Gravitační síla neexistuje IV

rubrika: Populárně naučný koutek


Předposlední část této gravitační série byla zakončena předpovědí obecné teorie relativity (OTR), že světlo se v gravitačním poli jakéhokoli tělesa bude ohýbat dvakrát tolik, než by předpověděl Newtonův gravitační zákon, kdyby předpokládal, že světlo má efektivní hmotnost. Tento dvojnásobek nám pomůže osvětlit jednu důležitou nuanci týkající se principu ekvivalence.

Lucifer


Ve druhém odstavci druhé části bylo řečeno, že když astronaut ve zrychlené raketě vyslal laserový paprsek napříč kajutou horizontálně, zjistil, že se ohýbá směrem dolů. Za předpokladu, že nemůže zjistit, zda se nenachází v místnosti na Zemi pod vlivem gravitace, mohl si z toho vyvodit, že gravitace ohýbá světlo. Tento předpoklad je však poněkud nepravdivý. Astronaut má totiž možnost zjistit, jestli je v raketě, nebo na povrchu Země.

Pokud se nachází v akcelerující raketě, síla, která mu drží nohy u země, na něj působí vertikálně směrem dolů, ať stojí na jakémkoli místě v kajutě. Na zemském povrchu ale záleží na tom, kde přesně stojíte, protože gravitace táhne všechny věci do středu Země. Směr působení gravitační síly se v různých rozích místnosti příliš neliší. S dostatečně přesnými měřicími přístroji by ale náš astronaut vždycky mohl zjistit, jestli je ve vesmíru v zrychlující se raketě, nebo na Zemi. Znamená to, že princip ekvivalence neplatí a celá konstrukce OTR se hroutí jako domeček z karet? Taková myšlenka se jistě nabízí. Ale k udržení teorie gravitace stačí, když princip ekvivalence platí jen v nepatrných objemech prostoru, a v těchto extrémně malých a lokalizovaných oblastech vesmíru změny ve směru působení gravitace nezjistíte.

A jak to souvisí s tím, že Einsteinova teorie předpovídá ve srovnání s Newtonovou dvojnásobný ohyb světla? Bylo řečeno, že laserový paprsek se bude stáčet směrem dolů, pokud bude procházet napříč místností na zemském povrchu, a míra jeho ohybu bude zhruba odpovídat Newtonovým předpovědím. Představme si teď, že místnost padá volným pádem a jak už z předchozích úvah vyplynulo, žádná gravitace na ni nepůsobí. Takže paprsek by měl urazit svou cestu napříč místností horizontálně a vůbec se neohnout. Jenže všechny části místnosti nejsou ve stavu dokonalého volného pádu. Protože zemská gravitace táhne jeden roh místnosti určitým směrem a další roh zase jiným směrem, při pádu se gravitace stoprocentně nevyruší a ve skutečnosti uvidíme přibližně stejný ohyb paprsků jako v místnosti na zemském povrchu. Účinky obou jevů se sčítají, takže ohyb světla je dvojnásobný oproti tomu, co by předpovídal Newtonův gravitační zákon v kombinaci s STR.

Když světlo ze vzdálené hvězdy letí na své cestě k Zemi kolem Slunce, měla by se jeho dráha ohýbat dvakrát více, než jak by předpověděl Newton. V důsledku tohoto jevu by se poloha hvězdy vzhledem k ostatním hvězdám, jejichž světlo k nám neletí blízko kolem Slunce, nepatrně posunula. Tento efekt se dá pozorovat během úplného zatmění Slunce. K takovému zatmění došlo 29. května 1919 a anglický astronom Arthur Eddington se vydal na Princův ostrov u západoafrického pobřeží, aby ho mohl sledovat. Jeho fotografie potvrdily, že světlo hvězd se skutečně ohýbá vlivem sluneční gravitace přesně podle předpovědí OTR.

Ale tím úspěšné předpovědi OTR nekončily. Newton teoreticky demonstroval, že planety neobíhají kolem Slunce po kružnici, ale po elipse. Dokázal, že jde o přímý důsledek toho, že gravitační síla klesá s druhou mocninou vzdálenosti od Slunce. Relativita ovšem všechno mění. Za prvé, jak už bylo zmíněno, všechny formy energie jsou zdrojem gravitace, a tudíž i samotná gravitace Slunce vytváří gravitaci! Je jí jen nepatrné množství, zdrojem většiny sluneční gravitace je hmotnost Slunce. Ale v blízkosti Slunce, tam, kde je gravitace silná, přece jen generuje malé množství gravitace navíc. Proto na každé těleso, které obíhá v těsné blízkosti Slunce, působí větší gravitační síla, než jakou předpověděl Newton.

Jsou i další jevy, které vedou k odchylkám od newtonovského pojetí gravitace, například skutečnost, že gravitace potřebuje k šíření vesmírem určitý čas. Gravitace působící na pohybující se planetu tedy závisí na její předchozí poloze, a proto nemíří přímo ke středu Slunce. Výsledkem tohoto faktu je, že planety neobíhají po stále stejných, opakujících se eliptických drahách, ale po eliptických drahách, které postupně mění svůj sklon a vytvářejí v prostoru obrazec podobný růžici. Ve velkých vzdálenostech od Slunce to patrné není, jen v jeho blízkosti, kde je gravitace nejsilnější. Nepřekvapí tedy, že oběžná dráha slunci nejbližší planety, Merkuru je trochu zvláštní. Než Einstein publikoval v roce 1915 svou teorii gravitace, astronomy zaráželo, že oběžná dráha Merkuru tvoří rozetový obrazec. Teprve OTR dokázala vysvětlit dráhu Merkuru do nejmenších podrobností.

OTR je neuvěřitelně elegantní teorie, je však nesmírně obtížné ji aplikovat v reálných situacích - například spočítat zakřivení časoprostoru způsobeného konkrétním rozložením hmotnosti. Důvodem je, že tato teorie se vlastně pohybuje v kruhu. Hmota říká časoprostoru, jak se má zakřivit. Zakřivený prostor potom říká hmotě, jak se má pohybovat. Hmota, která se právě pohnula, říká časoprostoru, jak má změnit své zakřivení. A tak dále, do nekonečna. Je to podobný příběh jako paradox o slepici a vejci. Fyzikové tomu říkají nelinearita. A to je tuhý oříšek k rozlousknutí.

Jedním z již zmíněných projevů nelinearity je skutečnost, že sama gravitace je zdrojem gravitace. Když tedy gravitace tvoří další gravitaci, nově vytvořený gravitační přírůstek je zdrojem další gravitace a tak dále. Naštěstí je gravitace tak slabá, že se tento efekt rychle vytrácí a gravitace velkého tělesa se chová ukázněně - většinou. Pokud je hvězda velmi hmotná a její gravitace velmi silná, nic jí nezabrání, aby se zhroutila do jediného bodu, tedy do černé díry, kterou předpověděla OTR. Podle toho, co fyzici zatím vědí, takoví hvězda prostě zmizí ze světa. Až na jedinou věc: její gravitaci. Černá díra je oblast časoprostoru, kde je gravitace tak silná, že ani světlo neunikne. Jak ale můžeme mít gravitaci bez hmotnosti? V případě černé díry její gravitace tvoří další gravitaci, a ta tvoří další gravitaci... takže černá díra se sama obnovuje. Držitel Nobelovy ceny za fyziku, Subrahmanyan Chandrasekhar, poznamenal: "Přírodní černé díry jsou nejdokonalejší makroskopické objekty ve vesmíru. Jediné, z čeho se skládají, jsou naše pojmy prostoru a času."

Hranice černé díry, to je povrch, na němž je úniková rychlost rovna rychlosti světla, se nazývá horizont událostí, místo, odkud už není návratu. Kdybyste se dostali dostatečně blízko k horizontu událostí, viděli byste temeno své vlastní hlavy, protože světlo za vámi by se ohýbalo kolem celé černé díry, než by doputovalo k vašim očím. Kdyby bylo možné jen se tak vznášet těsně nad horizontem událostí, čas by pro vás plynul tak pomalu, že by vám teoreticky před očima prolétla celá budoucnost vesmíru jako zrychlený film! Skutečnost, že čas v silném gravitačním poli černé díry ubíhá mnohem pomaleji než jinde ve vesmíru, má jeden velmi zajímavý důsledek. Představte si, že jste daleko od černé díry a máte kamaráda, který se vyskytuje v její blízkosti. Výrazný rozdíl v plynutí času způsobí, že zatímco pro vás uběhne celý pracovní týden od pondělka do pátku, pro vašeho kamaráda jen od pondělka do úterý. To znamená, že pokud byste se jako duch dokázali nějak přemístit ke svému kamarádovi, vrátili byste se z pátku do úterka. Cestovali byste zpátky v čase!

Ukazuje se, že takový způsob vlastně existuje. Einsteinova teorie relativity připouští existenci "červích děr", jakýchsi tunelů fungujících jako zkratky v časoprostoru. Kdybyste vstoupili do ústí červí díry a vyšli z ní druhým koncem na místě, kde žije váš kamarád, mohli byste se skutečně vrátit zpátky v čase z pátku do úterka. Potíž s červími dírami je v tom, že se bleskově zavřou, pokud je nedrží otevřená hmota s odpudivou gravitací. Nikdo neví, jestli taková "exotická hmota" ve vesmíru opravdu existuje (počítá s ní však inflační model, viz Věčná inflace). Pořád ale platí úžasná skutečnost, že Einsteinova teorie gravitace možnost cestovat časem nevylučuje.

Je ovšem pár rozdílů mezi "strojem času", který povoluje OTR, a tím, jaký popisují autoři sci-fi románů. Za prvé, abyste mohli cestovat časem, musíte také cestovat prostorem. Nemůžete prostě sedět ve stroji, zatáhnout nějakou páku a octnout se v roce 1620. A druhý důležitý rozdíl spočívá v tom, že se nemůžete vrátit v čase do doby, než byl stroj času vyroben. Pokud byste se kupříkladu chtěli vydat na prohlídku dinosaurů, museli byste si najít nějaký stroj času, který vytvořili a opustili mimozemšťané (nebo hodně chytří dinosauři) před 65 miliony lety!

Teoretiky možnost strojů času znervózňuje. Pokud je cestování v čase možné, šklebí se na nás najednou celá spousta nemožných situací čili "paradoxů". Nejznámější z nich je paradox dědečka, kdy se člověk vrátí zpátky v čase a zastřelí svého dědečka, dříve než stihne zplodit jeho matku. Když zastřelí svého dědečka, jak se vůbec mohl kdy narodit, vrátit se zpátky v čase a provést svůj odporný zločin?! Podobné nepříjemné otázky přiměly anglického fyzika Stephena Hawkinga k vyhlášení teorému chronologické ochrany. V podstatě nejde o nic jiného než o vznosně a vědecky znějící název pro přímý zákaz cestování časem. Podle Hawkinga existuje dosud neobjevený fyzikální zákon, který cestování v čase brání.

Zdroj: Marcus Chown, Kvantová teorie nikoho nezabije - Průvodce vesmírem

Stručná poznámka:

Obě Einsteinovy teorie relativity se zdají být experimentálně nevyvratitelné. Teorie je však jedna věc, druhá věc je její intepretace, což se dá kupříkladu dokladovat na kvantové fyzice, která rovněž tak nevyvratitelně funguje, ale interpretace jejích matematických formulí zabíhají do ještě fantastičtějších představ, než jaké nabízí OTR. Pokud nějakou takovou interpretaci musíme z logického důvodu zakázat, třeba pomocí nějakého dosud neobjeveného fyzikálního zákona, něco tady nehraje. Ten "nový zákon" totiž může znamenat, že dotyčná teorie bude nahrazena zcela jinou teorií, v níž bude ta předchozí představovat pouze speciální aproximaci, stejně jak to činí Newtonova teorie gravitace u OTR.


komentářů: 1         



Komentáře (1)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_   

« strana 1 »


«     1     »