Scinet.cz » Věda

Vědci se chystají na skryté prostorové dimenze

20.9. 2006, Oldřich Klimánek

Chystaný experiment má odhalit skryté prostorové rozměry a otestovat alternativní teorii gravitace. Nová studie publikovaná dvěma fyziky z Indie a Ukrajiny obsahuje recept, jak prověřit jedny z nejelegantnějších fyzikálních teorií.

Ať už superstrunová teorie, nebo ještě majestátnější M-teorie (viz rámeček), v kterých fyzici splétají do jednoho konzistentního celku všechny fundamentální síly světa a vlastnosti hmoty, si žádají existenci více než tří známých rozměrů. Krom toho předpovídají, že gravitace — ta nejslabší fundamentální síla — není slabá „od přírody“, nýbrž že její „vetchost“ je způsobena jejím únikem právě do dodatečných prostorových rozměrů.

Jak teoretici ve svých výpočtech ukázali, tento únik gravitace má za následek porušení klasického zákona převrácených čtverců na malých vzdálenostech, kde tedy neplatí, že gravitační síla klesá s druhou mocninou vzdálenosti (tj. již není pravda, že zvětší-li se mezi danými tělesy vzdálenost dvakrát, gravitační síla klesne čtyřikrát). Ač Newtonův zákon převrácených čtverců platí na běžných vzdálenostech skvěle, na menších škálách se ho fyzikům se podařilo potvrdit pouze na vzdálenostech kolem desetiny milimetru. S měřením na submilimetrových vzdálenostech je to velmi složité proto, že je rušeno mj. kvantovými efekty a elektromagnetickou silou (která je mnohem, mnohem silnější — např. pro soustavu elektron-proton je elektrickostatická síla řádově 1039krát větší než síla gravitační). Právě v těchto měřítkách by zjištění odchylky znamenalo velké plus pro superstrunovou/M-teorii a vůbec by takovýto výsledek byl něčím senzačním — vždyť bychom nalezli stopu po jiných, nám skrytých dimenzích.

Nyní fyzici Jurij Štanov z Bogolijubova ústavu teoretické fyziky v Kyjevě a Varun Sahni z Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics v Pune, v Indii navrhli jiný způsob, jak gravitaci měřit na malých vzdálenostech. Chtějí k tomu použít „sluneční soustavu v plechovce“.

Soustava složená z několika kuliček by měla být na palubě kosmického plavidla, které by zakotvilo v Lagrangeově bodě L2 (viz obrázek). Bod L2 je od Země vzdálen asi čtyřikrát více než Měsíc. Plavidlo v něm by vzhledem k Zemi bylo stacionární, což by vědcům usnadnilo jeho kontrolu. Jelikož Lagrangeův bod leží na noční straně, tj. za Zemí, Země by plavidlo chránila před slunečním zářením, které by mohlo připravovaný experiment narušit.

Náčrtek poloh Lagrangeových bodů

Náčrtek poloh Lagrangeových bodů

Umělá sluneční soustava by byla uvedena do pohybu, jakmile by plavidlo zakotvilo v Lagrangeově bodě. Wolframová kulička o průměru osmi centimetrů by představovala slunce, kolem níž by obíhala menší testovací kulička s největším poloměrem dráhy deset centimetrů. Miniaturní planeta by wolframové slunce obíhala třitisícekrát do roka.

Superstrunová/M-teorie

Podle teorie superstrun nejsou částice bodové, nýbrž všechny druhy částic hmoty i pole jsou tvořeny vibrujícími strunami (otevřenými i uzavřenými). Neexistuje žádná „elektronová struna“ nebo „kvarková struna“, nýbrž jen jediná struna, která svým způsobem kmitání (tzv. vibračním modem) určuje charakter částice (hmotnost, náboj, spin…). Teorie superstrun si však krom tří prostorových dimenzí a jedné časové žádá existenci dalších šesti prostorových rozměrů. Jak fyzici ukázali, šest dodatečných prostorů by mohlo být stočeno (kompaktifikováno) v každém bodě trojrozměrného prostoru to malinkých prostůrků, tzv. Calabiho-Yauových variet. V průběhu let fyzici vyvinuli pět na první pohled odlišných teorií strun. Až v polovině devadesátých let Ed Witten ukázal, že všechny jsou ekvivalentní; z Wittenových výpočtů se vynořila ještě jedna dimenze, která je však ještě menší než extra dimenze původních teorií strun. Svět tak podle M-teorie má celkově deset prostorových rozměrů a jeden časový. Žijeme tedy v jedenáctirozměrném časoprostoru. Více o superstrunové/M-teorii naleznete v knihách Briana Greenea Elegantní vesmír (překl. Luboš Motl, Mladá fronta, 2001) a Struktura vesmíru (překl. Oldřich Klimánek, Paseka, 2006).

Vyšší dimenze

Uniká-li gravitace do dodatečných rozměrů, mírná změna gravitační síly by měla mít za následek, že eliptická dráha se bude stáčet, měla by teda způsobit její mírnou precesi. Sahni a Štanov své výpočty založili na modelu Randallové a Sundruma II. typu, podle kterého náš trojrozměrný vesmír je tzv. trojbránou ve čtyřrozměrném prostorů světů s nekonečnou čtvrtou dodatečnou dimenzí (chcete-li, náš svět je trojrozměrnou nadplochou ve čtyřrozměrném prostorů světů). Zjistili, že dráha kuličky by se stáčela o 1/3600° za jeden rok. Ač se úhel může zdát malý, podle fyziků je dostatečně velký, aby se dal změřit.

Umělá sluneční soustava může také otestovat další teorii, Milgromovu MOND teorii z roku 1983 (Modified Newtonian Dynamics), což je jakási alternativní teorie gravitace, podle které je gravitace na větších vzdálenostech silnější, než předpovídá Einsteinova obecná teorie relativity.

Zatímco spousta vědců se snaží odkrýt podstatu skryté hmoty (viz např. článek Vědci se pokusí odhalit skrytou hmotu vesmíru), MOND teorie vysvětluje pohyb galaxií bez potřeby zavedení této skryté substance. Jak někteří tvrdí, MOND by mohlo také vysvětlit, proč sondy Pioneer 10 a 11 zpomalují víc, než se čekalo.

Podle Milgroma k odchylce od Einsteinovy obecné relativity dochází pod určitou hranicí zrychlení (1,2.10-8 cm/s2). Jak vědci říkají, této hranice se může dosáhnout, když kolem wolframového slunce nechají obíhat další testovací planetu ve větší vzdálenosti. Mírný rozdíl v gravitační síle by způsobil, že planeta by se pohybovala rychleji, než plyne z obecné relativity.

Teorie vs. praxe

Teoretické výpočty jsou sice důležitým krokem, ovšem jak je na tom případná realizace v praxi? Jisté těžkosti, s nimiž by se vědci museli vypořádat, existují. Za prvé, měření by mohla rušit elektrostatická pole nabitých částic nacházejících se kolem lodě — tyto takzvané kosmické paprsky by mohly mít na pohyb „planet“ značný vliv.
Nejen prostředí kolem lodi je nositelem problémů, ale i samotná loď by měla na měření neblahé účinky. A to se týká všech součástek lodi, které by na miniaturní planety gravitačně působily. Tyto silové účinky by však mohly být do jisté míry eliminovány symetrickým tvarem lodi, tj. vědci by museli postavit tak symetrické plavidlo, jak je to jen možné, a nejtěžší komponenty umístit co nejdál od miniaturní sluneční soustavy.

Stacy McGaugh, expert na MOND teorii z Marylandské univerzity, říká, že „připravit takovýto experiment by bylo docela složité, avšak nemyslím si, že je to technický nemožné“.

Kupříkladu satelit NASA nazvaný Gravity Probe B, který má za úkol otestovat předpověď obecné teorie relativity ohledně strhávaní časoprostoru rotujícími tělesy, se také podařilo postavit s neskonalou přesností. Jeho součástí jsou zatím nejdokonalejší koule, které kdy byly vyrobeny.

Experti si mohou odborný článek obou autorů stáhnout z archivu Cornellovy univerzity: APSIS – an Artificial Planetary System in Space to probe extra-dimensional gravity and MOND (http://arxiv.org/pdf/gr-qc/0606063)

Přečtěte si také Hon na čtvrtou prostorovou dimenzi, kde o teorii superstrun/M-teorii najdete víc a stejně tak se dočtete o kosmologických model bránových světů.

Oldřich Klimánek

Provozovatel serveru Scinet.cz.


VLOŽIT KOMENTÁŘ

Kontrolní kód