2023 Autor: Brooke Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-05-20 23:53
Stejně jako v historii jsou revoluce mízou vědy. Bublající spodní proudy neklidu překypují, dokud se neobjeví nový režim, který se chopí moci. Pak se pozornost všech obrací ke svržení svého nového vládce. Král je mrtev, ať žije král.
To se v historii fyziky a astronomie stalo mnohokrát. Nejprve jsme si mysleli, že Země je ve středu sluneční soustavy – myšlenka, která trvala více než 1 000 let. Pak Copernicus natáhl krk a řekl, že celý systém by byl mnohem jednodušší, kdybychom byli jen další planetou obíhající kolem Slunce. Navzdory velkému počátečnímu odporu se starý geocentrický obraz nakonec pod tíhou důkazů z nově vynalezeného dalekohledu prohnul.
Pak přišel Newton, aby vysvětlil, že gravitace je důvod, proč planety obíhají kolem Slunce. Řekl, že všechny objekty s hmotností mají k sobě gravitační přitažlivost. Podle jeho představ obíháme kolem Slunce, protože nás táhne, Měsíc obíhá Zemi, protože my táhneme za něj. Newton vládl dvě a půl století, než se v roce 1915 objevil Albert Einstein, aby si ho uzurpoval svou Obecnou teorií relativity. Tento nový obrázek úhledně vysvětlil nesrovnalosti na oběžné dráze Merkuru a byl skvěle potvrzen pozorováním zatmění Slunce u pobřeží Afriky v roce 1919.
Místo tahu viděl Einstein gravitaci jako výsledek zakřiveného prostoru. Řekl, že všechny objekty ve vesmíru sedí v hladké, čtyřrozměrné tkanině zvané časoprostor. Masivní objekty, jako je Slunce, deformují časoprostor kolem sebe, a tak je oběžná dráha Země prostě výsledkem toho, že naše planeta sleduje toto zakřivení. Pro nás to vypadá jako newtonovská gravitace. Tento časoprostorový obraz je nyní na trůnu již více než 100 let a dosud porazil všechny uchazeče o jeho korunu. Objev gravitačních vln v roce 2015 byl rozhodujícím vítězstvím, ale stejně jako jeho předchůdci může být i on na spadnutí. Je to proto, že je zásadně nekompatibilní s dalším velkým zvířetem ve fyzikální zoo: kvantovou teorií.
Kvantový svět je notoricky divný. Jednotlivé částice mohou být například na dvou místech najednou. Pouze pozorováním jej nutíme „vybrat si“. Před pozorováním můžeme pouze přiřadit pravděpodobnosti pravděpodobným výsledkům. Ve třicátých letech minulého století Erwin Schrödinger vymyslel slavný způsob, jak odhalit, jak zvrácená tato myšlenka je. Představoval si kočku v zapečetěné krabici doprovázenou lahvičkou s jedem připevněnou na kladivu. Kladivo je připojeno k zařízení, které měří kvantový stav částice. To, zda kladivo rozbije lahvičku a zabije kočku, závisí na tomto měření, ale kvantová fyzika říká, že dokud se takové měření neprovede, částice je současně v obou stavech, což znamená, že lahvička je rozbitá i nerozbitná a kočka je živý a mrtvý.
Takový obraz nelze sladit s hladkou, souvislou tkaninou časoprostoru. "Gravitační pole nemůže být na dvou místech najednou," řekla Sabine Hossenfelderová, teoretická fyzička z Frankfurtského institutu pro pokročilá studia. Podle Einsteina je časoprostor deformován hmotou a energií, ale kvantová fyzika říká, že hmota a energie existují ve více stavech současně – mohou být jak tady, tak tam. "Tak kde je gravitační pole?" ptá se Hossenfelder. "Na tuto otázku nikdo nezná odpověď. Je to trochu trapné," řekla.
Zkuste použít obecnou teorii relativity a kvantovou teorii dohromady a nefunguje to. "Nad určitou energií získáte pravděpodobnosti, které jsou větší než jedna," řekl Hossenfelder. Jedna je nejvyšší možná pravděpodobnost – to znamená, že výsledek je jistý. Nemůžete si být více jistý než jistý. Stejně tak vám výpočty někdy dávají odpověď nekonečno, které nemá žádný skutečný fyzikální význam. Tyto dvě teorie jsou proto matematicky nekonzistentní. Takže, stejně jako mnoho monarchů v historii, fyzici hledají sňatek mezi soupeřícími frakcemi, aby zajistili mír. Hledají teorii kvantové gravitace - konečné diplomatické cvičení, jak přimět tyto dva rivaly sdílet trůn. Díky tomu se teoretici obracejí k podivným možnostem.
Pravděpodobně nejznámější je teorie strun. Je to myšlenka, že subatomární částice, jako jsou elektrony a kvarky, jsou vyrobeny z malých vibrujících strun. Stejně jako můžete hrát na struny na hudební nástroj, abyste vytvořili různé tóny, teoretici strun tvrdí, že různé kombinace strun vytvářejí různé částice. Přitažlivost teorie spočívá v tom, že dokáže uvést do souladu obecnou relativitu a kvantovou fyziku, alespoň na papíře. Aby však bylo možné vytáhnout toho konkrétního králíka z klobouku, musí struny vibrovat v jedenácti dimenzích - o sedm více než čtyři v Einsteinově časoprostorové látce. Dosud neexistuje žádný experimentální důkaz, že tyto další dimenze skutečně existují. "Může to být zajímavá matematika, ale jestli to popisuje časoprostor, ve kterém žijeme, to opravdu nevíme, dokud neproběhne experiment," řekla Jorma Louko z University of Nottingham.
Částečně inspirováni nedostatky teorie strun se jiní fyzikové obrátili na alternativu nazvanou Loop Quantum Gravity (LQG). Dokážou přimět dvě teorie, aby si pěkně zahrály, pokud odstraní jednu z ústředních zásad obecné teorie relativity: Tento časoprostor je hladká, spojitá tkanina. Místo toho, oni tvrdí, časoprostor se skládá ze série propletených smyček - že má strukturu v nejmenších velikostních měřítcích. To je trochu jako délka látky. Na první pohled to vypadá jako jedna hladká látka. Podívejte se však pozorně a uvidíte, že je skutečně vyrobena ze sítě stehů. Případně si to představte jako fotografii na obrazovce počítače: Přibližte a uvidíte, že je skutečně tvořena jednotlivými pixely.
Potíž je v tom, že když fyzikové LQG říkají malý, myslí tím opravdu malý. Tyto defekty v časoprostoru by byly zjevné pouze na úrovni Planckovy stupnice – kolem biliontiny biliontiny biliontiny metru. To je tak malinké, že by v krychlovém centimetru prostoru bylo více smyček než kubických centimetrů v celém pozorovatelném vesmíru. "Pokud se časoprostor liší pouze na Planckově měřítku, pak by to bylo obtížné testovat v jakémkoli urychlovači částic," říká Louko. Potřebovali byste rozbíječ atomů, který je 1 000 bilionkrát silnější než Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu. Jak tedy můžete odhalit tak malé časoprostorové defekty? Odpověď je podívat se přes velkou plochu prostoru.
Světlo, které sem přichází z nejvzdálenějších končin vesmíru, cestou prošlo miliardy světelných let časoprostoru. Zatímco účinek každého časoprostorového defektu by byl nepatrný, na tyto vzdálenosti by se interakce s více defekty mohly sečíst k potenciálně pozorovatelnému efektu. Posledních deset let astronomové používají světlo ze vzdálených záblesků gama, aby hledali důkazy na podporu LQG. Tyto kosmické záblesky jsou výsledkem kolapsu masivních hvězd na konci jejich života a na těchto vzdálených detonacích je něco, co v současnosti nedokážeme vysvětlit. "Jejich spektrum má systematické zkreslení," řekl Hossenfelder, ale nikdo neví, jestli se to děje cestou sem, nebo jestli to má něco společného se samotným zdrojem výbuchů. Porota je stále mimo.
Abychom dosáhli pokroku, možná budeme muset jít ještě o krok dále, než říkat, že časoprostor není hladká, souvislá struktura, kterou Einstein navrhoval. Podle Einsteina je časoprostor jako jeviště, které zůstává na místě, ať herci šlapou po jeho prknech nebo ne – i kdyby kolem netančily žádné hvězdy nebo planety, časoprostor by tam stále byl. Fyzici Laurent Freidel, Robert Leigh a Djordje Minic si však myslí, že nás tento obrázek brzdí. Věří, že časoprostor neexistuje nezávisle na objektech v něm. Časoprostor je definován způsobem interakce objektů. To by z časoprostoru udělalo artefakt samotného kvantového světa, ne něco, co by se s ním dalo kombinovat. "Může to znít divně," řekl Minic, "ale je to velmi přesný způsob, jak se k problému postavit."
Přitažlivost této teorie – nazývané modulární časoprostor – je v tom, že by mohla pomoci vyřešit další dlouhodobý problém v teoretické fyzice týkající se něčeho, co se nazývá lokalita, a notoricky známého fenoménu v kvantové fyzice zvaného zapletení. Fyzici mohou vytvořit situaci, kdy spojí dvě částice a spojí jejich kvantové vlastnosti. Poté je oddělí na velkou vzdálenost a zjistí, že jsou stále propojeny. Změna vlastností jednoho a druhého se změní okamžitě, jako by informace cestovala z jednoho do druhého rychleji než rychlost světla v přímém rozporu s relativitou. Einstein byl tímto jevem natolik rozrušený, že jej nazval „strašidelnou akcí na dálku“.
Modulární časoprostorová teorie může takovému chování vyhovět tím, že předefinuje, co znamená být oddělen. Pokud se z kvantového světa vynoří časoprostor, pak být blíž v kvantovém smyslu je zásadnější než být blízko ve fyzickém smyslu. "Různí pozorovatelé by měli různé představy o lokalitě," řekl Minic, "záleží na kontextu." Je to trochu jako naše vztahy s ostatními lidmi. Můžeme se cítit blíž k milované osobě daleko než k cizinci, který žije na ulici. "Můžete mít tato nelokální spojení, pokud jsou poměrně malá," řekl Hossenfelder.
Freidel, Leigh a Minic na svém nápadu pracovali posledních pět let a věří, že pomalu dělají pokroky. "Chceme být konzervativní a dělat věci krok za krokem," řekl Minic, "ale je to vzrušující a vzrušující." Je to určitě nový přístup, který se snaží „gravitovat“kvantový svět spíše než kvantovat gravitaci jako v LQG. Stejně jako u každé vědecké teorie je však třeba ji otestovat. V tuto chvíli trio řeší, jak do svého modelu vměstnat čas.
To vše může znít neuvěřitelně esotericky, něco, co by mělo zajímat pouze akademiky, ale mohlo by to mít hlubší dopad na náš každodenní život. „Sedíme ve vesmíru, cestujeme časem, a pokud se něco změní v našem chápání časoprostoru, bude to mít dopad nejen na naše chápání gravitace, ale obecně na kvantovou teorii,“řekl Hossenfelder. "Všechna naše současná zařízení fungují pouze díky kvantové teorii. Pokud lépe pochopíme kvantovou strukturu časoprostoru, bude to mít dopad na budoucí technologie - možná ne za 50 nebo 100 let, ale možná za 200," řekla.
Současný panovník už je na zubech a nový uchazeč už dávno čeká, ale nemůžeme se rozhodnout, která z mnoha možností má největší šanci na úspěch. Když to uděláme, výsledná revoluce by mohla přinést ovoce nejen teoretické fyzice, ale všem.