Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 11 – vyšlo 14. března, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

11/2015

Existoval Velký třesk?

Petr Kulhánek

V poslední době se v bulvárních i jiných médiích objevovaly palcové titulky: Velký třesk neexistoval! Vědci se mýlili a Vesmír nevznikl z Velkého třesku! Variant se vyrojilo velké množství. Mediální masáž byla natolik silná, že i racionálně uvažující jedinci občas zapochybovali. Není nakonec tedy vše jinak? Kde se vzaly tyto zprávy? Mají nějaký reálný základ, nebo jde jen o kachnu typickou pro období, kdy je jiných afér příliš málo a je třeba zájem společnosti přiživit vhodným výmyslem? Pokud zapátráme ve vědeckém tisku, mohou mít tyto zprávy reálný podklad buď v pochybnostech o existenci počáteční singularity [1] nebo v nedávno odvolaném objevu reliktních gravitačních vln (viz AB 42/2014). Jaká je tedy skutečnost?

Umělecká vize Velkého třesku. Zdroj: NASA/JPL.

Reliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí). Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. Inflace – prudké (exponenciální) zvětšení rozměrů raného vesmíru. Zpravidla se dává do souvislosti s oddělením silné interakce v čase 10−35 s od hypotetické nuly dané zpětnou extrapolací expanze. V průběhu inflace dojde k zvýšení entropie faktorem 1090 až 10120 a k zvětšení rozměrů faktorem 1030 až 1050. Uvolněná energie je minimálně 1060 GeV, způsobí opětovné ohřátí vesmíru a vznik stochastických reliktních gravitačních vln. Některé modely kladou inflaci do ještě ranějších fází vývoje vesmíru. Pokud ale inflace existovala, je ona samotná skutečnou časovou nulou, skutečným počátkem našeho vesmíru. Gravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají. Kvantová gravitace – teorie pokoušející se spojit zákony kvantové mechaniky se současnou teorií gravitace, obecnou relativitou. Zdá se, že nejblíže cíli jsou tzv. teorie strun.

Expanze a singularita

Od roku 1929, kdy Edwin Hubble objevil expanzi Vesmíru, víme, že se vesmír rozpíná. V roce 1998 jsme se dozvěděli, že přibližně od poloviny existence Vesmíru je tato expanze zrychlená. Téměř okamžitě se nabízí úvaha: pokud se Vesmír rozpíná, dříve musel být hustší, teplejší a menší. Limitně dojdeme k tomu, že Vesmír musel mít počátek, kdy měl nekonečnou hustotu, teplotu a nacházel se v nulovém objemu. Taková úvaha má dvě základní vady. První je nulový objem. Dosud nevíme, zda má Vesmír objem konečný, či nekonečný. V druhém případě se Vesmír při expanzi nezvětšuje a dříve byl hustší a teplejší, nikoli však menší. Druhou vadou na kráse je počáteční singularita (nekonečná teplota a hustota). Extrapolaci zpět v čase nemůžeme provádět na základě našich znalostí gravitační interakceGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.. V extrémně hustých a horkých podmínkách počátku Vesmíru se nepochybně uplatňovaly i kvantové jevy, které „zabránily“ nekonečným hodnotám. Například Pauliho vylučovací principPauliho vylučovací princip – „Dva fermiony nemohou být nikdy ve stejném kvantovém stavu“. Právě proto různé elektrony v atomárním obalu zaujímají různé kvantové stavy a tím vytvářejí různorodé chování chemických prvků. pro fermionyFermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton a neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez. neumožňuje, aby tyto částice sdílely stejné kvantové stavyKvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů).. Na počátku měla vliv nejen gravitační interakce, kterou v současnosti dobře popisuje obecná teorie relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách., ale i elektřina a magnetizmusElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., silná interakceSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10⁻¹⁵ m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). a slabá interakceSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD)., které dobře popisují kvantové zákony. Můžeme tedy pouze extrapolovat, že díky probíhající expanzi musel být vesmír na počátku velmi horký a hustý, a nacházel se proto v plazmatickém skupenstvíPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství..

Po druhé světové válce se horkým a hustým původem vesmíru podrobně zabývali George Gamow, Ralph Alfpher a Robert Herman. Počítali, jak v provopočátečním plazmatu vznikaly první atomová jádra a jak se takový horký a hustý vesmír choval. Elektromagnetické záření bylo rozptylováno na volných elektronechElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. a neustále probíhal proces pohlcení a opětovného vyzáření. Počáteční vesmír byl pro elektromagnetický signál neprůhledný, ne nepodobně našemu SlunciSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium., které je tvořeno také neprůhledným plazmatem.

Autoři teorie Velkého třesku: George Gamow, Ralph Alpher a Robert Herman.

Teorie horkého původu světa měla značné množství odpůrců. Jedním z nich byl britský fyzik Fred Hoyle, který celou teorii v roce 1949 označil souslovím Big Bang – velké plácnutí, velký nesmysl. Negativně laděný název se ovšem ujal a dnes, kdy je horký původ světa nezpochybnitelný, je běžně používán pro plazmatickou éru našeho Vesmíru, která trvala přibližně 400 000 roků. Poté Vesmír ochladl natolik, že se plazma přeměnilo v neutrální plyn, elektrony se staly součástí atomárních obalů a elektromagnetické záření začalo vesmírným prostředím volně procházet. Toto záření uvolněné v závěru Velkého třesku dnes umíme zachytit a analyzovat – jde o tzv. reliktní zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí)., které je poselstvím z konce Velkého třesku.

Na sever a na jih

Standardní model Velkého třesku má ale v počátečním období některé problémy. Už jsme se zmínili o fyzikálně nesmyslné singularitě. Představme si nyní, že se zahledíme na noční oblohu a nějakým velmi dobrým přístrojem se budeme dívat na sever a poté na jih. Rozhodně nebudeme tuto úvahu dělat se směrem západním ani východním, kde je situace politicky značně nejistá. Ve vzdálenosti kolem 14 miliard světelných roků uvidíme struktury z konce Velkého třesku. Dál se v elektromagnetickém spektru nedostaneme, neboť je pro něj prostředí Velkého třesku neprůhledné. Obdobný obraz uvidíme v severním i v jižním směru. Dnes už v těchto oblastech dávno Velký třesk není a Vesmír tam pokračuje dál do oblastí, které nevidíme, neboť signál z nich neměl dostatek času, aby k nám dolétl. Musíme si uvědomit, že se díváme „do minulosti“. Dnes je tam Vesmír podobný tomu našemu a možná tam existují nějaké inteligentní bytosti, které se naopak dívají naším směrem a vidí konec Velkého třesku u nás.

Námi pozorované oblasti na severu a na jihu od sebe dělí vzdálenost přibližně 28 miliard světelných roků. Mezi těmito oblastmi nikdy nemohl prolétnout elektromagnetický signál, vesmír je starý necelých 14 miliard světelných roků. Tyto oblasti nejsou kauzálněKauzalita – příčinná souvislost. Pokud jsou dva děje v příčinné souvislosti (například zapálení rozbušky a exploze) musí ve všech souřadnicových soustavách nastat ve stejném pořadí. Kauzálně spojené děje jsou v takové vzdálenosti, že mezi nimi mohl proběhnout světelný signál. spojeny, nikdy spolu nemohly komunikovat. Přesto v nich vidíme obdobné struktury. Jak je to možné? Jak je možné, že Vesmír na severu je stejný jako Vesmír na jihu, aniž by se tyto oblasti mohly někdy v minulosti „domluvit“ – tedy komunikovat spolu? Takových kauzálně nespojených oblastí je v dnešním vesmíru obrovské množství. Hovoříme o tzv. problém horizontu. Fyzikové se snažili hledat mechanizmy, které by umožnily kauzálně nespojeným oblastem v minulosti nějak komunikovat. Tím by se vysvětlil fakt, že v různých směrech vidíme zhruba podobný obraz vesmírných struktur.

Na obrázku jsou zobrazeny světelné horizonty (vzdálenosti, do kterých světlo
doletí za dobu existence Vesmíru) pro Zemi a oblasti S a J.

Inflace a časová nula

Problém horizontu je jen jedním z více problémů standardního modelu. V roce 1979 ukázal Alan Guth, že by většinu z těchto problémů vyřešila inflační fázeInflace – prudké (exponenciální) zvětšení rozměrů raného vesmíru. Zpravidla se dává do souvislosti s oddělením silné interakce v čase 10⁻³⁵ s od hypotetické nuly dané zpětnou extrapolací expanze. V průběhu inflace dojde k zvýšení entropie faktorem 10⁹⁰ až 10¹²⁰ a k zvětšení rozměrů faktorem 10³⁰ až 10⁵⁰. Uvolněná energie je minimálně 10⁶⁰ GeV, způsobí opětovné ohřátí vesmíru a vznik stochastických reliktních gravitačních vln. Některé modely kladou inflaci do ještě ranějších fází vývoje vesmíru. Pokud ale inflace existovala, je ona samotná skutečnou časovou nulou, skutečným počátkem našeho vesmíru.. Pokud by v raném vesmíru existovalo krátké období prudké expanze, mohly se dnes kauzálněKauzalita – příčinná souvislost. Pokud jsou dva děje v příčinné souvislosti (například zapálení rozbušky a exploze) musí ve všech souřadnicových soustavách nastat ve stejném pořadí. Kauzálně spojené děje jsou v takové vzdálenosti, že mezi nimi mohl proběhnout světelný signál. nespojené oblasti „domluvit“ v období před inflací. Inflační model prošel mnoha modifikacemi, autory dnešního inflačního scénáře jsou Andrej Linde, Paul Steindhardt a Andreas Albrecht. Inflace se zpravidla klade do období 10^–35 sekundy, kdy se podle našich představ měla oddělovat silná interakce od ostatních. Tento fázový přechod by mohl mít za následek prudkou expanzi rozměrů, která trvala 10^–37 s a v průběhu níž expandovaly rozměry všech oblastí faktorem 10³⁰ až 10⁵⁰. Pokud byste si z předinflační látky uhnětli malé zrnko prachu, zvětšilo by se v průběhu inflace na velikost dnes pozorovatelného Vesmíru.

Nevíme, zda inflační fáze ve Vesmíru proběhla, či ne. Mnozí vědci by si ji přáli, neboť vyřeší řadu problémů standardního modelu. Přání ale k platnosti teorie samozřejmě nestačí. Pokud inflační fáze existovala, znamenala faktický počátek našeho Vesmíru. Časová nula v standardním modelu vznikla jako extrapolace dnes pozorované expanze do minulosti. Inflace ale znamená jakýsi fázový přechod. V průběhu inflace vznikal Vesmír, jak ho dnes vnímáme a známe. Před ní mohl existovat jiný Vesmír s jinými vlastnostmi, možná Vesmír plný kvantových fluktuací, jakési kvantové pěny. Nevíme, jak dlouho tato předvesmírná fáze mohla existovat a zda v ní měl pojem času vůbec nějaký smysl. Představa počáteční singularity je v inflačních modelech zbytečná.

Na obrázku jsou vyznačené dvě oblasti S (severní) a J (jižní), které dnes nejsou kauzálně spojené. Pokud existovala inflační fáze, mohly spolu tyto oblasti komunikovat před ní. Nula na časové stupnici je volena jako zpětná extrapolace poinflační expanze a je zřejmé, že nemá žádný podstatný význam.

Gravitační a hustotní vlny

Pokud inflační fáze existovala, měly by se jako její přímý důsledek Vesmírem šířit hustotní a gravitační vlny. Do gravitačních vln se vkládala velká naděje. Jejich zachycení by znamenalo nejen existenci inflační fáze, ale i možnost zkoumat samotný vznik Vesmíru. Přímý záchyt by měl být možný obřími interferometry. Projekt tří sond LISALISA – Laser Interferometry Satellite Antenna, společný projekt ESA a NASA tří sond obíhajících kolem Slunce. Jejich cílem mělo být interferometrické měření gravitačních vln. Ramena interferometru (vzájemná vzdálenost sond) měla být dlouhá pět milionů kilometrů. Realizace se postupně odsouvala, v roce 2011 NASA konstatovala, že projekt nemůže z finančních důvodů uskutečnit. ESA v projektu pokračovala pod názvem NGO (New Gravitational Observatory), v roce 2012 ale byla dána přednost jinému velkému projektu JUICE (mise k Jupiteru). Poté byl projekt vzkříšen pod názvem eLISA (evolved LISA) s rameny interferometru dlouhými „jen“ milion kilometrů. V roce 2017 se opětovně přepracovaný projekt dostal do výběru velkých (L3, Large) misí Evropské kosmické agentury pod původním názvem LISA. Finální délka ramen interferometru bude 2,5 milionu kilometrů. Start je plánován na rok 2034., které na sebe měly mířit laserovými paprsky a sledovat pohupování jednotlivých členů formace na gravitační vlně, byl bohužel z finančních důvodů zrušen. Ramena interferometru měla být vzdálená 5 milionů kilometrů a projekt by podle propočtů měl být dostatečně citlivý k zachycení reliktních gravitačních vln. Obdobný evropský projekt NGO (New Gravitational Observatory) počítá s rameny „jen“ milion kilometrů dlouhými, nicméně k zachycení těchto vln by také měl postačit. Jeho osud je ale nejistý.

Druhou možností je nepřímý záchyt otisku těchto reliktních gravitačních vln v polarizaci reliktního záření (viz AB 13/2014). Na počátku roku 2014 byl oznámen objev charakteristické polarizace reliktního záření, který by mohl odpovídat reliktním gravitačním vlnám. Objev byl učiněn na zařízení BICEP 2 a podrobně jsme ho rozebírali v AB 13/2014. Signál byl podezřele silný a nakonec se ukázalo, že jeho podstatná část je způsobena prachem z roviny naší Galaxie – Mléčné dráhy (viz AB 42/2014). Velký kosmologický objev se sice nekonal, ale za pomoci měření sondy Planck bylo alespoň podrobně zmapováno magnetické pole v rovině Mléčné dráhy.

Etapy života Vesmíru. Základ z Wikipedia/Yinweichen byl upraven, opraven, doplněn.

Závěr: Existoval Velký třesk?

Byl tedy Velký třesk? Záleží na tom, co tímto souslovím nazýváme. Pokud jím rozumíme počáteční singularitu, ze které se zrodil Vesmír, je vysoce pravděpodobné, že nic takového skutečně neexistovalo. Podle nám známých zákonů by kvantové jevy vzniku takové singularity zabránily. Pokud ale Velkým třeskem nazýváme počáteční horké (plazmatické) období, je to něco jiného. O této fázi Vesmíru máme řadu experimentálních důkazů. A nic na tom nezmění ani odvolání objevu otisku gravitačních vln na zařízení BICEP 2. Odvolání objevu neznamená, že by reliktní gravitační vlny nemohly existovat. Jak se předpokládalo, jsou velmi slabé. Možná je objevíme v rámci pečlivějších analýz nebo za pomoci citlivějších zařízení. A i kdyby se jednou ukázalo, že reliktní gravitační vlny opravdu neexistují, znamenalo by to neexistenci inflační fáze, nikoli neexistenci Velkého třesku, jakožto horkého počátečního období našeho Vesmíru.

Odkazy