9. augusta 2018
Čítaní: 74
KN 32/2018 | Téma
Stephen Hawking mal fantáziu a veľkú dávku matematickej zručnosti
„Vesmír, som tu!“ povedal Stephen Hawking (1942 – 2018) s nadšením, keď si v roku 2007 v špeciálne upravenom lietadle vyskúšal stav nulovej gravitácie. Tento geniálny vedec spopularizoval vedu, fyziku a kozmológiu ako nikto pred ním. Miliónom ľudí dokázal zrozumiteľne a vtipne pretlmočiť, čo to vlastne znamená, keď povieme vesmíru, že sme tu.

Svet sa so známym anglickým teoretickým fyzikom Stephenom Hawkingom navždy rozlúčil v marci tohto roka. Je symbolické, že uplynulo 30 rokov od vydania jednej z najznámejších populárno-vedeckých kníh všetkých čias Stručná história času. V nej Hawking doslova sprístupnil vesmír ľuďom, ktorí síce nemusia ovládať matematiku a fyziku, no odpovede na základné otázky života neustále hľadajú. Viac som sa o myšlienkach tohto pozoruhodného človeka dozvedel od teoretického fyzika, vedca Martina Scholtza. 

Hawkingov efekt: keď žiari, čo nežiari „Pochopenie základných vlastností priestoru, času a hmoty je určite najväčšia výzva fyziky. Je úžasné, že si tieto otázky vôbec môžeme klásť, pretože fyzik spred dvesto rokov by ani nechápal, aké problémy dnes fyzika rieši. Niektorí vedci veria, že nakoniec bude existovať jediná logicky konzistentná teória vesmíru, že prírodné zákony nemôžu byť iné, než sú. Einstein túto myšlienku vyjadril otázkou, či mal Boh nejakú voľnosť v tom, ako stvoriť svet. Hawking v závere svojej slávnej knihy Stručná história času ,provokuje‘ tvrdením, že ak nájdeme jedinú teóriu všetkého, pochopíme aj myseľ Boha. Obaja myslia Boha skôr metaforicky, je to len iné slovo pre prírodu. Čo sa týka viery, medzi vedcami nájdete, tak ako všade, všetky odtiene: od fanatických ateistov cez normálnych ateistov, cez agnostikov, normálnych veriacich až po fanatických veriacich. Všetkých však spája túžba vysvetliť náš svet a vesmír, a pochopiť aj naše miesto v ňom,“ hovorí Martin Scholtz. Pokračuje v náčrte prínosu Hawkinga vo fyzike: „Z hľadiska rozsahu tohto článku nemôžem všetko vysvetliť od základu a ani do dôsledku, čitateľov chcem skôr inšpirovať k ďalšiemu hľadaniu. Obdobie rokov 1960 – 1975, do ktorého spadá aj začiatok Hawkingovej kariéry, sa dnes nazýva zlatý vek všeobecnej teórie relativity, teda Einsteinovej teórie gravitácie. Vznikli vtedy nové matematické metódy, ktoré umožnili skúmať omnoho širšiu triedu problémov. Tento pokrok je spojený hlavne s menami Rogera Penrosea a Stephena Hawkinga, dokázali totiž, že singularita (miesto nekonečnej krivosti priestoročasu) je v strede každej čiernej diery, ale aj na začiatku rozpínajúceho sa vesmíru. Hawking potom zásadne prispel k matematike čiernych dier. Hoci sa zdá, že čierna diera nič nevyžaruje, len pohlcuje, práve on našiel mechanizmus, ktorým čierne diery môžu žiariť (a tak sa ,vyparovať‘). Vyžarovanie čiernych dier, dnes známe ako Hawkingov efekt, je veľmi slabý a pomalý proces. Teplota čiernej diery je tým menšia, čím väčšia je jej hmotnosť a pre realistické čierne diery je taká malá, že dnes, a ani v blízkej budúcnosti nebudeme schopní existenciu Hawkingovho žiarenia potvrdiť pozorovaním. Fyzikálna komunita však akceptuje Hawkingovo odvodenie, pretože je postavené na poznatkoch oboch pilierov modernej fyziky, všeobecnej teórie relativity a kvantovej teórie poľa, ktoré sú samy osebe potvrdené množstvom experimentov a pozorovaní, no práve s ich spojením je to už ťažšie...“ 

Struny a slučky znamenajú pokrok Spojenie oboch spomenutých veľkých teórií je nedoriešenou úlohou súčasnej fyziky. Kým všeobecná teória relativity výborne opisuje fungovanie vesmíru vo veľkých rozmeroch, zlyháva pri opise vesmíru v mikroskopických škálach, pre kvantovú teóriu poľa platí opak, preto zjednotením týchto teórií by ľudské poznanie urobilo ďalší krok k tomu, čo Hawking vnímal ako teóriu všetkého. Bol známy svojou genialitou, ale aj húževnatým prekonávaním dlhoročnej choroby: od roku 1968 bol pripútaný na vozíček a ochrnutie spôsobené amyotrofickou laterálnou sklerózou postupovalo natoľko, že od roku 1985 komunikoval už len pomocou špeciálneho počítača. Martin Scholtz uvádza: „Fyzici už desaťročia hľadajú zjednotenú teóriu, tzv. kvantovú teóriu gravitácie – zatiaľ však žiadnu uspokojivú teóriu kvantovej gravitácie nemáme. Hoci dva hlavné prístupy, teória strún a teória slučkovej gravitácie, dosiahli v tomto smere pozoruhodné pokroky. Kúzlo Hawkingovho objavu žiarenia čiernych dier spočíva aj v tom, že sa mu dá veriť bez kvantovej teórie gravitácie. Skutočné čierne diery sú také veľké, že v blízkosti ich horizontu sa nemusíme starať o kvantovú podstatu priestoročasu, a zároveň kvantové polia sú dostatočne slabé na to, aby sme nemuseli uvažovať o vplyve týchto polí na priesto ročas samotný. Inými slovami, v tomto režime si obe teórie navzájom ,nelezú do kapusty‘, takže môžeme použiť zvlášť všeobecnú teóriu relativity na opis gravitácie a zvlášť kvantovú teóriu poľa na opis žiarenia v danom gravitačnom poli. Keďže v tomto režime sú obe teórie veľmi dobre potvrdené, je aj Hawkingov výsledok dôveryhodný, hoci finálnu teóriu nepoznáme. Dôležité je, že Hawking inšpiroval výskum v oblasti kvantovej gravitácie a množstvo nových myšlienok; rovnako poukázal na miesta, kde si protirečia niektoré základné fyzikálne princípy. Nájsť uspokojivé riešenie týchto paradoxov je určite najväčšou výzvou fundamentálnej teoretickej fyziky. Hoci neskoršie Hawkingove práce možno označiť za sporné či špekulatívne, jeho práce v oblasti klasickej Einsteinovej všeobecnej teórie relativity a jeho objav vyparovania čiernych dier ho robia jedným z najdôležitejších fyzikov druhej polovice 20. storočia.“ 

Riešenie singularity: južný pól V roku 2015 prišiel do slovenských kín životopisný film o Stephenovi Hawkingovi Teória všetkého a mnohí ľudia vďaka nemu neskôr siahli po jeho knihách. Koho by nezaujali myšlienky o vzniku vesmíru – veľkého tresku, o kozmológii a fungovaní života? Hawking mal byť pôvodne lekár, no matematika a fyzika mu učarovali na celý život: dlhé roky pôsobil v pozícii lukasiánskeho profesora matematiky v Cambridgei, akým bol v minulosti aj Isaac Newton. Martin Scholtz rozvádza myšlienky o vzniku vesmíru: „Ako sme uviedli, v čiernej diere i na počiatku vesmíru, ktorý nazývame veľký tresk, vládne singularita, čiže nekonečne veľké zakrivenie priestoročasu. Hoci sa to ťažko predstavuje (mne sa to ešte nepodarilo), pojmy priestoru a času strácajú v takýchto extrémnych podmienkach svoj obvyklý zmysel. Opäť je to kvantová gravitácia, od ktorej očakávame, že okolnosti veľkého tresku opíše. Z hľadiska dnešnej fyziky nemá zmysel pýtať sa, čo bolo pred veľkým treskom. Plynutie času znamená, že sledujeme zmeny vesmíru okolo nás, či už ide o obiehanie planét alebo kmitanie kyvadla. Len vďaka tomu, že niečo sa mení, vieme, že čas plynie. To však vyžaduje, aby vesmír ako taký už existoval. Ak pred veľkým treskom nebolo nič, neexistuje žiadny pozorovateľ, ktorý by zaznamenal prechod od ničoho k niečomu. Slovami sv. Augustína: ,Vesmír nebol stvorený v čase, ale spolu s časom.‘ Poďme však späť k Hawkingovi. Jeden z jeho najznámejších príspevkov v kozmológii je jeho hypotéza ,žiadnej hranice‘ a je to pekná ukážka originality jeho myslenia. Aj čitatelia bez matematického vzdelania si azda zo strednej školy spomenú na imaginárne čísla. Imaginárne číslo vynásobené samo sebou dáva číslo reálne, ale záporné (na rozdiel od reálnych čísel, ktoré sú po umocnení na druhú vždy kladné). Kombinácie reálnych a imaginárnych čísel sa nazývajú komplexné čísla a pre matematiku sú veľmi dôležité. Sú dôležité aj pre fyziku, pretože sa s nimi dajú robiť rôzne triky, ktoré často zjednodušujú riešenie inak veľmi prácnych problémov. V klasickej fyzike sa vždy tvrdilo, že v experimente môže fyzik namerať vždy len číslo reálne (čo je pravda), to sa zmenilo s príchodom kvantovej mechaniky, ktorá sa bez komplexných čísel vôbec nedá vybudovať. Známa kvantovomechanická dualita medzi vlnami a časticami je priamym odrazom toho, že na fundamentálnej úrovni musíme objekty opisovať komplexnými, nie reálnymi číslami. Komplexné čísla majú pozoruhodnú schopnosť odstraňovať v niektorých prípadoch singularity. Predstavme si napríklad funkciu, ktorá v nejakom bode nadobúda nekonečné hodnoty (ako krivosť priestoročasu vo veľkom tresku). Ak teraz do tejto funkcie dosadíme miesto reálneho imaginárne číslo, niekedy sa stane, že výsledok je konečný a funkcia už nemá singularitu. Hawkingovi napadlo, či podobná operácia nemôže odstrániť aj singularitu veľkého tresku (ktorú sám predpovedal). A áno, matematicky to možné je! Fyzikálne by to však znamenalo, že keby sme sa v čase vracali do minulosti a blížili sa k singularite, čas by sa musel stať imaginárnym. Imaginárny čas by sa správal ako obyčajná priestorová súradnica, takže medzi priestorom a časom by blízko veľkého tresku nebol rozdiel. Názorne si to môžeme predstaviť tak, že singularita priestoročasu je ako nekonečne dlhý lievik, ktorého jeden koniec sa stále zužuje. Singularita je ako diera vo vývode tohto lievika. Ak by sme však celú situáciu opísali Hawkingovým imaginárnym časom, tento lievik by vyzeral ako povrch gule a veľký tresk by bol reprezentovaný jej južným pólom. V tomto obraze však žiadna singularita nie je, južný pól je bod gule ako každý iný, až na to, že viac na juh sa už ísť nedá. Povrch gule nemá žiadnu hranicu, preto sa nedá ísť ,pred‘ veľký tresk. Pekné na tom je, že tu jednou nohou stojíme na pôde čistého sci-fi, ale druhou na pevnej matematickej pôde. Tieto úvahy sú podopreté solídnymi výpočtami, len ich vzťah k fyzike zostáva nejasný. Chce veľkú dávku fantázie a veľkú dávku matematickej zručnosti, aby človek vymyslel alebo aspoň navrhol novú teóriu a zároveň rešpektoval známe poznatky a pravidlá matematiky. Hawking túto fantáziu aj zručnosť bezpochyby mal.“ 

Triumf ľudského myslenia Hawking prezentoval poznatky matematiky a fyziky vo viacerých prácach určených verejnosti. Okrem spomenutej Stručnej histórie času je známa Ilustrovaná teória všetkého, ako aj posledná kniha Veľký plán. So svojou dcérou Lucy napísal knihy o dobrodružstvách malého Gregora, adresované deťom, takže aj im umožnil vstup do sveta hlbšieho poznania. Vo svojich dielach prekvapoval inteligenciou i neopakovateľným humorom. Hoci bol väčšinu života odkázaný na starostlivosť druhých, inak by neprežil, zachoval si nadhľad a dokonca hovorieval o sebe, že je šťastlivec. Martin Scholtz uzatvára: „Kozmológia sa venuje dejinám vesmíru. Tá vlastne zahŕňa všetko, pretože pre rané štádia vývoja vesmíru boli nesmierne podstatné základné sily (elektromagnetická, gravitačná, jadrové sily) a ich vlastnosti. Tie sú dôležité aj pre štruktúru hviezd. V jadrách hviezd a pri zrážkach neutrónových hviezd sa tvoria ťažké chemické prvky, z ktorých potom vznikali planéty a nakoniec aj my. O vývoji vesmíru toho dnes vedia fyzici veľmi veľa. Základnou paradigmou je tzv. Štandardný kozmologický model, nazýva sa aj ΛCDM-model, kde písmeno Λ (lambda) predstavuje Einsteinovu kozmologickú konštantu, ale nazýva sa aj temná energia a pripisuje sa jej zrýchlené rozpínanie vesmíru. Písmená CDM znamenajú ,cold dark matter‘, teda ,studená temná hmota‘. Temná hmota je hypotetická forma hmoty, ktorú nevidíme (preto temná) a ktorá s inými formami hmoty reaguje prakticky len gravitačne (preto studená). Spolu so Štandardným modelom elementárnych častíc predstavuje Štandardný kozmologický model excelentný opis všetkého, čo dnes pozorujeme, od elementárnych častíc až po vývoj vesmíru. To, že takéto dve teórie vôbec existujú, je určite jeden z najväčších triumfov ľudského myslenia. Moderná veda a obzvlášť fyzika sú podľa mňa spolu s umením najvyšším výdobytkom ľudského ducha. Mrzí ma, že dnešná spoločnosť čoraz menej dokáže oceniť význam poznávania sveta, či už toho okolo nás prostredníctvom vedy, alebo toho v nás prostredníctvom umenia. Akokoľvek dokonalý je však náš mozog, akokoľvek žasneme nad tým, čo teoretická fyzika dokázala, ani my fyzici by sme nemali zabúdať na to, že ešte viac fascinujúca než veda je príroda, ktorú opisuje.“ 

RADOSLAV MATEJOV
SNÍMKY: NASA/JIM CAMPBELL/AERO-NEWS NETWORK, NASA
Páčilo sa :
0