Novákoviny

Žádná síla neovlivňuje náš život tak jako gravitace. Právě proto si její přítomnost většinou ani neuvědomujeme - jen astronuté vědí, že bez ní jsou i maličkosti problém. A přitom o její podstatě věda pořád téměř nic neví. Umí ji popsat, ale to je všechno: za popisem už zůstávají jen samé otazníky.

 

 

"Nic nezadrží gravitační sílu Země nebo Slunce," píše Herbert G. Wells ve svém slavném románu První lidé na Měsíci. "Všechny známé látky propouštějí gravitaci - ale proč by to nemělo být jinak?"

 

Wellsův vynálezce Cavor na otázku odpověděl tím, že vynalezl cavorit, s jehož pomocí pak odcestoval na Měsíc. Jenže tam už zůstal a jeho pokus odvysílat složení cavoritu na Zemi se nezdařil...

 

obr: Scéna z filmu natočeného podle Wellsova románu První lidé na Měsíci. Kabinu poháněla gravitační síla, kterou vynálezce Cavor odle potřeby odstiňoval zvláštní látkou.

 

"O gravitaci ve skutečnosti nevíme vůbec nic," říká americký fyzik Michael Martin Nieto. Není to žádný potrhlý kreacionista nebo vědecký skeptik - pracuje v Los Alamos National Laboratory právě na výzkumu gravitace. Už dříve se mimo jiné podílel na pokusech teoreticky vysvětlit podivné zpomalování sond Pioneer v hlubokém vesmíru a na experimentech, při nichž se zjišťoval vliv gravitace na částice antihmoty.

 

S pomocí antihmoty

Nieto a další fyzikové se pokusy s měřením vlivu gravitace na antihmotu zabývali už koncem minulého století, tehdy však byly k dispozici jen jednotlivé antičástice a experimenty proto nedávaly průkazné výsledky.

 

obr: Zařízení experimentu AEGIS s jehož pomocí chtějí vědci zkoumat chování antihmoty v gravitačním poli Země.

Foto: CERN

 

Trochu víc světla by do záhady přitažlivosti mohl vnést program, který od počátku letošního roku realizují vědci z University of California. Pokrok ve výzkumu antihmoty v posledních letech vedl k tomu, že už jde vyrábět v množstvích, která lze použít ke zkoumání jejích vlastností. A fyzikové toho chtějí využít pro zjištění, jestli se antihmota chová v gravitačním poli Země stejně jako hmota obyčejná.

"Jestli zjistíme, že gravitace má na antihmotu jiný účinek než na hmotu, bude to šok pro celý fyzikální svět," konstatuje David Cassidy z Katedry fyziky a astronomie na kalifornské univerzitě. Podle uznávaných fyzikálních teorií by v tom totiž neměl být rozdíl - jenže pozorování vesmíru naznačují, že nějaký rozdíl nejspíš existuje.

Podobné cíle proto má i experiment AEGIS připravovaný evropskou laboratoří pro jaderný výzkum CERN v Ženevě. Kalifornské bádání by mělo přinést první výsledky letos v létě, AEGIS je plánovaný jako běh na dlouhou trať.

Jenže co je vlastně gravitace?

 

Hra o jablko

"Tisíc jablek spadlo na nos zeměkoule a jen Newton uměl těžit ze své boule," napsal Vítězslav Nezval v básni Edison. Isaac Newton (1643-1727) známou historku o významu jablka při jeho objevu gravitačního zákona potvrdil, i když v trochu jiné formě. Nespadlo mu na nos ani na hlavu, dál klidně viselo na stromě, pod kterým velký fyzik seděl. Byla jasná noc a za jablkem se po obloze pomalu sunul Měsíc. Newtona napadlo, že na jablko i na Měsíc působí stejná síla - zemská přitažlivost. Současně tomu ale může být i naopak: stejným způsobem působí i Měsíc a jablko na Zemi, nebo Měsíc na jablko, případně jablko na Měsíc.

Zkusil této myšlence dát matematickou podobu: tedy vypočítat, jak by taková síla musela vypadat, aby udržela Měsíc právě na dráze, po níž se pohybuje. Nakonec mu vyšlo, že dvě tělesa - ať už jsou složená z čehokoliv - na sebe působí silou, která závisí na jejich hmotnosti a vzdálenosti.

 

obr: Objevitel gravitačního zákona Isaac Newton (1643-1727)

 

Často se říká, že Newton odhalil tajemství gravitace, ale je to dost nepřesné; ve skutečnosti ji jen matematicky popsal, což není totéž.

Stejné je to i s Einsteinovou teorií relativity. Gravitací se nezabývá speciální teorie relativity publikovaná roku 1905, ale teprve až obecná teorie relativity, kterou Albert Einstein formuloval roku 1915. Z Newtona vyplývalo, že gravitace působí na neomezenou vzdálenost (což je pravda) - a tak nějak se předpokládalo, že její účinek je okamžitý. To ale odporovalo zjištění, že nic nemůže být rychlejší než světlo, a tedy ani působení gravitace například na vzdálené hvězdy.

 

Marné hledání Teorie všeho

Einstein proto gravitaci popsal jako zakřivení času a prostoru, které ve svém okolí způsobuje hmota. Nejčastěji se to přirovnává k pružnému gumovému povrchu, na němž jsou koule různé hmotnosti. Pod každou z nich se povrch prohne - čím je těžší, tím víc. A tak se malá koule skutálí k velké, nebo kolem ní může nějaký čas kroužit, pokud předtím nabere správný směr a rychlost. Tělesa o velké hmotnosti mohou dokonce zakřivovat i dráhu světelných paprsků. A pružná hmota časoprostoru se umí i vlnit: jde o gravitační vlny šířící se rychlostí světla, které Einstein předpověděl, které se ale zatím nedaří přímo detekovat.

 

obr: Einsteinova teorie relativity popisuje gravitaci jako zakřivení časoprostoru v okolí hmotních těles. Ani ona ale nevysvětluje její příčiny

 

Ani Einstein nevysvětlil, proč se časoprostor v přítomnosti hmoty křiví, snaha mu ale nechyběla. Vycházel z podobnosti mezi projevy gravitace a elektromagnetismu a hledal, co je spojuje, aby vytvořil teorii, která by jednotným způsobem vysvětlila všechny fyzikální síly. Říká se tomu Teorie všeho nebo také Jednotná teorie pole - ale po marných pokusech o její sestavení musel největší génius 20. století nakonec přiznat porážku.

Dnešní fyzika se většinou spokojuje s konstatováním, že k popisu slabých gravitačních polích při malých rychlostech úplně stačí Newtonovy poučky, pro velké rychlosti je k ruce obecná teorie relativity. Gravitace je považována za jednu ze čtyř základních fyzikálních sil, které drží náš vesmír pohromadě - další je elektromagnetismus a pak tzv. slabá a silná interakce, které působí jen na nepatrné vzdálenosti mezi částicemi hmoty. Na rozdíl od elektromagnetismu (který má rovněž nekonečný dosah) má být gravitační síla výhradně přitažlivá - antigravitace tak pohříchu zůstává vyhrazená jen pro oblast sc-fi.

Ještě ale není nic ztraceno, protože na skutečné vysvětlení podstaty gravitace se teprve čeká. Mělo by to být něco, co spojí obecnou teorii relativity s kvantovou mechanikou. Teorii, kterou fyzikové očekávají se stejnými nadějemi, s jakými čekali starozákonní Židé na příchod Mesiáše, se říká Kvantová gravitace.

Předpokládá se, že v jejím rámci se podaří objevit i částice odpovědné za gravitaci, které už dopředu byly pokřtěny na gravitony. Hypotézy, které mají ambice usmířit Einsteina s kvantovou mechanikou už existují (například takzvaná teorie superstrun), dosud se je ale nepodařilo dokázat - a nic nenasvědčuje, že se tak v dohledné době stane. Nobelova cena za gravitaci zřejmě hned tak nebude.

 

Prokletá konstanta

Že možná s gravitací není všechno v pořádku, naznačil už sám Albert Einstein. Když dával dohromady své rovnice pro obecnou teorii relativity, vyšlo mu, že podle nich by se musel vesmír ustavičně rozpínat. Na to tehdy nikdo nevěřil, a tak to velký fyzik vyřešil jednoduše: přidal do nich ještě jeden člen, který měl dát výsledek do souladu s tehdejšími představami. Nazval jej kosmologickou konstantou. Což je mimochodem docela hezký důkaz toho, že i studené a zdánlivě exaktní rovnice mohou být subjektivnější než se na první pohled zdá...

 

obr: Červená výseč koláčového grafu ukazuje známou hmotu vesmíru. Aby držel pohromadě podle dnešních představ, musí tu být ještě obrovské množství další neznámé hmoty, tzv. temná hmota (fialová výseč) a neznámé energie (zelená výseč). Ukrývají se tak dobře, nebo jsou chybné stávající teorie?

 

Později se ale ukázalo, že vesmír se opravdu rozpíná. Einstein kosmologickou konstatnu nazval největším omylem svého života a tak pak tiše zmizela z učebnic. Ale ne na dlouho. Po Einsteinově smrti se zjistilo, že vesmír se nerozpíná stálou rychlostí, ale pohyb se zrychluje. Zas to chtělo něco na způsob kosmologické konstanty. Téměř mystické na tom ale je, že ve vesmíru cosi působí proti gravitaci.

Že by myšlenka antigravitace přece jen nebyla tak scestná?

Pro záhady gravitace ale ani nemusíme putovat ke hvězdám - máme je všude kolem sebe. Dokonce v takovém množství, že je ani nevnímáme. Proč například gravitace, zrychlení, odstředivá síla a setrvačnost mají úplně stejné projevy, přestože jejich povaha je zcela odlišná? Co je to vlastně setrvačnost (když pomineme, že je to ta věc, která nám rozbila třeba auto)? Co drží hmotné předměty na jednom místě a napak udržuje v pohybu, když už se jednou do něj daly?

Pokud začnete pátrat po odpovědích, najdete jen popisné definice a rovnice - ale nic víc. A k tomu možná i Einsteinův citát: "Nejkrásnější zkušeností je zkušenost záhady. Je to elementární cit, který stojí u kolébky pravého umění a pravé vědy."

 

Jan A. Novák

Psáno pro Hospodářské noviny - Víkend

 

obr: Antigravitační pohon ještě dlouho zůstane jen ve sci-fi. (Záběr z filmu Iron Sky)

Zdroj: www.ironsky.net

You have no rights to post comments