06.10.2013-01:00:00   |   Dušan Valent
#Kozmos
#Zbúrané mýty

Bez počiatku

Pýtať sa, čo tu bolo pred veľkým treskom, nemá zmysel. Po spojení všeobecnej teórie relativity a kvantovej mechaniky sa totiž ukazuje, že v extrémnych podmienkach sa čas správa ako ďalší rozmer priestoru. Na úplnom počiatku, keď bol náš vesmír ešte príliš malý, aby ho ovládali zákony kvantovej mechaniky, tak existovali štyri dimenzie priestoru, ibaže žiadna času. „Poznanie, že čas sa môže správať ako priestor,“ píše Stephen Hawking s ďalším fyzikom, Leonardom Mlodinowom, v knihe Veľký plán, „odstraňuje prastarú námietku, že vesmír musí mať počiatok, ale taktiež znamená, že počiatok vesmíru sa dial v réžii prírodných zákonov a nepotreboval prvotného hýbateľa v podobe nejakého božstva.“



Pôvod hmoty

Štandardná teória Veľkého tresku popisuje, ako vesmír expandoval a ako sa hmota ochladila a vyvinula do dnešnej podoby. Nevysvetľuje však pozorovanú rovnorodosť vesmíru ani rozmiestnenie nehomogenít v ňom. Ich vysvetlenie priniesol až model inflačného vesmíru, hovoriaci o období mimoriadne prudkého rastu kozmu. Dnes predstavuje všeobecne uznávané rozšírenie teórie veľkého tresku, pretože mnohé predpovede, z neho vyplývajúce, sa podarilo potvrdiť pozorovaniami variácií v reliktnom mikrovlnnom žiarení.

Inflácia podľa výpočtov zväčšila veľkosť vesmíru 1026-násobne za menej ako bilióntinu sekundy. Rástol nielen priestor nášho vesmíru, ale i jeho hmota. Lenže odkiaľ sa vzala všetka potrebná energia nato, aby sa z prakticky prázdneho mikroskopického fliačku stala oblasť s veľkosťou nášho vesmíru a takým množstvom hmoty a radiácie, aký vidíme? „Ukazuje sa, že energia gravitačného poľa – ktoréhokoľvek gravitačného poľa – je záporná,“ upozorňuje teoretický fyzik Alan Guth. „Počas inflácie, ako vesmír rastie a rastie a vzniká čím ďalej tým viac hmoty, celkovej energie hmoty nesmierne pribúda. Medzitým sa však energia gravitácie stáva stále zápornejšia. Záporná gravitačná energia ruší energiu v hmote, takže celková energia systému zostáva rovnaká ako na počiatku inflácie – pravdepodobne veľmi malá. Vesmír by mohol mať celkovo nulovú energiu so zápornou energiou gravitácie, presne rušiacou kladnú energiu hmoty.“

Motor a brzda inflácie

Inflácia nezačala v ničote. Neustály zrod a zánik párov virtuálnych častíc (dodatok č. 1) sa zrejme odohrával v prázdnom priestore i pred zrodom nášho vesmíru. Veľká väčšina z nich okamžite zanikla. Lenže postačilo, aby jediný pár prežil dlhšie a mal tie správne podmienky nato, aby sa naštartovala inflácia. Keď v istej oblasti náhodné kvantové javy zrazia hodnotu tzv. kozmologickej „konštanty“ (v podstate označuje množstvo tmavej energie určitého priestoru, jej vysoká hodnota znamená prudké rozpínanie) , energia uložená vo vytvorenom prázdnom priestore sa mení na energiu skutočných častíc a radiácie. Odkiaľ sa tam dostala? Kým hustota hmoty klesá úmerne k rozpínaniu vesmíru tak, ako sa galaxie od seba vzďaľujú, hustota energie prázdneho priestoru zostáva stabilná. Napokon, v prázdnom priestore niet čo zriediť. Lepšie povedané, ako upozorňuje fyzik Lawrence Krauss, energia prázdneho priestoru je gravitačne odpudivá, ba čo viac, jej relativistický „tlak“ je tiež negatívny. Rozpínajúci sa vesmír tak vlastne vykonáva prácu na prázdny priestor a táto vykonaná práca zabezpečuje konštantnú hustotu energie prázdneho priestoru, aj keď sa samotný priestor rozpína.


-





Virtuálne vesmíry

Dosiaľ sme sa bavili o „ničote“ v zmysle absencie hmoty a času. Ale ako zdôrazňuje napríklad Stephen Hawking, teória kvantovej gravitácie umožňuje vznik samotného priestoru tam, kde predtým žiaden neexistoval, hoci len na krátky čas. Tieto virtuálne vesmíry tvorené malým kompaktným priestorom by mohli vznikať a zanikať v takých krátkych časových škálach, že by sme ich priamo nedokázali zmerať. Obmedzenia princípu neurčitosti a zákonu zachovania energie by ich nútili zanikať prakticky v rovnakom okamihu, v akom by vznikli. Výnimkou sú uzavreté vesmíry, s energiou hmoty i radiácie vynulovanou energiou gravitácie. Lawrence Krauss však upozorňuje na závažný problém: „Expandujúci uzatvorený vesmír naplnený hmotou bude spravidla narastať do maximálnej veľkosti a potom sa rýchlo zrúti a skončí v časopriestorovej singularite.“ Nato, aby sa tento katastrofický scenár nenaplnil v nekonečne krátkom okamihu, je potrebné niečo ako inflácia. Inými slovami, jediný typ dlho existujúceho univerza, aké vznikne z ničoho, je taký, ktorý sa kvôli účinkom inflácie zdá byť plochý (viac v dodatku č. 3). Nuž a presne v takom univerze žijeme. Celková energia v ňom je nulová.

Vesmíry na všetky spôsoby

Dostali sme sa k ničote, v ktorej neexistuje hmota, energia, čas ani priestor. Niektorí filozofi však argumentujú, že stále sme sa nedostali k úplnej ničote, pretože zostávajú zákony fyziky. Upravte ich čo i len o trochu, výsledkom bude apokalypsa nepredstaviteľných rozmerov. Ak by mali i zákony fyziky vzniknúť spontánne a získať svoju hodnotu náhodne, tak buď sme vyhrali kozmický jackpot (teológovia radšej poukazujú na božský zásah) alebo vesmír vznikol spontánne, a to všetkými možnými spôsobmi. Väčšina z nich zodpovedá iným vesmírom. Kým niektoré z nich pripomínajú ten náš, väčšina z nich je odlišná.

Pokrok v modernej fyzike skutočne naznačuje, že existuje veľké, možno nekonečné množstvo vesmírov, v ktorých budú mať tieto zákony a konštanty všetky možné hodnoty vo všetkých možných kombináciách. Spontánny vznik nášho vesmíru s náhodným určením fyzikálnych konštánt a zákonov do podoby, akú vidíme, podoby, aká by po i tých najmenších zmenách znamenala, že by neexistovalo nič, čo poznáme, viac nie je zázračným „kozmickým jackpotom“. Keď podáte nekonečné množstvo tiketov so všetkými možnými číselnými kombináciami, jackpot sa stáva nevyhnutnosťou.

Hoci to znie šialene, možnosť multiverza nie je šialenou teóriou či hypotézou. V skutočnosti existencia multiverza vyplýva z mnohých najpokrokovejších fyzikálnych teórií. (Ako zdôrazňuje napríklad teoretický fyzik Sean Carroll, koncepcia multiverza či multiverz má teda teda povahu predpovede, nie hypotézy či teórie.) Jednotlivé koncepcie multiverza sa navzájom nevylučujú, a viaceré samé o sebe predpokladajú existenciu nekonečného množstva vesmírov.

Na prahu úplnej ničoty

V rámci súčasného stavu poznatkov fyziky nie je problém predstaviť si, ako z ničoho vznikol vesmír. Lenže ničota v zmysle absencie hmoty, priestoru, času, ba i prírodných zákonov stále neznamená „úplnú ničotu filozofov“. Niektorí filozofi a mnohí teólógovia totiž namietajú (podľa Kraussa sú na nič experti), že pokiaľ zostal potenciál vzniku, nemôže ísť o úplnú ničotu.


-


Lawrence Krauss nesúhlasí a tvrdí, že ak aplikujú túto svoju požiadavku, vyradia nielen možnosť spontánneho vzniku vesmíru (vesmírov), ale i samotnú možnosť vzniku univerza prostredníctvom božského zásahu. „Lenže ak vyžadujeme, aby pojem skutočnej ničoty vyžadoval absenciu potenciálu pre existenciu, potom istotne ani Boh nemôže vykonávať svoje zázraky, pretože ak by ich vykonal, znamenalo by to vzídenie bytia z nebytia, čo by znamenalo, že potenciál vzniku skutočne musel byť prítomný,“ upozorňuje známy fyzik. Zostáva otázne, či je „ničota filozofov“ viac ako iba výplod ľudskej mysle, a či teda požiadavka odstránenia posledného krôčika ku vysvetleniu vzniku vesmíru z ničoho skutočne má nejakú váhu.



Skúsme ale nazrieť, či veda dokáže zodpovedať i otázku, ktorú si pre seba oddávna privlastňuje filozofia. Prečo. Prečo vôbec „niečo“ vzniklo namiesto toho, aby zostala len úplná ničota? Veda ponúka dve odpovede. V prvom rade, predpoklad, že ničota je oným „predvoleným“ stavom, môže byť celkom chybný. V druhom rade, ako upozorňuje Lawrence Krauss, ukazuje sa, že všetko, čo zákony fyziky nezakazujú, sa odohrá. Preto nielenže z ničoho môže vzniknúť „niečo“, je to dokonca nevyhnutné. „Ničota je nestabilná,“ hovorí laureát Nobelovej ceny za fyziku Frank Wilczek. Krauss píše v podobnom duchu: „Ponaučenie je jasné: teória kvantovej gravitácie nielenže dovoľuje, aby vesmíry vznikali z ničoho... vyžaduje si to.“

-

Použitá literatúra:
Alan Guth: Vesmír na vašem zápraži In: Brockam J. (ed.): Třetí kultra : za hranice vědecké revoluce. Academia, Praha, 2008, str. 276-278
Stephen Hawking a Leonard Mlodinow: The Grand Design. Bantam Books, 2010, str. 180
Lawrence Krauss: A Universe From Nothing. Atria Books, 2012, str. 240. (vyšlo aj po slovensky pod názvom Vesmír z ničoho vo vydavateľstve Citadella)

-

Dodatok 1: Virtuálne častice
Keď použijeme Einsteinovu špeciálnu teóriu relativity na vesmír s vlastnosťami, aké mu pripisuje kvantová mechanika, prázdny priestor sa premení na čosi bizarné. Na rodisko virtuálnych častíc, ktoré vznikajú takpovediac z ničoho. Ich vznik neporušuje zákon zachovania energie, pretože ťažia z Heisenbergovvho princípu neurčitosti. Ten hovorí, že neistota v meraní energie systému je nepriamo úmerná dĺžke jeho pozorovania, pričom z neho vyplýva, že čím viac energie virtuálne častice majú, o to skôr musia zaniknúť. Teoreticky by tak mohli z ničoty vznikať virtuálne častice nesúce nekonečnú energiu – pokiaľ by zároveň v nekonečne krátkom okamihu prestali existovať.

Virtuálne častice sú ďaleko významnejšie, než sa môže zdať. Nejde iba o exotický fenomén nekonečných vesmírnych diaľav. Vznikajú aj v na Zemi, dokonca v nás samotných. Tvoria väčšinu hmotnosti protónov, a to isté platí pre neutróny. Keďže veľká väčšina hmotnosti atómov pozostáva z protónov a neutrónov, ktorých hmotnosť tvoria z veľkej väčšiny virtuálne častice, a aj my ľudia sme tvorení atómami, prichádzame na dosť bizarný záver. Väčšinu hmotnosti nášho tela tvoria z ničoty spontánne vznikajúce virtuálne častice.

Napriek slovíčku „virtuálne“ v názve sú tieto častice skutočné a majú pozorovateľné efekty, ktoré fyzici dokážu merať.

Dodatok 2: Čo spôsobilo infláciu?
Zdá sa, že vinníkom je nejaký typ negatívnej „hustoty energie vákua“ (alebo pozitívneho „tlaku vákua“), vyvolaný oddelením silnej jadrovej sily od ostatných základných interakcií hmotných objektov. Predpokladá sa, že zaň môže akési zlomenie symetrie alebo fázový prechod (akým je napr. zmena vody na ľad). Po tejto udalosti zostal vesmír v mimoriadne nestabilnom stave s omnoho väčším množstvom energie, než by mal za iných okolností. Vyvolalo to ostrý antigravitačný efekt, ktorý v momente vyhladil väčšinu nerovnomerností v predtým existujúcej hmote a vytvoril ohromné množstvo častíc za veľmi krátky čas.



Dodatok 3: Tvar vesmíru
Dôležitou otázkou pre vznik vesmíru z ničoho je jeho celkový tvar. Príliš málo tmavej hmoty? Dostanete otvorený, donekonečna expandujúci vesmír. Primálo? Dostanete zatvorený, kolabujúci. V prípade takého vesmíru je však, tak ako v prípade „uzavretého“ povrchu Zeme, možné vrátiť sa po dostatočne dlhej ceste vpred presne na to isté miesto, z ktorého ste prišli - pri skutočne dobrom zraku sa zadívate dopredu a uvidíte tylo vlastnej hlavy! Plochý vesmír je kdesi medzi tým. Jeho hmota bude expanziu spomaľovať až ju celkom zastaví. Pozorovania satelitom WMAP naznačujú, že nám viditeľný vesmír je plochý. Ale je zaň zodpovedná tmavá energia, nie tmavá hmota, čo znamená, že jeho osud (viac v rámčeku) nebude ovplyvnený jeho geomtetriou.

V plochom vesmíre má každé teleso nulovú gravitačnú energiu. Lenže ako ukazuje slávna rovnica E=mc2, okrem gravitačnej energie taktiež existuje energia hmoty.„Jedna vec je istá. Existuje typ vesmíru, v ktorom je celková energia presne nulová,“ píše Krauss. „Ale nejde o plochý vesmír, ktorý môže byť teoreticky nekonečný, a tak je problematické vypočítať, akú má energiu. Ide o uzavretý vesmír, v ktorom je hustota hmoty a energie dostatočná nato, aby sa sám uzavrel.“

Za zdanie, že viditeľný vesmír je plochý, môže podľa Alana Gutha jeho ohromná veľkosť. Podľa Guthových výpočtov môže byť celkovo až 1023-násobne väčší, než je veľkosť jeho pozorovateľnej časti. Ak je to pravda, pozorovaná plochosť nemusí mať žiaden vplyv na celkový tvar podobne, ako zdanlivo plochý povrch Zeme tvorí v skutočnosti povrch guľovitého telesa. „Pozorovania, že vesmír je plochý a lokálna Newtonovská gravitačná energia je v podstate nulová, silne naznačujú, že náš vesmír vznikol počas procesu ako inflácia, procesu, počas ktorého sa energia prázdneho priestoru (ničoty) zmenila na energiu niečoho počas času, keď sa vesmír stával viac a viac plochejším, až je prakticky úplne plochý na škále pozorovateľného vesmíru,“ uzatvára problematiku Lawrence Krauss. „To všetko bez toho, aby to stálo kvapku energie.“

Dodatok 4: Ak z ničoty môže vzniknúť vesmír, môže sa z nej vynoriť aj hviezda?
Hawking a Mlodinow však upozorňujú, napríklad negatívna gravitačná energia Zeme je menej ako miliardtina pozitívnej energie častíc, z ktorých pozostáva. „Teleso ako hviezda bude mať viac negatívnej gravitačnej energie, a čím je menšie (čím bližšie k sebe sú jeho jednotlivé časti), tým viac bude tejto negatívnej energie,“ píšu a upozorňujú, že predtým, než môže prevýšiť pozitívnu energiu hmoty, nastane kolaps hviezdy za vytvorenia čiernej diery, a čierne diery majú pozitívnu energiu. „Preto je prázdny priestor stabilný. Telesá ako hviezdy alebo čierne diery sa jednoducho nemôžu vynoriť z ničoho. Ale celý vesmír áno.“ Keďže v škále celého vesmíru môže byť pozitívna energia hmoty vyvážená negatívnou energiou gravitácie, podľa nich neexistuje nič, čo by obmedzovalo vytváranie celých vesmírov z ničoty.


-

Text je skrátenou a upravenou verziou článku „Najväčšia záhada zodpovedaná?: Pôvod vesmíru“, ktorý vyšiel v novembri 2012 v magazíne GoldMan.

Obrázky: http://freethoughtblogs.com/, wikimedia
Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail