.:: Neviditelný čert ::.

Gravitace II

rubrika: Populárně naučný koutek

Einsteinova obecná teorie relativity se dívá na prostoročas jako na čtyřrozměrnou tkaninu, kterou deformuje přítomnost hmotnosti a energie. Newton tvrdil, že tělesa se pohybují přímočaře, jestliže na ně nepůsobí síla. Einstein jeho tvrzení pozměnil. Ano, tělesa se pohybují nejpřímočařeji, jak mohou, musí se však podřizovat deformaci prostoru, přesněji prostoročasu.

Lucifer

Gravitace je relativní

Distorze, kterou kolem sebe vytváří Slunce, způsobuje, že planety se pohybují po zakřivených drahách. Vyvažte účinek hmotnosti zrychlením pohybu a máte orbitu. Podle Einsteina je gravitační síla pouhou iluzí. Ačkoli vypadá jako síla působící na dálku, lze ji lépe vysvětlit jako změnu topografie, v prostoročase kolem hmot jsou údolí a vrcholky, takže v některých směrech se kráčí pohodlněji a v jiných obtížněji.

Je to nádherná myšlenka a její důsledky jsou ověřeny řadou experimentů. Přesto víme, že není konečnou odpovědí na otázku o povaze gravitace. Dá se říci, že Einstein dal jen velmi chytrou odpověď na problém, jak gravitace působí. Otázka proč je stále široce otevřená. Je tu však určitá naděje. Obecná teorie relativity ve své běžné podobě není slučitelná s kvantovou teorií. Sjednocení obou velkých teorií by měla v budoucnosti uskutečnit 'kvantová gravitace'. Ta možná odpoví na proč v souvislosti s gravitací, tak jako jsme dostali v poslední době alespoň částečnou odpověď na otázku, proč mají částice hmotnost.

Pojmově fyzici rozlišují dva druhy hmotnosti nějakého objektu. Jednak 'gravitační hmotnost', která budí gravitační pole a určuje též, jak gravitační pole na objekt působí. Objektu je také přiřazena 'setrvačná hmotnost', jež udává odpor, jaký objekt klade změně pohybového stavu. Ale pokud je nám známo, jsou obě hmotnosti naprosto ekvivalentní. Představte si, že stojíte na Zemi v kabině výtahu. K podlaze jste tlačeni v důsledku vaší gravitační hmotnosti. Teď si ale představte, že se kabina přemístila někam do prostoru daleko od hmotných těles. Kabina je vybavena raketovým pohonem, který ji uvede do pohybu ve směru, kam míří vaše hlava, se zrychlením 9.81 m/s². Zrychlení vašeho pohybu je tak stejně velké jako gravitační zrychlení na povrchu Země, tlak na podlahu je teď však důsledkem vaší setrvačné hmotnosti.

Podle Einsteina není žádný rozdíl mezi pocity, jež máte, když kabina stojí na Zemi, a tím, co cítíte v urychlené kabině v prostoru. Podle 'principu ekvivalence', který položil do základů obecné teorie relativity, není totiž žádný rozdíl mezi vaší gravitační a setrvačnou hmotností. Naprostou jistotu, že tomu tak skutečně je, sice nemáme, ale experimenty ukazují, že poměr setrvačné a gravitační hmotnosti se liší od jedničky o méně než 10^-12, což je nepředstavitelně malé číslo.

O deset let dříve, než formuloval obecnou teorii relativity, ve svém 'zázračném roku' 1905, kdy zveřejnil speciální teorii relativity, Einstein zkoumal jiný zajímavý problém. V klíčovém článku položil otázku, zda setrvačnost tělesa závisí na jeho energetickém obsahu.

Kolik váží energie?

Výsledkem těchto úvah byla snad nejznámější fyzikální rovnice E = mc². Energie a hmotnost se podle Einsteina dají zaměnit. Získat přesvědčivé důkazy pro toto tvrzení trvalo skoro sto let, dnes však umíme dokázat, že energie je skutečně podstatou hmotnosti. Vezměme si příklad našeho jablka. Jeho hmotnost je dána hmotností jednotlivých komponent, na mikroskopické škále to znamená hmotností molekul, složených z atomů, jež tvoří elektrony, protony a neutrony.

Původ hmotnosti elektronu (jež je pouhou dvoutisícinou hmotnosti protonu a neutronu) zůstává tajemstvím. Fyzikové toho ale dnes umí hodně říci o hmotnosti protonů a neutronů. Tyto částice jsou totiž složenu ze tří částic zvaných kvarky. Jenže hmotnost samotných kvarků přispívá k hmotnostem protonů a neutronů jen asi jedním procentem. Zbytek má původ v tajemném světě zlodějíčků energie 'virtuálních částic'.

V kvantovém světě platí značně jiná pravidla, než na která jsme zvyklí z každodenního života. Zde vládne 'Heisenbergův princip neurčitosti' a řídí své panství podle podivných pravidel. Jedním ze zákonů je, že nic nemá zcela určitou hodnotu energie, ani v tom případě, když je nulová. I tehdy energie kolem nuly fluktuuje, což způsobuje, že i zdánlivě prázdný prostor - vakuum - bublá částicemi, jež se objevují a vzápětí zase mizí.

Tyto částice se vyskytují vždy v párech částice-antičástice a vznikají spontánně díky fluktuace energie kolem nulové hodnoty. Podle 'teorie kvantové chromodynamiky', jež byla odměněna Nobelovou cenou, se částice mohou objevovat s různým množstvím energie a vytvářejí charakteristické spektrum. Mezi tyto částice patří 'gluony', které jsou příčinou silné jaderné interakce, jež drží v protonech a neutronech ('nukleonech') kvarky pohromadě. A jsou to právě gluony, či přesněji jejich energie, které dávají nukleonům téměř všechnu hmotnost. Není snadné vypočítat, kolik hmotnosti pochází od všech virtuálních částic, musí se pracovat s enormní kombinací více než deseti trilionů čísel. Takové výpočty však byly provedeny a výsledky se liší jen o několik procent od experimentálně pozorovaných hmotností nukleonů. (Řešení problému hmotnosti nukleonů je zde poněkud zjednodušeno, dosavadní výpočty nejsou jednoznačné.)

Za většinu hmotnosti nukleonů tedy podle vzorce E = mc² odpovídá energie spojená s gluony. V tomto výkladu původu hmotnosti přece jen leccos chybí: hmotnost elektronů zůstává tajemstvím, nejasný je i příspěvek od některých virtuálních částic, jako jsou například kvarky a antikvarky, je zde i problém Higgsova bosonu. V zásadě je však hmotnost jablka i Země projevem energie vakua, tedy prázdnoty.

Úspěch kvantové chromodynamiky při určování hmotnosti částic dal fyzikům naději, že odpověď na proč? v případě gravitace poskytne jiná částice, graviton. Elektrické a magnetické síly v atomu se realizují výměnou balíčků energie zvaných fotony. Slabá nukleární reakce má původ ve výměně energií obtížných částic zvaných W a Z bosony. Gravitace by se pak měla uskutečňovat výměnou gravitonů. Ty sice dostaly jméno, stále jsou však jen hypotetické, přes veškerý pokrok fyziky jsme graviton ještě při žádném experimentu neviděli.

Kolik váží kilo?

To není jediný nevyřešený problém gravitace - máme potíže i s experimentálním určením základní veličiny - hmotnosti. Nejlepším mozkům se podařilo pomocí velkých fyzikálních teorií a obřích počítačů vypočítat hmotnosti částic, a tak se může zdát zvláštní, že stále nemáme dobrou míru základní veličiny, která gravitaci určuje. Jednotky, v nichž se měří jiné základní veličiny, jsou dobře definovány na základě atomové fyziky. Sekunda se dá definovat jako určitý počet oscilací césiového atomu a atomové hodiny ji měří s velikou přesností. Metr je dnes vzdálenost, kterou světlo urazí za určitý zlomek sekundy. Kilogram je však pořád definován jako kousek kovu uzavřený ve sklepě v Paříži. Není to jen tak nějaký starý sklep - nachází se za posvátnými zdmi Mezinárodního úřadu pro míry a váhy v Sèvres u Paříže. A není to kousek jen tak nějakého rzí nahlodaného kovu, nýbrž válec z platiny. Problémem je, že i jeho hmotnost se mění.

Vědci se dnes snaží zařadit i kilogram do stejné linie jako ostatní standardy a definovat ho pomocí atomových veličin, ovšem tak, aby byl spolehlivě měřitelný. Nadějně se jeví projekt na výrobu leštěné křemíkové koule, jež by obsahovala přesně daný počet atomů. Kilogram by pak byl definován právě jako hmotnost určitého počtu křemíkových atomů. Jinou možnost poskytují takzvané Wattovy váhy, které měří hmotnost prostřednictvím energie, která je ekvivalentní hmotnosti. Wattovy váhy porovnávají hmotnost vzorku s energií pečlivě vytvořeného elektromagnetického pole. Než se však některý z těchto plánů uskuteční, jsme nuceni vkládat do Newtonových vzorců lehce nepřesné údaje.

Zdroj: Michael Brooks, Velké otázky: Fyzika