Jak vesmír z ničeho povstal 3/4

Problémy Fridmanova vesmíru. Inflace vesmírem vládne. Proč tu nejsou magnetické monopóly. Proč se vesmír začal rozpínat.

Model navržený Fridmanem znamenal převrat v nahlížení na vesmír. Vesmír měl najednou počátek, nějaký vývoj a mohli jsme spekulovat, kam směřuje. To platí víceméně dodnes, ale třeba konstatovat, že fridmanovský vesmír také trpí několika vážnými neduhy. V prvé řadě je to problém plochosti vesmíru. Podle všech pozorování se náš vesmír nachází velice blízko pomyslné hranice mezi vesmírem otevřeným a uzavřeným. Ve stručnosti zopakujme, že uzavřený vesmír se rozpíná příliš pomalu na to, aby dokázal dlouhodobě odolávat vlastní gravitaci a jednoho dne se opět začne smršťovat. Naproti tomu otevřený vesmír se rozpíná příliš překotně, nic ho nezastaví a časem se veškerá hmota rozfouká do tak velkého prostoru, že bude hustota vesmíru prakticky nulová. Vesmír s nulovou křivostí prostoru, tzv. plochý vesmír, se sice také rozpíná, galaxie se od sebe vzdalují, ale stále menší a menší rychlostí. Tato rychlost klesne na nulu, ale až v nekonečném čase. Proč je náš vesmír tak blízko této hranice? Můžeme na to hledat různá filosofická vysvětlení a podepírat se antropickým principem, nebo se pokusíme hledat přirozené vysvětlení. Ještě než se do toho pustíme, ukážeme si další problém.

Řekli jsme si, že reliktní záření je, až na nepatrné fluktuace, dokonale homogenní a isotropní. Tato učená slova uvádíme, protože doprovází veškeré texty, kde se mluví o reliktním záření. Ve skutečnosti to neznamená nic jiného, než to, že se můžeme dívat libovolným směrem a reliktní záření nám poskytne vždy stejný obraz. To se zdá docela neškodné, ve skutečnosti je to však záhada. Když se podíváme doleva a doprava, vidíme oblasti, které jsou od sebe navzájem tak vzdálené, že za dobu stáří vesmíru na sebe nemohly stačit zapůsobit. Jestliže se nemohly ovlivnit, jak je možné, že vypadají naprosto stejně? Tato zvláštnost se nazývá problém horizontu. Musíme si uvědomit, že stejný vzhled je důsledkem mnoha faktorů. Například i toho, že je v těchto zákoutích vesmíru stejná hustota hmoty. Není ani samozřejmé, že tam musí platit stejné fyzikální zákony. Přesto však platí. Je to náhoda, nebo existoval mechanismus, který tyto podmínky nastavil?

V roce 1979 se pokusil americký kosmolog Alan Guth problém plochosti vesmíru i problém horizontu vyřešit tak, že do Fridmannova modelu přidal tzv. inflační fázi. Podle ní měl být vesmír po dostatečně dlouhou dobu tak malý, že se v celém jeho objemu stačila ustavit tatáž pravidla. Teprve pak nastala prudká inflační fáze, během které se vesmír exponenciálně rozrostl o mnoho řádů. Počátek inflační fáze dnes nazýváme velký třesk. Teprve po skončení inflační fáze se vesmír rozpíná podle pravidel obecné teorie relativity.

Vysvětlit, proč by měla inflace řešit problém plochosti vesmíru, není bez pomoci matematiky tak snadné. Relativistickou rovnici, která to popisuje, jsme mohli vidět v prvním dílu jako umělecké dílo vyvedené sprayerem na rezavé lokomotivě na bolivijském vlakovém hřbitově v Salar de Uyuni. Ačkoli vztah vypadá až středoškolsky neškodně, jedná se o diferenciální rovnici, jejíž detailní řešení si tento článek neklade za cíl.

Jako bonus standardního modelu zahrnujícího inflační fázi získáme také vysvětlení, proč v našem vesmíru nepozorujeme magnetické monopóly. Ty by měly vzniknout jako topologické defekty při narušení GUT symetrie. Právě prudký nárůst objemu vesmíru by mohl tyto defekty vyhladit, stejně tak, jako by vyhladil původní kvantové fluktuace, o které by v tak malém objemu nebyla nouze.

Z pohledu inflační teorie se dá vznik vesmíru nejlépe připodobnit k fázovému přechodu. Podobně jako třeba při určité energii přechází voda z kapalné fáze do pevné, tak vesmír ve svých počátcích přešel z jednoho stavu do druhého, přičemž se uvolnila energie, která způsobila expanzi a vznik hmoty.

Přechod každé fáze do fáze s nižší energií je doprovázen ztrátou symetrie. S tímto pojmem se ve fyzice setkáváme často. Například led se svou krystalickou mřížkou vykazuje několik rovin symetrie, ale původní kapalná fáze měla symetrii vyšší - kulovou. Ochlazováním se snižovala energie jednotlivých molekul, až se z nekonečně směrů náhodně vybral jeden, ten, který se stal základem roviny symetrie pro budoucí krystal.

Je tu jeden problém - jak led ví, jaký směr si ke krystalizaci vybrat. On to ve skutečnosti neví, musí mu pomoci nějaký vnější podnět. Nečistota v lázni, zvuková vlna či jiný otřes... Leckdy se stane, že jsou podmínky mrznutí příznivé a voda zůstává tekutá i pod bodem mrazu. Je to právě proto, že se v systému drží velice křehká rovnováha, síly jsou vyrovnané a molekuly nevědí, na jakou stranu se skulit, aby počaly krystalizační jádro. Nakonec se skulí, symetrie se spontánně naruší.

Zatímco u přechodu voda-led je spontánní narušení symetrie vysvětlitelné klasickou dynamikou systému, v raných fázích vývoje vesmíru musíme sáhnout po exotičtějších kvantových procesech. Při oddělení slabé a elektromagnetické interakce sehrál roli kaziče symetrie legendární již objevený Higgsův boson. V dobách zániku GUT se mluví o hypotetických částicích X a Y. Právě ty by měly způsobit spontánní narušení symetrie se všemi důsledky z toho plynoucími, například že způsobily vznik vesmíru.

Příště si povíme o temné energii, a co bylo před vesmírem.