Jak vesmír z ničeho povstal 4/4

Jakou energii má vesmír? Temná energie. Co bylo před velkým třeskem. Zárodečná kvantová polévka. Je vesmír sám?

V minulém dílu jsme si ukázali, jak A. Guth elegantně vysvětlil, proč se v našem vesmíru ustavila rovnováha mezi rozpínáním a gravitací. Ačkoli naše technika nedosáhla ještě tak daleko, abychom mohli inflační fázi dokázat nebo vyvrátit, indicií je tolik, že je dnes brána jako součást standardního modelu.

Z pohledu kvantové teorie také všechno sedělo. Jeden z jejích základních vztahů říká, že součin energie a času musí být větší, než jistá malá hodnota - Planckova konstanta. Jestliže tedy zmenšujeme energii systému, nutně musí růst doba, po kterou musí existovat. Platnost kvantové teorie sice zatím nikdo pořádně nevyzkoušel v makrosvětě, zdá se však, že nám nic nebrání vzít jako zkoumaný systém nejen nějaký makroskopický objekt, ale rovnou celý vesmír.

Jakou energii má celý vesmír? Kdybychom měli brát jen energii ukrytou v hmotě, podle slavného vztahu E = m×c^2, dostali bychom nepředstavitelně velkou hodnotu. Jenomže je tu ještě potenciální energie, která má záporné znaménko. Podle současného náhledu to vypadá tak, že hmota při velkém třesku nevznikala z ničeho, ale právě na úkor potenciální energie, takže můžeme celkovou energii vesmíru považovat za nulovou. Z výše uvedené relace neurčitosti by pak plynulo, že čas musí jít k nekonečnu. Jinými slovy, že vesmír nezanikne.

Dnešní stav poznání mikrosvěta je s inflační teorií konzistentní, ale stále ještě nemůžeme zodpovědně prohlásit, že je scénář pravdivý. Naštěstí máme způsob, jak to zjistit. Během inflační fáze musely nutně vzniknout reliktní gravitační vlny, které snad jednou budeme umět detekovat.

Nedávné úspěchy na poli detekce gravitačních vln nás plní optimismem, že takový okamžik přijde co nevidět. Optimismus je na místě, ovšem z jiných důvodů. Současné detektory gravitačních vln jsou schopny ulovit vlny na úplně jiných frekvencích, než předpokládáme u těch reliktních. Rozumíme-li však dobře mechanismům po velkém třesku, měly by se tyto vlny otisknout do polarizace reliktního záření.

Polarizace reliktního záření je dnes předmětem intenzivního výzkumu. Je paradoxní, že právě reliktní záření, fungující doslova jako dokonalý firewal, který nám brání vidět ty nejranější okamžiky po vzniku vesmíru, by mělo nabízet pozorovací okno v úplně jiném oboru. Inflační teorie není jediná, která se pokouší osvětlit počátek vesmíru. Pokud se podaří otevřít gravitační okno a nahlédneme do zatím nepozorovatelných částí vesmíru, máme velkou naději, že budeme moci rozhodnout, která z teorií je ta správná.

Zdálo se, že je vše na správné cestě. Vesmír se sice rozpíná, ale tak nějak akorát, pouze setrvačností, stále přibržďuje a za nekonečně dlouho se zastaví. Teď už jen stačí zpřesňovat naše pozorování, abychom mohli doladit detaily. V tomto poklidném přesvědčení jsme mohli žít až do r. 1998, kdy Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt a Adam G. Riess objevili, že vesmír nejen, že nezpomaluje, ale rozpíná se stále rychleji.

Je to fakt velice podivný, ekvivalentní představě vzhůru vrženého kamene, který se nemá k tomu, aby spadl zpět, protože stále nepatrně zrychluje. Po formální stránce tu problém není. V Einstein-Fridmanově rovnici znovu ožil kosmologický člen. Ten, který měl podle Einsteina zajistit stacionární vesmír. Tentokrát je jen trochu silnější, aby dokázal vesmír nafukovat.

Po fyzikální stránce je to již složitější. Jaká síla dokáže vzdorovat a přemoci gravitaci? Na to zatím chybí odpověď. Zrodil se pojem temné energie. Temná energie by měla být úměrná velikosti prostoru. V malém vesmíru se téměř neuplatní, ale jak se rozpíná, zvětšuje se i její velikost a nafukuje vesmír stále větší měrou tak, že se jednou rozplyne.

Přirozený kandidát na vysvětlení temné energie je energie pocházející z netriviálních vlastností vakua. Vakuum je v pojetí kvantové mechaniky dynamický systém neustále vznikajících a zanikajících částic. Tyto částice nedokážeme z principu přímo detekovat, ale jejich souhrnný účinek ano. (viz Casimirův efekt) Čím větší objem vakua máme, tím markantněji se projeví - stejně jako temná energie. To je samozřejmě pouze indicie, není nikterak prokázáno, že oba efekty spolu souvisí. Navíc je tu drobný problém. Hustota energie vakua je o 120 řádů vyšší, než hustota temné energie. To je největší disproporce mezi teorií a pozorováním v dějinách fyziky. Uvažuje se o dalších skrytých dimenzích, ve kterých by se energie vakua ztrácela, aby na temnou energii zbyla jen tak malá část. Je také možné, že stojíme na prahu významného objevu, který zcela změní pohled na kvantovou fyziku.

Jsou i další možnosti, jak temnou energii vysvětlit. Před časem módní, dnes již pomalu opouštěná teorie kvintesence předpokládá přítomnost jistého skalárního pole projevujícího se odpudivými silami. Je také možné, že žádná temná energie ve skutečnosti neexistuje, pouze dobře nerozumíme působení gravitace na velkých škálách. Dvacet let po objevu zrychlené expanze vesmíru stále nevíme s jistotou, co je toho příčinou a jak to v budoucnu s naším vesmírem dopadne.

Co bylo, když ještě nebylo...

Co bylo před velkým třeskem? Obecná teorie relativity nám dala model vzniku vesmíru, víme, jak se vesmír vyvíjel, měla by tedy poskytnout i odpověď, co bylo před tím, než vesmír vznikl. Tato argumentace se může zdát v pořádku, dokud si neuvědomíme, že teorie relativity nejen pracuje se čtyřmi rozměry, ale hlavně, že jsou tyto rozměry zakřivené. Tato křivost roste tím více, čím větší je hustota hmoty.

Podle původního, čistě relativistického, Fridmanova modelu měl vesmír největší zakřivení v době svého vzniku. Náš vývoj v čase můžeme přirovnat k pohybu po parabole světlometu. Počátek je tam, kde je otvor pro žárovku. Jak vesmír stárne, přesouváme se od žárovky stále pryč a zjišťujeme, že je náš vesmír stále méně a méně zakřivený. Naopak, ve směru proti proudu času, tedy k žárovce, křivost roste. Pomalu postupujeme k žárovce, vidíme stále větší detaily, až se najednou ocitneme přímo u její paty - jsme na počátku vesmíru. Teď se ptáme, co bylo před vesmírem. Chceme dojít až za žárovku. Jsme v podobné situaci, jako bychom chtěli jít ze severního pólu dále na sever. Ptát se, co bylo před velkým třeskem je z relativistického hlediska nesmyslná otázka. Co bylo před tím, než vznikl čas? Těžko odpovědět, protože nerozumíme, co se po nás chce.

Jak jsme si však již naznačili, teorie relativity sice vládne velkým rozměrům, na těch malých však svět nepopisuje dobře a musí předat žezlo kvantové mechanice. Proč dáváme v počátcích vesmíru přednost kvantové mechanice před relativitou? Především proto, že nám dává možnost vyhnout se stavům s nekonečnými energiemi, hustotami a teplotami. Počátek tedy budeme chápat stále jako okamžik s nejvyšší křivostí, nebo počátek inflační fáze. Hlavní je, že prostor nebude nulový, bude tu jakási zárodečná kvantová polévka. Stav, ve kterém neplatí zákony tak, jak je známe z běžného života, přesto je umíme dobře popsat, tzv. Wheelerovou-de Wittovou rovnicí.

Exaktně vzato, poslední větou jsme elegantně uhnuli od odpovědi na původní otázku, "co bylo před..." Těžko použít tuto předložku tam, kde popisujeme bezčasový kvantový stav. Stále tu platí původní odpověď, že se nemůžeme ptát, co bylo před vznikem času. To jen jaksi ze setrvačnosti nazýváme tento stav pre Big Bang, jen z důvodu verbální nouze musíme i pro tento stav používat slova významově spojená s časem. V průběhu inflace dojde k nevratnému rozpadu tohoto stavu a vzniku vesmíru.

V tomto bodě je stále mnoho nezodpovězených otázek. Chybí teorie spojující všechny čtyři interakce. Zdá se, že až (pokud vůbec) takový způsob objevíme, vysvětlí se mnohé další. V teoriích pokoušejících se o sjednocení se vyskytuje tzv. dilatonové pole - skalární pole, které by dokázalo spustit inflaci. Skládačka by tak do sebe velice dobře zapadla.

Teorií kandidujících na sjednocení všech interakcí je více. Nejznámější je strunová teorie. Její přiblížení je mimo rámec tohoto povídání, proto jen ve zkratce naznačíme, že podle ní byl vesmír v této fázi vícerozměrný a obsahoval méněrozměrné objekty, tzv. Dirichletovy brány, jakési časoprostorové defekty. Na nich byla lokalizována různá kalibrační pole zodpovědná za vznik slabé, silné a elektromagnetické interakce. Gravitace by vznikla opět na bránách, ale pouze deformací Minkowského metriky. Brány by dokázaly stát za vznikem celého vesmíru a dokonce by k tomu ani nepotřebovaly inflační fázi. Zvláštním případem by mohl být vesmír vzniklý při náhodném doteku dvou bran. To je základem teorie ekpyrotického vesmíru. Podle něj by bylo možné na vesmír pohlížet jako na knihu. Hřbet, ve kterém jsou spojeny všechny listy, by byl společný velký třesk více listů-vesmírů. Teorie předvídá vznik gama záblesků a reliktních gravitačních vln. Až naše pozorovací technika pokročí, budeme moci rozhodnout, zda je tato hypotéza opodstatněná.