Dobrodružství Všehomíra – 1. Neprobádaná hmota

Mnohým z nás by mohlo připadat, že je jasné, co to hmota je. Tito lidé vnímají hmotu jako empirickou kategorii, kterou mohou vnímat svými smysly. Hmotu si představují jako látku ve skupenství pevném, kapalném nebo plynném. Ti vzdělanější k tomu přiřadí i plazmu, kterou si můžeme představit jako látku, z níž je vytvořen například kulový blesk. Stále to však nestačí k tomu, aby byla vystižena podstata hmoty.

Tato otázka lidstvo vzrušovala již od pradávna. Už v pátém století před naším letopočtem tehdejší atomisté - všichni jsme asi slyšeli jméno Démokritos - se zabývali dělitelností látky. Je úžasné, že v té době bez experimentálních možností přišli s ideou diskrétnosti hmoty. Do té doby byla hmota považována za spojitou a rigidní, dělitelnou pouze mechanicky. Atomisté přišli s geniální myšlenkou, že hmota je složena z neviditelných, dále nedělitelných částí - atomů - jež mohou mít různou váhu, ale jsou ze stejné látky a existují trvale. To, co je nestálé a proměnné, vzniká spojováním těchto atomů. Kdybychom dnes hledali metaforu, tak de facto nahradili analogové pojetí světa digitálním. Zavedli také něco, čemu se dnes říká dekompozice, redukcionismus a přístup zdola nahoru, tedy hierarchické vidění světa.

Situace se ještě zkomplikovala, když se zjistilo, že atomy nejsou tou nejmenší nedělitelnou složkou hmoty. Dělí se dále na nukleony v jádře a elektrony v obalu atomů. Nukleony jsou pak rozlišeny na protony, které určují elektrický náboj jádra - tzv. atomové číslo v Mendělejevově periodické soustavě prvků, a neutrony, které vytvářejí izotopy v rámci jednoho chemického prvku. Nukleony se dále dělí na kvarky a gluony, které je „lepí". Elektrony zase spadají spolu s neutriny mezi skupinu částic, nazývajících se leptony. Ale částic je mnohem více, nebudu zde čtenáře unavovat.

Další komplikace spočívá ve zjištění, energie je přenášena v kvantech, které lze vyjádřit částicemi (korpuskulemi), ne nepodobnými stavebním kamenům hmoty. Kromě již zmíněných gluonů jsou nejznámější fotony, které přenášení elektromagnetické síly, v určitém spektru se projevující jako světlo. V jiném spektru jsou fotony přenášeči rentgenového záření, rádiových vln nebo mikrovlnného záření, které známe z mikrovlnných trub; o vysokoenergetickém gama záření raději nebudu psát, protože je životu nebezpečné.

Zajímavé je, jak se to nejdříve ukázalo u energie, šířící se sílu je možné považovat nejen za částici, tedy balíček energie, ale i za vlnu. Díky tomu chytáme vlny na televizní nebo rozhlasové antény. Vlny si můžeme představit jako spojité kolísání s určitým kmitočtem (frekvencí). Proto se hovoří o korpuskulárně-vlnové dualitě. Jednou si energii můžeme představit jako vlnu na hladině, podruhé se chová jako vystřelená kulka. Tyto pohledy se liší především v tom, že vlny podléhají interferenci, tedy se skládají, jako je tomu třeba na moři. Mohou se tedy i vyrušit, nebo naopak posílit.

V roce 1924 francouzský fyzik de Broglie přišel na to, že stejně jako u energie v mikrosvětě je možné analogicky i u hmoty v makrosvětě pojmout její vlnový charakter prostřednictvím stojatého vlnění - tzv. hmotných vln. Je to o to zajímavější, že ve vlnovém světě platí princip neurčitosti, který umožňuje být s určitou pravděpodobností všude a nikde. Některé teorie tuto neurčitost rozprostírají do celého vesmíru. A těm exotickým - a docela respektovaným - nestačí ani celý vesmír, ale pohrávají si s alternativními historiemi v mnohočetných světech (Feynman, Everett).

Ani tyto částice nejsou konečným suterénem v dekompozici látky a energie. V současné době je dokonce v různých variantách rozpracovávána teorie, že veškerá hmota v širším pojetí se skládá ze strun. Mají to být neviditelné, nikoliv bodové, ale jednorozměrné útvary s minimální délkou a ohromným napětím. Vibrace a způsoby navíjení těchto strun pak rozhodují o druhu částice. Teoreticky je popisují tzv. superstrunové teorie, protože jsou založeny na supersymetriích mezi silami a hmotou (souměrnost spočívá v zachování některých parametrů). Ambice sjednotit všechny tyto teorie má M-teorie.

Zajímavé je, že tyto teorie nepředpokládají třírozměrný prostor, jak jej známe, ale teoreticky pracují s 9 až 25 prostorovými dimenzemi. V tomto složitém prostředí se struny nemohou pohybovat jakkoliv, ale po tzv. p-bránách (od slova membrána), což jsou právě vícerozměrné „plochy" (p vyjadřuje počet dimenzí).

A teď přichází další překvapení. Vakuum není prázdné. Někdy bývá přirovnáváno ke vřícímu kotli kvantových fluktuací, jindy se bere v úvahu tzv. Diracovo moře, v němž by byl náš svět vytvářen jakýmisi děrami v antihmotě. V každém případě prostor, který je naplněn vakuem, hmotou, energií a její zvláštní složkou gravitací, je složitá struktura, v níž probíhají interakce, z nichž o některých ještě ani netušíme.

Ale pozor! Stále to není všechno ani z toho, co už víme! Vesmír se rozpíná (expanduje). Je tedy „nabit" temnou energií, tedy repulzivními silami, které vyšší hmotné struktury (galaxie, jejich kupy a nadkupy) rozhánějí a soupeří tak s gravitací. Už jsme si řekli, že rozlišovat energii a hmotu je ošidné, takže tady máme další složku ve struktuře hmotného obsahu vesmíru. Dokonce se dá považovat za prokázané, že rozpínání vesmíru zrychluje. To by mohlo znamenat, že se tvoří stále nová repulzivní energie, že tedy vesmír je takovým perpetuem mobile.

Jsou i teorie o tzv. temné hmotě, která schází při výpočtech, proč se galaxie nerozpadnou (jednak odstředivými silami, jednak expanzí). Zde jsem skeptický, protože je velice pravděpodobné, že ta „chybějící" hmota chybí kvůli nepřesným výpočtům a/nebo nepřesně odhadnutým vzdálenostem a/nebo nepřesně stanovené hmotnosti těchto makroútvarů. Situace je komplikována i tím, že ve středu každé galaxie by měla být supermasivní černá díra, což je exotický útvar takové hustoty, že se v ní veškerá hmota zhroutila do singularity (můžeme si představit jako bezrozměrný bod). Má tak silnou gravitaci, že za svůj horizont nepropustí ani světlo, takže nezáří. Kdyby se Země zhroutila v černou díru, její poloměr by nebyl ani centimetr. K tomuto fenoménu se někdy vrátím v samostatném článku.

Takže tímto rychlým exkurzem jsme získali na hmotu jakýsi strukturální nadhled - od elementárních částic až po černé díry a nadkupy galaxií. Musíme si uvědomit, že mnohdy to, co na obloze považujeme za hvězdu, mohou být celé galaxie nebo jejich vyšší hierarchické struktury. Podle mého názoru, tato struktura pokračuje i „dovnitř" hmoty, tedy od makroskopického hlediska po mikroskopické hledisko. Hustota hmoty sice směrem k malým rozměrům roste, ale „prázdnotu" můžeme chápat i třeba mezi molekulami plynu, jenž lze stlačit na minimum (dokud nezkapalní a/nebo nezamrzne) a dokonce i tušit uvnitř atomu mezi elektronovým obalem a jádrem. Poloměr jádra je asi 50.000krát menší než poloměr atomu, ale je v něm soustředěno asi 99,99% hmotnosti. Pingpongový míček na fotbalovém hřišti by byl relativně ještě příliš velký.

A teď se dostáváme k mé idei, že hmota ve vesmíru vytváří jakési strukturální vzorce. Je to složitější, protoře ve hře jsou i svinuté dimenze (dokonce v neceločíselném počtu) a předpokládaná fraktální geometrie (soběpodobnost nebo soběpříbuznost podle velikosti), ale s tím nebudu čtenáře zahlcovat. Faktem je, že ať se díváme z dálky na galaxie nebo se zvětšením na molekuly nebo atomy, je v tom jistá analogie, spočívající ve struktuře vytvářené zaplněnými a „prázdnými" oblastmi. Přitom ta prázdnota, jak jsme si už řekli, je věc relativní, závislá na měřítku pozorování a k tomu potřebné energii. Mohli bychom si představit nějakého olbříma, který by mohl hypoteticky nějakou galaxii vzít do ruky, protože se jeví jako soudržná struktura. Takže Vesmír v celku bychom také mohli považovat za hmotnou strukturu.

Z toho pro mě vyplývá tento závěr:

1) Hmota je lokální stav prostoru, který má v daném měřítku odlišitelné vnější hranice a zároveň určitou vnitřní konzistenci (soudržnost a slučitelnost).

2) Prostor je globální strukturou rozložení hmoty.

3) Prostor je nutnou podmínkou existence hmoty a zároveň hmota je nutnou podmínkou existence prostoru. Z toho vyplývá ekvivalence.

Autor látku podrobněji pojednal v těchto knihách:

VESMÍR V OVÁLU - jaký s neurčitostí není (Sázka s kosmology)

ABSOLUTNÍ VESMÍR  v reálném čase (Císařovy stoleté šaty aneb kosmologie bez cenzury)