Největší záhady astrofyziky: Co se děje v černé díře? Mohou se fyzikální síly slučovat?

Lord Kelvin v roce 1900 údajně prohlásil, že již neexistuje nic, co by fyzika mohla objevit. Dnes by si nikdo netroufl tvrdit něco podobného jako slavný britský fyzik na počátku 20. století, a mnozí vědci naopak usilovně hledají cesty, jak současné poznání ještě rozšířit o dosud neznámé jevy a teorie. Jaké problémy patří v dnešní fyzice k nejžhavějším?

Předchozí část: Rozluštíme tajemství temné hmoty? A mohou existovat paralelní vesmíry?

7. Proč vede měření ke kolapsu vlnové funkce?

V říši částic vládnou zákony kvantové mechaniky. Podle nich se částice nechovají jako nějaké „malé míčky“, ale spíš jako vlny, jejichž přítomnost je rozptýlena ve větším prostoru. Všechny částice lze popsat vlnovou funkcí, ze které vyplývá jejich umístění, hybnost a další parametry.

Každá částice přitom nabývá nikoliv jedné hodnoty takových parametrů, nýbrž celého rozmezí, takže její vlastnosti jsou neurčité. Uvedené ovšem platí jen do chvíle, než ji změříme v rámci nějakého fyzikálního experimentu. V té chvíli nastane kolaps vlnové funkce a zmíněné parametry se „zhroutí“ do konkrétních hodnot. Jestliže byla taková částice v podobě vlny „rozptýlena“ na mnoha místech v prostoru, náhle se vyskytne pouze na místě jediném.

Problém tkví v tom, že fyzici nevědí, proč a za jakých okolností měření kolaps vlnové funkce způsobuje. Tzv. problém měření vypadá velmi zvláštně a poněkud ezotericky, jeho pochopení by však mohlo zásadně přispět k odhalení podstaty celé reality.

8. Jaká je povaha chaosu?

Vědci stále nemohou vyřešit soustavy rovnic, které popisují chování kapalin. Není jasné, zda tzv. Navier–Stokesovy rovnice vůbec mají nějaké obecné řešení, jež by vyjadřovalo chování všech kapalin. Kvůli tomu zatím úplně dobře nerozumíme povaze chaosu. Odborníci si nejsou jistí, jestli je například počasí jen velmi komplikované pro předpovědi, nebo zda jej z podstaty věci predikovat nelze. Kapaliny přitom souvisejí s řadou jevů jak na Zemi, tak v celém vesmíru.

Význam slova „chaos“ se pro matematiku a fyziku poněkud odlišuje od obvyklého chápání chaosu jako nepořádku. Teorie chaosu se snaží popsat skutečně reálné fyzikální jevy, tedy bez zanedbávání okolních vlivů. Výsledkem je, že jsou zkoumané fyzikální systémy velmi citlivé na počáteční podmínky – tzn. že malá změna počátečního stavu způsobí velké rozdíly v chování systému. V důsledku se takové systémy jeví jako nahodilé, nepředvídatelné, chaotické. Ve skutečnosti jsou však chaotické systémy předvídatelné, deterministické. Problém spočívá v tom, že většinu čísel neumíme vyjádřit zcela přesně. Příklad chaotického systému tvoří atmosféra, solární systém, kyvadlo, turbulence tekutin, ale i ekonomie či vývoj populace.

9. Může být teorie strun platná?

Podle některých vědců tvoří elementární částice ve skutečnosti jednorozměrné smyčky čili struny, které vibrují na různých frekvencích. Teorie strun by mohla propojit dvě zásadní a dosud neslučitelné oblasti – teorii relativity, tedy obecnou relativitu, a kvantovou mechaniku. Jde tedy o jednu z nejznámějších, ovšem stále neúplných tzv. teorií všeho. 

Dle některých názorů má teorie strun smysl ve vesmíru, v němž se vyskytuje 10 či 11 dimenzí: tři rozměry, jak je známe, šest dalších prostorových rozměrů, které jsou nepatrné, a čas. Nikomu se však zatím nepodařilo prokázat existenci zmíněných nepatrných rozměrů, jež by se měly projevovat v prostoru mnohonásobně menším než atomové jádro.

10. Mohou se základní fyzikální síly sloučit do jediné?

V našem vesmíru existují celkem čtyři základní síly: elektromagnetická, slabá a silná jaderná a gravitace. Fyzici zatím zjistili, že pokud dodají dostatečné množství energie, mohou se tři z nich sloučit do jediné. Na nejvýkonnějších urychlovačích dneška se povedlo předat částicím tolik energie, že se elektromagnetická síla spojila se slabou i silnou jadernou.

Aby ovšem došlo k finálnímu sloučení všech čtyř základních sil a ke třem zmíněným se připojila také gravitace, museli bychom srazit částice minimálně s bilionkrát vyšší energií, než jakou dnes zvládne vytvořit Velký hadronový srážeč LHC v evropské organizaci CERN – což zatím zůstává zcela nereálné. Proto fyzici hledají nepřímé důkazy, že je takové sloučení možné: Snaží se vytvořit teorii velkého sjednocení (GUT, podle anglického Grand Unified Theory), která by zahrnula všechny čtyři základní fyzikální síly. Součást jejich úsilí tvoří i pátrání po magnetických monopólech, zvláštních částicích nesoucích buď jen severní, nebo jižní magnetický pól.

11. Co se děje v černé díře?

Jen málokde se projevují rozpory mezi teorií relativity a kvantovou mechanikou tak výrazně jako u černých děr. Když se podle obecné relativity něco dostane za horizont událostí, už by se to nemělo nikdy vrátit – ani pokud se jedná o informaci, kterou objekt nese. Gravitace černé díry je totiž tak silná, že z jejího chřtánu neunikne vůbec nic, ani světlo. Jenže podle kvantové mechaniky nelze kvantovou informaci zničit. 

Jak se zdá, v nitru černé díry jdou teorie relativity a kvantová mechanika přímo proti sobě, čímž vzniká tzv. informační paradox černých děr. Ve hře je zatím spousta otázek: Není jasné, jak vlastně černé díry vypadají – například nevíme s jistotou, zda mají horizont událostí a jaké jsou jeho vlastnosti. Mohou třeba existovat „holé“ singularity, tedy černé díry bez horizontu událostí? Nebo by také černé díry mohly být ve skutečnosti červí… 

12. Co je to vlastně gravitace?

Gravitace patří mezi čtyři základní fyzikální síly, na první pohled se však od zbývajících tří – tedy od elektromagnetické, slabé a silné jaderné – liší. Rozdíl tkví například v tom, že uvedenou trojici zprostředkují známé částice: Za elektromagnetickou sílu odpovídají fotony, za slabou jadernou bozony W a Z a silnou jadernou mají na starost gluony.

S gravitací je to ovšem komplikovanější: Podle většiny fyzikálních teorií ji zprostředkují gravitony, jež mají zřejmě nulovou hmotnost. Jde však zatím o zcela hypotetické částice, neboť dosud nikdo neprokázal jejich existenci. Není jasné, zda je vůbec může objevit jakýkoliv detektor částic, který by bylo v našich silách postavit. Pokud existují a nějak interagují s hmotou, dochází k tomu pouze nesmírně zřídka. Zároveň není jasné, zda přece jen určitou hmotnost nemají. Pokud ano, byla by nepatrná – ještě menší než v případě extrémně lehkých neutrin.

TIP: Nekonečné pátrání po teorii VŠEHO: Najdeme někdy skutečnou podstatu vesmíru?

Jelikož gravitony stále vzdorují objevení, snaží se fyzici hledat vysvětlení podstaty gravitace i jinde, s využitím exotičtějších mechanismů. Někteří badatelé jako Theodor Kaluza a Oskar Klein vyjádřili názor, že zmíněná síla možná funguje v souvislosti s dalšími prostorovými rozměry, jejichž existence je však sporná. Skutečná podstata gravitace, která přitom hraje klíčovou roli ve fungování celého vesmíru, tudíž zůstává záhadou. Jak je vidět, ani ve 20. letech 21. století se fyzici nudit nebudou.