Co je kvantová gravitace a proč ji hledáme?
Gravitaci velmi dobře popisuje obecná relativita, částice zase kvantová fyzika. V nejextrémnějších podmínkách potřebujeme obě současně. Kvantová gravitace je označení pro hledaný společný popis, jehož úplnou a experimentálně potvrzenou podobu dosud nemáme.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Dva úspěšné pohledy na tentýž svět
Obecná relativita popisuje gravitaci prostřednictvím geometrie prostoročasu. Hmota a energie tuto geometrii ovlivňují a geometrie zase určuje pohyb těles i světla. Tak počítáme například ohyb světla u Slunce nebo gravitační vlny.
Kvantová fyzika popisuje stavy částic a polí, jejich pravděpodobnosti a měření. V mnoha výpočtech kvantové teorie pole je geometrie prostoru a času předem zadaná. Právě její vlastní kvantové chování představuje další krok.
Co když se má kvantově chovat i prostor a čas?
Pro analogii si představme divadelní hru: částice jsou herci a prostoročas je jeviště. V běžném výpočtu polí známe tvar jeviště. Obecná relativita ale říká, že i ono se podle dění proměňuje.
Chceme-li postupovat důsledně kvantově, potřebujeme popsat i možné kvantové stavy samotné geometrie a jejich vztah k hmotě. Nestačí vždy jen přidat další částici do jinak neměnného prostoru. Jeviště je zde pouze přirovnání; skutečný prostoročas má tři prostorové a jednu časovou dimenzi.
Kde očekáváme, že bude spojení důležité
Výrazné kvantové projevy gravitace očekáváme zejména při snaze popsat nejranější fáze vesmíru nebo krajní podmínky uvnitř černých děr. Klasický výpočet tam může dojít k singularitě, například k neomezenému růstu některých veličin. To je důvod hledat úplnější teorii.
Samotná velká hmotnost nebo existence horizontu událostí ještě nezaručuje, že budou místní kvantové opravy geometrie velké. Rozhodující jsou také měřítko děje a zakřivení prostoročasu.
Co už jde počítat a kde je hranice
Gravitaci umíme při dostatečně nízkých energiích zpracovat jako efektivní kvantovou teorii. To znamená teorii použitelnou v určitém rozsahu podmínek; umožňuje počítat drobné kvantové opravy, aniž známe úplný popis při libovolně vysokých energiích.
V takovém přiblížení vystupuje graviton, hypotetické kvantum gravitačního pole. Jednotlivý graviton jsme dosud nezachytili. Pozorování gravitačních vln potvrzuje předpovědi obecné relativity, samo však neprokazuje jednotlivá gravitační kvanta.
Jaké cesty fyzici zkoumají
Mezi směry výzkumu patří teorie strun, která nahrazuje základní bodové objekty jednorozměrnými strunami, a smyčková kvantová gravitace, která se zaměřuje na kvantové vlastnosti geometrie. Existují i další přístupy.
Každý má své výsledky i otevřené otázky. Žádný zatím nemáme experimentálně potvrzený jako úplný popis kvantové gravitace. Rozhodující bude předpověď, kterou lze spolehlivě odlišit od ostatních možností a ověřit měřením.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Kvantová gravitace má společně popsat kvantové jevy i dynamickou geometrii prostoročasu. Pro nízké energie už existuje účinný výpočetní postup; úplný ověřený popis extrémních podmínek stále hledáme.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)