Tajemství Velkého třesku: Co se stalo během první sekundy?
Vesmír vybuchl do své existence před 13,8 miliardy let. Okamžik jeho vzniku představuje kosmologickou singularitu: Znamená to, že jsou na něj fyzikální teorie i představivost vědců zatím krátké. A jasno nemáme ani v tom, co se dělo v prvních zlomcích sekundy po Velkém třesku
Podle toho, co víme, vznikl náš vesmír ve své současné verzi asi před 13,8 miliardy let. Standardní model kosmologie považuje Velký třesk za singularitu a fyzikální teorie dosud nedovedou vysvětlit, co přesně se tehdy stalo. Většina fyziků věří, že až někdy vymyslí fungující teorii kvantové gravitace, pak s její pomocí Velký třesk konečně pochopíme – stejně jako to, jak vypadají černé díry. Do té doby se musíme spokojit se snahou o poznání, jak se kosmos vyvíjel od Velkého třesku až dodnes.
Velké stvoření
Podle převládajících názorů byly v okamžiku Velkého třesku všechny vzdálenosti mezi objekty ve vesmíru rovny nule anebo nekonečně malé. To ještě nutně neznamená, že byl kosmos nesmírně malý, i když jde o jednu z možností, jež zůstávají ve hře. Bezprostředně po Velkém třesku se začal rozpínat a všechny vzdálenosti se zvětšovaly. Lze tak říct, že Velký třesk nenastal na konkrétním místě, ale „všude“ ve vesmíru. Zároveň není jasné, zda před jeho singularitou existoval nějaký čas – a má-li vůbec smysl mluvit o tom, co se odehrávalo předtím.
Celou známou historii kosmu můžeme rozdělit na několik částí, přičemž nejbouřlivější a z pohledu vědy nejzajímavější byly první okamžiky. S tím, jak vesmír postupně stárl a chladl, se čím dál víc podobal svému dnešnímu „já“.
Neuchopitelný počátek
Éra velmi raného vesmíru trvala první pikosekundu, tedy kratičký časový úsek 10⁻¹² sekund. Kosmos byl v té době malý a zároveň velice horký i energetický, takže v něm zpočátku nemohly existovat jednotlivé částice ani fyzikální síly. Vědci dané období člení na několik epoch. Čím víc se daná fáze blíží Velkému třesku, tím méně jí obecně rozumíme a tím hůř je dosažitelná našimi experimenty. Nepatrné vlnění, k němuž ve velmi časném vesmíru docházelo, se zřejmě „otisklo“ do podoby největších kosmických struktur, vzniklých mnohem později.
V době od Velkého třesku až do 10⁻⁴³ sekund po něm (což odpovídá tzv. Planckovu času, který považujeme ve fyzice za nejkratší smysluplný) se odehrála tzv. Planckova epocha. Všechny známé fyzikální síly – tedy elektromagnetická, silná i slabá jaderná a gravitační – tehdy splývaly do jediné všeobjímající síly. Současná fyzika však nemá k událostem Planckovy éry mnoho co říct…
Vyčleňuje se gravitace
Po Velkém třesku vesmír postupně chladl. Po uplynutí Planckova času se ochladil natolik, že se z jediné fyzikální síly, jež zahrnovala veškeré základní síly, vyčlenila gravitace. Tehdy se odehrála epocha velkého sjednocení, která trvala od 10⁻⁴³ do 10⁻³⁶ sekund po Velkém třesku. Teplota kosmu tou dobou zřejmě převyšovala 10²⁷ K a odpovídala teorii velkého sjednocení, jež je dosud jen hypotetická.
Od zbývajících sjednocených fyzikálních sil se jako druhá oddělila silná jaderná. Sjednocené zůstávaly slabá jaderná síla a elektromagnetická, takže se dané éře, trvající asi do 10⁻³² sekund po Velkém třesku, říká elektroslabá.
Mohutný nádech
Zřejmě někdy před dobou 10⁻³² sekund po Velkém třesku se odehrála jedna z nejméně známých, a přitom nejpodivuhodnějších epizod velmi raného vesmíru: Z nejasných důvodů se kosmos extrémně prudce a rozsáhle nafoukl. V naprostém zlomku sekundy tak jeho objem vzrostl minimálně 10⁷⁸krát a možná ještě mnohem víckrát. Odpovídá to situaci, kdy by se objekt o velikosti 1 nm (nanometru) prakticky okamžitě rozepnul do rozměrů 10,6 světelného roku. O tomto neuvěřitelném jevu hovoříme jako o kosmologické inflaci.
Na první pohled se zdá, že se během ní musel vesmír pohybovat nadsvětelnou rychlostí – jenže se vlastně vůbec nepohnul, pouze se zvětšily jeho rozměry. A na takový proces se omezení dané rychlostí světla nevztahuje.
Mechanismy vedoucí k inflaci stále obestírá tajemství. Podle některých názorů ji spustilo oddělení silné jaderné síly od zbývající elektroslabé, k němuž došlo na konci epochy velkého sjednocení. Inflace pak mohla proběhnout buď před počátkem elektroslabé éry, nebo – podle jiných názorů – až po jejím skončení.
Horká polévka
Když se inflace završila, k čemuž došlo snad kolem 10⁻³² sekund po Velkém třesku, vesmír vlastně hodně vychladl. Fyzici však předpokládají, že se v závěru uvedené epochy uvolnilo ohromné množství energie z dosud hypotetického inflatonového pole, jež podle některých teorií za inflaci zodpovídalo.
Zmíněné pole se rozpadlo na množství subatomárních částic v procesu znovuzahřátí kosmu. V důsledku toho se vesmír změnil v hustou a horkou polévku plnou kvarků, antikvarků a gluonů. V některých teoriích, jež pracují s tzv. horkou inflací, ovšem ke znovuzahřátí nedochází.
Polévka chladne
V čase asi 10⁻¹² sekund, tedy pikosekundu po Velkém třesku, se završilo vzájemné oddělení čtyř známých základních fyzikálních sil: Slabá jaderná se odpojila od elektromagnetické. Všechny elementární částice, jež interagují s Higgsovým polem, při tom získaly hmotnost – do té doby, na vyšších úrovních energie, žádnou neměly. Po uplynutí první pikosekundy skončilo bouřlivé a stále dost záhadné období velmi raného vesmíru.
Epocha raného kosmu trvala od druhé pikosekundy po dalších asi 377 tisíc let. Na jejím počátku tvořila vesmír velice horká „polévka“ kvark-gluonového plazmatu. Od daného okamžiku již kosmu rozumíme mnohem lépe, protože popsaných podmínek už můžeme dosáhnout ve fyzikálních experimentech.
TIP: Jak se vznikl vesmír? Počítačová simulace ukazuje vývoj po Velkém třesku
Kvark-gluonová polévka rychle chladla a postupně v ní vznikaly rozmanité subatomární částice. Tehdy se zřejmě utvořilo velké množství částic hmoty a také příslušných částic antihmoty, které se navzájem anihilovaly. První zmíněné však v té době z nějakého důvodu převládaly, a proto dnešní vesmír tvoří z valné většiny hmota, nikoliv antihmota.
Dokončení: Tajemství Velkého třesku (2): Kdy vznikly první hvězdy a kde se vzala voda?
Starší než Velký třesk?
Část odborníků se domnívá, že se kosmologická inflace ve skutečnosti odehrála ve zlomku okamžiku před Velkým třeskem. Pochopitelně to neznamená, že by se vesmír nejdřív nafoukl a teprve poté vznikl v singularitě. Jde o to, že „Velký třesk“ by byl pojmenováním situace, která nastala na konci kosmologické inflace. Problém s inflační teorií spočívá v tom, že je poněkud „natahovací“ a vědci si ji často upravují podle potřeby. Proto je velmi těžké kosmologickou inflaci studovat.
Tommi Tenkanen z americké Johns Hopkins University tvrdí, že pokud skutečně proběhla před „Velkým třeskem“, mohla během ní vzniknout i záhadná temná hmota. Má-li pravdu, pak by zmíněná substance v počátcích kosmu existovala už před ostatními přísadami prvotní „polévky“. Podle Tenkanena bychom stopy takové temné hmoty mohli objevit při pozorování okolního vesmíru. Velmi slibně se prý v tomto ohledu jeví infračervená evropská observatoř Euclid, s plánovaným startem v červnu 2022.
