26. septembra 2022
vesmirny einstein

Mýlil sa Einstein?

Predstavy ľudstva o tom, ako funguje vesmír, vznikali od počiatku vekov. Na exaktnosti nabrali asi pred storočím, keď Albert Einstein sformuloval svoju teóriu gravitácie. Tá opisuje gravitačnú silu ako prejav zakriveného časopriestoru. Vraví sa, že nahradil teóriu od Newtona, no možno je presnejšie povedať, že ju rozšíril – keďže Newtonova teória je súčasťou tej Einsteinovej.

Einsteinova teória predpovedá okrem iného aj javy, ktoré buď v Newtonovej absentujú – ako napríklad gravitačné vlny – alebo fungujú inak – napríklad ohyb svetelných lúčov či stáčanie obežných dráh planét. Keď tak Einstein sformuloval svoju teóriu, mal poruke niekoľko testov ako overiť, že jeho teória opisuje realitu správnejšie, ako tá Newtonova. Niektoré z nich sa dali spraviť pomerne rýchlo a komunitu presvedčili, že Einsteinova teória má niečo do seba.

Za to takmer storočie sa podarilo potvrdiť aj tie predpovede, u ktorých to nečakal ani Einstein – napríklad spomínané gravitačné vlny. Einsteinova všeobecná teória relativity je veľkolepý triumf ľudského intelektu, z ktorého ťažíme dodnes – naozaj mu za ňu patrí sláva, ktorá sa mu dostáva. Znamená to, že Einsteinovu teóriu považujeme za finálnu a nedotknuteľnú? Ani omylom!  

Zachytené gravitačné vlny. Zdroj: LIGO.
Zachytené gravitačné vlny. Zdroj: LIGO.

Snáď každý výskumníčka či výskumník vesmíru vám povie, že aj Einsteinovu teóriu raz nahradíme. Tak, ako sa Newtonova teória stala súčasťou tej Einsteinovej tak čakáme, že Einsteinova sa stane súčasťou niečoho väčšieho.

Dôvod je viac, jeden je jednoduchý a často sa používa na ukážku toho, že Einsteinovej teórii niečo chýba. Všeobecná teória relativity nie je kvantová, pričom všetky ostatné sily v prírode majú kvantovú povahu. Aj keď nájdete zopár odborníkov, ktorí tvrdia, že možno nemusí, všeobecný konsenzus je, že by mala.

Zároveň sú známe javy vo vesmíre, ktoré sú gravitačné a vieme, že ich Einsteinova teória nedokáže správne opísať – napríklad singularitu v strede čiernej diery či počiatok vesmíru. Kvantová teória gravitácie by mala dokázať obsiahnuť aj tieto prípady.

Ak je toto správny spôsob uvažovania, tak sa odchýlky od Einsteinovej teórie prejavia len v extrémnych režimoch. Existujú viaceré modely kvantovej gravitácie, ktoré sú rozpracované a konzistentné v rôznej miere a zároveň sa pracuje na dizajnoch experimentov a pozorovaní, ktoré by stopy kvantovej gravitácie mohli zachytiť.

Čierne diery patria medzi extrémne dôsledky Einteinovej teóriie. Zdroj: NASA:
Čierne diery patria medzi extrémne dôsledky Einteinovej teóriie. Zdroj: NASA:


Časť komunity sa zaoberá možnosťami, ako zovšeobecniť Einsteinovu teóriu nielen v extrémnych prípadoch, ale celkovo. Existuje elegantný spôsob, ako zapísať Einsteinove rovnice pomocou jednoduchej funkcie – takzvaného účinku. Tento opis pochádza od Davida Hilberta, slávneho matematika, ktorý nim – vďaka vzájomnej konzultácii – dokonca Einsteina predbehol v napísaní gravitačných rovníc.

Táto funkcia, účinok, sa dá modifikovať. Dajú sa do neho rukou dopisovať nové členy, čo vedie na iné Einsteinove rovnice a teda inú teóriu gravitácie. Máme tak Gauss-Bonnetovu gravitáciu, Starobinskeho gravitáciu, Lovelockovu gravitáciu, – veľmi populárnu – f(R) gravitáciu a more ďalších modifikácií, ktoré sa snažia zalátať niektoré slabé miesta Einsteinovej teórie. Jednoznačný kandidát z nich však ešte nevzišiel.

Sú ľudia, ktorí sa teóriu gravitácie snažia prekopať od základov. Napríklad Erik Verlinde pracuje na opise, ktorý sa opisuje gravitáciu ako prejav narastajúcej entropie, opiera sa pri to o hypotetickú – a veľmi lákavú – holografickú hypotézu. Pred niekoľkými rokmi publikoval štúdiu, kde ukázal, že za istých predpokladov dokáže jeho teória opísať niektoré aspekty, ktoré bežne pripisujeme tmavej hmote či energii. Samotnému holografickému princípu sa vo výskume vesmíru tiež venuje dosť ľudí, prebiehajú pomocou neho snahy opísať niektoré pozorovateľné aspekty čiernych dier.

Existujú prístupy, ktoré sa gravitáciu snažia modifikovať už na Newtonovskej úrovni. Napríklad MOND (Modified Newtonian dynamics) postuluje existenciu špeciálnej úrovne zrýchlenia. Ak zrýchlenie objektu klesne pod istú hranicu, neriadi sa Newtonovým zákonom ale jeho modifikáciou – sila neklesá s druhou ale len s prvou mocninou vzdialenosti.

Táto 40 rokov stará teória profesora Milgroma nadobudla značnú popularitu, lebo dokáže správanie galaxií opísať aj bez tmavej hmoty. Inými slovami, do teórie gravitácie nemusíme pridávať hypotézu o existencii tmavej hmoty, správanie galaxií – rýchlosť, akou sa v nich pohybujú hviezdy – sa dá vysvetliť modifikáciou dynamických zákonov.

Rotačné krivky galaxií vie správne vysvetliť Newtonova teória s tmavou hmotou, MOND či Verlindeho teória.
Rotačné krivky galaxií vie správne vysvetliť Newtonova teória s tmavou hmotou, MOND či Verlindeho teória. Zdroj: Phys.org


Táto teória je však ukážkou, aké náročné je Einsteinovu teóriu, obohatenú o tmavú hmotu a energiu, nahradiť. Vo vesmíre sa totiž deje a dialo všeličo. Hviezdy sa točia v galaxiách, galaxie tvoria kopy, vesmír sa rozpína, hmota v ňom redne a kedysi dávno zanechala jasné odtlačky na reliktovom žiarení, ktoré chladne dodnes. Nie je nemysliteľne zložité modifikovať gravitačnú teóriu tak, aby správne opísala nejaký aspekt vesmíru. Zložité je, aby to dokázala pri všetkých.

Napríklad spomínaný MOND dobre opisuje správanie pohybu hviezd v galaxiách, no pri opise kôp galaxií už nedáva správne výsledky. Rovnako zlyháva pri opise nukleosyntézy (vznik chemických prvkov vo vesmíre) či anizotropii reliktového žiarenia. Ako sa s týmito problémami vyrovnáva teória, ktorá je slávna kvôli tomu, že dokáže opísať rotačné krivky galaxií bez tmavej hmoty? Tak, že svoj model obohatí o veľmi špecifickú formu tmavej hmoty (sterilné neutrína).

Takže si to zhrňme – Einstein sa nemýlil, jeho teória veľmi dobre opisuje vesmír. V akademickej obci panuje pomerne jasná predstava, že to nie je úplná a definitívna odpoveď. Okrem iného je jej súčasťou tmavá hmota a tmavá energia, prvú z nich sa nepodarilo v žiadnom experimente objaviť, pri tej druhej to ani veľmi neskúšame. Je v princípe možné, že tmavú hmotu tvorí niečo, čo s bežnou hmotou vôbec neinteraguje a v takom prípade si môžeme akurát tak pískať. Podobne je možné, že tmavá hmota je prejavom fundamentálnej vlastnosti priestoru a tiež s tým nikdy nepohneme. A možno nie, možno je objav za rohom. Nezistíme, ak to neskúsime.

Indície o povahe tmavej hmoty a energie môže ukrývať teória, ktorá raz Einsteinovu nahradí, no nedarí sa nám ju nájsť aj napriek tomu, že vznikli stovky prác, ktoré sa o to snažia. Je totiž ťažké spraviť novú teóriu, ktorá opraví nejaký aspekt všeobecnej teórie relativity bez toho, aby ďalšie dva nepokazila. Ak sa to raz podarí, budeme všetci radi – chceme mať podobný zážitok, ako mala komunita po príchode Einsteina. Autora tejto teórie čaká večná sláva a komunitu energetizujúce roky. Všetkých by nás úprimne potešilo, ak by sme teóriu gravitácie nahradili. Len je to, javí sa, náročná výzva.

[Samuel]

Pridaj komentár