International Physics Masterclasses

Ďalšie priestorové rozmery a gravitácia

Prečo je gravitácia oveľa slabšia ako ostatné prírodné sily je záhadou aj po troch storočiach, odkedy Newton navrhol svoj gravitačný zákon. Newtonova teória je zovšeobecnená Einsteinovou Všeobecnou teóriou relativity, v ktorej je gravitácia dôsledkom zakrivenia časopriestoru súvisiaceho s hustotou hmoty a energie v ňom. Dve teórie popisujúce vesmír na veľmi veľkých škálach (Všeobecná teória relativity) a na veľmi malých škálach (Štandardný model časticovej fyziky, založený na kvantovej teórii poľa), sú nekompatibilné. Štandardný model úspešne vysvetľuje mikroskopické elektromagnetické, slabé a silné javy až do škály vzdialeností 10-19 m, ktoré sú prístupné na LHC a zodpovedajú energiám 103 GeV. Očakáva sa, že gravitácia je rovnako silná ako ostatné sily na Planckovej škále energií ~ 1019 GeV zodpovedajúcej vzdialenostiam 10-34 m.

Gravitácia slabne so zväčšovaním vzdialenosti, pretože jej efekt sa rozloží na väčší povrch. V 3-rozmernom priestore je to 2-rozmerná plocha (povrch gule). Toto je príčinou 1/r2 závislosti gravitačnej sily v Newtonovom zákone. Ak by mal ale priestor N ďalších rozmerov, povrch by bol (2+N)-rozmerný a závislosť by bola 1/r(2+N).

Je ťažké prijať, že zákon s 1/r2 bude správny až do Planckovej škály. V teórii strún sa objavuje nový gravitačný zákon, s cieľom vytvoriť konečnú jednotnú teóriu popisujúcu prírodu. Teória predpovedá, že vesmír má ďalšie priestorové rozmery, do ktorých môže uniknúť gravitácia, narozdiel od ostatných častíc Štandardného modelu. Podľa teórie strún sú gravitóny, sprostredkovatelia gravitácie, ako všetky ostatné častice vibráciami maličkých strún. Zatiaľ čo častice Štandardného modelu sú vibráciami strún s otvoreným koncom (ako struny na husliach), gravitón je vibráciou uzavretej slučky (ako gumička do vlasov). Otvorené struny musia byť pripútané k bráne, nášmu 3-rozmernému priestoru. Naopak, uzavreté struny ako gravitóny nemôžu byť uviaznuté. Sú voľné vo všetkých desiatich rozmeroch. Každá vibrácia struny reprezentuje rôznu fundamentálnu časticu.

Existujú modely, v ktorých sú ďalšie rozmery (i) konečnej veľkosti a zakrútené v malých kruhoch sub-subjadrovej veľkosti, (ii) nekonečnej veľkosti, ale silno zakrivené, takže ich objem je sústredený okolo nášho vesmíru, alebo (iii) nekonečnej veľkosti a nezakrivené, rovnako ako naše tri obyčajné rozmery. Všetky modely uvažujú gravitóny prenikajúce do ďalších rozmerov, čo spôsobuje, že gravitácia je slabá v našom 3-rozmernom priestore.