Vesmír bez počátku a konce

Ve svém starším článku Mýty a fakta o vzniku vesmíru jsem se zmiňoval o inflační teorii jakožto nejpravděpodobnějším mechanismu vzniku vesmíru - podle této teorie vesmír krátce po svém vzniku (velkém třesku) prošel periodou extrémně rychlé expanze, kdy se během 0.00000000000000000000000000000000001 sekundy zvětšil zhruba 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000krát. V části vesmíru, kterou vidíme,  toto období inflace již dávno skončilo, ale v mnoha jiných částech probíhá dále a tvoří ohromné množství dalších "ostrovních" vesmírů, hovoří se o tzv. věčné inflaci.

Ve svém dřívějším článku jsem čerpal hlavně z knihy Mnoho světů v jednom Alexe Vilenkina, který přišel jako první s myšlenkou věčné inflace. Inflační teorie je dnes drtivou většinou fyziků přijímána, přesto se v posledních letech stále více začíná mluvit o teorii cyklického vesmíru, se kterou přišli Paul Steinhardt (profesor na Princetonské univerzitě) a Neil Turok (v současnosti ředitel Perimeterského institutu pro teoretickou fyziku). Ti o své teorii napsali výbornou knihu Bez počátku a konce, která u nás vyšla v roce 2009. Podle nich inflační teorie trpí řadou vad na kráse:

Jde o skládačku nezávislých ingrediencí, jež byly poskládány dohromady tak, aby se dosáhlo shody s pozorováním. (...) Když inflační model dozrával a přidávaly se nové komponenty, nikdo neuměl vysvětlit, jak - pokud vůbec - by spolu mohly souviset. Každá nová ingredience musí být přesně přizpůsobena zbytku modelu, to je však umělý způsob, jak dosáhnout shody s pozorováním. K takovým postupům jsou vědci zpravidla skeptičtí."

Druhou běžnou námitkou proti scénáři s velký třeskem - pro mnohé jeho nejznepokojivějším rysem - je to, že čas má "počátek". Jak začal vesmír, když předtím nic nebylo? Zní to jako rozpor - a možná se v tom skutečný rozpor skrývá (...) Řada fyziků navrhla imaginativní modifikaci známých zákonů tak, aby popisovaly, jak se čas a prostor "vynořily" do existence z jakéhosi primordiálního stavu nebo přímo "z ničeho". I když přijmeme tyto nápady, jak prostor a čas ke své existenci přišly, žádný nedává jasné vysvětlení, proč vesmír započal ve stavu s tak vysokou koncentrací energie, jaká je potřeba pro inflační obraz."

Podle Steinhardta a Turoka tedy bylo na čase začít hledat alternativní model vzniku vesmíru. Přišli s obrazem  cyklického vesmíru, který je založen na strunové teorii. Podle strunové teorie jsou veškeré částice a síly ve vesmíru tvořeny maličkými strunami, které mohou rozdílnými způsoby vibrovat. Tyto rozdílné vibrační vzory vytvářejí rozdílné vlastnosti částic jako je jejich náboj nebo hmotnost.  Ze strunové teorie (nebo přesněji z její modernější verze M-teorie) vyplývá několik zajímavých věcí. Za prvé, vesmír se skládá z 10 prostorových a 1 časové dimenze. Jakto, že my vidíme dimenze jenom tři? Protože ostatních 7 dimenzí je tak malých, že je nemůžeme vidět - jsou svinuté. Zdá se vám to jako science fiction? Možná, ale řada myšlenek ve fyzice kdysi zněla jako science fiction a přesto byly experimentálně potvrzeny, například ta, že čas plyne různě rychle v závislosti na rychlosti nebo že hmotné objekty ohýbají strukturu časoprostoru. Ze strunové teorie ale také vyplývá ještě existence objektů zvaných brány. Jak píší Steinhardt s Turokem (str. 140):

"Z tohoto schématu se nám vynoří nová, překvapivá vize vesmíru. Pozorovatelný vesmír leží na jedné z obou brán, jde tedy o náš "bránosvět." Od druhé brány, "skrytého bránosvěta", jej odděluje nepatrná mezírka o tloušťce kolem 10^-32 metru. Podle rovnic M teorie jsou všechny částice, slabá a silná interakce, elektromagnetismus a tím i světlo vázány na náš bránosvět. Jsme k němu přilepeni jako mouchy na mucholapku a nijak nemůžeme přeskočit mezírku a dostat se do bránosvěta "skrytého",  i ten však obsahuje své částice a síly, i když mají jiné vlastnosti než ty naše. Přestože se ve skrytém bránosvětě nemůžeme ničeho dotknout, jeho existenci pociťujeme, protože gravitace působí i přes mezeru mezi oběma světy. Kousek hmoty ve skrytém bránosvětě vyvolává gravitační sílu, která přitahuje hmotu v našem světě do bodu přesně proti tomuto kousku."

A právě ony brány jsou základem teorie cyklického vesmíru, podle které velký třesk způsobila srážka dvou brán. Energie vzniklá při srážce brán způsobí, že se vesmír zaplní žhavou hmotou. "Období před velkým třeskem a po velkém třesku jsou však propojena hladce, struktura prostoru zůstane nedotčena, energie je všude konečná a čas ubíhá spojitě."(str. 73). Jednou se veškerá hmota ve vesmíru rozředí, galaxie zaniknou a hmota v nich obsažena se rozptýlí, brány se začnou k sobě opět přibližovat a zhruba bilion let po velkém třesku se znovu srazí a cyklus se opakuje znovu. Kolik takových cyklů už proběhlo? Nikdo neví. Podle Steinhardta a Turoka je stejně tak dobře možné, že tento koloběh cyklů měl někdy počátek, ale také je možné, že počet cyklů je nekonečný - tedy bez počátku a konce. Současná teorie cyklického vesmíru měla svého předchůdce, od něj se ale podstatně liší (str. 182-183):

"Ve starém principu se běžné tři dimenze rozpínají a smršťují, jako by se vesmír nadechoval a vydechoval. Na konci kontrakční fáze se prostor smrští na téměř nulový objem. V novém cyklickém modelu se vesmír od jednoho velkého třesku k druhému stále rozpíná a nikdy nesmršťuje. Nádech a výdech obstarává dodatečná dimenze. Tři dimenze se natahují po nějaký bilion let. Pak se dodatečná dimenze přiškrtí k nulovému rozměru a rychlost expanze pozorovatelného vesmíru se zpomalí. Následuje opětný růst dodatečné dimenze, ostatní tři prostorové dimenze v rozpínání pokračují."

Neil Turok v pořadu Through the Wormhole s01e04 - What happened before beginning vysvětluje teorii cyklického vesmíru. Mimochodem celý pořad lze nalézt na youtube a lze jej i stáhnout s českými titulky.

Jak poznáme, že se blíží začátek dalšího cyklu? Především se změní řada fyzikálních konstant jako je síla gravitace, slabé, silné a elektromagnetické interakce (str. 244). Protože tyto síly drží pohromadě atomy v našich tělech, budou mít zřejmě tyto jevy pro jakýkoli život, pokud v té době nějaký bude existovat, velice neblahé následky.

Animace bližící se srážky brán z dokumentu Through the Wormhole. Povrch brán je před srážkou zvrásněný, takže vrcholky se srazí s druhou bránou dřív, než údolí. Z toho vyplývá, že k velkému třesku dojde na různých místech v různý čas.

Odpovídá cyklický model ale opravdu realitě? Zatím nejpodrobnější testy prováděné sondou WMAP, o které jsem už psal v dřívějším článku, jsou v souladu jak s inflační teorií, tak s cyklickým modelem. Je třeba si uvědomit, že data sondy WMAP nám umožňují vidět strukturu vesmíru v době, kdy byl starý zhruba 380 000 let. To je sice samo o sobě ohromný úspěch vědy, ale abychom rozhodli, jestli je pravdivý inflační či cyklický model, musíme vidět ještě dál.  Pesimista by nejspíš ihned řekl, že něco takového je nemožné. To byste ale podcenili vynalézavost vědců. Podle nich nám okno do dávné minulosti mohou poskytnout gravitační vlny. Steinhardt s Turokem v knize detailně popisují, jak gravitační vlny mohou zanechat podpis na reliktním zářením - tedy tím, které měřila sonda WMAP. Inflační teorie a cyklický model činí rozdílné předpovědi, jak by takový podpis gravitačních vln měl vypadat. S pomocí přesnějších měření bychom tedy mohli rozhodnout, jestli je cyklický model správný nebo ne.  A to se můžeme dozvědět již velice brzy, protože ve vesmíru od roku 2009 působí sonda Planck, která podobně jako WMAP provádí měření reliktního záření, jen s mnohem větší přesností. Konečná data ze sondy Planck by přitom měla být zveřejněna nejpozději v roce 2012.

Jiným způsobem se o detekci gravitačních vln pokouší experiment LIGO neboli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Jedná se o dva detektory umístěné ve vzdálenosti 3000 kilometrů od sebe na území USA. Každý z nich se skládá ze dvou tunelů ve tvaru písmene L o délce 4 kilometry. Do obou tunelů je vyslán laserový paprsek, přičemž za normálních okolností by každým tunelem měl proběhnout za stejnou dobu. Jestliže však detektorem projde gravitační vlna, jeden z paprsků dorazí dříve než ten druhý, přičemž tuto odchylku je možné změřit. Dráhu paprsku může samozřejmě ovlivnit i něco jiného, například zemětřesení. Z toho důvodu byly postaveny dva detektory daleko od sebe - pokud událost zachytí oba současně, dá se vyloučit vliv lokálních vlivů a jedná se pravděpodobně o gravitační vlny. Dlužno dodat, že navzdory tomu, jak je experiment LIGO citlivý, zatím žádné gravitační vlny nedetekoval.

Tunel experimentu LIGO - Hanford, stát Washington. Zdroj: Wikipedia

Steinhardt  Turokem se ve své knize vypořádávají i se zjevnými námitkami proti cyklickému modelu. Například: Kde se pořád bere energie na další srážky brán a nekonečný koloběh cyklů? Není cyklický model jakési perpetuum mobile? Nicméně abych tento článek příliš neprotahoval, ponechám na čtenářích, aby si v případě zájmu vyhledali odpověď v dotyčné knize :)

Příběh vzniku vesmíru mi přijde jako daleko zajímavější a záhadnější než všechny "šifry mistra Leonarda". Je přitom fascinující, že právě naše generace je ta, která je tak blízko k rozřešení celé hádanky. Nejen že vymýšlíme působivé teorie, jak to asi mohlo být, ale máme také prostředky a schopnosti tyto teorie otestovat a to není samozřejmost. Kniha Bez počátku a konce se tak čte jako detektivka, oba vědci v ní popisují, jak se jejich teorie vyvíjela a je napsána velice čtivě a srozumitelně. Nezbývá než se nechat překvapit, jaké bude další pokračování tohoto příběhu a jaký další dílek se v téhle vesmírné skládačce objeví.