Nekonečné pátrání po teorii VŠEHO: Najdeme někdy skutečnou podstatu vesmíru?

Během staletí bouřlivého rozvoje fyziky postupně vykrystalizovaly dvě velice známé teorie, popisující uspořádání celého kosmu: obecná relativita a kvantová mechanika. A fyzici je postupně dovedli takřka k dokonalosti. Z toho, co kdy lidé vymysleli, se uvedené dva koncepty spojené dohromady nejvíc blíží představám o teorii všeho. Háček spočívá v tom, že obecná relativita a kvantová mechanika jsou jako voda a oheň. Jejich popisy světa se navzájem nesnesou a zatím se zdá takřka nemožné je nějak sloučit dohromady.

Nepřátelství až za hrob

V okolním světě zaznamenáváme čtyři základní síly či interakce, tedy čtyři možné druhy vzájemného působení částic a pole: elektromagnetickou sílu, slabou a silnou jadernou sílu a gravitaci. Obecná relativita se soustředí na gravitaci a její roli ve vesmíru. Funguje proto především pro opravdu velké rozměry a hmotnosti, například pro kupy galaxií, galaxie, hvězdy či planety. Kvantová mechanika se zabývá zejména třemi zbývajícími silami, tedy elektromagnetickou a slabou i silnou jadernou. Její hájemství tak představují naopak extrémně malé rozměry a hmotnosti, tj. svět elementárních částic, atomů či molekul.

Obecná relativita a kvantová mechanika se očividně zaměřují na dost rozdílné záležitosti, takže se ve většině situací hodí jen jedna členka z této na smrt znepřátelené dvojice. Komplikace se objeví ve chvíli, kdy fyzika řeší naprosto extrémní problémy, jako třeba singularitu černých děr nebo samotný Velký třesk. Ve chřtánu černé díry či při zrození našeho kosmu totiž kalkulujeme s gigantickým množstvím hmoty vměstnaným do nesmírně malého prostoru – a se současnými přístroji i vědomostmi jsme v koncích. Najednou si neví rady ani obecná relativita, ani kvantová mechanika. 

Jak je usmířit?

Řada fyziků věří, že nepříjemné singularity Velkého třesku a černých děr by měla vyřešit právě teorie všeho, která usmíří obecnou relativitu s kvantovou mechanikou, prováže standardní kosmologický model se standardním modelem částicové fyziky a sjednotí gravitaci se zbývajícími třemi základními silami do teorie kvantové gravitace. Stejně tak by měla teorie všeho vysvětlit povahu dvou pozoruhodných sil, s jejichž působením počítá soudobá kosmologie: inflační síly, která zřejmě na samotném počátku věků neuvěřitelným způsobem „rozfoukla“ vesmír, a temné energie, jež nejspíš stojí za překvapivě se zrychlujícím rozpínáním pozorovaného kosmu. 

Fyzika už má za sebou několik úrovní sjednocení základních sil. Teorie elektromagnetismu sloučila elektřinu a magnetismus, teorie elektroslabé interakce zase sjednotila elektromagnetickou a slabou interakci. Vědci nyní usilovně pracují na tzv. teorii velkého sjednocení (anglicky Grand Unification Theory, GUT), která by spojila silnou a elektroslabou interakci. K takovému sjednocení by přitom mělo docházet za extrémních energií, jaké vesmír zažil jen pár okamžiků po Velkém třesku.

Čistě teoretická teorie

Teorie velkého sjednocení sice není v očích fyziků pravou teorií všeho, ovšem bez ní se prý nejspíš dál nedostaneme. Potíž tkví v tom, že velké sjednocení by se mělo odehrávat za energií kolem 10¹⁶ GeV (gigaelektronvoltů), tedy mimo dosah veškerých myslitelných pozemských urychlovačů. Nemluvě o energii potřebné ke sjednocení všech čtyř základních sil, která se podle odhadů pohybuje dokonce okolo 10¹⁹ GeV.

Stejně jako teorie všeho zůstává i teorie velkého sjednocení prozatím ve zcela teoretické rovině. Částice, jejichž existenci předpovídá, nelze na urychlovačích pozorovat přímo. Jejich působení by však mohla odhalit nepřímá pozorování: například rozpad protonu, elektrické dipólové momenty elementárních částic nebo vlastnosti neutrin.

Konečný krok k ustavení teorie všeho by měl spočívat ve vyřešení rozporů mezi kvantovou mechanikou a obecnou relativitou a v jejich sjednocení do kvantové gravitace. Právě na to se nyní soustředí mnoho skvělých mozků, přesto zatím nemáme žádnou obecně přijímanou teorii kvantové gravitace, a tudíž ani teorii všeho. Fyzici přitom předpokládají, že kdyby se jim náhodou podařilo přijít na teorii všeho dřív než na teorii velkého sjednocení (elektromagnetická + slabá + silná síla), určitě by to vyřešilo zbývající problémy s druhým zmíněným konceptem.

Revoluce superstrun

V důsledku usilovné snahy smířit kvantovou mechaniku a obecnou relativitu se už v období druhé světové války začaly ve fyzikálních teoriích objevovat podivuhodné struny. Je to vlastně docela jednoduché: místo bodů v prostoru si fyzici začali představovat jednorozměrné struny, které od té doby střídavě zažívají nesmírnou popularitu nebo naopak hluboký útlum. Velké oživení strunové teorie nastalo na přelomu 70. a 80. let, kdy po přidání supersymetrie vznikly supersymetrické strunové teorie, známější jako teorie superstrun.

V letech 1984–1989 se odehrála první superstrunová revoluce, kdy žil superstrunami doslova celý svobodný svět. Ještě bouřlivější pak byla druhá superstrunová revoluce mezi lety 1994 a 2000. Rozpoutala se po zjištění, že všechny do té doby známé konkurenční teorie strun představují pouhé jednotlivé varianty tzv. M-teorie, která je všechny sjednocuje se supergravitací. Supergravitační teorie je teorie pole, jež kombinuje prvky supersymetrie a obecné relativity v jedenáctirozměrném prostoru.

Magický kandidát

M-teorie má ambice stát se teorií všeho, není však kompletní. Její neúplnost a záhadnost připomíná i písmeno „M“, které prý může znamenat „magic“ („magická“), „mystery“ („záhadná“) nebo třeba „membrane“ („bránová“) – jak se komu líbí. Název se vyjasní až v případě, že by se koncept podařilo definitivně formulovat jako teorii všeho. 

V M-teorii se to hemží prostorovými dimenzemi a bránami, což jsou útvary představující bod pro vyšší dimenzi. Například superstruny jsou brány jednorozměrné dimenze, přičemž M-teorie popisuje i brány ve dvourozměrném a pětirozměrném prostoru. Existuje rovněž bránová kosmologie, která působí dojmem extravagantní science-fiction (viz Žijeme v bránovém světě?). Bylo by úžasné, kdyby barvitá M-teorie nakonec zvítězila v klání o teorii všeho, zatím má ovšem docela silnou konkurenci.

Prostor utkaný ze smyček

Zdatným konkurentem M-teorie s jejími superstrunami se stala smyčková kvantová gravitace (Loop Quantum Gravity – LQG), jež představuje teorii kvantového prostoru a kvantového času. Snaží se spojit standardní kvantovou mechaniku a standardní obecnou relativitu a její klíčový trik spočívá právě v kvantování prostoru. Podle představ smyčkové kvantové gravitace je prostor nespojitý čili zrnitý, tudíž existuje minimální možná vzdálenost, přes kterou lze uskutečnit pohyb, a žádná menší už prostě není. Atomární strukturu by pak neměla jen hmota, ale také samotný prostor – zmíněná teorie jej vnímá jako nesmírně jemné předivo, utkané z myriád zcela nepatrných a dále nedělitelných smyček. Jejich velikost by se měla pohybovat okolo tzv. Planckovy délky, jež činí přibližně 10⁻³⁵ m. 

Ani smyčková kvantová gravitace není formulována kompletně, přesto dnes představuje nesmírně bouřlivou oblast výzkumu, rozvíjenou desítkami vědeckých týmů po celém světě. Část z nich míří k ustavení teorie všeho z tradiční smyčkové kvantové gravitace, jiní se zabývají novější variantou, známou jako teorie spinové pěny.

I smyčková kvantová gravitace má pak vlastní kosmologii čili pojetí uspořádání celého vesmíru. Podle jejích zastánců by kosmos mohl být cyklický a mohl by procházet tzv. Velkými odrazy, tedy cykly zhroucení původního vesmíru a explozí nových. V takovém případě by Velký třesk odpovídal nejmladšímu z Velkých odrazů.

A co když neexistuje?

Zatímco mnozí vědci hledají teorii všeho, jiní zpochybňují samotnou možnost ji objevit. Řada kritiků vychází ze slavných Gödelových vět o neúplnosti, podle nichž v žádné rozumné teorii hovořící o přirozených číslech není dokazatelné vše. Pokud tedy neexistuje ideální, bezesporná a úplná teorie aritmetiky přirozených čísel, jak by mohla existovat kompletní teorie všeho? I Stephena Hawkinga Gödelovy věty přesvědčily, že všeobjímající teorie, kterou by bylo možné rozumným způsobem vymyslet, nejspíš není. Uvedený názor se ovšem momentálně nachází v menšině. 

TIP: Fermiho paradox: Proč jsme už dávno nenašli v kosmu vyspělé civilizace?

Lee Smolin si zase myslí, že základní fyzikální zákony jsou vrstevnaté podobně jako cibule. Podle tohoto amerického fyzika by přitom v jejich případě mohlo jít o nekonečný počet vrstev, což by znamenalo, že by měl být nekonečný i počet fyzikálních teorií, jež tyto zákony popisují. Ani uvedenému argumentu se však nedostává větší podpory – zejména proto, že nekonečna nemají fyzici příliš v oblibě a snaží se jich ve svých konceptech za každou cenu zbavit.

Hlavně to nevzdávat!

Zatím tedy neexistuje žádný důvěryhodný kandidát na teorii všeho, který by zahrnoval standardní model částicové fyziky a obecnou relativitu. Většina fyziků očekává, že by průlom v hledání mohly přinést nové objevy na velkých urychlovačích částic či v experimentech pátrajících po podstatě temné hmoty. Teorie všeho je možná na dosah, jen musíme vytrvat. A „superstrunaři“ ani „kvantoví smyčkaři“ ve svém heroickém úsilí podle všeho rozhodně nepolevují.