GRAVITACE Popis jevu versus jeho vysvětlení Václav Dostál, původně 31.3.2010 Úvod: Newtonovo tvrzení versus výklad jeho zákona Současné chápání gravitace vede až k úplnému gravitačnímu kolapsu celého vesmíru, kdy se má veškerá „hmota“ vesmíru zhroutit do několika „menších“ černých děr nebo dokonce do jediné gigantické černé díry. I když má k takovému jevu dojít až po mnoha miliardách let, je to hodně tragický konec, jemuž nemá uniknout vůbec nic. Naskýtá se tak otázka, jaký smysl má naše úsilí v poznávání a porozumění světu. Tuto otázku však ponechejme stranou a soustřeďme se na to, jak mohlo historicky dojít až k takovým myšlenkám. Dne 2.3.2010 se na portálu http://arxiv.org objevil článek „Astrophysical Black Holes in the Physical Universe” od profesora Shuang-Nan Zhanga, který odpovídá na otázku reálné existence černých děr kladně. Je však více než zajímavé, že pohled na tuto problematiku se nezměnil po dlouhé roky. 20.10.1983 Vojtěch Ullmann uveřejnil rozsáhlou studii „Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu“ (http://astronuklfyzika.cz/GravitCerneDiry.htm). Závěry prof. Ullmanna a prof. Shuang-Nan Zhanga jsou shodné. Zdá se, že se v podstatě vysvětlení nic nezměnilo nejen za oněch 17 let, jež od sebe oba zdroje dělí, ale mnohem déle. Jde pravděpodobně o asi tři sta let! Totiž přibližně tři sta let se traduje, že podle Newtonova gravitačního zákona se dvě tělesa přitahují silou, která je úměrná … Jinak řečeno, že „hmota“ má schopnost přitahovat jiné „hmoty“. Tato představa je však falešná. Sám Newton se proti takovému výkladu svého zákona rázně postavil. Napsal: „Je nepochopitelné, že by bezduchá hrubá materie jen tak bez prostřednictví něčeho nehmotného mohla bez přímého fyzického kontaktu působit na jinou materii. Tak by tomu mohlo být jen podle starého Epikura, podle něhož gravitace tkvěla v samém základu a podstatě hmoty. A to je jeden z důvodů, proč jsem si nepřál, aby se mi také přičítala představa, že gravitace, tíže, je něco vrozeného hmotě samé o sobě. Že by gravitace přirozeně tkvěla v základu hmoty tak, že jedno těleso by mohlo na dálku napříč prázdnotou působit na těleso druhé…, je pro mne absurdní představa a nevěřím, že by kdokoli schopný znale uvažovat o věcech filozofie, mohl takové představě přikládat váhu.“ K pominutí těchto Newtonových slov mohlo dojít jak neúmyslně, tak i úmyslně. Neúmyslné pominutí by nejspíš znamenalo, že Newtonovi „žáci“ neznali tato slova, že je nikdy nečetli, nebo že se jim vyhnuli náhodou. To je sice možné, ale v mnoha případech silně nepravděpodobné. Spíše zdůraznili, že Newton také psal o možnosti zprostředkujícího „prostředí“. Pro přenos světla byl průkaznými experimenty zamítnut „světlonosný éter“, takže z toho jaksi plynulo připuštění „prázdného prostoru“. Světlo a tedy veškeré elektromagnetické vlnění se tak má šířit dokonalou prázdnotou, vakuem. Jestliže vakuum existuje, pak se jím „šíří“ i gravitace. Gravitace je i dnes chápána jako schopnost těles přitahovat jiná tělesa – nebo moderněji řečeno, vlastnost těles zakřivovat prostoročas, takže jiná tělesa a také světlo musejí sledovat tuto křivost a ke hmotnějšímu tělesu „padat“. Je ovšem velmi podivné, že se nikdo nepokusil zjistit, kde by gravitace jako vlastnost těles „sídlila“. Je dána vlastností jednotlivých částic, tedy protonů, neutronů a elektronů? Nebo je dána gravitující schopností „prostoru“ mezi jádrem a obalem atomů? Tato druhá možnost je absurdní. Je-li gravitace určena hmotností, pak je „vrozena“ právě elementárním částicím, chápaným ovšem jako maličké kuličky látky. Jenže elementární částice žádné „kousíčky“ „hmoty“ nejsou! Kde tedy je ve „hmotě“ zdroj, způsobující kolem ní gravitační pole?
Zdá se, že otázce původu gravitace jako „vrozené schopnosti těles“ se nikdo nevěnoval. Asi se zdála být tak záhadná, že se jí téměř každý vyhnul. Jestliže jsem v článku „Černé díry versus zářivé zdroje“ reagoval na text čínského profesora, teď bych se věnoval textu prof. Ullmanna. Postupuji tedy podle něj. Citace jsou kurzívou.
1. Popis versus princip (Podle 1.1.) „…na gravitaci panovaly velmi dlouhou dobu naprosto scestné názory a můžeme říci, že původ a podstata gravitace není zcela vysvětlena ani nyní.“ Za původ gravitace se považují hmotná tělesa, stručně zvaná „hmota“. Těleso nebo „hmota“ kolem sebe „budí“ gravitační pole podobně jako elektrický náboj kolem sebe vytváří elektrické (elektrostatické) pole. Jako prvotní jsou tedy brána tělesa a jako druhotné pole. Bez existence tělesa nemůže existovat (jeho) gravitační pole. Tato představa však neříká vůbec nic o podstatě gravitace. Kromě analogie s elektrickým polem pro tuto představu mluví prokázaná neexistence hypotetického mezihvězdného prostředí – éteru. To je sice už v úvodu, ale jde o to, že se mimoděk zavádí další představa – představa „prázdného prostoru“. Tato představa „přenašeče“ „gravitačních sil“ je sice rozporná, ale hodně hluboko zakořeněná. Nikdo si neláme hlavu nad rozporem, jak může „prázdnota“ cokoliv přenášet. Nebo nad tím, jak se může „prázdný prostor“ reálně zakřivovat. Gravitace je tedy (historicky) svázána s prostorem. Klasický prostor byl a je používán jako prostředek k popisu pohybu těles v něm. Máme-li srozumitelně popsat pohyb nějakého tělesa, musíme si nejprve „odmyslet“ všechna ostatní a místo nich použít „vztažnou soustavu“ neboli trojrozměrný (nebo někdy jen dvourozměrný) geometrický prostor. Geometrický prostor neobsahuje nejen tělesa, ale neobsahuje vůbec nic, neboli je prázdný. V klasické fyzice má tyto vlastnosti: a) „Je nezávislý na přítomnosti a pohybu hmoty“, tj. těles. To plyne z jeho „definice“: prázdný prostor je přece nehmotný, je to naše představa. b) „Ve všech místech prostoru teče čas stejně“, je nezávislý na čase. Představa geometrického (prázdného) prostoru nemůže záviset ani na čase. c) „Prostor se rozprostírá ve třech rozměrech do nekonečna“, protože pro pohyb těles nemůžeme klást nějaké hranice a tedy i pro „prázdný prostor“. d) Je Euklidův, tj. „plochý“, v němž se rovnoběžky nemohou nikdy protnout. „Jednorozměrný čas, tvořený nepřetržitou řadou okamžiků (sledem událostí), modelujeme jako přímku či časovou osu, která je jednorozměrná, nekonečná, spojitá. … Mezi dvěma body na časové přímce je úsečka, jejíž délka odpovídá časovému intervalu mezi dvěma událostmi … Pohyb tělesa (částice) v prostoru je znázorněn jeho trajektorií (dráhou)“ Moc se na věci nezmění, jestliže místo Euklidova „přímočarého“ prostoru zavedeme „křivý“ nebo „zakřivený“ (např. Riemanův) prostor. Pohyb setrvačností už nebude po přímce, ale po křivce. Důležité je, že v obou případech jde o fiktivní pomůcku, vhodnou pro popis. O fyzikální podstatě gravitace neříká nic, nemůže ji tedy objasnit. Dokonce pro toto objasnění může být překážkou. Prof. Ullmann rozděluje pojetí prostoru (a času) na metafyzické a operacionalistické.. Při metafyzickém pojetí „prostor a čas jsou jakýmsi absolutním pozadím či jevištěm, na němž se odehrávají události, ale které těmito událostmi zůstává neovlivněno.“, jde o absolutní prostor a čas. Při operacionalistickém pojetí „prostor a čas jsou… pojmy sloužícími k popisu pohybů těles i průběhu všech ostatních fyzikálních procesů. … Prostor a čas v tomto pojetí jsou
definovány samotným způsobem svého měření, operacemi měření.“ Zde jde o prostor a čas relativní. Dá se říci, že absolutní prostor a čas je všude stejný, nezávislý na měření, čili že má všude stejnou metriku. Relativní prostor naproti tomu má metriku volenou tak, aby odpovídala jevům v něm probíhajícím. Pořád ovšem jde o prostor „prázdný“, nehmotný. Dané jevy popisuje, ale nevysvětluje jejich fyzikální podstatu. Jednoduché děje nějaké vysvětlení ani nepotřebují: Když popíšeme pohyb nějakého tělesa, např. vodorovně vrženého kamene, žádné vysvětlení příčin nevyžadujeme. To proto, že příčiny jsou jednoduché, snadno ověřitelné, takže nezáleží např. na tom co nebo kdo kámen vrhl. Avšak u složitých jevů, jako jsou např. kvantové jevy chceme také těmto jevům porozumět. Poněvadž příčiny běžně nemůžeme pozorovat přímo svými jednoduchými pokusy, tak požadujeme srozumitelnou odpověď na otázku „A proč?“ Nedáme sobě a svým učitelům pokoj, dokud se to nedovíme. Taková je naše lidská přirozenost. Nelze se tedy spokojit s konstatováním, že potvrzení obecné relativity – podle mnoha vědců – svědčí o tom, že „žijeme v zakřiveném prostoročase“. Tak tomu není. Jevy obecné relativity zakřivený prostoročas – jakožto geometrická tj. vymyšlená pomůcka – pouze popisuje. Rozpor vystoupí markantněji, když použijeme jiný, dosti často používaný výraz: „žijeme v zakřiveném vesmíru“. Jestliže jde o náš život, je jedno, zda „okolí“, jež nás obklopuje, označíme jako „prostoročas“ nebo „vesmír“. V tomto smyslu jde o totéž.
2. Newtonův gravitační zákon (1.2.) „Analýzou Keplerových zákonů tak Newton zjistil, že pohyb planet ve sluneční soustavě se dá snadno vysvětlit hypotézou, že každá dvě tělesa se vzájemně přitahují silou, která je přímo úměrná hmotnosti ml a m2 každého z nich a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti r mezi nimi.“ Porovnáme-li tuto větu s Newtonovým citátem v Úvodu, jasně vidíme, že jde o F F výklad podle Newtona samotného nesprávný. Jeho m 2 m1 r gravitační zákon mluví o tom, že mezi dvěma tělesy existuje síla, pro odlišení od Obr.1. Velikost gravitační síly je přímo úměrná … jiných zvaná Nikoli: Tělesa se vzájemně přitahují silou, která… gravitační. Jestliže existuje, neznamená to, že ji tělesa vytvářejí. Shodně s Newtonem přijměme, že tělesa se vzájemně nepřitahují! To ovšem znamená, že musejí být k sobě přitlačována. Ale o tom až níže.… Jasné Newtonovo vyjádření je v přímém protikladu s tvrzením: „Newton svým gravitačním zákonem poprvé zavedl do fyziky koncepci přímého působení těles na dálku ("actio in distans") v prázdném prostoru.“ Takovou představu považoval za absurdní a nepřál si, aby mu byla připisována! Proč tedy byla? „Jak Newton sám, tak i jeho následovníci nebyli však s touto představou spokojeni a snažili se nalézt "prostředí" přenášející gravitační silové účinky a tím i vysvětlit podstatu gravitace. Pozdější vývoj fyziky ukázal, že představa přímého působení na dálku přes prázdný prostor je správná.“ Tyto věty napovídají, že průkazné F= G.(m1m2)/r2
nenalezení éteru vedlo právě k Newtonem kritizované představě šíření gravitace prázdným (geometrickým, fiktivním) prostorem. Určitě ovšem platí: „Nemůže se jednat o působení okamžité (jak předpokládá Newtonův zákon), nýbrž vždy patřičně retardované “, až na to, že zákon nic takového nepředpokládá. Zákon pouze určuje velikost gravitační síly, když už tělesa v dané vzdálenosti dlouhodobě existují. Jedná se o oblast statickou, nikoli o nějaký děj! Jinak řečeno, zákon nic neříká o tom, s jakým zpožděním začne síla působit! Ostatně: „Isaac Newton objevil tedy svůj skvělý gravitační zákon, avšak (snad v duchu svého kréda "Hypotheses non fingo" – "Hypotézy nevymýšlím") se nijak nevyslovil o příčinách gravitace.“ Poslední profesorova věta je v příkrém rozporu s jeho předchozími tvrzeními. V jistém smyslu je představa prázdného prostoru opuštěna, zejména tehdy, když se vysvětluje „rozpínání vesmíru“. Prázdnota přece nemůže jednotlivé galaxie či jejich kupy od sebe „roztlačovat“! Proto se zde uvažuje tzv. temná energie, která tu „prázdnotu“ „vyplňuje“. Dále se zavádí tzv. temná hmota, která se má vyskytovat jako tzv. halo galaxií, tj. vně kolem viditelné části a mezi jednotlivými hvězdami. Běžně se uznává, že temná energie činí asi 75% „vesmíru“, temná hmota asi 21% a zbytek – asi 4% nám známá hmota. Na prázdnotu („vakuum“) nezbývá nic. Jindy však, zejména při úvahách o Velkém třesku a o černých dírách, ale také pořád při šíření světla z dalekých zdrojů směrem k nám, je vakuum jako „prázdnota“ či „prázdný prostor“ bráno vážně, jako skutečně existující. Jinak řečeno, geometrický prostor, který nemůže být jiný než prázdný, je zde zaměňován za fyzikální, tedy za ten, jehož jsme součástí! Pojem „prostor“ je tedy zatížen. Je třeba, zvláště pro zkoumání příčiny gravitace (ale i jiných jevů), striktně oddělit dvě různé možnosti: fyzikální a geometrický prostor (příp. prostoročas).
3. Gravitace a elektrické jevy Nyní přeskočím kapitolku 1.3. (Mechanická LeSageova hypotéza podstaty gravitace) a uvedu ji níže, kde také bude ozřejměn důvod. (1.4.) Analogie mezi gravitací a elektrostatikou Výše jsem naznačil vznik myšlenky buzení gravitačního pole analogií s elektrostatikou. Lze to doložit citacemi z této kap.: „Newtonův a Coulombův zákon mají zcela stejný tvar, takže hmotnosti m1 a m2 dvou gravitujících těles můžeme nazvat jejich "gravitačními náboji". … Zatímco elektrické náboje mohou mít kladné i záporné znaménko … a elektrostatická síla mezi nimi může být jak přitažlivá (mezi nesouhlasnými náboji) tak odpudivá (souhlasné náboje), je hmotnost vystupující v Newtonově zákoně vždy kladná … a gravitační síla je vždy přitažlivá. … Stejně jako v elektrostatice je pro vzájemné působení elektrických nábojů užitečné zavést pojem elektrické pole, je i v gravitaci výhodné popisovat vzájemné působení hmotných těles pomocí pojmu gravitační pole. Podle této koncepce každé hmotné těleso vytváří kolem sebe gravitační pole a toto pole pak vykazuje silové účinky na každé další těleso, které se do něho dostane.… Druhý podstatný rozdíl mezi gravitací a elektřinou. Pro elektromagnetické jevy platí princip superpozice naprosto přesně i pro sebevětší náboje a sebesilnější pole. Pro gravitaci ale platí princip superpozice s dostatečnou přesností skutečně pouze v rámci Newtonova zákona, zatímco pro velká nahromadění hmoty a silná gravitační pole již splněn není.“ Je nutno zdůraznit, že zatímco pojmy „kladný“ a „záporný“ elektrický náboj jsou pojmy relativní, pojem „hmotnosti tělesa“ je pojem absolutní: přece nemůžeme uvažovat nějaké těleso se zápornou hmotností! Pojmenování elektrických nábojů bylo zvoleno analogicky s „přirozenou“ teplotou. Znaménko bylo ovšem stanoveno dohodou.
Elektricky nabité těleso kolem sebe vytváří elektrické pole, hmotné těleso kolem sebe vytváří gravitační pole. Prvotní je tedy vždy těleso, pole je druhotné. Tato představa je však falešná. (1.5.) Elektromagnetické pole „Analogie mezi Newtonovou gravistatikou a Coulombovou elektrostatikou je velmi těsná. Elektrostatické pole je však speciálním případem obecného pole elektromagnetického“. Elektromagnetismus boří představu prvotnosti elektrického náboje před polem. Toto bole totiž může – změnami magnetického toku – budit, indukovat elektrické náboje. Změny elektrické naopak budí magnetický „náboj“ v tělese. Zde můžeme pozorovat i trvalou změnu ve formě zbytkového – remanentního magnetismu. Při obou jevech – při magnetodymickém a elektrodynamickém – vidíme prvotnost pole a druhotnost „náboje“. Nejprve existují změny pole, potom se mění vlastnosti tělesa. Proč by tomu nemohlo být podobně s gravitačním polem? Ovšem opatrně! – analogie nebude jednoduchá nebo přímá! „Elektromagnetické pole může existovat i samostatně, bez přímé vazby na elektrické náboje a proudy.“ To znamená, že nemusí existovat ani jeden elektrický náboj a elektromagnetické pole existovat může. Jinými slovy: Elektromagnetické pole není „buzeno“ nějakým nábojem (v pohybu)! Můžeme je sice přítomností a pohybem elektrického náboje (nebo přítomností a pohybem magnetu) ovlivňovat, pro existenci elektromagnetického pole to však není „životně“ nezbytné. Znovu: pole je prvotní, těleso (třeba i „nabité“) je druhotné. Níže prof. Ullmann píše o představě éteru a o opuštění této představy. Popsal jsem to podobně výše. Snad lze dodat, že silně proti éteru působil objev, že světlo je příčné vlnění, v němž by se naopak mělo šířit podélnými vlnami.
4. Prostoročas je vhodný pro popis gravitace Výše je uvedeno, že prostoročas je vymyšlená pomůcka vhodná k popisu gravitace. Lze to doložit větou: „Z matematického hlediska lze každou událost zobrazit jako bod v myšleném čtyřrozměrném prostoru, tzv. prostoročasu (časoprostoru).“ Myšlený objekt nemá hmotnost, nemůže tedy být hmotností v něm „přítomného“ tělesa nijak reálně ovlivněn. Nemůže dojít k nějaké skutečné deformaci prostoročasu tímto vlivem. Tato deformace je tedy opět jenom myšlená; může sloužit toliko k popisu jevu, ale ne k jeho vysvětlení. Pro popis samozřejmě lze rozvíjet danou představu: Každé poloze tělesa – zjednodušeného na bod – v daném okamžiku přiřadíme světobod ve čtyřrozměrném prostoročase. „Protože prostoročas v jeho čtyřrozměrné podobě si nijak nedovedeme představit, pro grafické znázornění se jeden nebo dva prostorové rozměry vypouštějí, čímž vzniká prostoročasový diagram sledovaného děje“. Při tomto zobrazení ovšem zaměňujeme čas za délku. To není nic ve fyzice neobvyklého, děláme to v kinematice. To proto, že chceme sledovat průběh fyzikálního děje. Můžeme uvést jednoduchý případ: vrh vodorovný. Jak běží čas, těleso se pohybuje po parabole. Přitom ovšem víme, že graf pohybu (nakreslená parabola) je úplně jiná čára než skutečná trajektorie tělesa vodorovně vrženého. Je to sice také parabola, dokonce může být geometricky shodná, ale jde o zcela různé významy. Graf je časový průběh, kdežto trajektorie vrženého tělesa je prostorový průběh. V grafu můžeme také místo lineárního měřítka na „časové ose“ zvolit měřítko logaritmické a dostaneme zcela odlišnou čáru! Při skutečném vodorovném vrhu se druh křivočaré trajektorie nemění, parabola zůstane parabolou. Jistě, že „fyzikální veličinu, k jejímuž změření stačí jednomu pozorovateli jen pravítko, musí jiný pozorovatel měřit pomocí pravítka i hodinek. Čtyřrozměrný prostoročas … tak přestává být jen formálním modelem, ale nabývá hluboký geometricko-fyzikální význam.“ Pomáhá nám popsat průběh fyzikálního děje. Neslouží však k objasnění příčin.
