Einsteinova obecná teorie relativity způsobila revoluci v našem chápání gravitace a samotné struktury vesmíru. Představa, že hmota zakřivuje časoprostor a toto zakřivení diktuje, jak se objekty pohybují, se stala základním kamenem moderní fyziky. Přesto, více než sto let po jejím zformulování, se stále objevují otázky a alternativní pohledy, které nutí vědce přehodnocovat i ty nejzákladnější koncepty. Nedávné studie se noří hluboko do filozofických i teoretických problémů, zkoumají alternativy k obecné relativitě a pátrají po motivacích pro zcela novou teorii kvantové gravitace. Zdá se, že příběh gravitace a časoprostoru ještě zdaleka není u konce.

Je časoprostor zakřivený? Dilema obecné relativity a teleparalelní gravitace

Jedním z klíčových důsledků obecné relativity (GR) je představa, že žijeme v zakřiveném časoprostoru. Tento koncept je natolik zakořeněný, že se zdá být téměř synonymem pro Einsteinovu teorii. Existuje však alternativní formulace gravitace, známá jako teleparalelní ekvivalent obecné relativity (TEGR), která nabízí radikálně odlišný pohled. TEGR popisuje gravitaci v plochém časoprostoru, který ale namísto zakřivení vykazuje takzvanou torzi. Důležité je, že TEGR je empiricky ekvivalentní GR, což znamená, že žádný dosud provedený experiment nedokáže mezi těmito dvěma teoriemi rozlišit.

Tato situace, známá jako nedourčenost teorie daty, představuje filozofický problém. Pokud máme dvě teorie, které dělají stejné předpovědi, ale nabízejí odlišné ontologické obrazy světa (v jednom případě zakřivený časoprostor, v druhém plochý s torzí), kterou z nich máme považovat za "skutečný" popis reality? Ruward Mulder a James Read ve své studii "Is Spacetime Curved? Assessing the underdetermination of general relativity and teleparallel gravity" podrobně analyzují argumenty, které byly vzneseny proti TEGR, zejména ty formulované Eleanor Knox. Autoři docházejí k závěru, že tyto argumenty nejsou dostatečně průkazné na to, aby TEGR zavrhly jako legitimní alternativu.

Geometrická interpretace torze jako neuzavření infinitesimálního rovnoběžníku při paralelním přenosu dvou vektorů. Zdroj: Figure 1 z Mulder & Read (2024a), arXiv:2505.04632v1

Mulder a Read se také zabývají dvěma dalšími potenciálními problémy pro realistickou interpretaci TEGR: problémem operacionalizovatelnosti a vizualizovatelnosti torze. Ptají se, zda je torze stejně dobře definovatelná pomocí měřicích procedur jako zakřivení a zda si ji dokážeme názorně představit. I zde autoři argumentují, že torze není v tomto ohledu nutně problematičtější než zakřivení. Například neuzavření rovnoběžníků (definice torze) je vizualizovatelné a existují i vizualizace torze v kontextu krystalových struktur ve fyzice kondenzovaných látek. Závěrem tedy je, že otázka, zda je náš časoprostor zakřivený, nebo plochý s torzí, zůstává otevřená a TEGR představuje vážnou výzvu pro standardní interpretaci GR.

Princip relativity setrvačnosti a "Zapletená relativita"

Další fundamentální otázkou, která Einsteina trápila, byl princip relativity setrvačnosti, často označovaný jako Machův princip. Ten zjednodušeně říká, že setrvačné vlastnosti tělesa (tedy to, jak se brání změně pohybu) by měly být zcela určeny rozložením hmoty a energie ve vesmíru. Jinými slovy, časoprostor by neměl mít žádné vlastní, absolutní vlastnosti, ale měl by být plně determinován hmotou, která ho "vyplňuje". Einstein sám později uznal, že obecná relativita tento princip plně neuspokojuje, protože GR připouští existenci řešení bez jakékoliv hmoty (tzv. vakuová řešení, jako je Minkowského plochý časoprostor nebo Schwarzschildův časoprostor černé díry).

Olivier Minazzoli ve své práci "On the Principle of Relativity of Inertia in both General and Entangled Relativities" představuje novou teorii nazvanou "Zapletená relativita" (Entangled Relativity, ER). Tato teorie je navržena tak, aby lépe odpovídala Einsteinově původní vizi a principu relativity setrvačnosti. Klíčovou vlastností ER je, že vylučuje existenci časoprostoru bez hmoty, která jej prostupuje.

Konceptuální znázornění, jak v Zapletené relativitě hmota a energie plně definují geometrické vlastnosti časoprostoru, čímž je naplněn Machův princip. Zdroj: Vlastní

Minazzoli tvrdí, že ER je nejenom filozoficky uspokojivější, ale také "ekonomičtější" než GR. Formulace ER vyžaduje pouze dvě fundamentální konstanty (rychlost světla a novou konstantu reprezentující kvadrát kvanta energie), na rozdíl od tří v GR (rychlost světla, gravitační konstanta a Planckova konstanta, pokud zahrneme kvantové aspekty). ER navíc úspěšně reprodukuje jak obecnou relativitu, tak standardní kvantovou teorii pole v určitém (ale obecném) limitním případě. Zajímavým důsledkem ER je, že Planckova konstanta (ħ) by v tomto rámci nebyla fundamentální, ale její hodnota by se mohla měnit v závislosti na lokálním gravitačním poli, což by naznačovalo hluboké propojení mezi kvantovou mechanikou a gravitací.

Proč vlastně chceme teorii kvantové gravitace?

Zatímco TEGR a Zapletená relativita nabízejí alternativní pohledy nebo modifikace klasické gravitace, jedním z největších cílů současné teoretické fyziky je formulace teorie kvantové gravitace (QG). Proč ale takovou teorii vlastně hledáme? Na rozdíl od vývoje kvantové mechaniky nebo speciální relativity, které byly primárně motivovány experimentálními anomáliemi, pátrání po QG je z velké části poháněno teoretickými a filozofickými úvahami. Karen Crowther ve své práci "Why Do We Want a Theory of Quantum Gravity?" osvětluje hlavní motivace.

Primární motivací je potřeba popsat fyzikální režimy, kde očekáváme, že jak obecná relativita (popisující gravitaci a velké škály), tak kvantová teorie pole (QFT, popisující hmotu a síly na malých škálách) budou hrát zásadní roli. Mezi takové extrémní podmínky patří nitra černých děr, kosmologické singularity jako Velký třesk a nejranější okamžiky vesmíru. Současné teorie v těchto oblastech selhávají nebo dávají nesmyslné výsledky (např. nekonečna).

Umělecká vize Planckovy škály, kde se očekává, že zákony známé fyziky selhávají a je zapotřebí teorie kvantové gravitace. Zdroj: Vlastní

Kromě této "primární motivace" existuje řada dalších důvodů:

• Nekompatibility mezi GR a QFT: Tyto dva pilíře moderní fyziky jsou založeny na odlišných principech. GR je teorií s dynamickým časoprostorem, který není fixním pozadím (tzv. "background independence"), zatímco QFT je typicky formulována na pevném, předem daném časoprostorovém pozadí. To vede k problémům, jako je "problém času" v kanonické kvantové gravitaci (kde čas zdánlivě mizí z rovnic) nebo perturbační ne renormalizovatelnost GR (pokusy kvantovat GR standardními metodami QFT vedou k nekonečnům, která nelze odstranit).
• Unifikace: Historickým trendem ve fyzice je snaha o sjednocení různých sil a jevů do jednoho koherentního rámce. QG by mohla představovat krok k unifikaci gravitace s ostatními fundamentálními silami popsanými Standardním modelem částicové fyziky.
• Řešení singularit: Jak GR (např. singularity uvnitř černých děr nebo Velký třesk), tak QFT (např. UV divergence) obsahují singularity, které jsou často interpretovány jako body, kde teorie selhává. Očekává se, že QG tyto singularity "vyhladí" nebo vysvětlí.
• Termodynamika černých děr: Teoretické práce Stephena Hawkinga a Jacoba Bekensteina ukázaly, že černé díry mají teplotu a entropii, což naznačuje hluboké spojení mezi gravitací, kvantovou mechanikou a termodynamikou. QG by měla poskytnout mikroskopické vysvětlení těchto termodynamických vlastností.

Penroseův diagram znázorňující vznik a vypařování černé díry, proces, který je klíčový pro pochopení paradoxu ztráty informace a motivuje hledání kvantové gravitace. Zdroj: Figure 6 z Crowther (2025), arXiv:2505.04858v1

Crowther zdůrazňuje, že tyto motivace nejenže definují, co od QG očekáváme, ale také formují omezení a vodítka pro její vývoj. Kritické zhodnocení těchto motivací je klíčové pro jasnější formulaci problému kvantové gravitace.

O autorech

Za těmito komplexními a provokativními myšlenkami stojí vědci, kteří zasvětili svou kariéru hlubokému zkoumání základů fyziky a její filozofie.

Ruward Mulder je doktorandem a výzkumníkem na Univerzitě v Cambridge, kde se na Katedře historie a filozofie vědy specializuje na teoretickou fyziku a filozofii vědy. Jeho práce se nachází na pomezí těchto disciplín a zaměřuje se na alternativní teorie ve fyzice, včetně teleparalelní gravitace, a také na témata jako myšlenkové experimenty, vizualizace ve vědě či interpretace kvantové mechaniky. Je známý svým nadšením pro výuku a snahou inspirovat studenty k propojování historie, filozofie a vědeckého objevování.

James Read působí jako docent filozofie a člen Pembroke College na Univerzitě v Oxfordu. Jeho výzkum se soustředí na filozofii fyziky, zejména na základy časoprostorových teorií, od Newtonovské mechaniky po obecnou relativitu a kvantovou gravitaci. Je autorem několika knih a mnoha odborných článků, které se zabývají například Noetherové teorémy, speciální relativitou či problémem "background independence" v teoriích gravitace. Na univerzitě přednáší filozofii relativity a kvantové mechaniky.

Olivier Minazzoli je výzkumným pracovníkem na Observatoire de la Côte d'Azur (CNRS, Artemis) ve Francii a zároveň působí v Úřadu pro kosmické záležitosti Monaka. Jeho specializací je fenomenologie obecné relativity a jejích alternativ, přičemž propojuje teoretickou fyziku s analýzou dat a pozorováními. Je jedním z tvůrců teorie "Zapletené relativity" (Entangled Relativity), které věnuje významnou část svého výzkumu. V minulosti byl také členem vědeckých kolaborací LIGO-Virgo-Kagra, zabývajících se detekcí gravitačních vln.

Karen Crowther je docentkou na Katedře filozofie, klasických studií, dějin umění a idejí na Univerzitě v Oslu. Specializuje se na filozofii vědy a filozofii fyziky. Její výzkum se zaměřuje na povahu fundamentálních fyzikálních teorií, koncept emergentní fyziky a vztahy mezi různými úrovněmi popisu reality. Značnou část své práce věnovala efektivním teoriím pole, časoprostoru a kvantové gravitaci. V současnosti zkoumá roli principů a dalších neempirických vodítek při konstrukci a hodnocení vědeckých teorií, zejména v kontextu hledání teorie kvantové gravitace.

Tito autoři, každý se svým unikátním přístupem a expertízou, přispívají k živé a neustále se vyvíjející diskusi o nejhlubších otázkách našeho vesmíru.

Závěr: Neustálé hledání

Přestože obecná teorie relativity představuje jeden z největších intelektuálních triumfů 20. století a její předpovědi byly nesčetněkrát potvrzeny, fyzikové se nespokojují se současným stavem poznání. Existence empiricky ekvivalentních teorií, jako je TEGR, zpochybňuje naše základní představy o povaze časoprostoru. Snaha o naplnění Einsteinova principu relativity setrvačnosti vede k novým teoretickým konstrukcím, jako je Zapletená relativita. A konečně, hluboké koncepční problémy a touha po úplnějším a jednotnějším popisu vesmíru pohánějí intenzivní hledání teorie kvantové gravitace.

Nedávné studie ukazují, že pole fundamentální fyziky je živé a plné vzrušujících otázek. Ačkoliv cesta k definitivnímu pochopení gravitace a časoprostoru může být ještě dlouhá a klikatá, právě tyto výzvy posouvají hranice lidského poznání. Jedno je jisté: příběh o tom, jak funguje vesmír na své nejzákladnější úrovni, se stále píše.

Zdroje a další čtení

• Mulder, R., & Read, J. (2024). IS SPACETIME CURVED? Assessing the underdetermination of general relativity and teleparallel gravity. arXiv:2505.04632v1 [physics.hist-ph]. Dostupné na: https://arxiv.org/abs/2505.04632
  • Tato studie se hlouběji zabývá filozofickými aspekty teleparalelní gravitace jako alternativy k obecné relativitě, diskutuje argumenty pro a proti a zkoumá koncepty torze.
• Minazzoli, O. (2025). On the Principle of Relativity of Inertia in both General and Entangled Relativities. arXiv:2505.04667v1 [gr-qc]. Dostupné na: https://arxiv.org/abs/2505.04667
  • Článek představuje novou teorii "Zapletené relativity" a argumentuje, proč by mohla lépe vyhovovat Machovu principu a být úspornější než obecná relativita.
• Crowther, K. (2025). Why Do We Want a Theory of Quantum Gravity? arXiv:2505.04858v1 [gr-qc]. (Preprint pro Cambridge Elements in the Philosophy of Physics). Dostupné na: https://arxiv.org/abs/2505.04858
  • Tato práce poskytuje přehled hlavních teoretických a filozofických motivací pro hledání teorie kvantové gravitace, od nekompatibilit současných teorií po termodynamiku černých děr.

Klíčová slova: obecná teorie relativity, teleparalelní gravitace, torze, zakřivení časoprostoru, Machův princip, Zapletená relativita, kvantová gravitace, filozofie fyziky, fundamentální fyzika, singularity, termodynamika černých děr, unifikace.