Image credit: ESA/Hubble & NASA, Acknowledgement: Judy Schmidt
Image credit: ESA/Hubble & NASA, Acknowledgement: Judy Schmidt

Kosmologická konstanta a porušení zákona zachování energie

Zákon zachování energie patří k těm, které si fyzici nejvíce hýčkají. Jeho porušení by však mohlo vyřešit největší fyzikální hádanku současnosti – proč se rozpínání vesmíru zrychluje. To je pozoruhodné tvrzení francouzských a mexických teoretiků, kteří došli k závěru, že temná energie může mít při účinném vysávání energie z rozpínajícího se vesmíru podobu Einsteinovy kosmologické konstanty.

Kosmologická konstanta je označení pro Einsteinem uměle zavedený člen, který měl v jeho rovnicích obecné teorie relativity umožnit existenci stacionárního vesmíru. Popisuje totiž anti-gravitační sílu, která působí proti vzájemnému přitahování hmoty ve stacionárním vesmíru. S Hubbleovým objevem rozpínání vesmíru se tento faktor stal nepotřebným a Einstein ho prohlásil za svůj největší omyl. Moderní kosmologie však možnost jeho existence opět oživuje. Zdá se, že se rozpínání vesmíru zrychluje, přestože to mnozí zpochybňují.

Pro řadu fyziků je kosmologická konstanta přirozeným kandidátem na vysvětlení temné energie. Jelikož jde o vlastnost časoprostoru, konstanta může reprezentovat energii generovanou virtuálními částicemi, které podle kvantové mechaniky nepřetržitě vznikají a zanikají. Jenže potíž je v tom, že teoretická hodnota této konstanty („energie vakua“) je o závratných 120 řádů vyšší, než by vyplývalo z parametrů rozpínání vesmíru.

Ve své nejnovější práci francouzští teoretikové a jejich mexičtí kolegové tvrdí, že kosmologická konstanta může nahradit průběžný součet veškeré „nezachované“ energie v celé historii vesmíru. Konstanta fakticky není konstantní hodnotou, bude se zvyšovat, když energie teče pryč z vesmíru, a klesat, když se vrací. Konstanta může však být za určitých podmínek také skutečně konstantní, rychlost jejích změn by měla být úměrná hustotě hmoty vesmíru. V tomto pojetí energie vakua nepřispívá k velikosti kosmologické konstanty.

Fyzici se museli rozhlédnout i za hranicemi obecné relativity, protože ta, stejně jako newtonovská mechanika, vyžaduje zachování energie. Přesně řečeno, relativita vyžaduje zachování vícesložkového „tenzoru momentu energie“. Toto zachování se projevuje tím, že ve velmi malých měřítkách je prostoročas plochý, i když podle Einsteinovy teorie hmota jeho geometrii narušuje.

Na druhé straně, většina pokusů vytvořit kvantovou teorii gravitace vyžaduje, aby byl prostoročas složen z diskrétních zrn velmi malých rozměrů (Planckova délka). Tato zrnitost by totiž mohla vést k porušování zákona zachování energie. Kvantovou teorii gravitace však doteď nikdo nezformuloval. Na řadu proto přišla varianta obecné relativity, tzv. unitární gravitace, která některá porušení zachování energie dovoluje. Vědci zjistili, že když omezí množství energie, které může být ztraceno nebo naopak získáno z vesmíru, tak, aby bylo konzistentní s kosmologickým principem, který říká, že na velké vzdálenosti musí být proces homogenní a izotropní, pak unitární rovnice generují veličinu podobnou kosmologické konstantě.

Protože zatím nikdo dobře nerozumí zrnitosti prostoročasu Planckových rozměrů, nejsou fyzici zatím schopni vypočítat exaktní velikost kosmologické konstanty. Místo toho zařadili unitární rovnice do dvojice fenomenologických modelů, které popisují porušení zákona zachování energie. Jeden z nich popisuje, jak se může hmota šířit v granulárním prostoročase, druhý modifikuje kvantovou mechaniku s ohledem na vymizení stavů superpozice v makroskopických rozměrech.

Oba tyto modely obsahují dva parametry, které byly nastaveny tak, aby byly modely konzistentní s nulovými výsledky experimentů, které pátraly po porušení zachování energie v našem lokálním vesmíru. Přes toto drastické omezení modely generovaly kosmologickou konstantu stejného řádu, jako je ta pozorovaná. Vyplývá z toho tvrzení, že i když je každé jednotlivé porušení zákona zachování energie velmi malé, akumulovaný vliv těchto porušení během velmi dlouhé historie vesmíru může vést ke vzniku temné energie a urychlenému rozpínání vesmíru.

Pokud by se ukázalo, že je nová myšlenka pravdivá, neznamená to, že by se měly dosud uctívané zákony zachování energie zahodit. Změny hodnoty kosmologické konstanty by mohly ukazovat na daleko abstraktnější a složitější druh zákonů zachování. Stejně jako je teplo energií uloženou v chaotickém pohybu molekul, kosmologická konstanta by mohla reprezentovat energii uloženou v dynamických vlastnostech atomů prostoročasu. Tato energie by se jevila jako ztracená pouze tehdy, pokud by se předpokládal hladký a nepřerušovaný prostoročas.

Ostatní fyzici tuto myšlenku opatrně podporují. Podle jejich mínění není o nic „bláznivější“ než řada spekulací, které v současnosti teoretická fyzika produkuje. Myšlenka je sice spekulativní, ale má dobrý směr. Pokud by se ukázala jako správná, přinesla by do fyziky revoluci.

Práce byla publikována v Physical Review Letters.
Jana Štrajblová

Převzato z Matfyz.cz.

Den firem pro fyziku 2017
V úterý 25. 4. 2017 se uskuteční každoroční pravidelné setkání fyzikálně zaměřených firem a ústavů, které představí svoji činnost a možnosti uplatnění studentům a absolventům. Den firem je organizován ve spolupráci s Matematicko-fyzikální fakultou UK a s Fakultou jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT.

Překvapující geometrická kouzla: Foton v zakalené vodě

Máme dvě skleničky, jednu s vodou čirou a druhou zakalenou. Do obou vyšleme paprsek světla. …

  • Luboš Fiala

    Kvantovou teorii gravitace, která zahrnuje Plankovy „pixely“ již zformuloval v roce 2012 vědec Nassim Haramein, propojil tím tak dva světy fyziky relativitu s kvantovou mechanikou. Kdo pochybuje -> podklady najdete na http://resonance.is/
    případně odkaz rovnou na PDF: http://resonance.is/wp-content/uploads/QGHM.pdf
    Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292

    Ještě doporučuji dokument The Connected Universe, který je o nasimově celoživotní práci. Ke zhlédnutí: http://www.bombuj.eu/online-film-the-connected-universe

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close