Teorie strun: přehled, vývoj a význam v moderní fyzice

Úvody do teorie strun, které jsou určeny široké veřejnosti, musí nejprve vysvětlit fyziku. Některé kontroverze ohledně teorie strun jsou důsledkem nepochopení fyziky. Běžným nedorozuměním i pro vědce je domněnka, že teorie je při vysvětlování přírodního světa prokázána jako pravdivá všude tam, kde jsou její předpovědi úspěšné. Dalším nedorozuměním je, že dřívější fyzikální vědci, včetně chemiků, již svět vysvětlili. To vede k nedorozumění, že strunoví teoretici začali vytvářet podivné hypotézy poté, co se nevysvětlitelně "osvobodili od pravdy".

Klasická oblast

Newtonovská fyzika

Newtonův zákon všeobecné gravitace (UG), doplněný o tři Galileovy pohybové zákony a některé další předpoklady, byl zveřejněn v roce 1687. Newtonova teorie úspěšně modelovala interakce mezi objekty o velikosti, kterou můžeme vidět, tedy řadu jevů, které se dnes nazývají klasická oblast. Coulombův zákon modeloval elektrickou přitažlivost. Maxwellova teorie elektromagnetického pole sjednotila elektřinu a magnetismus, zatímco optika vznikla z této oblasti.

Rychlostsvětla však zůstávala přibližně stejná, když ji měřil pozorovatel pohybující se v jeho poli, ačkoli sčítání rychlostí předpovídalo, že pole bude pomalejší nebo rychlejší vzhledem k pozorovateli pohybujícímu se s ním nebo proti němu. Vůči elektromagnetickému poli tedy pozorovatel stále ztrácel rychlost. Přesto tím nebyl porušen Galileův princip relativity, který říká, že zákony mechaniky fungují stejně pro všechny objekty vykazující setrvačnost.

Podle zákona setrvačnosti, když na objekt nepůsobí žádná síla, objekt si udržuje svou rychlost, což je rychlost a směr. Objekt, který se buď rovnoměrně pohybuje, což je konstantní rychlost v neměnném směru, nebo zůstává v klidu, což je nulová rychlost, má setrvačnost. Vykazuje galileovskou invarianci - jeho mechanické interakce probíhají beze změny -, což se také nazývá galileovská relativita, protože člověk nemůže vnímat, zda je v klidu, nebo v rovnoměrném pohybu.

Teorie relativity

Speciální teorie relativity

V roce 1905 Einsteinova speciální teorie relativity vysvětlila přesnost Maxwellova elektromagnetického pole i Galileovy teorie relativity tím, že rychlost pole je absolutní - univerzální konstanta - zatímco prostor i čas jsou lokální jevy vzhledem k energii objektu. Objekt v relativním pohybu se tedy zkracuje podél směru své hybnosti (Lorentzova kontrakce) a jeho odvíjení událostí se zpomaluje (dilatace času). Cestující na objektu nemůže tuto změnu zjistit, protože všechna měřicí zařízení na palubě tohoto vozidla zaznamenala kontrakci délky a dilataci času. Pouze vnější pozorovatel, který zažívá relativní klid, změří, že se objekt v relativním pohybu zkrátil na své dráze a jeho události se zpomalily. Speciální teorie relativity zanechala Newtonovu teorii - která uvádí prostor a čas jako absolutní - neschopnou vysvětlit gravitaci.

Z principu ekvivalence Einstein odvodil, že gravitace nebo konstantní zrychlení jsou nerozlišitelné zkušenosti, které mohou mít společný fyzikální mechanismus. Navrhovaným mechanismem byla postupná kontrakce délky a dilatace času - důsledek lokální hustoty energie v trojrozměrném prostoru - vytvářející postupné napětí uvnitř tuhého objektu, který se uvolňuje pohybem směrem k místu s největší hustotou energie. Speciální teorie relativity by byla omezeným případem gravitačního pole. Speciální teorie relativity by platila, kdyby hustota energie v celém 3D prostoru byla rovnoměrná, a gravitační pole by se tedy od místa k místu rovnoměrně škálovalo, pročež by objekt nepocítil žádné zrychlení, a tedy ani gravitaci.

Obecná relativita

V roce 1915 Einsteinova obecná teorie relativity nově vysvětlila gravitaci pomocí 4D prostoročasu modelovaného jako Lorentzova mnohostěn. Čas je jedním rozměrem sloučeným se třemi prostorovými rozměry, protože každá událost ve 3D prostoru - 2D horizontálně a 1D vertikálně - zahrnuje bod podél 1D časové osy. I v každodenním životě člověk uvádí nebo implikuje obojí. Člověk říká nebo alespoň míní: "Sejdeme se v budově 123 Main Street křižující Franklin Street v bytě 3D dne 10. října 2012 ve 21:00". Vynecháním nebo vynecháním časové souřadnice se člověk dostane na správné místo v prostoru, když hledaná událost chybí - je v minulosti nebo v budoucnosti třeba v 18:00 nebo ve 12:00 hodin.

Tím, že obecná relativita sblížila prostor a čas a předpokládala, že obojí je relativní vůči hustotě energie v okolí, a tím, že jako jedinou konstantu či absolutní hodnotu stanovila nikoliv hmotnost, ale rychlost světla ve vakuu, odhalila dříve nepředstavitelnou rovnováhu a symetrii přirozeného světa. Každý objekt se vždy pohybuje rychlostí světla po přímce - jejím ekvivalentu, po zakřivené ploše, nazývané geodetická nebo světová čára - jediné dráze nejmenšího odporu jako při volném pádu 4D prostoročasem, jehož geometrie se "zakřivuje" v okolí hmoty/energie.

Objekt pohybující se rychlostí světla ve vakuu se pohybuje maximální rychlostí 3D prostorem, ale nevykazuje žádný vývoj událostí - je zamrzlý v čase, zatímco objekt, který se nepohybuje ve 3D prostoru, plyne plně v 1D čase a zažívá maximální rychlost vývoje událostí. Zobrazený vesmír se vztahuje k danému místu, ale jakmile je uvedena hmotnost/energie v tomto okolí, Einsteinovy rovnice předpovídají, co se děje - nebo se dělo či bude dít - kdekoli ve vesmíru. Zpopularizovaná představa, že relativní v Einsteinově teorii naznačuje subjektivní nebo libovolné, byla k jisté lítosti Einsteina, který se později domníval, že ji měl pojmenovat obecná teorie.

Kosmologie

Poslové elektromagnetického pole, fotony, nesou obraz bezčasově napříč vesmírem, zatímco pozorovatelé v tomto poli mají dostatečný tok času, aby tento obraz dekódovali a reagovali na něj pohybem ve 3D prostoru, ale nikdy nemohou tento bezčasový obraz překonat. Předpokládá se, že stav vesmíru pod 400 000 let po předpokládaném velkém třesku, který započal náš vesmír, se zobrazuje jako kosmické mikrovlnné pozadí (CMB).

V roce 1915 se mělo za to, že vesmír tvoří pouze galaxie, které dnes říkáme Mléčná dráha, a že je statický. Einstein operoval se svými nedávno publikovanými rovnicemi gravitačního pole a objevil důsledek, že se vesmír rozpíná nebo smršťuje. (Teorie je provozuschopná v obou směrech - časová invariance.) Revidoval teorii a přidal kosmologickou konstantu, aby vesmír libovolně vyrovnal. Blízko roku 1930 odhalila teleskopická data Edwina Hubbla, interpretovaná prostřednictvím obecné teorie relativity, že se vesmír rozpíná.

V roce 1916 na bojišti první světové války Karl Schwarzschild operoval s Einsteinovými rovnicemi a Schwarzschildovo řešení předpovědělo černé díry. O několik desetiletí později astrofyzici identifikovali supermasivní černou díru ve středu snad každé galaxie. Zdá se, že černé díry řídí vznik a udržování galaxií tím, že regulují vznik a zánik hvězd.

Ve 30. letech 20. století bylo zjištěno, že podle obecné teorie relativity by se galaxie rozpadaly, pokud by nebyly obklopeny neviditelnou hmotou, která by galaxii držela pohromadě, a v 70. letech 20. století začala být temná hmota přijímána. V roce 1998 bylo vyvozeno, že rozpínání vesmíru se nezpomaluje, ale zrychluje, což svědčí o obrovské hustotě energie - dostatečné k urychlování viditelné i temné hmoty - v celém vesmíru, o obrovském poli temné energie. Podle všeho je známo méně než 5 % složení vesmíru, zatímco zbývajících 95 % je záhadných - temná hmota a temná energie.

Kvantová sféra

Podivná mechanika

Ve 20. letech 20. století byla vyvinuta kvantová mechanika (QM), která zkoumala fungování elektromagnetického pole na miniaturních škálách prostoru a času. Přesto se zdálo, že elektrony - částice hmoty, které interagují s fotony, jež jsou nositeli sil elektromagnetického pole - mechanickým principům zcela odporují. Žádný z nich nedokázal předpovědět polohu kvantové částice z okamžiku na okamžik.

Při štěrbinovém experimentu by elektron proletěl jedním otvorem umístěným před ním. Jeden elektron by však proletěl současně více otvory, ať už by jich před ním bylo umístěno kolikkoli. Jediný elektron by na detekční desce zanechal interferenční obrazec, jako by jediná částice byla vlnou, která prošla všemi otvory současně. A přesto k tomu docházelo pouze tehdy, když nebyl pozorován. Kdyby se na očekávanou událost posvítilo světlem, interakce fotonu s polem by nastavila elektron do jediné polohy.

Podle principu neurčitosti však nelze s jistotou určit přesnou polohu a hybnost žádné kvantové částice. Interakce částice s pozorovacím/měřícím přístrojem ji vychýlí tak, že větší určení její polohy vede k menšímu určení její hybnosti a naopak.

Kvantovaná teorie pole

Rozšířením kvantové mechaniky na celé pole se objevil konzistentní vzorec. Od místa k sousednímu místu pravděpodobnost, že tam částice existuje, stoupala a klesala jako vlna pravděpodobnosti - stoupající a klesající hustota pravděpodobnosti. Když je nepozorována, vstupuje jakákoli kvantová částice do superpozice, takže i jediná částice vyplní celé pole, ať je jakkoli velké. Přesto se částice nenachází definitivně kdekoli v poli, ale je tam s určitou pravděpodobností ve vztahu k tomu, zda byla na sousedním místě. Vlnový tvar Maxwellova elektromagnetického pole vznikl nahromaděním pravděpodobnostních událostí. Ne částice, ale matematická forma byla konstantní.

Nastavení pole na speciální teorii relativity umožnilo předpovědět celé elektromagnetické pole. Tak vznikla relativistická kvantová teorie pole (QFT). Z elektromagnetického pole je to relativistická kvantová elektrodynamika (QED). O slabém a elektromagnetickém poli dohromady je to relativistická elektroslabá teorie (EWT). V případě silného pole se jedná o relativistickou kvantovou chromodynamiku (QCD). Dohromady se z toho stal standardní model částicové fyziky.

Rozdělení ve fyzice

Když se standardní model nastaví na obecnou teorii relativity, aby zahrnoval hmotnost, objeví se nekonečné hustoty pravděpodobnosti. Předpokládá se, že to není správné, protože pravděpodobnost se běžně pohybuje v rozmezí od 0 až 1-0 % do 100 % pravděpodobnosti. Někteří teoretičtí fyzici mají podezření, že problém je ve standardním modelu, který každou částici reprezentuje bodem o nulovém rozměru, který může být v principu nekonečně malý. Přesto je v kvantové fyzice Planckova konstanta minimální jednotkou energie, na kterou lze pole rozdělit, což je možná vodítko k nejmenší velikosti částice. Existuje tedy snaha kvantovat gravitaci - vyvinout teorii kvantové gravitace.

Rámec

String předpokládá, že v mikroskopickém měřítku je Einsteinův 4D prostoročas polem Calabiho-Yauových mnohorozměrů, z nichž každý obsahuje 6 prostorových rozměrů stočených do sebe, a není tedy rozšířen na 3 prostorové rozměry, které představuje klasická sféra. V teorii strun je každá kvantová částice nahrazena 1D strunou vibrující energie, jejíž délka je Planckova délka. Jak se struna pohybuje, sleduje šířku, a stává se tak 2D, worldsheetem. Když struna vibruje a pohybuje se v 6D Calabiho-Yauově prostoru, stává se kvantovou částicí. S tímto přístupem snadno vzniká hypotetický graviton - předpovídaný k vysvětlení obecné relativity.

Teorie

Teorie strun vznikla jako bosonická teorie strun, jejíž 26 rozměrů působí jako mnohem méně. Přesto modelovala pouze bosony, což jsou částice energie, a vynechávala fermiony, což jsou částice hmoty. Bosonická teorie strun tedy nemohla vysvětlit hmotu. Přesto přidáním supersymetrie do bosonické teorie strun bylo dosaženo fermionů a z teorie strun se stala teorie superstrun, která vysvětluje i hmotu.

(Ve verzích kvantové teorie pole, které zahrnují supersymetrii (SUSY), má každý boson odpovídající fermion a naopak. To znamená, že každá částice energie má odpovídající částici hmoty a každá částice hmoty má odpovídající částici energie, avšak nepozorovatelný partner je hmotnější, a tedy super. Tito superpartneři se mohou zdát jako extravagantní předpověď, přesto mnozí teoretici a experimentátoři upřednostňují supersymetrické verze standardního modelu, jehož rovnice se jinak musí extravagantně a někdy i libovolně upravovat, aby se zachovala úspěšnost předpovědi nebo matematická konzistence, ale se superpartnery se srovnají).

Netestovatelné - nevědecké?

Tvrzení teorie strun, že všechny molekuly jsou energetické struny, se setkalo s tvrdou kritikou. Existuje mnoho verzí teorie strun, žádná z nich však zcela úspěšně nepředpovídá pozorované údaje vysvětlované standardním modelem. V současnosti je známo, že teorie M má nespočet řešení, která často předpovídají věci podivné a neznámé. Někteří tvrdí, že teoretici strun si vybírají pouze žádoucí předpovědi.

Tvrzení, že teorie strun nepřináší žádné testovatelné předpovědi, je nepravdivé, protože jich přináší mnoho. Žádná teorie - prediktivní a snad i vysvětlující model určité oblasti přírodních jevů - není ověřitelná. Všechny konvenční fyzikální teorie až do standardního modelu předkládaly tvrzení o nepozorovatelných aspektech přírodního světa. Dokonce i Standardní model má různé interpretace, pokud jde o přírodní svět. Když se se Standardním modelem operuje, často se vytváří jeho verze se supersymetrií, která zdvojnásobuje počet druhů částic dosud identifikovaných částicovými fyziky.

Nikdo nedokáže doslova změřit prostor, přesto Newton postuloval absolutní prostor a čas a Newtonova teorie poskytla jednoznačné předpovědi, vysoce testovatelné a úspěšně předpovídající po dobu 200 let, ale teorie byla přesto falzifikována jako vysvětlující přírodu. Fyzikové uznávají, že žádná taková přitažlivá síla, která by přímo přitahovala hmotu k hmotě, neexistuje, natož aby tato síla procházela vesmírem okamžitě. Přesto je Newtonova teorie stále paradigmatem vědy.

Skryté rozměry?

Myšlenka skryté dimenzionality prostoru se může zdát okultní. Někteří teoretici smyčkové kvantové gravitace - uchazeče o kvantovou gravitaci - považují teorii strun za zásadně chybnou, protože předpokládá, že prostor má vůbec nějaký tvar, dokud ho částice nevytvoří. To znamená, že nepochybují o tom, že prostor má různé tvary, jen považují částice za ty, které určují tvar prostoru, a ne naopak. Víření časoprostoru předpovězené obecnou relativitou se zřejmě potvrdilo.

Standardní model, který představuje kvantovou částici jako bod 0D, již naznačuje, že časoprostor je mořem vlnících se tvarů, kvantovou pěnou, pokud je interpretován jako přirozeně pravdivý. Teoretici strun mají tendenci věřit, že příroda je elegantnější, což teoretik smyček Lee Smolin odmítá jako romantiku, přičemž jako rétorickou pomůcku používá moderní syntézu biologie. Experimenty na odhalení přidaných prostorových dimenzí zatím selhaly, přesto stále existuje možnost, že se mohou objevit jejich náznaky.

Tolik řešení?

Teorie M má mnoho bilionů řešení. Leonard Susskind, vedoucí představitel teorie strun, interpretuje plasticitu řešení teorie strun jako paradoxní podporu řešení záhady, proč tento vesmír existuje, protože teorie M ukazuje, že jde pouze o variantu obecného vzorce, který vždy přibližně vyplývá.

Obecná teorie relativity přinesla mnoho objevů, které byly v roce 1915 nepředstavitelné pouze ve fikci. Einsteinův-Rosenův most, řešení Einsteinových rovnic, které se snažilo vysvětlit dynamiku kvantových částic, předpovídá zkratku spojující dva vzdálené body v časoprostoru. Einsteinův-Rosenův most, běžně nazývaný červí díra, je zpochybňován, ale není vyvrácen, což ukazuje, že buď nemusí být všechny důsledky teorie přesné, nebo že realita je dosti bizarní v nepozorovatelných směrech.

Mnoho světů

Dokonce i standardní model částicové fyziky naznačuje bizarní možnosti, které populistické popisy vědy buď opomíjejí, nebo je zmiňují jako nevysvětlitelné kuriozity. Teorie konvenčně přijímá kodaňskou interpretaci, podle níž je pole pouze možností, žádná není reálná, dokud s polem neinteraguje pozorovatel nebo přístroj, jehož vlnová funkce se pak zhroutí a zůstane pouze jeho částicová funkce, reálné jsou pouze částice. Přesto byl kolaps vlnové funkce pouze předpokládán - nebyl ani experimentálně potvrzen, ani dokonce matematicky modelován - a nebyla nalezena žádná odchylka ani od vlnové funkce v kvantové oblasti, ani od funkce částic v klasické oblasti.

V roce 1957 popsal Hugh Everett svůj výklad "relativního stavu". Everett tvrdil, že vlnová funkce nekolabuje, a protože se předpokládá, že veškerá hmota a interakce jsou vybudovány z kvantových vlnových částic, jsou všechny možné varianty kvantového pole - naznačené matematickými rovnicemi - reálné a současně se vyskytující, ale různé průběhy dějů. Podle této interpretace se cokoli, co interaguje s polem, připojuje ke stavu pole, který je relativní vůči stavu pozorovatele - sám je vlnoplochou ve svém vlastním kvantovém poli -, zatímco oba prostě interagují v univerzální vlnoploše, která se nikdy nezhroutí. V současné době již mnoho fyziků interpretuje zdánlivý přechod z kvantové do klasické sféry nikoliv jako kolaps vlnové funkce, ale jako kvantovou dekoherenci.

Při dekoherenci se pozorovatel při interakci s polem dostane pouze do jedné determinantní konstelace kvantového pole, a tak se všechna pozorování přizpůsobí tomuto novému, kombinovanému kvantovému stavu. Everettova teze inspirovala interpretaci mnoha světů, podle níž se v rámci našeho vesmíru předpokládají virtuálně nebo potenciálně nekonečné paralelní světy, které jsou reálné, avšak každý z nich je od ostatních světů vzdálen nepatrně. Jelikož je průběh každého světa univerzální - ne kolabující - a jeho matematické vztahy jsou invariantní, paralelní světy jednoduše vyplňují mezery a nedotýkají se.

Mnoho vesmírů

Einstein pochyboval, že černé díry, jak je předpovídá Schwarzschildovo řešení, jsou skutečné. Někteří se nyní domnívají, že černé díry jako takové neexistují, ale že jsou temnou energií, nebo že náš vesmír je jak černá díra, tak temná energie. Schwarzschildovo řešení Einsteinových rovnic lze maximálně rozšířit a předpovědět černou díru, která má odvrácenou stranu - jiný vesmír vznikající z bílé díry. Možná, že velký třesk našeho vesmíru byl polovinou velkého odrazu, zhroucení něčeho až do černé díry a náš vesmír vystupující z jeho druhé strany jako bílá díra.

Částice jsou struny?

Fyzikové obecně pochybují o tom, že kvantové částice jsou skutečně 0D body, jak je představuje standardní model, který nabízí formalismus - matematické zařízení, jehož tahy předpovídají jevy, které nás zajímají, po zadání dat - nikoli interpretaci mechanismů, které tyto jevy určují. Přesto mají teoretici strun tendenci optimisticky předpokládat, že struny jsou reálné a zároveň vysvětlující, nikoli pouze prediktivní zařízení. Je daleko za možnostmi dnešních urychlovačů částic pohánět jakékoli sondovací částice na dostatečně vysoké energetické úrovni, aby překonaly vlastní energii kvantové částice a určily, zda se jedná o strunu. Přesto toto omezení existuje i pro testování jiných teorií kvantové gravitace. Vývoj naznačuje další strategie "pozorování" struktury kvantových částic.

Paradoxně, i kdyby testování potvrdilo, že částice jsou struny energie, stále by to přesvědčivě nedokazovalo ani to, že částice jsou struny, protože by mohla existovat jiná vysvětlení, třeba nečekaná deformace prostoru, ačkoli částice byla 0D bodem skutečné pevnosti. I když jsou předpovědi úspěšné, existuje mnoho možných vysvětlení - problém nedostatečné determinace - a filosofové vědy i někteří vědci nepřijímají ani bezchybný predikční úspěch jako verifikaci úspěšných vysvětlení teorie, pokud jsou tato vydávána za nabízející vědecký realismus, pravdivý popis přirozeného světa.

Hmota je energie?

Řeči o částicových fyzicích, kteří testují teoretickými fyziky předpovězené částice srážením částic v urychlovačích, naznačují, že kvantové částice jsou malé newtonovské částice, které experimentátoři rozlousknou, aby odhalili jejich strukturu. Místo toho, když se srazí dvě částice, každá o určité hmotnosti - měřeno z hlediska energie jako elektronvolt - mohou se spojit do částice o této kombinované hmotnosti/energii a vzniklá částice je "pozorována", zda odpovídá předpovědi.

Mezi fyziky není sporné, že všechny částice jsou energie. Zastánci teorie smyček, kteří někdy soupeří s teorií strun, tvrdí, že samotný časoprostor se mění v částice. To, že hmota je speciální variantou energie, bylo důsledkem Einsteinovy speciální teorie relativity, a tím Einstein formalizoval ekvivalenci hmoty a energie, E=mc2. Když se dostatečně energetické fotony srazí, mohou se spojit a vytvořit hmotu. Všechny částice mají antičástice a atomy hmoty mají antiatomy antihmoty, jejichž spojením dochází k anihilaci částic a hmoty, přičemž zůstává energie.

Inspirativním vývojem je objev zrcadlové symetrie, kdy Calabi-Yauovy prostory mají tendenci se vyskytovat v párech, takže řešení, která byla dříve obtížná v rámci extrémního vibračního módu jedné struny, lze řešit pomocí geometrie zrcadlového Calabi-Yauova prostoru v jeho opačném rozsahu.

Teorie strun se obvykle řeší pomocí konformní teorie pole, kvantové teorie pole ve 2D prostoru. Je potvrzeno, že molekuly mohou kolabovat do 2D. A elektron, dlouho považovaný za elementární částici, se zřejmě rozdělí na tři entity nesoucí samostatně tři stupně volnosti elektronu, když jsou molekuly, které elektrony obsahují, usměrněny 1D cestou.