Stephen Hawking - Vesmír v orechovej škrupinke

Niekto by mohol dúfať, že sa toto zdanlivé protirečenie medzi pozorovaním a teóriou vyrieši tvrdením, že fluktuácie základného stavu nemajú žiadny gravitačný účinok, ale tak by to nefungovalo. Energiu fluktuácií základného stavu možno zaregistrovať pomocou Casimirovho efektu. Ak sa umiestnia dve kovové platne paralelne a tesne vedľa seba, ich účinok bude taký, že sa mierne zníži počet vĺn v priestore medzi platňami vzhľadom na ich počet v oblasti mimo platní. Znamená to, že hustota energie fluktuácií základného stavu medzi platňami, hoci stále nekonečná, je o určité konečné množstvo menšia ako hustota energie mimo platní (obr. 2.11). Tento rozdiel v hustote energie vyvoláva vznik sily, ktorá priťahuje platne k sebe a bola aj experimentálne overená. Vo všeobecnej teórii relativity sú sily zdrojom gravitácie, práve tak ako hmota, preto by nebolo logicky konzistentné gravitačný účinok tohto rozdielu energií ignorovať.

(OBR.2.11) CASIMIROV EFEKT

Existencia fluktuácií základného stavu bola experimentálne potvrdená Casimirovým efektom, nepatrnou silou medzi rovnobežnými kovovými platňami.

Iné možné riešenie problému mohlo spočívať v predpoklade, že azda existuje kozmologická konštanta, akú zaviedol Einstein pri pokuse zachrániť model statického vesmíru. Ak by táto konštanta mala nekonečnú zápornú hodnotu, mohla by presne vyrušiť nekonečnú kladnú hodnotu základného stavu energií vo voľnom priestore. Takáto kozmologická konštanta sa však zdá byť zavedená príliš ad hoc a jej hodnota by musela byť naladená s mimoriadnou presnosťou.

Našťastie bol v 70. rokoch 20. storočia objavený úplne nový typ symetrie, ktorý ponúkal na odstránenie nekonečien, pochádzajúcich z fluktuácií základného stavu, celkom prirodzený fyzikálny mechanizmus. Supersymetria je charakteristická črta našich moderných matematických modelov, ktorú možno opísať rôznymi spôsobmi. Jedna možnosť je povedať, že priestoročas má ďalšie rozmery okrem tých, ktoré vnímame. Nazývajú sa Grassmannove dimenzie, pretože sa vyjadrujú číslami známymi ako Grassmannove

(OBR.2.12) SPIN

Všetky častice majú vlastnosť nazývanú spin, ktorá súvisí s tým, ako častica vyzerá pri pohľade z rôznych smerov. Dá sa to znázorniť na súprave hracích kariet. Všimnime si najprv pikové eso. Vyzerá rovnako len vtedy, ak ho otočíte celkom dookola. o jednu celú otáčku alebo 360°. Preto môžeme povedať že má spin 1.

Srdcová kráľovná má však dve hlavy. Preto vyzerá rovnako už po polovičke úplnej otáčky, teda po otočení iba o 180°. Hovoríme, že má spin 2. Podobne si možno predstaviť objekty so spinom 3 alebo aj vyšším, ktoré sú rovnaké, ak ich pootočíme ešte o menšiu časť úplnej otáčky.

Čím je vyšší spin, tým je potrebný menší zlomok úplnej otáčky, aby častica vyzerala opäť rovnako. Pozoruhodná je však skutočnosť, že existujú častice, ktoré vyzerajú rovnako, iba ak ich otočíme o dve úplne otáčky. Hovoríme, že takéto častice majú spin 1 /2.

premenné, a nie obyčajnými reálnymi číslami. Pre obyčajné čísla platí komutatívny zákon; teda nezáleží na poradí, v akom ich násobíte: 6 krát 4 je to isté ako 4 krát 6. Grassmannove premenné však anti komutujú: x krát y je to isté ako — y krát x.

O supersymetrii sa prvýkrát uvažovalo s cieľom odstrániť nekonečná v látkových a Yangových-Millsových poliach v priestoročase, kde boli obyčajné číselné dimenzie aj Grassmannove dimenzie ploché, nie zakrivené. Bolo prirodzené rozšíriť supersymetriu aj na obyčajné číselné a Grassmannove rozmery, ktoré sú zakrivené. To viedlo k viacerým teóriám, nazývaným supergravitačné, s rôznou mierou supersymetrie. Jeden z dôsledkov supersymetrie je, že každé pole alebo častica má „superpartnera“ so spinom, ktorý je buď o 1/2 väčší ako jeho vlastný spin, alebo o 1/2 menší (obr. 2.12).

Energie základného stavu bozónov, polí s celočíselným spinom (0, 1,2 atď.), sú kladné. Na druhej strane energie základného stavu fermiónov, teda polí s poločíselným spinom (1/2, 3/2 atď.), sú záporné. Pretože počet bozónov a fermiónov je rovnaký, sú v teóriách supergravitácie odstránené najväčšie nekonečná (pozri obr. 2.13,).

Stále tu bola možnosť, že v teórii zostanú menšie, ale ešte vždy nekonečné veličiny. Nik nemal trpezlivosť potrebnú na výpočet, či tieto teórie dávajú len konečné veličiny. Dá sa odhadnúť, že dobrému študentovi by to trvalo dvesto rokov, ale ako by ste mali istotu, či neurobil chybu hneď na druhej strane? Napriek tomu až do roku

1985 zväčša ľudia verili, že väčšina supersymetrických supergravitačných teórií by mala byť bez nekonečien.

Potom sa trend náhle zmenil. Ľudia vyhlásili, že niet žiadneho dôvodu neočakávať nekonečná v supegravitačných teóriách, a to viedlo k mienke, že ako teórie sú úplne nesprávne. Namiesto toho sa vyhlásilo, že teória nazvaná supersymetrická teória strún je jedinou cestou ako spojiť gravitáciu s kvantovou teóriou. Struny, ako ich menovci z každodennej skúsenosti, sú jednorozmerné objekty. Majú iba dĺžku. V teórii strún sa struny pohybujú na pozadí priestoročasu. Vlny na strune sa interpretujú ako častice (obr. 2.14).

MODELY SPRÁVANIA ČASTICE

1Keby bodové častice skutočne existovali ako diskrétne (nespojité) entity podobné biliardovým guliam, potom pri ich zrážke by sa ich pôvodná dráha mala odkloniť na dve nové trajektórie.

2Toto nastane, keď interagujú dve častice, aj keď jav je omnoho dramatickejší.

3Kvantová teória poľa ukazuje dve zrážajúce sa častice, ako je elektrón a jeho antičastica pozitrón. Pri zrážke nakrátko anihilujú — čím sa súčasne uvoľní obrovské množstvo energie a vznikne fotón. Ten potom uvoľní svoju energiu a vytvorí iný etektrónovo-pozitrónový pár čo vyzerá, akoby sa zložky pôvodného páru iba odklonili na nové trajektórie.

4Ak častice nie sú body s nulovými rozmermi, ale jednorozmerné struny, v ktorých oscilujúce slučky vibrujú ako elektrón a pozitrón, potom keď sa zrazia a navzájom anihilujú, vytvoria novú strunu s odlišným vibračným obrazcom. Pri uvoľnení energie sa struna rozdelí na dve, ktoré pokračujú po nových, vlastných trajektóriách.

5Ak si tieto pôvodné struny neznázorníme v jednotlivých časových okamihoch. ale v spojitej časovej histórii, potom výsledné struny vyzerajú ako svetoplocha struny.