Název tohoto článku nemusí znít jako chytrý vtip. Podle obecně přijímaného kosmologického konceptu, teorie velkého třesku, náš vesmír vznikl z extrémního stavu fyzického vakua generovaného kvantovou fluktuací. V tomto stavu neexistoval ani čas, ani prostor (nebo byly zapleteny do časoprostorové pěny) a všechny základní fyzické interakce byly spojeny dohromady. Později se rozešli a získali samostatnou existenci - nejprve gravitaci, pak silnou interakci a teprve poté - slabou a elektromagnetickou.
Vraťme se k vědeckému výzkumu
Teorii velkého třesku důvěřuje absolutní většina vědců, kteří studují ranou historii našeho vesmíru. Ve skutečnosti to hodně vysvětluje a nijak to neodporuje experimentálním údajům. V poslední době však má konkurenta tváří v tvář nové cyklické teorii, jejíž základy vyvinuli dva mimořádní fyzici - ředitel Ústavu teoretických věd na Princetonské univerzitě Paul Steinhardt a laureát Maxwellovy medaile a prestižní mezinárodní cena TED Neil Turok, ředitel Kanadského institutu pro pokročilé studium teoretických poznatků Fyzika (Perimetrický ústav pro teoretickou fyziku). S pomocí profesora Steinhardta se Popular Mechanics pokusila hovořit o cyklické teorii a důvodech jejího vzniku.
Okamžik předcházející událostem, kdy „nejprve gravitace, pak silná interakce a teprve potom - slabá a elektromagnetická“. Podle standardní teorie začal nepřetržitý tok času teprve poté, co se gravitační síla osamostatnila. Tento moment se obvykle připisuje hodnotě t = 10-43 s (přesněji 5,4x10-44 s), která se nazývá Planckův čas. Moderní fyzikální teorie jednoduše nejsou schopny smysluplně pracovat s kratšími časovými obdobími (předpokládá se, že to vyžaduje kvantovou teorii gravitace, která dosud nebyla vytvořena). V kontextu tradiční kosmologie nemá smysl mluvit o tom, co se stalo před počátečním okamžikem,protože čas v našem chápání tehdy jednoduše neexistoval.
Koncept inflace je podstatnou součástí standardní kosmologické teorie (viz postranní panel). Po skončení inflace si gravitace přišla na své a vesmír pokračoval v expanzi, ale s klesající rychlostí. Tento vývoj trval 9 miliard let, poté vstoupilo do akce další antigravitační pole dosud neznámé povahy, které se říká temná energie. Opět přivedl vesmír do režimu exponenciální expanze, který, jak se zdá, by měl pokračovat i v budoucích dobách. Je třeba poznamenat, že tyto závěry jsou založeny na astrofyzikálních objevech učiněných na konci minulého století, téměř 20 let po objevení inflační kosmologie.
Inflační interpretace velkého třesku byla poprvé navržena asi před 30 lety a od té doby byla mnohokrát vylepšována. Tato teorie umožnila vyřešit několik zásadních problémů, s nimiž se předchozí kosmologie nedokázala vyrovnat. Například vysvětlila, proč žijeme ve vesmíru s plochou euklidovskou geometrií - podle klasických Friedmannových rovnic je to přesně to, co by mělo dělat s exponenciální expanzí. Inflační teorie vysvětlila, proč má kosmická hmota zrnitost v rozsahu nepřesahujícím stovky milionů světelných let a je rovnoměrně rozložena na velké vzdálenosti. Rovněž podala výklad selhání jakýchkoli pokusů detekovat magnetické monopoly, velmi masivní částice s jediným magnetickým pólem, o nichž se předpokládá, že jsouse narodili v hojnosti před nástupem inflace (inflace natáhla prostor natolik, že původně vysoká hustota monopolů byla snížena téměř na nulu, a proto je naše přístroje nemohou detekovat).
Propagační video:
Brzy poté, co se objevil inflační model, si několik teoretiků uvědomilo, že jeho vnitřní logika neodporuje myšlence trvalého vícenásobného zrodu stále více nových vesmírů. Kvantové výkyvy, stejně jako ty, kterým vděčíme za to, že náš svět existuje, se skutečně mohou vyskytovat v jakémkoli množství za předpokladu, že jsou splněny podmínky. Je možné, že náš vesmír opustil fluktuační pásmo vytvořené ve světě předchůdce. Stejným způsobem lze předpokládat, že se někdy a někde v našem vlastním vesmíru vytvoří fluktuace, která „vyfoukne“mladý vesmír zcela jiného druhu, schopný kosmologického „plození“. Existují vzorce, ve kterých se takové dětské vesmíry objevují nepřetržitě, odbočují od rodičů a nacházejí si své vlastní místo. Navíc není vůbec nutné, aby v takových světech byly stanoveny stejné fyzikální zákony. Všechny tyto světy jsou „vnořeny“do jediného časoprostorového kontinua, ale jsou od sebe tak vzdálené, že žádným způsobem necítí vzájemnou přítomnost. Koncept inflace obecně umožňuje - a navíc nutí! - věřit, že v gigantickém megakosmu existuje mnoho izolovaných vesmírů s různým uspořádáním.
Teoretičtí fyzici rádi přicházejí s alternativami i k těm obecně přijímaným teoriím. Inflační model velkého třesku má také konkurenty. Nedostali širokou podporu, ale ano a měli své vlastní následovníky. Teorie Steinhardta a Turoka mezi nimi není první a rozhodně není poslední. Dnes však byl vyvinut podrobněji než ostatní a lépe vysvětluje pozorované vlastnosti našeho světa. Má několik verzí, z nichž některé jsou založeny na kvantové teorii strun a vícerozměrných prostorech, zatímco jiné se spoléhají na tradiční kvantovou teorii pole. První přístup poskytuje živější obrázky kosmologických procesů, takže se jím budeme zabývat.
Nejpokročilejší verze teorie strun je známá jako M-theory. Tvrdí, že fyzický svět má 11 dimenzí - deset prostorových a jednu dočasnou. Vznášejí se v něm prostory nižších rozměrů, takzvané brány. Náš vesmír je jen jednou z těchto bran se třemi prostorovými rozměry. Je naplněn různými kvantovými částicemi (elektrony, kvarky, fotony atd.), Což jsou ve skutečnosti otevřené vibrující řetězce s pouze jednou prostorovou dimenzí - délkou. Konce každého řetězce jsou pevně zafixovány uvnitř trojrozměrné brány a řetězec nemůže bránu opustit. Existují však také uzavřené řetězce, které mohou migrovat mimo brány - to jsou gravitonové, kvanta gravitačního pole.
Jak vysvětluje cyklická teorie minulost a budoucnost vesmíru? Začněme současnou dobou. První místo nyní patří temné energii, která způsobuje, že se náš vesmír exponenciálně rozpíná a periodicky se zdvojnásobuje. Výsledkem je, že hustota hmoty a záření neustále klesá, gravitační zakřivení prostoru slabne a jeho geometrie je čím dál plochější. Během příštích bilionů let se velikost vesmíru zdvojnásobí asi stokrát a promění se v téměř prázdný svět, zcela zbavený hmotných struktur. Vedle nás je další trojrozměrná brána, oddělená od nás malou vzdáleností ve čtvrté dimenzi, a také prochází podobnou exponenciální expanzí a zploštěním. Po celou tu dobu se vzdálenost mezi branami prakticky nemění.
A pak se tyto paralelní brány začnou sbíhat. Jsou k sobě tlačeni silovým polem, jehož energie závisí na vzdálenosti mezi branami. Energetická hustota takového pole je nyní kladná, takže prostor obou bran se exponenciálně rozšiřuje - proto je to právě toto pole, které poskytuje účinek vysvětlený přítomností temné energie! Tento parametr však postupně klesá a za bilion let klesne na nulu. Obě brány se budou i nadále rozšiřovat, ale ne exponenciálně, ale velmi pomalým tempem. V důsledku toho v našem světě zůstane hustota částic a záření téměř nulová a geometrie zůstane plochá.
Konec starého příběhu je však jen předehrou k dalšímu cyklu. Brany se pohybují k sobě a nakonec se srazí. V této fázi hustota energie mezioborového pole klesá pod nulu a začíná působit jako gravitace (dovolte mi připomenout, že potenciální gravitační energie je záporná!). Když jsou brany velmi blízko, mezibránové pole začíná zesilovat kvantové fluktuace v každém bodě našeho světa a transformuje je do makroskopických deformací prostorové geometrie (například za miliontinu sekundy před srážkou dosahuje vypočtená velikost takových deformací několik metrů). Po srážce se právě v těchto zónách uvolňuje lví podíl na kinetické energii uvolněné při nárazu. Výsledkem je, že tam dochází k většině horké plazmy s teplotou asi 1023 stupňů. Právě tyto oblasti se stávají lokálními gravitačními uzly a mění se v embrya budoucích galaxií.
Taková srážka nahrazuje velký třesk inflační kosmologie. Je velmi důležité, aby se veškerá nově vytvořená hmota s pozitivní energií objevila v důsledku nahromaděné negativní energie mezioborového pole, proto není porušen zákon zachování energie.
Jak se takové pole chová v tomto zásadním okamžiku? Před srážkou hustota její energie dosáhne minima (a záporného), poté se začne zvyšovat a při srážce se stane nulovou. Otruby se potom navzájem odpuzují a začnou se rozptylovat. Hustota energie mezi větvemi prochází zpětným vývojem - opět se stává negativní, nula, pozitivní. Brane, obohacená hmotou a zářením, nejprve expanduje při klesající rychlosti pod brzdným účinkem své vlastní gravitace, a pak znovu prochází exponenciální expanzí. Nový cyklus končí jako ten předchozí - a tak dále ad infinitum. Cykly, které předcházely našim, se také odehrály v minulosti - v tomto modelu je čas nepřetržitý, takže minulost existuje i za 13,7 miliardami let, které uplynuly od posledního obohacení naší brany hmotou a zářením!Ať už měli vůbec začátek, teorie mlčí.
Cyklická teorie vysvětluje vlastnosti našeho světa novým způsobem. Má plochou geometrii, protože na konci každého cyklu se nadměrně roztahuje a před zahájením nového cyklu se jen mírně deformuje. Kvantové fluktuace, které se stávají předchůdci galaxií, vznikají chaoticky, ale v průměru rovnoměrně - proto je vesmír plný shluků hmoty, ale ve velmi velkých vzdálenostech je docela homogenní. Nemůžeme detekovat magnetické monopoly jednoduše proto, že maximální teplota novorozené plazmy nepřesáhla 1023 K a pro vzhled těchto částic jsou zapotřebí mnohem vyšší energie - řádově 1027 K.
Cyklická teorie existuje v několika verzích, stejně jako teorie inflace. Podle Paula Steinhardta však rozdíly mezi nimi jsou čistě technické a zajímavé pouze pro odborníky, obecný koncept zůstává nezměněn: „Za prvé, v naší teorii neexistuje žádný okamžik začátku světa, žádná singularita. Existují periodické fáze intenzivního vytváření hmoty a záření, z nichž každá, pokud je to požadováno, může být nazývána Velkým třeskem. Ale žádná z těchto fází neoznačuje vznik nového vesmíru, ale pouze přechod z jednoho cyklu do druhého. Prostor i čas existují jak před, tak i po kterékoli z těchto kataklyzmat. Je tedy zcela přirozené ptát se, jaký byl stav věcí 10 miliard let před posledním velkým třeskem, od kterého se počítá historie vesmíru.
Druhým klíčovým rozdílem je povaha a role temné energie. Inflační kosmologie nepředpovídala přechod zpomalující expanze vesmíru na zrychlenou. A když astrofyzici objevili tento jev pozorováním výbuchů vzdálených supernov, standardní kosmologie ani nevěděla, co s tím dělat. Hypotéza temné energie byla předložena jednoduše proto, aby nějakým způsobem spojila paradoxní výsledky těchto pozorování s teorií. A náš přístup je mnohem lépe utěsněn vnitřní logikou, protože zpočátku máme temnou energii a je to právě tato energie, která zajišťuje střídání kosmologických cyklů. “Jak však poznamenává Paul Steinhardt, cyklická teorie má také slabá místa: „Dosud jsme nebyli schopni přesvědčivě popsat proces srážky a odskoku paralelních bran, který se odehrává na začátku každého cyklu. Jiné aspekty cyklické teorie jsou rozvinuty mnohem lépe, ale stále existuje mnoho nejasností, které je třeba vyjasnit. “
Ale i ty nejkrásnější teoretické modely vyžadují experimentální ověření. Může být cyklická kosmologie pozorováním potvrzena nebo vyvrácena? "Inflační i cyklické teorie předpovídají existenci reliktních gravitačních vln," vysvětluje Paul Steinhardt. - V prvním případě vznikají z primárních kvantových fluktuací, které jsou během inflace rozmazané prostorem a generují periodické oscilace jeho geometrie - a to jsou podle obecné teorie relativity gravitační vlny. V našem scénáři jsou kvantové fluktuace také hlavní příčinou těchto vln - stejných, které jsou zesíleny srážkami bran. Výpočty ukázaly, že každý mechanismus generuje vlny se specifickým spektrem a specifickou polarizací. Tyto vlny musely zanechat stopy na kosmickém mikrovlnném záření, které je neocenitelným zdrojem informací o raném vesmíru. Dosud takové stopy nebyly nalezeny, ale s největší pravděpodobností k tomu dojde v příštím desetiletí. Fyzici již navíc uvažují o přímé registraci reliktních gravitačních vln pomocí kosmických lodí, která se objeví za dvě až tři desetiletí. “
Dalším rozdílem je podle profesora Steinhardta teplotní rozložení mikrovlnného záření na pozadí: „Toto záření vycházející z různých částí oblohy není teplotně zcela rovnoměrné, má stále méně vyhřívané zóny. Na úrovni přesnosti měření poskytované moderním vybavením je počet teplých a studených zón přibližně stejný, což se shoduje se závěry obou teorií - inflačních i cyklických. Tyto teorie však předpovídají jemnější rozdíly mezi zónami. V zásadě budou schopni identifikovat evropskou vesmírnou observatoř „Planck“zahájenou v loňském roce a další nejnovější kosmické lodě. Doufám, že výsledky těchto experimentů pomohou učinit volbu mezi inflačními a cyklickými teoriemi. Ale také se to může státže situace zůstane nejistá a žádná z teorií nezíská jednoznačnou experimentální podporu. No, pak budu muset přijít s něčím novým. “
Podle inflačního modelu se vesmír krátce po jeho zrození velmi krátce exponenciálně rozšiřoval a mnohonásobně zdvojnásobil své lineární rozměry. Vědci se domnívají, že začátek tohoto procesu se časově shodoval s oddělením silné interakce a nastal v časové značce 10–36 s. Taková expanze (s lehkou rukou amerického teoretického fyzika Sidneyho Colemana se jí říkalo kosmologická inflace) byla extrémně krátkodobá (až 10–34 s), ale zvýšila lineární rozměry vesmíru nejméně 1030–1050krát a možná ještě mnohem více. Podle nejkonkrétnějších scénářů byla inflace spuštěna antigravitačním kvantovým skalárním polem, jehož hustota energie se postupně snižovala a nakonec dosáhla minima. Než k tomu došlo, pole začalo rychle oscilovat,generování elementárních částic. Výsledkem bylo, že na konci inflační fáze byl vesmír naplněn superhotou plazmou sestávající z volných kvarků, gluonů, leptonů a vysokoenergetických kvant elektromagnetického záření.
Radikální alternativa
V 80. letech profesor Steinhardt významně přispěl k rozvoji standardní teorie velkého třesku. To mu však nezabránilo v hledání radikální alternativy k teorii, do které bylo investováno tolik práce. Jak sám Paul Steinhardt pro Popular Mechanics řekl, hypotéza inflace odhaluje mnoho kosmologických záhad, ale to neznamená, že nemá smysl hledat další vysvětlení: „Nejprve jsem se jen zajímal o to, abych se pokusil pochopit základní vlastnosti našeho světa, aniž bychom se uchýlili k inflaci. Později, když jsem se hlouběji zabýval touto problematikou, jsem se přesvědčil, že inflační teorie není vůbec tak dokonalá, jak tvrdí její zastánci. Když se právě vytvářela inflační kosmologie, doufali jsme, že to vysvětlí přechod z původního chaotického stavu hmoty do současného uspořádaného vesmíru. Udělala to - ale šla mnohem dále.
Vnitřní logika teorie vyžadovala uznání, že inflace neustále vytváří nekonečné množství světů. To by nebyl velký problém, kdyby jejich fyzické zařízení kopírovalo naše vlastní, ale to prostě nefunguje. Například pomocí inflační hypotézy bylo možné vysvětlit, proč žijeme v plochém euklidovském světě, ale ostatně většina ostatních vesmírů určitě nebude mít stejnou geometrii. Stručně řečeno, vytvářeli jsme teorii, která by vysvětlovala náš vlastní svět, a vymkla se nám z rukou a vytvořila nekonečnou škálu exotických světů. Tento stav mi přestal vyhovovat. Standardní teorie navíc není schopna vysvětlit podstatu dřívějšího stavu, který předcházel exponenciální expanzi. V tomto smyslu je stejně neúplná jako předinflační kosmologie. Konečně,není schopna říci nic o povaze temné energie, která je hybnou silou expanze našeho vesmíru po dobu 5 miliard let.