Sciencemag.cz
Doporučujeme
Smyčková kvantová gravitace je snaha o skloubení obecné relativity s kvantovou teorií. Je to umírněný pokus, neboť vychází jenom z hypotéz, které jsou v obou teoriích již obsaženy, pouze je vhodným způsobem přepisuje do podoby, aby byly navzájem slučitelné. Důsledky jsou však radikální: poskytují další hlubokou proměnu našeho pohledu na strukturu reality.
Je to vlastně prostá myšlenka. Obecná teorie relativity nás naučila, že prostor není jenom neměnná prázdná krabice, ale cosi dynamického: jistý druh obří pohyblivé šnečí ulity, v níž se nacházíme a která může být stlačována a deformována. Kvantová teorie nás naproti tomu naučila, že každé fyzikální pole je „tvořeno kvanty“ a má jemnou zrnitou strukturu. Z toho ihned plyne, že také fyzikální prostor musí být „tvořen kvanty“.
Ústředním bodem smyčkové kvantové gravitace vskutku je, že prostor není spojitý, tedy ho nelze dělit donekonečna, ale že je poskládán ze zrnek či „atomů prostoru“. Jsou nesmírně maličké: trilionkrát menší nežli nejmenší atomové jádro. Teorie tyto „atomy prostoru“ matematickým způsobem popisuje a přichází s rovnicemi, jež určují jejich vývoj. Nazývá je „smyčky“ nebo též kroužky, neboť jsou navzájem propojeny a vytvářejí síť vztahů, z nichž je utkáno předivo prostoru, podobně jako železné kroužky jemně vyrobené obří kroužkové košile.
Kde se tato kvanta prostoru nacházejí? Nikde. Nejsou nikde v prostoru, protože ony samy jsou prostorem. Prostor se tvoří právě spojením oněch jednotlivých kvant gravitace. Svět zase vypadá méně jako objekt a více jako interakce vztahů.
Druhý důsledek teorie je však ještě radikálnější. Stejně jako mizí představa spojitého prostoru, jenž v sobě obsahuje věci, tak se vytrácí i představa elementárního a prvotního „času“, jenž plyne bez ohledu na ně. Rovnice popisující zrnka prostoru a hmoty již neobsahují proměnnou označující „čas“. To neznamená, že by vše bylo statické a neměnné. Právě naopak, znamená to, že změna je všudypřítomná – avšak elementární procesy již nelze uspořádat do běžné posloupnosti „okamžiků“. Na nepatrných škálách zrníček prostoru se tanec přírody neodehrává v rytmu taktovky jediného dirigenta, v jediném univerzálním tempu: každý děj tančí nezávisle na svých sousedech, ve svém vlastním rytmu. Plynutí času je vnitřní charakteristikou světa, rodí se v tomto světě skrze vzájemné vztahy mezi jednotlivými kvanty událostí utvářejícími realitu, to ony samy jsou zdrojem času.
Svět popsaný touto teorií je tudíž hodně vzdálen světu, který dobře známe. Už v něm nenajdeme prostor „obsahující“ hmotný svět, a nenajdeme v něm ani čas, „v kterém“ se události odehrávají. Existují v něm pouze elementární procesy, skrze něž spolu navzájem bez ustání interagují kvanta prostoru a hmoty. Iluze spojitého prostoru a času kolem nás není nic jiného nežli naše rozmazané vidění onoho hemžení elementárních procesů, tak jako zcela poklidné a průzračné alpské jezero je ve skutečnosti zběsilým tancem myriád nepatrných molekul vody.
Lze tuto teorii experimentálně ověřit? Přemýšlíme o tom a pokoušíme se o to, ale experimentální potvrzení dosud chybí. Existuje nicméně několik různých možností.
Jedna z nich se opírá o studium černých děr.
Na nebi dnes můžeme pozorovat černé díry vzniklé kolapsem hvězd. Když se nakonec svou vlastní vahou zhroutí, veškerá jejich hmota zmizí z našeho dohledu za horizontem událostí. Kam ale zmizela? Pokud má pravdu teorie smyčkové kvantové gravitace, nemůže se ve skutečnosti hmota zhroutit do jediného nekonečně malého bodu. Protože nekonečně malé body neexistují – jsou jenom malé, ale konečné dílky prostoru. Když hmota hvězdy svou vlastní vahou kolabuje, její hustota tudíž roste až do chvíle, kdy kvantové efekty vyvolají opačně působící protitlak.
Tato hypotetická finální fáze v životě hvězdy, v níž kvantové fluktuace prostoročasu vyváží gravitační váhu hmoty, se nazývá „Planckova hvězda“. Kdyby naše vlastní Slunce přestalo náhle zářit a vytvořilo černou díru, měl by její horizont průměr pouze jeden a půl kilometru. Uvnitř vzniklé černé díry by veškerá hmota Slunce dál pokračovala v kolapsu, až by vytvořila Planckovu hvězdu. Její rozměry by byly srovnatelné s velikostí atomu. Celá hmota Slunce by zkondenzovala do prostorového atomu: Planckova hvězda by byla tvořena tímto extrémním stavem hmoty.
Planckova hvězda však není stabilní: jakmile je stlačena na maximum, její kolaps se zastaví a obrátí, takže začne expandovat. To vede k explozi černé díry. Takovýto proces, kdyby ho sledoval hypotetický pozorovatel v černé díře na povrchu Planckovy hvězdy, by se jevil jako odraz s obrovskou rychlostí. Avšak čas neplyne stejným tempem pro něj a pro ty, co zůstali vně černé díry, a to ze stejných relativistických důvodů, jako na vrcholcích hor plyne čas rychleji nežli u hladiny moře. V důsledku extrémně silných gravitačních polí by byl rozdíl v chodu času enormní: pozorovateli na hvězdě by se odraz kolapsu jevil jako nesmírně rychlý, ale nahlíženo zvenčí by proces trval velmi dlouhou dobu. Proto pozorujeme, že černé díry jsou po velmi dlouhou dobu neměnné: dle smyčkové kvantové gravitace je černá díra hvězdou, jejíž kolaps se změnil v expanzi, ale tohle všechno sledujeme ve velmi zpomaleném filmu.
Je možné, že ve výhni prvních okamžiků vesmíru vznikly prvotní černé díry a některé z nich nyní postupně explodují. Je-li tomu tak, pak bychom třeba mohli zachytit signály, jež při své explozi vyzařují, nejspíše ve formě kosmického záření s velmi vysokou energií. To by nám umožnilo pozorovat a měřit přímé důsledky jevů vyvolaných kvantovou gravitací. Je to smělá myšlenka, která nemusí fungovat, například proto, že v raném vesmíru nevzniklo dost černých děr, jejichž exploze bychom dnes mohli pozorovat. Pátrání po těchto signálech přesto už začalo. Uvidíme.
Jiný důsledek teorie, dokonce ještě spektakulárnější, se týká samotného vzniku vesmíru. Dnes už dokážeme rekonstruovat historii našeho světa zpět v čase až do jeho velmi rané fáze, kdy měl nepatrné rozměry. Ale co bylo předtím? Nuže, rovnice smyčkové teorie nám dovolují jít v rekonstrukci kosmické historie ještě mnohem dál.
Plyne z nich, že je-li vesmír extrémně stlačený, vytváří kvantová teorie gravitace efektivně odpudivou sílu. Díky ní může být mohutná počáteční exploze neboli velký třesk ve skutečnosti „velkým odrazem“. Náš dnešní svět se tak mohl zrodit z předchozího vesmíru, který se zhroutil svou vlastní gravitační přitažlivostí až do fáze, kdy byl stlačen do nepatrných prostorových rozměrů. Kvantové efekty pak jeho kolaps „odrazily“ a vesmír začal znovu expandovat, čímž se z něho stal rozpínající vesmír, který kolem sebe dnes pozorujeme.
Tento text je úryvkem z knihy:
Carlo Rovelli: Sedm krátkých přednášek z fyziky
Dokořán 2016
O knize na stránkách vydavatele
