11
Teorie strun je pro začátečníky zpočátku fascinující, ale velmi abstraktní představa, která říká, že základními stavebními kameny vesmíru nejsou bodové částice, ale nepatrné, vibrující struny (strings) o délce Planckovy délky.
Teorie strun pro začátečníky: původ a základní myšlenka
Teorie strun vznikla na konci 60. a na počátku 70. let 20. století, nejprve jako pokus o jednotné popsání mnoha elementárních částic a sil v přírodě, zejména v oblasti silné interakce.
- Vědci si všimli, že mnoho jevů lze vysvětlit pomocí modelů, pokud se částice nepovažují za bodové, ale za malé jednorozměrné „struny“ (struny).
- Bosonská teorie strun byla jednou z prvních variant a popisuje pouze bosony, tedy částice s celočíselným spinem, naráží však na problémy, např. existenci tachyonových stavů (částic s imaginární hmotností) a to, že fermiony (částice s polovičním spinem) nejsou zahrnuty.
- Později byla teorie dále rozvinuta do superstrunové teorie, která zahrnuje jak bosony, tak fermiony a používá princip supersymetrie – to znamená, že ke každému bosonu existuje fermionový partner. Tento vývoj byl důležitý pro překonání slabostí bosonické teorie.
Jak teorie funguje: Vibrace, dimenze a kompaktifikace
Základní myšlenka je: Veškerá hmota a všechny interakce se skládají z malých vibrujících strun.
- Různé druhy vibrací těchto strun vytvářejí různé částice s různými vlastnostmi, jako je hmotnost, náboj nebo spin – podobně jako u struny hudebního nástroje, kde různé vibrace vytvářejí různé tóny. Struna může být otevřená (s koncovými body) nebo uzavřená (ve tvaru prstence) a v závislosti na tom, jak vibruje, se projevuje určitá vlastnost částice.
- Aby tato teorie fungovala matematicky konzistentně, potřebuje více než naše známé čtyři dimenze (tři prostorové, jedna časová). V bosonické teorii strun je to 26 dimenzí, v superstrunové teorii 10 dimenzí. Dodatečné dimenze jsou postulovány tak, že jsou na mikroskopicky malém měřítku „svinuté“ nebo kompaktifikované – to znamená, že je v našem každodenním životě nevnímáme, protože jsou velmi malé nebo skryté ve zvláštních topologických strukturách.
- Běžným modelem pro to jsou takzvané Calabi-Yauovy variety, speciální formy prostoru, které mohou pojmout šest dalších prostorových dimenzí superstrunové teorie, aniž by porušily známé fyzikální zákony.
Ambice a současná situace
Hlavním cílem strunové teorie je sjednotit kvantovou teorii (která popisuje chování částic v mikrokosmu) a obecnou teorii relativity (která se zabývá gravitací a chováním prostoru a času v makrokosmu) do jednotného rámce.
- Dosud nejsou tyto dvě teorie zcela kompatibilní, zejména pokud se uvažují velmi malé vzdálenosti (Planckova stupnice) nebo velmi silná gravitace (např. černé díry). Teorie strun by mohla být „světovou formulí“, ve které by byly obě teorie sjednoceny.
- Existují různé varianty superstrunové teorie, např. typ I, typ IIA, typ IIB, heterotické teorie (E₈×E₈ a SO(32)), které se liší typem strun (otevřené/uzavřené), počtem supersymetrií a vlastnostmi.
- V současné době neexistuje žádný experimentální důkaz, který by jednoznačně potvrdil teorii strun. Supersymetrické partnerské částice dosud nebyly nalezeny a ani další dimenze nebyly měřitelně prokázány.
- Mnohé matematické struktury, kompaktifikace a výběr Calabi-Yauovy variety jsou předmětem intenzivního výzkumu, jejich dopady na pozorovatelné fyzikální jevy jsou zatím hypotetické.
previous post