Teorie strun

Představte si, že pouhý milimetr od vás může být další rozměr. Nevidíte jej ani necítíte a nikdy se tam nebudete moci dostat

Každý den bereme do rukou předměty, které lze popsat třemi způsoby - šířkou, výškou a hloubkou. Pokud se některý z těchto předmětů pohybuje, zařadíme tento pohyb opět do tří kategorií: vlevo-vpravo, vpřed-vzad, nahoru-dolů. Náš vesmír ale může mít, a také pravděpodobně má, dalších šest nebo sedm dimenzí. Zásluhu na jejich zkoumání má zvláštní vědecká teorie, které se říká teorie strun (string theory).

Nekonečno vláken

O co v teorii strun vlastně jde? Vezměme si jakýkoli předmět, například monitor, na kterém čtete tento článek. Kdybychom si jej mohli prohlédnout opravdu zblízka, zjistili bychom, že se (stejně jako každá jiná část hmoty) skládá z atomů. Jak je všeobecně známo, jádro atomu obsahuje protony a neutrony a je obkopeno obíhajícími elektrony. Protony a neutrony se dále skládají z kvarků, které spolu s elektrony patří k elementárním částicím.

Podle teorie strun jsou tyto elementární částice tvořeny jediným vláknem, které lze přirovnat k tenké chvějící se gumičce nebo struně. Struny jsou nepředstavitelně malé, jejich obvod je mnohonásobně menší než atomové jádro a nelze je nijak experimentálně prokázat tak, jak to známe u ostatních subatomárních částic. Je možné, že jsou skutečně nejmenšími a nedělitelnými stavebními jednotkami hmoty, jak si staří Řekové představovali atomos - nedělitelný.

Důležité chvění strun

Vibrace neboli chvění strun je velmi důležité. Proč? Ze speciální teorie relativity plyne, že hmotnost a energie spolu úzce souvisejí. Roste-li hmotnost, roste i energie a naopak. Totéž platí i pro struny. Vibrují-li s větší energií, mají i větší hmotnost, a naopak je-li energie jejich chvění menší, mají i menší hmotnost.

Vibruje-li potom struna jedním způsobem (modem), stává se elektronem, vibruje-li jinak, může být kvarkem. Každá částice je tedy vlastně strunou, která je však, na rozdíl od zmíněné kytary, vždy stejná. Struny se od sebe odlišují jen mírou svých vibrací.

Vznik teorie strun

V roce 1970 se tři fyzikové, Nambu, Nielsen a Susskind, zabývali vlastnostmi elementárních částic, tedy elektronů, kvarků, fotonů atd. Přišli s myšlenkou modelovat je jako jednorozměrná vibrující vlákna, která jsou tak nepatrná, že je vnímáme jako body.

S postupem času se ukázalo, že výsledky plynoucí z této teorie jsou v rozporu s pozorováním elementárních částic. To znamenalo konec zajímavých matematických struktur. Zastánci teorie strun se však nevzdali a pokračovali ve snaze začlenit do ní i gravitaci. V roce 1984 zveřejnili Michael Green a John Schwarz první poznatky, které mohly sloužit jako důkaz pravdivosti teorie strun. Začala "první superstrunová revoluce", podle názvu, který nové pojetí strun získalo. Skutečnost, že celý vesmír by mohl být tvořen v základě stejnými stavebními kameny, vede k optimistickému výhledu. Teorie strun je možná krokem ke splnění snu mnoha fyziků a k vytvoření "teorie všeho" (Theory of Everything, TEO), která by dokázala popsat vlastnosti všech elementárních částic a sil, kterými na sebe působí, aniž by potřebovala další zdůvodnění.

Velký rozpor

Jedním z nejzajímavějších důsledků teorie strun je přehodnocení dosavadních poznatků o vesmíru i o mikrosvětě. Díky strunám je možné překlenout možná největší rozpor dvacátého století, jímž se stal konflikt světa obecné teorie relativity s děním v oblasti kvantové mechaniky.

Oč v tomto sporu jde? Pokud bychom určitý přesně vymezený prostor podrobili detailnímu zkoumání a jeho vzorek stále zmenšovali až na ultramikroskopickou úroveň, v určitém okamžiku (odpovídá přesně 10^-35 metru, tzv. Planckova délka) bychom zjistili, že gravitační pole se přestává chovat, tak jak by mělo, v souladu s obecnou teorií relativity. Jeho chaotické proměny (někdy se jim říká "kvantová pěna") se odrážejí v podobě prostoru, který ztrácí jakoukoli geometrickou podobu. Je to stejné, jako by v jistých malých vesničkách nejen neplatily zákony dané země, ale bylo by vše podřízeno jinému zmatenému a nevysvětlitelnému právnímu řádu.

Teorie strun přináší zákon pro všechny

V mikroskopické úrovni se děje mnohem více. Elementární částice mohou prostupovat zdmi a vynořit se na jejich druhém okraji - jde o tzv. kvantový tunelový jev, při němž je teoreticky možné projít pevnou překážkou, pokud se o to budeme pokoušet každou sekundou a ovšem budeme-li vybaveni nekonečně dlouhým životem. Je tedy možné, aby pro celý vesmír platilo, že každá jeho oblast má vlastní zákony?

Teorie strun má pro tento problém elegantní řešení. Tím, že za elementární jednotku považuje strunu, existuje pro ni limit postupného zkoumání prostoru zblízka. Struna je prostě příliš velká, aby se jí chaotické chování prostoru o menších velikostech dotklo. Prostě pro ni nehraje roli, jako by námi zmíněná vesnice byla tak malá a nevýznamná, že byste ji nenašli na žádné mapě. Státní správa by tak mohla nadále prohlašovat, že její zákony platí všude a pro každého.

Další rozměry

Teorie strun se výborně uplatnila při hledání skrytých rozměrů vesmíru, o kterých fyzikové přemýšlejí již od roku 1919. Tehdy přišel neznámý polský matematik Theodor Kaluza na myšlenku, že vesmír může mít i více než tři prostorové rozměry. Jeho nápad rozvinul Švéd Oskar Klein do následující podoby: skryté rozměry vesmíru mohou být tak nepatrné, že jsme je dosud nedokázali odhalit. Jsou jakoby stočené do klubíčka, jinými slovy svinuté.

Nový vítr do plachet těmto úvahám přinesla o pětašedesát let později teorie strun. Struny mohou vibrovat nejen ve třech nám známých rozměrech, ale i v oněch nepatrných, svinutých. Způsob, jakým jsou tyto rozměry uspořádány (tedy jejich prostorové dispozice), pak přirozeně ovlivňuje i kmitání struny. To ovlivňuje základní fyzikální vlastnosti částic, jako je hmotnost nebo náboj, což se přirozeně projevuje i v námi pozorovatelném světě. Jinak řečeno náš vesmír vypadá tak, jak vypadá, protože v něm existují dodatečné dimenze.

Další otazníky teorie strun

Kolik těchto dimenzí existuje? Výpočty bylo odvozeno číslo devět s jednou časovou dimenzí navíc. Proč jsme je ještě nedokázali odhalit? Jsou příliš malé, stačí však k tomu, aby v nich mohla struna kmitat. Někteří teoretičtí fyzikové se však domnívají, že by mohly být i mnohem větší, až do velikosti desetiny milimetru. Náš známý vesmír, planety a galaxie se třemi rozměry pak nemusí být ničím jiným než mýdlovou bublinou plující ve vaně o pěti, šesti nebo více dimenzích. Teorie strun dává do těchto oblastí nahlédnout. Zjistit, co se v nich opravdu nalézá, však bude zřejmě úkolem příštích generací.

Další články

Černé perly z tichomořských atolů.

Vesmír ve tvaru trychtýře

Rozmanité ve světě používané kalendáře - Gregoriánský kalendář, který používáme v Evropě, USA a ve světové obchodní korespondenci, není zdaleka letopočtem jediným.

Bod neboli tečka je zdánlivě nicotná záležitost.

Informační stránky Yin.cz Jak Google využívá data, když používáte weby nebo aplikace našich partnerů