ÚVOD

Tieto prednášky som napísal pre tých, ktorí sa v súčasnej vede nevyznajú alebo sa v nej vyznajú iba čiastočne. Spoločne vytvárajú stručný prehľad niektorých najdôležitejších a najfascinujúcejších aspektov veľkej revolúcie, ktorá sa v 20. storočí udiala vo fyzike, a zvlášť sa venujú otázkam a tajomstvám, ktoré táto revolúcia nastolila a odhalila. Pretože veda nám nielen ukazuje, ako lepšie pochopiť svet, ale aj odhaľuje, ako veľa o ňom ešte nevieme.

Prvá prednáška je venovaná „najkrajšej z teórií“, teda všeobecnej teórii relativity Alberta Einsteina. Druhá kvantovej mechanike, v ktorej sa ukrývajú najznepokojujúcejšie aspekty modernej fyziky. Tretia je venovaná vesmíru: architektúre univerza, v ktorom žijeme. Štvrtá elementárnym časticiam. Piata kvantovej gravitácii: neustálemu úsiliu o vytvorenie syntézy veľkých objavov 20. storočia. Šiesta pravdepodobnosti a teplu čiernych dier. Posledná, záverečná prednáška v knihe nás vracia k nám samým a kladie otázku, ako by sme mohli chápať našu existenciu v tomto zvláštnom svete opísanom fyzikou.

Prednášky sú rozšírením série článkov, ktoré som publikoval v nedeľnej prílohe denníka Sole 24 Ore. Chcem sa poďakovať predovšetkým Armandovi Massarentimu, ktorý má zásluhu na tom, že otvoril vede kultúrne strany nedeľnej prílohy, čím zdôraznil plnohodnotnú a životne dôležitú úlohu, akú fyzika zohráva v kultúre.

Prvá prednáška

NAJKRAJŠIA ZO VŠETKÝCH TEÓRIÍ

Keď bol Albert Einstein chlapcom, strávil jeden rok bezcieľnym potĺkaním. Tým, že nejaký čas „nestratíme“, nič nedosiahneme – bohužiaľ, na toto rodičia tínedžerov často zabúdajú. Bol v Pavii. Pricestoval za rodinou po tom, čo zanechal štúdiá v Nemecku, kde nebol schopný znášať prísnosť gymnázia. Začínalo sa nové storočie a do Talianska dorazila priemyselná revolúcia. Jeho otec, inžinier, budoval prvé elektrárne v Pádskej nížine. Albert si čítal Kanta a čas chodieval zabíjať na prednášky na Pavijskej univerzite – len tak pre potešenie, ani na ne nebol zapísaný, ani nerobil skúšky. Takýmto spôsobom sa z človeka stáva seriózny vedec.

Potom sa zapísal na Zürišskú univerzitu a ponoril sa do štúdia fyziky. O niekoľko rokov neskôr, v roku 1905, poslal tri články do vedeckého časopisu Annalen der Physik, v tých časoch najdôležitejšieho v danom odbore. Za všetky tri by si zaslúžil Nobelovu cenu. V prvom článku dokazoval, že atómy skutočne existujú. V druhom položil prvé základy kvantovej mechaniky, o ktorej budem hovoriť v nasledujúcej prednáške. V treťom predstavil svoju prvú teóriu relativity (dnes nazývanú „špeciálna teória relativity“), v ktorej objasňuje, že čas neplynie pre všetkých rovnako: ak by jedno z dvojčiat cestovalo obrovskou rých­losťou a nakoniec by sa obe stretli, neboli by už rovnako staré.

Einstein sa zo dňa na deň stal známym vedcom a dostal ponuky z viacerých univerzít. Niečo ho však trápilo: jeho teória relativity; hoci bola okamžite prijatá, nebola v súlade s tým, čo vieme o gravitácii, konkrétne s tým, ako veci padajú na zem. Prišiel na to, keď písal článok sumarizujúci jeho teóriu, a položil si otázku, či by sa starý a slávny „gravitačný zákon“ praotca Newtona nemal revidovať, aby bol v súlade s novým pojmom relativity. Ponoril sa do problému. Bude potrebovať desať rokov, aby ho vyriešil. Desať rokov horúčkovitého štúdia, pokusov, chýb, zmätku, pomýlených článkov, brilantných myšlienok, myl-ných myšlienok. V novembri 1915 poslal konečne do tlače článok s úplným vyriešením problému, novou teó­riou gravitácie, ktorú nazval „všeobecnou teóriou relativity“. Bolo to jeho majstrovské dielo a „najkrajšia z vedeckých teórií“, ako ju nazval veľký ruský fyzik Lev Landau.

Existujú majstrovské diela, ktoré nás dokážu skutočne dojať: Mozartovo Rekviem, Homérova Odysea, Sixtínska kaplnka, Kráľ Lear… Aby sme si mohli vychutnať ich krásu, je nutné, aby sme najprv prešli cestou učenia sa, no odmenou je číra krása – a nielen to: pred očami sa nám otvorí nový pohľad na svet. Všeobecná teória relativity, drahokam Alberta Einsteina, patrí k takýmto veľdielam.

Pamätám sa na to vzrušenie, keď som niečo z toho začínal chápať. Bolo leto. Ako študent posledného ročníka vysokej školy som sa kúpal na kalábrijskej pláži v Condofuri v lúčoch stredomorského slnka. Cez prázdniny sa študuje lepšie, pretože nás pri sústredení neruší škola. Čítal som si z knihy, ktorá mala okraje strán ohlodané myšami, lebo som ju počas nocí používal na upchávanie myšacích dier v spustnutom a tak trochu hipisáckom dome na umbrijskom kopci, kam som sa počas školského roka utiekal, keď som chcel uniknúť nude univerzitných prednášok v Bologni. Z času na čas som od knihy zdvihol oči, aby som sa pozrel na trblietajúce sa more: zdalo sa mi, že vidím ohýbanie priestoru a času tak, ako si ho predstavoval Einstein.

Bolo to ako mágia: akoby mi nejaký priateľ šepkal do ucha úžasné tajné pravdy a v istom okamihu mi strhol z očí závoj reality, aby mi odhalil jednoduchší a hlbší poriadok. Odkedy sme sa naučili, že Zem je guľatá a točí sa ako bláznivý vĺčik, pochopili sme, že skutočnosť nie je taká, ako sa nám zdá na prvý pohľad: vždy keď poodhalíme niečo nové, je to vzrušujúce. Z reality padá ďalší závoj.

No medzi mnohými skokmi vpred, ktoré sa vo vede udiali počas celej jej histórie, nemá pravdepodobne skok, ktorý spravil Einstein, obdobu. Prečo? Predovšetkým preto, že keď konečne pochopíme jeho teóriu, zistíme, že

je taká jednoduchá, až to vyráža dych. Celé to najprv zhrniem:

Newton sa snažil vysvetliť, čo je dôvodom toho, že veci padajú na zem a planéty sa točia. Predstavoval si nejakú „silu“, ktorá všetky telesá vzájomne priťahuje: nazval ju „gravitačná sila“. Praotec vedy však neprišiel na to, čo spôsobuje, že táto sila priťahuje k sebe veci, ktoré sú od seba vzdialené a nič ich vzájomne nespája, a bol taký opatrný, že ani nehazardoval s nejakou hypotézou. Newton si predstavoval aj to, že telesá sa v priestore pohybujú a priestor je akousi obrovskou prázdnou nádobou či škatuľou pre vesmír. Akoby šlo o velikánsku stavebnicu, v ktorej sa predmety hýbu priamo, kým ich nejaká sila neprinúti zmeniť smer. Ale z čoho je vystavaný tento „priestor“, nádoba pre svet, ktorú on sám vymyslel, to už nepo­vedal.

No niekoľko rokov pred narodením Alberta Einsteina pridali dvaja britskí fyzici – Michael Faraday a James Clerk Maxwell – do studeného Newtonovho sveta jednu prísadu: elektromagnetické pole. Toto pole je skutočná všadeprítomná entita, ktorá prenáša rádiové vlny, napĺňa priestor, môže vibrovať a vlniť sa ako hladina jazera a „prenášať“ elektrickú silu. Einsteina už odmalička fascinovalo elektromagnetické pole, ktoré spôsobovalo točenie rotorov v elektrárňach, čo staval jeho otec, a čoskoro pochopil, že gravitáciu musí rovnako ako elektrinu prenášať nejaké pole: musí existovať „gravitačné pole“ podobné „elektrickému poľu“. Snažil sa pochopiť, čo by toto „gravitačné pole“ mohlo tvoriť a akými rovnicami by sa dalo opísať.

A tu prišla výnimočná, priam geniálna myšlienka: gravitačné pole nie je rozšírené v priestore: gravitačným poľom je sám priestor. To je základná myšlienka všeobecnej teórie relativity.

Newtonov „priestor“, v ktorom sa veci hýbu, a „gravitačné pole“, ktoré nesie gravitačnú silu, sú jedno a to isté.

Bola to chvíľa osvietenia. Závažné zjednodušenie sveta: priestor sa neodlišuje od hmoty, ale je jednou z „materiálnych“ súčastí sveta. Entitou, ktorá sa vlní, krčí, ohýba a zakrivuje. Nie sme súčasťou neviditeľnej rigidnej štruktúry: sme ponorení do gigantického ohybného mäkkýša. Slnko zakrivuje priestor okolo seba a Zem sa okolo neho točí nie preto, že by ho priťahovala nejaká mysteriózna sila, ale preto, že letí priamo v priestore, ktorý sa nakláňa. Ako guľôčka, ktorá sa točí v lieviku: jej točenie nespôsobujú tajomné „sily“ v lieviku, ale jeho oblý tvar. Planéty sa točia okolo Slnka a predmety padajú, pretože priestor je zakrivený.

Ako opísať toto zakrivenie priestoru? Najväčší matematik 19. storočia Carl Friedrich Gauss, prezývaný „kráľ matematikov“, vytvoril matematickú formuláciu na opis dvojrozmerných zakrivených povrchov, akým je napríklad povrch kopca. Potom poprosil jedného svojho vynikajúceho študenta, aby to všetko zovšeobecnil na troj- alebo viacrozmerné zakrivené priestory. Tento študent, Bernhard Riemann, napísal pôsobivú doktorandskú prácu, jednu z tých, ktoré na prvý pohľad pôsobia úplne zbytočne. Výsledkom bolo, že vlastnosti zakriveného priestoru sú opísané matematickou veličinou, ktorú dnes nazývame Riemannov tenzor a označujeme písmenom R. Einstein napísal rovnicu, v ktorej je R úmerné energii hmoty. To znamená: priestor sa zakrivuje všade tam, kde je hmota. To je všetko. Rovnica zaberá polovicu riadka a nič viac. Vízia – priestor sa zakrivuje – a rovnica.

No vnútri tejto rovnice je trblietavý vesmír. A tu sa otvára čarovné bohatstvo tejto teórie. Reťaz fantazmagorických predpokladov, ktoré vyzerajú ako blúznenie nejakého blázna, no napriek tomu sú všetky potvrdené skúsenosťou.

Rovnica opisuje, ako sa zakrivuje priestor okolo hviezdy. Vďaka tomuto zakriveniu nielenže rotujú okolo planéty hviezdy, ale ani svetlo nepokračuje priamou cestou, ale odkláňa sa z nej. Einstein predpokladal, že Slnko odkláňa dráhu svetla. V roku 1919 sa uskutočnili merania, ktoré potvrdili správnosť jeho predpovede.

No nezakrivuje sa len priestor, ale aj čas. Einstein predpokladal, že čas plynie rýchlejšie vo výške, bližšie k Slnku, a pomalšie nižšie, bližšie k Zemi. Spravili sa merania a potvrdila sa správnosť jeho predpokladu. Keď dvojča, ktoré žilo pri mori, stretne svoje dvojča, ktoré žilo v horách, zistí, že to z hôr zostarlo o čosi viac. A to je iba začiatok.

Keď veľká hviezda minie všetko svoje palivo (vodík), zhasne. To, čo ostane, už nie je podporované teplom zo spaľovania a zrúti sa to pod vlastnou váhou, až kým to nezakriví priestor natoľko, že sa to prepadne do skutočnej diery. To sú tie známe čierne diery. Keď som študoval na univerzite, považovala sa teória čiernych dier za málo dôveryhodnú, takmer ezoterickú. Dnes ich astronómovia pozorujú na oblohe stovky a do detailov ich skúmajú. To však nestačí.

Celý priestor sa môže rozpínať a rásť; Einsteinova rovnica dokonca ukazuje, že priestor nemôže byť nehybný, musí sa rozpínať. A naozaj, v roku 1930 sa rozpínanie vesmíru skutočne spozorovalo. Tá istá rovnica predpokladá, že rozpínanie sa muselo začať explóziou mladého vesmíru, ktorý bol veľmi malý a veľmi horúci: to je ten slávny Big Bang, veľký tresk. A opäť tomu nikto neveril, no dôkazy pribúdali, až sa na oblohe spozorovalo reliktné kozmické žiarenie. Predpoklad vyplývajúci z Einsteinovej rovnice sa ukázal ako správny.

Teória predpokladala, že vesmír sa vlní ako hladina mora, a opäť sa spozorovali efekty týchto „gravitačných vĺn“ na oblohe na dvojhviezdach, čo korešpondovalo s predpokladmi teórie v zarážajúcej presnosti jednej stomiliardtiny. A tak ďalej.

Stručne povedané, teória opisuje úžasný a pestrý svet, v ktorom vybuchujú vesmíry, priestor sa prepadá do

bezodných čiernych dier, čas sa ohýba, a čím je bližšie k planéte, tým viac sa spomaľuje, a bezhraničné vzdialenosti v medzihviezdnom priestore sa krčia a vlnia ako morská hladina… A toto všetko, čo sa postupne vynáralo z mojej knihy ohlodanej myšami, nebola rozprávka, ktorú hovorí nejaký blázon v záchvate šialenstva alebo pod vplyvom horúceho stredomorského slnka či halucinácií pri pohľade na trblietajúce sa more. Bola to realita.

Alebo, lepšie povedané, trochu jasnejší pohľad na realitu ako ten, ktorým sa na ňu pozeráme v našej každodennej zakalenej banalite. Realitu, ktorú, ako sa zdá, tvorí to isté, čo naše sny, no je ešte skutočnejšia ako hmlisté každodenné snenie.

A toto všetko je výsledkom obyčajnej intuície, že pries­tor a gravitačné pole sú jedno a to isté. A rovnako jednoduchej rovnice – nemôžem si odpustiť, aby som ju tu neuviedol, hoci čitateľ ju pravdepodobne nebude môcť dešifrovať, no chcel by som, aby aspoň videl jej úžasnú jednoduchosť:

R_ab – ½ R g_ab = Tab

Je v nej všetko. Samozrejme, je nevyhnutné prejsť cestou učenia sa, aby človek mohol stráviť Riemannovu matematiku a získal schopnosť prečítať ju. Je nevyhnutná trocha úsilia a námahy. No stále je to menšia námaha v porovnaní s tou, ktorá je potrebná na precítenie zvláštnej krásy neskorých Beethovenových kvartet. V oboch prípadoch je odmenou nádhera a nové oči, ktorými sa dá pozerať na svet.

Carlo Rovelli

Sedem krátkych prednášok o fyzike

Tatran 2016

preklad: Peter Bilý

Zobraziť diskusiu (0)