Záhada mocné gravitace: Co způsobuje a jak se projevuje základní síla ve vesmíru? (2.)

V přechozí části článku došel Isaac Newton k závěru, že na těleso s větší hmotností sice působí větší gravitační síla, ta však zároveň musí vykonat víc práce, aby jej uvedla do pohybu. Ve výsledku tedy gravitační síla uděluje všem objektům stejné gravitační zrychlení, a můžeme-li zanedbat další vlivy – například odpor vzduchu –, získali jsme právě teoretickou interpretaci Galileových experimentů s různě těžkými koulemi. 

Předchozí část: Co způsobuje a jak se projevuje základní síla ve vesmíru? (1.)

Iluzorní beztíže v kosmu

Newtonův zákon obecné gravitace nás ovšem přivádí k paradoxu. Gravitační síla působící na astronauta na palubě Mezinárodní vesmírné stanice odpovídá asi 9/10 hodnoty gravitační síly působící na téhož astronauta na povrchu naší planety. Jak je tedy možné, že zmíněný člen posádky nespadne i s celou stanicí stejně jako na Zemi, byť o něco pomaleji?

Tíže a gravitační síla totiž nejsou totéž. Tíže představuje výslednici mnoha sil působících na těleso, přičemž gravitace je pouze jednou z nich. Ostatně i na povrchu naší planety se tíhové zrychlení liší od gravitačního. Země se totiž otáčí, a všechny objekty tak ovlivňuje rovněž odstředivá síla. Až na oblasti zemských rotačních pólů je tudíž tíhové zrychlení – tedy to, které ve výsledku pociťujeme například i my – menší než zrychlení gravitační. 

Na palubě Mezinárodní vesmírné stanice pak nastává stejný efekt: ISS obíhá kolem Země po téměř kruhové trajektorii, a na astronauty proto působí odstředivá síla. Fyzikální zákony tomu chtěly, že má-li být oběžná dráha stanice stabilní, musejí se gravitační i odstředivá síla nacházet právě v rovnováze. Výslednice je tudíž nulová a astronauti se skutečně pohybují v beztížném stavu. 

Rovnováha mezi odstředivou silou a gravitací má však ještě jeden zajímavý rozměr: Umožňuje totiž velmi snadno vytvořit prostředí s „umělou gravitací“, i když teď již víme, že bychom měli mluvit spíš o „umělé tíži“. Stačí kosmickou loď uvést do rotace a odstředivá síla pak roli gravitace plně zastane. Mimochodem, zmíněný koncept není cizí autorům vědecko-fantastických románů – vzpomeňme například slavnou Vesmírnou odyseu Arthura C. Clarka. 

Na tahu je relativita

Newtonova interpretace pohybů těles však v moderní době narazila na obtíže. Planety velmi dobře „poslouchaly“ zákon všeobecné gravitace, dokonce se díky jeho aplikaci podařilo v roce 1846 objevit posledního člena Sluneční soustavy, Neptun. Uran se totiž na své trajektorii vytrvale odchyloval od předpovědi, jež započítávala gravitaci Slunce a posléze i rušení velkých planet – a Anders J. Lexell z toho v roce 1781 usoudil, že se na periferiích musí nacházet ještě další objekt, který s Uranem „cloumá“. 

Při výpočtech pozice neznámého člena našeho solárního systému uspěl Francouz Urban Le Verrier a 23. září 1846 pak Němec Johann G. Galle nalezl hledanou planetu necelý 1° od propočítané polohy. Situaci se tak povedlo opět uvést „do normálu“ – až na pohyb nejbližšího souseda Slunce, Merkuru, který vzdoroval. Jeho dráha se v prostoru neustále stáčela o 43″ (úhlových vteřin) za tropické století oproti předpovědi se započtením všech známých gravitačních vlivů. A ke kýženému výsledku nevedl ani podobný krok jako v případě Uranu – tedy hledání další planety. 

Odchylky v pohybu Merkuru vysvětlila až obecná teorie relativity, kterou v roce 1915 publikoval Albert Einstein. Geniální fyzik spojil do té doby oddělené klasické pojmy „prostor“ a „čas“ do jednoho „prostoročasu“, v němž mohou hmotná tělesa vytvářet odchylky od rovinné – eukleidovské – geometrie. Fyzikové tak o obecné teorii relativity často hovoří jako o geometrické teorii gravitace. 

Představme si pro jednoduchost časoprostor jako natažené pružné plátno: V případě absence jakýchkoliv objektů bude perfektně rovné. Pokud v takovém systému vypustíme malou kuličku, bude se po plátně pohybovat rovnoměrně přímočaře, přičemž tření a valivý odpor přirozeně zanedbáváme. Co se však stane, jestliže do našeho prostoročasu vložíme hmotný objekt? Plátno se v jeho okolí prohne a vržená kulička se již kolem takového tělesa nebude pohybovat rovnoměrně přímočaře – prohlubenina její pohyb ovlivní a kulička se vydá po takové trajektorii, aby úsek mezi dvěma body urazila v nejkratším čase. Bude se pohybovat po tzv. geodetice, a dosáhne-li její rychlost „správného“ směru i velikosti, bude dokonce po plášti prohlubeniny neustále kroužit po uzavřené kuželosečce – úplně stejně jako planety obíhají kolem Slunce. Newtonův zákon všeobecné gravitace tudíž představuje speciální případ Einsteinovy obecné teorie relativity. 

Avšak i světlo, které v klasickém pohledu na gravitaci nereaguje, neboť fotony jsou nehmotné, musí následovat křivky časoprostoru. Jeho trasu tedy v našem modelu ovlivní přítomnost hmotných objektů. Astrofyzikové mluví o efektu gravitačního ohybu, odkud není daleko ke gravitační „optice“ a gravitačním čočkám. Ověření tohoto důsledku obecné teorie relativity přišlo záhy: Již v roce 1919 změřil Arthur Eddington gravitační ohyb světla vzdálených hvězd okolo Slunce, a to při úplném zatmění, které bylo pozorovatelné 29. května uvedeného roku v jižní Africe. Hvězdy se v důsledku gravitačního ohybu zdály být od slunečního disku dál, než se měly nacházet podle katalogů a srovnávacích snímků pořízených o půl roku později. Změřená odchylka se pak ukázala být v souladu s předpovědí teorie relativity. 

Co je lepší než obecná relativita?

Obecná teorie relativity však nejspíš nemá poslední slovo v popisu pohybu částic a těles v gravitačních polích. Nefunguje totiž na mikroskopických škálách, kde svět naopak velmi dobře popisuje kvantová mechanika, jež je ovšem s obecnou teorií relativity neslučitelná. Jenže vesmír okolo nás je jen jeden, a měl by jej tedy beze zbytku obsáhnout jediný fyzikální koncept. Není přirozené, aby makrosvětu odpovídala jedna teorie a mikrosvětu druhá. 

Fyzikové vždy hledají sjednocující zjednodušení. Tři z uvedených interakcí – elektromagnetickou a silnou a slabou jadernou – se již podařilo sloučit v teorii velkého sjednocení. Jde o hypotetický konstrukt: dochází k němu při vysokých energiích, kdy není možné uvedené tři interakce rozlišit, přičemž se postupně „odštěpují“ s klesající teplotou a tlakem. V současnosti se sice teorie velkého sjednocení prakticky nerealizuje, ale v raném kosmu tomu zřejmě bylo jinak (více v minulém vydání Tajemství vesmíru).

Spojení s ostatními popisy se tak brání jen gravitace a odhalení tzv. teorie všeho by představovalo velký průlom v současném chápání fyziky. Dost možná by nám chování gravitace na kvantové úrovni mohlo poskytnout důležité svědectví k pochopení již zmíněné temné energie. Jedná se totiž o další z hypotéz vysvětlujících původ a vlastnosti této podivné vesmírné substance. Nicméně experimenty studující projevy gravitace na mikroskopických škálách jsou nesmírně obtížné, a proto jde prakticky o „pole neorané“. Teoretické předpovědi se pohybují v rozsahu od normálního chování gravitace přes její vymizení na kvantové úrovni až po obrácení znaménka.