Vesmír z ničeho

Teorie relativity změnila naše chápání prostoru a času

Po staletí se mělo za to, že Newtonova teorie gravitace je dostačující pro vysvětlení pohybu veškeré hmoty v našem vesmíru. Na počátku 20. století však Einstein zveřejnil svou teorii relativity, kterou vysvětlil dříve z pohledu gravitace zvláštní chování velmi velkých a velmi vzdálených objektů. Tato teorie (tvořená speciální a obecnou teorií relativity) způsobila převrat ve fyzice a umožnila kosmologům zkoumat a chápat náš vesmír zcela novým způsobem.

Speciální teorie relativity je Einsteinova teorie o struktuře časoprostoru. Stanovila, že prostor a čas nejsou diskrétní entity, ale jsou vzájemně propojeny, takže rychlost, kterou plyne čas, je relativní vůči rychlosti, kterou se pohybuje objekt. Teorie také postuluje, že nic se nemůže pohybovat rychleji než rychlostí světla.

Speciální teorie relativity také prokázala, že hmota se může měnit v energii a naopak, jak popisuje známá rovnice E=mc².

Obecná relativita je Einsteinova teorie gravitace, která ukázala, že hmotné objekty deformují časoprostor. Stejně jako se zakřiví velmi tenká gumová podložka, když na ni položíme kuličku, těžké objekty způsobují zakřivení časoprostoru. Čím je objekt větší, tím více se gumová podložka (nebo časoprostor) kolem něj zakřivuje a tím více přitahuje okolní objekty.

Toto zakřivení časoprostoru potvrzuje jev zvaný gravitační čočkování: když se světlo pohybuje v blízkosti hmotného objektu, například černé díry, může časoprostorové „údolí“ vytvořené objektem ohýbat světlo, které se nachází v okolí daného objektu. Astronomové tuto metodu používají ke studiu hvězd a galaxií, které se nachází za masivními objekty.

Vesmír se rozpíná stále rychleji

Až donedávna byl vesmír považován za statický a věčný, s naší galaxií v jeho středu. Toto vnímání se změnilo, když fyzik George Lemaitre prokázal, že Einsteinova obecná teorie relativity předpovídá vesmír, který není statický a rozpíná se. Tato myšlenka mnoho lidí pobouřila, Sám Einstein se proti ní ve svém slavném výroku ohradil a řekl: „Vaše matematika je správná, ale vaše fyzika je odporná.“ Lemaitrova teorie byla prokázána následným empirickým pozorováním.

Důkaz správnosti této teorie se podařilo získat, když americký astronaut Vest Slipher pozoroval velmi jasné hvězdy ve vzdálených galaxiích, přesněji řečeno barvu světla, které vyzařovaly. Slipher věděl, že světelné vlny ze zdroje, který se od pozorovatele vzdaluje, se prodlouží (tzv. Dopplerův jev), a proto se jeví červenější, protože červená barva je typická pro dlouhé vlny. Stejný efekt lze pozorovat, když se od vás vzdaluje sanitka: zvukové vlny, které vydává její siréna, se prodlouží, a proto není jejich tón tak vysoký.

Pozorováním a měřením míry zčervenání (tzv. červeného posuvu) vzdálených hvězd Slipher odvodil, že většina objektů v jiných galaxiích se od nás vzdaluje, což dokazuje, že vesmír se skutečně rozpíná, jak předpověděla Lemaitrova teorie.

Další průlom v pochopení podstaty tohoto rozpínání nastal v roce 1929, kdy Edwin Hubble prokázal, že čím dále od nás galaxie leží, tím rychleji se vzdaluje. Tento objev, známý jako Hubbleův zákon, znamená, že se vesmír nejen rovnoměrně rozpíná, ale že se rozpínání zrychluje, a musí ho tedy způsobovat nějaká síla.

Věda potvrzuje, že na počátku vesmíru stál velký třesk

Zjištění, že vesmír není statický, ale naopak se rozpíná, znamená, že vesmír vznikl v jediném okamžiku v minulosti, v okamžiku tzv. velkého třesku. Vědecké důkazy jsou v souladu s touto teorií.

Jedním z těchto důkazů je pohyb galaxií. Pokud vezmeme v úvahu místa, kde se nyní nacházejí, a jejich dráhy a rychlosti, zjistíme, že v určité fázi byly všechny ve stejnou dobu na stejném místě. Přibližně před 13,72 miliardami let byl celý pozorovatelný vesmír zhuštěn do jediného bodu.

Důkazem mohou být i atomy, které tvoří náš vesmír. V naší teoretické představě velkého třesku byla veškerá hmota ve vesmíru soustředěna do neuvěřitelně horkého hustého plazmatu. Jak se vesmír ochlazoval, protony a neutrony v plazmatu začaly vytvářet jádra atomů. Simulací těchto podmínek můžeme předpovědět, jaké atomy by při tomto procesu vznikly. Ukázalo se, že naše předpověď, že ve vesmíru by v tomto případě byly hojně zastoupeny nejlehčí prvky (vodík, hélium a lithium) přesně odpovídá jejich pozorovanému množství, což je silný důkaz potvrzující naše chápání velkého třesku.

Na základě pohybu hvězd, množství lehkých prvků a dalších důkazů tak vytváří moderní věda konzistentní obraz vesmíru, který má počátek v jediném horkém bodě a od té doby se z tohoto bodu rozpíná.

Teorie plochého vesmíru

Vesmír se rozpíná, ale gravitace zároveň působí proti tomuto rozpínání. Proto jednou z klíčových otázek, kterou si kosmologové kladou, je, zda gravitační síla bude v dlouhodobém horizontu dostatečně silná na to, aby rozpínání zvrátila.

Odpověď na tuto otázku určuje podobu a osud vesmíru:

Pokud bude silnější gravitace, pak časem nastane velký křach (přesný opak velkého třesku). To znamená takzvaný uzavřený vesmír.

Pokud bude větší expanzní síla, znamená to otevřený vesmír, který se bude rozpínat donekonečna, a to jak z hlediska prostoru, tak i času.

Nebo je zde ještě třetí možnost. Pokud jsou síly vyrovnané, pak se rozpínání bude postupně zpomalovat, aniž by se někdy zcela zastavilo, což znamená plochý vesmír.

Vědci určili, že správná je třetí možnost – plochý vesmír. Celková energie vesmíru se v tomto případě rovná nule (protože gravitace a expanzní síla se vzájemně vyruší).

Fyzikové již dlouho na základě matematických výpočtů předpovídali, že tomu tak je, ale jako vždy bylo třeba pozorování, aby se zjistilo, zda je tato teorie správná.

Nejlepší důkaz o plochém vesmíru přinesla studie kosmického mikrovlnného záření pozadí (CMBR) v roce 2003. CMBR je pozůstatek velkého třesku. Rozložení tohoto záření nám poskytuje obraz velmi mladého vesmíru, z něhož vznikly galaxie, které vidíme dnes. Měření CMBR byla porovnána s matematickými modely toho, jak by měly vypadat kupy galaxií v případě uzavřeného, otevřeného a plochého vesmíru. Měření přesně odpovídala modelu vesmíru plochého a ukázala, že rozpínání vesmíru se nakonec zpomalí, aniž by se kdy zcela zastavilo.

Ve vesmíru převažují temná hmota a temná energie

Dlouhou dobu se kosmologové domnívali, že vesmír je tvořen viditelnou hmotou, jako jsou hvězdy a planety. Nedávná vědecká pozorování však odhalila, že většina hmoty vesmíru je ve skutečnosti neviditelná a existuje v prázdném prostoru („v ničem“). Fyzikové tento jev označili jako temnou hmotu.

Vědci zjistili, že kromě této neviditelné hmoty prázdný prostor ukrývá také neviditelnou „temnou“ energii. Tento objev vycházel ze skutečnosti, že rozpínání vesmíru se zrychluje, a proto ho musí něco pohánět. Jediným logickým vysvětlením bylo, že prázdný prostor je plný jakési energie, která působí jako hnací síla. Původ veškeré této temné energie však stále zůstává záhadou.

Stejně jako je neviditelná většina energie ve vesmíru, zdá se, že je neviditelná i většina jeho hmoty. Díky měření rychlosti rotace naší galaxie si kosmologové uvědomili, že jediným způsobem, jak vysvětlit její pohyb, je, že v naší galaxii existuje podstatně více hmoty, než kolik jí můžeme vidět.

Dále chtěli vědci zjistit, zda se temná hmota nachází také v rozsáhlých prázdných prostorech mezi galaxiemi. Zkoumáním toho, jak se světlo ohýbá, když překonává tyto vzdálenosti, usoudili, že na něj něco působí svou gravitační silou: temná hmota. Zjistili, že temná hmota tvoří ve skutečnosti více než 90 % hmotnosti vesmíru.

Dalším překvapivým důsledkem této skutečnosti je, že ve vesmíru jednoduše není dostatek protonů a neutronů, aby tvořily takové množství temné hmoty, což znamená, že ve vesmíru musí existovat dosud neobjevený druh elementárních částic!

Prostor, který vnímáme jako prázdný, je ve skutečnosti plný antičástic

Vývoj v oblasti částicové fyziky ukázal, že na extrémně malých subatomárních úrovních je to, co vnímáme jako prázdný prostor, ve skutečnosti změť virtuálních částic: částic, které neustále vznikají a zanikají dříve, než je možné je zachytit.

Proč jsou virtuální částice tak pomíjivé? Důvodem jsou antičástice.

V roce 1928 přišel fyzik Paul Dirac s teorií, která počítala s existenci částic identických s elektrony, ale s opačným elektrickým nábojem. O dva roky později experimentátoři zkoumající kosmické záření objevili důkazy o existenci takových částic a nazvali je pozitrony. Nyní pozitron nazýváme antičásticí elektronu a zjistili jsme, že podobné antičástice existují téměř pro všechny elementární částice v přírodě: protony mají antiprotony, neutrony mají antineutrony atd.

Když se částice a antičástice setkají, zaniknou a vzniká čisté záření. Celý proces probíhá tak rychle, že vědci antičástice nemohou přímo zachytit, takže se jeví jako „nic“. Tyto spontánně vzniklé páry částice a antičástice se nazývají virtuální částice.

Virtuální částice tvoří asi 90 % hmoty vesmíru. Hmota se skládá z atomů, atomy se skládají z protonů a neutronů a protony jsou tvořeny malými kvarky, které se rychle pohybují v prázdném prostoru. Když však změříme hmotnost protonu, zjistíme, že většina hmotnosti není v samotných kvarcích, ale v „prázdném“ prostoru mezi nimi. Protože se skládáte z protonů a neutronů, „prázdný prostor“ je zodpovědný za 90 % vaší hmotnosti a totéž platí pro hmotnost vesmíru.

Inflační teorie vzniku vesmíru

Kosmologové se dnes domnívají, že vesmír vznikl inflací: obdobím rychlého rozpínání, ke kterému došlo v prvních sekundách po velkém třesku. Přesná příčina inflace není dosud známa, ale v podstatě se malá oblast prostoru exponenciálně rozpínala a rychle se zvětšila natolik, že dnes zahrnuje náš vesmír.

Jak se vesmír rozpínal, rostlo množství prázdného prostoru v něm, což znamená, že rostlo i množství temné energie obsažené v prázdném prostoru. Když inflace skončila, část této energie se proměnila ve hmotu, přesně v duchu Einsteinovy myšlenky, že energie a hmota se mohou měnit jedna v druhou: E=mc².

Jak tedy z prázdného prostoru vznikla hmota? Ze zákonů kvantové mechaniky vyplývá, že na subatomárních úrovních je prázdný prostor směsicí virtuálních částic. Páry částic a antičástic vznikají a zanikají a občas dochází ke chvilkovému nerovnovážnému stavu, takzvaným kvantovým fluktuacím.

Na počátku vesmíru došlo k fluktuaci ve prospěch částic oproti antičásticím. Inflace vesmíru z této dočasné situace, která by jinak byla příliš krátká na to, aby měla nějaký význam, učinila situaci trvalou a fluktuace se rozšířila. Proto byla na některých místech energie „prázdného“ prostoru zachycena v podobě částic – stala se hmotou.

Tato hmota, nyní rozptýlená v rozsáhlém vesmíru, začala působit svou gravitační silou na jinou hmotu a vytvářet shluky, které nakonec vytvořily galaxie a kupy galaxií, které vidíme dnes.

Proto jsme my a vše, co ve vesmíru vidíme, výsledkem kvantových fluktuací, které se odehrály v tom, co na počátku času bylo v podstatě nicotou.

V daleké budoucnosti nebudeme schopni vidět jiné galaxie

Když kosmologové zkoumají vznik a osud vesmíru, zakládají všechny své teorie na hvězdách a galaxiích, které mohou vidět: na pozorovatelném vesmíru.

Ve skutečnosti však existuje nespočet dalších galaxií, které nemohou pozorovat, protože světlo z nich k nám nedorazilo a nikdy nedorazí.

Dokonce ani galaxie, které dnes můžeme pozorovat, nebudou kvůli rozpínání vesmíru viditelné navždy. Abychom toto rozpínání lépe pochopili, představme si, že galaxie jsou body na povrchu balónku, který se nafukuje, a temná energie je vzduch uvnitř, který vše tlačí dál a dál od sebe.

Náš pozorovatelný vesmír je na prahu rozpínání tak rychlého, že s ním nebude schopno držet krok ani světlo. Vzdálenost mezi galaxiemi se nakonec bude zvětšovat rychleji, než se mezi nimi může pohybovat světlo. To znamená, že galaxie, které nyní vidíme, se od nás budou v budoucnu vzdalovat rychleji, než k nám bude moci dorazit světlo z nich, a stanou se pro nás neviditelnými.

Jakmile k tomu dojde, lidé na Zemi již nebudou schopni detekovat vzdálené hvězdy, které nám poskytly důkazy pro naše chápání plochého rozpínajícího se vesmíru. Všechny pozorovatelné důkazy o jeho vzniku a geometrii zmizí. Ve skutečnosti neuvidíme žádné důkazy o velkém třesku, o existenci temné hmoty a temné energie, dokonce ani o tom, že se vesmír rozpíná.

Fyzikové pozorující vesmír biliony let v budoucnosti budou vidět vesmír stejně jako lidstvo před Einsteinem: věčný a statický. Jediná významná věc v něm pro ně bude naše galaxie. Budou se mýlit, ale nebudou mít možnost to poznat.

Chápaní vesmíru v teologii a vědě

Po tisíciletí lidé hledali ve vědě a náboženství vysvětlení původu vesmíru.

Zatímco věda požaduje po svých teoriích, aby odpovídaly reálným důkazům, náboženství lidi nabádá, aby iracionálně přizpůsobovali své chápání vesmíru víře. Katolická církev například tvrdila, že Země je středem vesmíru ještě dlouho poté, co Koperník zjistil, že tomu tak být nemůže, a i dnes mnoho křesťanů tvrdí, že svět je starý pouze 6 000 let, přestože drtivé množství důkazů svědčí o opaku.

Pokud jde o vznik vesmíru, neexistují žádné důkazy, které by podporovaly teologická vysvětlení: žádný důkaz o božské inteligenci nebo o tom, že vesmír stvořila právě ona.

Krása vědy spočívá v tom, že netvrdí, že zná odpovědi ještě dříve, než si položí otázky. Proto se vědci na rozdíl od teologů obvykle ptají spíše „jak?“ než „proč?“. „Proč“ předpokládá záměr nebo úmysl, zatímco „jak“ analyzuje podmínky, které vyvolaly určitý jev. Například teolog se může ptát: „Proč vznikl vesmír?“ a pokoušet se na tuto otázku odpovědět na základě výkladu svého konkrétního náboženství, zatímco vědec se může ptát: „Jak vznikl vesmír?“ a pak tuto otázku zkoumat na základě pozorovatelného světa.

Na rozdíl od otázek „proč?“ přinášejí otázky „jak?“ nové poznatky a pomáhají nám porozumět vesmíru.

Konečnou odpověď na otázku, jak vznikl vesmír, nepřinesou spekulace, zjevení ani slepá víra. Získáme ji, pokud vůbec někdy, na základě zkoumání přírody.