Credit: (c) NASA/JPL-Caltech/DSS
Credit: (c) NASA/JPL-Caltech/DSS

Proč je s kvantováním gravitace vůbec problém

Gravitační vlna, která k nám po 1,3 miliardy světelných let dorazila, je naprosto klasická vlna. LIGO v žádném případě nezaznamenal jednotlivé gravitony.

Uvažujme masivní objekt, jako je hvězda. Podle Newtona a Faradaye generuje hvězda kolem sebe gravitační pole úměrné její hmotnosti. Ale pole nese energii. To je podle Newtona a Faradaye v pořádku. Jenomže podle Einsteina je energie to samé jako hmotnost. Takže když hmotnost generuje gravitační pole, dokáže to i energie. Energie gravitačního pole generuje gravitační pole.
Gravitační pole generuje další gravitační pole. A tento proces může pokračovat pořád dál, nekonečně dlouho – takový proces je v matematice vyjádřen nekonečnou řadou. A právě tohle nekončící rozmnožování může vést k tomu, že kvantová teorie gravitace, v níž bude zakřivený prostoročas se prostoročas doslova zhroutí do sebe a vznikne např. černá díra.
Srovnejme gravitační pole s elektrickým. Elektrický náboj generuje elektrické pole. Elektrické pole nese energii, ale nikoliv náboj. Negeneruje tudíž další elektrické pole. Proces byl ukončen. Elektrické pole nebudí další elektrické pole. Jak už jsem uvedl, ve fyzikálním žargonu říkáme, že elektromagnetismus je lineární teorií, takže je v jistém smyslu považován za „triviální“. Naproti tomu gravitace je vysoce nelineární a práce s ní je horror. Kdybychom kupříkladu chtěli použít tradiční matematiku (tím mám na mysli analytické řešení rovnic na papíře) na výpočet gravitačních vln vysílaných dvěma fúzujícími černými děrami, neměli bychom šanci. Vypočtené teoretické křivky, které byly srovnány s naměřeným záznamem detekovaného signálu zachyceného zařízením LIGO (viz kapitolu 9), jsou výsledkem numerických výpočtů počítačů s obrovským výkonem.
Všimněte si dvou důležitých věcí. Nepřetržité generování vzniká už v klasické Einsteinově gravitaci, ještě předtím, než jsme se pokusili teorii kvantovat. Zadruhé, tento problém s nelinearitou je problém technický, nikoliv koncepční. Odráží naši neschopnost použít k výpočtu analytické metody.

Kvantovací fígl zřejmě na gravitaci nefunguje
Na okamžik odbočím, abych vyjasnil jeden pojem, který často mate mnoho čtenářů, když čtou o tom, že fyzici „kvantují“ nebo „rozkvantují“ tu nebo onu teorii. Termín „(roz)kvantovat“ znamená změnit klasickou teorii v kvantovou. Takže, když rozkvantujeme Newtonovu klasickou mechaniku, vznikne (nerelativistická) kvantová mechanika, a když rozkvantujeme Maxwellovu klasickou teorii elektromagnetismu, vznikne kvantová elektrodynamika, a tak dále. Kvantování je určitý formální postup, který se dneska přednáší studentům fyziky; je to prostě fígl, jak změnit klasickou teorii v kvantovou.
Nic nám však nezaručuje, že vzniklá kvantová teorie bude smysluplná, či jak fyzici říkají, že se bude chovat rozumě.
Když aplikujeme obvyklý kvantovací postup na teorii gravitace, vznikne teorie, která se rozumě nechová. Přesněji řečeno, v procesech zahrnujících gravitaci rostou kvantové fluktuace s rostoucí energií, takže když dosáhneme tzv. Planckovy energie, asi 1019 GeV, fluktuace začnou být tak obrovské, že jsou naprosto nezvladatelné. Takže osvědčený kvantovací postup na gravitaci nefunguje a tento fakt je nejhorší noční můrou teoretických fyziků snažících se během posledních zhruba osmdesáti let kvantovat gravitaci.
Čtenáři s dobrou pamětí si vzpomenou, že jsem v kapitole 2 zavedl obrovské číslo 1019 jako Planckovo číslo, jehož čtverec udává, kolikrát je gravitace slabší než elektrická síla. Planckova energie je s Planckovým číslem jednoduše spojena a opět odráží, jak je gravitace odlišná od ostatních tří interakcí.
Mimochodem, po detekci gravitačních vln některá neodborná média uváděla, že tento objev pomůže pochopit kvantovou gravitaci. To je ale nedorozumění. Gravitační vlna, která k nám po 1,3 miliardy světelných let dorazila, je naprosto klasická vlna. LIGO v žádném případě nezaznamenal jednotlivé gravitony.
Za dlouhodobé neúspěchy s kvantovou gravitací je přinejmenším částečně zodpovědné nepřetržité generování gravitace, o němž jsme mluvili, ale existují jiné teorie, kde se nepřetržité generování vyskytuje, a které tento problém zvládly. Vážnějším problémem tak může být, že dostatečně nerozumíme prostoročasu.
Možná je na místě připomenout časový odstup mezi objevem elektromagnetických vln v roce 1886 a pochopením kvantové elektrodynamiky (QED). Zvládnutí QED nelze datovat přesně: není to tak, že by jeden den teoretičtí fyzici QED nerozuměli a ráno jim bylo všechno jasné. Ale pro jednoduchost řekněme, že ke zvládnutí QED došlo v roce 1950, 64 let po detekci elektromagnetických vln. V duchu tohoto naivního uvažování by k pochopení kvantové gravidynamiky mělo dojít v roce 2080 (= 2016 + 64). Je to ale příliš chabá analogie, než abychom se na ni mohli spolehnout a zřejmě nedává důvěryhodný odhad, protože po kvantové mechanice, zformulované do dnešní podoby v roce 1926, nebylo v roce 1886 ani vidu, ani slechu.
Většina teoretiků si myslí, že náš předpis pro kvantování gravitační teorie je správný a potíže, které s kvantovou gravitací máme, vznikají proto, že ho špatně používáme.
Podle mě existuje alternativní vysvětlení: kvantová gravitace čeká na zcela nový popis základů fyziky. Někteří teoretici si myslí, že tento popis představuje teorie strun, ale možná že bude třeba mnohem převratnější revoluce v teoretické fyzice, takové, co bude srovnatelná s kvantovou revolucí.

Tento text je úryvkem z knihy
Anthony Zee
O gravitaci: Krátké seznámení se závažným oborem
Argo a Dokořán 2019
O knize na stránkách vydavatele
obalka_knihy

Matematika plavání

Známými způsoby závodního plavání jsou (v sestupném pořadí podle rychlosti) kraul, motýlek, znak a prsa. …

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