FyzWeb  odpovědna

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.
(J. Obdržálek)   >>>  

3) Gravitační pole a gravitony14.01.2004

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.
(Jan Houštěk)   >>>  

4) Časoprostorová smyčka19.08.2003

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.
(Mgr. Pavel Krtouš, Ph.D.)   >>>  

5) Gravitony30.07.2003

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)
(Doc. RNDr. Jiří Podolský, CSc.)   >>>  

6) Černá díra28.07.2003

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.
(Doc. RNDr. Jiří Podolský, CSc.)   >>>