Pátrání po dalších dimenzích vesmíru

Dvě znepřátelené teorie
Moderní teoretická fyzika stojí na dvou pilířích. Na Einsteinově obecné teorii relativity a kvantové mechanice. Ač byl Einstein paradoxně zakladatelem i druhého přístupu, nikdy se nechtěl smířit s jeho určitými aspekty a po velkou část svého života ho odmítal přijímat.

Problémy, na které Einstein ukazoval, však byly zcela jiné, spíše filozofické, než jaké fyzici poté začali řešit. Tyto dvě teorie, kvantová mechanika a obecná relativita, se totiž ukázaly jako spolu neslučitelné. Obyčejně na tom nesejde, obě teorie pracují skvěle ve svých říších - zatímco kvantová mechanika popisuje svět molekul, atomů a subatomární svět, obecná teorie nám líčí chování kosmických těles a vesmíru samotného.

Problémy se ukazují tam, kde je třeba, aby obě teorie táhly za jeden provaz. Takovými místy jsou třeba centra černých děr nebo počátek vesmíru. V obou případech převládají jak obrovská gravitace, vysoká hustota a šílené teploty, tak i malé rozměry. Einsteinova teorie se v těchto tzv. singulárních bodech hroutí a není schopna dát rozumnou odpověď na žádné otázky.

V obou zmíněných příkladech se ve výsledcích výpočtů objevují zhoubná nekonečna a teorie se hroutí. Počátek vesmíru je tak zahalen rouškou tajemství a pokud ji vědci chtějí poodhalit, nezbývá jim nic jiného, než aby našli teorii, v níž kvantovou mechaniku a obecnou teorii relativity spletou v jeden celek.

Popsat kvantověmechanickým jazykem gravitaci, aby byla s to se s těmito problémy vypořádat, není vůbec snadné - ještě se to dokonale nepodařilo. Ze čtyř základních sil jsou v řeči kvantové mechaniky popsány tři, ale gravitace stále odolává.

Hudba strun léčí
Zlom přišel s objevem teorie strun v 70. letech 20. století. Tehdy byla žhavým tématem částicová fyzika a její standardní model. Fyzici při zkoumání nepozorovaných dat a snaze vysvětlit zjistili, že pokud by silnou jadernou sílu vyvolávalo jakési malinké a tenké vlákno spojující částice, pak by se leccos vysvětlovalo. Vláknům se začalo říkat struny...

Prvotní strunová teorie coby nástroj k objasnění silné jaderné síly však fyzikální komunitu příliš nezajímala. Někteří vědci však vytrvali a zkoumali ji nadále, neboť cítili, že v ní je skryto něco mocného. A také že bylo. Za nějakou dobu totiž zjistili, že strunová teorie není ani tak teorií silné jaderné síly, jako teorií gravitace. Našli v ní totiž vibrační vzorek struny (popisující způsob kmitání struny), který odpovídal gravitonu, stále ještě hypotetické částici gravitačního pole. Bylo to poprvé v historii, kdy nějaká teorie předpovídala gravitaci, ještě navíc v kvantověmechanickém jazyce. Ostatně síla teorie se ukazovala čím dal víc. To proto, že krom vibračního vzorku gravitonu v ní jsou obsaženy i vibrační vzorky ostatních částic - struna tančící v jednom rytmu může být kvarkem, struna vibrující trochu jinak zase třeba fotonem.

Ač se strunová teorie potýkala s mnoha problémy, kvůli kterým ji zpočátku spousta fyziků odmítala, vždy byli vytrvalci, kteří dokázali objevit postupy, jak léčit různé neduhy strunové teorie a jak ji pilovat ve stále brilantnější teorii. Jistě, určité problémy přetrvávají dodnes, ale i přesto je strunová teorie žhavým kandidátem na finální teorii kosmu, kterou po dlouhou řadu let hledal i Einstein.

Ano, strunová teorie řeší problémy vznikající mezi kvantovou mechanikou a obecnou relativitou hlavně tím, že v ní nejsou nejelementárnějšími objekty nularozměrné, bodové částice, nýbrž jednorozměrné struny, které mohou být otevřené se dvěma volnými konci (vlákna), ale které mohou být taktéž uzavřené (smyčky). Tím se jako mávnutím kouzelného proutku eliminují výše zmíněná nekonečna ve výpočtech. Přesto však existuje mnoho nevyřešených otázek, které dnes strunoví teoretici horlivě řeší.

Strunová teorie (správněji si říká superstrunová, a to kvůli supersymetrii, kterou tato teorie obsahuje) však nefunguje v obyčejných třech rozměrech (započteme-li čas, superstrunová teorie "nežije" ve čtyřrozměrném časoprostoru), nýbrž na prostorech devíti (desetirozměrném časoprostoru). Zbylých šest rozměrů, jak analýza ukázala, může být našemu vnímání dobře skryto.

Fyzice se domnívají, že šest dodatečných prostorových rozměrů je svinuto, kompaktifikováno, do malinkých prostůrků, majících speciální geometrii, jde o tzv. Calabiho-Yauovy variety. V každém bodě normálního velkého třírozměrného prostoru se krčí tyto prostůrky a ačkoli my je nevnímáme, na fyziku našeho vesmíru mají obrovský vliv.

Znázornění šesti dodatečných rozměrů zmuchlaných do Calabiho-Yauových variet a vetkaných do tří velkých rozměrů - na obrázku je trojrozměrný prostor zobrazen dvojrozměrnou plochou a variety jsou nakresleny jen v průsečících souřadné sítě|foto: Brian Green

Problém je, že Calabiho-Yauových variet existuje několik desítek tisíc a rovnice teorie strun neumějí určit, jaký tvar mají tyto prostory v našem kosmu.

Dva američtí teoretici nyní tvrdí, že právě to, o jakou Calabiho-Yauovu varietu jde, je možno zjistit zkoumáním minulosti vesmíru.

Reliktní záření a tvar variet
Gary Shiu se svým studentem Bretem Underwoodem z Wisconsinské univerzity ukázali, že o existenci a tvaru extra dimenzí je možné rozhodnout na základě vlastností reliktního záření ve vesmíru.

Toto záření je pozůstatkem po velkém třesku a volné se stalo až v čase zhruba 400 000 let po velkém třesku. Jeho studium je důležité z mnoha důvodů - podrobné mapy jeho rozložení, které přinesla sonda WMAP, byly použity kupříkladu k potvrzení určitých aspektů teoretických kosmologických modelů. Nyní je cíl tedy ještě ambicióznější - najít ve fluktuacích tohoto záření stopy dodatečných skrytých dimenzí.

Shiu a Underwood tvrdí, že pokud dodatečné rozměry existují, krátce po Velkém třesku musely v tomto záření zanechat nezaměnitelné stopy.

Srovnání rozlišení mapy reliktního záření dvou sond, COBE a WMAP, skok je velmi patrný - ještě podrobnější mapa může podat vodítko ke zjištění existence dalších prostorových rozměrů vesmíru|foto: NASA

Aby se přesvědčili o pravdivosti svých tvrzení, simulovali vesmír se dvěma jednoduššími geometriemi dodatečných rozměrů a zkoumali rozložení reliktního záření. A opravdu - pro dvě různé geometrie nalezli v reliktním záření malé, avšak znatelné rozdíly.

Ačkoliv sonda WMAP přinesla mapu reliktního záření se skvělým rozlišením (mnohem lepším než její předchůdkyně COBE), pro jejich záměr pořád není dostatečně podrobná. Chtějí-li stopy dodatečných rozměrů opravdu najít a pokud mají rozhodnout o jejich tvaru, musejí si počkat na budoucí výsledky mapování reliktního záření, které přinese družice Planck, jejíž start je plánován na první čtvrtinu tohoto roku.