Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 1493 dotazů
941) Časoprostorová smyčka
19. 08. 2003
Dotaz: Je možné vytvořit časoprostorovou smyčku v našich podmínkách a pokud ano, jaké
pro to plynou důsledky a jak se dají řešit. Prosil bych o podrobnou analýzu.
Zatim jsem zjistil, že nic tomu teoreticky nebrání A jeste jeden dotaz: Jsou
už nějaké výsledky z oboru kvantové teorie gravitačního pole. Pokud ano, prosil
bych o jejich zaslání. (David)
Odpověď: Nejdříve co je míněno uzavřenými časovými smyčkami: Protoročas obsahuje
uzavřené časové smyčky, pokud se v něm pozorovatel (žijící ve svém
lokálním času neustále dopředu) může navrátit do situace, ve které již
jednou byl. Tj. pokud se může dostat do "prostoročasové" oblasti, kde se
již nacházel (na stejné místo ve stejném čase). Proto se také uzavřeným
časovým smyčkám často populárně říká stroje času - umožňují se dostat
do své vlastní minulosti.
"Je možné vytvořit časoprostorovou smyčku v našich podmínkách a pokud
ano, jaké pro to plynou důsledky a jak se dají řešit."
Pokud je dotazem míněno, zda je v rámci našich technických možností
někdy v blízké budoucnosti vyrobit uzavřenou časovou smyčku tak odpověď
zní "NE". Pokud je míněno, zda naše souhrnné současné znalosti a teorie
připouštějí uzavřené časové smyčky, tak odpověď zní "Nevíme jistě, ale
nejspíš ne."
"Zatim jsem zjistil, že nic tomu teoreticky nebrání..."
Zde je však nutno dodat, že možnost existence uzavřených časových smyček
byla a je v teoretické fyzice zkoumána - zejména v obecné teorii
relativity (teorii popisující prostor, čas a gravitaci).
Tento zájem vedl k překvapivému zjištění, že uzavřené časové smyčky
nejsou zas tak paradoxní, jak se dlouho předpokládalo. Ukazuje se, že
samotná teorie prostoru a času, bez specifických odkazů na teorii hmoty,
a priori uzavřené časové smyčky nevylučuje.
Problém nastává, když do okolí časově uzavřené smyčky chceme umístit
hmotu. V takovém případě může totiž hmota, která se vrátí zpět do
minulosti, interagovat sama se sebou - a to může vést ke sporům. Ze
sci-fi literatury jsou asi nejznámější různé varianty situace, kdy
cestovatel v čase zabrání tomu, aby se sám narodil - což je evidentně
logicky sporné.
Podobný paradox lze naformulovat i pro systémy, které máme dostatečně
pod kontrolou, tj. pro systémy, jejichž lokální chování velmi dobře
známe - např. pro systém pružných koulí. V blízkosti stroje času by
zručný hráč kulečníku mohl namířit kouli tak, aby se po průletu strojem
času trefila sama do sebe a odchýlila se z dráhy vedoucí do stroje času.
Analýza takovýchto jednoduchých systémů překvapivě vedla ke zjištění, že
nejsou nutně sporné. Konkrétně, že pokud požadujeme platnost lokálních
zákonů (u kulečníkových koulí např. první Newtonův zákon a zákon
odrazu) v prostoročase obsahujím uzavřené časové smyčky, tak skoro
všechny počáteční podmínky mají logicky konzistentní globální časový
vývoj splňující zmíněné lokální zákony. (Tento výrok však např. neplatí
v dvou dimenzionálním prostoročase.)
Tj., i experiment, kdy se chceme koulí vystřelenou skrze stroj času
trefit do ní samotné, bude mít konzistentní řešení; lišící se však od
toho, co bychom očekávali. Jeden typ řešení bývá, že koule vyletí ze
stroje času po trajektorii mírně odlišné než jsme očekávali, své mladší
verze se dotkne pouze mírně - ne čelně, jak jsme plánovali - a pouze
trochu změní svoji trajektorii. Mladší verze tak do stroje času vletí po
mírně jiné dráze, což bude konzistentní s odlišnou dráhou po které ze
stroje času vylétne.
Taková analýza byla však provedena pouze pro několik jednoduchých
systémů. Obecně se ukazuje, že pokud hmota může interagovat sama se
sebou pouze "jednoduchým" způsobem (např. pro pole platí princip
superpozice), tak přítomnost uzavřených časových smyček nevede nutně ke
sporu. Na druhou stranu se zdá evidentní, že pro dostatečně složité
systémy (nelineární interakce, nespojité "reakční" funkce, ...) uzavřené
časové smyčky ke sporu vedou. Což znamená, že buď musí být zakázány
uzavřené časové smyčky nebo modifikovány ony silně interagující teorie.
Teorie uzavřených časových smyček se též zabývala otázkou vzniku těchto
smyček. Je znám mechanizmus, kdy se z červí díry (zkratka spojující dvě
místa v prostoročasu podobě jako ucho na hrníčku spojuje dvě místa na
jinak válcovitém povrchu hrníčku) dá vyrobit stroj času. Mohlo by se tak
zdát, že spornost uzavřených časových smyček nutně vede ke spornosti
červích děr. Zůstává v±ak otevřená otázka, zda se při vzniku uzavřené
časové smyčky z červí díry neuplatní právě výše diskutovaná interagující
hmota a jakousi kumulací samointerakce nezabrání vzniku smyčky. Např. S.
Hawking je o existenci takovéhoto "principu kauzální ochrany" přesvědčen.
Pokud se však vrátím k otázce experimentální. I kdyby se ukázalo, že
teorie uzavřené časové smyčky připouští, je zcela jasné, že podmínky a
škály, které hrají roli při vzniku a udržování uzavřených časových
smyček jsou zcela mimo rámec našich (nejen současných) možností. Proti
výrobě stroju času jsou cesta k nejbližší hvězdě či výroba velkého
kvantového počítače vysoce realistické projekty. A to bych normálně tyto
projekty označil za utopii, které se ještě hodně generací nedožije (i
když bych si přál, abych se mýlil).
"Prosil bych o podrobnou analýzu."
Odstavce výše nebyly podrobnou analýzou. Podrobná analýza tohoto tématu
nelze podat v e-mailu. O složitých věcech lze mluvit jednoduše pouze do
určité úrovně. Pokud chcete vědět více, musíte hodně investovat a
naučit se jazyk, ve kterém se prostor a čas popisuje. Nejjednodušší cesta
jak rozumět strojům času je vystudovat teoretickou fyziku a zabývat se
obecnou teorií relativity (případně kvatovou gravitací hrající roli v
otázce vzniku uzavřených časových smyček). Neexistuje jednodušší cesta
- bez technické porozumění příslušných rovnic a modelů zůstanete vždy
jen na okraji velmi zajímavé oblasti našich znalostí o světě. Na okraji,
který sám o sobě je velmi zajímavý, ale za ním stojí ještě mnohem víc.
Nicméně na populární úrovni bych doporučil knížku R. Gotta III
"Cestování Einsteinovým vesmírem"
a hlavně knížku od Kipa Thorna, zabývající se vedle strojů času ještě
mnoha jinými tématy. Ta by měla vyjít v Mladé frontě někdy příští rok.
Neznám přesně český název, ale bude to určitě jediná kniha od tohoto
autora a bude to jedna z nejlepších popularizačních knih na našem trhu.
A ještě jeden dotaz: Jsou už nějaké výsledky z oboru kvantové teorie
gravitačního pole. Pokud ano, prosil bych o jejich zaslání.
Nějaké výsledky jsou a není jich málo. Nicméně myslím, že pořád lze
bezpečné říci, že nemáme konzistentní úplnou teorii kvantové gravitaci.
Kandidátů na ni (či spíš směrů, ve kterých se tato terie hledá) je několik:
~~ Asi nejznámější a největší oblast, ve které se kvantová gravitace
hledá, je "teorie strun" (teorie zkoumající 2-dimenzionální - a dnes i
více-dimenzionální - objekty v prostorech vyšších dimenzí, ve kterých
se na kvantové úrovni objevují různé módy připomínající gravitony). Pod
teorií strun se však v současnosti skrývá tak široké pole různých teorií
a modelů, že je obtížné i pro odborníka se zde orientovat.
~~ Již letitým kandidátem je "supergravitace" (teorie zapojující
fermiony do samotné geometrické struktury prostoročasu).
~~ Dalším nadějným kandidátem jsou tzv. "teorie smyčkové gravitace"
(teorie snažící se popsat gravitaci pomocí nových proměnných, ve kterých
by bylo možné provést standardní kvantování; tyto proměnné jsou typicky
parametrizované smyčkami v prostoročase a odtud název "smyčková
gravitace").
~~ Vedle toho lidé též pracují v rámci "nekomutativní geometrie". (Zde
se přeformuluje teori prostoročasu do formy, kdy násobení funkcí na
prostoročasu není komutativní. Tímto se např. "rozmaže" pojem bodu.)
~~ V neposlední řadě se gravitace kvantuje přímočarým způsobem "sčítáním
přes historie" (vlnová funkce vesmíru je dána funkcionálním integrálem
přes všechny realizovatelné geometrie), tento přístup se však potýká s
zatím nezvládnutými technickými potížemi.
Všechny výše uvedené teorie se testují na modelech, kdy se většina
stupňů volnosti gravitačního pole ignoruje - na tzv.
"minisuperprostorových modelech".
V případě kvantové gravitace je velmi obtížné podávat známé výsledky na
populární úrovni. Uvědomme si, že se zde setkává kvantová teorie a
teorie prostoročasu. Obě teorie samotné jsou velmi obtížné na pochopení,
natož jejich skloubení. Odpovídáme si zde na otázky, co znamená
kvantování prostoru a času, kde slovo "kvantování" znamená něco mnohem
složitějšího než nějaká "diskretizace", jak se často populárně uvádí. I
v těch nejkonzervativnějších přístupech ke kvantové gravitaci se mluví o
superpozicích různých prostoročasů, prostoročasové pěně, tunelování
geometrií, vzniku vesmíru z "ničeho", atd. Tyto hesla sice znějí velmi
zajímavě a lákavě, ale bez podrobného technického zázemí maji skoro
prázdný obsah.
Proto, ještě více než u strojů času, je v případě zájmu o kvantovou
gravitaci potřeba doporučit: vystudujte 5 let teoretickou fyziku - když
se budete hodně snažit, tak pak budete schopni si o kvantové gravitaci
číst. Vystudujte další 4 roky doktoradnské studium na zahraniční
univerzitě a když budete dobří, tak budete schopni v oblasti kvantové
gravitace pracovat. A čekáme na někoho, kdo bude geniální a kvantovou
gravitaci vymyslí.
Dotaz: Jak lze převádět tepelnou energii na elektrickou? Existují kovy nebo slitiny,
které vedou teplo elektrony? Lze uskutečnit převod v malém prostoru (asi
0,5 m3)? (Karel)
Odpověď: 1. Není to tak prosté, protože druhý zákon termodynamiky zakazuje např.,
aby se při cyklickém ději teplo odebírané z jediné tepelné lázně měnilo na
práci, aniž se přitom část tepla dodá jiné tepelné lázni s nižší teplotou.
Ale například sluneční světlo můžete částečně převádět na práci (např.
elektrický proud), protože jeho ekvivalentní teplota je vyšší než teplota
našeho pozemského okolí. Elementárním příkladem takového převodu je
křemíkový fotočlánek.
2. Tepelná i elektrická vodivost všech kovů a jejich slitin je převážně
způsobena elektrony, které se v nich celkem volně pohybují.
3. To je otázka spíš technická než fyzikální: řešení závisí jednak na tom,
v jaké formě teplo dodáváte (horká voda, sluneční světlo,...), jak hodláte
systém chladit okolím (ten 2. zákon přelstit nejde) a taky jak to udělat s
rozumně nízkými pořizovacími i udržovacími náklady, aby to vůbec mělo
ekonomický smysl.
Myslím, že dosti perspektivní jsou polykrystalické křemíkové moduly,
technologicky méně náročné než monokrystalické, ale detaily neznám.
Dotaz: Můžete mi, prosím, objasnit fyzikální příčinu blednutí barev na
slunci? Proč barevné obrázky časem získávají namodralou barvu? (Martin)
Odpověď: To je spíš otázka pro chemiky (odmyslíme-li si invektivu fyziků vůči
chemikům, že celá chemie je jen speciální částí fyziky okrajových
elektronů). Barva látky je dána hlavně její strukturou v rozměrech
přiměřených vlnovým délkám viditelného světla, a ta je určována chemickým
složením, anebo je dána strukturami rezonujícími na odpovídajících
frekvencích. Barva se tedy mění, mění-li se struktura (např. rumělka HgS z
rudé na černou modifikaci) anebo chemické složení vnějším vlivem (např.
běloba olověná PbCO3 pod vlivem sirovodíku na černý PbS) anebo konečně -
zvláště u jásavých organických barviv - nějakým tím štěpením, oxidací či
jinou adicí na struktury vytvářející barvu látky (např. u diazobarviv).
Není pak celkem divu, že uměle zkonstruované jasné barvy jsou citlivé na
prudké světlo, které může buď samo svou intenzitou látku chemicky poškodit,
anebo může aktivovat či štěpit všudypřítomnou vodu na radikály, které se
pak na násobné vazby ochotně napojí a poničí tím předchozí úsilí chemiků -
syntetizátorů. Na druhou stranu jsou však i organická barviva překvapivě
stálá vůči teplotě i chemickým vlivům, např. indigo, které lze dokonce i
přesublimovat (dávalo se do modrých dýmovnic).
Dotaz: Nevím přesně, zda to je dotaz na fyziku, nu uvidíme: Geny vnímám přes úroveň
chemie jako mikrozápis určité informace. Vůbec nechápu, jakým MECHANICKÝM
(???) způsobem se informace v DNA uložená dekóduje, nebo čte. Jde o nějaké
doplňování na způsob otisku? Tedy jde mi o to, jak z genetického kódu
vznikne člověk, jakým FYZIKÁLNÍM způsobem se DNA může postupně TRANSFORMOVAT
v určitou konkrétní bytost. (Michal Rusek)
Odpověď: Máte pravdu, tohle je dotaz na molekulární biologii. Z hlediska alespoň
chemického (když už ne přímo fyzikálního) lze myslím celkem pochopit z
prostorových důvodů replikaci našeho kouzelného dvojřetězce. Jeho
ovlivňování dalších funkcí organismu bych bral chemicky podobně, tj.
informace o tom, které buňky se mají množit a jak se mají organizovat, by
snad bylo možno chápat prostřednictvím vzniku specifických enzymů (vysoce
účinných katalyzátorů pro velmi specifickou chemickou reakci). Jejich výběr
a tvorba by mohly být určeny velmi podobně, tj. "otiskováním" (prostorovým
vlivem) příslušného úseku DNA. Ale raději se na to zeptejte molekulárních
biologů.
Dotaz: Pokud jsou dvě hvězdy od sebe velmi vzdálené, mají
stejnou hmotnost a jedna se srazí s tělesem a svou hmotnost změní, změní se
působící gravitační síla této hvězdy na druhou až po určité době. Žádná
informace se totiž nemůže šířit rychleji než legendárních 299
792 458 m/s a okamžitá změna by vlastně znamenala nekonečnou rychlost přenosu
informace.
Chci se zeptat: 1. Jak je potom možné, že se dvě častíce od sebe
vzdálené mohou ovlivnit okamžitě? Je to něco jako nelokální transformace.
Anebo 2. Co kdyby se ta informace o zmněně gravitačního pole přenesla z jedné
hvězdy na druhou přes červí díru (neboli skrz hyperprostor) a změna by se
udála najednou? (Mark D.)
Odpověď: Nejsem specialista v této oblasti, takže jen náznakem:
Částici míníte zřejmě kvantovou, nikoli makroskopickou. Popis
kvantových částic je však mnohem složitější, než jak se pro názornost
prezentuje, když se mluví o "částici". V kvantové teorii je "částice"
popsána např. svou vlnovou funkcí (nebo i jinak, např. stavovým vektorem -
ekvivalentním vlnové funkci, anebo maticí hustoty, jde-li o tzv. smíšený
stav) a její "poloha" není jejím prostým atributem, jako je tomu u částice
klasické, ale čímsi, čeho střední hodnota či pravděpodobnost výsledku
měření se z vlnové funkce (stavového vektoru, matice hustoty) počítá jako
výsledek působení oprátoru polohy částice, vyjádřeného způsobem
odpovídajícím zápisu vlnové funkce (stavového vektoru, matice hustoty). Za
obvyklých sitauací nejsou proto Vámi zmíněné relativistické efekty středem
zájmu a neuvažují se. (Asi jako když máte v elektronice ideové schéma
zvukového předzesilovače s filtry atd., na začátku máte slabý signál ze
snímací hlavy, na konec upravený a silnější signál postoupený dál.
Samozřejmě to nenarušuje zákon zachování energie, protože ten
předzesilovač je nějak napájený atd., ale Vás zajímá spíš jen osud signálu
a jeho změny než skutečnost, že se i zde zachovává energie.)
Pokud je mi známo, tak dosud není vytvořena vnitřně konzistentní teorie
zahrnující i kvantovou teorii, i obecnou teorii relativity; přesto pokládám
za přijatelné, že obě teorie jsou ve svých pracovních oborech natolik
správné (= v souladu s experimentem, s vnitřní konzistencí a se schopností
predikovat), že jsou prakticky použitelné a používané.
