Testování kvantové gravitace

exploze hvězdy Kasiopea

Indičtí fyzici přišli s nápadem, jak otestovat kvantovou gravitaci - obor teoretické fyziky usilující o skloubení Einsteinovy obecné teorie relativity a kvantové mechaniky. Pokud se vše podaří, test založený na principech smyčkové kvantové gravitace by představoval vůbec první experimentální důkaz kvantové gravitace.

Albert Einstein napsal spousty prací z různých oborů fyziky, ale většina lidí jej zná jako duchovního otce speciální a obecné teorie relativity. Právem. Teorie relativity jsou ukázkou prozíravosti lidské mysli a ukázaly, že náš svět je daleko podivnější, než-li "zdravý rozum" je schopen připustit. Rozdíly mezi "relativistickou" realitou a realitou všedních dní je patrný až za speciálních podmínek (při velkých rychlostech, v silných gravitačních polích, na astronomických vzdálenostech).

Ovšem řada lidí neví, že Einstein stál také u kolébky jiné teorie, teorie, která z relativity (aspoň té speciální) dělá s nadsázkou řečeno dětskou hru. Tou byla kvantová mechanika, jež s obdivuhodnou přesností popisuje svět atomární a subatomární. Závěry z ní plynoucí pro náš svět a realitu jako takovou jsou přímo zarážející a "selskému rozumu" zcela cizí. Avšak její použitelnost v praxi z ní dělá jednu z nejdokonalejších teorií, kterou kdy lidstvo sestavilo. S jejími aplikacemi se setkáváme na každém rohu, mimo jiné je to právě její zásluha, že můžete číst tento článek.

Úkolem tohoto příspěvku není tyto teorie popisovat. Důležité je vědět, že kvantová mechanika a obecná relativita jsou nepřítelkyně; kdykoliv fyzici chtějí, aby v jistých případech obě táhly za jeden provaz, zůstanou jim oči pro pláč. Modely snažící se obě teorie propojit se zkrátka a dobře hroutí. Einstein světu přinesl dvě vynikající teorie, které se však nesnesou.

Problém popsat gravitaci (která v obecné relativitě není ničím jiným než jen projevem zakřivení prostoru a času) kvantověmechanickým jazykem se řeší již přes 70 let. Na lepší časy se začalo blýskat v 70. letech 20. století, kdy vznikla strunová teorie. Později se z ní vyklubala teorie superstrunová a dnes byla vybroušena až do M-teorie. Přes prvotní neduhy, jimiž trpěla, nám strunová teorie vyrostla v adeptku na teorii všeho, teorii, jež by popsala všechny síly a hmotu přírody společným kvantověmechanickým jazykem. Byla to právě superstrunová teorie, které se, a to náhodou, podařilo gravitaci popsat v jazyce kvantové teorie pole. Hle, rázem zde je recept, jak vztyčit bílou vlajku na znamení míru mezi Einsteinovou obecnou relativitou a kvantovou teorií. Teorie superstrun má bohatou historii a srší z ní ještě bohatší důsledky pro náš svět. Jedinou její vadou na kráse je skutečnost, že s ohledem na naši současnou technologickou vyspělost je její přímé experimentální ověření hudbou budoucnosti. Mnohé o ní se můžete dočíst v knize Briana Greena Elegantní vesmír (překlad Luboš Motl, Mladá fronta, 2001) nebo právě vycházející knize téhož autora Struktura vesmíru (překlad Oldřich Klimánek, Paseka, 2006).

V 80. letech však vznikl jiný přístup, který sice nemá ambice státi se teorií všeho, ale směřuje k témuž hlavnímu cíli, cíli sjednocení obecné relativity a kvantové mechaniky. Je jím smyčková kvantová gravitace. (V české populárně-vědecké literatuře se o ní příliš nedozvíte. Krátce o ní pojednává pouze Brian Greene v posledně jmenované knize.) Ač smyčková kvantová gravitace není tím nejvíce přijímaným přístupem ke kvantové gravitaci, její přívrženci přišli nyní na způsob, jak ji experimentálně ověřit. Podívejme se na jejich nápad.

Častým tématem vědecko-populární literatury bývají černé díry. Jedním a nejběžnějším mechanismem vedoucím k jejich vzniku je kolaps staré hvězdy, která poté, co vyčerpala své palivové zásoby, se pod vlastní tíhou zhroutí. Každý kolaps však nekončí vytvořením černé díry. Málo hmotné hvězdy jako naše Slunce končí jako bílí trpaslíci, ty hmotnější jako neutronové hvězdy a ty nejhmotnější právě jako černé díry. V centru každé z nich existuje bod, kde se obecná teorie hroutí; bod nazýváme singularitou, je to strašák rovnic. Čím více se blížíme singularitě, tím pekelnějším podmínkám musíme čelit. Panují tam obrovské hustoty, neskutečné teploty a časoprostor je nesmírně zakřiven. V singularitě můžete bez okolků použít u všech veličin slovíčko "nekonečně". Nekonečně zakřivený časoprostor, nekonečná hustota a teplota. A popsat okolí takovéto malé obludy je prostě za možnostmi obecné relativity, jelikož se dostáváme do říše ultramalého, do říše, kde tvrdou rukou panuje kvantová mechanika. Chceme-li porozumět dějům, ke kterým právě v těchto oblastech dochází, musíme mít kvantovou teorii gravitace.

Kromě singularit ukrytých v černých dírách existují, alespoň v teoretických modelech, takzvané nahé singularity. Jejich existence ve vesmíru však po dlouhou dobu byla, a pro mnohé stále je, spekulací. Nahé singularity jsou tatáž strašidelná místa v prostoru a čase, která se vyznačují stejně žhavými podmínkami, ale na rozdíl od těch ukrytých v černých dírách jsou, či by vlastně měly být, astronomicky přímo pozorovatelné. Studie ukázaly, že při správné hmotnosti hvězdy a při vhodném rozložení hmoty uvnitř hvězdy se může stát, že kolabující hvězda neskončí jako černá díra, nýbrž právě jako nahá singularita.

Existence nahých singularit je problematická z mnoha důvodů. A právě zastánci smyčkové kvantové gravitace ukázali, že k jejich vzniku popsaným způsobem nemusí vůbec docházet. Domnívají se, že jejich teorie je schopna Einsteinovu obecnou relativitu blízko singularity upravit tak, že ke vzniku singularity prostě nedojde. Pankaj Joshi a Rituparno Goswami z Tata Institute of Fundamentals Research v Mumbaji a Prampreet Singh, toho času působící na Penn State University ve Spojených státech, tuto hypotézu potvrdili. Napsal o tom 7. února časopis NewScientist.

Joshi se svými kolegy spočítal, že skomírající hvězda nevytvoří nahou singularitu, nýbrž že celou svou hmotu v cukuletu vymrští do okolního prostoru. Tento záblesk má jednu charakteristiku: předtím než hvězda jasně vzplane a vytvoří extrémně energetické gama paprsky, různé exotické částice a neutrina, na chvíli pohasne.

"Naše práce ukazuje, že fundamentální fyzika smyčkové kvantové gravitace může vést k pozorovatelným astrofyzikálním jevům," říká Joshi. "Otevírá nám tak nové okénko ke snoubení teorie kvantové gravitace, empirické fyziky a astronomických pozorování." Indický tým fyziků říká, že příchozí experimenty (jako EUSO - Extreme Universe Space Observatory - s plánovaným zahájením v roce 2010) by mohly pomoci k otestování předpovědi.

Carlo Rovelli z Université de la Mediterranée ve Francii se domnívá, že nové výsledky mohou být důležité. "Jestliže by to fungovalo, znamenalo by to velký krok kupředu. A co víc, jde o další příklad toho, že máme víc a víc náznaků, že lze přímo pozorovat důsledky kvantové gravitace - kdo by si to před pár lety kdy pomyslel?"

Giovanni Amelino-Camelia z římské univerzity La Sapienza říká, že nový návrh je vzrušující, ale fyzici by ohledně něj měli být opatrní. "Představa autorů je do jisté míry smysluplná a výsledky jsou určitě povzbudivé, avšak bude trvat, než závěry plně dostavíme na bohatém formalismu smyčkové kvantové gravitace."