Neznámý vesmír – Obecná teorie relativity a černé díry

rubrika: Populárně naučný koutek


Když Einstein dokončil speciální teorii relativity (STR), začal se okamžitě pídit po jejím zobecnění, jelikož STR v sobě nezahrnovala gravitaci – z kosmologického hlediska nejdůležitější interakci. Výchozí myšlenkou obecné teorie relativity (OTR, viz Wikipedie, Aldebaran) je princip ekvivalence. Ten praví, že účinek gravitačního pole je nerozlišitelný od účinku zrychleného pohybu. Hlavní idea OTR, kterou Einstein publikoval v roce 1915, spočívá v tom, že představu gravitačního pole v jakémsi prostoru transformoval do představy zakřivení časoprostoru způsobené přítomností hmotných těles (viz Gravitační síla neexistuje IV). Einstein ukázal, že Newtonova teorie gravitace je platná jen tehdy, když je zakřivení časoprostoru nevýrazné, a gravitace tudíž slabá.

 

Lucifer


Sada šestnácti rovnic (matematických výrazů) OTR, které popisují krajinu časoprostoru, se dá aplikovat na jakékoli měřítko; funguje stejně dobře nejen v blízkosti jednotlivých vesmírných těles, ale i pro vesmír jako celek. Dokonce se zdálo, že s pomocí těchto rovnic by se dala rekonstruovat historie vesmíru a zkoumat jeho budoucnost. Bylo to znamení skutečného začátku kosmologie. Brzy se však objevila podivná předpověď, jež z OTR vyplývala. Poukázal na ni německý fyzik a astronom Karl Schwarzschild.

 

Když začala první světová válka, narukoval Schwarzschild do německé armády. Učinil tak zcela dobrovolně, jelikož jako čtyřicetiletý byl již považován za starého pro vojenskou službu. Sloužil na západní i východní frontě a rychle dosáhl hodnosti poručíka. Za sebou měl solidní vědecké dílo, před sebou svůj největší životní objev a krátce nato smrt.

 

Einsteinova práce oznamující světu OTR byla zveřejněna v listopadu roku 1915. Tou dobou Schwarzschild trpěl na ruské frontě ojedinělou kožní chorobou zvanou pemphigus. Ta se projevuje puchýři otevírajícími se do bolestivých vředů. Aby se mohl soustředit na něco jiného než na bolest a těžkou dělostřeleckou palbu, pod kterou se jeho sektor fronty ocitl, pročítal si časopisy o fyzice. OTR jej uchvátila. Tři dny před Vánoci toho roku napsal Einsteinovi dopis, v němž jeho teorii nazval „nádhernou věcí“. Dopis však obsahoval i něco jiného než jen chválu.

 

Einstein u svých šestnácti rovnic publikoval pouze přibližná řešení. Domníval se totiž, že přesné řešení je pravděpodobně nemožné, neboť potřebná matematika je příliš složitá. Schwarzschild zjistil, že rovnice by se daly vyřešit mnohem jednodušeji, a nalezl přesný číselný popis obrysů časoprostorového kontinua okolo hvězd a dalších nebeských těles. Jediné zaokrouhlení, které musel udělat, bylo, že kosmická tělesa jsou stejnorodá a nerotující.

 

Einstein používal pravoúhlý systém souřadnic. Schwarzschild jej nahradil polárním systémem spočívajícím ve dvou úhlech a vzdálenosti, mělo to ale háček. Kromě výpočtu geometrie časoprostoru velkých symetrických těles prováděl též výpočty pro stav, kdy je veškerá hmota stlačena do nepatrného bodu. Když to udělal, stalo se něco ohromujícího. Rovnice pro určitý poloměr nedávaly řešení. Jak se poloměr zmenšoval, některé matematické veličiny nabývaly nekonečné hodnoty. Tento poloměr se dnes nazývá Schwarzschildův. Tehdy okamžitě vzbudil pozornost, neboť nikdo nevěděl, jaký je jeho fyzikální význam.

 

Schwarzschild se na hledání odpovědi už nepodílel, protože 11. května 1916 ve věku 42 let zemřel, pravděpodobně na následky již zmiňované kožní choroby. Řešení přišlo až o 42 let později a přinesl je David Finkelstein, profesor fyziky na Massachusettském technologické institutu. Zjistil, že matematicky Schwarzschildův poloměr odpovídá jakési chlopni na časoprostoru, přes niž věci mohou procházet pouze jedním směrem. Jakmile spadnou za ni, gravitační tah uvnitř Schwarzschildova poloměru je natolik silný, že již nic nemůže uniknout. Ve vědecké literatuře té doby se o tomto kosmickém tělese hovořilo jako o „gravitačně naprosto zkolabovaném objektu“. Tento termín se však nakonec neujal.

 

Někdy od roku 1964 se pro takovýto objekt začal používat název „černá díra“. Kdybychom toto označení hledali v historii, najdeme je v imperiální Indii 18. století. Tehdy se hovořilo o „černé díře v Kalkatě“, nechvalně proslulé kalkatské věznici ve Fort Williamu. Snad astronomy zaujal onen dojem prostoru, ze kterého nelze uniknout. Také v 18. století věda koketovala s existencí černých děr, jen se jim tehdy říkalo „temné hvězdy“.

 

Začal to anglický kněz a filosof John Michell. V roce 1783, jeden a půl století před Einsteinovou OTR, postavil vše na Newtonově teorii gravitace a naměřené rychlosti světla. Usoudil, že světlo musí k tomu, aby mohlo odletět od mateřské hvězdy, překonat její gravitaci. Pokud by tzv. úniková rychlost přesáhla rychlost světla, světlo této hvězdy by nemohlo do okolního prostoru uniknout. Michell prohlašoval, že takovou temnou hvězdu sice není možné přímo pozorovat, avšak existuje dostatek hvězd, které se jako dvojhvězdy točí dokolečka s něčím, co dosud neznáme. Mohla by to být právě taková temná hvězda. Když v šedesátých a sedmdesátých letech minulého století astronomové uvažovali, zda by černé díry mohly skutečně existovat, k této Michellově myšlence se vrátili.

 

Díky dalším astronomickým pozorováním a výpočtům se vědecká obec nakonec shodla, že černé díry (viz Wikipedie, Aldebaran) skutečně existují. Dokonce v různých podobách, přičemž ty nejmasivnější se nacházejí v centrech galaxií. OTR sice černé díry předpověděla, ale nedokáže je dostatečně vysvětlit. Nahradit ji něčím, co by v sobě zahrnovalo i kvantovou fyziku, se zatím nepodařilo.

 

Luciferovy poznámky:

 

OTR, až na Achillovou patu v podobě černých děr, se zdá být zatím neotřesitelná, ačkoli ji chybí přiměřené „kvantové koření“. Zajímavé je, že při jejím budování Einstein upřednostnil matematické struktury, podobně jak to činí tvůrci teorie strun. Na rozdíl od teorie strun (viz Dokonce ani ne špatně), však OTR nejen plně nahradila klasickou Newtonovu gravitaci, ale ji i doplnila o nové experimentálně potvrzené poznatky.

 

Není však vyloučeno, že OTR nemá problém jen s černými dírami. Už na počátku se Einstein potýkal s tím, že jeho rovnice předpovídaly rozpínání vesmíru, což nebyl ochoten přijmout. Pokusil se tomu zamezit umělým zabudováním kosmologické konstanty. Trvalo řadu let, než přiznal, že to byl omyl. Jenže další pozorování kosmické expanze měla za následek nejen navrácení onoho umělého konstruktu, ale i vznik dalších takovýchto berliček v podobě temné hmoty a temné energie. Záplatování OTR tímto způsobem může být následkem nejrůznějších aproximací řešení oněch šestnácti rovnic. Ale též něčím úplně jiným.

 

Spornou záležitostí jsou též interpretace našich astronomických měření, jež jsou činěna na základě našich současných fyzikálních teorií, jimž ale tu a tam odporují. Možná měříme něco úplně jiného, než si myslíme. Možná z toho pranepatrného smítka vesmíru, na němž žijeme a tato měření provádíme, vidíme něco úplně jiného, než tam ve skutečnosti je.

 

Zdroj: Stuart Clark, Neznámý vesmír v 10 kapitolách, Euromedia Group, a.s. – Knižní klub v edici Universum, Praha 2017


komentářů: 2         



Komentáře (2)


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

« strana 1 »

Stella
2
Stella 02.02.2018, 15:39:01
Ano, zvláště u vědce nebývá takový nadhled úplně obvyklý. A je dobře, že pořád víme, jak jsme na začátku.
Zajímavé - i pro mne, která pochopí tak akorát, že někdo žil, bádal a umřel.

Fascinuje mě, jak takový vědec uprostřed válečné vřavy (nebo v lágru) dokáže přemýšet o tak subtilních věcech.
A všechno dosud nejdůležitější vzniklo bez počítačů, je to tak?

Parafrázuji Renčína: I kdyby se Japonci ztrhali, tak takový robot jako je mozek (u R. ženská), nevymyslí.

1 Vím, že (nic moc) nevím [;>)
Starý kocour (neregistrovaný) 02.02.2018, 00:47:07
Ano, jakožto totální neználek jen tak intuitivně předpokládám, že některá naše měření nejsou dostatečně přesná a odpovědí vědy na nesrovnalosti vůči teorii jsou pak ony instituty temných hmot, energií a kosmologických konstant, které se vzaly bůhví odkud. Něco jako kdysi éter.
Proto se mi poslední věta Světlonošova článku velmi zamlouvá.

«     1     »