Vytvářejí gravitaci spontánní kolapsy vlnové funkce? Kredit: CC0 Creative Commons.

Dnešní fyzika stojí na dvou pilířích – obecné relativitě a kvantové mechanice. Není to ale snadné a usměvavé partnerství. Einsteinova relativita a kvantová mechanika jsou protiklady, a to přímo zničující protiklady. Jejich spor možná bude muset skončit tím, že se buď jeden, nebo možná oba dva pilíře zhroutí a z jejich sutin povstane nová fyzika.

Antoine Tilloy. Kredit: A. Tilloy.

Podle nové studie by se mohl zřítit pilíř obecné relativity. Tvrdí totiž, že gravitaci, tak jak ji pozorujeme v makrosvětě, generují náhodné fluktuace na kvantové úrovni. Jestli to tak skutečně je, zmocní se vlády nad světem kvantová mechanika.

Jak jistě každý ví, kvantová mechanika je skvělá na vysvětlení vztahů mezi nejmenšími částečkami hmoty. A obecná relativita si poradí s gravitací až po největší struktury našeho vesmíru. Jenže navzájem se kvantová mechanika s obecnou relativitou naprosto nesnášejí. Fyzici se je snaží smířit už od Einsteinových dob, zatím ovšem marně.

Jako jednu z možných cest ke smíření rozhádaných teorií badatelé již dříve zkoumali přístup, podle něhož je gravitace ve své podstatě tvořená kvanty, tak jako je elektromagnetické záření tvořené fotony. Tento postup při hledání smíření v podobě kvantové gravitace se ale ukázal jako neprůchozí.

Živá anebo mrtvá? Kredit: Dhatfield / Wikimedia Commons.

Antoine Tilloy z Max Planck institutu kvantové optiky v německém Garchingu zkusil něco jiného. Řečeno velmi stručně, rozhodl se vyždímat gravitaci z kvantově mechanických jevů. V kvantové mechanice je stav částic popsán jejich vlnovou funkcí. Ta umožňuje spočítat například to, s jakou pravděpodobností se částice při měření vyskytuje na tom či onom místě. Před měřením přitom není jasné, jestli dotyčná částice vůbec existuje, a pokud ano, tak kde je. Vlastě to vypadá, že realitu vytvoří až samotné měření, které způsobí kolaps vlnové funkci, čili redukci stavu superpozice měřených veličin na jednu z možných hodnot.

Potíž je v tom, že kvantová mechanika ve skutečnosti nedefinuje, co je měření vlastně zač. Není například jasné, jestli vyžaduje lidské vědomí anebo nikoliv. Problém s měřením pak ve kvantové mechanice vede k divácky atraktivním paradoxům, jako je například legendární patálie se Schrödingerovou kočkou. Ta je v krabici a je tam zároveň živá a mrtvá, dokud krabici někdo neotevře.

Výjev z Max Planck institutu kvantové optiky. Kredit: Thorsten Naeser / MPG.

Jedno z možných řešení tohoto paradoxu představuje model Ghirardi–Rimini–Weber (GRW), který vznikl na sklonku osmdesátých let. Tomuto modelu se také říká kolapsová teorie (collapse theory), protože podle ní dochází ke spontánním a náhodným kolapsům vlnové funkce. Tilloy tenhle model vzal, pohrál si s ním a upravil ho tak, že může vytvořit teorii gravitace.

Když v takto upravenému modelu kolapsové teorie dojde ke spontánnímu kolapsu vlnové funkce a příslušná částice se zjeví na jednom konkrétním místě, tak se v tom okamžiku podle Tilloye vygeneruje gravitační pole. Čím větší je kvantový systém, tím více jej tvoří částic, a tím intenzivněji v něm dochází ke spontánním kolapsům vlnové funkce. A tím silnější je i výsledné gravitační pole, které je průměrem fluktuací gravitačního pole, poháněných jednotlivými kolapsy vlnové funkce. Takovou snahu o smíření kvantové mechaniky s obecnou relativitou je možné označit jako semiklasický přístup. Gravitaci totiž v tomto případě vytvářejí kvantové jevy, ale přitom vlastně zůstává klasickou fyzikální silou.

Rozhodně to není mainstream. Ale reakce ostatních fyziků, přinejmenším některých nejsou vyloženě nepřátelské. Například Klausovi Hornberger z německé Univerzity v Duisburgu-Essenu se tenhle nápad v principu líbí. Ještě podle něj ale zbývá propočítat spoustu problematických míst. Tilloyův model například vlastně uvažuje Newtonovu gravitaci a zatím není jasné, jak si poradí s gravitací v obecné relativitě. Tilloy s tím souhlasí a připouští, že to nebude snadné.

Jistou výhodou je, že Tilloyův upravený model kolapsové teorie nabízí předpovědi, které je možné testovat. Například z něj vyplývá, že by se gravitace měla chovat poněkud odlišně v mikrosvětě a makrosvětě. Pokud se to potvrdí a vědci zjistí, že gravitaci skutečně pohánějí spontánní kolapsy vlnové funkce, tak to bude zásadní krok na cestě za vysněnou teorií všeho. Takže, uvidíme.

Video:  An alternative to the Schrodinger Newton approach by Antoine Tilloy


Video: Antoine Tilloy Non Markovian linear quantum feedback of continuous measurements


Video:  GianCarlo Ghirardi - GRW collapse models

Literatura
New Scientist 20. 9. 2017, arXiv:1709.03809, Wikipedia (Ghirardi–Rimini–Weber theory).