Edward Witten při přednášce na univerzitě v Göteborgu (Wikimedia/Ojan)

Edward Witten, jeden z nejgeniálnějších fyziků dneška a nejplodnější teoretik v oblasti superstrunové teorie, strávil řadu měsíců v centru Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN). Doufal, že během jeho pobytu se fyzikům podaří spustit LHC, jenže ten do provozu nebude uveden dříve než letos v říjnu. Ještě než odletěl zpět do Princetonu, vyslovil své přání. „Kdybych si měl pod polštář schovat lístek s přáním, pravděpodobně by na něm stálo, aby LHC našel supersymetrii,“ řekl s úsměvem.

Objev supersymetrických partnerů známých částic by byl pro strunové teoretiky značně povzbudivý. Supersymetrie totiž v jejich supersturnové/M-teorii hraje klíčovou roli. Přesto by nalezení stop supersymetrie neznamenalo automatické potvrzení teorie strun — supersymetrie může být zakomponována i do standardního částicového modelu.

Strunová teorie

Superstrunová teorie (krátce strunová teorie) je fyzikální teorií, v níž se splétají dva pilíře moderní fyziky: Einsteinova obecná teorie relativity a kvantová mechanika. Na rozdíl od standardního modelu  nepopisuje částice jako bezrozměrné body, ale jako malinké vibrující smyčky a struny. Právě různé „tance“ strun určují, o jakou částici se jedná. Překvapivým rysem teorie je, že neoperuje v čtyřech rozměrech (3 dimenzích prostoru a 1 dimenzi času), ale  v časoprostoru s 10, resp. 11 rozměry. Ty dodatečné dimenze jsou podle fyziků malé a svinuté. Je jedinou konzistentní kvantovou teorií gravitace, byť ještě ne hotovou, a také jediným kandidátem na teorii všeho, teorii, jež v sobě snoubí popis všech částic i fundamentálních sil vesmíru.

Na otázku, zda bychom supersymetrické partnery částic mohli najít ve vesmíru, Witten odpověděl: „Supersymetrické částice, třeba partneři elektronu, mohly vznikat při velkém třesku. Jenomže jmenovitě právě superpartner elektronu je nestabilní. Ovšem je docela možné, že jedna ze supersymetrických částic stabilní je — a ta by mohla tvořit skrytou hmotu vesmíru. Snahy o vytvoření částic skryté hmoty v LHC a také jejich detekci pomocí podzemních experimentů — které je hledají v kosmických paprscích —, je nejlepší způsob, jak se utkat se záhadou, co tvoří většinu hmoty v galaxiích a galaktických kupách.“

Witten nezapomněl připomenout, že supersymetrické částice nejsou jediným kandidátem na skrytou hmotu. „V CERNu se hledají i zcela odlišní kandidáti na skrytou hmotu. Máme tady experiment CAST, jenž pátrá po skryté hmotě ve formě axionů, což jsou částice, které v LHC nenajdete.“

Skrze superstrunovou teorii supersymetrie hraje i roli pojítka mezi obecnou teorií relativity a kvantovou mechanikou. „Obecná teorie relativity popisuje velké objekty, jako je sluneční soustava, galaxie a celý vesmír. Kvantová mechanika popisuje malé objekty jako atomy, molekuly a subatomární částice. Fyzikům se ale nelíbí, že mají dvě rozdílné teorie, které fungují ve dvou různých říších. Jedním z důvodů je, že velké objekty jsou koneckonců složeny z malých. Například na atomy a hvězdy působí stejné síly, třebaže u hvězd je patrnější nadvláda gravitace a u atomů elektromagnetismus. Strunová teorie je v současnosti jediným rámcem, který máme pro chápání kvantové gravitace. Ať už experimentální data potvrdí jakýkoliv scénář, standardní částicový model musí být možné zkombinovat  s obecnou relativitou do větší, kompletnější teorie, jež popisuje chování atomů i hvězd.“

Edward Witten se zmínil i o další veledůležité věci, jíž LHC bude hledat — o Higgsově bosonu, částici, po které fyzici desetiletí pátrajíí a jež je důležitou součástí teorie. Ostatně díky Higgsově bosonu mají ostatní částice nenulovou hmotnost. Na otázku, zda věří v jeho existenci, Witten říká: „Něco, co je zodpovědné za narušení elektroslabé symetrie, určitě existuje. Naše základní rovnice říkají, že elektromagnetismus je velice podobný slabým jaderným interakcím — přesto elektromagnetismus běžně „vidíme“, ale slabé interakce studujeme jen technikami fyziky 20. století. Symetrii mezi nimi narušil nějaký fyzikální proces a Higgsovy částice jsou nejjednodušším vysvětlením. A co víc, to skvěle souhlasí se všemi našimi daty, kdežto konkurenční teorie se potýkají s potížemi. Proto můj osobní názor je, že higgsy existují, možná společně s dalšími věcmi.“

Superstrunová/M-teorie je význačná i tím, že nepracuje se čtyřmi rozměry (třemi prostorovými a jedním časovým), ale celkem jedenácti. Dodatečné skryté dimenze jsou podle strunových teoretiků velice malinké, stočené do prostůrků zvaných Calabiho-Yauovy variety. Proto je necítíme. Pro mnoho lidí je vícerozměrný svět něčím těžko pochopitelným a nepředstavitelným. „Ale ani já si je nedokážu představit,“ směje se Witten. „S dodatečnými rozměry pracujeme skrze rovnice. Descartes před staletími učil, že geometrie může být zformulována v jazyce rovnic. Spousta lidí tohle považovala za první velký objev v geometrii od dob starověkých Řeků. Když překládáte geometrii do rovnic, můžete do nich přidat více proměnných a pak počítat s více dimenzemi. Ale nejsem si jist, jestli můžu říct, že jim rozumím. Neumím si je představit. Ale dodatečné dimenze nepatří mezi ty nejsložitější myšlenky moderní fyziky. Obecná teorie relativity nebo kvantová mechanika jsou rozhodně mnohem obtížnější.“

Když už se někdo baví na téma LHC, řeč se přirozeně stočí k tématu, které loni na konci léta zneužila ke stržení pozornosti masová média: produkce černých děr v LHC, děr, které pohltí svět. Když Edu Wittenovi bylo před kamerou řečeno, že někteří lidé se dokonce ze strachu stěhovali do hor, dlouho se pobaveně smál. „Musím říct, že by bylo extrémně fascinující, kdyby urychlovač LHC vyrobil černé díry. Je to ale docela nepravděpodobné, jako že vyhrajeme v národní loterii. Může se to stát, ale je to velice nepravděpodobné. I kdyby v LHC černé díry vznikly, velice rychle by zmizely v důsledku unikajícího Hawkingovu záření,“ uklidňuje Witten dobře známým faktem. „Jejich rozpad by se ale trochu lišil od rozpadu obyčejných hmotných částice. Avšak představa lidí, že taková miniaturní černá díra by začala vše požírat, je naprosto nerealistická.“ Witten se sice k produkci miniaturních černých v LHC staví skepticky, ale zároveň říká, že „kdyby LHC opravdu vytvořil černé díry, pak bychom měli příležitost je studovat experimentálně — společně s tím i hluboké otázky o povaze prostoru, času a fundamentální pravdě vesmíru.“

Záznam rozhovoru s Edwardem Wittenem