Student World

Ve fyzice není gravitace z ničeho odvozena. I Newton přiznal, že ji vymyslel za pochodu. V jednom z jeho dopisů Richardu Bentleymu na téma stability vesmíru, který podléhá gravitaci, napsal Newton, že koncept přitažlivé síly mezi dvěma vzdálenými objekty je „tak absurdní, že nevěřím, že by ho kdokoli s filozofickým vzděláním a kritickým myšlením mohl brát vážně“.

Téměř o dvě století později německý vědec a filozof Ernst Mach napsal: „Newtonova teorie gravitace při svém vzniku znepokojila téměř všechny zkoumatele přírody, neboť byla založena na nevšední nesrozumitelnosti.“ Nyní, pokračoval, „se z ní stala všední nesrozumitelnost“. Einstein gravitaci obdařil srozumitelností, když ji definoval ne jako jakousi záhadnou sílu mezi dvěma objekty, ale jako vlastnost prostoru samotného, a zdokonalil Newtonovy rovnice tak, že přítomnost hmoty a geometrie prostoru jsou v nich na sobě navzájem závislé. Většina teorií o temné hmotě a temné energii vychází z pravé strany Einsteinových rovnic, kam Einstein umístil hmotu a energii. Každá rovnice má ale dvě strany a v tomto případě je na druhé straně gravitace. Modifikovanou newtonovskou dynamiku (MOND) jako vysvětlení pro temnou hmotu již začátkem osmdesátých let většina astronomů odmítla; po uveřejnění pozorování galaktické kupy Střela v roce 2006 – fotografie „ukazující“ temnou hmotu oddělující se od běžné hmoty při srážce dvou galaktických kup – poněkud ustoupili i její zastánci. Pozorování pohybů galaxií v této kupě mohou stále být s MOND v souladu, ale stejně potřebujete nějakou formu temné hmoty, abyste vysvětlili zbytek. A tím začala ztrácet MOND na přitažlivosti, dané její jednoduchostí.

Avšak to, že MOND nemusí být správné vysvětlení, neznamená nutně, že jím musí být teorie relativity. Když dal v padesátých letech Bob Dicke v Princetonu dohromady svou Gravitační skupinu, aby teorii relativity otestoval, dal tím vzniknout mnoha experimentům. Objev tak relativistických objektů, jakými jsou černé díry, pulzary a gravitační čočky, tyto snahy ještě urychlil. Temná hmota a temná energie jim však dodaly naléhavosti.

Fyzici testovali gravitaci v rámci obrovského prostorového rozsahu. V Sacramentu v horách Nového Mexika se z observatoře na Apache Point v rámci programu APOLLO (Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation) posílají dvacetkrát za vteřinu laserové impulzy k Měsíci. Pokud náhodou přechází nad observatoří mrak, objeví se na něm zelená tečka. Něco jako Bat-signál v purpurovém soumraku nad Alamogordem. Jinak si laserový signál najde cestu k cíli vzdálenému 380 tisíc kilometrů: k jednomu ze tří zrcadel o velikosti aktovky, které tam před čtyřiceti lety rozmístili astronauti misí Apollo právě za tímto účelem. Při každém laserovém impulzu se alespoň několik fotonů odrazí od zrcadel a vrátí se zpět do Nového Mexika, kde detektory změří dobu jejich letu: kolem 2,5 vteřiny.

Právě na tom „kolem“ záleží. Když vědci stopují cestu, kterou fotony rychlostí světla urazí, měří v každém okamžiku vzdálenost Měsíc-Země a s mimořádnou přesností sledují dráhu Měsíce. Galileo Galilei v historické anekdotě pouštěl ze šikmé věže v Pise různě těžké koule, aby otestoval obecnou platnost volného pádu, a tento experiment bere Zemi a Měsíc jako dvě koule upuštěné v gravitačním poli Slunce. Pokud by dráha Měsíce vykazovala sebemenší odchylku od předpovědi Einsteinovy teorie relativity, vědci by museli jeho rovnice přehodnotit.

Fyzici testují gravitaci také v rámci miniaturního prostorového rozsahu. Až do přelomu dvacátého a jednadvacátého století nebyla k dispozici technologie, která by dovolovala měřit gravitační sílu na vzdálenost méně než jednoho milimetru, zčásti i proto, že měření gravitace neznamená jen jednoduše položit dvě tělesa poblíž sebe a měřit jejich vzájemné přitahování. Gravitační přitažlivost totiž produkují i totiž i všemožné další věci. Při experimentech prováděných na Washingtonské univerzitě museli vědci vzít v úvahu kov okolních přístrojů, zeminu přihrnutou zvenčí k jedné z betonových stěn laboratoře, měnící se množství vody v půdě po dešti (a vzhledem k tomu, že experiment probíhal v Seattlu, byla to významná korekce), blízké jezero, rotaci Země, polohu Slunce, temnou hmotu v centru naší galaxie. Postupně se jim podařilo zúžit rozsah, ve kterém dokázali gravitační sílu změřit, až na 56 mikrometrů.

Zatím se teorie relativity drží, jak ve vesmíru, tak na laboratorním stole. S každým zmenšením oblasti, kde by Einsteinova teorie nemusela fungovat, umírá jedna další hypotéza a na Schmidtově seznamu obskurních kandidátů na vysvětlení temné energie mizí jedna položka. I pokud by se ukázalo, že měření předpovědím teorie relativity neodpovídají, budou muset vědci vyloučit veškeré jiné možnosti jako chybu v měření hmotnosti Měsíce nebo Slunce, nebo úroveň hladiny podzemní vody po jarní bouřce, než budou moci spolehlivě a přesvědčivě tvrdit, že teorie relativity vyžaduje korekci.

Astronomové jsou si vědomi, že berou gravitaci za danou jen na vlastní riziko. Proč je tak slabá? Proč – vezmeme-li hojně uváděný příklad – může gravitační sílu, jakou celá Země působí na kancelářskou sponku, snadno přebít obyčejný malý magnet?

Protože, navrhují někteří teoretici, gravitace je pozůstatek paralelního vesmíru. Teoretici tyto vesmíry nazývají „brány“ [branes, zkráceno z „membrane“, tj. membrána]. Pokud se k sobě dvě brány přiblíží, nebo zabírají stejnou oblast nadprostoru, pak spolu mohou interagovat prostřednictvím gravitace. Kdybychom měli přístup do těchto jiných vesmírů, byla by gravitace stejně silná jako ostatní tři síly. Co může být mocnou silou v paralelním vesmíru, může být zdrojem efektů způsobovaných temnou hmotou a temnou energií v tom našem. Problém

s těmito teoriemi, alespoň z pohledu astronoma, je, že se dají těžko ověřit. Teorie musí přijít s ověřitelnou předpovědí, jinak to není ryzí vědecká teorie; její platnost musí být ověřitelná pozorováními. Jak ovšem chcete pozorovat vesmír za tím naším?

Vědci si stále s nelibostí uvědomují, že jsou omezeni svými smysly. Například je pravda, že pokud by temná energie byla kosmologická konstanta, pak by za stovku miliard let kosmologové mohli pozorovat jen hrstku galaxií. Je ovšem také pravda, že nemusíme nutně čekat stovku let, abychom takové překážce ve vnímání okolního světa byli vystaveni. Inflace nám říká, že některé stopy počátečních fází vývoje vesmíru zůstanou navždy mimo náš dosah. Tyto počáteční fáze by zahanbily i membránové vesmíry, pokud jde o možnosti pozorování. Pokud může inflace zhmotnit jeden kvantový vesmír, proč by jich nemohlo být více? Podle kvantové teorie by jich vlastně více zhmotnit měla. A pokud inflace skutečně nastala, tak by jich taky víc skutečně zhmotnila.

V tom případě by naše inflační bublina byla jen jednou z 10⁵⁰⁰ inflačních bublin, z nichž každá by byla vesmírem sama pro sebe. To je 10⁵⁰⁰ vesmírů. Náš ves mír by pak byl náhodou tím, kde je hodnota lambda nastavena právě tak, že umožnila vznik živých bytostí, které dokážou rozjímat o své hyperkoperníkovské existenci.

Tento text je úryvkem z knihy

Richard Panek: Čtyřprocentní vesmír – Temná hmota, temná energie a hledání zbytku reality
Argo a Dokořán 2011

O knize na stránkách vydavatele

autor