Autor: admin_gacr

Již sto let fascinuje fyziky i matematiky Einsteinova obecná teorie relativity. Ta je často označována jako nejkrásnější ze všech existujících fyzikálních teorií.

Einsteinova teorie gravitace má významné astrofyzikální důsledky. Například z ní vyplývá existence gravitačních vln, kosmologické expanze vesmíru anebo černých děr ― oblastí prostoru, ve kterých je prostor a čas zakřiven takovým způsobem, že z nich nic nemůže uniknout, dokonce ani světlo. Tato témata jsou již řadu let předmětem zkoumání prof. RNDr. Jiřího Podolského, CSc., DSc., z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. V poslední době se zabývá i přesným řešením rovnic teorie kvadratické gravitace, která přirozeně zobecňuje Einsteinovu teorii. A to bylo i tématem jeho projektu podpořeného Grantovou agenturou České republiky.

Hledání nerotující černé díry

Rovnice kvadratické gravitace jsou z matematického hlediska ještě mnohem složitější než Einsteinovy rovnice. Je velmi obtížné najít jejich přesná, explicitní řešení. „Dosavadní práce mnoha autorů se téměř vždy omezovaly jenom na přibližná, aproximativní řešení, anebo na jejich numerická řešení pomocí počítačů. My se ale dlouhodobě soustředíme na hledání a fyzikální analýzu exaktních řešení gravitačních rovnic, protože jen ty umožnují činit nezpochybnitelné závěry o fyzikálních důsledcích dané teorie,“ říká profesor Jiří Podolský.

Jeho tým se pustil do hledání nejjednodušší nerotující černé díry, která má dokonale sférickou symetrii. To se mu podařilo. „Našli jsme zobecnění slavného Schwarzschildova řešení z roku 1915, což je unikátní a jediné možné sférické vakuové řešení v Einsteinově teorii gravitace. My jsme ale rigorózně dokázali, že v obecnější teorii kvadratické gravitace je třída sférických černých děr mnohem širší,“ vysvětluje prof. Podolský.

„Schwa-Bachova“ černá díra

Prvním klíčovým krokem týmu profesora Podolského bylo přeformulovat složité rovnice do jednodušší podoby pomocí tzv. Bachova tenzoru. Druhým pak bylo použití úplně nového tvaru sférické metriky, který umožňuje Bachův tenzor snadno vyjádřit. Díky tomu se obecně nesmírně komplikované rovnice kvadratické gravitace zredukovaly na dvě krátké diferenciální rovnice pro dvě neznámé funkce jediné proměnné. Ve třetím kroku pak tým tyto rovnice kompletně vyřešil pomocí řad.

„Při tom se ukázalo, že existuje několik různých typů řešení. Tím jsme objevili nejenom zmíněné zobecnění klasické Schwarzschildovy černé díry (nazvali jsme ji Schwarzschildo­va−Bachova černá díra, familiárně prostě jen Schwa−Bach), ale také několik úplně nových a dosud neznámých tříd sférických řešení ve zcela obecné teorii kvadratické gravitace,“ uvádí profesor Podolský.

Podle výzkumníků může nově objevený typ černé díry pomoci lepšímu pochopení kvadratických korekcí Einsteinovy teorie nebo k testování teorií kvantové gravitace a sjednocených interakcí.

Od teorie k reálné astrofyzice a fyzice vysokých energií

„Naše výsledky jsou ryze teoretického charakteru, spadají do základního výzkumu gravitace. Existují ale jasné styčné body směrem k reálné astrofyzice a kosmologii, která dnes experimentálně studuje černé díry, jimi generované gravitační vlny i zrychlené rozpínání vesmíru způsobené temnou energií. A také k fyzice vysokých energií, částicové fyzice, kvantové teorii pole a superstrun,“ říká Jiří Podolský. Podle něho se jimi nalezená řešení mohou v budoucnu uplatnit i při testování kvantové gravitace a teorií sjednocených interakcí.

„Kvadratická gravitace totiž je ― na rozdíl od Einsteinovy obecné relativity ― renormalizovatelná, neboli v principu je snazší najít její kvantovou verzi a propojit ji s kvantovými poli hmoty,“ dodává profesor Jiří Podolský.

prof. RNDr. Jiří Podolský, CSc., DSc. (*1963)

Vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy, kde od té doby nepřetržitě působí na Ústavu teoretické fyziky. V letech 1990–91 studoval v USA na University of New Mexico, habilitoval se 2001 a v roce 2011 byl na MFF UK jmenován profesorem. Zabývá se relativistickou fyzikou, zejména studiem přesných prostoročasů v Einsteinově obecné teorii relativity a v kvadratické gravitaci, které popisují gravitační vlny, černé díry nebo kosmologické modely. Je autorem či spoluautorem více než 100 původních prací v mezinárodních odborných časopisech a dvou vědeckých monografií. Získal několik ocenění, mj. Cenu Bolzanovy nadace (1998) a Cenu děkana MFF UK za nejlepší monografii (2009) za knihu Exact Space-Times in Einstein’s General Relativity vydanou Cambridge University Press. Přeložil 16 populárně-naučných knih z oblasti teoretické fyziky a astronomie. Působil také jako odborný poradce desetidílného seriálu Génius: Einstein z produkce National Geographic, který se v letech 2016–17 natáčel v Česku.