Jak by mohl mít vesmír více rozměrů

Teorie řetězců je údajná teorie všeho, která, jak fyzikové doufají, jednou vysvětlí… všechno.

Všechny síly, všechny částice, všechny konstanty, vše pod jednou teoretickou střechou, kde vše, co vidíme, je výsledkem drobných vibrujících strun. Teoretici se touto myšlenkou zabývají od 60. let 20. století a jednou z prvních věcí, kterou si uvědomili, je, že aby teorie fungovala, musí existovat více rozměrů než čtyři, na které jsme zvyklí.

Ale tato myšlenka není tak bláznivá, jak se zdá.

Související:

Připomínáme vám, že v teorii jsou obsaženy i další rozměry: V teorii strun se malé smyčky vibrující struny (v teorii jsou základním objektem reality) projevují jako různé částice (elektrony, kvarky, neutrina atd.) a jako nositelé přírodních sil (fotony, gluony, gravitony atd.). Činí tak prostřednictvím svých vibrací. Každá struna je tak malá, že se nám jeví jen jako bodová částice, ale každá struna může vibrovat různými módy, stejně jako lze ze struny kytary dostat různé tóny.

Předpokládá se, že každý mód vibrace se vztahuje k jinému druhu částice. Takže všechny struny vibrující jedním způsobem vypadají jako elektrony, všechny struny vibrující jiným způsobem vypadají jako fotony atd. To, co vidíme jako srážky částic, je z pohledu teorie strun shluk strun, které se spojují a rozdělují.

Aby však matematika fungovala, musí být v našem vesmíru více než čtyři rozměry. Je to proto, že náš obvyklý časoprostor nedává strunám dostatek „prostoru“, aby mohly vibrovat všemi způsoby, které potřebují, aby se mohly plně projevit jako všechny odrůdy částic na světě. Jsou prostě příliš omezené.

Jinými slovy, struny nejen kmitají, ale kmitají hyperdimenzionálně.

Současné verze teorie strun vyžadují celkem 10 rozměrů, zatímco ještě hypotetičtější über-teorie strun známá jako M-teorie jich vyžaduje 11. To znamená, že se struny mohou kmitat v různých dimenzích. Když se však rozhlédneme po vesmíru, vidíme vždy jen obvyklé tři prostorové rozměry plus rozměr času. Jsme si celkem jisti, že kdyby měl vesmír více než čtyři rozměry, už bychom si toho dávno všimli.

Jak lze požadavek teorie strun na další rozměry případně sladit s našimi každodenními zkušenostmi ve vesmíru?

Skroucený a kompaktní

Teoretici strun naštěstí dokázali poukázat na historického předchůdce této zdánlivě radikální představy.

V roce 1919, krátce poté, co Albert Einstein zveřejnil svou obecnou teorii relativity, si matematik a fyzik Theodor Kaluza jen tak pro zábavu pohrával s rovnicemi. A když do rovnic přidal pátý rozměr, zjistil něco obzvlášť zajímavého – nic se nestalo. Rovnice teorie relativity se ve skutečnosti o počet rozměrů nezajímají; je to něco, co musíte přidat, aby byla teorie použitelná pro náš vesmír.

Kaluza ale pak přidal k tomuto pátému rozměru zvláštní zvrat, díky němuž se pátý rozměr obtáčí kolem sebe v takzvané „válcové podmínce“. Díky tomuto požadavku se objevilo něco nového:

Vypadalo to, že přidání rozměrů by mohlo potenciálně sjednotit fyziku.

Při zpětném pohledu to byl tak trochu red herring.

Přesto se o několik desetiletí později jiný fyzik, Oskar Klein, pokusil Kaluzovu myšlenku interpretovat z hlediska kvantové mechaniky. Zjistil, že pokud by tento pátý rozměr existoval a byl nějakým způsobem zodpovědný za elektromagnetismus, musel by být tento rozměr naškrobený, ovíjející se zpět kolem sebe (stejně jako v Kaluzově původní myšlence), ale mnohem menší, až na pouhých 10^-35 metrů.

Mnoho manifoldů teorie strun

Pokud by byl další rozměr (nebo rozměry) opravdu tak malý, už bychom si toho nevšimli. Je tak malý, že bychom nemohli doufat v jeho přímé prozkoumání pomocí našich vysokoenergetických experimentů. A pokud jsou tyto rozměry nabaleny samy na sebe, pak pokaždé, když se pohybujete ve čtyřrozměrném prostoru, ve skutečnosti obcházíte tyto dodatečné rozměry miliardkrát a miliardkrát.

A právě v těchto rozměrech žijí struny teorie strun.

Dalším matematickým vhledem bylo zjištěno, že šest dodatečných prostorových rozměrů potřebných v teorii strun musí být nabaleno na zvláštní soubor konfigurací, známých jako Calabiho-Yaovy mnohoúhelníky podle dvou významných fyziků. Neexistuje však jediný unikátní mnohoúhelník, který by teorie bodování připouštěla.

Je jich asi 10^200 000.

Ukázalo se, že když potřebujete, aby se šest rozměrů na sebe nabalilo, a dáte jim téměř všechny možné způsoby, jak to udělat, tak se to … sečte.

To je spousta různých způsobů, jak nabalit ty dimenze navíc na sebe. A každá z možných konfigurací ovlivní způsoby, jakými struny uvnitř nich vibrují. Protože způsoby, jakými struny vibrují, určují, jak se chovají tady nahoře v makroskopickém světě, vede každá volba mnohorozměrnosti k odlišnému vesmíru s vlastním souborem fyzikálních zákonitostí.

Takže pouze jedna mnohorozměrnost může dát vzniknout světu, jak ho vnímáme. Ale který?“

Teorie strun nám bohužel nemůže dát odpověď, alespoň zatím ne. Potíž je v tom, že teorie strun není hotová – máme pouze různé aproximační metody, které se, jak doufáme, blíží skutečnosti, ale v tuto chvíli netušíme, nakolik máme pravdu. Nemáme tedy žádnou matematickou technologii, jak sledovat řetězec od konkrétního manifestu přes konkrétní vibrace strun až k fyzice vesmíru.

Odpovědí teoretiků strun je něco, čemu se říká Krajina, multivesmír všech možných vesmírů předpovězených různými manifesty, přičemž náš vesmír je jen jedním bodem z mnoha.

A právě tam se dnes nachází teorie strun, někde na Krajině.

• Einsteinova teorie relativity vysvětlena (infografika)
• Obrázky:
• Co bude dál v kosmologii po přelomovém objevu gravitačních vln?

Paul M. Sutter je astrofyzik na SUNY Stony Brook a Flatiron Institute, moderátor pořadů Ask a Spaceman a Space Radio a autor knihy Your Place in the Universe.

Dozvíte se více poslechem epizody „Is string theory worth it? (Part 3: Dimension is destiny)“ v podcastu Ask A Spaceman, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Poděkování: John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. za otázky, které vedly k tomuto článku! Položte vlastní otázku na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paula @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter.

Sledujte nás na Twitteru @Spacedotcom a na Facebooku.

.