Na prvý pohľad sa priestor okolo nás zdá ako dokonale spojitý. No dôsledky kvantovej mechaniky a všeobecnej teórie relativity spoločne predpovedajú, že aj samotný priestor má svoju štruktúru.
V jedenástich článkoch série Ako to vieme? sme z rôznych pohľadov vyrozprávali príbeh dvoch základných teórií modernej teoretickej fyziky – kvantovej mechaniky a všeobecnej teórie relativity. V záverečnom článku si vysvetlíme, prečo spojenie týchto dvoch teórií predpovedá výraznú zmenu v našom chápaní samotného priestoru. Na skutočne fundamentálnej úrovni sa bude musieť aj on z niečoho skladať.
Tvorba celku
Keď sa povie, že nejaký objekt sa z čohosi skladá, má sa tým na mysli, že sú jednotlivé kúsky v priestore usporiadané a dohromady tvoria väčší celok. Napríklad človek sa skladá z hlavy, krku, trupu, rúk a nôh. Podobne sa obrázky v časopisoch alebo aj text, ktorý práve čítate, skladá z maličkých štvorčekov, pixelov. Z diaľky síce písmená vyzerajú oblé a plynulé, ale pri veľkom zväčšení by sme videli ich hranatú štruktúru. Inak je to však podobné ako pri človeku – stavebné kúsky sú poukladané vedľa seba. Podobne je to so samotnou hmotou. Tá sa tiež skladá z maličkých kúskov, ktorým hovoríme atómy. Z pohľadu atómov to vo väčšine situácií funguje podobne ako pri obrázkoch a pixeloch. Kúsky s dobre definovanou polohou poukladané vedľa seba tvoria väčší celok. Občas si zahrá kvantová mechanika úlohu aj na úrovni atómov, jediný rozdiel je však v tom, že atómy musíme priblížiť oveľa väčšmi, aby sme ich videli. Atómami sa zloženie hmoty nekončí a vieme, že aj atómy sa skladajú z menších kúskov: elektrónov, protónov a neutrónov. Tu však, ako v každej správnej rozprávke, na tretí raz už veci nie sú tak ako predtým. Vnútri atómu sa nedá ukázať na jeden elektrón. Zložky atómov riadi kvantová mechanika, v ktorej kvôli princípu neurčitosti neexistujú pre stavebné kúsky presné polohy. Na úrovni ozaj fundamentálnych kúskov prírody znamená skladať sa niečo iné, ako sme zvyknutí.
Veľkosť atómov
Fanúšikov našej série neprekvapí, že atómy sú veľmi malé. Ich veľkosť je približne 10^-10 metra. No pre nás ľudí to je veľmi málo. Napríklad z pohľadu atómového jadra, ktoré má veľkosť 10^-15 metra, je samotný atóm monštrum neslýchaných rozmerov. Všeobecne sú jednotky, ktoré bežne používame, ušité na mieru pre ľudí. Bežné veci, s ktorými sa stretávame, v nich majú rozumné hodnoty. Ale iné situácie si pre rozumné číselné hodnoty môžu vyžadovať iné jednotky. Preto je na mieste otázka, aké jednotky sú rozumné pre situácie, kde hrajú rolu súčasne kvantové, ale aj relativistické a gravitačné efekty všeobecnej relativity. Tieto tri princípy charakterizujú tri fundamentálne konštanty: rýchlosť svetla, gravitačná konštanta a Planckova konštanta. Z nich sa dajú poskladať veličiny, ktoré majú rozmer dĺžky, času a hustoty. Keď ste počtársky trošku zruční, môžete si to vyskúšať. Tieto veličiny sa zvyknú označovať Planckovým menom a v ľudských jednotkách majú veľmi, ale veľmi divoké hodnoty. Napríklad Planckova dĺžka má hodnotu asi 10^-35 metra. Planckove jednotky sú prirodzenými jednotkami pre situácie, v ktorých hrajú úlohu všetky základné stavebné kamene prírodných zákonov. Sú to jednotky fundamentálnej fyziky, ktorú sa snažíme objaviť. Z pohľadu týchto zákonov je atóm veľký 10^20, človek 10^35.
Javisko zvané priestor
Na to, že aj priestor by sa mohol z niečoho skladať, nie sme zvyknutí. Vo fyzikálnych úlohách a predstavách vystupuje priestor iba ako javisko, na ktorom sa odohráva divadlo riadené prírodnými zákonmi. Ide o tri povestné osi x, y, z. A že to s tým priestorom nie je až také jednoduché, vieme vďaka Albertovi Einsteinovi a všeobecnej teórii relativity. Hmota svojou prítomnosťou priestor zakrivuje a ten zasa zakrivením ovplyvňuje správanie hmoty. Priestor je už oveľa viac ako iba javisko a do deja veľmi aktívne vstupuje v dôležitej role. Aj prázdny priestor má veľmi zaujímavú vlastnú dynamiku. Napríklad zakrivenie priestoru sa môže šíriť ako gravitačná vlna. To ešte v raných rokoch všeobecnej relativity predpovedal A. Einstein a za pozorovanie gravitačných vĺn bola v roku 2017 udelená Nobelova cena za fyziku. Navyše tu máme Einsteinove rovnice, ktoré dávajú na misky váh na jednej strane hmotu, na druhej strane zakrivenie priestoru. A keďže vieme, že hmotu popisuje kvantová teória, tak aby sme udržali rovnováhu, musíme kvantovou teóriou popísať aj priestor a jeho zakrivenie. Dostávame sa ku kvantovej gravitácii.
Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky
FMFI UK v Bratislave
Foto Pixabay, wikipédia
