Slibná teorie superstrun
podle článku Roberta H. Brandenbergera
Podle autora článku [X1] je souhra mezi teorií superstrun (superstring theory) [F1] a moderní kosmologií velmi slibná. Až se teorie superstrun stane kvantovou teorií prostoročasu a sjednotí všechny silové interakce přírody, zřejmě také vyřeší většinu koncepčních problémů dnešních kosmologických modelů vesmíru v jeho počátečních fázích vývoje.
Kosmologie počátečních fází vývoje vesmíru dosáhla za posledních 20 let neuvěřitelného pokroku díky záplavě nových pozorování a teoretickým průlomů. Například inflační scénář velmi ranné fáze vývoje vesmíru vedl k řešení některých hlubokých záhad standardní kosmologie velkého třesku. Předpověděl určité vlastnosti geometrie vesmíru a spektra kosmického mikrovlnného pozadí, které byly potvrzeny nedávnými pozorováními.
Přes své velké úspěchy inflační scénář obsahuje některé hluboké koncepční problémy, které znemožňují zařadit inflační scénář mezi standardní fyzikální teorie. Například inflační teorie se skalárním polem je ve stejném smyslu nekompletní jako byla standardní kosmologie velkého třesku: v kontextu inflační kosmologie je počáteční singularita nepochybným faktem a proto zde nelze konzistentně formulovat problém počátečních podmínek. Vážnějším problémem inflační teorie je fakt, že úspěšná předpověď vlastností kosmického mikrovlnného pozadí v současných inflačních modelech (s exponenciálním rozpínáním prostoru, které je ovládáno potenciální energií skalárního hmotného pole) souvisí s extrapolací této fyzikální teorie do situace, kde její základy (zejména klasická obecná teorie relativity a slabě vázaná kvantová teorie pole) ztrácejí svoji platnost. Achillovou patou inflační kosmologie je problém kosmologické konstanty. Jak víme, že dosud neznámý mechanismus, který dnes ruší energii vakua, tuto energii nerušil v době, kdy byla potřebná pro průběh inflace? Kromě těchto a dalších koncepčních problémů dosud neexistuje přesvědčivá realizace inflačního mechanismu v kontextu běžných modelů částicové fyziky, která by vycházela z kvantové teorie pole.
Současná pozorování jsou také výzvou některým předpokladům našich současných kosmologických modelů. Pozorování například naznačují, že ve vesmíru existuje temná hmota, která představuje významnou část hustoty energie, ale tato hmota nevytváří shluky. Nedávná měření a numerické simulace odhalují vážné rozpory mezi předpokládanou a pozorovanou strukturou galaktických hal. Měření naznačují, že temná hmota nemusí být chladná, jak se původně předpokládalo.
Autor článku [X1] se domnívá, že nejlepším kandidátem na sjednocenou teorii všech silových interakcí a na kvantovou teorii prostoročasu a hmoty je teorie superstrun (nebo M-teorie). Tato teorie se snaží vyřešit rozpory mezi kvantovou teorií pole a obecnou teorií relativity. Proto by mohla vyřešit také otevřené problémy kosmologie počátečních fází vývoje vesmíru. Pokud teorie superstrun přijme tuto velkou výzvu, získá nezbytný důležitý kontakt s experimentálními fakty a nebude již ostře kritizována za to, že je spíše čistou matematikou než fyzikální vědou. Úspěšné určení entropie extrémní černé díry v kontextu teorie superstrun je prvním velkým úspěchem spojení této teorie a kosmologie.
Až donedávna neexistovalo příliš prací, které by nějak teorii superstrun a kosmologii spojovaly. Avšak již od konce 80. let 20. století bylo jasné, že teorie superstrun bude zřejmě schopna vyřešit některé problémy standardní kosmologie. Například v rámci poruchové teorie superstrun byl využit předpoklad, že všechny prostorové dimenze jsou kompaktifikovány na prstenec. Strunová T-dualita dává do souvislosti teorii, kompaktifikovanou na kružnici (nebo prstenec) poloměru R, s jinou teorií, která je kompaktifikována na kružnici (prstenec) poloměru 1/R. Pokud v jedné teorii je dimenze svinuta do malého poloměru, pak ve druhé teorii je rozvinuta do velkého poloměru, ale obě teorie popisují stejnou fyzikální teorii. Důsledkem této T-duality tedy je, že fyzikální teorie ve velmi malých měřítcích je ekvivalentní fyzikální teorii ve velmi velkých měřítcích, což by mohlo vést k eliminaci prostoročasových singularit. Jednotlivé konzistentní teorie superstrun navzájem souvisejí prostřednictvím dualit, jak naznačuje následující obrázek.
