Fyzici pod vedením Richarda Pinčáka z Ústavu experimentálnej fyziky SAV sledujú geometriu viacrozmerného priestoru a pokúšajú sa vyriešiť jednu z najväčších záhad modernej fyziky.
Umelecká predstava čiernej diery a vizualizácia Higgsovho poľa. Koláž autora. Zdroj: Wikimedia Commons/NASA/D. Berry; CERN
Čierne diery patria medzi najtajomnejšie objekty vo vesmíre. Ich extrémna gravitácia deformuje priestor a čas natoľko, že z nich nedokáže uniknúť ani svetlo. Na druhej strane stojí Higgsov bozón – elementárna častica, ktorá pomáha vysvetliť, prečo majú ostatné častice hmotnosť. Obe tieto oblasti fyziky dlhodobo predstavujú pre vedcov výzvu, pretože ich nedokážeme úplne vysvetliť v rámci jedného uceleného modelu.
Nový výskum vedcov zo Slovenskej akadémie vied (SAV), publikovaný v časopise General Relativity and Gravitation, naznačuje, že odpoveď by mohla spočívať v niečom oveľa exotickejšom, a to v existencii dodatočných rozmerov priestoru. Konkrétne ide o hypotézu, že realita nemusí byť len trojrozmerná, ako ju poznáme, ale môže zahŕňať až sedem rozmerov.
Informačný paradox čiernych dier
Od 70. rokov, keď Stephen Hawking ukázal, že čierne diery nie sú úplne čierne a vypočítal existenciu tzv. Hawkingovho žiarenia, trápi fyzikov jeden z najväčších problémov modernej vedy – informačný paradox čiernych dier. Ak sa totiž čierne diery skutočne postupne vyparujú týmto spôsobom, zdá sa, že informácie o hmote, ktorá do nich spadla, by mohli navždy zmiznúť. To je však v rozpore s princípom unitárnosti kvantovej mechaniky, podľa ktorého by sa informácia nemala nikdy úplne stratiť. Tento paradox tak už desaťročia predstavuje veľkú výzvu, ktorú sa fyzici snažia vyriešiť rôznymi, no zatiaľ neúspešnými spôsobmi.
Prečo by mohli čierne diery zničiť vesmír – informačný paradox. Zdroj: Youtube/Kurzgesagt – In a Nutshell
Odpudivá sila zastavujúca úplné vyparenie
Nový prístup ponúka tím Richarda Pinčáka zo SAV. Vedci sa pozreli na alternatívnu teóriu gravitácie vychádzajúcu z Riemannovej-Cartanovej geometrie, známu pod pomenovaním Einsteinova-Cartanova teória, ktorá na rozdiel od klasickej relativity nepočíta len so zakrivením časopriestoru, ale aj s jeho krútením (torziou). Práve táto vlastnosť môže podľa nich zohrávať kľúčovú úlohu v extrémnych podmienkach, aké panujú v okolí čiernych dier.
Riemannove variety za 12 minút. Zdroj: Youtube/DIBEOS
Výskumníci sa konkrétne zamerali na hypotetický sedemrozmerný priestor – tzv. G2 varietu s torziou. V takomto modeli sa ukazuje, že pri extrémnych hustotách na úrovni Planckovej škály môže torzia časopriestoru vytvárať odpudivú silu. Tá by pôsobila proti gravitačnému kolapsu a mohla by zastaviť finálnu fázu vyparovania čiernej diery Hawkingovým žiarením. Namiesto úplného zániku by tak po čiernej diere zostal stabilný zvyšok čiernej diery (stable remnant) s extrémne malou hmotnosťou (cca 9.10-41 kg).
Schematické znázornenie torzne stabilizovaného zvyšku čiernej diery. Zdroj: ÚEF SAV
Podľa vedcov by však tento pozostatok čiernej diery nebol len fyzikálnym pozostatkom, ale aj nositeľom informácie. Mohla by fungovať ako akýsi kvantový archív, v ktorom by boli informácie uložené v tzv. kvázinormálnych módoch – vo forme dlhodobých vibrácií torzného poľa. Kapacita takéhoto objektu by bola pritom obrovská – čierna diera s hmotnosťou nášho Slnka by mohla uložiť približne 1,515 × 10⁷⁷ qubitov informácie. To by stačilo na vyriešenie informačného paradoxu čiernych dier bez porušenia zákonov fyziky.
Súvislosť s Higgsovým bozónom
Fyzici so svojím nápadom navyše prišli s riešením ďalšej otázky. Spočítali totiž, že redukcia siedmich dimenzií na štyri dimenzie, aké poznáme z každodennej skúsenosti a vnímame ich ako časopriestor, prirodzenou cestou vytvára elektroslabú škálu (electroweak scale), kľúčovú energetickú hladinu približne 246 giga elektrónvoltov, ktorá zodpovedá strednej hodnote Higgsovho poľa vo vákuu a určuje hmotnosť väčšiny častíc v štandardnom modeli.
Inými slovami, rovnaký geometrický trik, ktorý zachraňuje kvantovú informáciu pri vyparovaní čiernych dier, ponúka vysvetlenie hmotnosti častíc. Nehovoriac o tom, že by stabilné zvyšky čiernych dier mohli byť komponentom temnej hmoty.
Zjednotenie stability čiernej diery a hmotnosti elementárnych častíc prostredníctvom 7D geometrie. Zdroj: ÚEF SAV
Sedemrozmerná geometria
Podľa inovatívnej teórie by sa tak základné zákony fyziky dali lepšie pochopiť, ak by sme ich opísali pomocou tzv. sedemrozmernej geometrie. Tá umožňuje prepojiť rôzne fyzikálne javy, ktoré sa dnes zdajú byť oddelené – napríklad správanie čiernych dier a vlastnosti elementárnych častíc.
Richard Pinčák z Ústavu experimentálnej fyziky SAV a jeho kolegovia ukazujú, že v takomto rozšírenom priestore môžu vzniknúť matematické štruktúry, ktoré prirodzene vysvetľujú hodnotu hmotnosti Higgsovho bozónu. Tá je totiž v súčasných teóriách do veľkej miery určená bez hlbšieho vysvetlenia. Nový prístup by mohol tento problém vyriešiť elegantnejším spôsobom.
Spojenie kvantového sveta a gravitácie
Myšlienka dodatočných rozmerov ale vôbec nie je nová. Objavuje sa už napríklad v teórii strún. Ide o jednu z najambicióznejších hypotéz modernej fyziky, ktorá sa snaží vysvetliť všetky základné sily a častice vo vesmíre v rámci jedného spoločného rámca. Namiesto predstavy, že elementárne častice ako elektróny či kvarky sú bodové objekty, teória strún tvrdí, že ide o extrémne malé struny, ktoré vibrujú rôznymi spôsobmi. Práve tieto vibrácie určujú, ktorú časticu pozorujeme – podobne ako keď rôzne vibrácie struny na hudobnom nástroji vytvárajú rôzne tóny.
Jedným z najzaujímavejších dôsledkov tejto teórie je, že vyžaduje existenciu viacerých rozmerov priestoru, než vnímame. Okrem troch priestorových a jedného časového rozmeru môže existovať ďalších niekoľko kompaktifikovaných (zvinutých) rozmerov, ktoré sú pre nás neviditeľné. Práve v nich by sa mohli uskutočňovať fyzikálne procesy, ktoré dnes nedokážeme vysvetliť (napríklad správanie čiernych dier, opísanie vlastností Higgsovho bozónu).
Hlavným cieľom teórie strún je spojiť dve veľké oblasti fyziky, a to kvantovú mechaniku, ktorá opisuje svet častíc, a všeobecnú relativitu, ktorá vysvetľuje gravitáciu a veľké štruktúry vesmíru. Dnes tieto dve teórie fungujú veľmi dobre oddelene, no nedajú sa jednoducho zlúčiť. Teória strún je jedným z kandidátov na tzv. teóriu všetkého, ktorá by tento problém vyriešila.
Treba však zdôrazniť, že ide zatiaľ o teoretický model. Hoci má silnú matematickú podporu, jeho experimentálne potvrdenie je veľmi náročné, pretože efekty, ktoré predpovedá, sa prejavujú pri extrémne vysokých energiách alebo veľmi malých mierkach. Napriek tomu zostáva jednou z najzaujímavejších ciest, ako pochopiť hlbšiu štruktúru reality.
Nový pohľad do hlbín vesmíru
Nový výskum však prináša konkrétnejší matematický rámec, ktorý by mohol byť testovateľný aj experimentálne, napríklad prostredníctvom meraní vlastností častíc. Ak by sa existencia takýchto rozmerov potvrdila, znamenalo by to zásadnú revolúciu v chápaní reality. To, čo dnes považujeme za základné stavebné kamene vesmíru, by mohlo byť len tieňom komplexnejšej štruktúry vo vyšších dimenziách.
Hoci ide zatiaľ o teoretický model, ukazuje, že odpovede na najväčšie otázky fyziky môžu byť ukryté v niečom, čo si vieme zatiaľ len ťažko predstaviť. Sú to ďalšie rozmery priestoru, ktoré sú pre naše zmysly neviditeľné, no môžu formovať samotnú podstatu reality.
Zdroje: General Relativity and Gravitation, Space, Ústav experimentálnej fyziky SAV
(zh)
