Testovanie kvantovej gravitácie

Jedným z nenaplnených snov Alberta Einsteina bola jednotná formulácia všetkých fyzikálnych zákonov. Leitmotívom vo fyzike bolo totiž práve spájanie teórií.

Albert Einstein (1879 – 1955), foto Pixabay

Nebeská mechanika a pozemská mechanika sa stali Newtonovou mechanikou. Elektrina a magnetizmus sa spojili do elektromagnetizmu. To by v tom bol čert zakopaný, aby sa skôr či neskôr všetko nepospájalo do jednej teórie.

Teória všetkého

O storočie neskôr s touto výzvou ešte vždy zápasíme. Keď nič iné, aspoň nabrala jasnejšie kontúry. Fyzika, ktorá opisuje správanie častíc, a teda aj hmoty, chémia a v konečnom dôsledku aj biológia zahŕňajú štandardný model časticovej fyziky, ktorý opisuje kvantovú povahu sveta. Správanie veľmi hmotných vecí zasa opisuje Einsteinova teória gravitácie.
Ich spojenie, tzv. kvantová teória gravitácie, je považované za svätý grál fyziky. Priamočiare prístupy k nemu zlyhali. Ak cez časticu gravitón vložíme gravitáciu do kvantovej fyziky, výpočty prestanú fungovať. Ak sa pokúsime aplikovať kvantový prístup na teóriu gravitácie, nevieme riadne ani zadefinovať, čo chceme počítať.
Keď má problém teória, mal by nastúpiť experiment. No a tu nastáva problém. Keď spojíme fundamentálne fyzikálne konštanty, dostaneme odhad, pri akých energiách začnú byť efekty kvantovej gravitácie významné. Hovorí sa tomu Planckova škála, pričom hodnota Planckovej energie je približne 10 000 000 000 000 000 TeV. Veľký časticový urýchľovač (LHC v CERN-e) v súčasnosti operuje na úrovni 14 TeV.

Experimenty…

Mapa reliktového žiarenia nameraná sondou Planck, foto ESA

Človek by tak mohol mať pocit, že situácia je zúfalá. Nie je to však úplne tak. Je veľa teórií, ktoré sa snažia o nejakú formu kvantovej gravitácie a niektoré z nich sa dajú vylúčiť aj jednoduchšie. Napríklad, niektoré teórie uvažovali, či nemôžu existovať extra priestorové rozmery, ktoré by upravovali hodnotu Planckovej škály a viedli k vzniku mikroskopických čiernych dier v CERN-e. Nič také sa nepozorovalo a tieto teórie, aspoň pre isté hodnoty parametrov, môžeme považovať za vylúčené.
Spojenie kvantovej fyziky a gravitácie môžeme testovať aj bez toho, aby sme ho uvideli v plnej sile. Kvantová fyzika nás naučila, že častica sa môže v istom slova zmysle nachádzať na dvoch miestach naraz. To znamená, že by mala produkovať neisté gravitačné pole. Výrazný progres v citlivosti experimentov čoskoro umožní takéto efekty testovať priamo.

Kvantová gravitácia bola aj jednou z tém októbrovej diskusie fyzikov Briana Coxa a Kipa Thorna v Bratislave. Záznam diskusie je dostupný na esetscienceaward.sk, foto L. Kralovičová.

… a pozorovania

Nemusíme sa nutne spoliehať iba na experimenty v laboratóriu. Svetlo, ktoré k nám letí celým vesmírom, malo veľa príležitostí, ako ucítiť jemné vplyvy kvantovej gravitácie. Niektoré teórie predpovedajú, že svetlo rôznych vlnových dĺžok sa vákuom šíri rôzne rýchlo. Pozorovaním celistvých gama zábleskov zo vzdialených končín vesmíru tak časť týchto teórií znova dokážeme vylúčiť.
Kvantová gravitácia sa najviac prejaví tam, kde sú veci malé a hmotné. Teda napríklad počas vzniku vesmíru. V oboch prípadoch môže viesť k pozorovateľným prejavom. Stopy kvantovej gravitácie tak niektoré výskumné skupiny hľadajú v reliktovom žiarení, ktoré k nám prichádza zo všetkých strán.
Všetky tieto experimenty a pozorovania sú, samozrejme, veľmi náročné a dozvedáme sa iba zlomok toho, čo by sme chceli vedieť. Sú však ukážkou, že kvantová gravitácia – dávny Einsteinov sen – nie je len vecou teórie.

Samuel Kováčik
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 11/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre