Mýt o začiatku času - 3

03.05.2004
 

< Späť --     Úvodná stránka      -- Ďalší >


Mýt o začiatku času (pokračovanie)

   1, 2, 3, 4, 5, 6, 7    ďalšia strana ->

Druhý prístup, ktorý sa považuje za veľmi sľubný, je teória superstrún - skutočne revolučná modifikácia Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. V tomto článku sa sústredíme hlavne na túto možnosť riešenia problému. V mnohých prípadoch aj zástancovia dráhovej kvantovej teórie dospeli k rovnakým záverom, ako teória superstrún.
Teória strún vznikla v druhej polovine šesťdesiatych rokov v snahe popísať jadrové interakcie (napríklad vzájomné pôsobenie medzi protónmi a neutrónmi). Napriek počiatočnému veľkému vzrušeniu model zlyhal. V priebehu niekoľkých rokov bol model zavrhnutý vďaka kvantovej chromodynamike, ktorá popísala elementárne častice vstupujúce do silnej interakcie (jadrové sily) ako častice skladajúce sa zo skutočne elementárnych častíc z kvarkov. Kvarky sú v protónoch a neutrónoch (aj v iných silne interagujúcich časticiach) uväznené, nikdy z nich nemôžu vystúpiť samostatne. Vo vnútri ich udržiavajú sily podobné elastickým silám pružín, strún. Pri pohľade naspäť, pôvodná teória strún chcela zachytiť práve tento aspekt silnej interakcie [príťažlivé sily medzi kvarkmi rastúcou vzdialenosťou neklesajú, ale rastú]. Teória bola oživená až neskôr, ako kandidát na skombinovanie všeobecnej teórie relativity s kvantovou teóriou.
Základnou ideou teórie strún je, že elementárne častice nie sú bodové objekty (hmotné body), ale skôr jednorozmerné objekty, struny. Veľká rozmanitosť elementárnych častíc (zoopark častíc) so svojimi špecifickými vlastnosťami (hmotnosť, elektrický náboj, spin a pod.) sú odrazom rôznych spôsobov kmitania strún. Ako môže tak jednoducho vyjadrená teória popísať komplikovaný svet častíc a ich vzájomné pôsobenie (interakcie)? Odpoveď môžeme nájsť v niečom, čo by sme mohli nazvať kvantovou mágiu strún (quantum string magic - podobne romantickému pomenovaniu kvantová teória farieb - quantum chromodynamics, čo nemá nič spoločného s farbami ani a ani mágia nemá nič spoločného s čarovaním, jedine tak v prenesenom význame). Ak sa raz použijú pravidlá kvantovej teórie na kmitajúcu strunu - miniatúrny variant husľových strún s tým rozdielom, že vlny sa po miniatúrach šíria rýchlosťou svetla - objavia sa nové vlastnosti. Všetky majú hlboké dôsledky pre fyziku elementárnych častíc ale zrovna tak aj pre kozmológiu.

Za prvé, kvantové struny majú konečný rozmer (malý, ale konečný). Veľká struna neprejavuje kvantové vlastnosti a môžeme ho rozpoliť znova a znova skracujúc jeho dĺžku, až sa začína podobať bodovej častici bez hmotnosti. Pri veľmi malých rozmeroch sa však prejavia dôsledky Heisenbergovej relácie neurčitosti. [Heisenbergova relácia neurčitosti hovorí, že niektoré fyzikálne veličiny sú si vzájomne prepojené svojim kvantovým charakterom, sú komplementárne. Mohli by sme to prirovnať vzťahu obsahu vašej peňaženky s vašimi túžbami za ich obsah niečo kúpiť. Čím presnejšie definujete svoje túžby, tým menej je pravdepodobné, že na to obsah vašej peňaženky bude stačiť a naopak, čím presnejšie určíte akú časť obsahu vašej peňaženky hodláte použiť, tým je menej pravdepodobné, že si kúpite práve to, po čom túžite. Fyzikálnejšie, komplementárne veličiny nie je možné súčasne určiť alebo obmedziť ľubovoľnou presnosťou, napríklad polohu a hybnosť častice.]


Skracovaním kvantovej struny nemôžeme pokračovať do nekonečna. Jeho rozmer je obmedzený univerzálnou konštantou ls, ktorej dĺžka je rádovo 10-34m.

Vrátiac sa ku skracovaniu strún, Heisenbergova relácia neurčitosti nedovolí skrátenie struny pod rozmer 10-34 metra. Táto najmenšia, ďalej už neredukovateľná dĺžka označovaná ako ls je nová univerzálna konštanta prírody zrovna tak, ako rýchlosť svetla vo vákuu c = 3.108m/s a Planckova konštanta h = 6,63.10-34Js. Hrá rozhodujúcu úlohu skoro v každej časti teórie strún, dávajúc konečnú hraničnú hodnotu každej veličine, ktorá by v ostatných teóriách mohla nadobúdať nulovú alebo nekonečnú hodnotu.

Za druhé, kvantové struny môžu mať moment hybnosti aj v prípade že nemajú hmotnosť. V klasickej fyzike je moment hybnosti vlastnosť telies rotujúcich okolo nejakej osi. Pri výpočte momentu hybnosti násobíme rýchlosť telesa hmotnosťou a vzdialenosťou od osi rotácie. Ak teleso nemá hmotnosť, nemôže mať ani moment hybnosti. [Moment hybnosti je to, čo drží váš bycikel stabilne v rovnováhe, keď sa pohybujete a jeho neprítomnosť vám znemožňuje udržať si rovnováhu dlhšiu dobu, keď stojíte.]
Kvantový charakter prírody však mení situáciu. Miniatúrna struna môže mať moment hybnosti až dvoch jednotiek [jednotkou je ħ = h/2p] a pritom struna ešte nemusí mať žiadnu hmotnosť. Táto vlastnosť je veľmi vítaná, lebo to zodpovedá presne tým vlastnostiam, ktoré majú elementárne častice prenášajúce všetky druhy interakcií, ako napríklad fotón (má moment hybnosti ħ, nulovú hmotnosť a prenáša elektromagnetickú interakciu) a graviton (mal by mať moment hybnosti 2ħ, nulovú hmotnosť a mala by prenášať gravitačné pôsobenie). Z historického hľadiska práve moment hybnosti priviedla na stopu fyzikov, že kvantová gravitácia bude dôsledkom teórie strún.

Za tretie, kvantové struny vyžadujú existenciu ďalších (extra) priestorových dimenzií ako prídavok k známym trom. Kým klasická husľová struna kmitá nezávisle od vlastností priestoru a času, kvantová struna je "prieberčivá". Rovnice popisujúce kmity kvantovej struny sa stávajú rozporuplnými, pokiaľ priestor nie je veľmi silne zakrivený (to však odporuje realite) alebo pokiaľ nemá 6 prídavných priestorových dimenzií (tj. celkom 9, z ktorých sú 3 tie, ktoré poznáme).

Za štvrté, fyzikálne konštanty ako Newtonova univerzálna gravitačná konštanta (G=6,67.10-11Nm2/kg2) a Coulombova konštanta, ktoré vystupujú vo fyzikálnych zákonoch určujúc vlastnosti prírody už nemôžu mať ľubovoľné hodnoty [v klasickej teórii môžu mať mnohé konštanty ľubovoľné hodnoty, preto sa dajú stanoviť jedine meraním]. V teórii superstrún sa tieto konštanty objavujú ako polia, ktoré môžu meniť svoje hodnoty dynamicky, ako elektromagnetické pole. Tieto polia ("konštanty") mohli v rôznych epochách alebo v odľahlých a nedostupných častiach vesmíru nadobúdať rôzne hodnoty. Dokonca fyzikálne konštanty sa môžu nepatrne meniť ešte aj dnes. Experimentálne potvrdenie takýchto zmien by dalo rozvoju teórie superstrún obrovský impulz [k tejto otázke sa vrátime pravdepodobne niekedy neskôr v nejakom inom článku].

   1, 2, 3, 4, 5, 6, 7    ďalšia strana ->

-AT-


< Späť --     Úvodná stránka      -- Ďalší >