MALÁ KOSMOLOGICKÁ HLÍDKA -- HROZBA PRO EINSTEINOVU OBECNOU TEORII RELATIVITY?

Že by hrozil zvrat Einsteinovy obecné teorie relativity?

Skupina výzkumných pracovníků z Cambridgeské univerzity a z univerzity Queen Mary v Londýně přišla s tím, že skutečnost existence černých děr velmi exotických tvarů může rozbořit Einsteinovu obecnou teorii relativity, která je základem celé současné fyziky. Takové černé díry mohou na štěstí existovat pouze v prostředí neméně exotického vesmíru, jehož kontinuum má pět nebo více rozměrů.

Úvodem

Uvedená skupina vědců vypracovala a provedla výpočty matematického modelu černé díry s tvarem tenkého prstence, na kterém je řada “výdutí” souvisejících se singularitami. Kromě toho, se prstenec černé díry během času stává tenčím a tenčím rozpadaje se a řadu malých černých děr, podobně jako se proud vody během času rozpadá na jednotlivé kapky.

Možnost existence prstencových černých děr byla teoreticky opodstatněna již v roce 2002, avšak daný případ je prvním v historii, kdy všechny hybné síly takového exotického kosmického objektu byly vypočteny s vysokou přesností pomocí superpočítače. Pokud by takové černé díry existovaly ve skutečnosti, přivedlo by to k tomu, že by se objevila by se “holá singularita” a to by učinilo nevěrohodnými všechny rovnice, na kterých stojí obecná teorie relativity.

Hrozba pro Einsteinovu obecnou teorii relativity a současnou fyziku?

Teorie Alberta Einsteina a zvláštnosti našeho vesmíru

Obecná teorie relativity je základem našeho pojetí gravitace ve vesmíru. Na základě jejích Einsteinových rovnic se určuje stáří hvězd, je na nich založena činnost systému GPS a mnoho dalšího, o čemž mnohdy nemáme ani ponětí. Součástí této teorie je tvrzení toho, že existence hmoty způsobuje deformaci prostoro-časového kontinua a že síly gravitace jsou pouze výsledkem působení této deformace. Po stu letech od publikování obecné teorie relativity prošla tato teorie úspěšně množstvím všestranných ověřování, avšak stále ještě zůstává několik neověřených okolností, z nichž jedna souvisí s existencí singularit.

Singularita je bodem v prostoru, ve kterém jsou gravitační síly natolik mohutné, že “lámou” prostor, čas a ”porušují” fyzické zákony v blízké oblasti prostoru. Podle obecné teorie relativity jsou singularity ve středu černých děr a jsou obklopeny tzv. horizontem událostí, což je myšlená hranice na níž jsou body vymezující oblast nenávratu pro hmotu a záření jakéhokoli druhu.

Co však nastane, když připustíme, že singularita může existovat za mezí horizontu událostí? Pokud takový fenomén existuje, pak by bylo možné singularitu uvidět ze strany a ona sama by byla objektem s nekonečně velkou hustotou hmoty a ta by byla ve stavu, jaký v současnosti neznáme. V něm by se “porušily” všechny známé zákony fyziky. Vědci, jejichž specializací je oblast teoretické fyziky, přišli s hypotézou, že taková “holá singularita” může existovat v podmínkách kontinua s velkým počtem rozměrů.

Existence vyšších rozměrů a jejich působení na představy o vesmíru

V současné době chápeme náš vesmír jako prostor, který existuje ve třech prostorových rozměrech plus čtvrtém rozměru, kterým je čas. Ty tvoří jeho prostoro-časové kontinuum. Avšak v některých teoriích, jako je teorie superstrun, má náš vesmír celých 11 rozměrů. Tyto jeho další rozměry mohou být něčím velkým a neomezeným, nebo naopak něčím svinutým, tak malinkým, že to není možné zjistit žádnou ze současných existujících metod. Je zcela pravděpodobné to, že kvůli tomu my - lidé můžeme vnímat jenom tři prostorové rozměry a skutečnost existence dalších rozměrů se může objevovat pouze jako výsledek experimentů s mimořádně velkými energiemi, například těch, které se provádějí na velkém hadronovém urychlovači částic v CERN u Ženevy.

Samotná Einsteinova teorie nestanoví kolik přesně musí být ve vesmíru rozměrů. Ponechává prostor teoretickým fyzikům pro manévrování. Ti zkoumají obecnou teorii relativity z hlediska vyšších rozměrů pro ověřování její věrohodnosti. A právě pohled ze strany vyšších rozměrů umožnil výzkumným pracovníkům předložit hypotézu o možné existenci pětirozměrných černých děr, které mohou porodit holou singularitu.

Pro výpočty matematického modelu výzkumní pracovníci použili superpočítač COSMOS, který je v Cambridgské univerzitě. Jeho výkon a zdroje plně postačují pro modelování některých zvláštností obecné teorie relativity z hlediska vyšších rozměrů. Výsledky výpočtů provedených s využitím nových metod modelování ukázaly, že prstencové černé díry jsou značně nestabilními útvary. Prakticky během celé doby existence se prstencové černé díry snaží vrátit se ke klasickému kulovitému tvaru, v němž singularita zůstává obklopena horizontem událostí. Procesy takové transformace probíhající v pěti rozměrech vedou k vzniku výdutí, jejichž vzájemné vazby jsou stále slabšími a nakonec se odtrhují vytvářeje tím holou singularitu.

Podle vědců, čím lepší a přesnější výsledky se získávají, tím více záhad při zkoumání obecné teorie relativity z hlediska vyšších rozměrů vzniká. Některé skutečnosti vyplynuvší z modelování poukazují na to, že náš vesmír je složitější než se v současnosti jeví. Je zcela pravděpodobné, že v něm jsou nikoli čtyři, ale mnohem větší počet rozměrů, které zatím nejsme s to vnímat.

Stejně tak je tomu i s počtem rozměrů u černých děr. Uvažuje se o existenci mnohorozměrných černých děr, konkrétně pětirozměrných a zkoumá se jaké by to mělo důsledky, kdyby se to potvrdilo.

Mnohorozměrná černá díra (v uměleckém podání)

Současný kosmologický model funguje celkem dobře popisuje-li čtyřrozměrný vesmír, dostupný našemu vnímání. Dostane-li se však teorie o existenci velkého počtu rozměrů nezpochybnitelné důkazy, pak budou vědci potřebovat něco nového, alternativu, která umožní dát dohromady to, co je nám známé, s novými skutečnosti, které budou důsledkem získaných poznatků. Jednou z takových alternativ je teorie kvantové gravitace, která činí Einsteinovy rovnice nezávislými na pojetí singularity a zajistí popis fyzikálních zákonů, které působí v bezprostřední blízkosti singularity.