Podle jejích autorů může oříšek celé záhady rozlousknout něco, co fyzici nazývají topologie, která je považována za skrytou matematickou strukturu prostoru a kvantových stavů. To s sebou přináší zajímavou myšlenku, že vesmír se možná nerozpíná současnou rychlostí náhodou. Může být stabilizován hlubšími geometrickými pravidly, která jsme dosud přehlíželi.

Jestliže bychom brali v potaz platnost této myšlenky, šlo by o důležitý předstupeň směrem ke sjednocení kvantové mechaniky a gravitace. Fyzici tomu rádi již desítky let říkají teorie všeho.

Co je kosmologická konstanta a proč fyziky děsí

Kosmologická konstanta je číslo, které popisuje energii prázdného prostoru. To může znít pro někoho možná zvláštně, protože většina lidí si vakuum představuje jako absolutní nicotu. V každém případě dle moderní kvantové fyziky není prázdný prostor nikdy skutečně prázdný.

Samozřejmě i ve vakuu neustále vznikají a zanikají částice. Kvantové pole se proto chová jako neklidný oceán, ve kterém neustále probíhají drobné fluktuace. Tento neustálý pohyb vytváří energii vakua, která má odpudivý efekt, kdy vlastně tlačí prostor samotný k rozpínání.

To by samo o sobě nebylo nijak problematické. Astronomové již dávno vědí, že se vesmír rozpíná. Koncem devadesátých let navíc zjistili něco ještě (pro ně v té době) podivnějšího, že se rozpínání vesmíru zrychluje. Jak si to vysvětlujeme dnes? Jak si to dnes vysvětlují výzkumníci? Pokud jste si odpověděli kosmologickou konstantou, odpověděli jste si správně - dnes se jedná o nejběžnější vysvětlení tohoto jevu.

I přesto se zde vyskytují některé značné nesrovnalosti.

Kvantová teorie pole, která mimochodem patří mezi nejpřesnější teorie v historii vědy, předpovídá hodnotu energie vakua nesrovnatelně větší, než jakou skutečně pozorujeme. Rozdíl je tak absurdní, že ho fyzici často označují za nejhorší předpověď v dějinách fyziky.

Teorie totiž říká, že vakuum by mělo obsahovat gigantické množství energie, že by se vesmír rozpínal extrémně rychle. Tak rychle, že by nikdy nevznikly galaxie, hvězdy ani planety. Hmota by se nestačila spojit do větších struktur a vesmír by byl v podstatě chaotickou prázdnotou.

Realita se nám však ukazuje úplně jinak, když se samotný vesmír rozpíná poměrně klidně, a stejně tak existují galaxie, hvězdy, planety i život. Proto je třeba zauvažovat, zda někde v našem chápání reality neexistuje hluboká chyba nebo něco důležitého co přehlížíme.

Einsteinův největší omyl

Historie kosmologické konstanty je sama o sobě fascinující. Když Albert Einstein vytvářel obecnou teorii relativity, jeho rovnice ukazovaly, že vesmír nemůže být stabilní. Gravitace by měla způsobit jeho zhroucení.

Akorát tehdejší vědci věřili, že vesmír je statický a neměnný. Einstein proto do svých rovnic přidal nový dílek - tu samou kosmologickou konstantu, o které je zde řeč. Ta měla působit jako odpudivá síla, která vyrovná gravitaci a zabrání kolapsu vesmíru.

Zdroj: Shutterstock

Pak ale přišel Edwin Hubble, který v roce 1929 objevil, že se galaxie od sebe vzdalují. Teorie tím byla povýšena ze statického vesmíru na rozpínající se vesmír a Einsteinova dodatečná konstanta se najednou zdála zbytečná. Einstein ji proto odstranil z rovnice a říká se, že ji později označil za svůj největší omyl.

Ironií ale je, že kosmologická konstanta se po několika desetiletích vrátila zpět. Když astronomové v roce 1998 zjistili, že rozpínání vesmíru zrychluje, bylo potřeba znovu zavést nějakou formu energie vakua, tudíž se starý problém vrátil v ještě mnohem horší podobě.

Nečekané propojení s kvantovým Hallovým efektem

Nová studie výzkumníků z Brownovy univerzity přichází s velmi neobvyklým řešením. Fyzici Stephon Alexander, Aaron Hui a Heliudson Bernardo se zaměřili na teorii známou jako Chern-Simons-Kodama state, zkráceně CSK.

Jde o jednu z možných variant kvantové teorie gravitace, která by dost možná dokázala spojit obecnou relativitu s kvantovou mechanikou.

Dnes totiž máme situaci, kdy obecná relativita výborně funguje při popisu velkých objektů, jako jsou planety, hvězdy nebo samotný vesmír. To samé platí v případě kvantové mechaniky, která zase perfektně vysvětluje chování částic na nejmenších škálách. Když se ale obě teorie pokusíme spojit, začnou vznikat matematické problémy.

CSK teorie patří mezi relativně konzervativní přístupy ke kvantové gravitaci. Nespoléhá vyloženě na exotické dimenze ani komplikované multivesmíry. Vychází spíš z tradičního kvantování gravitace, které navazuje na práci fyziků jako Dirac nebo Schrödinger.

Při studiu této teorie si Stephon Alexander všiml něčeho pozoruhodného, co stojí za zmínku. Rovnice popisující CSK stav připomínaly matematiku kvantového Hallova efektu, což je dnes jeden z nejpodivnějších jevů moderní pevno-látkové fyziky.

Kvantový Hallův efekt a podivná stabilita přírody

Je třeba na úvod podotknout, že kvantový Hallův efekt vzniká výhradně v extrémních podmínkách. Pokud velmi tenkým materiálem protéká elektrický proud a zároveň na něj působí silné magnetické pole při velmi nízkých teplotách, začne se elektrické chování systému měnit netradičním způsobem.

Normálně by člověk čekal, že se elektrické napětí bude měnit plynule. To ale v kvantovém Hallově efektu neplatí a mění se po přesných skocích. Hodnoty elektrické vodivosti zůstávají dokonale stabilní a přesné.

A přitom téměř vůbec nezáleží, z jakého materiálu je systém vyroben nebo zda obsahuje různé vady a nedokonalosti, výsledek je stále stejný.

To je v přírodě mimořádně neobvyklé. Normálně totiž drobné poruchy systém ovlivňují. Tady ale existuje něco, co hodnoty doslova chrání. A to je ona topologie, kterou jsme mírně nadhodili na začátku článku.

Topologie jako ochranný mechanismus reality

Topologie je matematický obor, který studuje vlastnosti objektů nezávisle na jejich přesném tvaru. Slavný příklad říká, že z pohledu topologie jsou hrnek a kobliha prakticky stejné objekty, protože oba mají jeden otvor.

V kvantové fyzice ale topologie získává mnohem hlubší význam. Popisuje strukturu kvantových stavů a způsob, jakým jsou matematicky uspořádané. Je to struktura, která může některé fyzikální vlastnosti chránit před poruchami. V kvantovém Hallově efektu topologie uzamkne hodnoty elektrické vodivosti tak pevně, že je téměř nemožné je změnit.

A studie to povýšila z malého rozměru do rozměru samotného prostoročasu. Výzkumníci zjistili, že podobná topologická ochrana může existovat jak v prostoru, tak v čase.

Podle jejich výpočtů má CSK stav netriviální topologickou strukturu, která stabilizuje kosmologickou konstantu. Kvantové fluktuace, které by normálně měly energii vakua vystřelit do absurdních hodnot, se kvůli této topologii stávají neškodnými.

Proto se lze domnívat, že samotná struktura prostoru může fungovat jako ochranný mechanismus, který drží energii vakua pod kontrolou.

Vesmír možná nemůže mít libovolnou energii

Jedním z nejzajímavějších přínosů studie je hypotéza, že kosmologická konstanta není ani v nejmenším spojitá hodnota. Místo toho může být kvantovaná. To znamená, že vesmír nemůže mít jakoukoliv hodnotu energie vakua. Bereme-li na zřetel možnou platnost této hypotézy, pak musí existovat pouze určité povolené hodnoty, podobně jako elektrony v atomu mohou existovat jen na konkrétních energetických hladinách.

Ještě důležitější pak je, že to svým způsobem propojuje dvě zdánlivě vzdálené oblasti fyziky, konkrétně kosmologii a pevno-látkovou fyziku. Povýšení mechanismů pozorovaných v kvantových materiálech na úroveň rozpínání vesmíru je sice odvážné, ale velmi zajímavé a třeba pravděpodobné.

Jsme blízko teorii všeho?

Na definitivní nehypotetické odpovědi je však zatím příliš brzy. Autoři studie sami zdůrazňují, že jejich práce představuje spíše první fázi než hotové řešení.

Kvantová gravitace je stále jedna z nejméně prozkoumaných oblastí fyziky. Stále neexistuje žádný experiment, který by podobné teorie přímo potvrdil. Přesto je nová studie mimořádně zajímavá, protože nabízí úplně nový pohled na problém, který fyziky trápí desítky let.

Navíc posiluje význam CSK teorie jako možné cesty ke kvantové gravitaci. Už jen samotná myšlenka, že hluboké vlastnosti vesmíru nemusí být důsledek náhody, ale spíše skrytých matematických struktur, je imponující.

Dlouho byl totiž kvantový svět popisován jako chaotické místo plné neustálých fluktuací a náhodných procesů, a tato studie přináší možné vysvětlení některých nesrovnalostí. Možná opravdu pod tím vším existuje hluboký geometrický řád, který vesmír stabilizuje a drží pohromadě. V případě, že by se někdo v budoucnu pokusil tento jev nějakým způsobem zdokumentovat, ověřit, určitě o tom vyjde ještě další článek. Je to velice zajímavá oblast fyziky, i když nedovršená a zatím s pouhými teoriemi a hypotetickými vrstvami.