Základom súčasnej kozmológie - vedy o vesmíre ako celku, o jeho vzniku, histórii a budúcnosti – je tzv. Štandardný model vesmíru s počiatkom v Big Bangu. Štandardný model je súborom teórií popisujúcich štyri základné sily v prírode v rozmedzí energií, ktoré sme schopní dosiahnuť v dnešných urýchľovačoch elementárnych častíc. Trvalo storočia, kým ľudský intelekt prenikol až do tých najvzdialenejších kútov časopriestoru, v ktorom sa odohráva životný príbeh univerzálneho celku, zvaného Kozmos. Dvadsiate storočie prinieslo po takmer dvetisícročnom úsilí dva základné piliere moderného pohľadu na vesmír a jeho vývoj - všeobecnú teóriu relativity a kvantovú teóriu poľa.
Vesmír vznikol v nepredstaviteľne malom bode priestoru a času, ktorý si sám vytváral. Dnes je vo všetkých miestach rovnaký, galaxie a kopy galaxií sa vyskytujú v rovnakom počte vo všetkých smeroch. Rozpína sa a jeho rozpínanie riadi všadeprítomná gravitácia - sila, ktorú (dnes) popisuje všeobecná teória relativity. Je plochý a nemenný, uzavretý alebo otvorený - súčasná kozmológia zatiaľ odpoveď na túto otázku nepozná. Vyvíja sa; z jednoduchých prvkov, ako je vodík a hélium. V gigantických jadrových reaktoroch zvaných hviezdy vznikli ťažšie prvky, z ktorých vznikla Zem, planéty a život.
Všetky častice, ktoré dnes v prírode poznáme, sú zaradené do dvoch skupín podľa ich spinov (spin = jeden z prvkov kvantovej fyziky; zodpovedá rotácii): bozóny, ktoré majú celočíselný spin, a fermióny so spinom, ktorého hodnota sa rovná nepárnemu násobku 1/2. Prvé prenášajú sily (napr. fotón, gravitón), tie druhé tvoria hmotu (napr. elektrón, kvark). Pomocou symetrie boli fyzici schopní spojiť len častice toho istého typu - bozóny s bozónmi a fermióny s fermiónmi - nie však opačné častice. Zlom nastal v 70-tych rokoch minulého storočia, keď sa objavili prvé supersymetrické teórie, ktoré naznačovali symetriu aj medzi bozónmi a fermiónmi. Aj keď sa takéto symetrie v dnešnom vesmíre nevyskytujú, podľa teórie sú súčasťou jeho histórie. Napriek tomu, že tieto supersymetrické teórie neboli schopné popísať vesmír ako celok, stali sa podnetom k zrodu novej teórie - teórie superstrún.
Zviazaní kozmickou strunou
O strunách ako o základných stavebných kameňoch vesmíru sa začalo hovoriť už v 60-tych rokoch 20. storočia, seriózne sa však nimi začali fyzici zaoberať až v roku 1974. Pri znovuoživení teórie strún stál John Schwarz z amerického Caltechu a Joel Scherk z Ecole Normale Supérieure v Paríži. V súčasnosti je šíriteľom tejto teórie Edward Witten z Institute for Advanced Studies v americkom Princetone, ktorého spolu s Brianom Greenom z Cornellovej univerzity (tiež USA) považujú za najväčšie nádeje súčasnej fyziky. V roku 1984 vydali Green, Witten a Schwarz knihu (mala zeleno-bielo-čierny obal podľa ich mien) Superstrings Theory, ktorá odštartovala novú etapu vedeckého, ale aj laického záujmu o túto, v súčasnosti najnádejnejšiu teóriu „všetkého“.
Teória strún predpokladá, že časopriestor sa skladá z malých struniek vytvorených z priestoru, ktoré vibrujú na nekonečnom množstve frekvencií a ktoré vytvárajú najrozličnejšie slučky a prekríženia. Všetky elementárne častice (subatomárne - teda menšie ako atóm; elektrón, neutrón, neutríno atď.) sú v teórii strún týmito kmitajúcimi slučkami. Struny sú samostatnými kúskami priestoru a ich vzájomné interakcie vytvárajú charakteristiky všetkých existujúcich subatomárnych častíc. Sú nepredstaviteľne malé (10-33 centimetra) a keby sa dali nejakým spôsobom pozorovať (čo sa v žiadnych vlnových dĺžkach elektromagnetického spektra, vrátane viditeľného svetla nedá), zvonku by vyzerali ako nekonečne malé bodové častice. Každá elementárna častica sa skladá z jedinej struny. Struna môže teoreticky vibrovať (vo veľmi vzdialenom priblížení ako struna na husliach) na nekonečnom množstve frekvencií. Čím „divokejšie“ vibrácie, tým vyššie energie častíc. Znamená to teda, že existuje nekonečné množstvo elementárnych častíc? (Poznamenajme, že v súčasnosti fyzika pozná desiatky takýchto častíc.). Nech sa to zdá akokoľvek šialené, odpoveď znie: áno. Navyše, teória strún pracuje s 10-rozmerným priestorom (iná jej variácia dokonca s 26-rozmerným!) a dokáže spojiť bozóny a fermióny - je teda supersymetrická. A vysvetľuje aj to, na čo sa logicky pýtame: prečo vo vesmíre pozorujeme len štyri rozmery? Ostatné rozmery skolabovali fázovým prechodom, odpovedá teória strún. Tak ako sa z vody pri zamŕzaní stávajú kryštáliky ľadu, z čistého strunového priestoru „vykryštalizovali“ pri rozpínaní vesmíru a jeho chladnutí miliardy čiastočiek hmoty a vydelili sa známe sily. Jednoducho povedané, naše štyri rozmery sa rozpínajú, kým zvyšných šesť rozmerov zostalo „skrútených“ kdesi v ranom vesmíre. Je možné, že by sa objavili, keby sme v experimente dosiahli rozmery porovnateľné s tzv. Planckovou škálou (10-33 centimetra) a extrémne supervysoké energie. (V dnešných urýchľovačoch elementárnych častíc - v zjednotenom európskom CERN alebo americkom FERMILAB - sa dosahujú energie zodpovedajúce zhruba tisícnásobku hmoty (energie) protónu, ktorý napríklad tvorí jadro atómu vodíka. Táto energia však predstavuje len milióntinu miliardtiny tzv. Planckovej energie, ktorá zodpovedá hmote približne zrnka prachu alebo kolónie baktérií.)
Na ceste za Einsteinovým snom
Fyzikálny a matematický popis strún je mimoriadne komplikovaný a vyžaduje si znalosti vyššej matematiky. Edward Witten hovorí, že teória strún je súčasťou fyziky 21. storočia, ktorá náhodou zablúdila do 20. storočia. Fyzici sa tak ocitli v situácii Lindbergha, ktorý sedí bez inštrukcií v kabíne raketoplánu. Nikto zatiaľ nevie, či sa táto teória - akokoľvek je sľubná a elegantná - potvrdí a ak, bude to trvať desať rokov alebo niekoľko storočí? Nie sú k dispozícii ani presné rovnice, ktoré by teóriu strún popisovali, zatiaľ máme len aproximácie.
Lenže, teória strún nie je konečnou teóriou „všetkého“, ako sa na prvý pohľad môže zdať; je, alebo by mala byť, súčasťou ešte všeobecnejšej syntézy, záhadnej M-teórie, ktorej obrysy sa ešte len rysujú na abstraktnom obzore subatomárneho sveta. Prvýkrát v histórii sa teória snaží uskutočniť nenaplnený Einsteinov sen o zjednotení všetkých štyroch síl v prírode.
(Pokračovanie v nasledujúcej prílohe Veda 12. júla)
MICHAL ŠERŠEŇ
Autor je astrofyzik a šéfredaktor e-zinu WWW.5D.SK
