10 najväčších fyzikálnych hlavolamov našej doby - spektrum vedy
Znalosti: 10 najväčších fyzických hádaniek našej doby
Keď Max Planck na konci 19. storočia vyjadril želanie študovať fyziku u profesora fyziky, povedali mu, že v podstate je všetko známe. Vo fyzike existujú iba nepodstatné medzery. Planck sa nenechal odradiť a ako spoluzakladateľ kvantovej fyziky spôsobil revolúciu v našom obraze sveta.
Teraz je nesporné, že fyzika ešte zďaleka neskončila. Čím rozsiahlejšie vedomosti, tým väčšie hádanky! Toto je našich desať obľúbených z najväčších hádaniek vo fyzike:
Z vesmíru na nás neustále prší nespočetné množstvo drobných častíc. Medzi nimi je aj zopár takých, ktorí tu šumia s ohromujúco vysokou energiou. Vedci boli z ich objavu v roku 1991 natoľko ohromení, že pomenovali častice „častice Oh-My-God“ alebo „častice OMG“. Jeho pôvod je záhadný a jeho energia je alarmujúco vysoká: asi 20 miliónovkrát prevyšuje obyčajné častice z vesmíru. Dostať úder časticou OMG by malo pocit, akoby vás tvrdo zasiahol bejzbal. Našťastie sú častice veľmi zriedkavé a atmosféra ich tiež skoro spomalí.
Väčšina kozmických lúčov pochádza z atmosféry hviezd, výbuchov supernov alebo rôznych vysokoenergetických procesov. Astrofyzici predpokladajú, že pôvodom častíc OMG sú určité galaxie alebo jadrá galaxií, takzvané kvasary. Nedávno zistili, že častice skutočne pochádzajú zo smeru konkrétnej hviezdokopy. Ak by však častice skutočne odtiaľ pochádzali, stratili by na svojej ceste na Zem príliš veľa energie a nedorazili by sem týmto rýchlym tempom - zjavný rozpor.
Vedci uvažujú o vysokoteplotných supravodičoch od objavu týchto materiálov pred 27 rokmi: Vedú elektrinu bez odporu a pri teplotách, pri ktorých by sa tento jav v skutočnosti nemal vyskytnúť.
Keď elektrický prúd preteká našimi káblami, časť energie sa vždy stratí. U supravodičov to tak nie je: Správajú sa bez straty energie za predpokladu, že sú ochladené hlboko pod nulou. Na rozdiel od vysokoteplotnej supravodivosti je pochopený základný princíp. Je založený na tvorbe elektrónových párov, takzvaných Cooperových párov. Takéto páry sa môžu vytvárať pri veľmi nízkych teplotách a bez odporu migrujú cez materiál vodiča. Fyzici majú podozrenie na podobné mechanizmy aj pri vysokoteplotných supravodičoch, presný model sa im však zatiaľ nepodarilo predstaviť. Ale aj keby človek pochopil tento jav, použitie týchto vodičov by bolo obmedzené. Pojem „vysoká teplota“ je potrebné vidieť relatívne: Teploty okolia, pri ktorých vykazujú supravodivé vlastnosti, sú stále veľmi nízke, sú mínus 140 stupňov Celzia a chladnejšie. Napriek tomu by sa v budúcnosti vysokoteplotné supravodiče mohli stať alternatívou k konvenčným vodičom, prinajmenšom v rámci špeciálnych aplikácií. A ktovie, možno sa otvoria nové možnosti, keď pochopíte, ako to funguje.
Znie to obludne: tmavá diera, ktorá záhadne prehltne všetko. Astrofyzici ich nazývajú čierne diery, ale nevedia presne, ako tieto štruktúry fyzicky opísať. Vznikajú, keď veľmi hmotná hviezda spotrebovala svoju energiu a zrútila sa vďaka gravitácii. Podľa teórie relativity táto neuveriteľne zhutnená hmota deformuje priestor a čas tak silno, že všetko je „prehltnuté“, aby už nikdy nebolo vidieť. Číha tu veľký problém. Pretože čierna diera by potom bola schopná ničiť informácie. Kvantová mechanika však tvrdí, že akékoľvek informácie, ktoré sa tam nachádzali, teda pôvodná konfigurácia častíc, sa dajú vždy z konečných produktov rekonštruovať. Čo však v prípade, ak je konečný produkt práve preč? Informácie by potom boli nenávratne stratené. Nejeden fyzik spochybnil tento paradox existencie čiernych dier. Iní špekulujú, že veľmi silná deformácia času a priestoru by mohla vytvoriť uzavreté časopriestorové slučky. To by možno umožnilo cestovanie v čase. Vizionársky výskum alebo len sci-fi? Čierne diery zostávajú nevysvetliteľnou a fascinujúcou kapitolou fyziky.
Turbulencia - inými slovami vírenie v kvapalinách alebo plynoch - sa pre fyzikov ukázalo ako neuveriteľne tvrdý oriešok. Po mnoho desaťročí hľadali teoretický model, ktorý by dokázal úplne popísať také turbulentné pohyby. Bez úspechu. Turbulencie sú takým každodenným javom: keď fúka vietor, voda vrie na sporáku alebo miešame mlieko v káve. Všetky turbulentné pohyby sú súčasťou nelineárnej dynamiky, ku ktorej patrí aj výskum chaosu. Systémy tohto druhu sú mimoriadne citlivé. Malé poruchy alebo minimálne zmenené podmienky na začiatku môžu viesť k úplne inému správaniu. To znemožňuje (zatiaľ) z dlhodobého hľadiska predvídať vývoj turbulentného pohybu. Fyzici však naďalej trpezlivo hľadajú univerzálne zákony, ktoré sú vlastné všetkým turbulenciám. Všeobecne platný popis by mal veľký význam, pretože by sa dal použiť v najrôznejších oblastiach: pri predpovedi počasia, minimalizácii odporu vzduchu, pri komplikovaných vozidlách alebo dokonca pri výskume formovania galaxií.
Náš vesmír by neexistoval bez gravitácie - ale to, ako funguje, ešte nebolo presvedčivo objasnené. Zdá sa to byť zrejmé: drží nás to na zemi, planéty na ich obežných dráhach a galaxie spolu. Isaac Newton už na konci 17. storočia poznal, že davy sa navzájom lákajú. Podľa Einsteinovej teórie relativity je to však trochu komplikovanejšie: Gravitácia nepôsobí priamo medzi telami, ale hmotnosť tela spočiatku iba deformuje priestor a čas. Vesmír má preto veľa priehlbín a výtlkov. Telá inklinujú k prehĺbeninám, čo sa pre nás nakoniec prejaví na príťažlivosti davov. Na overenie tejto teórie hľadajú fyzici takzvané gravitačné vlny. Tie by mali byť emitované zrýchlenými masami, šíriť sa priestorom rýchlosťou svetla a natiahnuť a stlačiť. Zatiaľ sa však podarilo nájsť iba nepriame dôkazy o ich existencii.
Nie je tiež jasné, či existuje výmenná častica gravitácie, ktorá funguje ako nosič sily - podobne ako v prípade ostatných troch základných fyzikálnych síl. Niektoré teórie k tomu predpokladajú takzvaný graviton. Pretože však prenášaná sila je veľmi malá, dosiaľ nebolo možné skutočne dokázať existenciu gravitónov. Fyzici nemôžu pochopiť, prečo je gravitácia taká slabá v porovnaní s ostatnými tromi základnými silami - táto skutočnosť vedie vo fyzikálnych modeloch dokonca k značným problémom. Veľa otázok, takmer žiadne odpovede. Gravitácia je a zostane zatiaľ tajomstvom!
10, 11 alebo dokonca 26 - kto ponúka viac? Takmer sa zdá, akoby fyzici svojimi modelmi vynikali počtom rozmerov. Ako však vyzerajú? Je ťažké si predstaviť, že okrem troch priestorových dimenzií zhora nadol, spredu-zozadu a zľava-doprava existujú aj ďalšie rozmery. Albert Einstein ako prvý rozpoznal, že je potrebné pridať čas ako štvrtú os k predtým trojrozmernému súradnicovému systému X-Y-Z, aby sa mohla realita opísať matematickejšie správne. Tento štvorrozmerný časopriestor bol revolúciou vo fyzike.
Zatiaľ nedošlo k pokračovaniu: experimentálne sa nepreukázala ani jedna ďalšia dimenzia. To však fyzikom nebráni v zavádzaní ďalších dimenzií takmer inflačným spôsobom. Rovnako rozdielne ako teórie, rovnako rozdielne ako počet: Ak si teória strún poradí s desiatimi dimenziami, vyžaduje M-teória a slučková kvantová gravitácia jedenásť a bozónová teória strún dokonca 26. Pre koncept reality by však bolo veľmi užitočné poznať presný počet rozmerov a ich dopad na svet. Ale zatiaľ človek ani len nechápe podstatu štvrtej dimenzie, času.
Slnko, mesiac a hviezdy - nebeské telesá, ktoré poznáme, nie sú v žiadnom prípade všetko, čo sa vo vesmíre vyskytuje. Podľa súčasného stavu poznania náš vesmír tvorí iba asi päť percent hmoty, ktorú poznáme. Za tento predpoklad hovoria astronomické javy: Napríklad odstredivá sila by okamžite rotovala galaxie od seba, nebyť neviditeľnej hmoty, ktorá drží galaxie pohromade. Nevieme, ako vyzerá táto takzvaná temná hmota. Pretože okrem nepriamo - prostredníctvom jeho gravitačného účinku - to ešte nebolo dokázané. Astronómovia odhadujú, že predstavuje asi 27 percent hmotnosti vesmíru.
Predpokladá sa, že najväčší podiel hmoty je za predtým neznámou formou energie. V dôsledku gravitačného pôsobenia más by sa vesmír musel rozpínať čoraz pomalšie. Ale je to naopak. Vedci predpokladajú, že za čoraz rýchlejšou expanziou je hnacia sila, takzvaná temná energia. Pôsobí proti gravitácii a naďalej nafukuje vesmír. Keďže na energiu sa dá vždy pozerať ako na hmotu, dá sa vypočítať príspevok tmavej energie k celkovej hmotnosti vesmíru: Podieľa sa asi 68 percentami. Vesmír je preto plný hmoty, ktorá je uzavretá nielen pre naše vnímanie, ale aj pre všetky doteraz sofistikované detekčné metódy!
Nebolo by pekné mať jedinú teóriu, z ktorej možno odvodiť všetky fyzikálne zákony? Mnoho slávnych fyzikov, vrátane Einsteina, považovalo túto predstavu nielen za lákavú, ale za prijateľnú. Vaše hľadanie tohto jedného „svetového vzorca“ však bolo márne. Napriek tomu je aj dnes veľa vedcov presvedčených, že musí existovať alebo by mohla existovať aspoň jedna zjednocujúca teória. Prvým veľkým krokom by bola takzvaná „Grand Unified Theory“ (GUT). Mal by odvodzovať tri zo štyroch základných fyzikálnych síl z jednej základnej sily: (i) elektromagnetická, (ii) slabá interakcia, ktorá sa podieľa na procesoch rozpadu a transformácie, a (iii) silná interakcia, ktorá drží atómové jadrá pohromade. Pretože tieto tri sily majú podobnú matematickú štruktúru, majú fyzici podozrenie, že existencia GUT je pravdepodobná.
V súčasnom svetovom vzorci alebo „teórii všetkého“ (TOE) by človek musel prispôsobiť aj štvrtú silu, gravitáciu. Očakávania TOE sú vysoké: malo by to vysvetliť podstatu temnej hmoty a temnej energie, ako aj veľa javov v histórii nášho vesmíru. Horúcimi kandidátmi na svetový vzorec sú M-teória (zovšeobecnená a rozšírená teória strún) a slučková kvantová gravitácia. Obidve teórie však stále čelia významným problémom a ani zďaleka nie sú schopné slúžiť ako komplexný opis. Je ťažké hľadať niečo, o čom neviete, či to v skutočnosti existuje.
Môže to znieť ako mágia: častice, ktoré sú na viacerých miestach súčasne alebo ktoré sú navzájom spojené na diaľku. S kvantovo mechanickými časticami je to však realita a označuje sa ako nelokalita a zapletenie. Posledne menovaný Einstein posmešne označoval ako „strašidelnú akciu na diaľku“, pretože v tom čase neboli spomínané javy kompatibilné s predtým platnou fyzikou. V spleti sú dve častice, ktoré sa predtým javili ako pár, po svojom priestorovom oddelení stále navzájom spojené. Merania na jednej častici majú okamžitý vplyv na stav druhej častice bez časového oneskorenia.
Navyše nie je možné uviesť presné polohy pre kvantovo mechanické častice. Namiesto toho poskytuje matematický vzorec iba pravdepodobnosť, s akou sa častica nachádza na rôznych miestach vo vesmíre. Kvantová mechanická realita je preto superpozíciou mnohých stavov. Takéto javy boli mnohokrát dokázané v experimentoch a kvantová mechanika poskytla aj príslušné teoretické modely. Nikto však nevie, do akej miery sú kvantovo mechanické javy v skutočnosti súčasťou našej reality a aké dôsledky by to malo: Je všetko spojené? A existujú vôbec paralelné vesmíry, v ktorých sú realizované všetky kvantovo-mechanicky možné stavy? Takéto špekulácie už viedli k mnohým kontroverziám medzi fyzikmi. Jedna vec je však istá: kvantová mechanika nám ukazuje hranice nášho intelektu. Pravdepodobne má svet úplne inú štruktúru, ako si myslíme na základe našich každodenných skúseností. To by bolo možné vysvetlenie toho, prečo sa nám určité veci javia ako kúzla.
Ako sa to všetko začalo a ako sa to skončilo? Existuje vôbec začiatok a koniec? Nielen filozofi sa zaoberajú týmito otázkami. Pre fyzikov je história aj budúcnosť vesmíru možno tou najzákladnejšou hádankou vo fyzike. Teória veľkého tresku sa považuje za relatívne istú a hovorí sa v nej, že všetko - teda hmota, priestor a čas - vzniklo z neuveriteľne hustého bodu, takzvanej singularity. Ale aj keď existuje veľa náznakov v prospech tejto teórie, fyzický popis tohto pôvodného stavu sa zatiaľ nenašiel a nenašiel sa ani pre prvé zlomky sekundy po „Veľkom tresku“. Pokiaľ ide o otázku osudu nášho vesmíru, konkrétna odpoveď nie je o nič lepšia. Jedna vec je istá: v súčasnosti sa rozširuje. Ako dlho je však nejasné. Možno sa to nikdy nezastaví. Možno sa vesmír tiež snaží dosiahnuť stacionárne konečné štádium, alebo dokonca dôjde k obratu v procese expanzie. Dôsledkom toho druhého by bolo obnovené stlačenie vesmíru - pravdepodobne späť do singularity. A možno sa potom všetko začne odznova. To by aspoň naznačovalo, čo sa stalo pred Veľkým treskom.