načítání...
menu
nákupní košík
Košík

je prázdný
a
b

E-kniha: Elegantní vesmír -- Superstruny, skryté rozměry a hledání finální teorie – Brian Greene

Elegantní vesmír -- Superstruny, skryté rozměry a hledání finální teorie

Elektronická kniha: Elegantní vesmír
Autor: Brian Greene
Podnázev: Superstruny, skryté rozměry a hledání finální teorie

- Kniha, která je bestsellerem už více než desetiletí, pojednává s greenovskou brilancí a průzračností o jedné z nejodvážnějších vědeckých teorií současnosti. Teorie strun je ... (celý popis)
Titul je skladem - ke stažení ihned
Médium: e-kniha
Vaše cena s DPH:  149
+
-
5
bo za nákup

hodnoceni - 81.3%hodnoceni - 81.3%hodnoceni - 81.3%hodnoceni - 81.3%hodnoceni - 81.3% 95%   celkové hodnocení
4 hodnocení + 0 recenzí

Specifikace
Nakladatelství: PASEKA
Dostupné formáty
ke stažení:
PDF, EPUB, MOBI, PDF
Upozornění: většina e-knih je zabezpečena proti tisku a kopírování
Médium: e-book
Rok vydání: 2013
Počet stran: 359
Rozměr: 24 cm
Úprava: ilustrace
Vydání: 2., upr. vyd., V Pasece 1.
Název originálu: Elegant universe
Spolupracovali: přeložil Luboš Motl
Skupina třídění: Sluneční soustava. Hvězdy. Vesmír
Jazyk: česky
ADOBE DRM: bez
Nakladatelské údaje: V Praze ; a Litomyšli, Paseka, 2013
ISBN: 978-80-743-2314-0
Ukázka: » zobrazit ukázku
Popis

Kniha, která je bestsellerem už více než desetiletí, pojednává s greenovskou brilancí a průzračností o jedné z nejodvážnějších vědeckých teorií současnosti. Teorie strun je možná skutečně klíčem k jednotné teorii pole, jež Einsteinovi unikala více než třicet let. Teprve ona dává naději, že neprostupná zeď mezi obecnou teorií relativity - teorií velkého - a kvantovou mechanikou - teorií malého - bude konečně stržena. Ke sjednocení těchto dvou pilířů moderní fyziky dochází nyní v představě chvějících se mikroskopických smyček energie v samém srdci hmoty.

"Nasazuje laťku, již lze těžko překonat."
- The New York Times Book Review 

"Důležitá kniha... Myšlenky a aspirace strunové teorie představuje zřetelně a podmanivě."
 - Scientific American

(superstruny, skryté rozměry a hledání finální teorie)
Předmětná hesla
Zařazeno v kategoriích
Brian Greene - další tituly autora:
 (e-book)
Skrytá realita -- Paralelní vesmíry a hluboké zákony kosmu Skrytá realita
 
K elektronické knize "Elegantní vesmír -- Superstruny, skryté rozměry a hledání finální teorie" doporučujeme také:
 (e-book)
Riziko je nová jistota Riziko je nová jistota
 
Recenze a komentáře k titulu
Zatím žádné recenze.


Ukázka / obsah
Přepis ukázky

nakladatelství paseka


elegantní

vesmír

s uperstruny,

skryté rozměry

a hledání finální

teorie

nakladatelství paseka

elegantní

vesmír

s uperstruny,

skryté rozměry

a hledání finální

teorie

nakladatelství paseka


elegantní

vesmír

s uperstruny,

skryté rozměry

a hledání finální

teorie

nakladatelství paseka

elegantní

vesmír

s uperstruny,

skryté rozměry

a hledání finální

teorie

nakladatelství paseka


přeložil luboš motl

Copyright © 2003, 1999 by brian R. Greene

all rights reserved

translation © luboš motl, 2001, 2013

ISBN 978­80­7432­461­1 (PDF)


Matce a památce otce, s láskou a vděčností




Předmluva k druhému vydání

když jsem psal Elegantní vesmír, byl jsem si vědom toho, že se nemusí dočkat

početného čtenářstva. koneckonců kniha o nástrahách a triumfálních vítěz

stvích moderní výpravy po stopách nejhlubších přírodních zákonů není jistě

tím, po čem sáhnou lidé na pláži nebo před usnutím. a u knihy, která k tako

vému abstraktnímu tématu přistoupí se záměrem zdůraznit vědu samotnou,

a nikoli vědecké osobnosti nebo historické anekdoty, lze očekávat publikum

ještě méně početné. ale z toho jsem si moc hlavu nedělal, protože jsem si často

říkal (připouštím, že poněkud melodramaticky), že i kdybych oslovil osobu

jedinou a představil jí nové spektrum myšlenek a nový způsob, jak uvažovat

o nás samotných a o našem místě ve vesmíru, už by to stálo za to. mohlo by

jít o mladého studenta, který se rozhoduje, co bude studovat, o profesionála,

který si chce odpočinout od každodenní rutiny, nebo o důchodce, který si

konečně našel čas, aby si přečetl o pokrocích vědy. kdybych jim mohl pomoci

na jejich cestě za novým pohledem na vesmír vynořující se z moderní fyziky,

pak by úsilí věnované psaní Elegantního vesmíru nepřišlo vniveč. tohle uvažo

vání mi přinejmenším pomohlo překonat obtížná období, s nimiž se nejeden

autor musí vypořádat při práci na rozsáhlejším díle.

opakovaně mně dodávali sílu i posluchači různých mých veřejných před

nášek o relativitě, kvantové mechanice a o mém vlastním specializovaném

oboru – teorii superstrun –, kteří byli uchváceni podivnými, možná až stra

šidelnými představami vynořujícími se na samé hladině nejnovějšího výzku

mu. vesmír, v němž je prostor a čas tvárný a poddajný, vesmír s dodatečnými

rozměry, které nevidíme, vesmír, jehož tkanina se může roztrhnout, vesmír,

v němž se všechno může skládat z vibrací ultramikroskopických smyček ener

gie nazývaných strunami, to všechno byl vesmír, který naplňoval poslucha

če vzrušením a mnohé i touhou porozumět všemu hlouběji. Elegantní vesmír

z těchto přednášek vyklíčil, poněvadž jsem si předsevzal napsat knihu, která

pocit intimní znalosti vesmíru nabídne čtenářům bez formálního vzdělání

v matematice a fyzice. ani to, že první zástupce nakladatelství, jemuž jsem

svůj plán představil, můj nápad hned odmítl – celkem pochopitelně se obá

val, není-li předmět knihy příliš specializovaný a nevhodný pro široký okruh


 p ř e d m l u v a k d r u h é m u v y d á n í čtenářů –, nemohlo oslabit můj pocit jistoty, že v každé přednáškové místnosti, kde jsem o fyzice mluvil, byla atmosféra nabita nadšením. téměř jsem ji viděl jiskřit.

Elegantní vesmír na tomto nadšení stavěl a odezva na knihu, která mi udělala velkou radost, byla důkazem, jak velké množství lidí touží poznat místo, jež je naším domovem. utvrdila mě i ve víře, že fyzika autorům nabízí jedno z nejbáječnějších témat, jaká si lze představit. všichni máme rádi dobrý příběh. všichni se rádi necháme dráždit tajemstvím. všichni fandíme outsiderovi, který se nevzdává tváří tvář mizivým nadějím, že uspěje. tak či onak se každý z nás snaží, aby nám svět kolem dával smysl. a všechny tyto prvky lze v srdci moderní fyziky najít. Její příběh patří mezi ty nejmajestátnější – jde nakonec o vývoj celého vesmíru. Její tajemství patří mezi ta nejlépe střežená – chceme zjistit, jak se vesmír zrodil. pravděpodobnost, že v pátrání uspějeme, patří mezi ty nejnižší – protože my dvounožci, kteří jsme na scénu vstoupili z kosmického hlediska před pouhým okamžikem, se snažíme odhalit záhady, které svět skrývá dlouhé věky. a hledáme taje, které patří k těm nejhlubším – chceme nalézt fundamentální zákony ovládající vše, co vidíme, i to, co nevidíme, od nejdrobnějších částic až k nejvzdálenějším galaxiím. těžko si lze představit pro autora bohatší východisko.

laici občas přehlížejí rozdíl mezi odrazujícím jazykem – matematikou –, v němž se fyzika vypracovává, a poutavými myšlenkami, s nimiž fyzika zápolí. dopouštějí se však stejné chyby, jako kdybych se já sám snažil hodnotit Dobro­ družství Huckleberryho Finna podle jeho řeckého překladu. řeckou abecedu sice používám každý den, ale řecky neumím ani slovo, takže bych román jen stěží mohl pochopit a docenit. analogicky je žádoucí z výkladu odstranit matematické překážky a představit moderní fyziku v jazyce nám všem dobře známém. a pak nejednoho čtenáře, který si myslel, že o vědu nemá zájem, náhle fyzika okouzlí. svléknou-li se témata moderní fyziky z jejich technicky náročného krunýře, ukáže se naplno jejich univerzální hodnota, a to doslova.

poslední dobou se toto tvrzení stává stále zřejmějším spolu s tím, jak se fyzika častěji objevuje v kulturním dění – existuje rostoucí počet divadelních, hudebních a výtvarných děl, která se moderní vědou inspirovala. dokážu vyjmenovat téměř tucet čerstvých divadelních her, plnohodnotnou skladbu pro smyčcové kvarteto, celé spektrum filmů a filmových scénářů, operu a sérii obrazů a soch, které do různé míry vyjadřují, interpretují a rozpracovávají lidské drama, které cesta za vědeckým poznáním představuje. tyto ozvěny vědy jsou báječné, ale nijak mě nepřekvapují. vždycky mě oslovovalo výtvarné, divadelní i filmové umění a literatura, které zásadně ovlivnily mé vnímání toho, co je skutečné a důležité, a řada lidí, s nimiž jsem se setkal, se mnou tuto zálibu sdílí. a přesně tohle nejdalekosáhlejší objevy vědy z posledního století dokázaly. nijak nepřeháníme, když říkáme, že relativita a kvantová mechanika přepsaly dříve vymyšlená pravidla reality a – zaspekulujeme-li si


p ř e d m l u v a k d r u h é m u v y d á n í

o něco více – že teorie superstrun dnes znovu provádí podobnou revizi. není divu, že umělci, spisovatelé, skladatelé a filmoví tvůrci zjišťují, že jejich vlastní práce může být v dokonalé harmonii s vědeckými objevy, které útočí na stávající obraz vesmíru.

v tomto vztahu mezi uměním a moderní fyzikou není umění pouhým příjemcem. Fyzikální objevy se do našeho kolektivního světonázoru včleňují pomalu. ba i dnes, téměř po celém století, stále ještě většina lidí plně nedoceňuje experimentálně ověřená poučení, kterými nás obohatil einstein nebo svět kvant. tím, že umění odvážně uchopuje vědu a zužitkovává její vnitřní kouzlo v zábavných i dramatických dílech, stává se dokonalým médiem pro úplné začlenění vědy do rozmluvy, jíž se účastní celé lidstvo. nacházíme dokonce vědou inspirovaná umělecká díla, která nabízejí nové podněty vědecké představivosti samotné a nějakým způsobem, nesnadno osvětlitelným, nás možná připravují na další krok v prohlubování našeho porozumění vesmíru. Je jisté, že přesměrují-li se světla reflektorů, která vědu osvětlují, z čistě rigorózního a číselně vyjádřeného výzkumu usilujícího o poznání na lidskou vnímavost a city, které nás obohacují a oslovují humánnějším, byť méně jednoznačným způsobem, získáváme nový a nesmírně mocný nástroj. Je-li věda široce vnímána jako neoddělitelná součást toho, co z nás činí lidské bytosti, posiluje se tak značně naše vlastní spojení s vesmírem; věda je doopravdy nití, kterou jsme všiti do tkaniny reality.

léta uplynulá od prvního vydání Elegantního vesmíru byla, pokud jde o teorii superstrun, extrémně plodná, ale zatím nedošlo k oné revoluci, jež, jak očekávají mnozí, nás čeká za rohem. Z toho plynou důsledky dobré i špatné. tím dobrým je fakt, že žádná část textu nezestárla ani neztratila význam. kdybych knihu o strunové teorii psal dnes, pokryl bych stejné otázky, byť bych někde přidal a jinde zase ubral na důrazu, ale výsledek by se od textu Elegantního vesmíru z velké části příliš nelišil. dvěma nejvýraznějšími změnami by byla nová kapitola o tom, že podle některých nových myšlenek jsou možná struny a dodatečné rozměry o něco větší, než se předpokládalo (o této možnosti se v době psaní Elegantního vesmíru pouze začínalo mluvit; zmínky o ní naleznete v několika poznámkách na konci knihy), a pojednání o geniální nové práci, která přináší přesnější (tzv. neporuchovou) formulaci strunové teorie. až se začtete do 6., 8. a 12. kapitoly, nezapomeňte na to, že struny a dodatečné rozměry mohou být větší, než můj výklad naznačuje, a že se značně pokročilo ve formulaci přesných rovnic teorie strun (ačkoli se fyzikům zatím nepodařilo z těchto rovnic vytěžit rozřešení klíčových otázek, které si tyto kapitoly kladou).

to, že kniha nevyžaduje zásadní aktualizaci, je na druhé straně špatnou zprávou; to proto, že mnohé překážky, na něž kniha upozorňuje, ještě stále nebyly zdolány. upřímně řečeno, ačkoli bychom si všichni přáli co nejrychlejší pokrok, pomalejší změny jsou spíše pravidlem než výjimkou. strunová teorie


10 p ř e d m l u v a k d r u h é m u v y d á n í

zápolí s těmi nejzákladnějšími otázkami teoretické fyziky, z nichž velká část

se nachází za hranicemi toho, co mohou odhalit experimenty. Její úspěch by

byl obrovským přínosem, protože některé z nejhlubších otázek by se mohly

dočkat odpovědí. pokrok však není myslitelný bez lopotné práce, trpělivosti,

trochy štěstí a značného množství inspirace – a právě u těchto ingrediencí je

nesmírně těžké byť jen zhruba odhadnout, kolik času zaberou.

možná kýžené hlubší úrovně poznání dosáhne už naše generace, možná ni

koli. možná se to poštěstí až pokolení našich vzdálených prapotomků. Jedno

však víme jistě. že se pravdu nedozvíme, pokud se o to nepokusíme. vzhle

dem k tomu, že postgraduální studenti, kteří začínají s výzkumem, jsou stále

talentovanější, bude mít věda k dispozici mnoho nadšených badatelů, kteří

převezmou pochodeň a budou s ní mířit stále kupředu. všichni se budeme

i v nadcházejících letech snažit, a to usilovně, záhady vesmíru odkrýt.

Brian Greene, 2003


11

Předmluva

v posledních třiceti letech svého života hledal albert einstein neúnavně takzvanou jednotnou teorii pole – teorii schopnou popsat síly přírody v jediném, všezahrnujícím a koherentním rámci. einsteina nemotivovaly věci, které často spojujeme s vědeckou aktivitou, jako je třeba objasňování toho či onoho dílu experimentálních údajů. byl hnán vášnivou vírou, že nejhlubší pochopení vesmíru by odkrylo nejopravdovější div kosmu: jednoduchost a sílu principů, na nichž stojí. Chtěl osvětlit fungování vesmíru s jasností předtím nikdy nedosaženou a umožnit nám tak stanout v bázni před jeho čirou krásou a elegancí.

einsteinovi se tento sen uskutečnit nepodařilo hlavně proto, že mu to nedopřály okolnosti. v jeho době bylo mnoho podstatných rysů hmoty neznámých nebo v nejlepším případě nedostatečně známých. ale za poslední půlstoletí fyzici každé nové generace – metodou poku su, omylu a občasného zabloudění ve slepých uličkách – vytrvale a na základě objevů svých předchůdců sestavovali stále úplnější obraz toho, jak funguje vesmír. a dnes, dlouho poté, co einstein vyhlásil program hledání jednotné teorie a nakonec vyšel s prázdnýma rukama, fyzici věří, že konečně našli rámec pro sešití těchto střípků poznání do beze švého celku – jediné teorie, která je v principu schopna popsat veškeré fyzikální jevy. a tato teorie, teorie superstrun, je tématem naší knihy.

pokusil jsem se v Elegantním vesmíru zpřístupnit pozoruhodné po znatky z předních linií fyzikálního výzkumu širokému spektru čtená řů, zvláště těm bez hlubšího matematického a fyzikálního základu. když jsem v posledních letech přednášel o teorii superstrun, přesvěd čil jsem se o tom, jak mnoho lidí touží pochopit, co současný výzkum říká o fundamentálních zákonech vesmíru, jak tyto zákony žádají mo numentální přestavbu našich představ o kosmu a které úkoly nás čekají na další cestě k finální teorii. doufám, že vysvětlením velkých výsled ků fyziky, sahajících zpět až k albertu einsteinovi a Werneru Heisenbergovi, a vylíčením toho, jak tyto objevy významně rozkvetly a zkošatěly po průlomových objevech naší doby, má kniha čtenáře obohatí a uspokojí jejich zvídavost.

také doufám, že Elegantní vesmír přinese mnoho nového i čtenářům do jisté míry poučeným. studentům a učitelům přírodních věd, jak ale spoň věřím,


12 p ř e d m l u v a přinese krystalizaci jejich znalostí základního materiálu moderní fyziky, jako je speciální relativita, obecná relativita a kvantová mechanika, a nakazí je vzrušením těch, kdo hledají sjednocenou teo rii. lačnému čtenáři populárně-vědeckých knih jsem se pokusil vysvět lit mnohé pokroky v porozumění kosmu, které vyšly na světlo za poslední desetiletí a které vzbuzují naději. a kolegům z jiných vědeckých disciplin tato kniha, jak doufám, poctivě a vyváženě řekne, proč jsou strunoví te oretici z pokroku při hledání finální teorie přírody tolik nadšeni.

teorie superstrun rozprostírá širokou síť v moři vědění. Je to před mět rozsáhlý a hluboký, který má co říct k mnoha základním objevům ve fyzice. a protože tato teorie sjednocuje zákony velkého a malého, zákony řídící fyziku těch nejvzdálenějších oblastí kosmu i titěrného smítka hmoty, nabízí mnoho cest, kterými k ní lze přistoupit. ve své knize jsem se zaměřil na naše vyvíjející se chápání času a prostoru. Zjistil jsem, že tímto přístupem lze mnohé otázky dobře uchopit a skli dit tak bohatou úrodu fascinujících plodů v sadu klíčových nových objevů. einstein ukázal, že se prostor a čas chovají neobyčejným a ohro mujícím způsobem. nynější výzkum v prvních liniích fyziky začlenil jeho objevy do obrazu kvantového vesmíru s několika skrytými rozměry svinutými do struktury kosmu – s dimenzemi, jejichž marnotratně propletená geometrie v sobě pravděpodobně skrývá klíč k některým z nejhlubších otázek, jež kdy byly nastoleny. ačkoli jde často o otázky nesmírně složité, lze je, jak uvidíme, uchopit za pomoci obyčejných ana logií. a jakmile tyto myšlenky pochopíme, poskytnou nám překvapivý a revoluční pohled na vesmír.

v celé knize jsem se snažil stát blízko vědě, ale přesto poskytovat čtenáři – často právě prostřednictvím analogií a meta for – intuitivní pochopení toho, jak vědci k dnešní představě o kosmu dospěli. přestože jsem se vyhnul technickému jazyku a rovnicím, bude se možná čtenář mu set tam a onde zastavit a přemítat o té či oné kapitolce nebo vysvětle ní, aby tok myšlenek pochopil, neboť jde často o představy, které radikálně mění náš pohled na svět. několik kapitolek čtvrté části (zaměře ných na nejnovější vývoj) je trochu abstraktnějších než zbytek knihy. snažil jsem se čtenáře na tyto pasáže předem připravit, ale přesto jsem strukturoval text tak, že je lze přeletět nebo i vynechat s minimálními důsledky na logický tok knihy. Zařadil jsem i slovníček vědeckých výrazů pro rychlé a dostupné zopakování myšlenek uvedených v hlavním textu. byť možná některý z čtenářů poznámky na konci rád vynechá, jeho hloubavější kolega tam najde rozvedení myšlenek, ujasnění idejí v textu zjednodušených a ten s matematickým výcvikem i pár technic kých exkurzů.

dlužím mnoha lidem poděkování za jejich pomoc při psaní této knihy. david steinhardt četl rukopis velmi pozorně, štědře mě zahrno val návrhy na vylepšení a neocenitelně mě při psaní knihy povzbuzo val. david morrison, ken vineberg, Raphael kasper, nicholas boles, steven Carlip, arthur Green


13p ř e d m l u v a

spoon, david mermin, michael popowits a shami offen četli důkladně mé zápisky a nabídli podrobné připomínky a návrhy, které významně rozšířily moje podání. Celý rukopis nebo jeho část dále přečetli a poskytli radu a povzbuzení paul aspinwall, persis drellová, michael duff, kurt Gottfried, Joshua Greene, teddy Jefferson, marc kamionkowski, Yakov kanter, andras kovacs, david lee, megan mcewenová, nari mistry, luboš motl, Hasan padamsee, Ronen plesser, massimo poratti, Fred sherry, lars straeter, steven strogatz, andrew strominger, Henry tye, Cumrun vafa a Gab riele veneziano. Zvlášť bych chtěl poděkovat Raphaelu Gunnerovi, mimo jiné za kvalifikovanou kritiku v raném stadiu psaní, která po mohla knize jako celku, a Robertu malleymu za jeho jemné, ale vytr valé hecování, abych už přestal o knize přemýšlet a položil konečně „tužku na papír“. steven Weinberg a sidney Coleman poskytli hodnot né rady a pomoc a je pro mě radostí ocenit i mnohá užitečná setkání a diskuse s Carol archerovou, vicky Carstensovou, davidem Casselem, anne Coyleovou, michaelem duncanem, Jane Formanovou, Wendy Greeneovou, susan Greeneovou, erikem Jendresenem, Garym kassem, shivou kumarem, Robertem mawhinneym, pam morehousovou, pierrem Ramondem, amandou sallesovou a eero simoncellim. Costasi efthimiouovi jsem zavázán za pomoc s ověřováním faktů a hle dání referencí a za proměnu mých původních náčrtků v kresby, z nichž tom Rockwell stvořil – s trpělivostí svatého a s mistrovstvím oka uměl cova – obrázky ilustrující text. můj dík patří i andrewu Hansonovi a Jimu sethnaovi za pomoc při přípravě několika speciálních obrázků.

Za osobní rozhovor a za poskytnutí osobních pohledů na různá dis kutovaná témata děkuji Howardu Georgimu, sheldonu Glashowovi, michaelu Greenovi, Johnu schwarzovi, Johnu Wheelerovi, edwardu Wittenovi a opět andrewu stromingerovi, Cumrunu vafovi a Gabri elu venezianovi.

angele von der lippeové jsem vděčen za její neocenitelné návrhy a traci nagleové za její smysl pro detail. obě tyto redaktorky nakla datelství W. W. norton značným dílem přispěly k jasnosti podání. děkuji též svým literárním zprostředkovatelům, Johnu brockmanovi a katince matsonové, za jejich odborné vedení od prvopočátků až k publikaci knihy.

Za štědrou podporu mého víc než patnáct let trvajícího výzkumu v teoretické fyzice děkuji národní vědecké nadaci (nsF), nadaci al freda p. sloana a ministerstvu energetiky usa (doe). snad nepřekva pí, že se můj vlastní výzkum soustředil na vliv teorie superstrun na naše představy o času a prostoru. v několika následujících kapitolách bych rád přiblížil část objevů, jichž jsem měl to štěstí se účastnit. Jakkoli věřím, že čtenář tyto „pohledy zevnitř“ocení, uvědomuji si, že v něm mohou zanechat přehnaný dojem z úlohy, kterou jsem při vývoji teorie superstrun hrál. Chtěl bych proto využít této příleži tosti a poděkovat více než tisícovce fyziků celého světa, oddaným


14 p ř e d m l u v a

účastníkům úsilí o zformování finální teorie vesmíru. Zároveň se omlou vám

všem, na jejichž práci se v mé knize nedostalo; tento fakt jen od ráží tematic

kou perspektivu, kterou jsem vybral, a omezení délky obec né prezentace.

nakonec z celého srdce děkuji ellen archerové za její neutuchající lásku

a podporu, bez nichž by tato kniha nikdy nespatřila světlo světa.

Brian Greene


15

Pár slov překladatele

kdosi řekl, že akt bádání není ani tak hledání nových pevnin, jako spíše formování nových pohledů. Čtenáři, kteří pohlédnou na svět očima formovanýma teorií strun, zjistí, že tento pohled na svět člověku vyráží dech.

dnes pracují fyzici a matematici celého světa horečnatě na jedné z nejambicióznějších kdy navržených teorií: na teorii superstrun. strunová teorie, jak se často nazývá, je klíčem k jednotné teorii pole, která einsteinovi unikala více než třicet let. věda konečně překonala téměř století trvající nevraživost mezi zákony velkého – obecnou teorií relati vity – a zákony malinkého – kvantovou mechanikou. strunová teorie ob ratně sjednocuje tyto pilíře moderní fyziky do jediného a harmonické ho celku na základě představy, že všechny úžasné události ve vesmíru jsou projevem chvění jediného objektu: mikroskopicky tenkých smy ček energie „žijících“ hluboko v srdci hmoty. a pro schopnost sjednotit všechny síly přírody a poskytnout takříkajíc hlavní rovnici řídící širokou sféru platnosti fyzikálních zákonů od kvarků až po vesmír mlu ví mnozí o teorii superstrun jako o „teorii všeho“.

v této brilantně psané, průzračné a osvěžující knize dává brian Greene, jeden z předních strunových teoretiků, do souvislosti vědecký příběh s lidským bojem v pozadí hledání finální teorie. teorie strun, jak autor živě popisuje, odhaluje obraz vesmíru, který šokovými vlnami otřásá světem fyziky. uchvacující a revoluční myšlenky, jako například nové rozměry skryté v struktuře prostoru, černé díry přeměňující se v elementární částice, trhliny a díry v časoprostorovém kontinuu, gigantic ké vesmíry zaměnitelné s miniaturními a hromada dalších, hrají ústřed ní roli při tom, jak se fyzici se strunovou teorií po ruce utkávají s některými z nejhlubších otázek věků.

s autoritou a šarmem nás Elegantní vesmír seznamuje s objevy i do sud nerozlousknutými tajemstvími, s veselím i smutkem těch, kdo ne únavně zkoumají finální povahu prostoru, času a hmoty. s užitím rafino vaných metafor a analogií Greene úspěšně učinil z konceptů, řadících se k nejpromyšlenějším, čtení na dotyk přístupné a veskrze zábavné a při vedl nás tak blíže k porozumění, jak funguje vesmír.


16 p á r s l o v p ř e k l a d a t e l e

mezi kulturní jazyky, do kterých byl bestseller briana Greenea pře ložen, se

zařadila i čeština. snažil jsem se maximálně zachovat srozu mitelnost a jasnost

anglického originálu. proto jsem také například všechny našinci poněkud cizí

jednotky, jako jsou palce, stopy, míle, Fa hrenheitovy stupně, ale třeba i dola

ry, čtvrťáky a centy, přepočítal na jejich české ekvivalenty, přičemž jsem urči

té údaje pozměnil tak, aby čísla nezněla krkolomně, ale aby bylo poselství

autorem zamýšlené uchováno beze změn. tam, kde kontext vyžadoval čes

kému čtenáři cosi vysvětlit, jsem tak učinil bez zvláštního značení, které by

narušo valo plynulost výkladu. slovníček fyzikálních výrazů na konci knihy

jsem přetřídil a obohatil o některá slůvka v našich končinách světa méně uží

vaná. dlužím poděkování martě bednářové, michalu Fabingerovi, vojtěchu

Hálovi a daliboru šmídovi za pečlivé pročtení textu a za cenné připomínky

a mirku beláňovi navíc za účinnou pomoc při převádění textu do formátu

ms-WoRd. brian Greene ochotně posky tl pomoc při organizaci české ver

ze a rady zkušenějšího. Jiří langer stál u kolébky projektu a vděčím mu za

povzbuzení i důvěru. Závěrem děkuji i redaktorce paní věře amelové, která

svým dílem přispě la k tomu, že kniha nakonec vyšla.

20. února 2001

Luboš Motl

adresa na internetu:http://lumo.blogspot.cz/2013/03/elegantni-vesmir.html


Část první

Hranice vědění


1

Kapitola první

Svázáni strunou

nazývat to zastíráním problémů by bylo jistě příliš nadsazené. ale více než půl století – dokonce uprostřed největších vědeckých revolucí – si byli fyzici v skrytu duše vědomi temného mraku nejasně se rýsujícího nad vzdáleným obzorem. Celý problém tkví v tom, že moderní fyzika stojí na dvou základních pilířích. Jedním je obecná relativita alberta einsteina, která poskytuje teoretický rámec pro chápání vesmíru v těch největších měřítkách: hvězd, galaxií, kup galaxií a dále až k obrovskému rozpínání vesmíru samotného. tím druhým pilířem, na němž fyzika stojí, je kvantová mechanika, která nabízí teoretický rámec pro pochopení vesmíru nejmenších měřítek: molekul, atomů a dále až k subatomárním částicím, jako jsou elektrony nebo kvarky. v průběhu let potvrdili experimentální fyzici s téměř nepředstavitelnou přesností prakticky všechny předpovědi obou zmíněných teorií. ovšem tytéž teoretické nástroje neúprosně vedou k jinému, znepokojivému závěru: tak jak jsou obecná relativita a kvantová mechanika dnes formulovány, nemohou být pravdivé současně. tyto dvě teorie, které podnítily fantastický pokrok fyziky za poslední století, pokrok, který objasnil rozpínání nebes i fundamentální strukturu hmoty, jsou totiž vzájemně neslučitelné.

pokud jste o tomto zuřivém antagonismu ještě neslyšeli, ptáte se asi po důvodu. nalézt odpověď není těžké. všude kromě extrémních situací studují fyzici věci, které jsou buď malé a lehké (jako atomy nebo jejich části), nebo naopak obrovské a těžké (jako hvězdy a galaxie), ale nikdy oboje najednou. to znamená, že potřebují buď jen kvantovou mechaniku, nebo jen obecnou relativitu a mohou se, s nenápadným zábleskem v očích, otočit zády k chrchlavému varování druhé z teorií. po padesát let nebyl tento přístup tak blažený jako nevědomost, ale neměl k tomu daleko.

vesmír ale umí být extrémní. v hlubinách u středu černé díry je stlačena obrovitá hmota do malinkého prostoru. v momentu velkého třesku celý vesmír vyšlehl z mikroskopického zrnka, vůči němuž vyhlíží zrnko písku jako nějaký obrovský kolos. existují oblasti malinké, a přesto neuvěřitelně masivní, vyžadující zapojit jak kvantovou mechaniku, tak obecnou relativitu. Z důvodů, jež vám budou při čtení této knihy stále jasnější, se rovnice obecné relativity a kvantové


1s v á z á n i s t r u n o u

mechaniky, pokud je zkombinujeme, začnou otřásat, chrastit a funět jako vyřazený automobil. prozaičtěji řečeno, nešťastná slitina těchto teorií dává nesmyslné odpovědi na dobře položené otázky. dokonce i kdybyste chtěli udržet vnitřek černé díry a začátek vesmíru přikrytý rubášem nevědomosti, neubráníte se pocitu, že nepřátelství mezi obecnou relativitou a kvantovou mechanikou volá po hlubší úrovni porozumění. mohl by snad vesmír být opravdu na fundamentální rovině rozpolcen a vyžadovat jednu sadu zákonů pro velké objekty a jinou, s tou první neslučitelnou sadu zákonů v případě objektů malých?

teorie superstrun, mladá dcerka z bohaté rodiny, mladá alespoň ve srovnání se starými a ctihodnými matronami obecné relativity a kvantové mechaniky, odpovídá na otázku z konce minulého odstavce široko daleko se rozléhajícím „ne“. intenzivní výzkum fyziků a matematiků celého světa odhalil v posledním desetiletí, že tento nový přístup k popisu hmoty na nejzákladnější úrovni řeší napětí mezi obecnou relativitou a kvantovou mechanikou. teorie superstrun ve skutečnosti v sobě skrývá daleko více; v jejím rámci obecná relativita a kvantová mechanika dokonce vyžadují jedna druhou, aby celá teorie dávala smysl. podle teorie superstrun je tedy manželství uzavřené mezi zákony velkého a zákony malého nejen šťastné, ale dokonce nevyhnutelné.

to je jen část dobrých zpráv. teorie superstrun – krátce teorie strun – totiž posouvá sjednocení těchto zákonů o jeden obří krok kupředu. po tři desetiletí hledal albert einstein jednotnou teorii fyziky, takovou, která by vetkala veškeré síly přírody a částice hmoty do jediného teoretického gobelínu. neuspěl. dnes, v rozbřesku nového tisíciletí, tvrdí zastánci strunové teorie, že nitě tohoto prchavého sjednoceného gobelínu byly konečně nalezeny. teorie strun má moc ukázat, že všechny báječné události ve vesmíru – od šíleného tance subatomárních kvarků k okázalému valčíku navzájem se obíhajících dvojhvězd, od počátečního ohnivého záblesku velkého třesku až k majestátnímu tanci nebeských galaxií – jsou ztělesněním jednoho velkého fyzikálního principu, jediné mistrovské rovnice.

tyto rysy strunové teorie po nás žádají radikální změnu chápání času, prostoru a hmoty, proto chvíli potrvá, než si na ni zvykneme a přijmeme ji. ale jak se vyjasní, ve správném kontextu lze vidět, že se tato teorie vynořuje jako dramatický, a přesto přirozený výhonek revolučních objevů fyziky několika posledních staletí. uvidíme, že konflikt mezi obecnou relativitou a kvantovou mechanikou není prvním, ale už třetím v posloupnosti zásadních konfliktů, které za poslední století propukly, a že řešení každého z nich vyústilo v ohromující revizi našeho náhledu na vesmír.

Tři konflikty

první konflikt, odhalený někdy na sklonku 19. století, se týká podivných vlastností pohybu světla. stručně řečeno, běžíte-li dostatečně rychle, můžete podle


20 k a p i t o l a p r v n í zákonů pohybu isaaca newtona dohonit vzdalující se svazek paprsků světla, zatímco podle zákonů elektromagnetismu Jamese Clerka maxwella se vám to nepodaří. Jak se dozvíte v 2. kapitole, einstein rozřešil tento konflikt ve své speciální teorii relativity, čímž převrátil naruby naše chápání času a prostoru. podle speciální teorie relativity už prostor a čas nelze chápat jako univerzální pojmy jednou provždy vytesané do kamene a vnímané všemi stejně. Čas a prostor se z einsteinovy reformy fyziky vynořují spíše jako proměnlivé konstrukce, jejichž tvar a vzhled závisí na našem stavu pohybu.

Rozvoj speciální relativity připravil hned scénu pro konflikt další. Jeden ze závěrů einsteinovy práce zněl, že žádný objekt – dokonce ani žádný signál či vzruch libovolného druhu – nemůže letět rychleji než světlo ve vakuu. ale jak uvidíme ve 3. kapitole, newtonova experimentálně úspěšná a intuitivně uspokojující univerzální teorie gravitace předpokládá, že tělesa na sebe gravitačně působí i na velké vzdálenosti okamžitě. byl to opět einstein, kdo zakročil a vyřešil konflikt tak, že ve své obecné teorii relativity z roku 1915 nabídl novou představu gravitace. i relativita obecná – stejně jako speciální relativita – otřásla představami o čase a prostoru. podle ní jsou prostor a čas nejen ovlivněny naším stavem pohybu, ale mohou se dokonce zakřivovat a vychylovat v závislosti na přítomnosti hmoty nebo energie. takové deformace struktury času a prostoru, jak uvidíme, přenášejí gravitační sílu z místa na místo. Čas a prostor tedy už nelze chápat jako netečné jeviště, na němž se odehrávají vesmírné události; podle speciální a poté obecné relativity jsou spíše samy přímými účastníky všech těchto událostí.

Ještě jednou se příběh v nejhlubších rysech opakuje. objev obecné relativity sice jeden konflikt vyřešil, ale jiný zažehl. v průběhu prvních tří desetiletí 20. století vyvinuli fyzici kvantovou mechaniku (jíž je věnována 4. kapitola) jako odezvu na řadu oslňujících otázek, které přinesla aplikace fyzikálních představ 19. století na mikroskopický svět. a jak jsme už uvedli, třetí a nejhlubší konflikt vyvolala neslučitelnost kvantové mechaniky a obecné relativity. Jak zjistíte v 5. kapitole, jemně se zakřivující geometrický tvar prostoru podle obecné relativity je na ostří nože s šíleným a škubavým mikroskopickým chováním vesmíru, které je dílem kvantové mechaniky. Jelikož do půli osmdesátých let nebylo známo, že teorie strun tento rozpor řeší, je právem nazýván ústředním problémem moderní fyziky. a co víc, aniž by popírala principy speciální a obecné relativity, vyžaduje od nás teorie strun bouřlivé přezáplatování představ o čase a prostoru. většina z nás například považuje za fakt, že prostor má tři rozměry. podle strunové teorie je tomu jinak, vesmír má rozměrů mnohem více, než jsme schopni vnímat – přebytečné rozměry jsou pevně svinuty do zahalené struktury kosmu. tyto vhledy do povahy prostoru a času jsou natolik základní, že nám budou průvodcem v následujících dobrodružstvích. teorie strun je v určitém smyslu opravdu příběhem času a prostoru po einsteinovi.


21s v á z á n i s t r u n o u

abychom pochopili, čím vlastně tato teorie opravdu je, musíme se vrátit do minulosti a stručně vylíčit, co nás poslední století naučilo o mikroskopické struktuře vesmíru.

Vesmír v nejlepším mikroskopu aneb Co víme o hmotě

staří řekové vytušili, že hmota vesmíru je tvořena z drobných „nedělitelných“ částeček, které nazvali atomy. stejně jako lze velké množství slov vytvořit kombinacemi několika hlásek, v řecku správně uhodli, že široká řada hmotných objektů by také mohla být výsledkem skládání malého množství rozdílných elementárních stavebních kamenů. projevili tím velkou předvídavost. o více než dvě tisíciletí později stále věříme, že měli pravdu, ačkoli představa nejzákladnějších stavebních jednotek doznala za tu dobu mnoha změn a revizí. v 19. století vědci ukázali, že mnoho známých látek, jako například kyslík nebo uhlík, je tvořeno malými a dále nedělitelnými stavebními jednotkami; podle tradice založené řeky je nazvali atomy. Jméno se udrželo, ale historie ukázala, že šlo o ošidné pojmenování, vždyť atomy nesporně „dělitelné“ jsou. do začátku třicátých let 20. století ustavily kolektivní práce Josepha Johna Thomsona, ernesta Rutherforda, nielse bohra a Jamese Chadwicka model atomu podobného sluneční soustavě, většině z nás známého. atomy mají daleko k základním stavebním jednotkám, skládají se z jádra, obsahujícího neutrony a protony, které je obklopeno rojem obíhajících elektronů.

na okamžik považovali fyzici protony, neutrony a elektrony za „atomy“ starých řeků. ovšem v roce 1968 využili experimentátoři vzrůstající kapacity techniky stanfordského lineárního urychlovače (slaC) ke zkoumání mikroskopických hlubin hmoty a ukázali, že ani protony a neutrony nejsou těmi nejzákladnějšími jednotkami. Zjistili, že každý z nich se skládá ze tří menších částic, z kvarků. tohle zvláštní označení přejal teoretický fyzik murray Gell-mann, který už dříve existenci těchto částic předpověděl, z verše knihy Jamese Joyce Plačky nad Finneganem.

1

experimentátoři potvrdili, že existují

dva druhy kvarků, a s mnohem menší tvořivostí je pojmenovali up a down, „nahoru“ a „dolů“. proton obsahuje dva up-kvarky a jeden down-kvark; neutron jeden up-kvark a dva down-kvarky.

všechno, co můžete spatřit v světě pozemském i na nebi, je zdá se kombinací elektronů, up-kvarků a down-kvarků. neznáme žádný experiment, který by naznačoval, že se kterákoli z těchto tří částic skládá z něčeho menšího. Zato velké množství pozorování ukazuje, že vesmír samotný obsahuje další druhy částic. v polovině padesátých let našli Frederick Reines a Clyde Cowan nezvratné důkazy existence čtvrté elementární částice, neutrina, předpovězené už začátkem třicátých let Wolfgangem paulim. ukázalo se, že neutrina se velmi těžko hledají, neboť procházejí ostatní hmotou téměř jako duchové a jen zřídkakdy s ní interagují; neutrino s průměrnou energií lehce projde biliony


22 k a p i t o l a p r v n í

kilometrů tlustou olověnou zdí, aniž by to sebeméně ovlivnilo jeho pohyb

nebo zeď samotnou. po této zprávě bychom si měli oddychnout, jelikož při

čtení této věty neškodně prolétávají miliardy neutrin vychrlených sluncem

naším tělem i Zemí na své samotářské cestě vesmírem. na konci třicátých let

objevili fyzici studující kosmické záření (spršky částic bombardujících Zemi

z okolního prostoru) další částici – mion; má téměř stejné vlastnosti jako

elektron až na to, že je asi 207krát těžší. poněvadž v tehdy známém řádu kos

mu nebylo nic, žádná nevyřešená záhada ani na míru ušité zákoutí, které by

vyžadovaly existenci mionu, přivítal laureát nobelovy ceny a částicový fyzik

isidor isaac Rabi objev mionu nepříliš nadšeným: „tedy kdo si tohle objed

nal?“ nicméně bylo to venku. a čekalo nás více podobných objevů.

s ještě silnější technikou pokračovali fyzici v stloukání kousků hmoty o stá

le větší energii a na okamžik tak obnovovali podmínky od velkého třesku

nevídané. v troskách hledali nové fundamentální ingredience, aby je přidali

do bytnějícího seznamu elementárních částic. Co našli? Čtyři nové kvarky

strange, charm, bottom a top, česky „podivnost“, „půvab“, „spodek“ a „svršek“,

a navíc dalšího, ještě těžšího bratříčka elektronu, zvaného tauon, a dva souro

zence neutrina (pojmenované mionové neut­rino a tauonové neutrino, abychom

je rozlišili od původního neutrina, dnes nazývaného elektronové neutrino). tyto

částice se rodí při vysokoenergetických srážkách a mají přímo jepičí život;

nejsou součástí ničeho, s čím se běžně setkáváme. stále nejsme na konci pří

běhu. každá z částic má partnera v antičástici, částici s totožnou hmotností,

ale opačnou velikostí různých veličin, takzvaných nábojů vůči různým silám

(o nichž půjde řeč níže), jejichž nejdůležitějším příkladem je elektrický náboj.

tak například antičásticí elektronu je pozitron, který má přesně stejnou hmot

nost jako elektron, ale elektrický náboj +1 ho odlišuje od elektronu s nábojem

-1. (v celé knize vyjadřujeme, v souladu se zvyky částicových fyziků, elektric

ký náboj v násobcích náboje protonu.) pokud přijdou hmota s antihmotou

do styku, anihilují, vzájemně se „zničí“ a přemění na čistou energii ve formě

1. generace 2. generace 3. generace

částice hmotnost částice hmotnost částice hmotnost

elektron 0,000 54 mion 0,11 tauon 1,9

elektronové mionové tauonové

neutrino

<10

-8

neutrino

<0,000 3

neutrino

<0,033

up-kvark 0,004 7 půvabný kvark 1,6 top-kvark 189

down-kvark 0,007 4 podivný kvark 0,16 bottom-kvark 5,2

Tři generace fundamentálních částic a jejich hmotnosti v jed notkách hmotnosti protonu.

Hmotnosti neutrin zatím unikají měření.

2


23s v á z á n i s t r u n o u

záblesků světla – proto se ve světě kolem nás přirozeně vyskytuje jen nepatrně antihmoty.

Fyzici vypozorovali mezi těmito částicemi jistou pravidelnost (zachycenou v tabulce na předchozí straně). Částice hmoty tvoří tři skupiny, někdy nazývané rodiny a jindy generace (pokolení). každá generace obsahuje dva kvarky, elektron nebo nějakého jeho bratříčka a jeden druh neutrina. odpovídající druhy částic mají napříč generacemi totožné vlastnosti, jen jejich hmotnost od generace ke generaci roste. Fyzici tedy prozkoumali strukturu hmoty až do měřítka řádu miliardtin miliardtiny metru a vědí, že všechno to, co do dnešního dne pozorovali – ať už to existuje v přírodě, nebo to bylo vyrobeno na gigantických drtičích atomů –, se skládá z nějaké kombinace částic těchto tří generací a z jejich antičástic.

po letmém pohledu na tabulku budete mít jistě větší pochopení pro Rabiho rozčarování z objevu mionu. uspořádání do rodin nám sice dává určité zdání řádu, ale zároveň vnucuje řadu otázek. proč je tolik elementárních částic, zvláště když se zdá, že na velkou většinu věcí kolem nás bychom vystačili s elektrony, up-kvarky a down-kvarky? proč jsou tři rodiny, a ne třeba jedna, čtyři nebo jiný počet? proč jsou hmotnosti částic napohled tak náhodně rozesety? proč je třeba tauon asi 3 520krát těžší než elektron? proč váží top-kvark asi 40 200krát více než up-kvark? Jsou to podivná, velká a jakoby náhodná čísla. objevila se náhodou, zvolil je tak bůh, nebo existuje srozumitelné vědecké vysvětlení těchto fundamentálních vlastností našeho vesmíru?

Síly aneb Kde je foton?

vše začíná být ještě složitější, začneme-li uvažovat o silách přírody. svět kolem nás je plný sil, jimiž objekty působí na jiné objekty. do tenisového míčku lze udeřit raketou, nadšenci pro bungee jumping své tělo nechají padat z vysokého mostu, magnety udrží superrychlé vlaky těsně nad kovovou tratí, Geigerovy počítače umějí pípnout v odezvě na radioaktivní materiál a jaderné bomby jsou schopny vybuchnout. předměty můžeme ovlivňovat tím, že do nich tlačíme, taháme je, třeseme s nimi; můžeme je házet nebo do nich střílet; natahovat, kroutit nebo drtit; mrazit, ohřívat nebo pálit. v posledních staletích nashromáždili fyzici doklady toho, že všechny tyto interakce mezi různými objekty a materiály, stejně jako kterékoli z milionů dalších, s nimiž se denně setkáváme, lze redukovat na kombinaci čtyř základních sil. Jednou z nich je gravitační síla, dalšími třemi pak elektromagnetická, slabá a silná síla.

nejznámější z těchto sil je patrně gravitace. to ona způsobuje, že zůstáváme na oběžné dráze kolem slunce, stejně jako to, že stojíme pevně nohama na zemi. Hmotnost tělesa vyjadřuje, jak velkou gravitační sílu těleso cítí i kolik jí samo vyvolává. další známou silou je elektromagnetismus. ten pohání veškeré vymoženosti moderního života: světla, televizory, telefony i počítače.


24 k a p i t o l a p r v n í Hromům a bleskům dodává hrozivou sílu a lidské ruce jemnost jejího dotyku. Z mikroskopického hlediska hraje elektrický náboj v elektromagnetismu stejnou roli jako hmotnost v gravitaci; určuje, jak silně může objekt působit elektromagneticky, ale i jak silně reaguje.

silnou a slabou sílu už tak neznáme, protože jejich velikost rychle klesá, překračují-li vzdálenosti mezi částicemi subatomární délky; jsou to jaderné síly. proto byly také obě objeveny mnohem později. silná síla zodpovídá za „slepení“ kvarků uvnitř protonů a neutronů a za pevné nahuštění protonů a neutronů uvnitř atomového jádra. slabá síla je nejznámější tím, že způsobuje radioaktivní rozpad (beta-rozpad) látek jako uran nebo kobalt.

v posledním století přišli fyzici na to, že všechny tyto interakce mají společné dva rysy. Zaprvé, jak si řekneme v 5. kapitole, ke každé síle je na mikroskopické úrovni přiřazena částice, kterou lze považovat za nejmenší balík nebo svazek oné síly. pokud vyšlete paprsek z laseru – z „pistole na elektromagnetické záření“ –, vystřelujete proud fotonů, nejmenších balíčků elektromagnetické síly. podobně jsou nejmenšími stavebními jednotkami slabé síly a silné síly částice nazývané slabé kalibrační bosony a gluony. (název gluon je obzvláště trefný: jeho nositele můžete totiž považovat za mikroskopickou cihlu silného lepidla – anglicky glue –, které drží pohromadě jádro.) v roce 1984 uzavřeli experimentátoři definitivně pokusy, z nichž plyne existence a podrobné vlastnosti těchto tří druhů částic síly (výsledky shrnuje tabulka na straně 25). Fyzici věří, že i gravitace má svoji částici – graviton –, ale experimentální potvrzení její existence je hudbou budoucnosti.

druhým společným rysem všech sil je to, že stejně jako gravitace má svoji hmotnost a elektromagnetismus svůj elektrický náboj, má i silná a slabá síla svůj „silný náboj“ a „slabý náboj“; ty obdobně určují, nakolik je částice ovlivněna silnou a slabou silou. (podrobněji se o těchto vlastnostech dočtete v tabulce v poznámkách na konci knihy.

3

) ovšem stejně jako v případě hmot

ností částic, kromě faktu, že experimentální fyzici pečlivě tyto vlastnosti změřili, nikdo zatím nenašel vysvětlení, proč je vesmír složen právě z částic s těmito hmotnostmi a náboji.

přestože mají společné rysy, přináší zkoumání fundamentálních sil samotných stále nové a nové otázky. proč jsou například právě čtyři fundamentální síly, a nikoli pět, tři, nebo jen jedna? proč mají jednotlivé síly tak odlišné vlastnosti? proč jsou silná a slabá síla uvězněny a účinkují jen na mikroskopických vzdálenostech, zatímco dosah gravitace a elektromagnetismu omezen není? a proč se typické číselné velikosti jednotlivých sil tolik liší?

abychom docenili význam poslední otázky, představme si, že do každé ruky uchopíme jeden elektron a obě tyto stejně nabité částice přibližujeme. Gravitace působící mezi nimi je bude přitahovat, zatímco elektrostatická síla je bude odpuzovat. která ze sil zvítězí? soutěž není třeba konat, elektromagnetické odpuzování je přibližně milion miliard miliard miliard miliardkrát


25s v á z á n i s t r u n o u

(10

42

) silnější! Jestliže bychom délku vašeho pravého bicepsu považovali za

sílu gravitace, potom by se levý biceps musel rozprostírat po celém známém

vesmíru, aby znázornil velikost elektromagnetické síly. Jediným důvodem,

proč ve světě kolem nás není gravitace zcela zastíněna elektromagnetismem,

je to, že většina těles obsahuje stejné množství kladných a záporných nábojů,

jejichž síly se vzájemně ruší. ovšem gravitace je vždy přitažlivá, a tak kom

penzace nemůže nastat – více materiálu způsobuje silnější gravitaci. ale na

fundamentální úrovni fyziky je třeba gravitaci označit za mdlou sílu. (tento

fakt se podílí na obtížích s pozorováním gravitonu; najít nejmenší balíček

nejslabší síly je opravdu těžký úkol.) experimenty také ukazují, že silná síla

je asi stokrát silnější než elektromagnetická a ta je zase asi tisíckrát silnější

než slabá síla. ale kde je rozumové zdůvodnění – raison d’être – toho, že má

vesmír tyto vlastnosti?

tato otázka není výplodem nějakého planého filozofování, proč se nějaká

drobnost udála tak a ne jinak; vesmír by měl podstatně odlišnou tvář, kdyby

vlastnosti částic hmoty a sil byly byť jen mírně jiné. kupříkladu existence

stabilních jader, tvořících přibližně sto prvků periodické tabulky, křehce

závisí na poměru velikostí silné a elektromagnetické síly. protony nahuštěné

v jádrech se navzájem elektricky odpuzují; silná síla mezi kvarky, z nichž se

protony skládají, naštěstí tuto odpudivou sílu překonává a svazuje protony

těsně k sobě. ale i malá změna poměru velikostí těchto sil by snadno narušila

rovnováhu mezi nimi a způsobila by rozpad většiny jader. kdyby byl navíc

elektron několikrát těžší, než je, elektrony a protony by se samovolně spojo

valy a vytvářely by neutrony namísto atomů vodíku (nejjednoduššího prvku

ve vesmíru, obsahujícího jediný proton v jádře), což by opět zabránilo vzni

ku složitějších prvků. pro hvězdy je spojování lehkých stabilních jader otáz

kou života a smrti a s takto pozměněnými zákony fundamentální fyziky by se

hvězdy vůbec nerodily. i síla gravitace hraje v jejich životě jistou tvůrčí roli.

Způsobuje v nitru hvězdy velkou hustotu hmoty, která pohání jaderný kotel,

zdroj světelné záře hvězdy. kdybychom zesílili gravitaci, chomáč hvězdné

hmoty by se ještě více stlačil, čímž by se urychlily jaderné reakce. ale stejně

síla částice síly hmota

silná gluon 0

elektromagnetická foton 0

slabá slabý kalibrační boson 86 a 97

gravitační graviton 0

Čtyři síly (interakce) přírody spolu s příslušnou zprostředkující částicí a její hmotnosti

v jednotkách hmotnosti protonu. (Částice slabé síly má dva druhy, tzv. W a Z bosony, lišící

se svými hmotnostmi. Teoretické úvahy ukazují, že graviton by měl být nehmotný.)


26 k a p i t o l a p r v n í jako oslnivě plápolající plamen spálí topivo rychleji než pomalu hořící svíčka, způsobil by vzrůst rychlosti jaderných reakcí to, že by hvězdy jako slunce shořely mnohem rychleji, což by mělo ničivé účinky na život, jaký známe. na druhé straně by zeslabená gravitace hmotě vůbec neumožnila se shlukovat a zabránila by tak formování hvězd a galaxií.

mohli bychom v příkladech ještě pokračovat, ale myšlenka je jasná. vesmír vypadá tak, jak vypadá, proto, že částice hmoty a síly mají dané vlastnosti. existuje ale nějaké vědecké vysvětlení, proč takové vlastnosti mají?

Podstata teorie strun

strunová teorie nabízí nový pohled, v němž se poprvé objevil rámec pro zodpovězení těchto otázek. přibližme si její základní myšlenku.

Částice v tabulce na straně 22 jsou „písmeny“ veškeré hmoty. Zdá se, že nemají žádnou další vnitřní strukturu – stejně jako jejich grafické protějšky. teorie strun ale tvrdí něco jiného. kdybychom podle ní mohli částice pozorovat s ještě větším rozlišením, s rozlišením o mnoho řádů jemnějším, než dovolují dnešní technologie, tehdy bychom uviděli, že žádná z částic není bodová, že jde o drobnou a tenkou jednorozměrnou smyčku. každá částice je vlastně chvějící se, kmitající a tancující vlákno, jakási nekonečně tenká gumička na vlasy, kterou fyzici postrádající Gell-mannovo zalíbení v literárních hříčkách Hmota je složena z atomů a ty zase z elektronů a kvarků. Podle strunové teorie jsou všechny tyto částice ve skutečnosti tenkými smyčkami vibrující struny.

atomy

struna

kvark

protony, neutrony

elektrony

struna


2s v á z á n i s t r u n o u

pojmenovali stru­nou. na obrázku na předchozí stránce ilustrujeme tuto základní myšlenku teorie strun na obyčejném kousku hmoty, na jablku, jehož strukturu opakovaně zvětšujeme, takže odhalujeme jeho „součástky“ na stále kratších vzdálenostech. teorie strun přidává k už dříve známé posloupnosti od atomů přes protony a neutrony k elektronům a kvarkům další, mikroskopickou vrstvu vibrující smyčky.

4

ačkoli to určitě není na první pohled patrné, řeší tato náhrada bo dových složek hmoty strunami – jak uvidíme v 6. kapitole – neslučitel nost kvantové mechaniky a obecné relativity. strunová teorie tak roztíná gordický uzel současné teoretické fyziky. to samo o sobě je výsledek přímo fantastický, ale je to jen část důvodů, proč tato teorie vyvolala takové vzrušení.

Teorie strun jako sjednocená teorie všeho

Za einsteinových dob ještě nebyly slabé a silné síly známy, ale i exis tence dvou různých sil – gravitace a elektromagnetismu – byla pro ein steina něčím hluboce frustrujícím. einstein nikdy nepřijal myšlenku, že by pří roda byla vystavěna s takovýmto extravagantním designem. a tak za čal svoji třicetiletou pouť za takzvanou jednotnou teorií pole, jež by, jak alespoň doufal, ukázala, že tyto dvě síly jsou jen projevem jediného velkého principu, na kterém obě stojí. tímto donkichotským hledáním se einstein izoloval od hlavního proudu fyziky, jejž pochopitelně mno hem více přitahovalo pátrání v nově se vynořujících pevninách kvan tové mechaniky. svému příteli začátkem čtyřicátých let napsal: „stal se ze mne osamělý stařec, jehož znají hlavně proto, že nenosí ponož ky, a jehož ukazují jako kuriozitu při zvláštních příležitostech.“

5

einstein zkrátka předběhl dobu. po více než půlstoletí se jeho sen o jednotné teorii stal svatým grálem moderní fyziky. a značná část rodiny fyziků a matematiků se stále více utvrzuje v tom, že strunová teorie by mohla poskytnout řešení. Z jednoho prostého důvodu – že totiž všechno se na nejmikroskopičtější úrovni skládá z kombinací vibrujících pramínků – poskytuje teorie strun jednotnou vysvětlovací základnu schopnou zahrnout všechny síly a veškerou hmotu.

podle teorie strun jsou například pozorované vlastnosti částic (údaje shrnuté v tabulkách na stranách 22 a 25) odrazem různých způsobů, kte rými může struna vibrovat. podobně jako má struna na houslích či v klavíru kmitočty rezonance, na nichž ráda vibruje – aby tyto zá chvěvy naše uši vnímaly jako různé tóny nebo jejich vyšší tóny alikvotní –, tak i smyčky v teorii strun mají své „mody (způsoby) vibrace“. uvidíme však, že každý způsob vibrace struny se spíš než jako tón projevuje jako částice, jejíž hmotnost a náboje jsou dány charakte rem vibrace. elektron je struna vibrující jedním způsobem, up-kvark je struna vibrující jinak a podobně. Ze sbírky chaotických experimen tálních dat se vlastnosti částic ve strunové teorii stávají projevy stále téže fyzikální


2 k a p i t o l a p r v n í vlastnosti – struktury možných rezonancí při vibraci struny –, stávají se tedy, abychom tak řekli, hudbou fundamentálních smy ček struny. stejná idea se uplatňuje i pro síly přírody. uvidíme, že i každá síla je spojena s konkrétním druhem vibrace struny, a tudíž všechno, veškerá hmota i všechny síly, je sjednoceno ve stejné rubrice mikroskopických oscilací strun – „not“, které struny umějí zahrát.

poprvé v historii fyziky tedy máme rámec s kapacitou vysvětlit kaž dou fundamentální vlastnost, na níž je vesmír postaven. Z tohoto dů vodu je teorie strun někdy považována za kandidáta na „teorii všeho“ (často se užívá anglické zkratky toe z „theory of everything“) neboli finální teorii. tato grandiózní pojmenování mají za cíl označit nejhlub ší možnou teorii fyziky – teorii, z níž se odvíjejí všechny ostatní a kte rá nevyžaduje, nebo dokonce neumožňuje hlubší vysvětlení. v praxi volí mnozí strunoví teoretici méně nadnesený postoj a teorie všeho pro ně znamená v omezenějším smyslu slova teorii, jež umí popsat vlast nosti všech elementárních částic a fundamentálních sil, kterými na sebe mohou působit. Zapřisáhlý redukcionista by jistě dodal, že žádné omezení neexistuje a že v principu všechno, od velkého třesku až k snovým vidinám, lze popsat v řeči mikroskopických fyzikálních pro cesů mezi fundamentálními složkami hmoty. pokud porozumíte vše mu o stavebních kamenech, tvrdí redukcionista, porozumíte všemu.

Redukcionistická filozofie lehce zažehne jiskrnou debatu. mnozí považují za pošetilé a vysloveně odporné tvrzení, že divy života a vesmíru jsou pouhými odrazy mikroskopických částic účastnících se samoúčelného tan ce, jehož jediným choreografem jsou fyzikální zákony. opravdu mohou být pocity radosti, smutku či nudy pouhými chemickými reakcemi v moz ku – reakcemi mezi molekulami a atomy, které jsou v ještě mikroskopičtějším pohledu reakcemi částic z tabulky na straně 22, částic, které jsou v podstatě oprav du jen vibrujícími strunami? nositel nobelovy ceny steven Weinberg na tento řetěz kritiky dává ve svém Snění o finální teorii tuto odpověď:

na druhé straně spektra stojí odpůrci redukcionismu, kteří jsou zděšeni

tím, čemu říkají ponurost či drsnost moderní vědy. nehledě na to, do jaké

míry mohou být oni a jejich svět zredukováni na hmotu složenou z částic

či polí a jejich interakcí, cítí se být každým takovým poznáním oslabeni...

těmto kritikům bych se nesnažil odpovědět šťavnatou přednáškou o krásách

moderní vědy. Redukcionistický pohled na svět je chladný a neosobní. musí

ale být přijat tak, jak stojí, a to nikoli proto, že se nám líbí, ale proto, že právě

takto svět funguje.

6

někteří s takovým pohledem souhlasí, jiní nikoli.

ti druzí se pokusí argumentovat tím, že rozvoj věd jako teorie chao su nám říká, že když úroveň složitosti systému vzroste, začínají se vlá dy ujímat nové


2s v á z á n i s t r u n o u

druhy zákonů. pochopit chování elektronu nebo kvarku je jedna věc, užít

těchto znalostí pro porozumění tornádu věc jiná. v tomto bodě se ještě vět

šina shodne. názory se začnou rozcházet u otázky, zda rozmanité a mnohdy

nečekané jevy, které se mohou obje vit v soustavách složitějších než jednotlivé

částice, opravdu představu jí nové fyzikální principy v akci, nebo jestli jsou

příslušné principy zá vislé a odvozené, byť nesmírně složitým způsobem, z fy

zikálních prin cipů ovládajících enormně velké soubory elementárních sta

vebních kamenů. Já osobně si myslím, že nové a nezávislé zákony fyziky ne

představují. popsat tornádo v řeči fyziky elek tronů a kvarků by nebylo nijak

lehké, podle mého názoru jen proto, že složitost výpo čtů se stává neúnosnou,

nikoli proto, že jsou nutné nové fyzikální zá kony. ale znovu opakuji, že ne

všichni s takovým pohledem souhlasí. Co je zcela bez diskuse a má pro ces

tu popsa nou v této



       
Knihkupectví Knihy.ABZ.cz – online prodej | ABZ Knihy, a.s.
ABZ knihy, a.s.
 
 
 

Knihy.ABZ.cz - knihkupectví online -  © 2004-2020 - ABZ ABZ knihy, a.s. TOPlist