Scinet.cz » Kavárna, Komentáře, Věda

Smyčková kvantová gravitace potopena pozorováním. Naopak teorie strun triumfovala

22.8. 2009, Luboš Motl

10. května kosmický gama teleskop Fermi detekoval enormně silný gama záblesk. Studie řady vědců z celého světa kromě jiného ukazuje, že teorie s ambicí stát se kvantovou teorií gravitace, které porušují Lorentzovu symetrii, srdce Einsteinovy speciální teorie relativity, nemohou být platné. Jedinou teorií, která ve velkém testu obstála, je strunová/M-teorie. K vyvrácení kvantové smyčkové gravitace a jiných přístupů přitom stačilo lapit jediný foton s velkou energií – nepotvrdily se předpovědi a nutné, absurdní, následky přístupu smyčkové gravitace, a totiž že rychlost světla závisí na energii fotonů, vlnové délce světa. Vědci všechny fotony s různými energiemi lapili prakticky v jednu chvíli. A to i přesto, že fotony do vědeckých aparatur putovaly více než 10 miliard let.

Vesmírná Lorentzova demokracie

V roce 1905 Albert Einstein dospěl k novému, revolučnímu pohledu na čas a prostor. Výchozími předpoklady jeho speciální teorie relativity byly dva postuláty: všechny přírodní zákony mají stejný tvar z hlediska všech „inerciálních“ pozorovatelů, tj. pozorovatelů v rovnoměrném přímočarém pohybu vzhledem k ostatním „inerciálním“ pozorovatelům; a univerzální rychlost světla, nehledě na pohyb zdroje nebo pozorovatele.

Tyto dva přirozené předpoklady plynuly už z tehdejších pozorování (a také z Morleyových-Michelsonových měření éterového větru, kterým ovšem sám Einstein nepřikládal tolik pozornosti), do sebe zapadaly a Einstein z nich dokázal vyvodit všechny úžasné relativistické závěry o času a prostoru: čas a prostor nelze oddělit, současnost dvou událostí závisí na úhlu pohledu, stárnutí se zpomaluje ve větších rychlostech, objekty se zkracují ve směru pohybu a zvyšují svou hmotnost, takže také nikdy nelze překonat rychlost světla. Navíc je ve vší hmotě skryta obří latentní energie E=mc^2, jejíž malou část dokážeme získávat například z jader atomů v elektrárnách a bombách.

Následujících 100 let zcela potvrdilo Einsteinovy postuláty i jejich důsledky pro fyzikální pozorování. Řadu efektů bylo možné změřit a relativistická mechanika se stala například každodenním chlebem fyziků na urychlovačích. Relativita se navíc stala mocným nástrojem, jak zúžit škálu kandidátských teorií našeho vesmíru, protože jen malá část a priori možných teorií splňuje pravidla relativity. Mezitím se zrodila i kvantová mechanika a ukázalo se, že je zcela slučitelná s Einsteinovou speciální teorií relativity: v jejich průniku nacházíme nový typ teorií, takzvané kvantové teorie pole, které jsou jak kvantové, tak relativistické.

V roce 1916 také Einstein sloučil zákony speciální relativity s gravitací. Našel tak nové zákony přitahování, které souhlasily s faktem relativity, že žádné signály, a to ani gravitační, nemohou předběhnout světlo. Takzvaná obecná teorie relativity, dítko 10 let mučení jeho mozku, ukončené světlem na konci tunelu, jak sám psal, vysvětlila gravitaci jako zakřivení časoprostoru.

Ale kdykoliv je prostor dostatečně prázdný, že připomíná plochý prostor a čas ze speciální relativity, Lorentzova symetrie ze speciální relativity musí platit přesně. Ačkoliv tento očividný fakt řada fanoušků fyziky nechce chápat, obecná teorie relativity nepopírá speciální teorii relativity, ale zobecňuje ji. Podle obecné relativity lze časoprostor „sešít“ z malých „záplat“, a může tak vzniknout zakřivený časoprostor, ale každá malá „záplata“ se musí chovat přesně tak jako časoprostor podle speciální relativity. Zakřivenost obecného časoprostoru jako celku nemůže tuto podmínku ani trochu oslabit.

Tedy ani kvantová mechanika, ani gravitace nezměnily nic na univerzální platnosti speciální teorie relativity. Fakticky zákony obecné teorie relativity a kvantové mechaniky lze sjednotit, takzvanou teorií kvantové gravitace. Jak taková teorie vypadá, bylo dlouho záhadou.

Na cestě za sjednocením

Stephen Hawking jako první sjednotil kvantovou mechaniku a obecnou teorii relativity, aby z jejich kombinace vyvodil zcela nový jev. Použil takzvanou „semiklasickou aproximaci“ kvantové gravitace, tedy přibližnou kvantovou teorii pole, která jednoduše přidává „kloboučky“ nad metrický tenzor, Einsteinovu veličinu popisující tvar časoprostoru, a převádí ji tak do kvantového jazyka: započítává ovšem jen členy prvního řádu v Planckově konstantě, tedy konstantě měřící sílu kvantových jevů. Hawking dokázal zjistit fenomenální věc, že kvantové korekce nutí černou díru vyzařovat tepelné záření, jehož teplota je úměrná gravitačnímu zrychlení na horizontu událostí. Černé díry jsou kupodivu černá tělesa.

Za semiklasickou aproximací měla kvantová gravitace řadu problémů, například vedla k nekonečným výsledkům integrálů. Tato nekonečna navíc nebylo možné vyléčit „renormalizací“, jak tomu je u šťastnějších kvantových teorií pole. Ale ukázalo se, že teorie strun se shoduje s Hawkingovou semiklasickou aproximací v její „limitě“, a zároveň předpovídá libovolně přesné, konečné a smysluplné výsledky i mimo tuto aproximaci. Je třeba si uvědomit, že kvantová gravitace nijak neprotiřečí Lorentzově symetrii, hlavní symetrii plynoucí ze speciální teorie relativity.

Teorie strun Lorentze poslouchá

V teorii strun je tato symetrie zabudována od počátku. Například „akce“ v tzv. poruchové teorii strun je úměrná „invariantní“ tedy „vlastní“ velikosti světoplochy, tedy dvourozměrné historie pohybu, kterou jednorozměrné struny vykreslují v časoprostoru. Lorentzova symetrie zůstává přesnou symetrií teorie strun ve všech jejích řešeních, nehledě na tvar svinutých dimenzí a další podrobnosti jejího „řešení“ nebo „životního prostředí“, alespoň v limitě krátkých vzdáleností (symetrii lze narušit „spontánně prostředím“). Teorie superstrun také obsahuje řadu nových „nástrojů“, které někteří koumáci dokážou „zneužít“ k výrobě argumentů o možném narušení Lorentzovy symetrie, ale je třeba říct, že takové konstrukce jsou umělé a pravděpodobně nemožné, pokud se vše správně spočte. V teorii strun rozhodně není třeba ověřenou speciální teorii relativity oslabovat ani o trochu a Lorentzova symetrie přirozeně platí.

Kvantuji, kvantuješ, kvantujeme

Přesto měla řada lidí intuitivní problém si uvědomit, že speciální teorie relativity je slučitelná s kvantovou gravitací a že kvantová gravitace musí postuláty z roku 1905 přesně splňovat. Částečně za tímto omylem stojí terminologické nedorozumění. Přívlastek „kvantová“ ve skutečnosti znamená, že veličiny se stanou operátory, které obecně nekomutují tj. nelze současně měřit (princip neurčitosti), a které lze předpovídat jen pravděpodobnostně. Mnozí lidé si ale mysleli, že slovo „kvantová“ znamená, že všechny veličiny, například geometrické veličiny, musejí mít diskrétní, nespojité spektrum (množina dovolených „vlastních“ hodnot). Dostali za úkol hledat „kvantovou gravitaci“, a protože si vyložili slovo „kvantová“ tímto způsobem, do svého uvažování od začátku přidali předpoklad o diskrétnosti všech spekter.

Ten ale samozřejmě není obecně platný. Podle kvantové mechaniky, a to i té školské, mají některé veličiny – třeba energie harmonického oscilátoru – diskrétní spektrum, ale jiné veličiny – například poloha – mají spektrum spojité. Totéž platí i v kvantové teorii pole a kvantové gravitaci. Některé operátory mají nadále spojité spektrum, ačkoliv teorie je zcela „kvantová“. Konkrétně, vzdálenosti, plochy a objemy musejí být zcela spojité, pokud má platit Lorentzova symetrie.

Tito zmatení lidé si ale představovali časoprostor jako množinu kostiček, trojúhelníčků, čtyřstěnů nebo podobných diskrétních objektů o velikosti asi jedna Planckova délka. Mysleli si chybně, že něco takového musí plynout ze samotného pojmu „kvantová gravitace“ nebo „kvantová geometrie“. Ale ono to neplyne.

Příklady těchto teorií atomárního časoprostoru jsou smyčková kvantová gravitace, spinová pěna, kauzální dynamická triangulace a několik dalších teorií. (V posledním roce přišel čechoamerický fyzik Petr Hořava s tzv. Hořavovou-Lifshitzovou gravitací, která také narušuje Lorentzovu symetrii, ale nepředpokládá diskrétní časoprostor.)

Smyčková kvantová gravitace

Podívejme se na smyčkovou kvantovou gravitaci (LQG, podle anglického „loop quantum gravity“), nejslavnějšího zástupce, trochu detailně. Závěry budou ovšem kvalitativně platit i pro všechny ostatní teorie „atomárního“ časoprostoru. Podle LQG je časoprostor vyplněn „grafem“, tedy vrcholy spojenými „hranami“ tvořícími tzv. spinovou síť. Vlastní velikost plochy P v časoprostoru lze získat v podstatě jako počet průsečíků plochy P se spinovou sítí v časoprostoru. Přesněji řečeno, každý průsečík přispívá členem \sqrt{j(j+1)}krát Planckova plocha, kde j je celé nebo polocelé nezáporné číslo přiřazené ke konkrétní hraně spinové sítě.

Je důležité, že podle tohoto vzorce může vlastní plocha P nabývat jen reálných hodnot, a to jen diskrétních hodnot: například mezi nulou a \sqrt{3/4} krát Planckova plocha není dovolena žádná jiná hodnota.

Tento závěr však zcela protiřečí speciální teorii relativity. Podle teorie relativity mohou být velikosti ploch buď reálné, nebo imaginární (podle toho, zda jsou obě dimenze v těchto plochách prostorového charakteru, nebo je jedna časového). Tento důsledek relativity protiřečí reálnosti ploch podle LQG. Navíc se mohou vlastní plochy v reálném světě libovolně přiblížit nule, pokud zvolíme „téměř světlupodobnou“ plochu. To protiřečí diskrétnosti ploch v LQG.

LQG tedy představuje časoprostor jako strukturu, která na krátkých vzdálenostech „zcela“ narušuje Lorentzovu symetrii, a to členy řádu 100 procent – stejně velkými, jako jsou výsledky. Nic takového samozřejmě nepozorujeme, a tak zastánci LQG a podobných teorií doufali, že nějaký zázrak „zrekonstruuje“ Lorentzovu symetrii na delších vzdálenostech – tedy tam, kde byla testována – aby se vyhnuli okamžité falzifikaci jejich domněnky. Pro takovou víru samozřejmě neexistoval žádný důvod a pravděpodobně je taková „z ničeho se vynořující“ Lorentzova symetrie nejen nepravděpodobná, ale i nemožná, ale věřit může každý čemukoliv.

Ovšem narušení Lorentzovy symetrie na Planckově škále podle LQG odstranit nešlo ani na úrovni víry, protože souvisí se samotnou filosofií LQG, tedy s diskrétností času a prostoru. Z tohoto narušení plynou předpovědi, které byly dlouho považovány za hudbu budoucnosti.

Fermi a zabijácký foton

Dlouhá léta byla Lorentzova symetrie testována jen na „dlouhých“ vzdálenostech, a tak bylo možné alespoň věřit, že Lorentzova symetrie platí jen v každodenním světě, ale na velmi krátkých vzdálenostech nikoliv. Ovšem pozorování fotonu dalekohledem nazvaným Fermi, dříve GLAST, v květnu 2009 vše změnilo. V srpnu 2009 o něm publikovaly dva týmy z Fermi – celkem 204 autorů – článek v internetovém archivu fyzikálních článků.

Podle tohoto pozorování putovaly fotony – a jeden z nich měl i energii 31 GeV, což je hodně – celým pozorovatelným vesmírem, tedy přes deset miliard let, a přesto nenabraly ani sekundu zpoždění. Příroda je velmi přesná a na rozdíl od Českých drah si na zpoždění nepotrpí, a to ani o sekundu pro spoje, které trvají 10 miliard let, protože fotony odvezou o deset miliard světelných let.

Podle LQG a dalších teorií by fotony nutně musely atomární charakter prostoru cítit, a to rozdílně, podle jejich energie (ve skle, ve vodě nebo v jiném prostředí také závisí rychlost světla na barvě, a proto vznikají např. duhy: hypotetická spinová síť by byla opravdu analogická sklu nebo, přesněji řečeno, nové formě „éteru“). Dá se spočítat, že zpoždění jedněch fotonů za druhými – díky rozdílnosti energií – by podle LQG mělo být nejméně v řádu minut, pokud se fotony liší až o 31 GeV v energii. Ale pozorování ukazuje, že zpoždění není ani jedna sekunda a pravděpodobně je nulové.

Z přesného pozorování Fermi, které ukazuje, že zpoždění jistě nepřesahuje 1-2 sekundy a asi ani 10 milisekund, také plyne, že veškerá dříve pozorovaná zpoždění podle týmu MAGIC a snad i dalších byla vytvořena už při produkci fotonů, nikoliv jejich cestou vesmírem, protože zpoždění světla v řádu minut z cesty vesmírem je podle výsledků Fermi zjevně nemožné. Pozorování (neexistujícího) zpoždění fotonů teleskopem Fermi bylo mnohem přesnější než ta předchozí proto, že jimi pozorovaný záblesk gama paprsků (GRB, gamma ray burst) trval menší dobu a obsahoval fotony o větší energii než např. 2 roky staré pozorování MAGIC.

Tedy ona víra v zázračné „obnovení“ Lorentzovy symetrie, navzdory jejímu narušení základními zákony fyziky, byla sama o sobě vyvrácena. Pravidla speciální teorie relativity platí i na velmi krátkých vzdálenostech – i na Planckově délce, což je svým způsobem nejkratší možná nenulová „vzdálenost“, o které je možno mluvit v řeči geometrických pojmů. Platí tedy všude, kam fyzika může dosáhnout. Fyzici, kteří Lorentzovu symetrii vždycky brali vážně, tedy mají o jedno hypotetickou nejistotu méně a mohou se s větší vervou pustit do otázek, které zůstávají otevřené.

Fyzici, kteří předpokládali, že Lorentzova symetrie je základními zákony prostoru narušená, se musí pokusit smířit se s tím, že se celá léta mýlili v jedné poměrné zásadní otázce, a pokud se jim to povede, mohou se také vrhnout na jiné otázky a jiné teorie než ty, které byly právě vyvráceny.

1. Další informace na blogu autora: http://motls.blogspot.com/2009/08/fermi-kills-all-lorentz-violating.html

2. arXiv:0908.1832v1 [astro-ph.HE] Testing Einstein’s special relativity with Fermi’s short hard gamma-ray burst GRB090510

V roce 1905 Albert Einstein dospěl k novému, revolučnímu pohledu na čas a
prostor. Výchozími předpoklady jeho speciální teorie relativity byly dva
postuláty: všechny přírodní zákony mají stejný tvar z hlediska všech
„inerciálních“ pozorovatelů, tj. pozorovatelů v rovnoměrném přímočarém
pohybu vzhledem k ostatním „inerciálním“ pozorovatelům; a univerzální
rychlost světla, nehledě na pohyb zdroje nebo pozorovatele.

Tyto dva přirozené předpoklady plynuly už z tehdejších pozorování (a také z
Morleyových-Michelsonových měření éterového větru, kterým ovšem sám Einstein
nepřikládal tolik pozornosti), do sebe zapadaly a Einstein z nich dokázal
vyvodit všechny úžasné relativistické závěry o času a prostoru: čas a
prostor nelze oddělit, současnost dvou událostí závisí na úhlu pohledu,
stárnutí se zpomaluje ve větších rychlostech, objekty se zkracují ve směru
pohybu a zvyšují svou hmotnost, takže také nikdy nelze překonat rychlost
světla. Navíc je ve vší hmotě skryta obří latentní energie E=mc2, jejíž
malou část dokážeme získávat například z jader atomů v elektrárnách a
bombách.

Následujících 100 let zcela potvrdilo Einsteinovy postuláty i jejich
důsledky pro fyzikální pozorování. Řadu efektů bylo možné změřit a
relativistická mechanika se stala například každodenním chlebem fyziků na
urychlovačích. Relativita se navíc stala mocným nástrojem, jak zúžit škálu
kandidátských teorií našeho vesmíru, protože jen malá část a priori možných
teorií splňuje pravidla relativity. Mezitím se zrodila i kvantová mechanika
a ukázalo se, že je zcela slučitelná s Einsteinovou speciální teorií
relativity: v jejich průniku nacházíme nový typ teorií, takzvané kvantové
teorie pole, které jsou jak kvantové, tak relativistické.

V roce 1916 také Einstein sloučil zákony speciální relativity s gravitací.
Našel tak nové zákony přitahování, které souhlasily s faktem relativity, že
žádné signály, a to ani gravitační, nemohou předběhnout světlo. Takzvaná
obecná teorie relativity, dítko 10 let mučení jeho mozku, ukončené světlem
na konci tunelu, jak sám psal, vysvětlila gravitaci jako zakřivení
časoprostoru.

Ale kdykoliv je prostor dostatečně prázdný, že připomíná plochý prostor a
čas ze speciální relativity, Lorentzova symetrie ze speciální relativity
musí platit přesně. Ačkoliv tento očividný fakt řada fanoušků fyziky nechce
chápat, obecná teorie relativity nepopírá speciální teorii relativity, ale
zobecňuje ji. Podle obecné relativity lze časoprostor „sešít“ z malých
„záplat“, a může tak vzniknout zakřivený časoprostor, ale každá malá
„záplata“ se musí chovat přesně tak jako časoprostor podle speciální
relativity. Zakřivenost obecného časoprostoru jako celku nemůže tuto
podmínku ani trochu oslabit.

Tedy ani kvantová mechanika, ani gravitace nezměnily nic na univerzální
platnosti speciální teorie relativity. Fakticky zákony obecné teorie
relativity a kvantové mechaniky lze sjednotit, takzvanou teorií kvantové
gravitace. Jak taková teorie vypadá, bylo dlouho záhadou.

Stephen Hawking jako první sjednotil kvantovou mechaniku a obecnou teorii
relativity, aby z jejich kombinace vyvodil zcela nový jev. Použil takzvanou
„semiklasickou aproximaci“ kvantové gravitace, tedy přibližnou kvantovou
teorii pole, která jednoduše přidává „kloboučky“ nad metrický tenzor,
Einsteinovu veličinu popisující tvar časoprostoru, a převádí ji tak do
kvantového jazyka: započítává ovšem jen členy prvního řádu v Planckově
konstantě, tedy konstantě měřící sílu kvantových jevů. Hawking dokázal
zjistit fenomenální věc, že kvantové korekce nutí černou díru vyzařovat
tepelné záření, jehož teplota je úměrná gravitačnímu zrychlení na horizontu
událostí. Černé díry jsou kupodivu černá tělesa.

Za semiklasickou aproximací měla kvantová gravitace řadu problémů, například
vedla k nekonečným výsledkům integrálů. Tato nekonečna navíc nebylo možné
vyléčit „renormalizací“, jak tomu je u šťastnějších kvantových teorií pole.
Ale ukázalo se, že teorie strun se shoduje s Hawkingovou semiklasickou
aproximací v její „limitě“, a zároveň předpovídá libovolně přesné, konečné a
smysluplné výsledky i mimo tuto aproximaci. Je třeba si uvědomit, že
kvantová gravitace nijak neprotiřečí Lorentzově symetrii, hlavní symetrii
plynoucí ze speciální teorie relativity.

V teorii strun je tato symetrie zabudována od počátku. Například „akce“ v
tzv. poruchové teorii strun je úměrná „invariantní“ tedy „vlastní“ velikosti
světoplochy, tedy dvourozměrné historie pohybu,  kterou jednorozměrné struny
vykreslují v časoprostoru. Lorentzova symetrie zůstává přesnou symetrií
teorie strun ve všech jejích řešeních, nehledě na tvar svinutých dimenzí a
další podrobnosti jejího „řešení“ nebo „životního prostředí“, alespoň v
limitě krátkých vzdáleností (symetrii lze narušit „spontánně prostředím“).
Teorie superstrun také obsahuje řadu nových „nástrojů“, které někteří
koumáci dokážou „zneužít“ k výrobě argumentů o možném narušení Lorentzovy
symetrie, ale je třeba říct, že takové konstrukce jsou umělé a pravděpodobně
nemožné, pokud se vše správně spočte. V teorii strun rozhodně není třeba
ověřenou speciální teorii relativity oslabovat ani o trochu a Lorentzova
symetrie přirozeně platí.

Přesto měla řada lidí intuitivní problém si uvědomit, že speciální teorie
relativity je slučitelná s kvantovou gravitací a že kvantová gravitace musí
postuláty z roku 1905 přesně splňovat. Částečně za tímto omylem stojí
terminologické nedorozumění. Přívlastek „kvantová“ ve skutečnosti znamená,
že veličiny se stanou operátory, které obecně nekomutují tj. nelze současně
měřit (princip neurčitosti), a které lze předpovídat jen pravděpodobnostně.
Mnozí lidé si ale mysleli, že slovo „kvantová“ znamená, že všechny veličiny,
například geometrické veličiny, musejí mít diskrétní, nespojité spektrum
(množina dovolených „vlastních“ hodnot). Dostali za úkol hledat „kvantovou
gravitaci“, a protože si vyložili slovo „kvantová“ tímto způsobem, do svého
uvažování od začátku přidali předpoklad o diskrétnosti všech spekter.

Ten ale samozřejmě není obecně platný. Podle kvantové mechaniky, a to i té
školské, mají některé veličiny – třeba energie harmonického oscilátoru –
diskrétní spektrum, ale jiné veličiny – například poloha – mají spektrum
spojité. Totéž platí i v kvantové teorii pole a kvantové gravitaci. Některé
operátory mají nadále spojité spektrum, ačkoliv teorie je zcela „kvantová“.
Konkrétně, vzdálenosti, plochy a objemy musejí být zcela spojité, pokud má
platit Lorentzova symetrie.

Tito zmatení lidé si ale představovali časoprostor jako množinu kostiček,
trojúhelníčků, čtyřstěnů nebo podobných diskrétních objektů o velikosti asi
jedna Planckova délka. Mysleli si chybně, že něco takového musí plynout ze
samotného pojmu „kvantová gravitace“ nebo „kvantová geometrie“. Ale ono to
neplyne.

Příklady těchto teorií atomárního časoprostoru jsou smyčková kvantová
gravitace, spinová pěna, kauzální dynamická triangulace a několik dalších
teorií. (V posledním roce přišel čechoamerický fyzik Petr Hořava s tzv.
Hořavovou-Lifshitzovou gravitací, která také narušuje Lorentzovu symetrii,
ale nepředpokládá diskrétní časoprostor.)

Podívejme se na smyčkovou kvantovou gravitaci (LQG, podle anglického „loop
quantum gravity“), nejslavnějšího zástupce, trochu detailně. Závěry budou
ovšem kvalitativně platit i pro všechny ostatní teorie „atomárního“
časoprostoru. Podle LQG je časoprostor vyplněn „grafem“, tedy vrcholy
spojenými „hranami“ tvořícími tzv. spinovou síť. Vlastní velikost plochy P v
časoprostoru lze získat v podstatě jako počet průsečíků plochy P se spinovou
sítí v časoprostoru. Přesněji řečeno, každý průsečík přispívá členem
sqrt(j(j+1)) krát Planckova plocha, kde „j“ je celé nebo polocelé nezáporné
číslo přiřazené ke konkrétní hraně spinové sítě.

Je důležité, že podle tohoto vzorce může vlastní plocha P nabývat jen
reálných hodnot, a to jen diskrétních hodnot: například mezi nulou a
sqrt(3/4) krát Planckova plocha není dovolena žádná jiná hodnota.

Tento závěr však zcela protiřečí speciální teorii relativity. Podle teorie
relativity mohou být velikosti ploch buď reálné, nebo imaginární (podle
toho, zda jsou obě dimenze v těchto plochách prostorového charakteru, nebo
je jedna časového). Tento důsledek relativity protiřečí reálnosti ploch
podle LQG. Navíc se mohou vlastní plochy v reálném světě libovolně přiblížit
nule, pokud zvolíme „téměř světlupodobnou“ plochu. To protiřečí diskrétnosti
ploch v LQG.

LQG tedy představuje časoprostor jako strukturu, která na krátkých
vzdálenostech „zcela“ narušuje Lorentzovu symetrii, a to členy řádu 100
procent – stejně velkými, jako jsou výsledky. Nic takového samozřejmě
nepozorujeme, a tak zastánci LQG a podobných teorií doufali, že nějaký
zázrak „zrekonstruuje“ Lorentzovu symetrii na delších vzdálenostech – tedy
tam, kde byla testována – aby se vyhnuli okamžité falzifikaci jejich
domněnky. Pro takovou víru samozřejmě neexistoval žádný důvod a
pravděpodobně  je taková „z ničeho se vynořující“ Lorentzova symetrie nejen
nepravděpodobná, ale i nemožná, ale věřit může každý čemukoliv.

Ovšem narušení Lorentzovy symetrie na Planckově škále podle LQG odstranit
nešlo ani na úrovni víry, protože souvisí se samotnou filosofií LQG, tedy s
diskrétností času a prostoru. Z tohoto narušení plynou předpovědi, které
byly dlouho považovány za hudbu budoucnosti.

Dlouhá léta byla Lorentzova symetrie testována jen na „dlouhých“
vzdálenostech, a tak bylo možné alespoň věřit, že Lorentzova symetrie platí
jen v každodenním světě, ale na velmi krátkých vzdálenostech nikoliv. Ovšem
pozorování fotonu dalekohledem nazvaným Fermi, dříve GLAST, v květnu 2009
vše změnilo. V srpnu 2009 o něm publikovaly dva týmy z Fermi – celkem 204
autorů – článek v internetovém archivu fyzikálních článků.

Podle tohoto pozorování putovaly fotony – a jeden z nich měl i energii 31
GeV, což je hodně – celým pozorovatelným vesmírem, tedy přes deset miliard
let, a přesto nenabraly ani sekundu zpoždění. Příroda je velmi přesná a na
rozdíl od Českých drah si na zpoždění nepotrpí, a to ani o sekundu pro
spoje, které trvají 10 miliard let, protože fotony odvezou o deset miliard
světelných let.

Podle LQG a dalších teorií by fotony nutně  musely atomární charakter
prostoru cítit, a to rozdílně, podle jejich energie (ve skle, ve vodě nebo v
jiném prostředí také závisí rychlost světla na barvě, a proto vznikají např.
duhy: hypotetická spinová síť by byla opravdu analogická sklu nebo, přesněji
řečeno, nové formě „éteru“). Dá se spočítat, že zpoždění jedněch fotonů za
druhými – díky rozdílnosti energií – by podle LQG mělo být nejméně v řádu
minut, pokud se fotony liší až o 31 GeV v energii. Ale pozorování ukazuje,
že zpoždění není ani jedna sekunda a pravděpodobně je nulové.

Z přesného pozorování Fermi, které ukazuje, že zpoždění jistě nepřesahuje
1-2 sekundy a asi ani 10 milisekund, také plyne, že veškerá dříve pozorovaná
zpoždění podle týmu MAGIC a snad i dalších byla vytvořena už při produkci
fotonů, nikoliv jejich cestou vesmírem, protože zpoždění světla v řádu minut
z cesty vesmírem je podle výsledků Fermi zjevně nemožné. Pozorování
(neexistujícího) zpoždění fotonů teleskopem Fermi bylo mnohem přesnější než
ta předchozí proto, že jimi pozorovaný záblesk gama paprsků (GRB, gamma ray
burst) trval menší dobu a obsahoval fotony o větší energii než např. 2 roky
staré pozorování MAGIC.

Tedy ona víra v zázračné „obnovení“ Lorentzovy symetrie, navzdory jejímu
narušení základními zákony fyziky, byla sama o sobě vyvrácena. Pravidla
speciální teorie relativity platí i na velmi krátkých vzdálenostech – i na
Planckově délce, což je svým způsobem nejkratší možná nenulová „vzdálenost“,
o které je možno mluvit v řeči geometrických pojmů. Platí tedy všude, kam
fyzika může dosáhnout.

Fyzici, kteří Lorentzovu symetrii vždycky brali vážně, tedy mají o jedno
hypotetickou nejistotu méně a mohou se s větší vervou pustit do otázek,
které zůstávají otevřené. Fyzici, kteří předpokládali, že Lorentzova
symetrie je základními zákony prostoru narušená, se musí pokusit smířit se s
tím, že se celá léta mýlili v jedné poměrné zásadní otázce, a pokud se jim
to povede, mohou se také vrhnout na jiné otázky a jiné teorie než ty, které
byly právě vyvráceny.

Luboš Motl

Publicista a teoretický fyzik zabývající se teorií superstrun a obecně aspekty kvantové gravitace. Několik let pracoval a přednášel na Harvardu. Je spoluautorem maticové teorie, neporuchové teorie strun. Napsal řadu vědeckých článků, společně s Milošem Zahradníkem také knihu Pěstujeme lineární algebru a do češtiny přeložil knihu Briana Greenea Elegantní vesmír. Píše blog The Reference Frame. Sledovat jej můžete i na Twitteru.


Komentáře (23) »

  • Satori napsal:

    Lee Smolin – The Trouble with Physics: „Právě neochota ke vzájemné komunikaci lidí studujících stejný problém, avšak pomocí různých přístupů, mě dovedla k názoru, že teoretická fyzika se nachází v krizi“

  • Oldřich Klimánek napsal:

    To by Lee Smolin nesměl být naprostý lhář. Právě prohlásil, že předpovědi, které vyvrátil Fermi/GLAST, nikdy z LQG neplynuly a že LQG Lorentzovu invarianci neporušuje… Článků, pod které je podepsaný a které to, co teď popírá, předpovídají s velkou slávou, je na arxiv.org dost. To je fakt neskutečné. Přehled tady. V krizi je Smolin. Bohužel. Právě že více přístupů k jednomu problému otevře cestu poznání. Jestliže tady bylo N různých adeptů na kvantovou teorii gravitace, pak jediný foton teoretické vody pročistil a tyto přístupy jsou vadné. Teď na ně můžou zapomenout. Ale Smolin se jich přesto bude držet i nadále.

  • Ruby napsal:

    !!“Částečně za tímto omylem stojí terminologické nedorozumění. Přívlastek „kvantová“ ve skutečnosti znamená, že veličiny se stanou operátory, které obecně nekomutují tj. nelze současně měřit (princip neurčitosti), a které lze předpovídat jen pravděpodobnostně.“!!
    Tím je taky vyřízena Heimova teorie a její klony :-)a taky už nemůže být možné, jak svého času uvedl Alan Kostelecky, že světlo může pocházet z malých narušení teorie relativity…

  • Ruby napsal:

    BTW čtu: „Everyone who tolerates this disgraceful liar and demagogue as a part of the scientific community is an immoral bastard. Not only the internet crackpots – the likes of „Marcus“, „Peter Woit“, „Sabine Hossenfelder“, and similar subjects from the moral dumping ground of science – but also the very institutions whose official goal should be to support science actively do lots of things to protect this stunning degree of scientific misconduct.“ … ať se nikdo nezlobí, ale toto je ale dost silný kafe. Nemyslím si, že všichni co nedělají do strun a jsou otevření jiným přístupům, musí být apriori poplivaní :-(

  • Oldřich Klimánek napsal:

    Tady jde o to, že tito lidé systematicky napadají strunovou teorii a teoretiky, byť ví, že jejich argumenty jsou lživé. To teď dokázal Smolin, kdy naprosto popřel drtivou část svých prací a jádro toho, v co věří. Co prohlásil, je fakt šílené. :-) Woit je ještě zvláštnější případ. Mediální prostor, který si za poslední léta získali popíráním základních principů fyziky (Lorentzova invariance je zářivý příklad, ale vlastně jen špičkou ledovce), je obrovský. Jestliže existují teoretické argumenty pro to, že se mýlí, OK, ale když už je tady i jimi tak očekávaný experimentální výsledek, který měl potvrdit jejich teorie, ale který je zcela jasně vyvrátil, a oni se přesto drží svého, je to „zvláštní“. ;-)

  • Satori napsal:

    Pohled odjinud (na tu podivnou řevnivost :-) :
    Final Answers © 2000-2009 Gérard P. Michon, Ph.D. String Theory and other „Theories of Everything“:
    http://home.att.net/~numericana/answer/string.htm
    Militant Blogs: The Reference Frame by Lubos Motl(formerly at Harvard)
    Not Even Wrong by Peter Woit (Columbia University)
    Souhlas, proč se, ale plije na Sabine Hossenfelder (Bee)?:
    http://backreaction.blogspot.com/2007/11/theoretically-simple-exception-of.html
    pro srovnání :
    Hossenfelder publikovala od r. 2001 – 2009 31 článků tj 3.88 /rok: http://eprintweb.org/S/authors/All/ho/Hossenfelder
    Motl publikoval od r. 1995 – 2009 47čl. tj. 3.35/rok:
    http://eprintweb.org/S/authors/All/mo/Motl
    Málo naplat zbytečná řevnivost se nedá zastřít!

  • Sepesi napsal:

    Motl jich ve skutečnosti publikoval mnohem méně, jména Patrick M. Motl nebo David Motl Lubošovi určitě nepatří

  • Wamp napsal:

    //Podle LQG a dalších teorií by fotony nutně musely atomární charakter prostoru cítit, a to rozdílně, podle jejich energie (ve skle, ve vodě nebo v jiném prostředí také závisí rychlost světla na barvě, a proto vznikají např. duhy: hypotetická spinová síť by byla opravdu analogická sklu nebo, přesněji řečeno, nové formě „éteru“).//… copak rychlost světla závísí na barvě!?

  • Oldřich Klimánek napsal:

    Ne. Ale přesně takovou hovadinu předpovídá smyčková kvantová gravitace. Což je věc, kterou teď naprosto vyvrátil Fermi.

  • Wsat napsal:

    Ta sakra jak to vlastně je ?
    Významnou předpovědí LQG, je nepatrně rozdílná rychlost šíření elektromagnetického záření různé frekvence ve vakuu, v důsledku diskrétnosti prostoru, jenž je protkán periodickou strukturou spinových sítí. Což bylo dříve ( 2007) POTVRZENO gama teleskopem MAGIC viz:
    http://astro.sci.muni.cz/clanek.php?id=675
    JE VYSOKOENERGETICKÉ ZÁŘENÍ GAMA POMALEJŠÍ NEŽ SVĚTLO?:
    „Vědci dělí záření na vysokoenergetické a nízkoenergetické fotony. Vzhledem k tomu, že všechny fotony byly vyzářeny ve stejný okamžik, očekávali bychom, že je budeme detekovat také ve stejném okamžiku. Vysokoenergetické fotony však dorazili o 4 minuty později.“

  • Ragtime napsal:

    Redakčně smazáno.

  • Petr napsal:

    V roce 1929 Einstein opět zkonstruoval jednu ze svých „sjednocených“ teorií a vysloužil si za ni drsnou kritiku. Teorie např. (1929!!) neobsahovala h. Komické na tom také bylo, že tato sjednocená teorie částečně negovala obecnou teorii relativity, tzn. i její empirické úspěchy. Energicky „rejpal“ zejména Wolfgang Pauli. Ctí pro Einsteina je, že po tom co se jeho teorie ukázala chybnou, Paulimu napsal: „Měl jste pravdu, šibale.“ Myslím si, že i v současnosti by měli opravdoví „srdcoví“ vědci, ať již patří k jakékoliv „unifikované“ škole, umět říct: „Měli jste pravdu, šibalové!“
    Z Olomouce srdečně Petr Mareš :-)

  • vlastik napsal:

    Zajímalo by mě, jestli tak vysoce energetické fotony vznikaly pouze na počátku vzniku Vesmíru nebo to není až tak vysoká energie a takové fotony vznikají i dnes např. při výbuchu? supernovy?

  • Petr napsal:

    To Vlastik:
    Gama záblesky mohou vznikat i „teď“ v naší Galaxii. Pokud přijmeme teorii, že gama záblesk vzniká při srážce neutronových hvězd, nic tomu nebrání. Typická energie na částici (foton) při výbuchu supernovy je ve velikosti desítek až stovek MeV. Od 31 GeV tedy dosti vzdálené.
    Srdečně Petr Mareš :-)

  • Milhaus napsal:

    Ahoj všem, nejsem žádný expert ani nikoho nehájím ale čekat zpoždění fotonu v řádech minut je naprostý nesmysl. Podle deformované speciální relativity (DSR) byly předpovědi zpoždění fotonu (z roku 2007) kolem 0,001 sekundy (na vzdálenosti miliard světelných let), což FERMI nepotvrdil ale ani nevyvrátil. Při tak malém časovém údaji je tato předpověď velmi složitě testovatelná :
    1, foton neletí čistým vakuem což by za x miliard let mohlo dát uvedený rozdíl

    2, gamma záblesk nemusel vyjít ze stejného místa v prostoru, průměr zdroje by mohl dát uvedenou tisícinu sekundy.

    Milan

  • Erix napsal:

    „Podle deformované speciální relativity (DSR) byly předpovědi zpoždění fotonu (z roku 2007) kolem 0,001 sekundy “
    ? DSR co to je za nesmysl?

  • Pavel Bakala napsal:

    Podle mě je zavádějící hlavně název článku. Jestli něco triumfovalo, tak je to v prvě řadě teorie relativity. Aby triumfovala strunová teorie, musela by předpovědět nějaký nový efekt, a ten by musel následně být pozorován ( nebo taky ne), což se tady samozřejmě nestalo. Falsifikovatelnost teorie se tomu říká :-) Pravda ovšem je, že některé předpovědi LQG nejspíše nebyly potvrzeny.

  • Gently napsal:

    V teoriích smyčkové kvantové gravitace (LQG) se zachovává incidenční struktura. Příslušná symetrie incidenční struktury je popsána Möbiovou transformací, která je skrytě ekvivalentní Lorentzově transformaci. LQG-teorie jsou tedy nepochybně v souladu se speciální teorií relativity, stejně jako teorie strun. Výchozí premisa článku je tudíž chybná, takto mezi LQT a teorií strun nelze rozhodnout. Dramatický název článku je přinejmenším předčasný.

  • Paul napsal:

    Po delší době jsem se opět podíval na tento článek a rád bych k tomu něco napsal. V první řadě, ztotožňuji se s tím, co zde napsal Pavel Bakala. Dále by asi bylo vhodné říct, že by bylo dobré, kdyby bylo naměřeno více takových případů. Ve vědě platí „Jedno měření, žádné měření“. A bohužel, nejednou bylo toto rčení potvrzeno. Takže si ještě případně počkejme, co nám ještě přinese Fermi a třeba i MAGIC.

  • Michal napsal:

    nevím , nejak z toho clanku me nevychazi, ze by Smyčková kvantová gravitace a to o co se snazi napr. Abhay Ashtekar, bylo potopeno. a prirovnat spinovou síť k nové formě éteru, je jen zesměšňující. Ale jsem laik. Az jsem si precetl zajimave komentare Pavla Bakaly a Gentlyho, ktere to snad trochu osvetluji.

  • Tomas Hroch napsal:

    K nazoru pana Josefa Sorma. To lze overit jednoduchym pokusem. Vemte si nadobu , ktera stini kosmicke zareni – uvnitr by se pak dle Vasi myslenky musely vznaset predmety. Dale si vezmete napriklad planety , ktere jsou bombardovany casticemi ze sve hvezdy. Tyto by za a : byly timto od hvezdy odpuzovany, za b : mely na privracene strane smerem k hvezde splostely tvar, nebot od hvezdy zcela urcite prichazi zareni v daleko vetsi mire ,nez z okolniho vesmiru.

  • Rebel napsal:

    Gravitace je jediným důkazem existence antisvěta,tam odsud také pochází.Veškerá energie vesmíru je vypůjčená.

  • JŠorm napsal:

    To,že záření stlačuje tělesa k sobě a také do sebe,podporuje loňský rok,kdy američtí fyzici dostali Nobelovu cenu za dokázané rozpínání vesmíru.Díky neviditelné hmotě a energii dochází k rozpínání vesmíru které se neustále zrychluje.Tím,že se prostor rozpíná tak dochází zároveň ke stlačování těles k sobě)tělesa,sluneční souslavy,galaxie,kupy galaxií aj).Vzhledem k tzv neviditelné hmotě a energii jsou mi nejpravděpodobnější neutrina,která jsou těžko zachytitelná a měřitelná.Moje teorie o stlačování podporuje i teorie relativity .Družice na oběžných drahách kolem Země mají vykazatelné zpoždění času (družice,které měří GPS mají za 24 hodin zpoždění času o cca jednu miliontinu sekundy).Tím,že družice létá rychlostí cca 9km/sec dochází ve směru proti jejímu pohybu ke stlačení tělesa družice (hlavně se jedná o stlačení křemíkového krystalu a tím jsou elementární částice zpomaleny při svém pohybu a tím dochází ke zpomalení kmitů hodin).Družice vykazují zpomalení hodin a kdyby byly na družicích měřidla tak by bylo dokázáno,že se družice proti směru pohybu zkracují o miliontiny mm,určitě by bylo dokázáno,že energie družic by trochu narostla (kmitočet elementárních části družice by se zvýšil (o cca jednu miliontinu watu).Vše zapadá do teorie relativity.


VLOŽIT KOMENTÁŘ