Otázky, které nikdo neklade
Předmluva
Následující text neobsahuje žádné odpovědi. Pouze otázky. Některé z nich jsou možná hloupé. Některé možná ne. Posoudit to necháváme na čtenáři — fyzika je přece demokratická, ne?
I. Vakuová katastrofa
Energetická hustota vakua podle kvantové teorie pole vychází 10⁷⁴ GeV⁴. Pozorovaná hodnota je 10⁻⁴⁷ GeV⁴. Rozdíl 121 řádů.
Kdybychom takový výsledek dostali u diplomové práce, neobhájili bychom ji.
Proč ho obhajujeme jako základ moderní kosmologie?
Rozdíl 121 řádů mezi predikcí kvantové teorie pole a pozorovanou hodnotou vakuové energie — největší nesoulad v historii fyziky
| Veličina | Hodnota | Zdroj |
|---|---|---|
| Predikce QFT | 10⁷⁴ GeV⁴ | Součet nulových kmitů po Planckovu škálu |
| Pozorovaná hodnota | 10⁻⁴⁷ GeV⁴ | Kosmologická pozorování |
| Rozdíl | 121 řádů | Největší nesoulad v historii fyziky |
II. Černá díra v obýváku
Kvantová mechanika počítá hustotu vakua jako součet nulových kmitů všech polí až po Planckovu škálu. Planckova hustota je hustota, při které se tvoří černé díry.
Jinými slovy: vzali jsme extrémní podmínky z nitra černé díry a prohlásili je za vlastnost prázdného prostoru mezi galaxiemi.
Připadá to někomu… zvláštní?
III. Čas, který neexistuje
V kvantové mechanice je čas parametr. Ne operátor. Ne pozorovatelná. Parametr. Hodiny na zdi.
Pozice — operátor. Hybnost — operátor. Spin — operátor. Čas — tiká na pozadí a fyziku nezajímá.
A přitom každý experiment, který jsme kdy provedli, je v jádru měření času. Perioda. Frekvence. Interval. Rozpad.
Jak je možné, že jediná veličina, kterou skutečně měříme, není součástí formalismu?
Čas je jedinou fundamentální veličinou, kterou skutečně měříme — ale v kvantové mechanice není operátor ani pozorovatelná
IV. Mona Lisa ve statistice
Standardní kosmologický model předpokládá, že vesmír je homogenní a izotropní na velkých škálách. Kosmologický princip.
Poté pozorujeme filamenty, voidy, clustery, stěny, kosmickou pavučinu — strukturu na každé škále, kterou jsme kdy změřili.
A řešení? Průměrujeme. Vyhlazujeme. Říkáme: na *dostatečně* velkých škálách to zmizí.
Na dostatečně velkém papíře zmizí i Mona Lisa. To neznamená, že tam není.
V. Neviditelná hmota, nebo chybná rovnice?
Hvězdy na okrajích galaxií rotují příliš rychle. Nesedí to s viditelnou hmotou.
Řešení A: Existuje neviditelná hmota, kterou nikdo nikdy nezachytil, nepozoroval, neizoloval — ale je jí pětkrát víc než všeho co vidíme.
Řešení B: Možná je chyba v rovnici.
Ve většině oborů lidské činnosti bychom začali u B.
Temná hmota je řešení A — zavedení neviditelné substance. Řešení B — oprava rovnice — se systematicky zanedbává
VI. Celý vesmír z jednoho čísla
Rudý posuv vzdálené galaxie. Jedno číslo: z.
V tom čísle sedí: kosmologická expanze, gravitační rudý posuv, pekuliární rychlost zdroje, interakce s prostředím na cestě, a případně věci, o kterých ještě nevíme.
My z toho jednoho čísla odvozujeme vzdálenost, stáří, rychlost, historii celého vesmíru.
Je to, jako byste si přečetli celkový počet kilometrů na tachografu a z toho usoudili, jakou jste celou dobu jeli rychlostí.
VII. Ohyb, nebo hustota?
Einstein ukázal, že prostor se ohýbá. Krásné. Ověřené. Funguje.
Ale co když se jenom ohýbá? Co když se také zhušťuje?
Foton procházející gravitačním polem zpomaluje — Shapirovo zpoždění, experimentálně potvrzeno. Konvenční interpretace: delší cesta zakřiveným prostorem.
Alternativní interpretace: kratší cesta hustším prostředím.
Obě dávají stejný výsledek. Jednu testujeme. Druhou ne. Proč?
Shapirovo zpoždění má dvě rovnocenné interpretace — zakřivení prostoru a zhušťování prostoru. Testujeme pouze jednu
VIII. Pět procent
Temná hmota: zavedena aby vysvětlila rotační křivky. Dosud nezachycena.
Temná energie: zavedena aby vysvětlila akceleraci expanze. Dosud nepochopena.
Dohromady tvoří 95 % vesmíru.
Pět procent vidíme. Pět procent měříme. Pět procent rozumíme.
A jsme si jisti, že problém není v rovnicích — ale ve vesmíru?
| Složka | Podíl | Status |
|---|---|---|
| Baryonová hmota | ~5 % | Pozorovaná, pochopená |
| Temná hmota | ~27 % | Nikdy nezachycena |
| Temná energie | ~68 % | Nepochopená |
IX. Šest sigma objev, který ignorujeme
Hubbleova konstanta měřená lokálně (supernouy, Cepheidy): ~73 km/s/Mpc. Měřená z CMB: ~67 km/s/Mpc. Šest sigma rozdíl.
Obě měření jsou správná. Obě metodologie jsou robustní. Šest sigma je práh, nad kterým v částicové fyzice vyhlašujeme objev.
Místo abychom vyhlásili objev — že lokální a globální expanze jsou *různé* — hledáme chybu v měření.
Co když tam žádná chyba není?
Hubbleovo napětí (~6σ) splňuje práh pro vyhlášení objevu v částicové fyzice — přesto ho hledáme jako systematickou chybu
| Metoda | H₀ (km/s/Mpc) | Zdroj |
|---|---|---|
| Lokální (SN Ia, Cepheidy) | ~73 | SH0ES, Riess et al. |
| Globální (CMB) | ~67 | Planck Collaboration |
| Rozdíl | ~6σ | Práh pro objev v částicové fyzice: 5σ |
X. Nejpřesnější teorie, která selhává
Casimirův jev funguje. Lamb shift sedí na 12 desetinných míst. Kvantová elektrodynamika je nejpřesnější teorie v historii fyziky.
Na atomové škále.
Na kosmologické škále ta samá teorie selhává o 121 řádů.
Buď příroda je rozbitá, nebo extrapolace jedné škály na všechny ostatní není legitimní operace.
Vsadili bychom si, která možnost to je?
XI. Kvintesence
Zamysleme se nad tím, co vlastně tvrdíme.
Máme teorii, která popisuje 5 % vesmíru s extrémní přesností. Zbylých 95 % jsme nikdy neviděli, nezachytili, neizolovali — ale jsme si jisti, že existují, protože bez nich nám nesedí rovnice.
V alchymii tomu říkali kvintesence — pátý element, neviditelný, ale nezbytný.
V moderní fyzice tomu říkáme temná hmota a temná energie.
Pokrok?
Temná hmota a temná energie jsou moderní kvintesence — neviditelné substance zavedené aby zachránily rovnice. Alchymie 21. století?
XII. Co když někdo odpověď už má?
Jedenáct otázek. Žádné odpovědi.
Ale co když to není pravda?
Co když existuje rovnice, která spojuje vakuovou energii s gravitací bez 121 řádů nesouladu? Co když rotační křivky galaxií vycházejí bez neviditelné hmoty? Co když Hubbleovo napětí není chyba, ale vodítko?
Co když někdo vzal všechny tyto otázky, položil je vedle sebe — a uviděl jednu odpověď?
Odpověď zná pouze Architekt.
Co když všech jedenáct otázek má jednu společnou odpověď — a někdo ji už zná?
Kde se potkáváme s konvenční fyzikou
Vakuová katastrofa (10^121 řádů mezi predikcí a pozorováním), 27 % vesmíru neviditelných pro současné detektory, Hubbleova tenze (>5 sigma mezi Planck a lokálním měřením). Tři otevřené problémy, žádné konsenzuální řešení. Současná fyzika ví, že něco chybí. Otázka je co.
Závěr
Žádné odpovědi nebyly v průběhu psaní tohoto textu poškozeny. Některé otázky ale možná poškodily něčí klid. A některé z nich mají odpověď. Ale to je jiný svitek.
P.S. Během ověřování této teorie nezemřela žádná kočka.
Reference
- Weinberg, S. (1989). The cosmological constant problem. Reviews of Modern Physics, 61(1), 1–23.
- Adler, R. J., Casey, B. & Jacob, O. C. (1995). Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem. American Journal of Physics, 63(7), 620–626.
- Pauli, W. (1933). Die allgemeinen Prinzipien der Wellenmechanik. Handbuch der Physik, 24, 83–272.
- Hogg, D. W. et al. (2005). Cosmic homogeneity demonstrated with luminous red galaxies. The Astrophysical Journal, 624, 54.
- Rubin, V. C. & Ford, W. K. (1970). Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. The Astrophysical Journal, 159, 379.
- Milgrom, M. (1983). A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis. The Astrophysical Journal, 270, 365–370.
- Shapiro, I. I. (1964). Fourth Test of General Relativity. Physical Review Letters, 13(26), 789–791.
- Riess, A. G. et al. (2022). A Comprehensive Measurement of the Local Value of the Hubble Constant. The Astrophysical Journal Letters, 934, L7.
- Planck Collaboration (2020). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. A&A, 641, A6.
- Di Valentino, E. et al. (2021). In the realm of the Hubble tension — a review of solutions. Classical and Quantum Gravity, 38, 153001.
- Casimir, H. B. G. (1948). On the attraction between two perfectly conducting plates. Proc. Kon. Ned. Akad. Wetensch., 51, 793–795.
- Einstein, A. (1905). Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? Annalen der Physik, 323(13), 639–641.