.:: Neviditelný čert ::.

Fyzika v potížích

rubrika: Populárně naučný koutek

Po více než dvě staletí se poznání fyzikálních zákonů prohlubovalo a rozšiřovalo závratným tempem. Avšak dnes, i přes enormní úsilí, toho o základních zákonech přírody s jistotou nevíme o mnohem víc, než bylo známo v 70. letech minulého století. Je na tom něco zvláštního, že po téměř čtyřech desetiletích nebylo dosaženo hmatatelného pokroku ve fundamentální fyzice? Ano, je to zcela bezprecedentní. A to i tehdy, když se ohlédneme nazpět více než dvě stě let do doby, kdy věda byla ještě doménou zámožných amatérů. Přinejmenším od konce 18. století se totiž vědě dařilo zhruba každých pětadvacet let dosáhnout významného pokroku v zásadních otázkách.

Lucifer

Kolem roku 1780, kdy Antoine Lavoisier kvantitativními chemickými pokusy prokázal zákon zachování hmoty, uplynulo už celé století od doby, co Isaac Newton zformuloval zákony pohybu a gravitace. Během první čtvrtiny 19. století byly ve všech oblastech učiněny zásadní objevy. Byl popsán charakter sil působících mezi elektricky nabitými částicemi a světlo začalo být vnímáno jako vlnění. A díky atomové teorii Johna Daltona byl uskutečněn obrovský skok v chápání struktury hmoty. Zrodil se pojem energie a pomocí vlnové teorie světla byly objasněny interferenční a difrakční jevy, byla prozkoumána souvislost mezi elektřinou a magnetismem.

Mezi roky 1830 a 1855 se vynořily nové základní pojmy stojící v základech moderní fyziky. Michael Faraday přišel s představou, že silové působení může být zprostředkováno fyzikálními pojmy. Ve stejné době byl zformulován princip zachování energie a také druhý termodynamický zákon. V dalším čtvrtstoletí rozvinul James Clerk Maxwell Faradayovy myšlenky a vybudoval dnešní moderní teorii elektromagnetismu. Maxwell rovněž objasnil, že světlo je elektromagnetické vlnění. A v roce 1867 kinetickou teorií atomů vysvětlil chování plynů. V téže době Rudolf Clausius zavedl pojem entropie. V období mezi roky 1880 a 1905 byly objeveny elektrony a rentgenové paprsky. Studium tepelného záření vedlo v několika krocích k objevu Maxe Plancka, který v roce 1900 našel správný vzorec popisující vlastnosti tepelného záření. Tím zažehl kvantovou revoluci.

V roce 1905 bylo Albertu Einsteinovi šestadvacet let. Přestože jeho první práce týkající se fyziky tepelného záření byly velmi přínosné, nepodařilo se mu najít zaměstnání na akademické půdě. Přesto se mu podařilo uvést relativitu mechanického pohybu do souladu s Maxwellovými zákony elektromagnetismu a stvořil speciální teorii relativity. To vše zvládl v jediném roce - roce 1905. Pracoval přitom jen ve volném čase, který mu vybyl při zaměstnání na patentovém úřadě. Do roku 1930 byla zformulována obecná teorie relativity, jejímž hlavním obsahem bylo revoluční tvrzení, že geometrie prostoru není pevná, ale že se vyvíjí v čase. Vlnově-částicový dualismus objevený Einsteinem v roce 1905 byl zakomponován do kvantové teorie. Ta nám poskytla podrobný popis atomů, chemických vazeb, hmoty a záření. Do roku 1930 již také bylo známo, že se vesmír skládá z ohromného množství galaxií podobných Mléčné dráze, které se navzájem vzdalují.

V závěru dalšího čtvrtstoletí v roce 1955 zemřel Einstein. V té době už bylo známo, jak spojit kvantovou teorii se speciální relativitou. Byl objeven neutron, neutrino a stovky dalších elementárních částic. Přišlo se na to, že celá plejáda přírodních jevů je ovládána jen čtyřmi fyzikálními silami: elektromagnetickou, gravitační, silnou a slabou jadernou. V roce 1980 byl dobudován standardní model částicové fyziky. Od té doby nikdo neprovedl průkazný experiment, který by byl v rozporu se standardním částicovým modelem nebo obecnou relativitou. Astronomové zjistili, že vesmír obsahuje obrovské množství temné hmoty a v roce 1981 přišel kosmolog Alan Guth s překvapivým scénářem velmi raného vesmíru zvaným inflace. Podle jeho teorie, zjednodušeně řečeno, vesmír krátce po svém zrodu prošel obdobím nesmírně rychlé expanze. Jak je vidět, po celá dvě staletí se fyzika neustále vyvíjela velice svižným tempem. Ale pak se dosud slibný vývoj zastavil.

V posledních třech desetiletích přišli teoretikové s více než tuctem nových úžasných nápadů. Každý vychází z jisté velice pěkné hypotézy, ani jeden však neuspěl. V oboru částicové fyziky sem patří například technikolorová teorie, preonové modely nebo myšlenka supersymetrie. V oblasti studia prostoročasu jde především o teorii twistorů, kauzálních množin, supergravitaci, dynamickou triangulaci a smyčkovou kvantovou gravitaci. Některé z těchto hypotéz jsou tak exotické jako samy jejich názvy.

Jedna teorie však na sebe přitáhla daleko více pozornosti: teorie strun. Prohlašuje o sobě, že dokáže správně popsat svět ve velkém i malém měřítku, tedy současně gravitaci působící na velké vzdálenosti i elementární částice. Dociluje toho zásluhou smělé hypotézy: tvrdí, že svět skrývá dosud nespatřené dodatečné dimenze a také mnohem více druhů částic, než se nám dosud podařilo zaznamenat. Současně prohlašuje, že všechny elementární částice se dají chápat jako specifické vibrace jedné jediné entity zvané struna, jejíž vývoj se řídí jednoduchými a krásnými pravidly. Dodnes ale nevíme, zdali je správná. Navzdory obrovskému nasazení tato teorie zatím nedokázala předložit žádnou novou předpověď, kterou bychom mohli otestovat dnešními - anebo alespoň dnes myslitelnými - experimenty. A těch pár jasných předpovědí, které předkládá, byly už předtím učiněny jinými dobře zavedenými teoriemi.

Jeden z důvodů, proč strunová teorie dosud nebyla schopna poskytnout žádnou novou předpověď, spočívá v tom, že ji můžeme zformulovat téměř v nekonečném množství různých verzí. Při tak nepředstavitelně velkém množství různých teorií máme téměř nulovou šanci, že by se mohlo podařit najít experiment, jehož výsledek by jednoznačně předpovídala pouze jedna jediná teorie. Ať už tedy experimenty dopadnou jakkoli, strunovou teorii nebude možné prakticky vyvrátit. Platí to ale i naopak: žádný experiment nejspíš nikdy nebude moci jednoznačně prokázat, že konkrétní strunová teorie je správná. Současně se toho o většině strunových teorií ví pramálo. A z těch nemnoha, které byly podrobněji probádány, ani jediná není v souladu s dnes známými experimenty.

Významný strunový teoretik Brian Greene ve své knize Struktura kosmu z roku 2005 nastalou situaci líčí takto: "I dnes, více než tři desítky let po zrodu strunové teorie, je většina aktivních strunařů přesvědčena, že zatím nedokážeme dát úplnou odpověď na elementární otázku, co vlastně strunová teorie je. ... Většina strunových teoretiků cítí, že současná formulace strunové teorie stále postrádá jistý základní princip, jaký najdeme v srdci každé významné a úspěšné fyzikální teorie."

Gerhard't Hooft, který získal Nobelovu cenu za svůj přínos k částicové fyzice, charakterizuje současný stav teorie strun těmito slovy: "Ve skutečnosti bych strunovou teorii prozatím nenazýval 'teorií', ale spíše 'modelem'. A možná ani to ne, prostě jen jakýmsi tušením. Teorie by koneckonců měla poskytovat jasný návod, jak s ní zacházet a jak v ní rozpoznat objekty z reálného světa, které hodláme popsat, což jsou v daném případě elementární částice. Také bychom měli být schopni, alespoň v principu, zformulovat pravidla pro výpočet vlastností těchto částic a získat o nich nové předpovědi. Představte si, že vám nabídnou křeslo, ale zároveň vám budou vysvětlovat, že mu ještě chybí nohy a že sedadlo, opěradlo i područky budou nejspíš dodány v nejbližším možném termínu. Domnívali byste se, že cosi takového mohu právem nazývat křeslem?"