Záhadná kosmologie (1): Kvantová gravitace, temná energie, ekpyrotický vesmír

Jak vznikl náš vesmír? A jak asi jednou skončí? Úplně jednoduché otázky. Jenže právě takové dávají vědcům nejvíc zabrat. Pokud jde o kosmos, nepředstavují kupodivu největší problém jeho ohromující rozměry a stáří. O jeho pradávné historii a nezměrných dálavách toho víme docela dost, uvážíme-li, že jsme dosud neopustili obyčejnou planetu u obyčejné hvězdy v obyčejné galaxii. První zásadní komplikace tkví v tom, že momentálně netušíme, z čeho se naprostá většina kosmu skládá.

Kde je kvantová gravitace?

Přestože to zní paradoxně, druhý stěžejní problém spočívá ve faktu, že jsme dokázali objevit, popsat a zužitkovat obecnou relativitu a kvantovou mechaniku. Obě klíčové teorie, na nichž stojí dnešní fyzika, jsou nesmírně podnětné a také skvěle fungují – obecná relativita v makrosvětě planet, hvězd a galaxií a kvantová mechanika zase v mikrosvětě atomů a částic. Pustíme-li je však k sobě, bude to stejné, jako když se potká hmota s antihmotou a navzájem se zničí v oslnivé explozi. Ať se nejlepší mozky naší planety snaží sebevíc, obecná relativita dohromady s kvantovou mechanikou nefunguje. Vůbec. A proto dosud nemáme použitelnou teorii kvantové gravitace, která by děsivé rozpory mezi výše zmíněnou dvojící překlenula.

Řada palčivých problémů, jež dnes trápí fyziky jako nejhorší noční můra, se s kvantovou gravitací podle všeho vyřeší. Velký třesk, černé díry či gravitační vlny už nebudou tak strašidelné. Jenže kvantová gravitace stále zůstává jen mlhavým příslibem do budoucna. Nikdo neví, kdy, v jaké podobě a zda vůbec ji dokážeme zkrotit. Zatím si tedy musíme vystačit s méně účinnými teoretickými nástroji a jejich nedostatky nahradit důvtipem. Astrofyzika se momentálně hemží podivuhodnými teoriemi, často protichůdnými nebo jen těžko stravitelnými. Jejich obliba se dramaticky mění, někdy i ze dne na den. Nezbývá než doufat, že s kvantovou gravitací bude líp.

Přízrak temné energie

Jedna ze zásadních otázek, které se honí astrofyzikům hlavou, se týká složení vesmíru. Vyjmenujeme-li kosmické kamení, planety, hvězdy, galaxie a všudypřítomný prach a plyn, stále obsáhneme stěží 5 % obsahu našeho vesmíru. Necelých 27 % tvoří usilovně hledaná a záhadná temná hmota; o něco více než 68 % by pak měla představovat temná energie – nesmírně řídká, ale všudypřítomná –, po níž raději pátráme opatrně, protože dráždit přízraky se nevyplácí.

Na uvedená čísla přísahají vědci pracující s kosmickým teleskopem Planck, jehož nová měření mikrovlnného reliktního záření vesmíru teď udávají tón nejmodernější astrofyzice; spolu se standardním kosmologickým modelem pak tato měření určují zmíněné hodnoty běžné a temné hmoty i temné energie. Standardní model kosmologie představuje momentálně tzv. Lambda-CDM model (ΛCDM), který počítá s kosmologickou konstantou (lambda), přičemž těsně souvisí s temnou energií a chladnou temnou hmotou (CDM čili Cold Dark Matter).

Chladná temná hmota by se skládala z relativně pomalu se pohybujících částic. Mohlo by jít například o velice lehké axiony, tzv. macha (Massive Compact Halo Objects), čili objekty z normální hmoty, které z nějakého důvodu unikají naší pozornosti; nebo o WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) – masivní a zároveň velice netečné částice. Temná hmota se však stále skrývá.

Model Lambda-CDM ctí obecnou relativitu, zahrnuje Velký třesk a vysvětluje pozorovanou strukturu reliktního záření, rozložení galaxií, zastoupení vodíku, helia a lithia a také zrychlující se rozpínání. A právě neustále se zrychlující rozpínání vesmíru svého času astrofyziky šokovalo natolik, že byli nuceni si vymyslet přízrak – temnou energii. Nevíme o ní skoro nic, jen to, že pohání kosmické rozpínání a tvoří většinu vesmíru jako takového. Kolem standardního modelu Lambda-CDM ovšem panuje čilý ruch. Dnes už disponujeme celou řadou alternativních scénářů i velmi extravagantních konceptů, které se – každý po svém – snaží zacelit díry v našem jinak poměrně úctyhodném poznání vesmíru.

Prudká inflace

Jednu z velkých a významných „děr“ v chápání kosmu pro nás představují mapy reliktního mikrovlnného záření. Podle standardního kosmologického modelu se zmíněné záření oddělilo od hmoty přibližně 380 tisíc let po Velkém třesku a dnes k nám přichází ze všech stran, přičemž postupně chladne.

Problém tkví v tom, že reliktní záření celého vesmíru vypadá všude prakticky stejně. Pokud by kosmos vznikl pozvolným zvětšováním z jednoho bodu, tedy z Velkého třesku, pravděpodobně by měl jinou (místně odlišnou) strukturu. Vzdálené oblasti by se výrazně lišily – jenže se neliší. Nejpopulárnějším řešením zmíněné záhady se stalo rozšíření standardního kosmologického modelu o inflaci. Jednoduše řečeno, bezprostředně po vzniku vesmíru došlo ke kratičkému, ale zároveň nesmírně intenzivnímu zrychlení rozpínání – a proto je kosmos všude víceméně stejný. S kosmologickou inflací však souvisí celá řada nejasností: netušíme například, co ji způsobilo.

Ekpyrotický vesmír

Některým astrofyzikům navíc inflace příliš nevoní. Preferují například cyklické ekpyrotické vesmíry, které dostaly název podle víry antických stoiků v periodický zánik kosmu ve všestravujícím ohni, po němž následuje opětovné stvoření. Ekpyrotický vesmír neprochází při cyklickém zanikání a tvoření singularitou (nekonečně malým a nekonečně hmotným bodem) v duchu Velkého třesku, tedy okamžikem, kdy by jeho vlastnosti dosahovaly nekonečně vysokých či naopak nekonečně nízkých hodnot. Astrofyzici jsou rádi, protože singularity nenávidějí. Úplně jim totiž blokují rovnice a nedovolují jim odhalit, jak se věci skutečně mají. Pro úplnost je ovšem třeba dodat, že některé cyklické modely vesmíru se singularitou počítají.

Mezi velké propagátory cyklických vesmírů patří i Paul Steinhardt z Princetonské univerzity. Podle jeho představ se stárnoucí vesmír postupně smrští, projde Velkým křachem (Big Crunch) a pak se Velkým třeskem (Big Bang) odrazí do nové éry. Celý proces se pak označuje jako Velký odraz (Big Bounce). Extrémní stlačení celého kosmu během Velkého křachu by přitom vysvětlovalo, proč je všude víceméně stejný. Problém však tkví v tom, co se odehrává mezi Velkým křachem a Velkým třeskem. Steinhardt uvádí, že dřív než se vesmír zhroutí do singularity, vstoupí na scénu doposud neznámé pole (přezdívané „přízračné“ – ghost field) a „nakopne“ jej opačným směrem.

Steinhardt a další astrofyzici dále vycházejí z tzv. bránové kosmologie, podle níž vyvolává Velké křachy a Velké třesky periodické srážení M brán ve vícerozměrném vesmíru. Podle M-teorie, která zastřešuje jednotlivé varianty teorií strun ve vícerozměrném prostoru, existuje náš vesmír na trojrozměrné bráně, jež možná pluje s dalšími takovými bránami v mnohovesmíru (multiverse).

Dokončení: Záhadná kosmologie (2): Informační paradox černých děr, Ohnivá zeď, Planckova hvězda

Z M-teorie údajně vyplývá 100⁵⁰⁰ (!) možností, jak kosmos uspořádat, čímž by se před námi otevírala existence nepředstavitelného počtu rozličných vesmírů. Ten náš by tudíž nebyl jediným, ale jen jedním z mnoha a mnoha. Jejich vlastnosti by byly náhodné, určené pouze množstvím energie, která by se uvolnila při vzniku jejich bubliny prostoročasu. Mnoho nových kosmů by vůbec neumožňovalo vznik hmoty, natož života. Řada z nich by se brzy zase zhroutila do sebe. A asi jen velmi vzácně by se mezi nimi objevil vesmír s příznivou hodnotou kosmologické konstanty, jako je ten náš.