Dá se považovat za „einsteinologa“, vyučuje teoretickou fyziku se zaměřením na teorii gravitace, o fyzice mluví s láskou a o Einsteinovi s úctou. „Byl to zcela výjimečný člověk. Opravdový génius, který se rodí jednou za stovky let,“ říká profesor Jiří Podolský..

V budově Matematicko-fyzikální fakulty sedí až v 10. patře. O pár desítek metrů blíž vesmíru, který ho láká od dětství. V jeho knihovně leží mimo jiné 15 knih, které překládal, učí nejlepší mladé fyziky v republice a dělá vědu.

Vědu, která se snaží popsat a vysvětlit vše. O teoretické fyzice mluví jako o „kabale“, je unešený tím, že svět a vesmír se dají zapsat pomocí pár symbolů, které se vejdou třeba na tričko. „Vesmír je dynamický, vyvíjí se, uplatňuje se v něm šipka času.

Je jedinečný, úžasný a díky fyzice my můžeme nahlížet do jeho hlubin i na jeho prapočátek.“.

5. rozhovor časopisu 21. STOLETÍ

vizitka

prof. RNDr. Jiří Podolský, CSc., DSc.

profesor na Ústavu teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Autor více než 100 původních vědeckých prací, spoluautor několika odborných knih, pedagog, překladatel, recenzent mezinárodních odborných časopisů, popularizátor vědy….

„K teoretické fyzice jsem se dostal přes astronomii. Ta mě bavila už od dětství. První naučné knížky, co jsem četl v osmi deseti letech, byly knížky o vesmíru. Od té doby mě fascinuje poznat jeho strukturu a fungování.

A pochopil jsem, že pokud chci proniknout hlouběji, musím se naučit fyziku a fyzika se popisuje matematikou.“.

Box

Kvantová teorie vs. teorie relativity

Kvantová fyzika je soustavou fyzikálních pojmů a zákonů, která souběžně s teorií relativity ve 20. století předefinovala do té doby platné základy klasické fyziky. Zatímco teorie relativity vysvětluje především kosmologické otázky týkajících se velkých vesmírných celků, kvantová fyzika se primárně týká nejmenších objektů, včetně tzv.

elementárních částic. Obě teorie, které se experimentálně mnohokrát potvrdily, se však zatím nedaří sloučit do jednoho funkčního celku, do takzvané „teorie všeho“.

Potkali jsme se jediný den po vyhlášení letošní Nobelovy ceny za fyziku. Ocenění dostali společně tři vědci: kanadsko-americký fyzik a kosmolog James Peebles, švýcarský astrofyzik Michael Mayor a švýcarský astronom Didier Queloz.

Všichni za přínos k pochopení vzniku a vývoje vesmíru a za zkoumání, zda je naše Země skutečně unikátní. Co na to říkáte?.

Rozhodně si to zaslouží. Jsou to významné objevy. Teorie vyvíjejícího se vesmíru zrozeného z velkého třesku je snad největší objev minulého století. Fyzika je krásná v tom, že velmi dobře funguje tady u nás na Zemi.

Ale i díky jejich práci dnes už víme, že funguje také hluboko ve vesmíru. Je popsatelný těmi teoriemi, které máme po ruce (obecná teorie relativity, kvantové teorie, atomová fyzika, jaderná fyzika, fyzika pevných látek a tak dále), to všechno tvoří ucelený obraz světa, který je platný od nejmenších věcí na Zemi až do nejzazších hlubin vesmíru, to je neuvěřitelné.

Poznáváme strukturovaný vesmír, který se neustále vyvíjí, to je jeden z nejhlubších poznatků o něm.

Vesmír, teoretická fyzika a kosmologie se vyvíjí rychleji, než lidé stačí sledovat. Když se řekne vakuum, lidem se vybaví „nic“. Jenže i v ničem je všude mikrovlnné záření, gravitace, kvanta….

Naprosté vakuum chápané jako „úplné nic“ je nesmysl. Fyzikální svět je plný polí, která jsou kvantována. Všechno je vyplněno něčím. Pozemská empirická fyzika popsaná matematickými vzorci se dostala do takové hloubky a stupně pochopení, že dnes víme leccos nejen o světě teď a tady na Zemi, ale dá se aplikovat na vesmír až do největší vzdálenosti a minulosti 13,7 miliard let.

Na pouhé zlomky sekundy po velkém třesku. Máme zmapované fyzikální pochody, které se tam děly v prvních sekundách. Víme, jaké tenkrát panovaly podmínky, teploty a tlaky, které můžeme ověřovat v našich laboratořích.

Velice solidně můžeme předpokládat, jak vše probíhalo. Vesmír samozřejmě sahá dál, než kam dnes vidíme, každou sekundu se nám zvětšuje. Dotýkáme se tu hranice vědy, my nevíme, jak daleko sahají naše fyzikální zákony.

A popravdě řečeno, možná potřebují modifikaci, nějaké korekce…Ale víte, co je krásné?

Povídejte…

Že teoretická fyzika umí předpovídat i svoje vlastní meze. Obecná relativita nemůže platit v singularitách (centrech černých děr anebo ve velkém třesku). Tam, kde je nekonečná hustota hmoty a nekonečné zakřivení prostoročasu.

To je jasné. Tady bude potřeba gravitační teorii nakvantovat. Pokouší se o to teorie strun a teorie smyčkové kvantové gravitace. Na druhou stranu kvantová fyzika zase naráží na problém, jak aplikovat své postupy na makrosvět.

Člověk se trochu v těch teoriích ztrácí.

A to je právě skoro až zázrak, jak se z této „kvantové pěny“, neustálého bublání mikroskopických věcí a událostí vynořuje vcelku klasický svět popsaný Newtonovými zákony, které na makroskopické úrovni fungují velice dobře.

Když před 50 lety inženýři NASA plánovali let a přistání člověka na Měsíc, projektovali trasu a stavěli mohutnou raketu Saturn V, tak k tomu používali jen Newtonovu teorii. Nepotřebovali ani kvantovou teorii, ani teorii relativity.

Ty teorie jsou až zbytečně přesné a složité na to, co tenkrát bylo potřeba. Newtonova klasická teorie gravitace je stále platná v mezích běžných situací, neplatí ale pro počátek vesmíru, nitra černých děr, jejich srážky generující gravitační vlny a podobně.

Revoluce ve fyzice nebývají násilné. Všechny ty skvělé starší teorie – speciální a obecná teorie relativity, Newtonova teorie gravitace, klasická Maxwellova teorie elektromagnetizmu, kvantová teorie – nadále platí, jenom se více vymezilo, za jakých podmínek.

Před námi teď stojí úkol je rozšířit, posunout, modernizovat je, aby byly navzájem slučitelné, kompatibilní, aby lépe popsaly ještě širší třídy jevů.

Jako třeba?

Potřebujeme nahlédnout na samotný počátek vesmíru, na to co se děje uvnitř černých děr. Gravitační vlny, které se nedávno poprvé podařilo detekovat, pocházejí z okolí černých děr, vně jejich horizontu.

To, co je za horizontem, zkolabovalo do singularit, které zatím neumíme přesně pospat. Nemáme jejich smysluplnou teorii. Pořád je před námi a budoucími generacemi vědců hodně práce.

Co ještě fyzika nezvládá?

Například popisovat složité makroskopické jevy. Máme detailní teorie všech interakcí, ale když z nich máme něco komplikovanějšího vybudovat, to je velice obtížné. Dodnes zápasíme s tak elementární věcí, jak z kvantové chromodynamiky napočítat jádra atomů.

Natož pak popsat jejich interakci. Tomuto se podle mého bude fyzika věnovat v budoucnu, bude se snažit čím dál lépe popisovat velice složité systémy.

Je vesmír v rovnováze? Hmota vs. temná hmota. Gravitace vs. antigravitace?

Gravitační působení je vzájemná přitažlivost každé hmoty, antigravitací by tedy mělo být odpuzování. To se kupodivu nedávno pozorovalo na kosmologických vzdálenostech. Jen se tomu neříká antigravitace, ale „kladná kosmologická konstanta“.

I  ve zcela „prázdném“ prostoru vesmíru bez hmoty existuje jakýsi „agent“ způsobující odpuzování, zvětšování prostoru. Toto nové vakuum má podivné vlastnosti – má kladnou hustotu energie, ale záporný tlak, což efektivně vede ke zrychlenému rozpínání vesmíru.

To je právě experimentální objev, za který v roce 2011 dostali žáci Roberta Kirschnera Nobelovu cenu. Lidé si dřív mysleli, že díky gravitační přitažlivosti hmoty se bude brzdit rozpínání vesmíru.

Rychlost bude klesat, až se nakonec zastaví, a pak bude třeba kolabovat zpátky do žhavého konce, ze kterého by se zase znova mohl vytvořit nový vesmír. Nový velký třesk. Ale ne, vypadá to, že vesmír naopak urychluje své rozpínání… Dnes se kladné kosmologické konstantě moderně říká „temná energie“. Právě tato temná energie způsobuje, že se vesmír kupodivu rozpíná.

Jako astronomové a fyzici vidíte rozpínání, ale nevíte proč… Kam až to povede?

Nevíme to… A nevíme ani, jestli zrychlené rozpínání bude trvat stále. Pokud ano, vesmír se zcela rozředí a zchladne. Jediné, co vím, že by vesmír už nebyl tak pěkný, jako je teď. Možná se nám to nemusí líbit, ale dnešní teorie tak hovoří.

Ale neznáme podstatu temné energie, trochu tušíme podstatu temné hmoty. Nicméně těch 95 % hustoty vesmíru je zcela nepochopených. To je velká výzva pro budoucí kosmology.

Jako že by se vesmír zchladil na 0 kelvinů, na absolutní nulu (jde o hypotetický stav látky, ve které se zastaví veškerý tepelný pohyb částic, −273,15 °C)?

To je složitá otázka… Ale ano… Vesmír je vyplněn reliktním zářením, které má dnes teplotu 2,7 kelvinů, nemá tedy absolutní nulu. Reliktní záření jsou vlastně elektromagnetické vlny přicházejících z vesmíru, které představují pole fotonů.

Kdysi mělo vysoké teploty, několik tisíc kelvinů. Jak ale vesmír zvětšuje svůj rozměr, tak vlnové délky se natahují a teplota záření postupně chladne. Dokonce dokážeme změřit o kolik. Tisíckrát. V momentě, kdy se mikrovlnné záření oddělilo od hmoty, 380 tisíc let po velkém třesku, vesmír zprůhledněl a fotony od té doby putují průhledným vesmírem.

Tenkrát byl vesmír tisíckrát menší a o tolik kratší byla i vlnová délka. Až bude vesmír desetkrát větší, než je teď, mikrovlnné záření bude mít desetkrát menší teplotu, tedy 0,27 kelvinů. Postupně se bude blížit k nule.

A když se roztáhne tak, že by nastala úplná nula?

Pokud se nenarodí nějaké další zcela nové fyzikální interakce, typy částic, tak skutečně klesne na termodynamickou nulu, všechno se zastaví, nastane termodynamická smrt vesmíru. Postupně dohoří jaderné reakce ve hvězdách, nový vodík jako palivo vznikat nebude.

Všechno pak bude studené, nezábavné. Vše se rozpadne, dokonce i černé díry se vypaří. Vesmír bude zaplněn jen elementárními kvanty, bez smysluplných interakcí, protože vše bude od sebe velmi vzdálené. Budoucnost vesmíru je v tomhle nepěkná.

Ale mluvíme o časovém horizontu stovek miliard let. Když se vrátím k temné hmotě… Možná ji tvoří neutralina – tedy částice, jejichž existenci předpověděla zase jiná, tzv. supersymetrická teorie. Co to přesně je?.

Existuje několik kandidátů na to, co by mohlo být mikroskopickým vysvětlením temné hmoty. Neutralina jsou jedním z nich, také axiony a některé další typy hypotetických částic…Je to přijatelná hypotéza. Ale zatím jenom hypotéza.

Víte, dnešní fyzika zná několik typů elementárních částic: Částice hmoty (fermiony) tvoří šest kvarků a pak dalších šest leptonů (mezi nimi je elektron, mion, tauon a jejich neutrina).

A z nich můžeme poskládat úplně všechno, co jsme kdy ve vesmíru viděli a co je kolem nás. Z kvarků se poskládají protony a neutrony, z nich vznikají atomová jádra, a když se k nim přidají leptony – elektrony – máme vodíkový nebo heliový atom atd.

Postupně se takto skládají další molekulární a chemické struktury. A pak máme ještě částice interakcí (bosony), které zprostředkovávají interakce (foton, gluony, částice W a Z, Higgsův boson).

Tohle je standardní model částicové fyziky, který byl vysoce přesně otestován, naposledy objevem právě Higgsova bosonu. Poslední částicí, kterou bylo potřeba objevit, zjistit její vlastnosti a konkrétní hmotnost, aby do sebe celý model zapadl.

Ale…?

Tenhle standardní model částic a interakcí je krásný a hezky funguje, ale má několik mezí. První potíž je s neutriny, protože neustále proměňují svůj charakter. Další Nobelova cena v roce 2015. A pak existují teorie, které ještě nebyly prokázány.

Říká se jim „supersymetrické“. Zatím máme oddělené světy leptonů a kvarků, tedy fermionů, na jedné straně a pak bosonů. Supersymetrická teorie ale říká, že by všechny tyto částice hmoty a interakcí mohly být navzájem propojené a provázané.

Že by každý kvark i lepton měl svého bosonového partnera, a naopak všechny interakční bosony by měly fermionové partnery. Kdyby to byla pravda, bylo by to neuvěřitelné a krásné. Ale to zatím nevíme, protože velmi hmotné částice se objevují v urychlovačích jen za použití obrovského množství energie. Vidíte, zase Einstein a jeho slavný vztah mezi energií a hmotností.

Urychlovač v CERNu na to nestačí?

Urychlovače s větší energií dokážou generovat těžší a těžší elementární částice. Avšak energie, na které jsme dnes v CERNu dosáhli – v řádech desítky teraelektronvoltů (13 TeV) – nestačí, aby generovaly supersymetrické částice.

Proto se plánuje nový urychlovač, který má být mnohem větší a výkonnější než stávající Velký hadronový srážeč LHC v CERNU? Nyní má obvod 27 km, ten nový FCC má mít až 100 km.

Ano, ale mám o tom pochybnosti. Dosud jsme supersymetrické částice nebyli schopni vyrobit, ani jsme je nebyli schopni detekovat ve vesmíru. Dnešní LHC byl stavěn, aby potvrdil Higgsův boson, poslední díl skládačky standardního modelu, a doufalo se, že půjde ještě dál a potvrdí aspoň jednu ze supersymetrických částic, alespoň tu nejlehčí z nich.

To by byl obrovský posun vpřed. Bylo by to završení desítek let práce stovek lidí, kteří rozpracovávají teorii strun, která se pokouší sjednotit všechny interakce. Ta stojí a padá s hypotézou supersymetrie.

Bez ní nefunguje, je nepěkná a nikdo ji ani neuvažuje. Bez objevu supersymetrické částice se ale teorie strun dostala do svízelné situace. Otázka je, jestli nyní stojí zato investovat čas, úsilí a stovky miliard korun do pouhého předpokladu.

Je to spíš naděje. Nevíme, zda uvidíme tyto částice, když zvýšíme energii desetkrát. A zvýšit energii desetkrát, znamená vynaložit možná 50krát víc financí, než v případě LHC. To neznamená, že bych nechtěl vidět další krásné a velké urychlovače na Zemi.

Jen chci říci, že velká věda dnes stojí velké peníze, na které někdo musí vydělat. A my jako vědci máme velkou zodpovědnost, jak je co nejlépe vynaložit….

Opravdu si můžeme představit, že kvantové částice neletí plynule, ale poskakují z jednoho místa na druhé podle Planckovy kvantové délky 1,6 x 10-35metru?

Ano, skáčou z místa na místo… V kvantové fyzice nejsou spojité trajektorie elementárních částic typu: „auto jede po cestě z bodu A do bodu B“. V mikrosvětě se vše řídí podle úplně jiných zákonů. Objekt jako elektron se nachází v jeden moment někde a o chvilku později může být kdekoli ve vesmíru.

Opravdu kdekoli?

Třeba v galaxii v Andromedě. Ale jen s velice malou pravděpodobností, mnohem spíš se bude nacházet někde na orbitalu kolem svého vodíkového atomu. V kvantové teorii je Schrödingerova rovnice (v roce 1925 Erwin Schrödinger popsal časový a prostorový vývoj vlnové funkce částice, která se pohybuje v poli sil, pozn. red.), kterou když vyřešíte, tak přesně zjistíte pravděpodobnost, s jakou se elektron přemístí na libovolné místo.

A také dokáže popsat pravděpodobnost různých interakcí. Kvantový svět se takto divně chová, ale vše je nesčetněkrát ověřené. Naše počítače fungují na základě kvantové fyziky.

A mimochodem… ta Planckova délka 1,6 x 10-35metru, tak k ní jsme se nikdy nepřiblížili „ani z jedoucího vlaku“. Máme dobře zmapovanou délku 10-15 metru. To jsou rozměry atomových jader, protonů, tam jsme doma.

Ale co se děje na škálách, které jsou ještě 100tisíckrát menší…? Nevíme… Když se v urychlovači srážejí částice, tak ony se k sobě přiblíží na vzdálenost, která je dána energií urychlovače. Když ta energie je vyšší, tak se k sobě dostanou blíž.

Nejblíž jsme se zatím dostali na vzdálenost 10-19 metru při srážkách elektronů v urychlovači DESY v Hamburku. A tady se bavíme o něčem, co je 10-35 metru. To je ještě o 16 řádů méně, 10biliardkrát méně.

Naše urychlovače tam nevidí. Může tam být cokoli.

Byl jste vědecký poradce u seriálu Génius (2017) z dílny National Geographic. Jak jste se k tomu dostal?

Náhodou. Dekoratéři z Barrandova potřebovali navrhnout několik tabulí do učeben a pracoven. A na webu našli panely z výstavy, kterou jsme uspořádali při stoletém výročí pobytu Einsteina v Praze. Napsali mi email, já přijel na Barrandov a postupně jsem se stal odborným poradcem seriálu.

Vytvořil jsem celkem asi 90 návrhů tabulí s autentickými vzorci a psaným textem.

Ten seriál se točil celý v Praze, v barrandovských studiích a na pár lokacích v Česku.

Hlavně je neuvěřitelné, že se to točilo přibližně 100 let poté, co tady Einstein fyzicky byl. Působil tu mezi roky 1911–1912, Praha byla jeho první stálé profesorské místo. Pochvaloval si zdejší ústav, klid, kdy mohl rozpracovávat svou obecnou teorii relativity.

A je krásné, že se tady Einstein v reinkarnaci objevil znova po 100 letech jako seriálová postava v podání výborných herců Johnnyho Flynna (mladý Einstein) a Geoffreyho Rushe (stárnoucí Einstein).

Je to opravdu unikátní počin a já měl to štěstí, že jsem se na něm mohl podílet. Zažíval jsem opravdu pocity osobního štěstí, například když jsem se sám procházel v barrandovském studiu v perfektní replice Einsteinova domova anebo jeho pracovny v Princetonu.

Vše bylo maximálně věrné. A tím, že mám opravdu hluboký vztah k Einsteinově obecné teorii relativity, asi nejkrásnější fyzikální teorii ze všech, tak to byl jeden z mých nejsilnějších zážitků vůbec.

Box

Google představil kvantový procesor

Americká technologická firma se v časopise Nature pochlubila svým kvantovým procesorem Sycamore, který detekoval vzorce v řadách zdánlivě náhodných čísel za 200 vteřin, zatímco dosud nejvýkonnější superpočítač Summit od konkurenční IBM by na stejný úkol potřeboval snad až 10 000 let (IBM tvrdí 2,5 dne).

Počítačoví vědci se už několik desetiletí snaží ve výpočetní technice využít vlastnosti subatomárních částic. Zatímco tradiční výpočetní technika se spoléhá na bity, tedy na jedničky a nuly, kvantová výpočetní technika používá qubity, které mohou být zároveň jednička i nula.

Tentýž elektron se totiž může například na velkou vzdálenost propojit s jinou částicí díky efektu kvantového provázání, anebo může být ve stejnou chvíli na mnoha různých místech – tomu se říká superpozice.

“V kvantové superpozici existují všechny možnosti paralelně a současně vedle sebe,“ vysvětluje princip superpozice stavů profesor Podolský.

Tato vlastnost se exponenciálně násobí, pokud se qubity propojí. Čím více se jich prováže, tím výkonnější kvantový počítač vzniká. Háček je, že qubity se musí chladit na teplotu blízkou absolutní nule, tedy -273,15 °C, aby se tak vyloučily vibrace – šumy, které způsobují chyby ve výpočtech. A právě v této oblasti výzkumný tým Googlu výrazně pokročil.

Mikroprocesor Sycamore od Googlu se skládá z 54 qubitů. Měří napříč zhruba 10 milimetrů. Sestává ze součástek z hliníku a india, které jsou umístěny mezi dvě silikonové desky. Během experimentu mezi sebou v kvantovém stavu interagovalo 53 z 54 qubitů.