Úvodem Musí být fakt hezký, když je tak těžké ho zahlédnout. The Beatles
Vesmír má svá tajemství. A jedním z nich jsou možná extradimenze. Jestliže skutečně existují, pak je pečlivě skrývá a chrání před našimi zraky. Na první pohled je každopádně neodhalíte. Jeho dezinformační kampaň začala hned po našem narození, v dětské postýlce, v níž byl každý z nás uveden do třírozměrného světa. Nejdříve tu byly dva rozměry, ve kterých jsme lezli, a pak přibyl ten třetí, díky němuž jsme mohli postýlku opustit. Od té doby všechny fyzikální zákony, stejně jako selský rozum, podporovaly naši jistotu, že existují právě jen tři prostorové rozměry, a tlumily všechny nejistoty, že by jich snad mohlo být více.
Třídimenzionální svět dítěte.
11
ÚVODEM
Prostoročas však může být zásadně odlišný od všeho, co jste si kdy představovali. Žádná známá fyzikální teorie netvrdí, že bychom se měli nutně omezit jen na tři rozměry prostoru. Bylo by předčasné šmahem odmítnout extradimenze předtím, než jejich existencí pečlivě uvážíme. Stejně jako se „nahoru–dolů“ liší od „vlevo–vpravo“ anebo „dopředu–dozadu“, tak ve vesmíru mohou existovat další, zcela nové směry a rozměry. Přestože je náš zrak nevidí či naše prsty necítí, mohou další dimenze prostoru existovat. Tyto dosud nepozorované hypotetické dimenze ještě nemají jména. Ale existují-li, půjde o nové směry, jimiž bude možné se vydat. Proto když v knize potřebuji dodatečnou dimenzi pojmenovat, někdy jí říkám chodba jindy průchod.* Tyhle průchody mohou být ploché, stejně jako rozměry, s nimiž máme osobní zkušenost, anebo zakřivené, podobně jako pokřivené obrazy v zrcadlovém bludišti. Může jít o chodby skutečně miniaturní – mnohem menší než atomy. Donedávna si všichni představovali extradimenze právě takhle malinké. Nové práce ukázaly, že může jít i o extradimenze veliké, dokonce i nekonečné, a přesto velmi nesnadno pozorovatelné.** Naše smysly jsou zvyklé pracovat právě se třemi prostorovými rozměry, a proto možnost existence jedné nekonečné extradimenze vypadá dost neuvěřitelně. Ale jeden nekonečný rozměr navíc je jen jednou z celé řady podivuhodných možností, které mohou ve vesmíru existovat a jimiž se budeme v této knize zabývat. Výzkum v oblasti extradimenzí vedl rovněž k mnoha dalším pozoruhodným nápadům, které by jistě potěšily každého fanouška vědecko-fantastické literatury. Paralelní vesmíry, deformovaná geometrie prostoročasu, tunely v prostoročasu. Zdá se, že takové nápady mohou být doménou spisovatelů či snílků. A že se seriózní věda takovými ztřeštěnostmi zabývat nemůže. Ale jakkoli podivně to vše může znít, jde o skutečné scénáře, které mohou nastávat ve světě s přidanými dimenzemi. (Pokud jste některým souslovím nerozuměli, nemějte žádný strach, vše pečlivě vysvětlíme v následujících kapitolách.) * Toto slovo se v originálním textu (jako „passage“) objevuje častěji než v překladu. V českém podání však příslušné obraty znějí v lepším případě kostrbatě, v horším pak přímo nesrozumitelně (viz podtitulek knihy), proto jsme se je rozhodli nakonec ve většině případů vynechat (pozn. překl.). ** Jde právě o práci Lisy Randallové, kterou publikovala spolu s Ramanem Sundrumem a o níž se píše dále v knize (pozn. překl.).
12
PROČ VŮBEC NEPOZOROVANÉ DIMENZE?
Proč vůbec nepozorované dimenze? Připustíme-li, že ve světě s přidanými rozměry mohou podobné podivuhodné jevy existovat, stále se ještě můžete divit tomu, proč se jimi vůbec fyzici chtějí zabývat. Zájmem vědy jsou přece jen pozorovatelné skutečnosti. Odpověď na tuto otázku je snad stejně překvapivá jako samotná možnost existence extradimenzí. Poslední pokroky ve výzkumu totiž naznačují, že extradimenze, jimž samozřejmě zatím zcela nerozumíme a s nimiž nemáme žádnou přímou zkušenost, nám mohou najít odpověď na některé z nejzásadnějších otázek, které si o našem vesmíru klademe. Mohou mít totiž významné důsledky i pro pozorovaný svět a přemýšlením o přidaných dimenzích třeba odhalíme i dosud netušené souvislosti ve známém třírozměrném světě. Nikdy bychom neporozuměli tomu, proč Inuité a Číňané sdílejí podobné rysy, kdybychom do našeho uvažování nepřidali časový rozměr, díky němuž dojdeme k jejich společným předkům. Stejně tak mohou přidané rozměry prostoru ozřejmit některé otázky částicové fyziky, na něž už desítky let marně hledáme odpovědi. Vztahy mezi vlastnostmi částic a interakcí, které vypadají ve třech dimenzích nevysvětlitelně, do sebe začínají krásně zapadat ve světě s více prostorovými rozměry. Věřím já sama v existenci extradimenzí? Přiznám se, že věřím. V minulosti mě spekulace o fyzice (včetně těch mých vlastních) mimo měřitelný svět sice fascinovaly, ale zároveň i naplňovaly jistou nedůvěrou. Ráda jsem věřila, že takový přístup může udržet můj zájem, ale zároveň mi dovolí zůstat nezaujatou. Někdy se ovšem stávalo, že některý nápad vypadal tak dobře, že prostě musel obsahovat aspoň zrnko pravdy. Jednou, zhruba před pěti lety, když jsem na cestě do práce přecházela přes řeku Charles do Cambridge, jsem si najednou uvědomila, že skutečně věřím tomu, že nějaká forma extradimenzí musí existovat. Rozhlédla jsem se kolem a pokusila se soustředit na všechny ty skryté dimenze, které mě obklopují, ale které nemůžu vidět. Podobný šok z náhle změněného světonázoru jsem zažila už jednou, to když jsem – já, rodilá Newyorčanka – zuřivě fandila bostonským Red Sox během utkání proti newyorským Yankees. Něco takového jsem si předtím nedokázala ani představit. Jak jsem extradimenze postupně lépe poznávala, moje důvěra v jejich existenci postupně rostla. Argumenty vyslovené proti jejich existenci jsou příliš děravé a nespolehlivé, fyzikální teorie bez nich ponechávají příliš 13
ÚVODEM
mnoho otázek nezodpovězených. Navíc jsme v posledních letech při výzkumu extradimenzí zjistili, že počet možných vesmírů s extradimenzemi, které se chovají jako vesmír, ve kterém žijeme, je daleko větší, než jsme původně předpokládali. Zatím jsme nejspíš narazili jen na špičku ledovce. Byť se třeba ukáže, že extradimenze přesně neodpovídají tomu, co budu dále prezentovat, myslím si, že přidané rozměry v nějaké podobě existují a že důsledky jejich existence budou dozajista překvapivé a pozoruhodné. Možná vás překvapí, když vám prozradím, že jisté extradimenze se skrývají i ve vaší kuchyňské lince. Sedí na nepřilnavé pánvi pokryté kvazikrystaly, fascinujícími strukturami, jejichž uspořádání a strukturu je možné plně odkrýt jen za pomoci dalších dimenzí. Krystal je vysoce symetrická mřížka atomů či molekul, ve které se mnohokrát opakuje její základní buňka. U tří dimenzí dokážeme celkem jednoduše říct, jaké všechny vzory jsou možné a jaké krystalové struktury mohou vzniknout. Žádný z těchto známých vzorů však neodpovídá kvazikrystalům. Příklad kvazikrystalové struktury vidíte na obrázku dole. Postrádá přesnou pravidelnost, která je vlastní opravdovému krystalu a která připomíná třeba potisk čtverečkovaného papíru. Nejelegantnější metodou, jak můžeme molekulové vzory, které se objevují v těchto podivných materiálech, objasnit, je projekce, tedy jakási varianta třírozměrného stínu vícerozměrné krystalické struktury, která odhaluje symetrie ve vícerozměrném prostoru.
„Penroseovo pokrytí“ – projekce pětirozměrné struktury krystalu do dvourozměrné plochy.
14
PŘEHLED
Nepřilnavé pánve, pokryté kvazikrystaly, využívají strukturních rozdílů mezi projekcí vícerozměrného krystalu na pánvi a podstatně obyčejnější struktury našeho jídla. Rozdílná uspořádání atomů znemožňující, aby se na sebe navzájem navázaly, zároveň svědčí o tom, že extradimenze mohou existovat a vysvětlit nějaké pozorovatelné fyzikální jevy.
Přehled Podobně jako nám extradimenze pomáhají v pochopení matoucího uspořádání molekul v kvazikrystalech, doufají dnes fyzici, že by teorie extradimenzí mohla vysvětlit některé jevy spojující částicovou fyziku s kosmologií, jejichž souvislostem lze jen obtížně porozumět v pouhých třech prostorových rozměrech. Po třicet let spoléhali fyzici na teorii nazvanou standardní model částicové fyziky,* která popisuje interakce základních stavebních kamenů hmoty. Když za pomoci částic, které se v našem světě přirozeně vyskytovaly jen v prvních sekundách po velkém třesku, otestovali tento standardní model, zjistili, že popisuje celou řadu vlastností částic s opravdu pozoruhodnou přesností. Na druhou stranu však standardní model ponechával některé otázky bez odpovědi, a to otázky natolik základní, že jejich zodpovězení slibovalo klíčový pokrok ve znalosti elementárních prvků našeho světa a jejich vzájemných interakcí. Tato kniha vypráví o tom, jak jsem spolu s dalšími hledala odpovědi na nezodpovězené otázky standardního modelu, o tom, jak jsem je hledala ve světě extradimenzí. Samozřejmě že se středem naší pozornosti v této knize nakonec stanou právě skryté dimenze, ale ještě předtím musím představit ostatní hráče ve hře, tedy všechny revoluční zvraty a pokroky, jež ovlivnily fyziku v průběhu 20. století. Nové myšlenky, které představím na konci knihy, jsou založeny na předchozích úžasných objevech. Toto opakování už dříve známých myšlenek lze zhruba rozdělit do tří kategorií: na fyziku počátku 20. století, částicovou fyziku a teorii strun. Nejprve se podíváme na klíčové myšlenky teorie relativity a kvantové teorie, pak přejdeme k současnému stavu částicové fyziky a problémům, na něž by mohla dát teorie extradimenzí odpověď. Rovněž vám představím koncepci strunové teorie, jež – jak si řada fyziků myslí – je hlavním kandidátem sjed* O standardním modelu bude řeč v 7. kapitole.
15
ÚVODEM
nocujícím popis kvantové mechaniky a gravitace. Teorie strun, podle níž nejsou nejzákladnějšími jednotkami v přírodě částice, ale oscilující elementární struny, přinesla mnoho nápadů i do studia extradimenzí – zejména proto, že i v ní je nezbytných více než jen tři prostorové dimenze. Nemohu ani pominout teorii brán, membránových objektů ze strunové teorie, které jsou pro tuto teorii stejně důležité jako struny samotné. Představím jak úspěchy všech těchto jmenovaných teorií, tak otázky, jež zůstaly otevřené a které motivovaly náš současný výzkum. Jednou z hlavních záhad je, proč je gravitace tolikrát slabší než všechny ostatní známé síly. Stoupáte-li na vysokou horu, nepřijde vám nejspíš tak slaboučká, ale to proto, že na vás působí celá zeměkoule. Uvažte však, že malinký magnet dokáže snadno přitáhnout kancelářskou sponku, přestože celá hmota Země táhne opačným směrem. Proč je gravitace tak bezmocná proti síle jediné magnetky? Ve standardní třírozměrné částicové fyzice zůstává slabá gravitace velikou záhadou. Zde mohou poskytnout odpověď extradimenze. V roce 1998 jsme spolu s mým spolupracovníkem Ramanem Sundrumem jednu možnou příčinu její slabosti odhalili. Náš návrh je založen na pokřivené geometrii, tedy na myšlence vycházející z obecné teorie relativity. Podle této teorie jsou prostor a čas propojeny do jediné entity, do prostoročasu, který je deformován a zakřivován díky přítomnosti hmoty a energie. Spolu s Ramanem jsme tuto teorii nahlédli v novém kontextu přidaných dimenzí. A nalezli jsme konfiguraci, v níž je prostoročas pokřiven tak pozoruhodně, že v jedné jeho části je gravitace velmi silná, zato všude jinde zase slaboučká. Navíc jsme objevili ještě něco pozoruhodnějšího. Fyzici osmdesát let předpokládali, že jediným důvodem nepozorovatelnosti skrytých dimenzí může být jejich titěrný rozměr. Ale v roce 1999 jsme s Ramanem zjistili, že speciálním způsobem zdeformovaný prostor nejenže vysvětluje, proč je gravitace tak slabá, ale i to, že neviditelné extradimenze mohou dosahovat až do nekonečna. Přidané rozměry mohou být sice nekonečné, ale přesto skryté našim smyslům. (Zdaleka ne všichni fyzici naše nápady přijali, zato mí laičtí přátelé byli takřka okamžitě přesvědčeni, že na mých nápadech něco je. Hlavní podíl na tomto jejich názoru ovšem neměl pronikavý vhled do fyziky, ale spíš to, že viděli, jak mi po mém vystoupení o našich objevech Stephen Hawking na konferenčním banketu držel židli u svého stolu.) V této knize se budu věnovat fyzikálním principům, na nichž je naše teorie založena, a vysvětlím nové pojetí popisu prostoru, které vznik těch16
ÚŽAS Z NEZNÁMA
to principů umožnilo. Na závěr se zmíním i o ještě podivnějším nápadu, který jsem zveřejnila spolu s fyzikem Andreasem Karchem v roce 2000: je možné, že žijeme v třírozměrné kapsičce a zároveň je zbytek vesmíru mnohem bohatší a obsahuje třeba i několik dalších prostorových dimenzí. Naše myšlenka otevřela dveře celé řadě nových možností, můžeme si představit třeba prostoročas se složitou strukturou, který obsahuje celou řadu rozličných oblastí, každou s jiným počtem prostorových dimenzí. V takovém případě nejenomže bychom nebyli ve středu vesmíru, čímž šokoval své současníky Mikuláš Koperník už před 500 lety, ale žili bychom v izolaci našich tří prostorových dimenzí, odděleni od zbytku podstatně bohatšího vesmíru. Nově zkoumané membránové objekty nazývané brány jsou jednou z důležitých složek mnoharozměrných krajin. Jestliže extradimenze jsou pro fyziky hřištěm, pak bránové světy, tedy hypotetické světy, ve kterých žijeme na jedné z (mem)brán, jsou jejich krásnými, mnohovrstevnatými prolézačkami. Tato kniha vás postupně provede bránovými světy a vesmíry se zakroucenými, pokřivenými, velkými i nekonečnými přidanými dimenzemi. Některé budou obsahovat jedinou bránu, jiné budou mít brán nespočet a na každé z nich bude ležet celý neviditelný svět. A každá taková varianta je třeba skutečná a opravdu realizovaná, vše, o čem budu psát, leží v říši možného.
Úžas z neznáma Bránové světy vyžadují dosti dramatickou změnu fyzikova náhledu na svět; celkem pochopitelně má řada myšlenek, na nichž je tato hypotéza založena, značně spekulativní charakter. Ve fyzice je to však jako při obchodování s akciemi – riskantnější podnik vás může buď zklamat, anebo vám přinese podstatně větší výnos. Představte si, že v první slunečný den po několikadenní sněhové bouři jedete lanovkou a hledíte dolů na lákavý prašan. Je vám jasné, že jakmile se dotknete sněhu, užijete si bezvadný den. Některé sjezdovky budou příkré a plné boulí, jiné zase široké a upravené pro začátečníky a ještě další budou úzké stezičky mezi stromy v lese. Byť občas upadnete nebo špatně zabočíte, celkově si celodenní sportování dozajista krásně užijete. Pro mě je budování nových modelů podobně neodolatelné. Tímto budováním či tvorbou modelů myslím to, co jiní fyzici nazývají hledáním teorií na základě existujících pozorování. Je to dobrodružná cesta od nápa17
ÚVODEM
du k nápadu, od jedné koncepce ke druhé. Někdy jsou nové objevy zcela zřejmé, jindy je dá práci nalézt a správně formulovat. Třebaže často nebývá úplně jasné, kam nás definice nového modelu vlastně zavede, velmi často se daří odkrývat lákavý, zatím neprozkoumaný a neporušený terén. Na první pohled nebývá zřejmé, které z teorií budou správně popisovat svět, v němž žijeme. U některých to dokonce nebude jasné nikdy. Celkem překvapivě to však není případ teorií s přidanými dimenzemi. Nejzajímavější vlastností teorie extradimenzí je, že se nám nejspíš podaří brzy potvrdit, zda vysvětlení slabé gravitace z nich plynoucí je správné, nebo nesprávné. Experimenty v oblasti fyziky vysokých energií mohou brzy přinést důkazy svědčící ve prospěch existence extradimenzí. Měl by se o to postarat obrovský urychlovač částic poblíž Ženevy ve Švýcarsku, nazvaný LHC (Large Hadron Collider, velký hadronový srážeč). V tomto urychlovači, který měl zahájit provoz v roce 2007,* budou možná při srážkách úžasně energetických částic vznikat nové, dosud nepozorované typy hmoty. Jestliže je některá z hypotéz o extradimenzích správná, mohli bychom na tomto zařízení pozorovat její projevy. Extradimenze by třeba dokazovala existence částic zvaných Kaluzovy-Kleinovy mody, které se pohybují v extradimenzích, ale zároveň zanechávají pozorovatelnou stopu i v našem obyčejném třírozměrném světě. Kaluzovy-Kleinovy mody by vlastně byly jakési otisky prstů extradimenzionálního vesmíru. A bude-li nám přát štěstěna, experimenty naleznou i další stopy svědčící o správnosti teorií s extradimenzemi, například vícerozměrné černé díry. Detektory, které budou tyto jevy zaznamenávat, jsou skutečně kolosy. Jsou tak obrovské a vysoké, že práce na nich dokonce vyžaduje horolezecké úvazky a helmy. Jednou jsem jich s výhodou využila, když jsem ve Švýcarsku vyrazila na ledovcovou túru poblíž CERN (Evropské organizace pro jaderný výzkum)**, střediska částicové fyziky, kde bude umístěn urychlovač LHC. * Ne všechno se vždy daří podle plánu. Zprovozňování tohoto srážeče nabralo zpoždění a první testy začaly až v polovině roku 2008. Ještě než se v podzemních tunelech srazily první částice, došlo bohužel k závažné poruše. Jeden ze spojů elektronického obvodu se natolik rozpálil, že uvařil supratekuté helium, jímž měl být chlazen. Poškozeno bylo více než 100 metrů urychlovače a do tunelu vyteklo několik tun helia. Zahájení provozu tak bylo odloženo zhruba o rok. První skutečné srážky částic ve srážeči proběhly koncem roku 2009 a od té doby toto zařízení láme rekordy v maximální energii urychlených částic (pozn. překl.). ** Zkratka CERN pochází z původního francouzkého jména laboratoře z roku 1954 – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Evropská rada pro jaderný výzkum). Laboratoř byla později přejmenována (z rady na organizaci), ale původní vžitá zkratka zůstala zachována (pozn. překl.).
18
ÚŽAS Z NEZNÁMA
Tyto obří detektory budou zaznamenávat vlastnosti a dráhy částic, které budou vznikat jako produkty srážek, což fyzici využijí při rekonstrukci průběhu procesu srážky. Uznávám, že důkazy ve prospěch hypotézy extradimenzí budou poněkud nepřímé a že bude nezbytné složit dohromady různé střípky nových vědomostí. Něco takového bychom však mohli říct téměř o všech nedávných objevech ve fyzice. Jak se fyzika v průběhu 20. století postupně rozvíjela, posouvala se zároveň od jevů pozorovatelných očima k těm, které jsou „vidět“ jen po speciálním a nesmírně pečlivém měření a po aplikaci celé posloupnosti teoretických předpokladů. Například kvarky, stavební kameny protonů a neutronů, se nikdy nevyskytují izolovaně. Jsme schopni je identifikovat jen díky stopě, kterou po sobě zanechávají při interakcích s jinými částicemi. Stejné je to s prazvláštními formami, které známe jako temnou hmotu a temnou energii. Nevíme, odkud se ve vesmíru vzala většina energie, ani to, z čeho je složena většina hmoty. Přesto však víme, že temná energie i temná hmota ve vesmíru existují, ne proto, že jsme tyto složky vesmíru přímo pozorovali, ale proto, že mají obě pozorovatelné vlivy na běžnou hmotu, která je obklopuje. Extradimenze na tom budou stejně jako kvarky, temná hmota či temná energie – jejich existenci budeme schopni potvrdit jen nepřímo. Hned v úvodu bych chtěla zdůraznit – což celkem nepřekvapuje –, že ne všechny nové nápady fungují a že mnoho fyziků přistupuje k novým teoriím skepticky. Teorie, které čtenářům představím, nejsou v tomto ohledu žádnou výjimkou. Jenže pouze novými spekulacemi a novými představami můžeme dosáhnout nějakého pokroku v našem poznání. A i když se ukáže, že ne všechny detaily dané hypotézy se shodují s realitou, stále může nový nápad pomoci odhalit fyzikální principy, na kterých je založena ta správná teorie o vesmíru. Jsem přesvědčena o tom, že extradimenze, hlavní postavy této knihy, obsahují jistě více než jen pouhé zrnko pravdy. Když se zabývám novými a spekulativními myšlenkami, ráda si připomínám fundamentální objevy, které se překvapivě zjevily na fyzikální scéně a které se zpočátku setkaly vesměs jen s nepochopením a odporem. Je celkem příznačné, že nové nápady často neodmítala jen odborná věřejnost, ale mnohdy i sami autoři. Tak třeba James Clerk Maxwell, který rozvinul klasickou teorii elektromagnetismu, odmítal uvěřit v existenci elementárního náboje a jeho nosičů (což jsou třeba elektrony). A George Stoney, který na sklonku 19. století navrhl elektron jako základní jednotku náboje, nikdy nevěřil, že by se elektro19
ÚVODEM
ny někdy podařilo izolovat z atomů. (Ve skutečnosti stačí atom zahřát nebo vložit do elektrického pole.) Dmitrij Mendělejev, tvůrce periodické tabulky chemických prvků, zase nevěřil principu mocnosti prvků, na kterém je uspořádání jeho tabulky založeno. A Max Planck, ten, kdo přišel s myšlenkou, že energie světla je vyzařována nespojitě, nikdy něvěřil tomu, že skutečně existují nějaká světelná kvanta. Albert Einstein, který existenci takových kvant navrhl, se zase domníval, že jejich mechanické vlastnosti znemožní jejich detekci jako částic – těmto kvantům dnes říkáme fotony a umíme je pozorovat. Samozřejmě ne každý původce nové myšlenky byl nedůvěřivý. Některé nápady přečkaly období nedůvěry a odmítání a po čase prokázaly svou pravdivost. Je vlastně ještě vůbec co objevovat? Odpovím na tuto otázku citátem nesmrtelného výroku George Gamowa, význačného jaderného fyzika a popularizátora vědy. Ten v roce 1945 napsal: „Namísto velkého množství ‚nedělitelných atomů‘ klasické fyziky nám zůstaly jen tři nedělitelné entity. Nukleony, elektrony a neutrina. Tato jednoduchost svědčí ve prospěch toho, že jsme už skutečně došli na samý základ našeho hledání stavebních prvků hmoty.“ Když Gamow tyto věty psal, neměl ani potuchy o tom, že za třicet let bude známo, že některé jím jmenované základní prvky jsou ještě složeny z kvarků! Nebylo by nakonec poněkud podivné, kdyby se ukázalo, že právě my jsme ti, kdo při hledání stále hlubších struktur hmoty nikam dál nepokročí? Nebylo by to až příliš zvláštní, nebylo by to těžko uvěřitelné? Existující rozpory mezi stávajícími teoriemi svědčí o tom, že jsme zatím nenašli finální teorii. Předchozí generace neměly ani nástroje, ani motivaci k objevování extradimenzionálního světa. Ať už to budou extradimenze anebo něco docela jiného, teorie vysvětlující vlastnosti standardního modelu částicové fyziky bude každopádně objevem nejvyšší důležitosti. Pokud jde o svět kolem nás, máme vůbec nějakou jinou možnost než se pustit do jeho objevování?
20
