Tajemství některých z největších záhad vesmíru, jak se domnívá Sera Cremonini, může spočívat v chování jeho nejmenších součástí.
Považte počátek vesmíru. Ve zlomku sekundy po velkém třesku před 14 miliardami let explodovalo obrovské množství těsně uzavřené hmoty do superžhavého moře subatomárních částic.
A uvažujte o černých dírách, které vznikají při kolapsu masivních hvězd. Stlačují hmotu tak hustě, že z nich neunikne nic, co do nich vstoupí, dokonce ani světlo.
Jak spolu interagovaly první částice vesmíru? Jak vznikly kvarky a jak se spojily a vytvořily první protony a neutrony? A jakými zákony se řídí „gravitační singularita“ černé díry, trhlina v časoprostoru, kde se hustota a gravitace stávají nekonečnými?
Cremonini, docent fyziky, zkoumá tyto otázky optikou teorie strun, která tvrdí, že každá částice ve vesmíru je tvořena malými vibrujícími strunami energie. Struna měří pouhých 10-34 metrů a její velikost je srovnatelná s velikostí kvarku, jako je velikost atomu srovnatelná s velikostí Země.
Struny jsou jednorozměrné objekty, mají délku, ale ne šířku. Mohou být otevřené, tvořit uzavřenou smyčku nebo se připojovat k membránám či větvím, které mohou být nepatrné nebo mohou vyplňovat celý vesmír. Podobně jako kytarové struny naladěné tak, aby vytvářely různé frekvence, mohou být vibrace strun spojeny s různými částicemi, které známe. Jedna z nich odpovídá gravitonu, částici, o níž se předpokládá, že je nositelem gravitační síly. Způsob, jakým se struny a membrány uspořádávají a vzájemně na sebe působí, dává vzniknout vlastnostem subatomárních částic, které pozorujeme.
„Myšlenka teorie strun je jednoduchá,“ říká Cremonini. „Podívejte se hluboko do nitra jakékoli částice a uvidíte tuto malou vibrující strunu. To je základní jednotka, kterou jsme hledali, základní entita, která tvoří všechno.“
Teorie strun, říká Cremonini, je zatím nejlepším rámcem, který byl vytvořen, aby spojil dvě neslučitelné teorie, které popisují fungování vesmíru. Obecná teorie relativity Alberta Einsteina učí, že gravitace je ohybem prostoru a času; je deterministická a popisuje jevy velkého rozsahu. Kvantová mechanika je pravděpodobnostní; řídí chování atomových a subatomárních částic.
„Einsteinova obecná teorie relativity je krásná, dobře ověřená teorie, která nám říká, jak masivní objekty deformují strukturu časoprostoru,“ říká Cremonini. „Díky ní máme systémy GPS, rozumíme oběžným drahám planet a ohybu světla kolem galaxií. A teprve loni experiment LIGO poprvé detekoval gravitační vlny, které Einstein předpověděl před 100 lety. Jedná se o vlnění samotného časoprostoru způsobené srážkou dvou černých děr, což je velkolepé potvrzení obecné teorie relativity.
„Obecná teorie relativity však dobře funguje pouze na velkých vzdálenostech nebo ve velkých měřítkách – u planety, jablka nebo letadla. Teorie nedokáže popsat gravitaci všude ve vesmíru. Rozpadá se, když přejdete na velmi, velmi malé vzdálenosti, kde nelze ignorovat účinky kvantové mechaniky.
„Obecná relativita a kvantová mechanika dobře vysvětlují své režimy, ale potřebujeme teorii, teorii kvantové gravitace, která by je obě sjednotila, abychom mohli popsat situace, v nichž jsou gravitační a kvantové účinky stejně důležité. Teorie strun je v současné době nejslibnějším a nejkonzistentnějším rámcem, který máme k dispozici pro objasnění kvantové povahy gravitace. Je to soubor nástrojů, které můžeme použít k zodpovězení otázek týkajících se počátku vesmíru, chování a vlastností černých děr a struktury prostoročasu. Všechny tyto myšlenky spolu souvisejí.“
Cremonini nedávno získal tříletý grant od Národní vědecké nadace na studium mikrostruktury prostoročasu, čtyřrozměrného kontinua, do kterého jsou vetkány tři fyzikální rozměry s časem. Pomocí techniky zvané holografie doufá, že se jí podaří objasnit jevy od bezprostředních následků velkého třesku přes strukturu a vlastnosti černých děr až po chování nekonvenčních materiálů, jako jsou vysokoteplotní supravodiče.
Sférická kráva
Cremoniniová začíná většinu svého výzkumu s tužkou a listem papíru a píše diferenciální rovnice, které nejsou o mnoho složitější než ty, které se studenti učí řešit ve vysokoškolské matematice. Jedná se o rovnice obecné teorie relativity s kvantovou teorií pole a teorií strun.
„Mnoho těchto výpočtů vyžaduje fyzikální intuici,“ říká. „Některé z nich lze provést ručně. Jakmile problém správně nastavím, pak si pomůžu počítačem.“
Stejně jako většina fyziků i Cremonini používá mnoho aproximací a předpokladů o reálném světě. To je důležité zejména u teorie strun, protože vědci zatím nevyvinuli nástroje, které by dokázaly struny vytvořit nebo pozorovat.
„Ve fyzice existuje vtip o kulové krávě,“ říká. „Většina problémů, na kterých fyzikové pracují, od nás vyžaduje aproximace reálného světa, jako když vezmeme krávu a uděláme z ní kulovou, protože kouli je mnohem snazší modelovat než skutečnou krávu.
„Nemáme matematické nástroje k řešení některých problémů, takže jsme nuceni dělat zjednodušení a aproximace, které je redukují na něco, co můžeme řešit. Musíme vztahovat problém, který neumíme vyřešit, k něčemu, o čem víme, že je řešitelné, aniž bychom ztratili jeho základní fyzikální vlastnosti.“
Gravitačně-kvantový slovník
Dualita v teorii strun, říká Cremonini, dává nahlédnout do toho, jak gravitace souvisí se světem kvantové mechaniky. Některé aspekty gravitačního prostoročasu mají podle ní alternativní popisy v kvantovém světě.
„V teorii strun se dozvídáme, že určité teorie gravitace, které žijí v určitém počtu dimenzí, mají odpovídající a zcela ekvivalentní popisy v kvantových teoriích, které žijí o jednu dimenzi méně. Kvůli tomuto rozdílu v počtu dimenzí tomu říkáme holografie, protože to připomíná hologram, což je projekce trojrozměrného objektu na dva rozměry.“
Podobně jako francouzsko-německý nebo japonsko-anglický slovník, říká Cremonini, gravitační teorie a jí odpovídající kvantová teorie obsahují stejné množství informací, ale jsou zapsány různými slovy a konvencemi. Holografie nabízí „bohatou síť“ souvislostí, říká Cremonini, které umožňují překládat mezi gravitací a kvantovým světem a přemýšlet zcela novým způsobem o některých jejich nejnáročnějších aspektech. Ukazuje se, že problém, který je obtížně řešitelný v jedné oblasti, lze převést do druhé – obvykle gravitační -, kde jej lze vyřešit snadněji.
Posouzení asymetrie reality
Cílem současného výzkumu Cremoniniové je rozšířit okruh problémů, na které lze efektivně aplikovat holografické techniky.
„Holografické techniky byly původně vyvinuty pro jednoduché systémy, které se dobře chovají, mají velkou symetrii a nejsou příliš realistické,“ říká. „Zjistili jsme, že tyto techniky jsou mnohem širší a poměrně výkonné. Ptám se, nakolik můžeme tyto myšlenky rozšířit a zobecnit na složitější systémy s menší symetrií, které jsou bližší našemu vesmíru, a tudíž realističtější.“
„Fyzikové rádi uvažují o věcech v termínech symetrie. Většina našeho pokroku, zejména v částicové fyzice, se opírá o pochopení systémů, které jsou vysoce symetrické; je jednoduše snazší jim porozumět. Ale ve skutečném životě má příroda mnoho mechanismů, které symetrie narušují, a procesy jsou dynamické a mnohem složitější.“
Problémy, které představují pro fyziky největší výzvu, říká Cremonini, se obvykle týkají systémů, jejichž složky – například elektrony – spolu silně interagují. V těchto případech je modelování chování systémů při různých teplotách nebo jejich fázových přechodů z jednoho stavu do druhého notoricky obtížné.
Jeden z fázových přechodů, který Cremonini studoval, se vyskytuje v kvantovém systému zvaném kvark-gluonové plazma. Podle teorie kvantové chromodynamiky (QCD) se protony a neutrony, které tvoří jádro atomu, samy o sobě skládají ze tří malých kvarků, které jsou k sobě pevně vázány částicemi zvanými gluony. Při dostatečně vysokých energiích se kvarky a gluony fyzicky oddělí a volně se vznášejí v horké polévce neboli plazmatu. Fázový přechod, při kterém dochází k rozpojení kvarků, se nazývá dekonfinement QCD a je předmětem experimentů na relativistickém urychlovači těžkých iontů v Brookhavenské národní laboratoři a na Velkém hadronovém urychlovači v Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERN ve Švýcarsku.
„Vzhledem k silným interakcím mezi kvarky a gluony,“ říká Cremonini, „je studium tohoto systému velmi obtížné. Lze jej však zmapovat na vhodný gravitační systém, kde se některé jeho vlastnosti zkoumají mnohem snadněji.“
Když energie řídí chování
V rámci svého projektu NSF se Cremonini snaží využít holografické techniky ke studiu kvantových fází hmoty, jejichž chování je právě kvůli těmto silným interakcím špatně pochopitelné. Příkladem jsou vysokoteplotní supravodiče, které dosahují supravodivosti při teplotách až -70 stupňů Celsia ve srovnání s prahem -240 stupňů pro běžné kovové supravodivé materiály.
Protože mají silně interagující složky, říká Cemoniniová, je modelování vysokoteplotních supravodičů mnohem náročnější než u běžných supravodičů.
„Vysokoteplotní supravodiče jsou velmi zajímavé materiály, ale neexistuje hlubší pochopení toho, proč supravodí,“ říká. „Chování složek těchto materiálů je velmi zvláštní. Jejich elektrony jsou tak propletené a interagují tak silně, že jejich chování nemůžeme pochopit technikami, které běžně používáme pro běžné supravodiče nebo konvenční kovy. Holografické techniky nám poskytují způsob, jak napsat dohledatelné výpočty, které umožňují modelovat tyto systémy a jejich neobvyklé vlastnosti.“
Chování mnoha systémů lze přirovnat k chování dětí, které zažívají cukrové opojení. Když je systému odebrána energie, říká Cremonini, systém se uvolní do nulového nebo základního stavu. Když se energie přidá, často pomocí tepla, systém se nabudí a vykazuje bohaté chování.
„Ve fyzice je důležité pochopit, jak se systémy chovají, když jim odeberete energii, a do jakého stavu relaxují. Chování je funkcí energie.
„Vzpomeňte si, co se děje, když se vaří voda. Vznikne bublina – nestabilita v systému – a začne růst. Pak se vytvoří další bubliny a rozrostou se v parní masu. Takto přemýšlíme o fázových přechodech; jsou tu proto, že se vytvoří nestabilita a pak roste. Ve své práci zkoumám různé kvantové fáze a typy nestabilit, které mohou vzniknout.“
Ve svém projektu NSF Cremoniniová také zkoumá, jak vzniká gravitace z mikroskopických, kvantově-mechanických složek. Doufá, že její odpovědi vrhnou světlo na strukturu prostoročasu, počátek a raný vývoj vesmíru a fyziku černých děr.
„Teorie strun nám poskytla mnoho poznatků o vztahu mezi obecnou relativitou a kvantovou mechanikou, zejména v posledních 20 letech. Pomohla nám poznat základní strukturu černých děr. Víme, že černé díry mají teplotu, což znamená, že je s nimi spojena entropie. Ale entropie není jen mírou neuspořádanosti. Říká nám také, že černá díra by se měla skládat z hromady mikroskopických kousků. Jedním z velkých úspěchů teorie strun je, že nám poskytla způsob, jak vypočítat mikroskopické kousky, které tvoří určité černé díry, a velmi přesně reprodukovala jejich entropii. To je pozoruhodné a je to nutnost pro každou teorii kvantové gravitace.
„Možná existuje jiná teorie, která dokáže popsat všechny tyto jevy. To je možné, ale zatím je teorie strun tím nejlepším rámcem, který máme.“
Příběh Kurta Pfitzera
.