22.04.2017-08:25:00   |   Marek Jurčík
#Kozmos

Mnoho nejasností...

Vďaka množstvu experimentálnych dôkazov sa teória veľkého tresku stala neoddeliteľnou súčasťou kozmológie. Jej aktuálna podoba sa ale od prvej koncepcie odlišuje hneď vo viacerých ohľadoch. V priebehu desaťročí totiž vedci objavili viacero úkazov, ktoré pôvodný model nedokázal uspokojivo objasniť.



Asi najväčšiu záhadu predstavovalo celkové usporiadanie hmoty a geometria samotného kozmického priestoru. Ak by sme sa totižto na vesmír pozreli z obrovskej vzdialenosti, pripadal by nám približne rovnaký (homogénny čiže rovnorodý a izotropný) na všetkých miestach a vo všetkých smeroch. Čo sa týka priestoru, ten je podľa pozorovaní takmer úplne plochý. No z pôvodnej koncepcie teórie veľkého tresku plynul presný opak. Galaxie by sa mali zhlukovať do gigantických útvarov a štruktúra priestoru mala pripomínať povrch gule. Teória zároveň predpovedala vznik častíc takpovediac z ničoho, no nevysvetľovala, ako k tomu mohlo dôjsť. A nezodpovedaných otázok stále pribúdalo.

... a jedno riešenie

Niektoré z pozorovaní, s ktorými si pôvodná koncepcia veľkého tresku nevedela dať rady, sa podarilo objasniť prítomnosťou skrytej, tzv. tmavej hmoty a tmavej energie. Zvyšok v roku 1980 vyriešil mladý kozmológ Alan Guth hypotézou kozmickej inflácie. Neskôr ju upravil Andrej Linde z Moskovskej univerzity spolu s americkými fyzikmi Paulom Steinhardtom a Andreasom Albrechtom.

Inflačná hypotéza pridala do teórie veľkého tresku okamih, kedy vesmír v nepredstaviteľne krátkom okamihu extrémne zväčšil svoj objem. Vedci sa ešte ani dnes nezhodujú, ako veľmi sa zväčšil, no najčastejšie uvádzané výpočty ukazujú, že priestor kozmu sa mohol nafúknuť aj viac než 1030-násobne. Známy popularizátor vedy fyzik Brian Greene dokonca hovorí až o 10100-násobnom rozšírení. Každopádne už len tieto minimálne hodnoty presahujú mieru nárastu kozmu za ďalších 13,7 miliárd rokov! A aby to nebolo málo, celý proces trval neuveriteľne krátko - približne 10-35 sekundy. Čiže vesmír rástol rýchlosťou mnohonásobne prevyšujúcou rýchlosť svetla.1



Inflačné pole?

Celý proces sa udial tesne po veľkom tresku, pravdepodobne vtedy, keď bol vesmír „starý“ 10-33 sekundy.

Zatiaľ existujú len dohady o príčine inflácie. Poniektorí fyzici sa domnievajú, že rozpínanie vyvolali Higgsove bozóny. Iní hľadajú vysvetlenie v teórii strún či kvantovej gravitácii. Ako najpravdepodobnejší kandidát sa javí Higgsovo pole. Označuje sa aj termínom inflatonové pole. Ako každý iný druh poľa, aj toto pozostávalo z určitých kvantových častíc. Napríklad elektromagnetické pole, čiže aj svetlo, tvoria fotóny.2 V prípade inflácie by išlo o hypotetickú štruktúru zvanú inflaton.

Ukazuje sa, že inflatonové pole by malo predstavovať vlastnosť samotného priestoru, tzv. energiu vákua. Svojimi atribútmi pripomína tmavú energiu, ktorá poháňa kozmickú expanziu aj v súčasnosti, hoci pomalším tempom – lenže inflatonové pole bolo prinajmenšom 10100 násobne silnejšie.

Ako sa vesmír nafúkol


No nielen otázka inflačného poľa ostáva nezodpovedanou. S inflačnou teóriou sa ešte aj dnes spája mnoho otáznikov. Odkiaľ sa napríklad vzala energia schopná vyvolať natoľko veľkú expanziu priestoru a prečo sa neuvoľnila skôr alebo neskôr, ale práve tesne po veľkom tresku?


-



Alan Guth hľadal vysvetlenie v kvantovej mechanike, konkrétne v kvantovom tunelovaní. Ide o samovoľné prechádzanie telies cez zdanlivo neprekonateľnú bariéru. No rovnako ako pri všetkom v kvantovej mechanike, nie je možné určiť kedy proces začne, existuje iba určitá pravdepodobnosť. Našťastie prebieha len na úrovni atómov. A vesmír tesne po vzniku nebol o nič väčší. Preto bol extrémne horúci, teploty dosahovali enormných hodnôt, okolo 1032 °C.



Všetka táto energia bola obsiahnutá v inflatonovom poli. No keďže kozmický priestor rástol, tak pomaly chladol a zmenšovala sa aj jeho energia. Inflatonové pole preto muselo prejsť do nižšieho energetického stavu. (Jedným zo základných princípov v prírode je, že objekty vždy klesajú do pozície s najnižšou možnou energiou.) Podľa Alana Gutha, Higgsovo pole neprešlo do tohto stavu plynulým prechodom, ako keď chladne žeravé teleso, ale doň „pretunelovalo“. Čiže svoju teplotu zmenilo akýmsi skokom. Súčasne sa uvoľnila energia, ktorá naštartovala proces inflácie.

Guth sa ale správne domnieval, že daný prechod sa nemohol udiať naraz v celom priestore. Ako príklad uvedieme rádioaktívny rozpad, ktorý je tiež spôsobený tunelovaním. (Častice, ktoré tvoria rádioaktívne žiarenie, prekonávajú energické bariéry väzieb vnútri atómov. Stratou častíc sa z daného atómu stane iný izotop toho istého alebo dokonca iného prvku.) Objekt tvorený rádioaktívnou látkou nezmení naraz celý svoj objem na iný prvok, ale iba určitú časť. Rovnako tak aj expanzia by prebiehala oddelene na rôznych miestach, dôsledkom čoho by sa priestor nezväčšoval rovnomerne, ale vznikali by akési expandujúce bubliny. Tie sa teoreticky mohli spájať do väčších celkov, no výsledný vesmír by mal výrazne odlišné oblasti. Pozorovania ale ukazujú presný opak.

Nový scenár


Problém vyriešil Andrej Linde a nezávisle na ňom Paul Steinhardt spolu s Andreasom Albrechtom. V roku 1982 prezentovali tzv. nový inflačný scenár, podľa ktorého sa energia poháňajúca infláciu neuvoľnila kvantovým tunelovaním, ale postupne. Výsledkom bolo, že priestor expandoval na všetkých miestach rovnakou rýchlosťou, dôsledkom čoho je súčasný vesmír homogénny.

No zväčšovanie plochy vedie k poklesu teploty. Inak tomu nebolo ani počas inflačnej fázy, čo malo dopad na Higgsovo pole. To sa počas expanzie fázovým prechodom postupne menilo na kvarkovo-gluónovú plazmu, až pokiaľ inflácia v čase 10-32 sekundy neustala. (Fázový prechod je zmena z jedného termodynamického stavu na iný, ako pri zmene skupenstva z pevného na kvapalný alebo naopak.). Kozmický priestor tak vypĺňala nesmierne horúca substancia obsahujúca voľné kvarky a množstvo iných elementárnych častíc. Tie sa ale dôsledkom vysokej teploty nemohli spojiť do zložitejších štruktúr. K tvorbe prvých protónov a neutrónov došlo zhruba milióntinu sekundy po veľkom tresku, keď vesmír ochladol na „prijateľnejších“ 10 miliárd stupňov. No najjednoduchšie atómy začali vznikať až keď bol „starý“ tri minúty.



Z teórie veľkého tresku taktiež vyplýva, že kozmos bol pred érou inflácie chaotickým miestom s výrazne pokriveným časopriestorom. Substancia vypĺňajúca vtedajší vesmír bola nepredstaviteľne horúca a nepredstaviteľné hustá. Gravitačne deformovala svoje okolie. Štruktúra časopriestoru tak podľa špeciálnej teórie relativity pripomínala plachtu, ktorá sa prehne, keď na ňu položíme závažie.

Keď neskôr inflačná expanzia hmotu výrazne „zriedila“, deformácie časopriestoru sa do veľkej miery vyrovnala. Ale nie úplne. Na subatomárnej úrovni totiž dochádza k nepatrným kvantovým fluktuáciám. A na subatomárnej úrovni bol celý vtedajší vesmír. Inflácia tieto fluktuácie nafúkla spolu s vesmírom do mega-rozmerov. Výsledkom boli zárodky neskoršej štruktúry kozmu. Miesta väčšej koncentrácie hmoty, kde sa počas nasledujúceho obdobia zhromažďovalo stále viac častíc, až za miliardy rokov sformovali prvé galaxie.

Nedostatky verzus dôkazy

Kozmickú infláciu dnes akceptuje väčšina fyzikov. Aj napriek množstvu riešení, ktoré tento kozmologický model ponúka, netreba zabúdať, že nie je celkom potvrdený. Súčasné fyzikálne rovnice jednoducho nepostačujú na opis natoľko extrémnych podmienok, aké panovali tesne po veľkom tresku. Preto nie každý túto koncepciu prijal. Veľkým odporcom sa stal fyzik Roger Penrose, podľa ktorého obdobný proces vyžaduje veľmi presné vyladenie počiatočných podmienok. Dokonca aj Paul Steinhardt, jeden z tvorcov teórie, priznáva, že vesmír teoreticky mohol dospieť do súčasného stavu bez inflácie.

V súčasnosti sa taktiež skúma možnosť vzniku inflácie z náhodných počiatočných podmienok a v iných etapách vývoja vesmíru. Uvažuje sa aj o akejsi večnej inflácii, ktorá lokálne ustáva za vzniku inflačného multiuniverza.



No akokoľvek zvláštne, azda až bláznivo inflačná teória vyzerá na prvý pohľad, existuje mnoho dôkazov hovoriacich v jej prospech. Asi najdôležitejší poznatok priniesla sonda WMAP a neskôr Planck. Obe skúmali kozmické mikrovlnné pozadie. Ide o žiarenie z obdobia 380 000 rokov po veľkom tresku. Zistenia snímok potvrdili predpovede vyplývajúce z inflačnej hypotézy - snímky jasne ukazujú, že vesmír mal na všetkých miestach približne rovnakú teplotu. Zároveň v súlade s inflačnou teóriou obsahoval mierne teplejšie oblasti s vyššou hustotou, z ktorých sa napokon sformovali galaxie.

-

Poznámky

1. Hypotéza neporušuje pravidlo o svetelnej rýchlosti – 300 000 km/s ako najvyššej prípustnej hodnoty. Dané číslo platí len pre pohyb častíc vrámci priestoru, no nie pre zväčšenie samotného priestoru, ktoré neprebieha na úkor žiadnej entity.
2. Lepšie povedané, z experimentov a kvantovej teórie vyplýva, že elektromagnetické pole má nespojitú štruktúru tvorenú akýmisi balíčkami energie, ktorými sú v tomto prípade fotóny.

-

Zdroje a internetové odkazy na ďalšie čítanie k téme

Brian Greene – Struktura vesmíru (Čas, prostor a povaha reality), Paseka (2012)
Paul J. Steinhardt a Neil Turok - Bez počátku a konce (Nová historie vesmíru), Paseka (2009)

http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/kosmologie/inflace.html
http://www.space.com/25075-cosmic-inflation-universe-expansion-big-bang-infographic.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_the_formation_of_the_Universe
https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe
https://en.wikipedia.org/wiki/Inflation_(cosmology)
https://sk.wikipedia.org/wiki/Infl%C3%A1cia_(vesm%C3%ADr)
http://www.space.com/25088-gravitational-waves.html

Perexový obrázok: BICEP2/CERN/NASA
Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail