ČÁSTICE VE VLNÁCH Poblíž velkých hmot je tato deformace výraznější než daleko od nich. Gravitační síla pak vzniká tím způsobem, že gravitační pole ovlivňuje objekty v daném místě: síla míří přesně do směru, ve kterém pole gravitačního potenciálu klesá nejrychleji. Je to podobné, jako když se míček umístěný na šikmém hladkém povrchu začne pohybovat ve směru největšího spádu. Z matematického hlediska je Laplaceova teorie zcela ekvivalentní Newtonově teorii gravitace. Svou koncepcí však mnohem lépe odpovídá naší intuici, podle níž je veškerá fyzika (stejně jako politika) pouze lokální záležitostí. Není to tak, že by si Země na dálku přitáhla Měsíc. Místo toho Země ovlivňuje pole gravitačního potenciálu ve svém bezprostředním okolí, to pak ovlivňuje gravitační pole o kousek dál a ještě dál v postupném sledu až k Měsíci (a za něj). Gravitační síla není tajuplný jev, který dokáže vmžiku přeskočit od zdroje až do nekonečné vzdálenosti. Vzniká v důsledku plynulých změn neviditelného gravitačního pole, jež vyplňuje celý prostor.
Elektromagnetické pole Idea fyzikálního pole však plně dozrála až při studiu elektromagnetismu, nikoli gravitace. Existuje elektrické pole a také magnetické pole, ale fyzikové říkají „elektromagnetismus“. Toto jediné slovo naznačuje, že jsou to jenom dva odlišné projevy jednoho a téhož pole. Jejich vzájemná provázanost ale nebyla poměrně dlouhou dobu zřejmá. Magnetismus znalo lidstvo od pradávna. Čínská dynastie Chan používala magnetické kompasy už před dvěma tisíciletími. Také elektřina byla známa, ať už coby elektrické šoky úhořů anebo elektrostatické působení jantarů, poté co byly třeny látkou. Souvislost obou fenoménů poznal Benjamin Franklin: mezi pouštěním draků a podněcováním k rebelii ukázal, že elektřinou je možno magnetizovat jehly. Vše ale do sebe jasně zapadlo až v roce 1820, kdy dánský fyzik Hans Christian Ørsted konal přednášku o podstatě elektřiny a magnetismu. Ørsted vymyslel chytrý způsob, jak demonstrovat hypotetickou souvislost mezi oběma jevy. Sestavil elektrický obvod, kterým mohl téci proud, a do jeho blízkosti umístil kompas. Hodlal sledovat, jestli se magnetická střelka vlivem elektrického proudu vychýlí. Okolnosti bohužel Ørstedovi zabránily, aby si pokus nejdříve vyzkoušel sám někde v klidu laboratoře. Tudíž se rozhodl riskovat a experiment provést naostro až při přednášce před shromážděným davem. Byl přesvědčen, že pokus se musí podařit… a také že ano. Zapnul přepínač, elektrický proud začal téci drátem a on spatřil malé, ale nezpochybnitelné zachvění střelky kompasu.
103
CASTICE NA KONCI VESMIRU - Carroll - ZIP.indd 103
17.3.2014 13:02:26 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS194326
ČÁSTICE NA KONCI VESMÍRU Dle Ørstedova vlastního svědectví byl efekt docela malý a posluchačstvo nezaujal. Od onoho dne však již elektřina a magnetismus navždy splynuly v jediný obor, elektromagnetismus. Díky práci dalších vědců, jako byli Michael Faraday a James Clerk Maxwell, pak vznikla sofistikovaná teorie elektromagnetického pole. Ta umožnila zodpovědět spoustu konkrétních otázek ohledně dynamiky elektřiny a magnetismu. Co se například stane, když vezmete elektrický náboj a zatřesete s ním? (Stejnou otázku si můžeme položit i v případě gravitace. Gravitační interakce je ale tak slabá, že je obtížné příslušnou odpověď experimentálně ověřit.) Když začnete nábojem periodicky pohybovat, vzniknou v elektromagnetickém poli vlny. Tyto vlny se šíří pryč od zdroje, podobně jako vlnky na vodní hladině šířící se z místa dopadu kamínku. Pro takové elektromagnetické vlny máme hezké pojmenování: světlo. Zmáčknete-li vypínač v místnosti, začne vláknem žárovky protékat elektrický proud a zahřeje ho. Díky zahřátí začnou atomy ve vláknu oscilovat a s nimi i elektrony, což vyvolá vlny elektromagnetického pole. Tyto vlny putují do vašeho oka a vy je vnímáte jako světlo. Ztotožnění světla s vlnami elektromagnetického pole bylo dalším z velkých triumfů sjednocované fyziky. Následující krok jsme udělali, když jsme si uvědomili, že to, co nazýváme viditelným světlem, jsou elektromagnetické vlny jen určitých vlnových délek – takových, jaké zachytí naše oko. Elektromagnetické vlny s kratšími délkami zahrnují rentgenové paprsky a ultrafialové záření, zatímco větší vlnové délky má záření infračervené, mikrovlnné a rádiové vlny. Faradayovy a Maxwellovy představy byly skvělým způsobem potvrzeny v roce 1888, když německý fyzik Heinrich Hertz rádiové vlny experimentálně poprvé vytvořil a zaznamenal. Namíříte-li dálkový ovladač a zapnete jím televizi, vypadá to jako působení na dálku, ale skutečnost je jiná. Jakmile zmáčknete příslušné tlačítko ovladače, začnou v jeho obvodu oscilovat elektrické proudy. Ty vyvolají elektromagnetické vlny, jež putují k přijímači v televizoru, a tam je podobný obvod zachytí. V našem moderním světě elektromagnetické pole využíváme k neuvěřitelné spoustě užitečných věcí: osvětluje naše domovy, posílá informace mezi mobily a počítači v síti, ohřívá nám jídlo v mikrovlnce. To vše je způsobeno oscilujícími elektrony, jež vyvolávají elektromagnetické vlny v příslušném fyzikálním poli. To ale Hertz pochopitelně nemohl předvídat. Když se ho ptali, k čemu by mohlo jeho zařízení na detekci rádiových vln být užitečné, odvětil: „Je úplně k ničemu.“ Když ho pobízeli, aby navrhl nějakou praktickou aplikaci, řekl: „Myslím, že žádná neexistuje.“ To je, podle mého soudu, velmi užitečná historka, když uvažujeme o případných aplikacích dnešního základního výzkumu.
104
CASTICE NA KONCI VESMIRU - Carroll - ZIP.indd 104
17.3.2014 13:02:26 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS194326
ČÁSTICE VE VLNÁCH Gravitační vlny Jakmile fyzikové pochopili souvislost mezi elektromagnetickými jevy a světlem, začali se zajímat o to, zda něco podobného nefunguje i v případě gravitace. Možná to zní jako čistě akademická otázka, protože k vytvoření měřitelného gravitačního pole potřebujeme obrovské objekty velikosti hvězdy, planety či měsíce. Je nepředstavitelné, že bychom vzali celou naši zeměkouli a začali jí třást, abychom vygenerovali gravitační vlny. Pro vesmír to ale není vůbec žádný problém. Naše galaxie je doslova přeplněná binárními systémy, jež tvoří dvě hvězdy obíhající kolem společného těžiště. Každý takový dvojhvězdný systém by měl vytvářet vlny v gravitačním poli. Opravdu ale takové gravitační vlny existují? Je zajímavé, že v Newtonově ani Laplaceově popisu gravitace žádné gravitační záření neexistuje. Klasická teorie říká, že při pohybu planet a hvězd se vzájemné gravitační působení uskutečňuje okamžitě a bezprostředně napříč celým vesmírem. Nejde o postupné šíření v podobě vln, ale o náhlou změnu ve všech místech. To je pouze jeden z důvodů, proč Newtonova teorie gravitace již dobře nezapadá do nového a širšího fyzikálního rámce, jenž se vyvinul od 19. století. Elektromagnetismus a zejména s ním spojená klíčová role rychlosti šíření světla se stal opravdu zásadní inspirací pro Alberta Einsteina, když v roce 1905 tvořil speciální relativitu. Podlé této teorie se nic nemůže pohybovat nadsvětelnou rychlostí, a to dokonce ani hypotetické změny gravitačního pole. Něco se muselo zásadně změnit. Po deseti letech usilovné práce dokázal Einstein vytvořit úplně novou teorii gravitace, která nese název obecná relativita. Ta zcela nahradila předchozí Newtonovu teorii gravitačních sil. Podobně jako v Laplaceově verzi Newtonovy gravitace Einstein popsal gravitační působení pomocí spojitého fyzikálního pole, které je definováno v každém bodě prostoru. Einsteinovo gravitační pole je ale matematicky mnohem složitější. Není to jenom gravitační potenciál, který je v každém bodě prostoru určen jediným číslem, ale objekt zvaný „metrický tenzor“. Ten je v každém bodě charakterizován souborem deseti nezávislých čísel. Tato matematická složitost je příčinou, proč je obecná relativita pokládána za obtížnou teorii. Její základní myšlenka je ale prostá a současně hluboká: metrika popisuje zakřivení prostoročasu. Podle Einsteina je gravitace deformací prostoru a času, tedy specifickou změnou vzdáleností a běhu času v různých oblastech vesmíru. Když řekneme, že „gravitační pole je nulové“, znamená to, že prostoročas je plochý, a tudíž v něm platí běžné zákony euklidovské geometrie, které známe ze střední školy. Jedním z pěkných důsledků obecné teorie relativity je skutečnost, že podobně jako v případě elektromagnetismu se vlny gravitačního pole šíří rychlostí
105
CASTICE NA KONCI VESMIRU - Carroll - ZIP.indd 105
17.3.2014 13:02:26 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS194326