Mýty a fakta o vzniku vesmíru

O vzniku vesmíru mohly dřívější generace pouze spekulovat. Teprve moderní věda nám ve 20. století dala nástroje, díky kterým ohromným způsobem pokročilo naše poznání, jak vesmír vzniknul a jak se vyvinul do stavu, v jakém jej vidíme dnes. Teorie velkého třesku se zařadila mezi největší úspěchy vědy, zároveň o ní však koluje spousta mýtů a omylů.

Celý příběh začal pozorováním Edwina Hubbla, který zjistil, že galaxie se od sebe vzdalují. Od toho už byl jenom krůček k úvaze, že vesmír vzniknul v hustém a horkém stavu při obrovské explozi. Velký třesk však měl své problémy, což naznačovalo, že naše představa o vzniku vesmíru je neúplná, že nám něco uniká. To něco byla kosmická inflace. Z inflační teorie vyplynulo, že v první fázi velkého třesku prošel vesmír obdobím zrychlené expanze. Zajímavé na tom je, že gravitace během této krátké doby působila nikoli přitažlivou sílou, jak jsme zvyklí, ale právě naopak - silou odpudivou. To způsobilo "rozfouknutí" vesmíru obrovskou rychlostí. Fyzik Alexandr Vilenkin z Kosmologického institutu Tuftsovy univerzity ve své výborné knize "Mnoho světů v jednom" píše, že inflace stále probíhá a bude probíhat navěky. Zatímco tedy v naši části vesmíru období rychlého inflačního rozpínání již dávno přestalo, v jiných částech vesmíru stále probíhá, přičemž vznikají ostrovní vesmíry jako je ten náš. To, co vidíme při pohledu našimi teleskopy, je tak jenom malinký zlomek celého vesmíru, jehož velikost je zcela mimo lidskou představivost. Vilenkin píše:

"V určitém ohledu se teorie inflace podobá Darwinově evoluční teorii. Obě totiž nabídly vysvětlení něčeho, o čem si předtím všichni mysleli, že vysvětlit nejde. Říše vědeckého bádání se tak zásadně rozšířila. V obou případech bylo vysvětlení velice přesvědčivé a nikdy se nedočkalo žádné přijatelné alternativy."

Lidé si často představují velký třesk jako jakýsi výbuch. Taková představa je ale hrubě zavádějící. Při výbuchu jednotlivé částice hmoty od sebe letí pryč. Při velkém třesku byla ale expanze vesmíru ve skutečnosti způsobena rozpínáním samotného prostoru. To, že se od sebe galaxie vzájemně vzdalují, není tím, že by od sebe letěly pryč, ale že se prostor mezi nimi natahuje. Něco takového se těžko představuje. V měřítku naši běžné zkušenosti je prostor statický - když mám místnost 2x3 metry, očekávám, že když se do ní zítra vrátím, bude mít stále stejné rozměry. Když však změníme měřítko na kosmické vzdálenosti, vidíme, že prostor statický není, může se natahovat jako guma. Znamená to, že současně s tím se rozpíná i naše planeta, naše měřící přístroje i my sami? Nikoliv - gravitace působí proti rozpínání prostoru. K rozpínání dochází v prázdném prostoru mezi galaxiemi, kde je vliv gravitace minimální. Za zmínku také stojí, že expanze vesmíru může být rychlejší než světlo. Většina lidí asi zná poučku, že nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo. Toto omezení však pro rozpínání prostoru neplatí. Díky tomu se galaxie mohou od nás vzdalovat nadsvětelnou rychlostí a jednoho dne zmizí mimo náš horizont. V tom okamžiku budou pro nás již navždy ztracené. Vědci předpokládají, že v daleké budoucnosti postupně všechny galaxie zmizí za horizontem a na noční obloze tak uvidíme pouze naši vlastní galaxii.

Když pomineme samotné rozpínání vesmíru, máme nějaké důkazy, že k velkému třesku skutečně došlo? Mezi indikátory, které umožňují vědcům zjistit, jestli je nějaká teorie pravdivá, jsou její předpovědi. Pokud vědci na základě teorie předpoví jevy, které se pak podaří opravdu objevit, pak je to důvod teorii věřit. Velký třesk splnil celou řadu přesných předpovědí, jak píše Alexander Vilenkin:

"Moderní analýzy - založené na nejnovějších poznatcích o jaderných reakcích a podpořené simulacemi na výkonných počítačích - podávají přesné hodnoty zastoupení prvků zrozených v kosmickém kotli. Tyto výpočty jsou v působivé shodě s astronomickými pozorováními. Chemická složení vzdálených objektů mohou astronomové zkoumat pomocí spekter jejich světla. Jasnou předpovědí, která plyne z teorie žhavého velkého třesku, je, že žádná galaxie by neměla obsahovat méně než 23% hélia: helium vzniklé ve hvězdách může prvotní podíl hélia pouze zvýšit. A skutečně astronomové žádnou takovou galaxii nenalezli. Předpovědené relativní zastoupení deuteria je trochu nižší než 1 : 10 000 a lithia méně než 1 : 1 000 000 000. Je opravdu pozoruhodné, že tato velice rozdílná čísla jsou potvrzována pozorováním. Můžete si pomyslet, že 23% helia byl jen šťastný odhad, ale pravděpodobnost, že i všechna ostatní čísla byla uhádnuta náhodou, je extrémně nízká."

Mezi další splněné předpovědi patří i existence reliktního záření, což je zbytkové záření po velkém třesku. To bylo důkladně zmapováno sondou COBE a posléze i přesnějším měřením sondou WMAP. Díky WMAP  se podařila takřka neskutečná věc:  sestavit obraz či mapu vesmíru, jak vypadal před téměř 14 miliardami let, přesněji nějakých 300 tisíc let po velkém třesku.

Snímek sondy WMAP, světlá místa ukazují zárodky budoucích galaxií, zdroj NASA

Někteří lidé odmítají věřit teorii velkého třesku, protože podle nich výbuchem nemůže nic užitečného vzniknout. Na snímku z WMAP ale vidíme, jak z počátečního nepravidelného rozložení hmoty vznikly jakési hrudky, na které se vlivem gravitace nabalovala další hmota. Vznik hvězd a galaxií byl tedy v podstatě jen přirozený důsledek působení gravitace na hmotu. Žádná velká věda.

O příčině všech věcí

Podle středověkého křesťanského teologa Tomáše Akvinského vše má svou příčinu. Má existence je zapříčiněná, existence naší planety je zapříčiněná, kdybychom takhle postupovali zpátky v čase dojdeme až k velkému třesku, který podle Akvinského logiky také musí mít nějakou příčinu. A tou prvotní příčinou všech věcí musí být Bůh. Přemýšlivějšího čtenáře možná napadne nesmělá otázka: A co je příčinou Boha? Následuje neméně nesmělá odpověd: Bůh je Bůh, ten prostě příčinu nepotřebuje.

Kdyby Tomáš Akvinský znal moderní kvantovou fyziku, asi by se do formulace výše uvedeného "důkazu" Boží existence nepouštěl. Jak píše Vilenkin:

"V klasické fyzice kauzalita diktuje,co se děje od jednoho okamžiku k druhému, zato v kvantové mechanice je chování fyzikálních objektů v zásadě nepředvídatelné a některé kvantové procesy vůbec žádnou příčinu nemají. Vezměte si například radioaktivní atom. Pro něj existuje určitá pravděpodobnost rozpadu, která je minutu od minuty stejná. Nakonec se atom sice rozpadne, ale nebude nic , co by v onen konkrétní okamžik rozpad zapříčinilo. "Vybublání" vesmíru je rovněž kvantovým procesem, který si nežádá příčiny. Většina našich pojmů je zakořeněna v prostoru a času a není lehké si vesmír vybublávající z ničeho představit. Nemůžete si představit, že sedíte v "ničem" a čekáte, až se vesmír zhmotní - protože žádný prostor, kde byste seděli, není a neexistuje ani čas."

Kde se ale vzala všechna ta hmota a energie, jak je možné, že z ničeho vzniklo něco? A neporušuje vlastně velký třesk zákon zachovaní energie? I na to už má dnešní věda odpověď a to velice rafinovanou:  Gravitační energie má totiž opačné znaménko, na rozdíl od energie hmoty. Můžeme tedy říct, že gravitace je "záporná" energie. A když sečtete energii hmoty a gravitační energii, výjde vám, že celková energie vesmíru je nulová. K žádnému porušení zákona zachovaní energie tedy nedošlo a není ani nutný žádný nadpřirozený zásah k vysvětlení vzniku našeho vesmíru. Jak řekl fyzik Lawrence Krauss, na vesmíru s nulovou celkovou energii je krásné to, že je to jediný typ vesmíru, který může vzniknout z ničeho. A proč existuje něco a ne nic? "Protože "nic" je nestabilní," říká Krauss.

Pokud stále pochybujete, že by "něco" vzniklo jen tak z ničeho, pak vězte, že ve vakuu neustále vznikají a zanikají takzvané virtuální částice. Ty si na krátkou chvíli "vypůjčí" energii na svou existenci z vakua, tedy dalo by se říct z ničeho.  Jak píše český fyzik Vladimir Wagner "Důsledkem Heisenbergova principu (neurčitosti) je, že se na mikroúrovni může narušovat zákon zachování energie, a to takovým způsobem, že součin velikosti tohoto narušení a doby po kterou trvá je menší než Planckova konstanta." Přičemž platí, že čím více energii si virtuální částice vypůjčí, tím rychleji pak zase zanikne. Vesmír jehož celková energie je nulová, může tedy podle této logiky existovat věčně.

Virtuální částice přitom nejsou jen nějakým teoretickým konstruktem vědců, jejich existence má zcela hmatatelné efekty. Jedním z nich je takzvaný Casimirův jev, který se projevuje, když dáte velmi blízko sebe dvě vodivé nenabité desky. Mezi těmito deskami i mimo ně vznikají virtuální částice, protože však mimo desky jich vzniká více, než mezi nimi, výsledkem je tlak zvenku dovnitř, desky jsou tedy přitahovány k sobě a tento efekt můžeme měřit a pozorovat.

Ilustrace Casimirova efektu, zdroj: Wikipedia

Vyladěný vesmír?

Britský astrofyzik Martin Rees ve své knize Pouhých šest čísel upozornil na zajímavý fakt, že fyzikální konstanty se zdají být velice přesně vyladěny tak, aby umožňovaly existenci života.

Vezměme si třeba gravitaci - kdyby byla jenom o trochu silnější, hvězdy by nebyly tak velké a vyhořely by mnohem rychleji, takže by se inteligentní život nestihnul vyvinout. Podobně pro život neblahé důsledky by měly změny i u síly slabé a silné jaderné interakce či změna hmotnosti elementárních částic. Celkem se podle Vilenkina jedná o 25 nastavitelných konstant, jejichž hodnoty musí být velké "tak akorát". A ony tak akorát jsou. Jak je ale možné, že z tohoto obrovského množství parametrů, jaké by vesmír mohl mít, má zrovna ty správné, které podporují vznik života?

Především je třeba říct, že není vůbec jasné, jaké hodnoty vesmír mít může. Je klidně možné, že hodnoty těchto konstant mohou být spolu vzájemně svázané, takže když pohnete jedním číslem, změní se i ty další. Fyzik Victor Stenger navíc ukázal pomoci počítačové simulace, že i s náhodně zvolenými parametry různých fyzikálních konstant by více než polovina vesmírů umožňovala existenci hvězd po dobu alespoň miliardy let. Tedy dost času na to, aby v nich mohl vzniknout život. Navíc je možné, že mimo náš vesmír existuje nespočet dalších vesmírů, každý s různě nastavenými fyzikálními zákony. V jakém z těchto vesmírů byste očekávali, že budete žít? Samozřejmě v tom, který umožňuje existenci života. Ve vesmírech  s nevhodnými fyzikálními zákony nežije nikdo, kdo by si mohl stěžovat, jak je vesmír špatně vyladěný.

Naše současné poznání vzniku vesmíru ještě zdaleka není úplné, zůstává mnoho nevyřešených otázek. Například co je to vlastně prostor? Co je to čas? Ačkoliv se takové otázky mohou zdát triviální, jsou to otázky, nad kterými si současní fyzikové zatím marně lámou hlavu. Z vlastností prostoru a času vědci usuzují, že se nejedná o fundamentální koncepty. Zkrátka, prostor a čas jsou patrně složeny z nějakých základnějších součástí. Tak jako vůně květiny se vynořuje z vlastností velkého shluku atomů, tak i prostor a čas se vynořují z vlastností nějaké základnější látky, o které zatím nikdo netuší, co by mohla být. Jak přesně se to stalo, že z jakési kvantové fluktuace v okamžiku velkého třesku se objevil prostor, čas a hmota? V současnosti probíhá celá řada zajímavých experimentů, například v obřím urychlovači LHC, které by měly naše chápání vesmíru dále prohloubit. Už teď je ale jasné, že vesmír je mnohem více fascinující místo, než koho by kdy napadlo.