GO WEST
Svět strun

John Schwarz

David Gross

Teorie strun je snad nejlepší cestou k dosažení zbožného snu fundamentální fyziky, jímž je generovat všechnu hmotu a síly přírody z jediného stavebního kamene.

Naslouchejme Johnu Schwarzovi, jednomu z objevitelů teorie, a Davidu Grossovi, spoluautorovi její nejslibnější verze, ať nám mohou vysvětlit, proč tyto konečné stavební kameny vypadají jako vibrující struna v deseti rozměrech!



Náčrt lekce:

1.Co jsou superstruny?
2.Konec ruských matrjošek
3.Základní myšlenka
4.Elementární částice jsou smyčky
5.Kompletní sjednocení
6.Struna je fundamentální
7.Jak struny interagují?
8.Časoprostor má deset rozměrů
9.Schované přebytečné rozměry
10.Klíč k úspěchu

Klikni zde a shlédni jiné on-line programy.


Co jsou superstruny?
(
David Gross)



Murray Gell-Mann: Musíme rozlišit mezi spekulacemi a výsledky potvrzenými experimenty.

"Superstruny jsou jednou z cest, kterou se snažíme překonat hranice dnešního chápání hmoty a jejích interakcí; cestou, na které fakticky usilujeme o popis veškeré hmoty a snad úplně všeho, pomocí malých strun pohybujících se v desetirozměrném prostoru."

Nahoru K obsahu


Konec ruských matrjošek
(
David Gross)

"Historicky, člověk byl vždycky svědkem prostého jevu, že pokud se díváme do struktury, jakou je atom, s lepším rozlišením, objevíme uvnitř malé podstruktury: uvnitř atomů je jádro z nukleonů a uvnitř nich jsou kvarky. Mohli bychom si tedy myslit, že uvnitř kvarků jsou subkvarky. Kvark by tedy byl složen z podkvarků, tyto podkvarky z podpodkvarků a tak dále a tak dále. Lidově řečeno, bleška má malé blešky a ty mají zase svoje blešky. Tak tomu nejen věřil Vladimír Iljič Lenin, ale i moudřejší lidé se o takový popis snažili. Ale takhle to nefunguje."

Nahoru K obsahu


Základní myšlenka
(
David Gross)

"Teorie strun není hladkým pokračováním předchozích snah a minulých vylepšení naší teorie hmoty. Základní ideou teorie strun je že všechny částice, všichni nositelé sil a také nositel gravitace jsou v jistém smyslu excitacemi objektu podobného struně. Jeví se nám, pokud je pozorujeme na dlouhých vzdálenostech, jako konkrétní vibrace jednoho základního objektu ve tvaru struny."

"A tak kvark, řekli bychom, vypadá jako roztažený jednorozměrný objekt. Není to bodový fundamentální objekt, sestaven ze tří subkvarků, ale z mnoha, mnoha, nekonečně mnoha subkvarků podél struny. Tohle se kupodivu ukázalo býti dramatickou změnou při našem konstruování fyzikálních teorií."

Nahoru K obsahu


Elementární částice jsou smyčky!
(
John Schwarz)


David Gross: Teorie strun přirozeně obsahují gravitaci v konzistentním kvantově mechanickém rámci.

"Teorie strun je ideou popsat elementární částice trochu jiným způsobem, než který byl užíván v minulosti. Tehdy lidé předpokládali, že elementární částice se dají chápat jako body. Tedy jako částice bez velikosti, právě jako matematické body. Tahle myšlenka se dostala do potíží, když jsme se snažili zahrnout do teorií gravitaci."
"A tak jsme teoriemi strun zobecnili ideu bodových částic na částice, které mají rozměr, konkrétně jsou to čáry, které sice nemají žádnou tloušťku, ale jsou to jednorozměrné křivky. (V devadesátých letech se ukázalo, že v hloubi věcí jsou stejně důležité i objekty všech ostatních dimenzí... Pozn. Luboš Motl.) V nejslibnějších teoriích jsou to smyčky, abychom byli přesnější. Nuže, teorie strun je teorií, v níž jsou elementární částice smyčky jednorozměrného provázku."

Nahoru K obsahu


Kompletní sjednocení
(
David Gross)

"Struny přinášejí v podstatě tak kompletní sjednocení, jaké si jen lze přát. V této teorii člověk nemůže říci, že existuje několik druhů objektů a všechno je z nich složeno. V jistém smyslu obsahuje teorie strun jen jediný objekt, který je rozložitý, který je jednodimenzionální, který je podobný provázku. A takový objekt se může nalézat v mnoha rozmanitých formách."

"Je to podobné, jako když brnknete na strunu od houslí. Dokáže se rozkmitat mnoha druhy vibrace. A tak je struna od houslí schopna dát vzniknout mnoha zvukům. Ale všechny tóny vibrující struny jsou rozdílné módy jednoho a téhož objektu."

"Zcela obdobně existuje jedna fundamentální struna, jejíž rozdílné vibrace se nám při pohledu na velkou vzdálenost a při dostatečně malých energiích jeví jako rozdílné elementární částice. Struna natřásající se jedním způsobem vypadá jako kvark, struna tancující jiný tanec vypadá jako foton, což je částice světla. Další vibrace vypadá jako elektron a jiná zase jako graviton, což je částice, díky níž existují gravitační síly."

kulatý stůl: Existuje konečné vysvětlení?
"Tohle všechno je v této teorii díky různým vibracím téže struny. Jde tu o opravdové sjednocení všeho, protože všechny částice a všechny interakce mezi nimi jsou vibracemi stále stejné struny."

Nahoru K obsahu


Struny jsou fundamentální!
(
David Gross)


kulatý stůl: Co je elementární částice?

"Význam slova fundamentální se s časem mění. Kdysi lidé věřili, že atomy jsou fundamentální a základní stavební kameny přírody. Potom si totéž myslili o protonech nebo kvarcích. A my nyní říkáme, že fundamentální je struna. Stále tedy máme jakési základní objekty, jsou jimi různé módy struny. Jedna struna v jistém smyslu odpovídá nekonečnému množství elementárních částic, jelikož může vibrovat nekonečně mnoha způsoby. Všechny vyšší harmonické u struny vypadají jako těžší excitace různých elementárních částic. Co je na teorii strun jednoduché a sjednocující je to, že všechny tyto částice jsou excitacemi téhož objektu."

"Máme tedy jedinou strunu, ale nekonečné množství elementárních částic. Při nízkých energiích, které můžeme dnes pozorovat, lze registrovat jen pár těchto částic. Ostatní jsou velmi těžké a je obtížné je produkovat, pokud nemáme velmi výkonné urychlovače. A to je důvod, proč můžeme mít dobrou aproximaci teorie strun, založenou na nejnižších excitacích strun, které nazýváme kvarky, leptony, fotony a gluony. Proto také teorie strun při nízkých energiích přechází na obvyklou teorii, tak jak je to správné, a obsahuje mnoho elementárních částic."

Nahoru K obsahu


Jak struny interagují?
(
David Gross)

"Tohle je způsob, jak znázorňujeme interakce. V jazyce částic říkáme: dva elektrony se pohybují a když jsou blízko sebe, jeden z nich vystřelí foton a odrazí se tím opačným směrem. Druhý elektron absorbuje foton, čímž je nakopnut a změní směr letu. Výsledek vypadá tak, že elektrony přilétnou tak a odlétnou onak."

DLOUHÉ VZDÁLENOSTI, NÍZKÉ ENERGIE

"Tohle je interakce mezi elektrony, takzvaná elektromagnetická interakce, kterou lze vysvětlit existencí fotonů, částic světla. Řekli bychom, že je to vhodný popis, pokud popisujeme interakci elektronů na dlouhých vzdálenostech, s očima, které vidí dlouhé vzdálenosti, nebo s našimi vysokoenergetickými urychlovači, které vidí vzdálenosti kratší, ale stále nesrovnatelně větší, než je Planckova délka."


John Schwarz: Význam prostoru a času se rozplývá na Planckově délce.

"Detailnější pohled na Planckově škále nám přináší zajímavější obrázek. Struna vibrující tanec elektronu přichází k místu bitvy. Její pohyb v čase vytváří cosi jako trubku. V určitém čase se tato struna spojí se strunou jiného elektronu a poté se zase rozpojí. V jazyce trubek to vypadá tak, že z trubky prvého elektronu vylétne jiná trubka, tancující tanec fotonu, která je poté pohlcena druhou strunou s tancem elektronu. Celkově si tedy dvě elektronové struny vyměnili jednu fotonovou strunu."


PLANCKOVA DÉLKA
KRÁTKÉ VZDÁLENOSTI, VYSOKÉ ENERGIE


Carlo Rubbia: Rozdíl mezi hmotou a silami je cosi uměle vytvořeného.

"Vidíte, že celou dobu se vše odehrává jen díky struně, stále témuž druhu provázku, pouze vibrační stav lze jednou identifikovat s elektronem a při jiném experimentu třeba s kvarkem. A částice, kterou si struny vyměňují a tak spolu interagují, může být mnoho rozdílných věcí, které závisejí na excitaci: někdy je to foton, jindy graviton. Všechno je sjednoceno do výměny téhož fundamentálního objektu."

Nahoru K obsahu


Časoprostor má deset rozměrů
(
David Gross)


Definice: Obecná relativita vysvětluje, že světlo je ohýbáno díky hmotě.

"Jedním z důsledků teorie je to, že je nucena z fundamentálních příčin k závěru, že struny nežijí ve třech prostorových rozměrech, ale v devíti. (Předem upozorňuji, že M-teorie, což je moderní verze superstrunných teorií z 90.let, žije v deseti prostorových rozměrech. Poznámka Luboš Motl.) Člověk si musí uvědomovat, že už když Einstein navrhl svoji obecnou teorii relativity, lidé si uvědomili, že počet rozměrů prostoru se může lišit od čísla tři, což je počet, který jsme doposud pozorovali, proto, že další rozměry mohou být malé, kompaktní a svinuté."


John Schwarz: Představte si šestirozměrné koule připojené ke každému bodu v prostoru.

"Tohle je možné v každé teorii, která obsahuje gravitaci. Teorie strun nás k této možnosti nutí, pokud chceme chápat svět kolem nás. Říká nám, že struny musí žít v deseti časoprostorových rozměrech. Díky tomu byste si mohli myslet, že je teorie strun špatně: to přece není možné, máme jenom tři prostorové směry. Ale jak jsem řekl, více rozměrů je možných."

Nahoru K obsahu


Skryté přebytečné rozměry
(
David Gross)

"Nejprve si představte, že svět je jednorozměrný. To lze totiž nakreslit. Tohle je jednorozměrný svět, má jednu souřadnici."

"A nyní se do tohoto světa posaďte tak, že se cítíte být jediným bodem. Můžete se pohybovat doprava nebo doleva. Máte jednu dimenzi, v jejímž směru se můžete pohybovat."
"A teď vám někdo řekne, že váš svět ve skutečnosti není jednorozměrný, ale má další skryté dimenze. Co to má znamenat? Je to něco podobného, jako když řekneme, že svět je tenká trubka, které má souřadnici x, ale také má jeden další rozměr. Tato trubka, či lépe stéblo, je velmi tenká, a proto vám bude svět připadat jako přímka, pokud nevidíte velmi krátké vzdálenosti."
"Ale pokud se podíváte velmi pozorně, uvidíte také tu malou kružnici, kolem které můžete jít. Přímka je tedy prvním rozměrem a kružnice druhým. Rozdíl je v tom, že kružnice je uzavřená, můžete ji obejít kolem dokola. Je velmi malá, a pokud se nedíváte dostatečně pozorně, neuvidíte ji."
"Teorie strun nám říká, že taková musí být struktura světa. Kromě tří velkých dimenzí, o kterých víme, musí existovat šest dalších tak malých rozměrů, že je nevidíme."

1 dimenze času + 9 dimenzí prostoru
=
10 dimenzí

Nahoru K obsahu


Klíč k úspěchu
(
John Schwarz)


kulatý stůl: Je teorie strun vědecká?

"Nepochybně, pokud má teorie strun uspět jako přesvědčivá sjednocující teorie částic a sil mezi nimi, musíme být jednou schopni vykonat experimentální zkoušku této teorie. Nyní teorii strun samotné nerozumíme dostatečně na to, abychom mohli učinit definitivní předpovědi a říci jim, že by měli jít změřit to či ono a že by měli získat ten či onen nový výsledek, a pokud ho získají, teorie je správná, pokud nikoliv, je teorie chybná. Určitě věříme, že jednou budeme moci dělat takovéhle předpovědi, ale zatím toho schopni nejsme."


David Gross: Supersymetrie je skrytým příbuzenským vztahem mezi částicemi hmoty a částicemi zodpovědnými za síly.

"Takže v krátké době potřebujeme více slušných výsledků. Jedním z rozumných mezikroků je podle mého snažit se obsáhnout známé výsledky v rámci teorie strun. Ale týmž dechem musíme říci, že jsme připraveni i na kvalitativně nové rysy, které by mohly být experimentálně pozorovatelné. Doufáme, že takové předpovědi se mohou objevit, ale v tomto okamžiku opravdu nevíme, jak budou vypadat. Ale existují jisté dramatické možnosti, díky kterým by měli být experimentátoři ostražití. Jedním z nich by byl objev supersymetrie."

Pár dobrých populárních knih o superstrunách...




Klikni zde a podívej se na další on-line programy v angličtině.

Tato stránka je adaptována z videa a animací v mnohokrát oceněném CD-ROM: The Challenge of the Universe.
Vyzkoušej ho!