6. decembra 2022
vesmir

Objaviť vesmír bez vesmíru

Predstavte si, že by v našej slnečnej sústave bola len Zem a Slnko. Žiaden Mesiac, kométy, asteroidy a ani ďalšie planéty. Najviac by sme asi pocítili absenciu práve Mesiaca, keďže ten nám je najbližšie – ide o silný zdroj svetla na nočnej oblohe, spôsobuje prílivy a cez ne vplýva na rotáciu Zeme.

Nočná obloba by v takomto prípade bola – až na občasnú supernovu – zdanlivo úplne stála. A to by pravdepodobne malo jeden zaujímavý dôsledok. V takto upravenom svete by Newton asi neobjavil svoj veľkolepý gravitačný zákon. Ten totiž pomohol vysvetliť Keplerove zákony, podľa ktorých sa pohybujú telesá na oblohe a prepojil ho s pohybom padajúcich objektov na povrchu Zeme.

No dobre, doprajme mu – pomocou presných meraní gravitačnej sily na Zemi alebo Cavendishovho experimentu by na to možno prišiel. Prišiel by však Einstein na svoju relativistickú teóriu gravitácie? Na papieri asi áno – aj v našom svete Einstein postupoval dlho len na základe úvah a staval na svojej špeciálnej teórii relativity, ktorá je objaviteľná čisto na Zemi.

Keď však Einstein svoju teóriu sformuloval, potreboval ju overiť. Na to mal poruke jeden test hneď a druhý čoskoro – zdeformovaný pohyb Merkúra a ohyb svetelných lúčov počas zatmenia. Jeho teória sa tak rýchlo preslávila a nasledovali sofitistikovanejšie – v niektorých prípadoch dokonca až laboratórne – testy.

V našom hypotetickom svete však nie je Merkúr ani Mesiac a tak ani žiadna podivná dráha či zatmenie, ktoré by umožnili teóriu testovať. Einstein by úvahami a počtami správne sformuloval všeobecnú teóriu relativity, no nemal by poruke žiadne rýchle testy. Premýšľal o gravitačných vlnách, no považoval ich za nezachytiteľne slabé. Pozemské testy nasledovali až dlho po tých „vesmírnych“ a nie je vylúčené, že ak by neprebehli tie, teória by sa nestala slávnou a progres by ustal.

Gravitácia má oproti ostatným silám ten problém, že je slabá – gravitácii celej planéty dokáže odporovať aj drobný elektrický náboj. A to znamená, že sa objavuje a skúma pomerne ťažko a občas sa spoliehame na istú dávku šťastia a domýšľania. K niektorým jej aspektom môžeme pristúpiť len nepriamo, nedokážeme si v laboratóriu nachystať malú čiernu dieru a tú skúmať v izolácii.

Predstavme si ešte extrémnejší príklad. Na palube vesmírnej lode je neobmedzene inteligentná bytosť – volajme ju Omni –, ktorá má k dispozícii dokonale vybavené laboratórium. O vesmíre nevie nič, má však k dispozícii neobmedzene veľa času a môže skúmať. Ak jej v laboratóriu niečo chýba, na požiadanie jej to dodáme. Dokázal by zistiť, že existuje gravitácia? Našiel by Omni všeobecnú teóriu relativity vo svojom laboratóriu?

Začal by samozrejme s jednoduchými vecami – šúchal by o seba predmetmi, ťukal na ne a postupne zisťoval pravidlá vlnovej mechaniky, elektromagnetizmu či termodynamiky. Postupne by, pomocou vyžiadaných prístrojov, prišiel na to, že sa hmota skladá z atómov a tie sa riadia zákonmi kvantovej mechaniky. Objavil by špeciálnu teóriu relativity, kvantovú teóriu poľa, chromodynamiku a – možno – by si všimol istý zvláštny súvis medzi hmotnosťou a spinom niektorých častíc.

Ako mu to zatiaľ dobre fungovalo, pokúsil by sa nájsť jednoduché vysvetlenie a jedno také, čo sa núka, je, že častice sú vlastne tvorené zo strún. Skúmal by ich vlastnosti a všimol by si, že teória môže fungovať, len ak existujú extra priestorové rozmery. Spraví si mentálnu poznámku, že si má vypýtať urýchľovač častíc schopný dosiahnuť Planckove energie a pokračuje ďalej v skúmaní strún.

Všimne si niečo zvláštne, teória, ktorú skúmal, obsahuje niečo, čo si vo svojom laboratóriu, ktoré trčí v bezváhovom stave niekde na okraji vesmíru, ešte nevšimol. Podľa teórie existuje pole, ktoré, ak interaguje s iným poľami, umožňuje novú formu interakcie. Keď si odvodí rovnice, ktoré vyplývajú, tak sa zhodujú s tými, ktoré označujeme ako Einsteinove rovnice poľa. Ako to overiť? Zbúcha pár vecí dokopy, vytvorí, ako už mnohokrát predtým, takmer dokonalé vákuum a spraví Cavendishov experiment. Zhodnotí to: „Hehe.“

Voilá, Omni vo svojom laboratóriu objavil gravitáciu – a cez ňu si napríklad uvedomil, že vesmír takmer určite neexistoval vždy (aj keď toto už tušil na základe úvah o entropii).

Tento myšlienkový experiment poukazuje na netriviálnu predpoveď teórie strún, ktorá sa naplnila ešte pred jej formuláciou (namiesto predikcii tak hovoríme o postdikcii). Teória strún, ktorá vznika ako teória interagujúcich častíc, predpovedá gravitáciu. Ak by nebolo Einsteina (alebo Mesiaca a Merkúru), nie je vylúčené, že by bol práve toto spôsob, ako by sme ju objavili – vnútila by nám existenciu poľa s veľmi špecifickými vlastnosťami a zákonmi. Toto pole, takzvaná metrika, zohráva v Einsteinovom opise zakriveného časopriestoru úplne centrálnu úlohu.

A áno, teória strún má aj nové predpovede, no tie majú bežne smolu, že sú pre nás nedostupné. Na rozdiel od Omniho si nemôžeme vypýtať dokonalý urýchľovač častíc, musíme si ho postaviť a, čo je horšie, zaplatiť.

V niečom sme ako obyvatelia Slnečnej sústavy, kde je len Zem a Slnko. Medzi tým, čo dokážeme skúmať na Zemi a čo sa vo vesmíre skúmať dá je veľká priepasť. Namiesto robenia malých krokov skúšame spraviť veľký skok a dúfame, že dobre dopadneme. Nebolo by rozumné, aby sa na túto cestu vydali všetci, ktorí sa venujú výskumu – pár dobrodruhov však oželieme.

[Samuel]

Pridaj komentár