Částice a interakce | Sjednocení sil

Čtyři síly působící na dva protony. Nejkratší dosah má slabá interakce (10^–17 m), na druhém místě je silná interakce (10^–15 m). Elektromagnetická a gravitační interakce mají, podobně jako lidská hloupost, dosah nekonečný. Zdroj: J. Kleczek.

Úvod

V průběhu let dochází ve fyzice ke vzniku mnoha nových odvětví, fyzika se diferencuje. Současně však probíhá integrační proces – snaha o jednotný popis fyzikálních jevů. Tak byla v minulém století pochopena společná podstata jevů elektrických a magnetických (Hans Öersted, Michael Faraday, James Maxwell) a vznikla teorie elektromagnetického pole. Po vzniku kvantové teorie se objevila příslušná kvantová analogie – kvantová elektrodynamika, která přerostla v současnou kvantovou teorii elektromagnetického pole. V době relativně nedávné se podařilo sloučit do jediné teorie elektromagnetickou a slabou interakci. Vznikla teorie elektroslabé interakce (Steven Weinberg, Abdus Salam, Sheldon Glashow), v níž se ukázalo, že za vysokých energií se obě interakce chovají jinak a vystupují jednotně. Všeobecná shoda dnes panuje i o sloučení všech tří kvantových interakcí (elektromagnetické, silné a slabé) do jediné teorie Velkého sjednocení (GUTGUT – Grand Unified Theory, teorie velkého sjednocení. Popisuje sjednocení elektroslabé a silné interakce při energiích 10¹⁶ GeV (GUT škála). Při vyšších energiích než 10¹⁶ GeV existovaly pouze GUT interakce a gravitační interakce. Teorie velkého sjednocení předpovídá zatím nepozorované procesy, jako je například rozpad protonu.). Probíhají intenzivní, ale zatím neúspěšné, pokusy o připojení gravitační interakce k ostatním do tzv. teorie všeho (TOETOE – Theory Of Everything, teorie všeho. Jde o velký sen všech fyziků – zahrnutí všech čtyř známých interakcí do jediné teorie. Částečné úspěchy má teorie strun, ale experimentální ověření se nedaří a není jasné, zda jde o správný směr či slepou uličku. Základním problémem je, že gravitace je popsána obecnou relativitou (pokřiveným časoprostorem) a ostatní interakce kvantovou teorií pole.). Největším problémem je, že gravitace je popsána obecnou relativitou, zatímco ostatní interakce kvantovou teorií.

Elektřina a magnetizmus

Společná podstata jevů elektrických a magnetických byla pochopena v druhé polovině 19. století a vyústila v sadu rovnic klasické elektrodynamiky, u jejichž zrodu stáli James Clerk Maxwell, Olivier Heaviside a Heinrich Hertz (první formulace v roce 1873). Dnes tyto rovnice nazýváme Maxwellovy rovnice a jejich obsah je jednoduše čitelný:

div D = ρQ	Zdrojem elektrického pole jsou náboje (Gaussova věta pro elektrické pole).
div B = 0	Magnetické pole nemá bodové náboje, neexistují magnetické monopóly (Gaussova věta pro magnetické pole).
rot E = − ∂B/∂t	Zdrojem vírů elektrického pole jsou časové změny magnetického pole (Faradayův zákon indukce).
rot H = jQ + ∂D/∂t	Zdrojem vírů magnetického pole jsou tekoucí proudy nebo časové změny elektrického pole (Ampérův zákon).

Ve dvacátém století se objevila kvantová podoba elektrodynamiky a kvantová teorie elektromagnetického pole (Paul Dirac, Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin-Ichiro Tomonaga, která byla završena elegantními grafickými zkratkami – Feynmanovými diagramyFeynmanovy diagramy – grafické zkratky pro jednotlivé části členů poruchové řady při řešení rovnic kvantové teorie pole. Tyto zkratky lze interpretovat jako elementární procesy interakce kvarků, leptonů a polních částic. Každému Feynmanovu diagramu odpovídá konkrétní matematický výraz a pro sestavování diagramů platí jednoduchá pravidla: počet vrcholů diagramu odpovídá pořadí v příslušné poruchové řadě a amplituda pravděpodobnosti dějů s každým dalším vrcholem klesá v poměru 1/137, který nazýváme konstanta jemné struktury. Linie částic, spojující jednotlivé uzly diagramu, nazýváme propagátory diagramu. Pouze propagátory s volnými konci představují skutečné částice, které lze registrovat v našich přístrojích. Propagátory, které začínají a končí ve vrcholu, odpovídají tzv. virtuálním částicím, které nerespektují zákon zachování energie. Tyto částice nikdy nemůžeme pozorovat (nemají volné konce linií). Jde například o polní částice zprostředkující sílu mezi skutečnými částicemi.. O detailech se můžete dočíst na stránce věnované „Elektromagnetické interakci“. Zde připomeňme jen to, že elektromagnetická interakce podléhá lokální U(1) symetriiSymetrie U(1) – symetrie, při které se rovnice nezmění, pokud nahradíme vlnovou funkci jinou vlnovou funkcí, vynásobenou komplexní jednotkou. Jde tedy o transformaci: ψ → ψ exp(iα). Z matematického hlediska jde vlastně o pootočení vlnové funkce, neboli o unitární transformaci, s jedním parametrem (úhlem α). Pokud je tento úhel konstantní, hovoříme o globální symetrii, pokud je funkcí času a prostoru, hovoříme o lokální symetrii. Například v kvantové teorii elektromagnetického pole je symetrie U(1)_loc odpovědná za existenci a zachování elektrického náboje.: přenásobíme-li vlnovou funkci komplexní jednotkou, nic se v měřitelných předpovědích nezmění.

Alessandro Volta předvádí na jedné z mnoha obchodních karet společnosti Liebig Napoleonovi galvanický článek. Tyto karty jsou dnes vyhledávaným sběratelským předmětem. Kdysi sloužily jako informace o společnosti a reklama na zboží.

Elektroslabá interakce

V šedesátých letech se ukázalo, že je možné vytvořit teorii, která by jednotně popisovala elektromagnetickou i slabou interakci. Slabá interakce je odpovědná za různé pomalé rozpady částic, například rozpad neutronu nebo mionu či za sloučení dvou protnů při fúzi ve slunečním nitru. Základní informace o slabé interakci a Feynmanovy diagramy některých slabých procesů naleznete na stránce „Slabá interakce“. Připomeňme zde jen, že slabá interakce podléhá SU(2) symetriiSymetrie SU(2) – základní symetrie slabé interakce, která nerozliší některé dvojice částic – například elektron a jeho neutrino nebo kvarky d, u. Matematicky se tato symetrie popisuje pomocí komplexních unitárních matic 2×2 s determinantem rovným jedné. Název SU(2) znamená: speciální (tj. det U = 1) unitární 2×2 matice. – symetrii, tj. nerozlišuje některé dvojice částic, například elektron a jeho neutrino se při slabé interakci chovají jako jedna jediná částice.

Problém jednotného popisu elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) je otázkou nalezení symetrie, která obsahuje jak U(1)_loc, tak SU(2) symetrii, tj. symetrii elektromagnetické a slabé interakce. To se podařilo Stevenu Weinbergovi, Abdusu Salamovi a Sheldonu Glashowovi, kteří za teorii elektroslabé interakce obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1979. Teorie elektroslabé interakce předpověděla, že kromě fotonu existují ještě další tři polní částice W⁺, W⁻, Z⁰, které odpovídají za slabou interakci. Polní bosony W⁺, W⁻, Z⁰ byly objeveny v Evropském středisku jaderného výzkumu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. na přelomu let 1983 a 1984 ve vstřícných protono-antiprotonových svazcích o energii 270 GeV v urychlovači SPSSPS – Super Proton Synchrotron, jeden z urychlovačů v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Dosažitelná energie je 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny polní bosony slabé interakce a v roce 2000 zde bylo poprvé připraveno kvarkové-gluonové plazma (zárodečná polévka, ze které vznikal vesmír).. Jejich objevitelé Carlo Rubbia a Simon van der Meer obdrželi za tento objev Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1984.

V teorii elektroslabé interakce je jeden zásadní problém. Platí-li symetrie U(1)_loc a SU(2) beze zbytku, vyjdou hmotnosti všech čtyř polních částic nulové. Ve skutečnosti je nulová jen klidová hmotnost fotonu (s tím souvisí nekonečný dosah elektromagnetické interakce) a částice W^± a Z⁰ mají klidové hmotnosti 80 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a 91 GeV. V teorii to znamená, že symetrie musí být narušena. Tento jev nazýváme spontánní narušení symetrie. Za narušení symetrie by měly být odpovědné další částice, které nazýváme Higgsovy bosony nebo Higgsovo pole. Jejich existenci a vůbec celý mechanizmus, jak polní i další částice získají hmotnost, navrhl v roce 1964 skotský fyzik a matematik Peter Higgs. Nezávisle na něm navrhli stejný mechanizmus belgičtí teoretici Robert Brout a Francois Englert. Podobné řešení nalezla v roce 1964 i další skupina. Higgsova částice se stala nejdéle hledanou částicí standardního modelu elementárních částicStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W⁺,  W⁻, Z⁰) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole.. Polapena byla až v roce 2012 na detektorech ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. a CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice.v urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. v částicovém centru CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.. Jev analogický spontánnímu narušení symetrie známe i z běžného života. Postavíme-li jehlu na povrchu stolu na špičku, měla by podle klasické teorie spadnout tím později, čím lépe je jehla na začátku postavena svisle. Při přesné symetrii (jehla přesně na špičce) by neměla spadnout vůbec, protože nelze vybrat žádný preferovaný směr. Přesto dojde k narušení symetrie a jehla v konečném čase dopadne na povrch stolu.

Higgsovo pole tvoří v prostoru strukturu, která brání některým částicím v pohybu. Ty částice, které s Higgsovým polem neinteragují, letí rychlostí světla a mají nulovou klidovou hmotnost. Částice, které s polem interagují, mají podsvětelnou rychlost a nenulovou klidovou hmotnost. Mechanizmus byl původně navržen pro polní částice slabé interakce, funguje ale i pro kvarky a leptony. Zdroj: Phill Owen.

S SU(2) symetrií slabé interakce souvisí, podobně jako v elektromagnetizmu, i určitý kvantový náboj. Nazýváme ho vůně a nejde o nic jiného než o jiné pojmenování jednotlivých druhů kvarků a leptonů. Základní konstanta interakce je opět s energií částic proměnná. Při energiích vyšších než 10² GeV by se obě interakce (elektromagnetická a slabá) měly chovat jednotně (jako jediná elektroslabá interakce). Při energiích nižších dojde k narušení symetrie a „oddělení“ interakce elektromagnetické od slabé a tyto dceřiné interakce se chovají různě. Ve vesmíru měly takové energie částice v době 10^–10 s po jeho vzniku a tehdy podle našich představ došlo k rozštěpení původní prainterakce na elektromagnetickou a slabou sílu. Odpovídající teplota v té době byla 10¹⁵ K, tomu odpovídá energie částic 10² GeV. Takové energie jsou na největších urychlovačích světa dosažitelné, takže můžeme naše představy ověřovat experimentálně.

Velké sjednocení

Pokusy popsat jednotně interakci elektroslabou a silnou se nazývají teorie velkého sjednocení neboli GUTGUT – Grand Unified Theory, teorie velkého sjednocení. Popisuje sjednocení elektroslabé a silné interakce při energiích 10¹⁶ GeV (GUT škála). Při vyšších energiích než 10¹⁶ GeV existovaly pouze GUT interakce a gravitační interakce. Teorie velkého sjednocení předpovídá zatím nepozorované procesy, jako je například rozpad protonu.. Teorie silné interakce je teorií symetrie SU(3)Symetrie SU(3) – základní symetrie silné interakce, která nerozliší barvy kvarků. Matematicky se tato symetrie popisuje pomocí komplexních unitárních matic 3×3 s determinantem rovným jedné. Název SU(3) znamená: speciální (tj. det U = 1) unitární 3×3 matice., která znamená, že při silné interakci se nerozlišují tři barvy kvarků. Teorie GUT je z matematického hlediska hledání symetrie, která obsahuje dílčí symetrie U(1)_loc, SU(2) a SU(3) interakcí elektromagnetické, slabé a silné. Podle použité symetrie existuje dnes několik variant. Nejpravděpodobnější varianty teorií GUT předpovídají existenci dalších polních částic X a Y, které by měly způsobovat přechody mezi kvarky a leptony:

q ↔ ℓ
q ↔ ℓ

To má dalekosáhlé důsledky. Především by to mělo znamenat nestabilitu protonu, a tím atomových jader. Kvarky tvořící proton se mohou rozpadnout na antileptony. Poločas tohoto rozpadu se odhaduje na dobu delší než 10³⁴ let, tedy podstatně více, než je stáří vesmíru. Přesto by takové procesy mohly být našimi prostředky měřitelné, a pokud existují, mohou zcela zásadně ovlivnit dalekou budoucnost vesmíru. Tyto procesy spolu s narušením CP symetrieCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. také mohly vést k dnešní baryonové asymetrii vesmíru, tj. nadvládě hmoty nad antihmotou. Částice X a Y mají velkou klidovou hmotnost (cca 10¹⁶ GeV), což znamená, že ve vesmíru mohly samovolně vznikat z fluktuací energie v časech kratších než 10^–36 s po vzniku světa, kdy zde byla průměrná energie částic 10¹⁶ GeV, teplota 10²⁹ K a hustota 10⁸⁴ g/cm³.

Potenciál dvou přitahujících se elektrických nábojů se chová jako –1/r, s rostoucí vzdáleností roste a nulové hodnoty dosáhne v nekonečnu (elektromagnetická interakce má nekonečný dosah). Oproti tomu má potenciální energie dvou barevných nábojů (silná interakce) odlišný průběh. Nuly dosáhne ve vzdálenosti 10^–15 m a poté roste téměř lineárně. Tato část průběhu umožňuje vznik gluonových nití v mezonech a zabraňuje existenci volných kvarků. Potenciální energie přitahujících se částic s vůní (vůně je náboj slabé interakce) má ještě kratší dosah a nuly nabývá přibližně pro 10^–17 metru. Interakční konstanty (tzv. vazební konstanty neboli normované náboje interakce) nejsou ve skutečnosti konstantní. Například pro elektromagnetickou interakci je na velkých vzdálenostech elektrický náboj stíněný oblaky virtuálních částic (elektronových-pozitronových párů). Pro malé vzdálenosti není již stínění efektivní, náboj částic roste (projevuje se jejich holý, nestíněný náboj), a tím roste i vazební konstanta, viz modrá křivka na obrázku. Na malé vzdálenosti se k sobě mohou přiblížit jen částice s vysokou energií, proto je na vodorovné ose vynesena energie částic, jež je nepřímo úměrná jejich dosažitelné vzdálenosti. U silné interakce je opačná situace než u elektromagnetické. Barevný náboj je antistíněn a vazební konstanta s rostoucí energií (klesající vzdáleností) naopak klesá. U slabé interakce je průběh ještě složitější.

Předpokládá se, že by všechny tři konstanty měly mít stejnou hodnotu při energii přibližně 10¹⁶ GeV (tzv. energie velkého sjednocení). Při vyšších energiích by se všechny tři interakce měly projevovat jako jedna jediná interakce GUT. Při nižších energiích dojde k narušení symetrie GUT a „oddělení“ interakce silné od elektroslabé. Ve vesmíru měly částice energii 10¹⁶ GeV v čase 10^–36 s po jeho vzniku. Odpovídající teplota vesmíru v tomto čase byla 10²⁹ K. Energie Velkého sjednocení 10¹⁶ GeV je přibližně energie 100 wattové žárovky svítící po dobu čtyř hodin. Tuto energii však musí mít při sjednocení GUT jediná elementární částice.

Základní problém je v tom, že z měření na velkých urychlovačích (například HERAHERA – Hadron-Electron Ring Accelerator, urychlovač protonů na energie 318 GeV. Obvod urychlovače byl 6,3 kilometru a byl pod zemí v hloubce 15 až 30 metrů. Provozován byl německou částicovou laboratoří DESY v blízkosti Hamburku od roku 1992 do roku 2007., 2007) se zdá, že se vazební konstanty neprotnou v jediném bodě. S tím vyvstává řada dosud nezodpovězených otázek. Je koncept velkého sjednocení správný? Neexistuje nějaká další interakce, o které nevíme? Nesouvisí způsob křížení vazebních konstant s nějakými dosud nepoznanými fyzikálními zákony? Jsou tři kvantové interakce (elektromagnetická, slabá a silná) nizkoenergetickou limitou jedné jediné společné interakce GUT? Nesouvisí problémy velkého sjednocení s hledanými částicemi temné hmoty nebo dokonce s temnou energií rozfukující vesmír? Alespoň na některé otázky by mohl naznačit odpovědi nový urychlovač LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. vybudovaný v Evropském středisku jaderného výzkumu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web..

Teorie všeho

Poslední interakcí je gravitační interakce. Gravitační interakce se liší od všech předchozích tří interakcí. Především působí na naprosto všechny materiální objekty, včetně polních částic. Základní teorií gravitace je obecná relativitaObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách., která převádí problémy síly na pohyb po geodetikáchGeodetika – nejrovnější možná dráha v zakřiveném časoprostoru. Po této dráze se pohybují všechna volná hmotná tělesa bez rozdílu. v zakřiveném časoprostoru. Teorie má tedy zcela odlišnou konstrukci než kvantově polní teorieKvantová teorie pole – popis interakce založený na kvantových principech, tj. na nekomutativnosti základních operací v mikrosvětě. Kvantová teorie pole nahrazuje silové působení polními částicemi. Tyto částice jsou virtuální a nikdy nemohou skončit v detektoru, působí jen mezi dvěma interagujícími částicemi. Jako první prototyp kvantové teorie pole se vyvinula ve 30. letech 20. století kvantová elektrodynamika, později se objevila teorie slabé a silné interakce. Jediná gravitace je popsána jinak – za pomoci obecné relativity. ostatních tří interakcí, které využívají polní částice. Jednotný popis gravitační a ostatních interakcí tedy znamená teoretické spojení obecné relativity (zakřivený časoprostor) s kvantovou teorií (nekomutující objekty).

Struny

Spojení kvantové teorie s obecnou relativitou naráží ve čtyřech dimenzích na principiální problémy. Tyto problémy lze překonat zavedením většího počtu dimenzí (10, 11, 26, 27, 506, ...). Je možné, že náš vesmír je skutečně například desetidimenzionální, ale v makrosvětě vnímáme jen naše čtyři dimenze. Může to být podobné pohledu na chomáč vaty, který se z dálky jeví jako třídimenzionální útvar s definovaným objemem. Při podrobnějším prozkoumání zjistíme, že je vata tvořena vlákénky, a že definovat objem vaty nemusí být vůbec jednoduché. Ostatních 6 dimenzí našeho vesmíru by mělo být kompaktifikovaných (svinutých), tj. tvořit jakási „vlákénka“, jejichž typickým rozměrem by byla Planckova délkaPlanckovy škály – charakteristické rozměry získané kombinací fundamentálních konstant (gravitační, Planckovy a rychlosti světla). Planckova délka vychází 10⁻³⁵ m, Planckův čas 10⁻⁴³ s, Planckova hmotnost 10⁻⁸ kg a Planckova energie 10¹⁹ GeV.. Planckova délka by tak skutečně byla přirozenou jednotkou rozměrů ve vesmíru a současně minimální možnou vlnovou délkou fotonu. Ve vícerozměrném světě již nejsou základní částice (leptony, kvarky a polní částice) bodovými útvary, ale tvoří jednodimenzionální útvary, tzv. struny. Struny mohou být otevřené či uzavřené a liší se svými vibračními stavy. Různé vibrační stavy představují různé elementární částice. Feynmanovy diagramy strun tvoří jakési „kalhoty“.

Teorií strun se vynořila celá řada, některé však obsahovaly tzv. neodstranitelná nekonečna, jiné obsahovaly alespoň nekonečna odstranitelná pomocí matematické procedury, které se říká renormalizace. Pokud by existovala další (jedenáctá) makroskopická dimenze, kolmá na všechny ostatní, stanou se tyto renormovatelné teorie nízkoenergetickou limitou jedné jediné teorie, tzv. M teorie. Jedenáctou dimenzi nevnímáme, mohla by ale náš vesmír gravitačně spojovat s jinými, tzv. paralelními vesmíry, které by dohromady tvořily soubor všech vesmírů, multiveerzum. Představte si každý vesmír jako list v knížce, jednotlivé dvojrozměrné listy o sobě nevědí, další listy jsou totiž ve směru další (třetí) kolmé dimenze. Obdobně by vesmíry v multiverzu byly méněrozměrné útvary (tzv. brány) ve vícerozměrném světě. Dotyk dvou bran by mohl být příčinou velkého třesku. Tento model vesmíru se nazývá ekpyrotický (v doslovném překladu z ohně pocházející) a navrhli ho v roce 2001 Neil Turok, Paul Steinhardt, Burt Ovrut a Justin Khoury. Autoři návrhu vypočetli spektrum gravitačních vln, které by měly při dotyku dvou brán vzniknout. Jejich model vzniku vesmíru tak není jen pouhou fantastickou hříčkou, ale předpovídá experimentálně ověřitelná fakta. Pokud bude někdy uskutečněn projekt LISALISA – Laser Interferometry Satellite Antenna, společný projekt ESA a NASA tří sond obíhajících kolem Slunce. Jejich cílem mělo být interferometrické měření gravitačních vln. Ramena interferometru (vzájemná vzdálenost sond) měla být dlouhá pět milionů kilometrů. Realizace se postupně odsouvala, v roce 2011 NASA konstatovala, že projekt nemůže z finančních důvodů uskutečnit. ESA v projektu pokračovala pod názvem NGO (New Gravitational Observatory), v roce 2012 ale byla dána přednost jinému velkému projektu JUICE (mise k Jupiteru). Poté byl projekt vzkříšen pod názvem eLISA (evolved LISA) s rameny interferometru dlouhými „jen“ milion kilometrů. V roce 2017 se opětovně přepracovaný projekt dostal do výběru velkých (L3, Large) misí Evropské kosmické agentury pod původním názvem LISA. Finální délka ramen interferometru bude 2,5 milionu kilometrů. Start je plánován na rok 2034. vesmírného inerferometru se základnou milion kilometrů, mohly by být reliktní gravitační vlny z první fáze Velkého třesku skutečně polapeny. Existují ale samozřejmě i alternativní scénáře, například inflačníInflace – prudké (exponenciální) zvětšení rozměrů raného vesmíru. Zpravidla se dává do souvislosti s oddělením silné interakce v čase 10⁻³⁵ s od hypotetické nuly dané zpětnou extrapolací expanze. V průběhu inflace dojde k zvýšení entropie faktorem 10⁹⁰ až 10¹²⁰ a k zvětšení rozměrů faktorem 10³⁰ až 10⁵⁰. Uvolněná energie je minimálně 10⁶⁰ GeV, způsobí opětovné ohřátí vesmíru a vznik stochastických reliktních gravitačních vln. Některé modely kladou inflaci do ještě ranějších fází vývoje vesmíru. Pokud ale inflace existovala, je ona samotná skutečnou časovou nulou, skutečným počátkem našeho vesmíru. scénář vzniku vesmíru.

Ekpyrotický model. V první fázi se dotknou dva méněrozměrné pravesmíry (brány). V našem vesmíru takový dotyk znamená Velký třesk, počátek expanze a vznik vesmírných struktur (fáze 2). Vesmír expanduje, řídne a dochází k jeho „tepelné smrti“. Gravitační síla prosakující mezi oběma bránami začne pravesmíry přitahovat (fáze 4) a po určité době dojde k dalšímu dotyku obou brán. Není jasné, zda je ekpyrotický model hříčkou lidské fantazie, či zda jde o reálný model vzniku vesmíru.

Dnešní teorie strun uvažují o 27 dimenzích. První 4 tvoří nám dobře známý prostor a čas. Dalších šest dimenzí je kompaktifikovaných a jsou zodpovědné za existenci fermionů (kvarků a leptonů). Další dimenze (jedenáctá) je makroskopická, kolmá na všechny ostatní, a zajišťuje, aby strunové teorie byly limitou jedné jediné teorie. Posledních 16 dimenzí je opět kompaktifikovaných (svinutých) a jsou zodpovědné za existenci polních částic – bosonů. Kvantové interakce působí v jednotlivých bránách (méněrozměrných podsvětech),zatímco gravitace může působit i ve směru makroskopické (jedenácté) dimenze, tj. mezi branami. Proto je možná v našem světě gravitace tak slabá, neboť prosakuje jedenáctou dimenzí mimo náš vesmír. Pohybujeme se na hranici našich znalostí a teorie strun je v tuto chvíli jen jednou z představ, jak připojit gravitační interakci k ostatním. Možná správnou a možná nesprávnou. To ukáže jen další výzkum a zejména experimenty, které jediné mohou rozhodnout, zda jsou naše představy fantazií, či realitou.

Supersymetrie

Při spojování gravitace s ostatními interakcemi se vynořil v některých teoriích požadavek na tzv. supersymetriiSUSY – SUSY (SUper SYmmetry), supersymetrie, symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla projevovat při vysokých energiích. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existovat superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou „ino" pro bosony a předponou „s“ pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron. Přestože se tyto superpartnery zatím nepodařilo experimentálně pozorovat na urychlovači LHC, představuje supersymetrie významnou ingredienci v teorii superstrun.. Ke každému fermionuFermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton a neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez. by měl při vysokých energiích (takové byly v raném vesmíru) existovat superpartner, který je bosonemBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu., a naopak, ke každému bosonu by měl existoval superpartner, který je fermionem. Superpartnery k bosonům označujeme příponou „-ino“ (například fotino, higgsino, wino, gluino). Superpartnertry k fermionum značíme předponou „s-“ (například selektron, s-neutrino). O částicích ve strunových teoriích, do kterých je zahrnut princip supersymetrie, hovoříme jako o superstrunách. Supersymetrický model s minimálním počtem částic se nazývá minimální supersymetrický modelMSSM – Minimal Standard Supersymmetry Model, základní rozšíření standardního modelu o superpartnery (bosony k fermionům a fermiony k bosonům)..

částice	spin	superpartner	spin	poznámka
gluon	1	gluino	1/2
foton	1	fotino	1/2	neutralina (elektricky neutrální)
Z boson	1	zino	1/2
higgs	0	higgsino	1/2
neutrino	1/2	s-neutrino	0
W boson	1	wino	1/2	chargina (elektricky nabité)
lepton	1/2	s-leptony	0
kvark	1/2	s-kvarky	0
graviton	2	gravitino	3/2	zatím scifi

Všechny čtyři interakce by se měly chovat jednotně při energiích vyšších než 10¹⁹ GeV. To je právě Planckova energie. Takové podmínky nastaly ve vesmíru 10^–43 s po Velkém třesku, v Planckově čase, kdy by mělo dojít k narušení superymetrie a „oddělení“ gravitační interakce od elektroslabé a silné interakce. Vesmír měl před tímto časem asi zcela jiné vlastnosti a platily v něm přírodní zákony, které neznáme. Planckův čas je tedy současně časem, od kterého jsme schopni vesmír vůbec popsat. Teplota v Planckově čase se odhaduje na 10³² K a hustota vesmíru na 10⁹⁴ g cm^–3.

Myšlenka oddělování interakci z jedné prasíly se stala velmi populární a aplikuje se na všechny interakce. Experimentálně jsme ale schopni ověřit jen rozštěpení elektroslabé interakce na elektromagnetickou a slabou. Ostatní štěpení je krásnou představou, která mohla, ale také nemusela v přírodě nastat.