Gravitace byla první základní silou, kterou lidstvo poznalo, a přesto jí stále nejméně rozumí. Fyzikové dokáží s dokonalou přesností předpovědět vliv gravitace na bowlingové koule, hvězdy a planety, ale nikdo neví, jak tato síla působí na nepatrné částice neboli kvanta. Téměř sto let trvající hledání teorie kvantové gravitace – popisu fungování síly pro nejmenší části vesmíru – je vedeno jednoduchým očekáváním, že by se všechny galaxie, kvarky a vše mezi nimi mělo řídit jedním gravitačním manuálem.
„Pokud neexistuje žádná teorie , pak je vesmír jen chaos. Je prostě náhodný,“ řekla Netta Engelhardtová, teoretická fyzička z Massachusettského technologického institutu. „Nemohu ani říci, že by byl chaotický nebo náhodný, protože to jsou vlastně legitimní fyzikální procesy.“
Na hraně obecné relativity
Jádrem nejpalčivějšího problému teoretické fyziky je střet dvou největších triumfů oboru. Teorie obecné relativity Alberta Einsteina nahradila představu Isaaca Newtona o prosté přitažlivosti mezi objekty popisem hmoty nebo energie, která kolem sebe ohýbá prostor a čas, a blízké objekty sledují tyto zakřivené dráhy a chovají se, jako by se navzájem přitahovaly. V Einsteinových rovnicích je gravitace tvarem samotného prostoru. Jeho teorie zachovávala tradiční popis hladkého, klasického vesmíru – vesmíru, ve kterém si vždy můžete přiblížit menší kousek prostoru.
Obecná teorie relativity i nadále obstojí ve všech zkouškách, které jí astrofyzikové předhodí, včetně situací, které si Einstein nikdy nedokázal představit. Většina odborníků však očekává, že Einsteinova teorie jednou selže, protože vesmír se nakonec jeví jako hrbolatý, nikoli hladký. Planety a hvězdy jsou ve skutečnosti soubory atomů, které se zase skládají z elektronů a svazků kvarků. Tyto částice se na sebe zavěšují nebo rozpadají výměnou jiných typů částic, čímž vznikají přitažlivé a odpudivé síly.
Elektrické a magnetické síly například pocházejí z objektů, které si vyměňují částice známé jako virtuální fotony. Například sílu, která přilepí magnet k ledničce, lze popsat jako hladké, klasické magnetické pole, ale jemné detaily pole závisí na kvantových částicích, které ho vytvářejí. Ze čtyř základních sil vesmíru (gravitace, elektromagnetismus a silné a slabé jaderné síly) pouze gravitace postrádá „kvantový“ popis. V důsledku toho nikdo s jistotou neví (i když existuje spousta nápadů), odkud gravitační pole pochází nebo jak se v něm chovají jednotlivé částice.
Podivná síla mimo
Problém je v tom, že i když nás gravitace drží přilepené k zemi a obecně působí jako síla, obecná teorie relativity naznačuje, že jde o něco víc – o tvar samotného prostoru. Jiné kvantové teorie považují prostor za ploché pozadí pro měření toho, jak daleko a rychle částice letí. Ignorování zakřivení prostoru pro částice funguje proto, že gravitace je mnohem slabší než ostatní síly, takže při přiblížení něčeho tak malého, jako je elektron, vypadá prostor plochý. Účinky gravitace a zakřivení prostoru jsou relativně zřejmé při větším zvětšení, například u planet a hvězd. Když se však fyzikové snaží vypočítat zakřivení prostoru kolem elektronu, ať už je jakkoli nepatrné, matematika se stává nemožnou.
Na konci 40. let 20. století vyvinuli fyzikové techniku zvanou renormalizace, jak se vypořádat s rozmary kvantové mechaniky, které umožňují elektronu okořenit nudnou cestu nekonečným množstvím způsobů. Může například vystřelit foton. Tento foton se může rozdělit na elektron a jeho antihmotné dvojče, pozitron. Tyto dvojice pak mohou vystřelit další fotony, které se mohou rozdělit na další dvojčata atd. Zatímco dokonalý výpočet by vyžadoval spočítat nekonečné množství různých cest elektronů, renormalizace umožnila fyzikům shromáždit neukázněné možnosti do několika měřitelných čísel, jako je náboj a hmotnost elektronu. Tyto hodnoty nemohli předpovědět, ale mohli do nich zapojit výsledky experimentů a použít je k dalším předpovědím, například kam se elektron vydá.
Renormalizace přestane fungovat, když na scénu vstoupí teoretické gravitační částice, zvané gravitony. Gravitony mají také svou vlastní energii, která vytváří další deformace prostoru a další gravitony, které vytvářejí další deformace a další gravitony a tak dále, což obecně vede k obrovskému matematickému zmatku. Dokonce i když se fyzikové pokusí dát některé z nekonečností na hromadu, aby je mohli experimentálně změřit, nakonec se utopí v nekonečném množství hromad.
„Ve skutečnosti to znamená, že potřebujete nekonečný počet experimentů, abyste něco určili,“ řekl Engelhardt, „a to není realistická teorie.“
V praxi se tato neschopnost vypořádat se se zakřivením okolí částic stává osudnou v situacích, kdy spousta hmoty a energie zakroutí prostor tak těsně, že si toho nemohou nevšimnout ani elektrony a jim podobní – jako je tomu v případě černých děr. Ale všechny částice v těsné blízkosti – nebo ještě hůře, uvnitř – jam časoprostoru jistě znají pravidla boje, i když fyzikové ne.
„Příroda našla způsob, jak zajistit existenci černých děr,“ napsal Robbert Dijkgraaf, ředitel Institutu pro pokročilá studia v Princetonu ve státě New Jersey, ve své publikaci pro tento institut. „Nyní je na nás, abychom zjistili, co příroda ví a my ještě ne.“
Přiblížení gravitace
Pomocí aproximace obecné teorie relativity (Engelhardt ji nazval „náplastí“) fyzikové vytvořili představu o tom, jak by gravitony mohly vypadat, ale nikdo neočekává, že je v dohledné době uvidí. Podle jednoho myšlenkového experimentu by k jejich detekci bylo zapotřebí 100 let experimentů na urychlovači částic těžkých jako Jupiter. Teoretici tedy mezitím přehodnocují povahu nejzákladnějších prvků vesmíru.
Jedna z teorií, známá jako smyčková kvantová gravitace, si klade za cíl vyřešit konflikt mezi částicemi a časoprostorem tím, že rozdělí prostor a čas na malé kousky – konečné rozlišení, za jehož hranicemi nemůže dojít k žádnému přiblížení.
Teorie strun, další populární rámec, volí jiný přístup a vyměňuje částice za struny podobné vláknům, které se z matematického hlediska chovají lépe než jejich bodové protějšky. Tato jednoduchá změna má složité důsledky, ale jednou z příjemných vlastností je, že z matematiky prostě vypadne gravitace. I kdyby Einstein a jeho současníci nikdy nevyvinuli obecnou teorii relativity, řekl Engelhardt, fyzikové by na ni narazili později díky teorii strun. „Považuji to za docela zázrak,“ řekla.
A podle Engelhardtové teoretici strun v posledních desetiletích odhalili další náznaky, že jsou na produktivní cestě. Jednoduše řečeno, představa samotného prostoru může fyziky odvádět od zásadnější struktury vesmíru.
Teoretici koncem devadesátých let zjistili, že popisy jednoduchého krabicového vesmíru včetně gravitace jsou matematicky ekvivalentní obrazu plochého vesmíru pouze s kvantovou fyzikou (a bez gravitace). Schopnost přeskakovat mezi těmito popisy naznačuje, že prostor nemusí být základní složkou vesmíru, ale spíše vedlejším efektem, který vzniká v důsledku interakcí částic.
Jakkoli je pro nás smrtelníky zasazené do struktury prostoru těžké si to představit, vztah mezi prostorem a částicemi může být něco jako vztah mezi pokojovou teplotou a molekulami vzduchu. Fyzikové kdysi považovali teplo za tekutinu, která proudí z teplé místnosti do chladné, ale objev molekul odhalil, že to, co vnímáme jako teplotu, „vzniká“ z průměrné rychlosti molekul vzduchu. Prostor (a obdobně gravitace) může podobně představovat naši velkorozměrovou zkušenost nějakého malého jevu. „V rámci teorie strun existují v tuto chvíli docela dobré náznaky, že prostor je skutečně emergentní,“ řekl Engelhardt.
Vesmír v krabici podle teorie strun má však jiný tvar než ten, který vidíme my (i když podle Engelhardta tento rozdíl nemusí být na závadu, protože kvantová gravitace by mohla působit stejně pro všechny možné tvary vesmíru). I kdyby se poučení z vesmíru v krabici uplatnilo ve skutečnosti, matematický rámec zůstává hrubý. Fyzikové jsou ještě daleko od toho, aby zpřetrhali své teoretické vazby na vesmír a dosáhli přesného popisu kvantové gravitace v celé její hrbolaté kráse.
Přestože nadále pracují na podstatných matematických zádrhelech ve svých teoriích, někteří fyzikové chovají naději, že je jejich astrofyzikální pozorování jednou postrčí správným směrem. Žádný experiment se dosud neodchýlil od předpovědí obecné teorie relativity, ale v budoucnu by mohla jemný šepot gravitonů zachytit různorodá soustava detektorů gravitačních vln citlivých na mnoho velikostí vln. Engelhardt však řekl, že „můj instinkt by byl spíše zaměřit se na vesmír než na urychlovače částic.“
.