- Pokouší se spojit obecnou relativitu (gravitaci) s kvantovou fyzikou.
- Teorie superstrun sjednotí všechny základní síly vesmíru.
- Tato hypotéza předpovídá nové spojení, supersymetrii, mezi dvěma zásadně odlišnými typy částic, bosony a fermiony.
- Koncept popisuje řadu dalších, obvykle nepozorovatelných dimenzí vesmíru.
Struny a branky
Když se tato teorie v 70. letech objevila, vlákna energie v ní byly považovány za 1-rozměrné objekty – struny. Slovo "jednorozměrný" znamená, že řetězec má pouze 1 rozměr, délku, na rozdíl například od čtverce, který má délku i výšku.
Teorie rozděluje tyto superstruny na dva typy – uzavřené a otevřené. Otevřená šňůra má konce, které se vzájemně nedotýkají, zatímco uzavřená šňůrka je smyčka bez otevřených konců. V důsledku toho bylo zjištěno, že tyto řetězce, nazývané řetězce prvního typu, podléhají 5 hlavním typům interakcí.
Interakce jsou založeny na schopnosti řetězce spojovat a oddělovat jeho konce. Vzhledem k tomu, že konce otevřených strun se mohou kombinovat a vytvářet uzavřené struny, je nemožné sestavit teorii superstrun, která by nezahrnovala smyčkové struny.
To se ukázalo jako důležité, protože uzavřené struny mají podle fyziků vlastnosti, které by mohly popsat gravitaci. Jinými slovy, vědcisi uvědomil, že teorie superstrun, místo aby vysvětlovala částice hmoty, může popsat jejich chování a gravitaci.
Po mnoha letech se zjistilo, že kromě strun jsou pro teorii nezbytné i další prvky. Lze si je představit jako plechy nebo brány. Provázky lze připevnit na jednu nebo obě strany.
Kvantová gravitace
Moderní fyzika má dva hlavní vědecké zákony: obecnou teorii relativity (GR) a kvantovou. Představují zcela odlišné vědní obory. Kvantová fyzika studuje nejmenší přírodní částice a GR zpravidla popisuje přírodu v měřítku planet, galaxií a vesmíru jako celku. Hypotézy, které se je pokoušejí sjednotit, se nazývají teorie kvantové gravitace. Nejslibnější z nich je dnes struna.
Uzavřené závity odpovídají chování gravitace. Zejména mají vlastnosti gravitonu, částice, která přenáší gravitaci mezi objekty.
Spojení sil
Teorie strun se pokouší spojit čtyři síly – elektromagnetickou, silnou a slabou jadernou sílu a gravitaci – do jedné. V našem světě se projevují jako čtyři různé jevy, ale teoretici strun věří, že v raném vesmíru, kdy byly neuvěřitelně vysoké úrovně energie, jsou všechny tyto síly popsány strunami, které se vzájemně ovlivňují.
Supersymetrie
Všechny částice ve vesmíru lze rozdělit do dvou typů: bosony a fermiony. Teorie strunpředpovídá, že mezi nimi existuje vztah, nazývaný supersymetrie. V supersymetrii musí existovat fermion pro každý boson a boson pro každý fermion. Bohužel existence takových částic nebyla experimentálně potvrzena.
Supersymetrie je matematický vztah mezi prvky fyzikálních rovnic. Byla objevena v jiné oblasti fyziky a její aplikace vedla k přejmenování supersymetrické teorie strun (nebo teorie superstrun, lidově řečeno) v polovině 70. let.
Jednou z výhod supersymetrie je, že výrazně zjednodušuje rovnice tím, že umožňuje eliminovat některé proměnné. Bez supersymetrie vedou rovnice k fyzikálním rozporům, jako jsou nekonečné hodnoty a imaginární energetické hladiny.
Vzhledem k tomu, že vědci nepozorovali částice předpovězené supersymetrií, jde stále o hypotézu. Mnoho fyziků se domnívá, že důvodem je potřeba značného množství energie, která souvisí s hmotností podle slavné Einsteinovy rovnice E=mc2. Tyto částice mohly existovat v raném vesmíru, ale jak se po Velkém třesku ochladilo a rozšířila se energie, tyto částice se přesunuly na nízké energetické hladiny.
Jinými slovy, struny, které vibrovaly jako vysokoenergetické částice, ztratily svou energii a změnily je na prvky s nižší vibrací.
Vědci doufají, že astronomická pozorování nebo experimenty s urychlovači částic potvrdí teorii tím, že odhalí některé ze supersymetrických prvků s vyššíenergie.
Dodatečná měření
Dalším matematickým důsledkem teorie strun je, že má smysl ve světě s více než třemi rozměry. V současné době pro to existují dvě vysvětlení:
- Dodatečné dimenze (šest z nich) se zhroutily nebo, v terminologii teorie strun, se zhutnily na neuvěřitelně malé velikosti, které nikdy nebudou vnímány.
- Uvízli jsme ve 3D bráně a ostatní dimenze ji přesahují a jsou pro nás nepřístupné.
Důležitou linií výzkumu mezi teoretiky je matematické modelování toho, jak by tyto další souřadnice mohly souviset s našimi. Nejnovější výsledky předpovídají, že vědci budou brzy schopni detekovat tyto extra dimenze (pokud existují) v nadcházejících experimentech, protože mohou být větší, než se dříve očekávalo.
Porozumění účelu
Cílem, o který vědci při zkoumání superstrun usilují, je „teorie všeho“, tedy jediná fyzikální hypotéza, která na základní úrovni popisuje celou fyzikální realitu. Pokud bude úspěšná, mohla by objasnit mnoho otázek o struktuře našeho vesmíru.
Vysvětlení hmoty a hmotnosti
Jedním z hlavních úkolů moderního výzkumu je najít řešení pro skutečné částice.
Teorie strun začala jako koncept popisující částice, jako jsou hadrony, v různých vyšších vibračních stavech struny. Ve většině moderních formulací, záležitost pozorovaná v našemvesmír, je výsledkem vibrací strun a bran s nejnižší energií. Vyšší vibrace generují vysokoenergetické částice, které v současné době v našem světě neexistují.
Hmotnost těchto elementárních částic je projevem toho, jak jsou struny a brány zabaleny do zhutněných extra rozměrů. Například ve zjednodušeném případě, kdy jsou složeny do tvaru koblihy, nazývané matematiky a fyziky torus, může provázek tento tvar zabalit dvěma způsoby:
- krátká smyčka středem torusu;
- dlouhá smyčka kolem celého vnějšího obvodu torusu.
Krátká smyčka bude lehká částice a velká smyčka bude těžká. Omotání provázků kolem toroidních zhutněných rozměrů vytváří nové prvky s různou hmotností.
Teorie superstrun stručně a jasně, jednoduše a elegantně vysvětluje přechod délky ve hmotu. Složené rozměry jsou zde mnohem komplikovanější než torus, ale v principu fungují stejně.
Je dokonce možné, i když je těžké si to představit, že struna ovíjí torus ve dvou směrech současně, což vede k jiné částici s jinou hmotností. Brány mohou také zabalit další rozměry a vytvořit tak ještě více možností.
Určení prostoru a času
V mnoha verzích teorie superstrun se dimenze hroutí, takže jsou na současné úrovni vývoje technologií nepozorovatelné.
V současné době není jasné, zda teorie strun může vysvětlit základní povahu prostoru a časuvíc než Einstein. V něm jsou měření základem pro interakci řetězců a nemají žádný nezávislý skutečný význam.
Byla nabídnuta, ne zcela rozvinutá, vysvětlení týkající se reprezentace časoprostoru jako derivátu celkového součtu všech interakcí řetězců.
Tento přístup nesplňuje představy některých fyziků, což vedlo ke kritice hypotézy. Konkurenční teorie smyčkové kvantové gravitace používá jako výchozí bod kvantování prostoru a času. Někteří věří, že to nakonec bude jen odlišný přístup ke stejné základní hypotéze.
Kvantování gravitace
Hlavním úspěchem této hypotézy, pokud se potvrdí, bude kvantová teorie gravitace. Současný popis gravitace v obecné teorii relativity je v rozporu s kvantovou fyzikou. To druhé, zavedením omezení na chování malých částic, vede k rozporům, když se pokoušíme prozkoumat vesmír v extrémně malém měřítku.
Sjednocení sil
V současnosti fyzici znají čtyři základní síly: gravitaci, elektromagnetické, slabé a silné jaderné interakce. Z teorie strun vyplývá, že všechny byly kdysi projevem jednoho.
Podle této hypotézy, protože se raný vesmír po velkém třesku ochladil, tato jediná interakce se začala rozpadat na různé interakce, které jsou aktivní dnes.
Experimenty s vysokou energií nám jednoho dne umožní objevit sjednocení těchto sil, ačkoli takové experimenty jsou daleko za hranicemi současného vývoje technologie.
Pět možností
Po revoluci superstrun v roce 1984 probíhal vývoj horečnatým tempem. Výsledkem bylo, že místo jednoho konceptu bylo pět, pojmenovaných typy I, IIA, IIB, HO, HE, z nichž každý téměř úplně popisoval náš svět, ale ne úplně.
Fyzici, kteří třídí verze teorie strun v naději, že najdou univerzální pravdivý vzorec, vytvořili 5 různých soběstačných verzí. Některé jejich vlastnosti odrážely fyzickou realitu světa, jiné skutečnosti neodpovídaly.
M-teorie
Na konferenci v roce 1995 fyzik Edward Witten navrhl odvážné řešení problému pěti hypotéz. Na základě nově objevené duality se všechny staly speciálními případy jediného zastřešujícího konceptu, nazývaného Wittenova M-teorie superstrun. Jedním z jeho klíčových konceptů byly brány (zkratka pro membrána), základní objekty s více než 1 rozměrem. Přestože autor nenabídl plnou verzi, která zatím není k dispozici, M-teorie superstrun se stručně skládá z následujících funkcí:
- 11-dimenze (10 prostorových plus 1 časová dimenze);
- duality, které vedou k pěti teoriím vysvětlujícím stejnou fyzickou realitu;
- branes jsou struny s více než 1 rozměrem.
Důsledky
V důsledku toho bylo namísto jednoho řešení 10500. U některých fyziků to způsobilo krizi, jiní přijali antropický princip, který vysvětluje vlastnosti vesmíru naší přítomností v něm. Uvidí se, kdy teoretici najdou dalšízpůsob orientace v teorii superstrun.
Některé interpretace naznačují, že náš svět není jediný. Nejradikálnější verze umožňují existenci nekonečného počtu vesmírů, z nichž některé obsahují přesné kopie našich vlastních.
Einsteinova teorie předpovídá existenci stočeného prostoru, který se nazývá červí díra nebo Einstein-Rosenův most. V tomto případě jsou dvě vzdálená místa spojena krátkým průchodem. Teorie superstrun umožňuje nejen toto, ale i spojení vzdálených bodů paralelních světů. Je dokonce možné přecházet mezi vesmíry s různými fyzikálními zákony. Je však pravděpodobné, že kvantová teorie gravitace znemožní jejich existenci.
Mnoho fyziků věří, že holografický princip, kdy všechny informace obsažené v objemu prostoru odpovídají informacím zaznamenaným na jeho povrchu, umožní hlubší pochopení konceptu energetických vláken.
Někteří věří, že teorie superstrun umožňuje více dimenzí času, což může vést k cestování skrz ně.
V rámci hypotézy navíc existuje alternativa k modelu velkého třesku, podle kterého náš vesmír vznikl v důsledku srážky dvou bran a prochází opakovanými cykly tvoření a ničení.
Konečný osud vesmíru vždy zaměstnával fyziky a konečná verze teorie strun pomůže určit hustotu hmoty a kosmologickou konstantu. Na základě znalosti těchto hodnot mohou kosmologové určit, zda vesmír budezmenšovat, dokud to neexploduje, aby to začalo znovu.
Nikdo neví, kam může vědecká teorie vést, dokud nebude vyvinuta a otestována. Einstein, který napsal rovnici E=mc2, neočekával, že to povede k objevení se jaderných zbraní. Tvůrci kvantové fyziky nevěděli, že se stane základem pro vytvoření laseru a tranzistoru. A i když se zatím neví, k čemu takový čistě teoretický koncept povede, historie ukazuje, že se určitě objeví něco výjimečného.
Více o této domněnce najdete v Teorii superstrun pro figuríny Andrewa Zimmermana.
