Jedno asi opravdu nespadlo na hlavu sira Isaaca Newtona v roce 1665, čímž se uvolnilo osvícení o povaze padajících těles. A když už jste u toho, zapomeňte na to, co jste se o gravitaci učili ve škole. Takhle to ve skutečnosti nefunguje. Ale neberte nás za slovo. Nechte hlavní soupeře v dějinách gravitační teorie, ať si to vyříkají sami.
Kolo 1: Newton
„Gravitace skutečně existuje,“ prohlásil Newton v roce 1687. “ Působí podle zákonů, které jsme vysvětlili, a vydatně slouží k vysvětlení všech pohybů nebeských těles.“ Před Newtonem nikdo o gravitaci neslyšel, natož o pojmu univerzálního zákona.
Cambridgeská univerzita, kde Newton studoval, byla v roce 1665 uzavřena kvůli moru. Třiadvacetiletý Newton našel oddech v domě svého dětství a ponořil se do několikaměsíčního horečného matematického bádání. To spolu s pochybným sestupem jablek v zahradě položilo základ jeho mistrovského díla Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. V Principii Newton popsal gravitaci jako všudypřítomnou sílu, která působí na všechny objekty v okolí. Čím větší hmotnost objekt má, tím silnější je jeho přitažlivost. Zvětšující se vzdálenost mezi dvěma objekty přitažlivost oslabuje.
Matematické vysvětlení těchto vztahů v Principiích bylo jednoduché a velmi praktické. Pomocí svých rovnic dokázal Newton poprvé vysvětlit, proč Měsíc zůstává na oběžné dráze kolem Země. Dodnes používáme Newtonovu matematiku k předpovědi trajektorie hodu softbalovým míčem nebo přistání astronautů na Měsíci. Ve skutečnosti lze všechna každodenní pozorování gravitace na Zemi i na nebi poměrně přesně vysvětlit pomocí Newtonovy teorie.
Dobře, bereme to. Ale jak to funguje?
Dobrý den?
Ticho z Newtonova rohu kruhu.
Pravdou je, že Newton dokázal gravitaci popsat, ale nevěděl, jak funguje. „Gravitaci musí způsobovat činitel působící neustále podle určitých zákonů,“ připustil. „Ale zda je tento činitel hmotný nebo nehmotný, to jsem ponechal na úvaze svých čtenářů.“
Po 300 let nikdo skutečně neuvažoval o tom, co by tímto činitelem mohlo být. Možná se případní uchazeči zalekli Newtonovy geniality. Ten člověk přece vynalezl počítání, proboha.
Ding. Druhé kolo: Einstein
Očividně se Albert Einstein nenechal zastrašit. Dokonce se omluvil. „Newtone, odpusť mi,“ napsal ve svých pamětech. „Našel jsi jedinou cestu, která byla ve tvém věku pro člověka nejvyššího myšlení a tvůrčí síly právě možná.“
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem
V roce 1915, po osmi letech tříbení myšlenek, Einstein vymyslel (doslova – neměl žádné experimentální předchůdce) činidlo, které způsobuje gravitaci. A nebyla to pouhá síla. Podle jeho obecné teorie relativity je gravitace mnohem podivnější: je přirozeným důsledkem vlivu hmoty na prostor.
Einstein souhlasil s Newtonem, že prostor má rozměry: šířku, délku a výšku. Prostor může být vyplněn hmotou, nebo nemusí. Newton však nevěřil, že prostor je ovlivňován objekty, které se v něm nacházejí. Einstein ano. Teoreticky tvrdil, že hmota může prostor hojně prod. Může ho deformovat, ohýbat, tlačit nebo táhnout. Gravitace byla jen přirozeným důsledkem existence hmoty v prostoru (Einstein ve své speciální teorii relativity z roku 1905 přidal k prostoru čas jako čtvrtý rozměr a výsledek nazval časoprostorem. Velké hmoty mohou také deformovat čas tím, že ho zrychlují nebo zpomalují).
Einsteinovu gravitační deformaci si můžete představit tak, že si stoupnete na trampolínu. Vaše hmotnost způsobí prohlubeň v pružné tkanině prostoru. Kutálej míč kolem deformace u svých nohou a ten se zakřiví směrem k tvé hmotnosti. Čím jste těžší, tím více ohýbáte prostor. Podívejte se na okraje trampolíny – ve větší vzdálenosti od vaší hmotnosti se osnova zmenšuje. Vysvětlují se tedy tytéž newtonovské vztahy (a matematicky se předpovídají s větší přesností), avšak jinou optikou deformovaného prostoru. Vezmi si to, Newtone, říká Einstein. S politováním.
Einsteinova teorie také vítězoslavně prorazila díru do Newtonovy logiky. Pokud by, jak tvrdil Newton, byla gravitace konstantní, okamžitá síla, musela by se informace o náhlé změně hmotnosti nějakým způsobem sdělit celému vesmíru najednou. To Einsteinovi nedávalo smysl. Podle jeho úvahy, kdyby Slunce náhle zmizelo, signál pro planety, aby přestaly obíhat, by logicky musel nějakou dobu cestovat. A rozhodně by trvalo déle, než by dorazil k Plutu, než k Marsu. Na tom není vůbec nic všeobecně okamžitého.
Co Einstein navrhoval jako chybějící prostředek komunikace? Opět vstupte do jeho velmi užitečného vesmírného warpu. Podobně jako kámen vhozený do rybníka způsobí změna hmotnosti vlnění v prostoru, které se šíří od svého zdroje všemi směry rychlostí světla. Při svém pohybu vlnění stlačuje a roztahuje prostor. Takovému narušení říkáme gravitační vlna.
Tímto posledním úderem Einsteinova obecná relativita vysvětlila vše, co Newtonova teorie (a některé věci, které ne), a ještě lépe. „Jsem plně spokojen,“ řekl Einstein v roce 1919. „Už nepochybuji o správnosti celého systému.“
V tomto kole zvítězil Einstein.
Ding. 3. kolo: Další vlna
Einstein sice předpověděl gravitační vlny, ale příliš nevěřil, že je vědci někdy odhalí. Gravitační vlny stlačují a roztahují prostor jen nepatrně. Ve skutečnosti je to směšně, strašně, téměř nemožně málo: vzdálenost stokrát milionkrát menší než vzdálenost atomu.
Dosud měl Einstein pravdu. Od doby, kdy představil obecnou teorii relativity, uplynulo již osm desetiletí a gravitační vlna dosud nebyla detekována. Teprve v roce 1974 se k ní vědci dokonce přiblížili. Toho roku dva radioastronomové, Joseph Taylor a Russell Hulse, analyzovali dvojici neutronových hvězd (superhustých zhroucených hvězd), které kolem sebe obíhají. Hulse a Taylor si uvědomili, že oběžné dráhy se zrychlují rychlostí, kterou Einstein předpověděl, pokud by v systému skutečně vznikaly gravitační vlny. Šlo o první nepřímý důkaz gravitačních vln, ale samotné vlny nebyly přímo změřeny.
Ačkoli gravitační vlny může generovat jakýkoli objekt, pouze extrémně hmotné objekty vytvářejí dostatečně velké deformace prostoru, aby je bylo možné změřit. Takové gargantuovské změny hmoty se vyskytují pouze ve vesmíru, například u obíhajících neutronových hvězd, srážejících se černých děr nebo supernov. Vědci nyní hledají vlny vycházející z těchto zdrojů pomocí jednoho z nejpřesnějších vědeckých přístrojů, jaký byl kdy vyroben: LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). LIGO je obrovský, chytrý a podivný přístroj, jehož vývoj si vyžádal více než 365 milionů dolarů a 30 let. Jeho schopnost měřit nekonečně malé vzdálenosti by mohla pomoci dostat „objev“ gravitačních vln kdykoli na titulní stranu všech novin a předznamenat další velké kolo v našem chápání gravitace.
Související odkazy
NOVA’s The Elegant Universe
Timeline of gravitational history
Podívejte se na Einsteinův článek o obecné relativitě a obrázek vesmírných vln
