27. októbra 2021
swampland

Vesmír sa brodí močiarom

Kedysi sme mali veľa vysvetlení pre fungovanie rôznych aspektov nášho sveta. Potom sme zistili dve dôležité veci. Po prvé, rôzne javy majú bežne rovnaké vysvetlenia. Prečo padá jablko zo stromu a prečo Mesiac krúži okolo Zeme? Lebo gravitácia. Po druhé, tieto vysvetlenia sa dajú opísať pomocou matematiky a tá je, veru, prísna.

Od týchto dvoch kľúčových zistení ubehli storočia, počas ktorých sme sa dozvedeli, že matematika je oveľa bohatšia a fyzika, v istom – špecifickom – slova zmysle, oveľa chudobnejšia. Na vysvetlenie všetkých známych javov nám stačia len dve základné teórie: Einsteinova teória gravitácie a kvantová fyzika.

Z toho prirodzene vzišla otázka, či neexistuje jedna jediná fyzikálna teória, ktorá by dokázala vysvetliť všetky javy okolo nás a zároveň bola matematicky konzistentná. Odpoveďou na ňu je váhavé áno.

Teória strún

Takouto teóriu je teória strún. Tá má veľa skvelých vlastností, prirodzene obsahuje gravitáciu, je matematicky konzistentná a dokáže opísať všetky sily, ktoré pozorujeme okolo seba. Istý, možno len zdanlivý, problém je, že teória strún obsahuje aj všeličo iné – veci, ktoré okolo seba nepozorujeme.

Náš vesmír, respektíve naša skúsenosť s ním, prebieha pri relatívne nízkych energiách. Ani najväčší časticový urýchľovač nedokáže dosiahnuť hodnoty energie, ktoré by nám umožnili uvidieť a testovať úplné správanie teórie strún.

Na jednej strane máme nízko-energetický svet, ktorý pozorujeme okolo seba. Na druhej strane máme vysoko-energetickú teóriu, ktorá je matematicky konzistentná a zároveň možno tá správna teória, ktorá riadi všetko vo vesmíre.

Krajina a močiar

Zatiaľ sa podarilo zistiť dve dôležité veci. Po prvé, teória strún obsahuje oveľa viac možností než to, čo pozorujeme okolo seba. Napríklad, dokáže opisovať svet, ktorý je ako ten náš, no má iné zloženie elementárnych častíc. Jeden odhad hovorí, že existuje 10^500 rôznych možností, iný udáva až 10^272100. To je jednotka a za ňou štvrť milióna núl. Množine týchto teórií sa hovorí string theory landscape (krajina teórie strún).

Jedna z nich opisuje náš vesmír, nevieme však ktorá. Časť výskumu, ktorý sa dnes venuje teórii strún sa zaoberá tým, ako tieto možnosti osekať. Ak zoberieme aj ideálnu možnosť, že ide “len” o 500-ciferný počet, je to stále šialene veľa práce. Ako veľmi to potrebujeme osekať? Vznikajú umelé inteligencie, ktoré dokážu otestovať 10^5, prípadne aj viac, možností. Ak budeme štedrí, tak môžeme povedať, že keď teoretici okrešú 500 ciferné číslo na povedzme 10-15 ciferné, budeme vedieť ostatné možnosti otestovať jednu po druhej – a nájsť v nej fyziku, ktorá opisuje náš vesmír. Z tohto pohľadu by bol program hľadania fundamentálnej teórie zavŕšený. Ak je, teda, teória strún správna.

Druhé významné zistenie je, že existuje veľmi veľa nízko-energetických teórií, ktoré nie sú s teóriu strún kompatibilné. Tieto tvoria takzvaný string theory swampland (močiar/bažina teórie strún). Zdá sa, že tento močiar je oveľa väčší, než krajina „pekných“ teórií. Napríklad, náš model časticovej fyziky momentálne tiež leží v močiari. Vieme, že neobsahuje veci, ktoré by podľa teórie strún mal, napríklad magnetické monopóly. To je v poriadku, lebo vieme, že mnohé veci sa nám ešte nepodarilo objaviť – nedosiahli sme ešte dostatočné energie. Snaha dostať sa z močiara môže navigovať smer budúcich experimentov.

Močiar obklopuje krajinu. V smere hore rastie energia.
Močiar obklopuje krajinu. V smere hore rastie energia. Picture: Eran Palti.

Zároveň nám tento prístup umožňuje testovať, či je teória strún vlastne správna – a to dokonca bez toho, aby sme dosiahli jej energetické škály. Existuje napríklad hypotéza, podľa ktorej musí byť gravitácia najslabšia zo všetkých síl. Ak by sme našli slabšiu silu, náš vesmír by musel ležať v močiari a nebol by kompatibilný s teóriu strún.

Záver sú teda dva dôležité body. Po prvé, teória strún je možno správna teória a opisuje všetko. Tejto teórii však zatiaľ nerozumieme dostatočne a nevieme v nej identifikovať práve náš vesmír. Na skúmaní týchto aspektov sa usilovne pracuje. Po druhé, skúmanie, či náš vesmír „leží v močiari“ je jedným z mnohých testov, ktoré nám umožňujú teóriu strún testovať. Určite nie je pravda, že ide o netestovateľnú teóriu, všetkými testami však zatiaľ prešla. Síce to teraz vyzerá tak, že sa náš vesmír brodí močiarom, čoskoro však z neho možno nájdeme cestu von.

[Samuel]

Pridaj komentár