Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 6 dotazů obsahujících »graviton«
2) Proč se dvě tělesa přitahují? Jak rychle se šíří gravitace?
27. 02. 2004
Dotaz: Nikde se mi doposud nepodařilo najít sebemenší informaci o principu gravitační
síly. Proč se vůbec dvě hmotná tělesa přitahují? Jakou rychlostí se gravitační
síla (nebo změna gravitační síly) šíří a zda se vůbec šíří? Pokud se gravitace
šíří rychlostí světla, jak to že "uniká" z černé díry, která jak známo nepustí
díky obrovské gravitaci ani foton... Existuje graviton? Existuje-li je hmotný
podobně jako foton? (Ondřej Hasman)
Odpověď: Princip gravitační síly + proč se tělesa přitahují: Ptám-li se na PRINCIP
něčeho ("co to je ...", "proč se to děje ...") pak
to chci převést na nějaké jiné jevy, které pokládám za ZNÁMÉ. Takže např. na
otázku "Co to je zvuk?" odpovídám třebas: "Sluchový vjem,
který vznikl ve tvém středním uchu tím, že se ti tam chvěje bubínek pod vlivem
vln střídavě stlačeného a zředěného vzduchu ....". Doufám, že víš
a bereš jako známé, co je to vjem, střední ucho, bubínek, vlna, stlačení,
zředění atd. Potíž nastane u "základních" pojmů, jako je čas,
prostor, síla atp., které nemám na co jednoduššího převést. Zpravidla se tam pak
točíme v kruhu tím, že je několik vzájemně svázaných pojmů, a my popisujeme
jejich vzájemné vztahy (síla, práce, energie...).
Tedy: zabývejme se ve fyzice nejprve popisem toho, jak se tělesa chovají. Zjistíme, že se (mj.) všechna tělesa přitahují silou, která ... atd. Tato síla je univerzální v tom smyslu, že je dána výhradně hmotností m, nikoli např. materiálem (obecným jazykem: gravitace působí na všechny předměty stejně"). Einstein si uvědomil, že tuto vlastnost mají jinak jen setrvačné síly (odstředivá, Coriolisova...), které lze převést na geometrii prostoru, v němž děj popisuji. Podařilo se mu pak i gravitaci vyjádřit jako goemetrickou vlastnost prostoru. Změna gravitace se šíří rychlostí světla. (Podrobnější rozbor tohoto tvrzení ovšem vyřaduje porozumění
geometrie prostoročasu v obecné teorii relativity.)
Gravitace je vlastností všech hmot ve všech stavech, tedy i černé díry, a neuniká z ní. Představa unikání předpokládá kvantování gravitačního pole (graviton) a chování gravitonu jako částice. Představa gravitonu, popisujícího gravitaci, by v případě, že by měl sám nenulovou hmotnost a podléhal tak svému působení, je pochopitelně značně složitější, než např. představa klasického elektrického náboje. Kvantování gravitačního pole, není pokud vím dosud důsledně zvládnuto: umíme perfektně kvantovat lineární teorie (např. elmg. pole), ale rovnice gravitačního pole jsou nelineární. Podaří-li se ti to, máš Nobelovu cenu prakticky jistou. Ovšem k tomu, abys přišel na něco, co ještě lidi neznají, je dobře vědět to, co už znají, abys neobjevoval objevené.
Dotaz: Elektromagnetické pole se vždy vlní. Toto pole má navíc vždy duální charakter,
tzn. vlnění + fotony. Co víme o gravitačním poli? Vlní se také jako
elektromagnetické pole a má také duální charakter? Nakonec bych se ještě rád
zeptal, zda existují nějaké paralelní teorie elektromagnetického pole, které by
nepoužívaly slova "duální charakter"? (Tomáš Trojan)
Odpověď: Z Einsteinovy obecné teorie relativity plyne existence gravitačních vln.
Jejich povaha je ale hodně odlišná od elektromagnetických. Jeden ze
zásadních rozdílů je ten, že rovnice popisující gravitační pole jsou
nelineární.
Nicméně v jisté aproximaci fungující pro slabá pole lze gravitační vlny
považovat za poruchy na plochém (nezakřiveném) prostoru, které se chovají
lineárně. V této linearizované teorii skutečně existuje přímá analogie
fotonů, které se říká graviton. Kvantovat nelineární gravitační pole ale
zatím uspokojivě nikdo neumí, ostatně skloubení obecné relativity a
kvantové teorie pole je již delší dobu jednen z klíčových problémů
fundamentální fyziky vůbec (viz např. J. D. Barrow: Teorie všeho nebo
S. Weinberg: Snění o finální teorii).
Ke druhé části otázky. Klasická elektrodynamika o kvantování pole (tj.
ani o fotonech) nic neví. Proto s ní také nelze vysvětlit jevy, ve kterých
se tato vlastnost pole projevuje. Fotony se objevují až v kvantové
elektrodynamice a není mi známa žádná snaha tuto teorii přeformulovat tak,
aby v ní byla nějak přímo obsažena klasická teorie. Zmíněná dualita není ani
tak vlastnosti teorie, jako spíše naší interpretace související s tím,
kterou teorii k popisu konkrétních jevů používáme.
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: Jsem spíše laik mající mnoho otázek. Někde jsem slyšel, že existují částice
zvané gravitony. Co je jejich úkolem? Bylo mi řečeno, že je to druh částic
přenášejících gravitační sílu. Je to pravda? Jestli ano, lze použít
antigravitonů k porušení gravitace? (Lukáš Lička)
Odpověď: Tak jako existují elektromagnetické vlny, existují také vlny gravitační
(jde o vlnky "křivosti prostoročasu", které se od zdroje šíří stejně
rychle jako světlo).
Kvantováním elektromagnetických vln dostali fyzikové fotony, částice,
které se projevují tehdy, když elektromagnetické pole interaguje s
hmotou. Podobně byly odvozeny i hypotetické gravitony, které si lze
představit jako kvanta gravitace. Problém je v tom, že gravitační
interakce je velmi slabá, takže gravitony jako takové zatím ještě nikdo
experimentálně neověřil. Navíc byly gravitony zatím předpovězeny jen ve
zjednodušené verzi Einsteinovy teorie gravitace.
Proto pojem gravitonu je prozatím používán jen vágně. Předpokládá se, že
by se měly projevovat jen na počátku vesmíru, uvnitř černých děr, nebo
na velmi malých rozměrech.
(antigravitony jsou totožné s gravitony, podobně jako antifotony jsou
totožné s fotony)
Dotaz: Jestliže se gravitony pohybují max. rychlostí tj. rychlostí světla, jak je
například možné, že černá díra vyzařuje gravitaci mimo. (Kronus Z.)
Odpověď: Černá díra "vyzařuje gravitaci" - tedy vydává gravitační záření - také
maximálně jen rychlostí světla. Tím je ovšem míněno šíření "vlnek
křivosti", které putují směrem od díry, pokud do ní např. nesymetricky
spadne obyčejná hvězda. Během pádu VNĚ díry se porušuje geometrie
prostoročasu a tyto poruchy se vyzařují v podobě gravitačních vln.
(Gravitony jsou hypotetická kvanta gravitačních vln, podobně jako fotony
jsou kvanta elektromagnetických vln.)
ZVITŘKU díry nepronikne vně žádná informace, vyjma ovšem změn
gravitačního pole. Černá díra může "unvitř" například měnit svůj tvar,
což se PROJEVÍ změnou geometrie okolo ní.
Jde totiž o to, že černá díra představuje GRAVITAČNÍ objekt, který
souvisí se svým okolím. Horizont černé díry sice nelze směrem ven
překročit, to ovšem neznamená, že se díra navenek nijak neprojevuje:
právě naopak, je to ta "nejsilnější" gravitační past, která ve vesmíru
existuje. Nikdy se nemůžeme dozvědět, co se děje UVNITŘ díry, můžeme
ovšem měřit její projevy navenek.
