Éter a strunová teorie pole

neděle 8. listopad 2009 20:52

Fyzikální ústav Akademie věd zve na přednášku Martina Schnabla "Letmý pohled na teorii strun" ve středu dne 11. listopadu 2009 v 15:00 hod. v přednáškovém sále Fyzikálního ústavu AV ČR, Na Slovance 2, Praha 8. Martin v roce 2007 získal grant EURYI ve výši 755 tisíc Euro, které mu byly poskytnuty na pět let vědecké práce. Rozhodl se vrátit z Princetownu do Prahy spolu se dvěma postdoktorandy z USA a Belgie a na FÚ AV založit vědeckou skupinu studující teorii strunového pole.

Bez obecnějšího modelu je prakticky nemožné si názorně představit, co vlastně strunoví teoretici studují. Jsem si také vcelku jist, že ani strunoví teoretici to příliš nechápou - stejně jako já zase nechápu příliš dobře jejich matematiku. Obě úrovně chápání (intuitivní a formální) se zde vzájemně rozplývají do kvantové neurčitosti jako fluktuace vakua na časoprostorové bráně (viz obr. níže). Nicméně éterová teorie nabízí jednoduché analogie, prostřednictvím kterých si můžeme většinu konceptů současné teorie strun propojit s realitou a představit v běžném životě. Podle éterové teorie je vakuum tvořeno systémem fluktuací velmi hustého částicového plynu nebo kapaliny, podobné, jaká se může vyskytovat např. v nitru velmi husté hvězdy nebo černé díry. Díky vysokému tlaku je hustota takové páry srovnatelná s kapalinou, která ji obklopuje a proto ani nevytváří viditelné bubliny.

Fluktuace hustoty jsou v atmosféře všudypřítomné a způsobují svým rozptylem světla např. modrou barvu denního nebe. K tomu, abychom je však mohli pozorovat přímo, musí být plyn mnohem hustší. V pozemských podmínkách je nejhustším příkladem, ve kterém můžeme takové fluktuace přímo pozorovat tzv. superkritická kapalina, což je silně stlačená horká pára, který vyvěrá z soupouchů na dně oceánů. Na obrázku níže ji můžeme pozorovat v malé tlakové kyvetě, opatřené na obou stranách silným sklem. Fluktuace její hustoty jsou zde viditelné pouhým okem a trochu se podobají šlírám, které vznikají, když spolu smícháme vodu a glycerín nebo silný roztok cukru.

Houbovité fluktuace hustoty v superkritické kapalině za vysokého tlaku S rostoucí hustotou plynu fluktuace získávají charakter strun a membrán

Čím bude hustota plynu vyšší, tím budou mít fluktuace drobnější a štíhlejší (toto znázorňuje animace vpravo nahoře) a postupně získají charakter pohyblivé pěny nebo houby, jejíž podoba se neustále dynamicky mění. Můžeme v ní rozeznat jak uzavřené bubliny a smyčky, tak otevřené membrány a struny. Při větším rozlišení shledáme, že tato pěna je fraktální, tedy každá bublina pěny je vyplněna dalšími menšími bublinkami a počet stupňů jde donekonečna. To dává éterové pěně výrazný fraktální charakter. Pozorovatel, který je tvořen fluktuacemi na určitém stupni fraktální pěny však nemůže přímo interagovat s úrovněmi fluktuací, které jsou příliš vzdáleny jeho rozměrové škále, protože mu vzájemně splývají do kvantového šumu. V důsledku toho má náš pozorovatelný vesmír poměrně omezený počet rozměrů, ve kterém jej lze přímo pozorovat.

Dynamické fluktuace plynu za vysokého tlaku Dynamické fluktuace plynu za ještě vyššího tlaku

Strunová teorie započala svůj historický vývoj už před čtyřiceti lety na konci 60. let minulého století, kdy si skupina fyziků okolo Johna Schwarze a Leonarda Susskinda všimla, že chování hmoty atomového jádra lze popsat jednorozměrnými kvantovými strunami v konečném počtu rozměrů. Kvantová struna je struna podobná struně na kytaře, ale v každém místě a okamžiku je její hustota hmoty rovna hustotě energie, podobně jako je tomu v mýdlové pěně, která při třepání vratně houstne a toto chování lze popsat Schrodingerovou rovnicí kvantové mechaniky. Na hmotě v atomovém jádře lze toto chování zvláště dobře pozorovat, protože je tvořená velmi hustou částicovou kapalinou. Její fluktuace hustoty zde mají výrazně štíhlý tvar, podobně jako nudlovité víry v bosonových kondenzátech. Protože zprostředkovávají jaderné interakce mezi jednotlivými kvarky a drží je pohromadě jako vlákna alkaprénového lepidla, které lze protáhnout na dálku, označují se jako tzv. gluony (z řečtiny "gluos"= lepím).

Názorný model gluonů poutající páry kvarků

Strunová teorie z toho odvodila, že podobně jako gluony by se mohly chovat i všechny ostatní částice, které by tak bylo možné aproximovat jednorozměrnými útvary - strunami. Ty se zpočátku rozlišovaly pouze na dvě skupiny: struny otevřené, vibrující na obou koncích modelující částice přenášející energii - a struny uzavřené do smyček, modelující částice hmoty. Jenže brzy se ukázalo, že vakuum je geometricky složitější systém a jednorozměrné struny k jeho popisu nestačí. Strunoví teoretici začali pro popis částic přibírat další rozměry a model struny zobecnili na vícerozměrné kvantované membrány (placaté i vícerozměrné kvantové útvary popsané N-rozměrnými tabulkami - maticemi). Původní "jednoduchá" strunová teorie tak kolem roku 1985 sloučila několik dosavadních modelů do jednoho a změnila se na membránovou/maticovou teorii, zkráceně M-teorii.

Zde je nutno zdůraznit, že předmětem studia strunové teorie byly stále částice - nezabývala se tedy přímo popisem vakua jako takového. Tuto oblast zabrala nejprve konkurenční smyčková teorie kvantové gravitace (LQG), která fraktální pěnu vakua popisuje z opačné perspektivy jako čtyřrozměrný systém tzv. spinové sítě, podobný skutečné houstnoucí pěně. Díky tomu smyčková teorie je o něco názornější v popisu vakua než strunová teorie, ale selhává pro popis elementárních částic v místech, kde se smyčky "chumlují" a řešení rovnic začíná být složité - zatímco strunová teorie to má přesně opačně.

Strunoví teoretici si svůj nedostatek uvědomovali a proto se snažili rozšířit model strun i pro popis vakua. Jedním z prvních pokusů představovala tzv. strunové teorie pole ("string field theory", zkr. SFT), kterou v roce 1985 navrhl Ed Witten a Michio Kaku. Ti se snažili modelovat vakuum v okolí strun, kdy se jejich konce obrazně řečeno třepí ve fluktuacích vakua jako okrajová řešení dalších sousedících strun a začali se tak opatrně přibližovat k éterovému modelu vakua, tvořeného velkým počtem částic. Díky tomu ovšem začíná být matematické řešení stejně komplikované, jako v případě LQG a proto byly dlouhou dobu tyto modely zanedbávány. První výraznější popud zaznamenala práce Ashoke Sena, který v roce 1999 ukázal, že řešení strunového pole s otevřenými strunami může mít stabilní solitonové řešení v podobě tzv. D-brány. Senův model lze přirovnat ke shlukování drobných bosonových částic pohybujících se nadsvětelnou rychlostí (tachyonů) do větších celků, představujících reálné částice.

 Model kondenzace fotonů do vírového kroužku - solitonu Vírový kroužek - soliton v tekutinách

V příspěvku o záhadném chování záblesků gamma záření jsem ukázal, že jejich chování lze vysvětlit, pokud jednotlivé fotony budou kondenzovat do podoby vírových kroužků - solitonů, pohybujících se jako celek podsvětelnou rychlostí. Uvedl jsem také, že tento princip lze zobecnit na všechny pozorovatelné částice. Lze jej tedy také aplikovat na solitonové řešení strunové teorie pole, když vezmeme v úvahu, že jednotlivé fotony se vůči výslednému útvaru vždy pohybují rychleji, představují vůči němu tzv. tachyony (z řečtině "tachyos" = rychlý). Brány jsou ve strunové teorii v zásadě opět vícerozměrné struny (membrány), ale větší a pohybují se pomaleji. V éterové teorii jsou brány tvořeny gradientem hustoty éteru a tvoří tak lokální časoprostor pro pohyb menších částic. Menší struny se podél nich pohybují jako by k nim byly připoutány jako autíčka na pouťové autodráze. Tento model se v teorii strun popisuje Dirichletovým řešením rovnice kvantové struny, které je definováno okrajovými podmínkami (tedy gradientem na okraji), místo pevným bodem řešení někde v prostoru - proto se tento typ strun označuje také jako tzv. D-brány.

Soliton v časoprostorové bráně Model brány v éterové teorii

V éterové teorii má model pohyblivých strun upoutaných k bráně analogii v tzv. Falacových solitonech, které byly popsány kupodivu teprve docela nedávno Robertem Kiehnem v roce 1986. Jako model brány, čili gradientu hustoty éteru zde slouží vodní hladina. Pokud na ní uděláme pomocí talíře vlnu, vytvoříme tím jakýsi vírový polokroužek, který se bude pohybovat rovnoběžně s hladinou. Ve slunečním světle bude viditelný jako dvojice tmavých skvrn na dně bazénu, které se pohybují společně, protože v místě, kde víry vystupují na povrch se hladina mírně prohýbá a funguje vůči dnu jako rozptylná čočka (viz Youtube video). Ačkoliv za normálních podmínek se vírové kroužky v tekutinách rychle rozptylují - tím, že jsou upoutány k hladině se jejich životnost výrazně zvyšuje a mohou po ní překonat veliké vzdálenosti. Jejich pohyb je totiž omezen na dva rozměry vodní hladiny, což snižuje počet jejich fyzikálních stupňů volnosti. Falacovy solitony tak mohou sloužit jako dvourozměrný model stabilních bosonů, tvořených polovinou virtuálního páru částice-antičástice podobně jako fotony ve třírozměrném světě.

Falacovy solitony na hladině bazénuFalacovy solitony jsou viditelné díky tmavým skvrnám na dně

Podobný princip dává fyzikální smysl tachyonové kondenzaci otevřených strun, kterou pomocí strunové teorie pole studuje doktor Schnabl. Na modelu kondenzace strun do solitonů je zábavné to, že někteří strunaři proti němu současně nepřímo brojí, aniž si to uvědomují s poukazem na to, že všechny fotony v záblesku gamma záření doputují na Zem v prakticky stejném okamžiku - splňují tedy zdánlivě Lorentzovu invarianci a speciální teorii relativity. Ovšem tachyonový model vakua současně znamená, že relativita v něm musí být narušena - jinak v něm existence tachyonů (tedy částic pohybujících se rychleji než světlo) nemá fyzikální smysl a nemůže být experimentálně ověřena. Strunová teorie pole tedy tímto modelem narušuje výchozí postuláty teorie strun jako takové.

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

Počet příspěvků: 8, poslední 21.7.2011 5:00:14 Zobrazuji posledních 8 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik