Obsah:
Problém teorie strun je podle některých fyziků v tom, že tvoří příliš mnoho vesmírů. Předpovídá ne jednu, ale asi 10500 verze časoprostoru, každá se svými vlastními fyzikálními zákony. Ale s tolika vesmíry na stole, jak může teorie vysvětlit, proč má ten náš vlastnosti, které má?
Nyní někteří teoretici navrhují, že většina – ne-li všechny – z těchto vesmírů jsou ve skutečnosti zakázány, alespoň pokud chceme, aby měly stabilní temnou energii, údajnou sílu urychlující expanzi kosmu. Pro některé není odstranění tolika možných vesmírů nevýhodou, ale velkým krokem vpřed pro teorii strun, který nabízí novou naději na vytváření testovatelných předpovědí. Ale jiní říkají, že multivesmír tu zůstane a navrhovaný problém se všemi těmi vesmíry není vůbec problémem.
Debata byla žhavým tématem na konci června v Japonsku, kde se teoretici strun sešli na konferenci Struny 2018. „Je to opravdu něco nového a vedlo to ke kontroverzi v oboru,“říká Ulf Danielsson, fyzik z Uppsalské univerzity. ve Švédsku. Konverzace se soustředí na dva články zveřejněné na předtiskovém serveru arXiv minulý měsíc, které se zaměřují na takzvanou „krajinu“teorie strun – nepochopitelné množství potenciálních vesmírů, které jsou výsledkem mnoha různých řešení rovnic teorie strun, které vytvářejí složky našeho vlastního vesmíru, včetně temné energie. Ale drtivá většina dosud nalezených řešení je matematicky nekonzistentních, tvrdí noviny a nestaví je do krajiny, ale do takzvané „bažiny“vesmírů, které ve skutečnosti nemohou existovat. Vědci věděli, že mnoho řešení musí v této bažině spadnout už léta, ale představa, že by tam mohla žít většina nebo možná všechna řešení v krajině, by byla velkou změnou. Ve skutečnosti může být teoreticky nemožné najít platné řešení pro teorii strun, které zahrnuje stabilní temnou energii, říká Cumrun Vafa, fyzik z Harvardské univerzity, který vedl práci na těchto dvou článcích.
Ztraceni v multivesmíru
Teorie strun je pokusem popsat celý vesmír pod jedinou „teorií všeho“přidáním dalších dimenzí časoprostoru a myšlením o částicích jako o nepatrných vibračních smyčkách. Mnoho teoretiků strun tvrdí, že je to stále nejslibnější směr pro sledování snu Alberta Einsteina o spojení jeho obecné teorie relativity s konfliktním mikroskopickým světem kvantové mechaniky. Přesto představa krajiny teorie strun, která předpovídá nejen jeden vesmír, ale mnoho, některé fyziky odradila. "Pokud je to skutečně krajina, je to podle mého názoru smrt pro teorii, protože ztrácí veškerou prediktivní hodnotu," říká fyzik Paul Steinhardt z Princetonské univerzity, který spolupracoval na jednom z nedávných prací. "Možné je doslova všechno." Steinhardtovi a dalším nabízejí nově objevené problémy s temnou energií teorii strun východisko. "Tento obrázek s velkým multivesmírem může být matematicky chybný," říká Danielsson. "Paradoxně to dělá věci mnohem zajímavějšími, protože to znamená, že teorie strun je mnohem předvídatelnější, než jsme si mysleli."
Někteří teoretici strun, jako je Savdeep Sethi z University of Chicago, vítají přehodnocení, k němuž nyní dochází. "Myslím, že je to vzrušující," říká. "Dlouho jsem byl skeptik krajiny. Jsem opravdu rád, že vidím posun paradigmatu od tohoto přesvědčení, že máme tento osvědčený soubor řešení." Ale ne každý si myslí, že krajina skutečně patří do bažin – zvláště výzkumný tým, který v roce 2003 založil jednu z nejstarších verzí krajiny, která se používá pod zkratkou KKLT za příjmením vědců. "Myslím, že je velmi zdravé dělat tyto domněnky a ověřit, co se může stát, ale nevidím ani teoretické ani experimentální důvody, proč brát takové domněnky velmi vážně," říká člen KKLT Shamit Kachru ze Stanfordské univerzity. A Eva Silverstein, fyzik ze Stanfordu, který také pomáhal budovat rané modely krajiny, podobně pochybuje o argumentu Vafa a jeho kolegů. "Myslím, že ingredience, které KKLT používá, a způsob, jakým je spojují, jsou naprosto platné," říká. Juan Maldacena, teoretik z Institute for Advanced Study, říká, že také stále podporuje myšlenku vesmírů teorie strun se stabilní temnou energií.
A mnoho teoretiků je s multivesmírem teorie strun naprosto spokojeno. "Je pravda, že pokud je tento obraz krajiny správný, část vesmíru, ve které se nacházíme, ve srovnání s multivesmírem bude jako naše sluneční soustava ve vesmíru," říká Kachru. A to je dobře, dodává. Johannes Kepler původně hledal základní důvod, proč je Země tak daleko od Slunce. Ale nyní víme, že Slunce je jen jednou z miliard hvězd v galaxii, z nichž každá má své vlastní planety, a vzdálenost Země-Slunce je prostě náhodné číslo, nikoli výsledek nějakého hlubokého matematického principu. Podobně, pokud je vesmír jedním z bilionů v rámci multivesmíru, konkrétní parametry našeho kosmu jsou podobně náhodné. Skutečnost, že se tato čísla zdají dokonale vyladěná, aby vytvořila obyvatelný vesmír, je selekční efekt – lidé se samozřejmě ocitnou v jednom ze vzácných koutů multivesmíru, kde je možné, že se vyvinuli.
Zrychlující se vesmír
Pokud je pravda, že teorie strun nedokáže pojmout stabilní temnou energii, může to být důvodem k pochybnostem o teorii strun. Ale pro Vafu je to důvod pochybovat o temné energii – tedy temné energii v její nejoblíbenější formě, nazývané kosmologická konstanta. Myšlenka vznikla v roce 1917 u Einsteina a byla obnovena v roce 1998, když astronomové zjistili, že nejen že se rozpíná časoprostor, ale že se rychlost této expanze zvyšuje. Kosmologická konstanta by byla formou energie ve vakuu vesmíru, která se nikdy nemění a působí proti vnitřní gravitaci. Není to ale jediné možné vysvětlení zrychlujícího se vesmíru. Alternativou je „kvintesence“, pole prostupující časoprostor, které se může vyvíjet. "Bez ohledu na to, zda lze realizovat stabilní temnou energii v teorii strun nebo ne, ukazuje se, že myšlenka, že se temná energie mění v průběhu času, je v teorii strun ve skutečnosti přirozenější, " říká Vafa. "Pokud je tomu tak, pak lze tento posun temné energie změřit pomocí astrofyzikálních pozorování, která v současnosti probíhají."
Dosud všechny astrofyzikální důkazy podporují myšlenku kosmologické konstanty, ale v měření je určitý prostor pro výkyvy. Nadcházející experimenty, jako je evropský vesmírný dalekohled Euclid, širokoúhlý infračervený průzkumný dalekohled NASA (WFIRST) a Simonsova observatoř budovaná v chilské poušti, budou hledat známky toho, že temná energie byla v minulosti silnější nebo slabší než současnost. "Zajímavé je, že už jsme na úrovni citlivosti, abychom začali vyvíjet tlak." říká Steinhardt. "Nemusíme čekat, až bude ve hře nová technologie. Jsme ve hře teď." A dokonce i skeptici návrhu Vafa podporují myšlenku zvažování alternativ ke kosmologické konstantě. "Vlastně souhlasím s tím, že [měnící se pole temné energie] je zjednodušující metoda pro konstrukci zrychlené expanze, " říká Silverstein. "Ale nemyslím si, že v tuto chvíli existuje nějaké ospravedlnění pro předpovědi pozorování temné energie."
Kvintesence není jedinou další možností. V návaznosti na články Vafa Danielsson a jeho kolegové navrhli jiný způsob, jak začlenit temnou energii do teorie strun. V jejich vizi je náš vesmír trojrozměrným povrchem bubliny rozpínající se ve větším rozměrovém prostoru. "Fyzika na tomto povrchu může napodobovat fyziku kosmologické konstanty," říká Danielsson. "Toto je jiný způsob realizace temné energie ve srovnání s tím, co jsme si dosud mysleli."
Krásná teorie
Nakonec se debata probíhající v teorii strun soustředí na hlubokou otázku: Jaký je smysl fyziky? Měla by dobrá teorie vysvětlit konkrétní charakteristiky vesmíru kolem nás, nebo to vyžaduje příliš mnoho? A když je teorie v rozporu s tím, jak si myslíme, že náš vesmír funguje, opustíme teorii nebo věci, o kterých si myslíme, že víme?
Teorie strun je pro mnoho vědců neuvěřitelně přitažlivá, protože je „krásná“– její rovnice jsou uspokojivé a navrhovaná vysvětlení elegantní. Zatím však postrádá jakýkoli experimentální důkaz, který by to podporoval - a co je horší, žádné rozumné vyhlídky na shromáždění takových důkazů. Přesto ani teorie sugesčních strun nemusí být schopna pojmout druh temné energie, kterou vidíme ve vesmíru kolem nás, některé neodradí. "Teorie strun je tak bohatá a krásná a tak správná téměř ve všech věcech, které nás naučila, že je těžké uvěřit, že chyba je v teorii strun a ne v nás," říká Sethi. Ale možná honba za krásou není dobrý způsob, jak najít tu správnou teorii vesmíru. „Matematika je plná úžasných a krásných věcí a většina z nich nepopisuje svět,“napsala fyzička Sabine Hossenfelder z Frankfurtského institutu pro pokročilá studia ve své nedávné knize Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray (Basic Books, Basic Books, 2018).
Navzdory rozdílům v názorech jsou fyzici přátelská parta a spojuje je společný cíl porozumět vesmíru. Kachru, jeden ze zakladatelů myšlenky krajiny, spolupracoval s Vafou, kritikem krajiny, jako jeho vysokoškolský poradce – a ti dva jsou stále přátelé. "Jednou se mě zeptal, jestli bych vsadil, že můj život existuje," říká Kachru. "Moje odpověď byla: 'Nevsadil bych svůj život, ale vsadil bych jeho!"
