AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie Gravitace, černé díry a fyzika

dodatek B
UNITÁRNÍ TEORIE POLE A KVANTOVÁ GRAVITACE
B.1. Proces sjednocování ve fyzice
B.2. Einsteinovy vize geometrické unitární teorie pole
B.3. Wheelerova geometrodynamika. Gravitace a topologie.
B.4. Kvantová geometrodynamika
B.5. Kvantování gravitačního pole
B.6. Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.
B.7. Obecné principy a perspektivy unitární teorie pole

B.1. Proces sjednocování ve fyzice

Přírodovědci a hlavně fyzikové jsou hluboce přesvědčeni o pochopitelnosti světa, především přírody. Snaží se proto usilovně najít jednotné vysvětlení základních stavebních prvků hmoty a interakcí mezi nimi. Základem vědeckého myšlení je sjednocování: v ohromné rozmanitosti jevů a událostí hledat obecné zákonitosti a společnou podstatu, snažit se vysvětlit různorodost jevů na základě co nejmenšího počtu základních zákonů. Vychází se přitom z ideje, že "příroda je bohatá na formy, ale chudá na zákony".
  Přemýšliví lidé vždy toužili po teorii, která by popsala a umožnila pochopit veškerou pozorovanou složitost a rozmanitost přírody. Konečným ideálem je (pokud je to možné) vysvětlit všechny přírodní zákony pomocí jediného univerzálního principu - vytvořit definitivní finální teorii či jednotnou "teorii všeho" (TOE - Theory Of Everything); odhalit jediný zákon, objasňující všechny jevy světa.
  Unitarizační snahy vycházejí z víry v materiální jednotu světa, která je nyní základem veškeré vědy. Že ve Vesmíru existuje nějaká skrytá univerzální struktura či zákonitost, na jejímž základě funguje celý vesmír. A právě fyzice, která zkoumá nejzákladnější zákonitosti přírody, náleží sjednocovací úloha mezi všemi přírodními vědami. V průběhu vývoje, objevováním stále nových jevů a zákonitostí, se fyzika jeví čím dál složitější, náročnější a komplexnější. To je však jen částečný vnější pohled. Uvnitř fyziky ve skutečnosti probíhá integrační proces, jehož cílem je podat jednotný popis fyzikálních jevů.
Unitární "teorie všeho": konec fyzikálního bádání? 
Občas se setkáváme s názorem (zvláště ve vědecko-popularizační literatuře), že úspěšné vybudování unitární teorie pole, "teorie všeho", by znamenalo konec fyziky a dokonce snad celé vědy - již by nebylo co nového objevovat! Tento názor je mylný přinejmenším ze dvou důvodů:
1. Kvantové relace neurčitosti, pokud by je nová unitární teorie nějak nepřekonala (což se nejeví pravděpodobné), principiálně omezují možnosti předpovědí jevů.
2. Příslušné rovnice neumíme řešit přesně, s výjimkou nejjednodušších a idealizovaných případů. S počtem stupňů volnosti (počtem těles a částic) se to stává zcela nemožné, pokus o přesné předpovědi se nutně rozplývá v chaotickém chování (viz §3.1, část "
Determinismus - náhoda - chaos ?").
    Zůstane tedy stále hodně intelektuální práce, jak ze základních principů a zákonů odvodit a pochopit chování systémů ve složitých a realistických situacích. Tato práce si svou fundamentálností, složitostí a heuristickým významem nijak nezadá s odhalováním principů unitární teorie pole.

Základní etapy unitarizace
Základní etapy sjednocování ve fyzice jsou znázorněny na obr.B.1. První etapa unitarizace proběhla vlastně již v samotných začátcích fyziky jako vědy: jednalo se o sjednocení "pozemské" a "nebeské" mechaniky. Zásluhou Galileiho, Koperníka a Keplera se stávalo jasné, že přírodní zákony pozorované zde na Zemi platí i jinde ve vesmíru (prvním konkrétnějším potvrzením toho bylo Galileiho pozorování "hor" na povrchu Měsíce). Za skutečného "otce sjednocování" však lze považovat až I.Newtona, který před asi 300 lety zformuloval zákon všeobecné gravitace a ukázal, že síla zemské tíže způsobující padání těles je identická se silou udržující planety na oběžných dráhách kolem Slunce, tj. s vesmírnou gravitací.
  Do "klasického" období unitarizace fyziky lze rovněž zařadit sjednocení mechaniky a termiky v kinetické teorii tepla, podle níž podstatou tepelných jevů (dříve považovaných za samostatné) je kinetická energie neuspořádaného a kmitavého pohybu molekul a atomů v látkách.
  Skvělým příkladem unitarizace ve fyzice je sjednocení elektrických a magnetických sil, které se předtím zdály být zcela různými přírodními silami. Faraday a Ampér v první třetině 19.století zjistili, že magnetické síly (známé do té doby pouze z permanentních magnetů) vznikají pohybem elektrických nábojů. A změny magnetického pole vyvolávají pole elektrické. Tyto poznatky dále rozvinul a zobecnil J.C.Maxwell ve své teorii elektromagnetického pole (§1.5). Důsledkem jednoty elektřiny a magnetismu ve Faradayově-Maxwellově elektrodynamice je existence elektromagnetického vlnění, které se vyzařuje při zrychleném pohybu elektrických nábojů.
  Vlastnosti těchto elektromagnetických vln se ukázaly být identické s vlastnostmi světla: došlo tak navíc ke sjednocení jevů optických a elektromagnetických. Radiovlny, tepelné záření, světlo, rentgenové i gamma záření, spolu s klasickými i relativistickými efekty elektřiny a magnetismu, jsou tedy jen různými projevy elektromagnetické interakce.


Obr.B.l. Základní etapy sjednocování přírodních zákonitostí.
V tomto schématu nejsou zatím zahrnuty slabé a silné interakce ani sjednocování jednotlivých typů interakcí; pokračování schématu unitarizace v oblasti unitárních teorií pole je na obr.B.8 v §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.".

  Rozvoj atomistiky a kvantové mechaniky v první třetině 20. století ukázal, že veškerou rozmanitost chemických jevů lze vysvětlit pomocí elektromagnetických interakcí a kvantových zákonitostí v elektronových obalech atomů jednotlivých prvků; totéž platí o fyzikálních vlastnostech pevných těles (krystalové mřížky - pružnost, pevnost, dislokace), kapalin i plynů. Chemie tak byla fakticky "pohlcena" fyzikou, aspoň co se týče základů - viz §1.1 "Atomy a atomová jádra", část "Interakce atomů" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
  Další dvě etapy unitarizace souvisejí již s teorií relativity. Ve své speciální teorii relativity Einstein sjednotil prostor a čas do jednotného prostoročasového kontinua, v obecné teorii relativity pak sjednotil prostoročas a gravitaci - ukázal, že Newtonovská gravitace a setrvačnost jsou společným projevem geometrických vlastností (křivosti) prostoročasu, který má dynamický charakter (kapitola 2).
  Poslední etapa unitarizace probíhá v oblasti "elementárních" částic. Obrovské množství experimentálních poznatků o vlastnostech a interakcích elementárních částic, získané v rozmezí 50.-80.let, zpracovaných a sjednocených v duchu řady kvantově-teoretických koncepcí, vyústilo v tzv. Standardní model elementárních částic a jejich interakcí (podrobněji je rozebíráno v §1.5 "Elementární částice a urychlovače", pasáž "Standardní model - jednotné chápání elementárních částic" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Veškerá hmota v přírodě ve svém nejhlubším nitru je tvořena jen 2 "rodinami" základních (elementárních) částic - 6 leptony a 6 kvarky, mezi nimiž působí 4 fundamentální síly (interakce): silná, elektromagnetická, slabá a gravitační. První tři z těchto interakcí jsou popsány výměnami intermediálních bosonů se spinem 1: silná interakce je zprostředkovaná gluony, elektromagnetická interakce fotony, slabá interakce těžkými intermediálními bosony nabitými (W+,-) a neutrálními (Zo). Pro gravitační interakci zatím není dokončena kvantová teorie, avšak může být popsána intermediálními gravitony (se spinem 2).
  O
moderních unitárních teoriích, které se snaží o sjednocení jednotlivých typů interakcí mezi elementárními částicemi, se zmíníme v závěru této kapitoly (§B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny."). Předtím si však něco řekneme o geometrických unitárních teoriích, které mají k předmětu této knihy nejbližší vztah.

A. Machův princip   B.2. Einsteinovy vize geometrické
unitární teorie pole

Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu :
Gravitace ve fyzice Obecná teorie relativity Geometrie a topologie
Černé díry Relativistická kosmologie Unitární teorie pole
Antropický princip aneb kosmický Bůh
Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Vojtěch Ullmann