Nezmieriteľný rozpor dvoch teórií sa fyzici snažia zladiť už takmer sto rokov.
Dá sa Einsteinova všeobecná teória relativity a kvantová teória matematicky zlúčiť? Zdroj: iStockphoto.com
Einsteinova všeobecná teória relativity a kvantová mechanika. To sú dve základné fyzikálne teórie vysvetľujúce existenciu a fungovanie nášho sveta. Kým prvá z nich sa zaoberá zákonmi existujúcimi javmi v makrosvete, druhá opisuje zákony mikrosveta. Tieto svety (respektíve ich fyzikálne opisy) sú však natoľko rozdielne, že ani sám geniálny Einstein tomu nechcel uveriť a popieral správnosť kvantovej mechaniky, ktorej hlavnými tvorcami sú Werner Heisenberg a Niels Bohr. Vyzerá to totiž tak, že fyzikálne zákony nášho viditeľného sveta v mikrosvete nefungujú a platí to aj naopak.
Einsteinova všeobecná teória relativity vysvetľuje, ako čierne diery interagujú s vesmírom. Zdroj: Keystone-France/Contributor
Tento nezmieriteľný rozpor sa snažia fyzici zladiť už takmer storočie – kvantová mechanika vznikla v roku 1925 –, doteraz však prakticky bezvýsledne. Hľadanie kvantovej teórie gravitácie alebo teórie všetkého, ktorá by vysvetlila fungovanie celého vesmíru a súčasne toho, čo obsahuje na najnižších úrovniach, spopularizoval životopisný filmový príbeh legendárneho fyzika Stephena Hawkinga z roku 2014.
Dvojica článkov, ktorú publikoval tím fyzikov, sa opäť pokúša priblížiť k tomuto svätému grálu.
Proti prúdu
Podľa britského profesora Jonathana Oppenheima z londýnskej UCL je zásadné, že kvantová teória a Einsteinova všeobecná teória relativity sa nedajú matematicky zlúčiť. Základná otázka teda znie, či je časopriestor kvantový, či teda treba upraviť kvantovú teóriu a zahrnúť do nej časopriestor, alebo urobiť ešte niečo celkom iné. „Keďže máme konzistentnú fundamentálnu teóriu, v ktorej časopriestor nie je kvantový, nedokážeme to rozhodnúť,“ vysvetlil Oppenheim.
Už dávno je zrejmé, že na prekonanie zásadného rozporu medzi týmito dvoma nezlučiteľnými teóriami je potrebné, aby sa klasická Einsteinova všeobecná teória relativity dostala do súladu so „správnejšou“ kvantovou teóriou. Aspoň takto k tomu pristupovali a stále pristupujú dve súčasné hlavné teórie kvantovej gravitácie, teda teória strún a slučková kvantová gravitácia.
Jonathan Oppenheim a jeho tím, ktorý publikoval svoje „kacírske“ myšlienky v časopise Physical Review X, však nemá prevládajúci pohľad. Tvrdí, že časopriestor podlieha klasickým zákonom a kvantová teória tu nezohráva nijakú úlohu. Namiesto snahy zmeniť povahu časopriestoru začlenením kvantovej mechaniky sa jeho nová teória, nazvaná postkvantová teória klasickej gravitácie, začína akosi odzadu, pričom tvrdí, že treba extrémne presne sledovať hmotnosť vhodných objektov.
Preto by kvantová teória nemala byť súčasťou časopriestoru (teda nijaké slučky ani struny v časopriestore), ale mala by fungovať tak, aby predpovedala samotný nevyhnutný rozpad predpovedateľnosti, ktorý už je v časopriestore obsiahnutý. Výsledkom sú náhodné a divoké zmeny (fluktuácie) časopriestoru, ktoré sú väčšie, než predpovedá kvantová teória. Vďaka týmto dramatickým zmenám časopriestoru by sa pri veľmi presnom meraní mala nepatrne meniť zdanlivá hmotnosť objektov.
Podľa profesora z UCL Jonathana Oppenheima časopriestor podlieha klasickým zákonom a tam kvantová teória nezohráva nijakú úlohu. Foto: Philipp Ammon
Zamerali sa na dôsledky a navrhli experiment
Druhý článok vyšiel v Nature Communications pod vedením Jonathana Oppenheima spoločne s trojicou jeho bývalých študentov. Autori sa zamerali na dôsledky, ktoré by z ich novej teórie vyplývali. Zároveň navrhli doteraz neslýchanú vec: urobiť experiment, v ktorom by sa natoľko presne merala hmotnosť objektu, že by bolo možné pozorovať jej prípadné zmeny čase. Medzinárodný úrad pre miery a váhy (IBWM) vo Francúzsku napríklad bežne váži kilogram hmotnosti, ktorý sa považuje za medzinárodný štandard. Ak by boli odchýlky takéhoto dlhodobého merania menšie, ako si vyžaduje matematická presnosť, potom by bolo možné postkvantovú teóriu zamietnuť.
Výsledok takéhoto experimentu alebo ďalšie dôkazy, ktoré by potvrdili klasickú alebo kvantovú povahu časopriestoru, sú predmetom stávky medzi Oppenheimom a dvojicou významných fyzikov Carlom Rovellim a Geoffom Peningtonom, čelnými predstaviteľmi slučkovej kvantovej teórie gravitácie a teórie strún. Oppenheimova skupina za ostatných päť rokov svoju teóriu testovala a uvažuje nad jej dôsledkami v reálnom svete.
Spoluautor štúdie Zach Weller-Davies pomohol vytvoriť návrh experimentu a významne prispel k samotnej teórii. Konštatuje, že „tento objav mení naše chápanie povahy gravitácie, ale zároveň ponúka možnosť otestovať jej prípadnú kvantovú povahu. Podarilo sa nám ukázať, že ak časopriestor nie je kvantový, potom musia existovať jeho náhodné odchýlky s typickým správaním, ktoré môžeme experimentálne testovať“.
V časopriestore musí dochádzať k veľkým a náhodným fluktuáciám všade okolo nás, prebiehajú však v takom meradle, že sme ich doteraz nedokázali zaznamenať. Ak je časopriestor klasický, potom tieto fluktuácie musia byť väčšie ako určitý rozmer, ktorý možno určiť experimentálne tak, že sa stanoví čas, v ktorom je možné udržať ťažký atóm v superpozícii na dvoch rôznych miestach súčasne.
V časopriestore podľa vedcov musí dochádzať k veľkým a náhodným fluktuáciám. Zdroj: iStockphoto.com
Spoluautori Carlo Sparaciari a Barbara Šoda dúfajú, že takéto experimenty celú záležitosť rozhodnú. Gravitácia sa prejavuje deformáciami času a priestoru, preto podľa Šodovej môžeme zároveň uvažovať o tom, či rýchlosť plynutia času má kvantovú, alebo klasickú povahu. Toto je možné otestovať rovnako ako to, či má určitý objekt konštantnú hmotnosť.
Hľadanie rovnováhy
Vedci upozorňujú, že zatiaľ čo experimentálny prístup je pomerne jednoduchý, zachovať presnosť meraní je náročné. Weller-Davies poukazuje na to, že musí existovať delikátna rovnováha v spôsobe, ako sú kvantové častice (atómy) schopné ohýbať klasický časopriestor. Musí existovať rovnováha medzi vlnovou povahou atómov a veľkosťou náhodných fluktuácií v časopriestore.
Fyzik Sougato Bose, ktorý nie je do štúdií zapojený, navrhoval ako prvý experiment na testovanie kvantovej povahy časopriestoru. Domnieva sa, že tieto experimenty môžu byť v dosahu našich technológií v horizonte dvadsiatich rokov. Dovtedy by sme mali poznať výsledky meraní. Podľa neho budú mať obrovský význam pre základné pochopenie fyzikálnych zákonov opisu prírody. Dôsledky postkvantovej teórie siahajú za oblasť samotnej gravitácie.
Oppenheim a jeho prvotná motivácia
Oppenheimovou prvotnou motiváciou na formulovanie postkvantovej teórie gravitácie bol známy paradox nazývaný informačný problém čiernej diery. (Pikantné isto je, že jeho takmer menovec americký fyzik Robert Oppenheimer existenciu čiernych dier vyplývajúcu z teórie relativity predpovedal, no hovoril im zamrznuté hviezdy, keďže údajne vznikali po zrútení veľmi hmotných hviezd.)
Oppenheima frustrujú nemotorné matematické triky, ktorými skúšali jeho kolegovia obísť jeden z najznámejších fyzikálnych hlavolamov – informačný paradox čiernych dier. Foto: Philipp Ammon
Podľa kvantovej teórie by sa mal objekt vstupujúci do čiernej diery v nejakej forme dostať von, pretože informáciu zničiť nemožno, no z čiernej diery nemôže uniknúť nič, ani svetlo. Táto teória je v rozpore so všeobecnou teóriou relativity, podľa ktorej za horizontom udalostí neexistuje o pohltenom objekte už žiadna informácia. Nová teória tento paradox rieši tak, že umožňuje zničenie informácie vplyvom rozpadu predpovedateľnosti.
Nevedno, či autori novej teórie raz skutočne dospejú k formulácii bájnej teórie všetkého a či tým zmenia zákony fyziky v tej forme, v ktorej sa dnes vyučujú. Ak by sme mohli tipovať, skôr nie. V opačnom prípade bude nielen fyzikálny svet veľmi príjemne prekvapený, lebo dôsledky plynúce z tohto úspechu budú nepredstaviteľné.
(af)
