Teorie relativity
-
Limity OTR
RNDr. Jaroslav Vrba PhD.

Kde teorie relativity nefunguje
•
•
•Extrémní podmínky: Obecná teorie relativity selhává při popisu gravitačních jevů v extrémních
podmínkách, jako jsou singularity černých děr nebo Velký třesk
•
•Neslučitelnost s kvantovou mechanikou: Teorie relativity není kompatibilní s kvantovou mechanikou,
která popisuje chování částic na mikroskopické úrovni

Newtonova mechanika selhává při rychlostech blízkých rychlosti světla
Newtonovy zákony neplatí na kvantové úrovni – například pohyb částic není předpověditelný podle
klasické mechaniky, kvantová mechanika přináší pravděpodobnostní výklad
rychlost světla je konstantní, ale Newtonova mechanika pracuje s relativním pohybem
MM experiement - neúspěšná detekce éteru, který měl být médiem pro šíření světla

Známé jevy propojující teorii relativity a kvantovou mechaniku
q Neutronové hvězdy a kvantová degenerace
•Stabilitu neutronových hvězd zajišťuje relativistická gravitace a kvantová mechanika (Pauliho
vylučovací princip)
•Pozorování neutronových hvězd umožňuje testovat limity těchto teorií
•
qKvantové efekty v extrémních gravitačních polích
•V blízkosti černých děr a neutronových hvězd se vysoké energie kombinují s kvantovými procesy,
například tvorbou částic-antičástic
•Magnetary (neutronové hvězdy s extrémními magnetickými poli) mohou generovat podmínky, kde se
relativistická gravitace a kvantové efekty propojují
•
q Kvantové fluktuace časoprostoru
•Na Planckově škále není časoprostor spojitý, ale podléhá kvantovým fluktuacím
•Tyto fluktuace mohou být detekovatelné v rámci výzkumu kvantové gravitace

 Známé jevy propojující teorii relativity a kvantovou mechaniku
q Hawkingovo záření
•Kvantový efekt, kdy černé díry vyzařují částice díky kvantovým fluktuacím na horizontu událostí.
•Tento jev kombinuje obecnou teorii relativity (černé díry) a kvantovou mechaniku (fluktuace vakua)
•
q Informační paradox černých děr
•Problém: Kam zmizí informace o hmotě, která spadla do černé díry, když se černá díra vypaří?
•Hypotéza holografického principu: informace je uchována na povrchu horizontu událostí a není
ztracena
•
q

Proč je potřeba kvantová gravitace?
•
•Současné teorie dokáží popsat gravitační jevy (relativita) a kvantové jevy (kvantová mechanika),
ale ne jejich propojení.
•
•Cílem kvantové gravitace je sjednotit obecnou teorii relativity a kvantovou mechaniku do jedné
teorie, která popíše chování gravitace na všech měřítkách.
•
•Povede k porozumění Velkému třesku, černým dírám a dalším extrémním jevům.

Pokusy o sjednocení – Teorie strun
•Elementární částice nejsou bodové, ale tvořeny vibrujícími „strunami“. Každý typ vibrace odpovídá
jiné částici
•
•Teorie strun vyžaduje existenci více dimenzí (obvykle 10 nebo 11), které nejsou běžně
pozorovatelné
•
•Teorie strun zahrnuje hypotetickou částici gravitace – graviton
•
•Nedostatek experimentálních důkazů a složitost ověřování v praxi

Pozorovatel A stojí uprostřed nástupiště na vlakovém nádraží.
Pozorovatel B sedí uprostřed vlaku, který se pohybuje konstantní rychlostí podél nástupiště.
Dva blesky udeří současně na oba konce vlaku (přední a zadní část). Pro pozorovatele A stojícího na
nástupišti vypadají oba blesky jako simultánní (vidí světlo z obou blesků dorazit k sobě zároveň).
Ale pozorovatel B ve vlaku, který se pohybuje směrem k přednímu blesku a vzdaluje se od zadního
blesku, vnímá situaci jinak. Protože se pohybuje k jednomu blesku a od druhého, vidí světlo z
předního blesku dříve než světlo z blesku na zadní části vlaku.

Smyčková kvantová gravitace (LQG)
•Prostoročas není spojitý, ale diskrétní, tvořený kvantovými „smyčkami“
•
•Na mikroskopické úrovni se prostoročas chová jako síť kvantových propojení
•
•Smyčková gravitace nevyžaduje dodatečné dimenze a nabízí modely pro řešení singularit černých děr
•
•Nedostatek experimentální podpory a omezená kompatibilita s ostatními částicovými teoriemi

Budoucnost kvantové gravitace
•
•Pokusy sjednotit teorii strun a smyčkovou gravitaci nebo vytvořit zcela nový model
•
•Detekce primordiálních gravitačních vln z Velkého třesku nebo efektů kvantové gravitace na
časoprostorové fluktuace
•
•Porozumění ranému vesmíru, osudu černých děr a vztahu mezi temnou hmotou a gravitací

Video 2hc

Otázky
•
•
•Jakým způsobem kvantové fluktuace na horizontu událostí vedou k vypařování černých děr?
•
•Jak magnetary demonstrují propojení relativistické gravitace a kvantové mechaniky?
•
•Jaké limity má současná teorie relativity?
•
https://www.youtube.com/watch?v=eRzQDyw5C3M