Student World

Greene, Brian
Struktura vesmíru: Prostor, čas a povaha reality

Hologram je dvojrozměrný kus plastu se souborem malých vrypů a když jej osvítíme odpovídajícím laserovým světlem, vytvoří projekci trojrozměrného obrazu. Počátkem devadesátých let 20. století přišli fyzici Gerard ‚t Hooft, nizozemský nositel Nobelovy ceny, a Leonard Susskind, fyzik, který se podílel na vzniku teorie strun, s názorem, že samotný vesmír by mohl fungovat podobně jako hologram. Nastolili zarážející myšlenku, že děje, které pozorujeme ve třech dimenzích všedních dní, mohou být holografickými projekcemi fyzikálních procesů odehrávajících se na vzdálené dvojrozměrné ploše. V jejich nové a podivné představě jsme my a všechno kolem nás něco jako holografický obraz. Platon si představoval, že běžné zážitky odkrývají pouhý stín reality. Holografický princip se s ním sice shoduje, ale staví přirovnání na hlavu. Stíny – zploštělé věci přebývající v méně dimenzích – jsou skutečné, kdežto to, co považujeme za bohatší struktury, vícerozměrná tělesa (my a svět kolem nás) je jen prchavou projekcí stínů.
(Máte-li výhrady k přepisování Platona, scénář bránových světů podává takovou verzi holografie, v níž jsou stíny vráceny na jejich správné místo. Představte si, že žijeme na trojbráně, která obklopuje čtyřrozměrnou oblast (podobně jako dvojrozměrná slupka jablka obepíná jeho trojrozměrný vnitřek). V tomto případě by podle holografického principu naše třídimenzionální vnímání bylo stínem čtyřrozměrné fyziky odehrávající se v oblasti obklopené bránou.)
Na druhou stranu, byť jde o fantasticky podivnou myšlenku, jejíž role v konečném pochopení časoprostoru je nejasná, tzv. holografický princip ‚t Hoofta a Susskinda má dobré opodstatnění. Jak jsme se již dříve zmiňovali, maximální entropie, kterou oblast prostoru může obsahovat, závisí na ploše jejího povrchu, ne na objemu jejího vnitřku. Přirozeně se potom nabízí, že fundamentální ingredience vesmíru – jeho základní stupně volnosti, které nesou jeho entropii, stejně jako stránky Vojny a míru nesou entropii knihy – by měly přebývat na hraničním povrchu a ne ve vnitřku vesmíru. Co vnímáme jako „objem“ vesmíru, by bylo určeno tím, co se odehrává na hraničním povrchu, podobně jako to, co vidíme při holografické projekci, je určeno informací zakódovanou na hraničním kousku plastu. Fyzikální zákony by se chovaly jako vesmírný laser, který osvětluje procesy kosmu – procesy odehrávající se na tenkém vzdáleném povrchu – a vytváří holografickou iluzi denního života.
Ještě jsme nezjistili, jak by se tento holografický princip mohl uskutečnit v reálném světě. Jednou z potíží je, že v konvenčních popisech je vesmír zobrazován buď jako nekonečný, anebo do sebe zakřivený jako koule, či jako obrazovka videohry, čili postrádá okraje nebo hranice. Takže kde by se předpokládaná „hraniční holografická plocha“ měla nacházet? A navíc jsou fyzikální procesy, jak se zdá, pod naší kontrolou, zrovna zde hluboko ve vnitřku univerza. Nezdá se, že něco na těžko lokalizovatelné hranici nějak nařizuje, co se má odehrávat u nás v „objemu“ kosmu. Vyplývá snad z holografického principu, že ona představa o kontrole a autonomii je jen iluze? Nebo je lepší si myslet, že holografie hovoří o typu duality, v níž na základě pocitů – ne fyziky – člověk může volit mezi známým popisem, v němž fundamentální zákony fungují v objemném kosmu (což odpovídá našemu vnímání a intuici), nebo může sáhnout po popise, ve kterém se fundamentální fyzika odehrává na nějaké hranici vesmíru, přičemž oba pohledy jsou rovnocenné? Tyto podstatné otázky zůstávají kontroverzní.
V roce 1997 rozšířil argentinský fyzik Juan Maldacena dřívější poznatky řady strunových teoretiků objevem, který značně posunul dopředu úvahy na toto téma. Jeho objev se příliš netýká otázky role holografie v našem skutečném vesmíru. Maldacena se chopil myšlenkového experimentu, odzkoušeného to nástroje fyziků, a nalezl hypotetický matematický kontext – hypotetický vesmír –, v němž abstraktní dumání o holografii může být díky matematice jak konkrétní, tak i přesné. Z technických důvodů zkoumal hypotetický vesmír se čtyřmi velkými prostorovými rozměry a s jedním prostorem časovým, které mají homogenní zápornou křivost. Standardní matematickou analýzou zjistil, že tento pětirozměrný prostoročas má hranici, která jako všechny hranice má o jeden rozměr méně než prostor, který ohraničuje: tři prostorové dimenze a jednu časovou. (Vícerozměrné prostory je těžké si představit, takže chcete-li mít nějaké ponětí o tom, co zde máme na mysli, představte si třeba plechovku rajčatového protlaku – trojrozměrný rajčatový protlak představuje analogii pětirozměrného prostoročasu, kdežto dvojrozměrný povrch plechovky představuje analogii čtyřrozměrné časoprostorové hranice.) Poté co do modelu započítal další stočené dimenze požadované strunovou teorií, Maldacena přesvědčivě tvrdil, že fyzika, jejímž svědkem je pozorovatel žijící v takovém vesmíru (pozorovatel v „protlaku“) může být zcela popsána v jazyce fyziky odehrávající se na hranici vesmíru (vesmíru na povrchu plechovky).
Jde sice o nereálný model, ale přesto poskytl první konkrétní a matematicky poddajný příklad, v němž dochází k explicitní realizaci holografického principu. Přitom to osvětlilo představu holografie aplikované na celý vesmír. Kupříkladu je v Maldacenově práci „objemový“ popis a hraniční popis na zcela rovnocenné úrovni. Jeden není primární a druhý není sekundární. Vztah mezi objemovým a hraničním popisem se nese v podobném duchu jako vztah mezi pěti teoriemi strun. Jde o překlady. Neobvyklým rysem tohoto specifického překladu ale je, že objemová teorie má více rozměrů než ekvivalentní teorie formulovaná na hranici. A navíc, zatímco objemová teorie zahrnuje gravitaci (jelikož ji Maldacena formuloval v rámci strun), výpočty ukazují, že hraniční teorie ne. Nicméně každou položenou otázku nebo provedený výpočet v rámci jedné teorie můžeme přeložit do ekvivalentní otázky nebo výpočtu v rámci teorie druhé. Zatímco by si ten, kdo slovník nezná, myslel, že příslušné otázky spolu nemají nic společného (například proto, že hraniční teorie nezahrnuje gravitaci, otázky ohledně gravitace v objemové teorii jsou přeloženy do velmi podivně znějících otázek bez gravitace v hraniční teorii), někdo dobře zběhlý v obou jazycích – znalec obou teorií – by rozpoznal jejich vztah a uvědomil by si, že odpovědi na příslušné otázky a výsledky příslušných výpočtů musejí souhlasit. A skutečně, každý dodnes provedený výpočet, a je jich spousta, toto tvrzení podporuje.
Pochopit detaily těchto úvah je velmi obtížné, ale nedopusťme, aby zastínily hlavní pointu. Maldacenův výsledek je úžasný. Nalezl konkrétní, byť hypotetickou realizaci holografie v rámci strunové teorie. Ukázal, že určitá kvantová teorie bez gravitace je překladem jiné kvantové teorie (je od ní nerozlišitelná), jež gravitaci zahrnuje, ale je formulovaná s jedním prostorovým rozměrem navíc. Dnes se vědci usilovně snaží vysvětlit, jak lze tyto poznatky aplikovat na reálný vesmír, náš vesmír. Pokrok jde však pomalu, neboť zkoumání je ztěžováno technickými překážkami. (Maldacena si vybral určitý hypotetický příklad proto, že se s ním poměrně snadněji pracovalo; s realističtějšími příklady je to už horší.) Nicméně teď víme, že strunová teorie, alespoň v jistých souvislostech, má kapacitu podpořit představu holografie. A jako v příkladě geometrických překladů popsaných dříve i zde existují náznaky, že časoprostor není fundamentální. Nejenže se při překladu z jedné formulace do druhé mění jeho velikost a tvar, ale může se změnit se i počet prostorových rozměrů.
Tyto stopy nás stále víc přivádějí k závěru, že podoba časoprostoru není ani tak fundamentální součástí reality, jako spíše malovanou fasádou, která se mění od jedné formulace fyzikální teorie k další. Podobně jako se počet písmen, diakritických znamének a souhlásek slova kočka liší od slova gato, jeho španělského překladu, tak i tvář časoprostoru – jeho tvar, velikost, a dokonce i počet dimenzí – se mění v překladu. Pozorovateli, který ke zkoumání vesmíru používá jedné teorie, se časoprostor může jevit skutečným a nepostradatelným. Ale kdyby vyměnil formulaci teorie, kterou používá, za ekvivalentní přeloženou verzi, pak to, co jednou vypadalo jako reálné a nepostradatelné, by se nevyhnutelně změnilo taky. Čili jsou-li tyto myšlenky správné – a měl bych zdůraznit, že fyzici je budou muset přísně prověřovat, byť už nahromadili velké množství podpůrných důkazů –, nadřazenost času a prostoru je v ohrožení.
Považuji za pravděpodobné, že ze všech zmíněných vodítek bude holografický princip hlavním předmětem budoucího výzkumu. Vynořuje se ze základních vlastností černých děr – jejich entropie –, pro jejichž chápání máme podle mnoha fyziků pevné teoretické základy. I kdyby se třeba v detailech naše teorie změnily, očekáváme, že jakýkoli rozumný popis gravitace umožní existenci černých děr, takže entropická omezení, která stála za tímto povídáním, zůstanou a holografie setrvá v platnosti. Skutečnost, že strunová teorie má v sobě od přírody zabudovaný holografický princip – alespoň v příkladech přístupných matematickému zkoumání –, je dalším pádným argumentem mluvícím pro jeho platnost. Ať už nás pátrání po původu prostoru a času zavede kamkoli, ať už nás za rohem mohou čekat jakékoli úpravy strunové/M-teorie, pojem holografie bude nadále jedním z vodítek.

Tento text je úryvkem z knihy
Greene, Brian
Struktura vesmíru: Prostor, čas a povaha reality

Anotace vydavatele:
Ve své nejnovější knize odhaluje jeden z předních světových teoretiků strun a autor mimořádně úspěšné knihy Elegantní vesmír základní předivo vesmíru. Představuje vesmír – od Newtonovy absolutní říše přes Einsteinovo spojení prostoru s časem k dnešním převratným objevům – a ukazuje, že ten náš je jen jedním z mnoha vesmírných ostrovů plovoucích v ohromném mnohorozměrném prostoru. Setkáváme se v něm s výstředním světem kvant, jehož čas a prostor jsou zmítány neklidem kvantové neurčitosti. Greenova kniha ukazuje paradoxní povahu času, jenž podle fyzikálních zákonů nemusí nutně plynout jedním konkrétním směrem, i to, že dráždivý svět strun a M-teorie nám nakonec může poskytnout teorii všeho.
Brian Greene studoval na Harvardově univerzitě a získal doktorát v Oxfordu, dnes působí jako profesor fyziky a matematiky na Columbijské univerzitě. Jeho bestseller Elegantní vesmír (1999) byl přeložen do mnoha jazyků.
Z angličtiny přeložil Oldřich Klimánek, vázaná, 488 stran, 399 Kč
http://www.paseka.cz/80-7185-720-3.html

Publikovaná verze neodpovídá textu po finální korektuře, který vychází v knize..
Další informace o knize naleznete také na webové stránce překladatele na http://ispace.xf.cz

Poznámka: Příspěvky známých spamerů/zahlčovačů začaly být od 22. 5. z diskusního fóra automaticky odstraňovány. Nadále bude s obdobnými "příspěvky" nakládáno stejným způsobem. Rovněž "diskuse", která se týkala přislušných sporů a kritiky zahlcovačů, byla z fóra odstraněna. Zájemci mohou přislušné torzo komentářů k 25. 5. najít v připojeném textovém souboru (již po odmazanání posledních příspěvků hlavních viníků). V diskusním fóru byly ponechány pouze příspěvky vztahující se alespoň nějak ke knize, z níž zde byly zveřejněny úryvky. V blízké době budou na Science Worldu kromě blokování IP adres stanovena i nová pravidla pro fungování komentářů u článků (se zahlcovači diskusí se například nemá smysl pouštět do křížku, protože jejich příspěvky budou vždy časem odstraněny a celá tak polemika poněkud "ztratí smysl"). Pokud se kdokoliv z vyřazených domnívá, že má k podobnýcm knihám co relevantního říci, může o zveřejnění svých příspěvků pořádat vydavatele knihy (jistě tím budou nadšení).
Na závěr: Existence úryvků knih, rozhovorů na Science Worldu, inzerce i sponzorství na Science Worldu, jeho partnerství s dalšími institucemi etc., prostě existence serveru jako taková, je závislá na kvalitě serveru, a to včetně diskusních fór. (Inzerovali byste snad na serveru, který čte taková cílová skupina jako naši spameři? Měli byste jako nakladatel chuť zde uveřejňovat úryvky ze svých knih? Poskytli byste jako vědec rozhovor serveru, kde bude pod rozhovorem diskusní fórum zaplavené bláboly? Těžko pak někomu vysvětlovat, že SW čte měsíčně skoro 40 000 lidí, z nichž drtivá většina je vzdělaných, jde o studenty, pedagogy…)

autor