Denník N

Koľko rozmerov má vesmír?

Priestor v ktorom sa pohybujeme má tri rozmery. Einstein k nemu pripojil ešte štvrtý rozmer – čas. Teoretici dnes skúmajú možnosť, že je rozmerov ešte (oveľa) viac.

Skúsenosť nám hovorí, že priestor má tri rozmery – vieme sa hýbať dopredu/dozadu, hore/dole, doľava/doprava. Ľahko si môžeme predstaviť menší počet rozmerov. Napríklad mravec na novinovom papieri sa hýbe len dvomi – smer hore/dole nepozná. Ak by chodil po špagáte, dokázal by chodiť dokonca len jedným smerom. Ťažšie si už vieme predstaviť ako sa hýbať v štyroch (či viac) rozmeroch.

KolkoRozmerovMaVesmir1
Človek žije v troch rozmeroch, mravec na novinách (efektívne) v dvoch a mravec na špagáte len v jednom.

Einstein pridal k trom priestorovým rozmerom čas a vytvoril tak pojem časopriestor, na ktorom vybudoval svoju všeobecnú teóriu relativity. Tá dokáže vysvetliť gravitačnú silu, no nie napríklad elektromagnetizmus. Kaluzovi a Kleinovi sa ho podarilo do tejto teórie prepašovať. Malo to však háčik – potrebovali jeden priestorový rozmer naviac. Takáto požiadavka by mala ich nápad diskvalifikovať, no skúsme mu dať šancu a položiť si otázku: môže mať vesmír viac ako tri priestorové rozmery bez toho, aby sme si to všimli?

Kvôli odpovedi sa vráťme k príkladu s mravcom na novinách, po ktorých sa môže pohybovať v dvoch smeroch. Ak by sme noviny opatrne zrolovali, tak by sa mravec mohol hýbať už len dopredu/dozadu. Žil by tak na dvojrozmerných novinách, no mal by pocit ako na jednorozmernom špagáte. A toto je presne argument Kaluza a Kleina – štvrtý priestorový rozmer môže existovať, len musí byť zrolovaný.

KolkoRozmerovMaVesmir2
Ak veľmi dôkladne zrolujeme noviny, tak sa mravec na nich bude cítiť ako mravec na špagáte (v jednom rozmere namiesto dvoch).

Takáto teória sa, žiaľ, ťažko overuje – extra rozmer je natoľko malý, že sa nedá pozorovať. Myšlienka o „zrolovaní“ sa tak na desaťročia vytratila, jej znovuzrodenie priniesla až teória strún. Tá opisuje elementárne častice ako vibrujúce struny a je jedným z najlepších kandidátov na tzv. teóriu všetkého. Spočiatku jednoduchá myšlienka strún narážala na množstvo konceptuálnych a technických problémov, no vyrovnávala sa s nimi takou bravúrou, že jej tŕnistá cesta viac pripomína spanilú jazdu k finálnemu tvaru teórie ¹.

Teória strún a jej nadstavba M-teória vznikli, aby opísali všetky častice a silové pôsobenia, ktoré vidíme vo svete okolo nás. Žiaľ, obsahujú aj všeličo, čo vo vesmíre nepozorujeme – napríklad 10 (resp. 11) rozmerov. A tu sa k slovu dostáva znovu Kaluza-Kleinova myšlienka: čo ak má vesmír naozaj viacej priestorových rozmerov, no všetky až na tri sú zrolované? V takomto prípade sa dokonca môže stať z núdze cnosť. Spôsob akým sú prebytočné zrolované, totiž mení tvar fyzikálne zákonov.

Poznáme veľa elementárnych častíc, majú rôzne vlastnosti (náboje, hmotnosť, …) a pôsobia na seba rôznymi silami. Hypotéza o extra rozmeroch ponúka zaujímavú myšlienku: čo ak existuje len jeden základný fyzikálny zákon, ktorý neobsahuje žiadnu voľnosť vo výbere parametrov a tie sa všetky objavia až ako dôsledok zrolovania rozmerov? Ak sa zrolujú jedným spôsobom, tak váži elektrón menej ako protón, ak sa zrolujú iným spôsobom, tak to bude naopak.

Náš vesmír je zaujímavý tým, že umožňuje vznik života – fyzikálne konštanty sú nastavené tak akurát. Ak by sa trochu zmenila hodnota jednej z nich, vesmír by sa rozpínal tak rýchlo, že by sa nestihli vytvoriť galaxie. Drobná zmena inej by spôsobila, že by hviezdy nedokázali horieť alebo uhlík tvoriť dlhé molekuly. Tu prichádza do hry ďalšia zaujímavá myšlienka: čo ak je vesmírov veľa, všetky majú rovnaký„základny zákon“, no sú inak zrolované a tak majú rôzne fyzikálne zákony. V iných vesmíroch môžu byť protóny ľahšie ako elektróny, či počet (nezrolovaných) rozmerov môže byť aj 10. Ak je ale vesmírov naozaj veľa, tak aspoň malá časť bude umožňovať vznik života a my žijeme v jednom z nich.

Nápad s extra rozmermi a mnohými vesmírmi je lákavý, no, žiaľ, ako v prípade Kaluza a Kleina, je ťažké ho overiť. Okrem toho, že extra rozmery by mali byť veľmi malé², možností ako ich zrolovať je naozaj veľa³. Aj keď teoretici reálne zvažujú možnú existenciu extra priestorových rozmerov, potrvá ešte dlhé roky (či skôr desaťročia), kým ich budeme schopní overiť. Je možné, že sa to nepodarí nikdy, no viaceré výskumné skupiny fyzikov na tom usilovne pracujú. Jedno je isté, ak sa to podarí, bude to najväčší objav fyziky vôbec.

¹: Nemalý počet fyzikov by slovo bravúra nahradili neohrabanosťouspanilú jazdu k finálnemu tvaru teórie zas cestou do zabudnutia.
²: Vyše triliónkrát menšie ako sú schopné rozlíšiť na urýchlovačoch v CERNe.
³: Veľa v tomto prípade znamená zhruba 10^500, čiže 1 a za ňou 500 núl.


Poznámka pod čiarou: Zrolované sa odborne povie kompaktifikované. Existujú aj teórie, že extra rozmery nie sú zrolované, len sa v nich nemôžeme hýbať kvôli pripútaniu na D bránu a dokonca aj teórie, že reálne žijeme v menšom počte rozmerov (holografický princíp). V tejto oblasti teoretickej fyziky je veľa zaujímavých nápadov, postupne sa nimi predierame a selektujeme tie relevantné.

Veľká pozornosť sa venuje myšlienke, že 6 extra rozmerov je zrolovaných do tvaru Calabi-Yau priestoru. V našom vesmíre existujú častice v 3 generáciách (napríklad elektrón, mión a tau leptón), čo by sa dalo vysvetliť tým, že v Calabi-Yau priestore sú tri diery. Autorom vizualizácie je J. Bryant.

 

Text je súčasťou blogov Denníka N, nie je redakčným obsahom.
Administrátorov blogov môžete kontaktovať na adrese blog@dennikn.sk.

Teraz najčítanejšie

Samuel Kováčik

Absolvent teoretickej fyziky na Bratislavskom Matfyze, momentálne pôsobiaci na výskumnom inštitúte v Dubline.