Proč? Protože právě v singularitě na sebe v plné rychlosti naráží dva naprosto odlišné světy. Na jedné straně máme Einsteinovu obecnou relativitu, která dokonale popisuje obrovské a těžké věci – planety, hvězdy a galaxie. Na straně druhé je tu kvantová mechanika, excentrická vládkyně mikrosvěta plného neustálého chaosu a drobných částic.

Dokud tyto dvě teorie zkoumají svůj vlastní „píseček“, fungují naprosto fantasticky. Ale v singularitě je musíme použít obě najednou. A v ten moment naše matematika zkolabuje. Většina moderních fyziků tuší, že "nekonečna" v přírodě neexistují a že nám jen chybí dílek skládačky, který by ukázal, že tento bod má nějakou minimální možnou velikost. Pokud chceme zjistit, co se tam skutečně děje, potřebujeme najít sjednocující teorii. Ale abychom to dokázali, musíme se nejprve zeptat na to úplně nejzákladnější: Co je to vlastně gravitace?

Zakřivení časoprostoru: Proč Měsíc vlastně padá, ale nikdy nespadne

Zapomeňme na chvíli na složité rovnice a pojďme na to od lesa. Všichni známe ten klasický obraz: prostor si můžeme představit jako obrovské, do všech stran napnuté gumové plátno. Když doprostřed položíte těžkou kouli (třeba naši Zemi), plátno se pod ní prohne a vytvoří důlek. Když pak kolem pošlete menší kuličku (Měsíc), nepoletí už rovně, ale začne v tomto trychtýři kroužit. Gravitace tedy není neviditelný provázek, ale samotný tvar prostoru.

Moc se mi líbí myšlenkový experiment Isaaca Newtona s dělem na vysoké hoře, protože ukazuje gravitaci z úhlu, který nás většinou nenapadne. My lidé vnímáme gravitaci primárně jako sílu, která nás nekompromisně táhne dolů. Pád je pro nás konečná stanice.

Jenže když nějaké těleso obíhá kolem planety, ono ve skutečnosti neustále padá. Měsíc padá na Zemi každou jedinou vteřinu. Ale protože má zároveň obrovskou dopřednou rychlost a Země je pod ním kulatá, Měsíc ten povrch neustále „míjí“. Jeho pád nikdy neskončí nárazem. A přesně tohle je oběžná dráha – nekonečný pád v zakřiveném prostoru.

Energie jako zdroj gravitace: Zakřivuji vesmír i já, když běžím na tramvaj?

Když už víme, že gravitace je vlastně zakřivený prostor, nabízí se jedna logická otázka. Pokud těžká Země prohýbá plátno pod sebou, dělám to samé i já?

Odpověď zní: Ano. Naprosto všechno, co má nějakou hmotnost, zakřivuje časoprostor kolem sebe. Vy, váš mobilní telefon i ranní káva na stole. Čím větší hmotnost objekt má, tím větší „důlek“ v prostoru vytvoří a tím silnější je jeho gravitace. Naše lidská hmotnost je ale ve srovnání s planetami tak nepatrná, že to zakřivení je naprosto neměřitelné. Země nás prostě svou obrovskou masou spolehlivě přebije.

A tady se dostáváme k fascinujícímu faktu, který vychází z Einsteinovy teorie relativity (rovnice E=mc2). Hmota a energie jsou spojené nádoby, což znamená, že prostor nedeformuje jen samotná hmota, ale i tok energie a tlak!

Představte si, že kolem prosvištíte ve vesmírné lodi rychlostí blížící se rychlosti světla. Vy uvnitř se cítíte naprosto normálně, vaše hmotnost se nijak fyzicky nezvětšila. Ale vnější pozorovatel vidí něco zajímavého. Tím, že letíte tak šíleně rychle, máte obrovskou pohybovou (kinetickou) energii. Dříve se lidé mylně domnívali, že se tím z pohledu vnějšku stáváte „těžšími“ a vaše gravitace plošně roste. Tak to ale není – to by se každá rychle letící částice musela zhroutit do černé díry! Ve skutečnosti vaše extrémní rychlost a energie deformují samotný tvar vašeho gravitačního pole. Z pohledu pozorovatele se vaše gravitační pole smrskne a zploští ve směru vašeho letu do jakési "placky" (fyzikové tomu říkají Aichelburg-Sexl ultraboost). Vaše energie tedy prostor křiví, ale mnohem rafinovanějším způsobem, než pouhým přidáním váhy.

S tímto extrémním zakřivením prostoru jde ruku v ruce i čas. Čím rychleji letíte a čím více energie „tahá“ za předivo vesmíru, tím pomaleji vám z pohledu vnějšího pozorovatele plyne čas.

(Struktura černé díry)

Trhliny v časoprostoru a červí díry: Můžeme vesmírnou látku proděravět a vykouknout ven?

Když už si představujeme prostor jako napnuté plátno nebo trampolínu, logicky nás napadne jedna věc. Co když na tu trampolínu dopadne něco tak neuvěřitelně těžkého a ostrého, že ta guma prostě praskne? Můžeme vesmír "poškodit", roztrhnout ho a podívat se, co je za ním?

Z pohledu Einsteinovy klasické fyziky by zněla odpověď rázné ne. Obecná relativita popisuje časoprostor jako dokonale hladkou, spojitou a nezničitelnou plochu. Můžete ji natahovat a křivit do nekonečna (což se přesně děje u černé díry), ale nikdy ji neroztrhnete.

Jenže když si vezmeme na pomoc lupu kvantové mechaniky a přiblížíme si prostor na tu absolutně nejmenší možnou úroveň, uvidíme šokující věc. Fyzik John Wheeler tomu začal říkat „kvantová pěna“. Na této nepředstavitelně malé škále už prostor není hladký. Je to divoce bublající chaos, kde se časoprostor neustále trhá, tvoří mikroskopické díry a zase se bleskově sešívá dohromady.

A co bychom viděli, kdybychom nějakou větší trhlinou přece jen prošli? Tady vás asi zklamu. Žádné "zákulisí" v našem lidském chápaní neexistuje. Pokud byste prostor proděravěli a spojili dvě takové trhliny dohromady, vytvořili byste takzvanou červí díru – zkratku do jiné části našeho vlastního vesmíru. A pokud byste se přece jen dostali "mimo" náš prostor, pravděpodobně byste se ocitli ve vícerozměrném hyperprostoru, kde plují další vesmíry. (Této myšlence jsme se podrobně věnovali v článku Stranger Things a věda: Existuje skutečně svět "Vzhůru nohama"?).

Kvantová gravitace a graviton: Když hladký vesmír narazí na rozmazanou pravděpodobnost

Tímto pohledem do mikrosvěta se obloukem vracíme k problému z úplného začátku – k naší singularitě a k tomu, proč si kvantová fyzika s Einsteinem prostě nerozumí. Kde je vlastně ten zakopaný pes?

Představte si znovu to naše napnuté gumové plátno časoprostoru. Einsteinova obecná relativita je krásně hladká, spojitá a stoprocentně předvídatelná. Říká nám s naprostou jistotou: "Tady přesně leží těžká bowlingová koule, a proto se pod ní plátno přesně takto prohne."

A teď do tohoto hladkého světa vhoďte pravidla kvantové mechaniky. Na úrovni subatomárních částic neexistuje žádná jistota. Dokud částici nezměříme, je to jen "mapa možností". Šíří se prostorem jako rozmazaná vlna pravděpodobnosti a je tak trochu všude. Může být dokonce v superpozici – na dvou místech současně.

A tady přichází ten fatální rozpor. Jak má to hladké Einsteinovo plátno reagovat na něco, co vlastně nikde konkrétně není? Pokud těžká částice zakřivuje prostor, ale sama je rozmazaná na více místech najednou, má se ten prostor pod ní prohnout také na více místech současně? V momentě, kdy se fyzikové pokusí vložit tyto rozmazané kvantové pravděpodobnosti do elegantních Einsteinových rovnic o gravitaci, matematika se doslova zblázní. Začnou z ní padat nesmysly a nekonečna. Hladká geometrie se s rozmazaným chaosem prostě nesnese.

Kvantovým fyzikům navíc chybí do skládačky ještě jedna zásadní věc. V jejich světě totiž všechny ostatní přírodní síly fungují na principu předávání jiných částic. Když se přitahují dva magnety, ve skutečnosti si mezi sebou obrovskou rychlostí pinkají neviditelné částice světla (fotony), které fungují jako pošťáci nesoucí zprávu "přitáhni se". Proto vědci logicky předpokládají, že i gravitace musí mít svého poslíčka. Říkají mu graviton.

Hledání gravitonu je ale nesmírně složité. Zatímco ostatní částice si pošťáky pinkají uvnitř prostoru, hledat graviton znamená hledat elementární zčeření samotného prostoru. Není to nutně "nit", ze které je prostor ušitý, ale spíše částice (kvantum gravitační vlny), která časoprostoru předává příkazy, jak přesně se má zakřivit.

Kdybychom ho našli a pochopili, jak funguje, konečně bychom dokázali spojit Einsteinovo hladké plátno s onou trhanou kvantovou realitou. A teprve pak bychom získali matematický klíč k tomu, co se skutečně skrývá v temném srdci černé díry a jak přesně vypadaly první zlomky vteřiny našeho vesmíru.

(Kvantová gravitace a graviton)