TEORIE SUPERSTRUN

Co jsem vám až dosud tak trochu tajil, je, že známe 4 základní interakce, které jsou různě silné a působí na různých úrovních. První z nich se nazývá elektromagnetická síla. Jak už z názvu vyplývá, projevuje se u všech elektrických a magnetických jevů. Pokud si vzpomínáte na úplný začátek, tak oba dva jevy se podařilo roku 1865 sjednotit J. C. Maxwellovi a vznikl tak elektromagnetismus (viz Maxwellovy rovnice). V podstatě jde o to, že dvojice stejně nabitých částic (buďto jsou tedy obě kladné nebo obě záporné) se odpuzuje, kdežto dvojice částic s rozdílným nábojem (tedy jedna kladná a druhá záporná) se přitahuje. Díky vzájemné interakci mezi atomy našeho těla a atomy podlahy se nepropadneme do středu Země. Bez této interakce bychom ani neudrželi propisku a vlastně všechno by se rozpadlo. Běžným projevem elektromagnetismu je například šíření světla nebo práce elektrospotřebičů.

Elektromagnetická síla drží záporně nabité elektrony na jejich drahách kolem kladně nabitých atomových jader, a co se týče jejího dosahu, působí stejně jako gravitace na nekonečnou vzdálenost. Jenže v atomových jádrech je více kladně nabitý částic (pokud samozřejmě nepočítáme vodík), a ty by se tedy měly navzájem elektromagneticky odpuzovat. To se však neděje, protože existuje síla silnější než elektromagnetická - říká se jí silná interakce a je natolik silná, že udrží celé jádro pohromadě. Kvarky uvnitř nukleonů jsou k sobě slepeny lepidlem zvaným gluony (tyto částice dostaly svůj název z anglického „glue“, což skutečně znamená „lepit“ nebo „lepidlo“) a považujeme je za fundamentální částice, které už nelze dále dělit. Tedy alespoň ne za normálních okolností. Příroda se „bojí“ osamocených kvarků, a tak se vždy vyskytují minimálně v páru. Kdyby se vám podařilo tyto kvarky od sebe oddělit (například v urychlovači částic), tak byste byli svědky zajímavého procesu. Silná jaderná síla totiž působí přesně naopak, než gravitace. Síla gravitace klesá kvadraticky se vzdáleností, takže kdybyste například od sebe dva objekty oddálili na dvojnásobnou vzdálenost, působila by mezi nimi čtyřikrát slabší gravitace (na čtyřnásobné vzdálenosti by působila 16x slabší síla apod.), kdežto silná interakce naopak se vzdáleností roste. Čím více oddalujte kvarky, tím větší síla mezi nimi působí. Na rozdělení těchto dvou kvarků byste potřebovali ohromné množství energie, a pokud se vám to přesto podařilo, nevznikly by podle očekávání dva samostatné kvarky, ale dvě dvojice kvarků! Říkáme, že energie se přeměnila v hmotu, což, jak už víme, je základní princip známé rovnice E = mc². Slabá jaderná síla je slabší než předchozí dvě síly (ale je stále o mnoho silnější než gravitace) a umožňuje rozpad některých částic na částice jiné (například je zodpovědná za rozpad beta a za rozpad miomů). Součet hmotností nových částic je přitom vždy nižší než hmotnost původní částice - zní to divně, ale nezapomínejte, že jsme ve světě kvantové fyziky, takže ten zbytek prostě zmizí (dělám si srandu, vzpomeňte si na slavnou Einsteinovu rovnici a zjistíte, že tento hmotnostní úbytek se projevuje jako kinetická energie při rozpadu). A jaká je ta poslední síla? Tušíte správně, je to gravitace. Tu si umíme nejlépe představit, protože je všudypřítomná a jeví se nám jako silná, ale věřte, že ve skutečnosti je velmi slabá. Například ve srovnání s elektromagnetismem je gravitace vždy přitažlivá (leda, že byste si dokázali představit objekt se zápornou hmotností, což jde asi velice těžko), ale co je důležitější, především je 10³⁹ krát slabší (to je jednička a 39 nul, takže asi tohle: 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000)! Nevěříte? Vezměte si magnet a zvedněte s ním svazek klíčů. Právě jste pomocí malého magnetu překonali gravitaci celé naší planety! (Jen tak pro zajímavost: Pokud bychom zvětšili vzdálenost, na kterou hraje prim elektromagnetická síla, tedy vzdálenost mezi protonem a elektronem, a zvětšili ji právě 10³⁹ krát, dostali bychom těleso o velikosti několika kilometrů. Proto mají pársetmetrové asteroidy tvar jakési zdeformované hrušky, zatímco velká tělesa, jako například planety a hvězdy, jsou gravitací stlačovány do tvaru připomínající téměř pravidelnou kouli.) Gravitace je tedy ze všech sil nejslabší, je dokonce tak slabá, že ji ve světě atomů můžeme v klídku zanedbat. A právě v tom je ten problém! V Einsteinově Obecné relativitě je gravitace vnímána pouze jako zakřivený časoprostor, kdežto na kvantové úrovni ji zprostředkovává bájná částice zvaná graviton. Slovo bájná jsem použil, protože ji ještě stále nikdo neobjevil a to už je její existence předpovídána přes 80 let. Ve světě částic je sice účinek gravitace zanedbatelný, ale ve vesmíru je naopak zcela dominantní – drží pohromadě celé galaxie, hvězdné soustavy a formuje hvězdy a planety.

Jak už asi správně tušíte, Teorie všeho se snaží sjednotit všechny čtyři základní interakce do jednoho celku. Sloučit Obecnou relativitu a kvantovou mechaniku není vůbec snadné, pokoušel se o to Albert Einstein a dnes se o to pomocí superstrunové teorie pokouší například Michio Kaku, Stephen Hawking, Brian Green, Ed Witten, Sheldon Cooper a spousta dalších vědců. V roce 1967 se podařil první krok - sjednocením slabé a elektromagnetické interakce vznikla elektroslabá interakce. Nyní probíhají pokusy připojit k elektroslabé interakci ještě interakci silnou, čímž by vznikla tzv. Teorie velkého sjednocení. Základní myšlenka je taková, že všechny tři interakce mají různou intenzitu. Jejich síla je dána interakční konstantou, která se vyrovnává při velmi vysokých hodnotách energie. Silná interakce slábne, zatímco elektromagnetická a slabá interakce se stávají silnějšími. Při určité hodnotě energie (říká se jí "energie velkého sjednocení" a má hodnotu kolem 10¹⁶ GeV) mají všechny tři interakce stejnou intenzitu, a tak je možné, že jsou pouze různými projevy jediné síly. Pak už by jen zbývalo připojit gravitaci a hle, máme Teorii všeho.

Kdybychom měli nějaký super-hyper-turbo-giga-výkonný mikroskop a mohli jsme se jím podívat do některé subatomární částice, například do elektronu, tak bychom podle superstrunové teorie neviděli bodovou částici, ale změť vibrujících jednodimenzionálních strun. Stejně jako struny na hudebním nástroji dokážou vibrovat různými způsoby a vydávat různé tóny a zvuky, tak i superstruny vibrují různými frekvencemi. Neexistuje však žádná elektronová struna nebo kvarková struna, ale pouze jedna jediná struna, která je určena právě způsobem, jakým kmitá.

Teorie superstrun předpokládá existenci dalších šesti prostorových rozměrů, takže pokud přičteme i ten časový, tak máme pole o deseti dimenzích. Kde jsou ale ty zbývající dimenze? Podle teorie jsou stočené do klubíček tak malých, že je my lidé zkrátka nikdy neuvidíme (říká se jim Calabiho-Yauovy variety). Například vyjdete na ulici a všimnete si domu, ze kterého trčí trubka. Pro vás to bude prostě trubka čouhající ze zdi, pro provazochodce by to mohl být jednodimenzionální prostor, po kterém by mohl chodit sem a tam, ale například pro mravence je to zdroj mnoha dalších rozměrů. Může ji oblézat kolem dokola všemi směry, dokonce může zalézt dovnitř a získat tak navíc další dimenze, které jsou pro nás neviditelné. To znamená, že žijeme ve vícedimenzionálním vesmíru a ať se vám to líbí nebo ne, je docela pravděpodobné, že existuje mnoho dalších vícedimenzionálních vesmírů, kterým říkáme paralelní vesmíry. Uznávám, asi to zní divně a až příliš neuvěřitelně na to, aby to mohla být pravda, ale vzpomeňte si, jak v minulosti reagovali lidé, když se dozvěděli, že Země je kulatá, anebo třeba, že ve vesmíru nemáme žádné výsadní postavení. Pokud tedy nevěříte tomu, že nebe je  hvězdami posetá plachta, kterou drží na sloupech čtyři sloni, tak si zkuste představit, že náš vesmír je jako stránka v knize. Za předpokladu, že žijeme v plochém vesmíru, desetinu milimetru od nás může existovat další vesmír a přitom o jeho existenci nemáme ani tušení. Podle M-teorie bychom si ale superstruny neměli představovat jako uzavřené smyčky, ale jako otevřené smyčky, které jsou na krajích přichyceny k membráně našeho vesmíru. Můžeme se tedy snažit jak chceme, ale paralelního vesmíru nikdy nedosáhneme (podle jedné z těchto teorií Velký třesk vznikl právě vzájemný dotykem  dvou paralelních vesmírů). Přesto může existovat částice, která je uzavřená a může tak volně přecházet z jednoho vesmíru do druhého. Její kouzlo spočívá v tom, že vysvětluje proč je gravitace oproti ostatním silám tak slabá. Jednoduše proto, že graviton zkrátka může, narozdíl od ostatních částic, volně přecházet mezi paralelními vesmíry.

Strunová teorie má však několik nedostatků. Strunových teorií je momentálně pět, což je na teorii, která měla sjednotit dva protiklady do jednoho celku, trochu moc, nemyslíte? Teprve v polovině devadesátých let Ed Witten poukázal na to, že všech pět teorií je ekvivalentních, to znamená, že každá popisuje stejnou věc odlišným způsobem. Vznikla tak M-teorie (nikdo přesně neví, co znamená to „M“), která říká, že nežijeme v desetirozměrném, ale v jedenáctirozměrném časoprostoru, kde deset dimenzí tvoří prostor a jednu čas. Dalším problémem je prokázání existence superstrun (nezapomínejte, že jsme stále ve fázi teorie, takže se nedivte, když se časem prokáže, že žádné superstruny vlastně neexistují, což by bylo vzhledem k vynaloženému úsilí opravdu smutné). Když bychom si představili atom veliký jako sluneční soustava, tak superstruna by byla velká jako strom!