Stojí fyzika před další revolucí?

Poznání lidstva se, jak se zdá, vyvíjí v podivných skocích. Po čase vždy přijde někdo, kdo se na aktuální problémy podívá ze zcela jiného úhlu a navrhne řešení, které jednak nepopírá to, co je již známo a současně řeší některé z problémů, které starý koncept vyřešit neuměl.

Vezměme si například proměny teorie gravitace. Keplerovy zákony (1609) se za teorii gravitace považovat nedají (nevysvětluje, ani se o to nesnaží, že se tělesa přitahují). Keplerovy zákony pouze popisují pohyb nebeských těles. Ale popisují je jednak prostřednictvím matematického aparátu (zřejmě jako první v dějinách) a také jsou stále platné. Proč, to uvidíme za chvíli.

Za první teorii gravitace v pravém slova smyslu se považují Newtonovy gravitační zákony. Ty Newton publikuje v roce 1687. Newtonovy zákony říkají, že každá dvě hmotná tělesa navzájem přitahují určitou silou. Dále, že změnu rychlosti lze provést pouze působením vnější síly. V Newtonově pojetí světa je každé působení sil okamžité na libovolnou vzdálenost.

Pokud si dáme práci a spočítáme pomocí Newtonových zákonů dráhu jednoho pohybujícího se tělesa (planety) kolem stacionárního tělesa (hvězdy), vyjde nám dráha přesně popsaná Keplerem. Keplerovy zákony jsou tedy speciálním případem Newtonových gravitačních zákonů.

Newtonova gravitační teorie panovala úctyhodných 218 let, než ji Albert Einstein nahradil v roce 1905 nejdříve speciální teorií a o deset let později obecnou teorií relativity (OTR), která je dodnes platnou teorií gravitace. OTR vysvětluje to, s čím si samotný Newton neuměl poradit (a věděl o tom), tedy problém síly. Einstein tuto sílu okamžitě působící mezi tělesy nahrazuje zakřivením času a prostoru, objekty se pohybují nejrovněji jak mohou, ale v zakřiveném časoprostoru. Dále, toto působení není okamžité, ale je omezeno rychlostí světla.

Mimochodem, většina lidí považuje právě Alberta Einstena za muže, který stanovil rychlost světla za maximální možnou rychlost hmotného tělesa. Není tomu tak. Rychlost světla, jako maximální rychlost šíření elektromagnetických vln, stanovil již Maxwell (v roce 1865) a to pomocí dvou konstant popisující elektrické a magnetické vlastnosti prostředí (permitivita a permeabilita). Odtud (z řešení Maxwellových rovnic pro pohybující se vztažné soustavy) též vychází rovnice Lorentzovy transformace, kterou později použil Einstein v teoriích relativity.

To ovšem neznamená, že by Newtonova teorie přestala platit. Stejně jako v případě Keplerových zákonů lze psát, že jsou speciálním případem Newtonovy gravitační teorie, tak lze říci a ukázat, že Newtonovy gravitační zákony jsou pouze speciálním případem OTR (pro malé rychlosti, vzdálenosti a hmotnosti). V zásadě se z rovnic vyloučí Lorenzova transformace (k = 1).

Keplerovy zákony lze tedy snadno používat pro výpočty poloh planet sluneční soustavy, Newtonovu mechaniku lze bez problému využít pro lety na Měsíc a sluneční soustavou vůbec. Obě tyto teorie jsou stále platné speciální případy větší teorie gravitace, za kterou dnes považujeme OTR.

Dnes je situace v jistém ohledu podobná situaci na počátku dvacátého století. Tehdy se vědělo, že Newtonova teorie nemůže vysvětlit nově objevené poznatky, byla tu teorie elektromagnetického pole a nesrovnalosti kolem elektroefektu. A mnoho dalších. Vznikla OTR a kvantová fyzika, které uměly jednak zahrnout všechny předchozí teorie a poznání, ale také vysvětlit jevy dříve nevysvětlitelné.

Obě se vydaly svou vlastní cestou. OTR se testuje už více než sto let a nezdá se, že by se na ní něco mělo měnit. Kvantová fyzika světu dala standardní model částicové fyziky, a zvěřinec elementárních částic se dnes, po nalezení Higgsova bosonu, považuje za kompletní a uzavřený. Obě teorie jsou velmi úspěšné a obě do značné míry provázané (elementární částice se jednoznačně podřizují relativistickým jevům). A současně, obě jsou velmi nekompatibilní, popisují svět jiným aparátem a jsou postavené na základě jiných principů.

Jak již bylo ukázáno, starší teorie nepřestávají platit. Jsou pouze nahrazeny novou, obecnější teorií. Zůstávají platné jako její speciální případy (malé rychlosti, stacionární body apod). Není důvod se domnívat, že tomu bude v budoucnu jinak. Obě dnes současně platné teorie se za pár let mohou ukázat jen jako speciální případy něčeho, o čem dnes nemáme ani páru.

Nesrovnalostí je tu dost. Nevíme, co je temná hmota, a o temné energii ani nemluvě. To může ukazovat buď na zcela nový typ hmoty (nepostižitelný standarním modelem), nebo na novou teorii gravitace. Nebo na obé. V každém případě bude velmi zajímavé sledovat, co další vývoj ve fyzice přinese. Máme se na co těšit.