Od mýtů o Stvoření ke kvantovému vesmíru IV

rubrika: Populárně naučný koutek


Předchozí část této série byla zakončena poznatkem, že krátce po velkém třesku musel proběhnout nějaký velmi zvláštní fyzikální mechanismus, který se může jevit v rozporu se známými fyzikálními zákony. Problém spočívá v tom, že žádná částice se nemůže pohybovat rychleji než světlo, a přesto se reliktní záření na protilehlých stranách horizontu "tváří", jako by se nacházelo v tepelné rovnováze, k čemuž mohlo dojít pouze tak, že se původně nacházelo v kauzálním kontaktu. Tato záhada bývá nazývána "problém horizontu", k němuž se také přidává "problém plochosti", tedy absence mechanismu, jenž by fyzikálně zajistil plochost prostorové geometrie.

Lucifer


Uniformita teploty reliktního záření nám říká, že náš vesmír se jevil být homogenním a plochým po většinu své historie, minimálně od doby čtyři sta tisíc let po velkém třesku. A dokonce i dávno předtím, když mu bylo jenom pár minut: v období takzvané primordiální nukleosyntézy, během níž fúzí protonů a neutronů vznikala lehká atomová jádra. Jenom plochý a homogenní kosmos mohl vytvořit lehká jádra v takovém poměru, jaký pozorujeme.

V roce 1981 přišel Alan Guth s novou radikální myšlenkou. Co když se čerstvě zrozený vesmír krátkou chvíli nesmírně rychle rozpínal, a to rychleji než světlo? Na první pohled to vypadá být v rozporu s teorií relativity, neboť hmota ani záření se opravdu nemohou pohybovat nadsvětelnou rychlostí. Ale sám prostor se nadsvětelnou rychlostí může zvětšovat. Žádný fyzikální zákon tomu nebrání. Rychlost světla je maximální rychlost, s jakou lze přenášet informace. Pro samotný prostor ale žádné takové omezení neplatí. Guthova myšlenka spočívala v tom, že sám prostor se hned na počátku času neuvěřitelně rychle všemi směry roztáhl. Aby v Guthově modelu vše dobře fungovalo, musela být taková expanze exponenciální. Odtud pochází název kosmologická inflace.

Co se stane, když nafoukneme pouťový balónek? Budeme-li se dívat zblízka jen na maličkou část jeho dvojrozměrného elastického povrchu, spatříme, jak se stává čím dál tím plošší. Představte si nyní jeho exponenciální zvětšení e60krát, což odpovídá expanzi předpokládané v obecném inflačním modelu vesmíru. Povrch balonu bude lokálně vypadat téměř úplně plochý. Exponenciálně rychlá expanze ale řeší i problém horizontu. Uvažme oblast, jež je dostatečně malá na to, aby v ní hmota a záření byly ve vzájemném kauzálním a tepelném kontaktu. Jestliže se tato oblast exponenciálně zvětší do obřích rozměrů, částice hmoty i záření nadále zůstanou v dosažené termodynamické rovnováze. Inflace umožňuje, aby celý námi pozorovaný Vesmír povstal z jediné takové nepatrné oblasti, a nadsvětelná expanze prostoru překonává omezení daná obvyklou kauzalitou, aniž by narušovala známé fyzikální zákony.

Jednoduché teorie s velkými vysvětlujícími schopnostmi mají vědci moc rádi. Ve filosofii hraje estetika a elegance teorií významnou roli přinejmenším tisíc let. Vilém z Ockhamu, přední scholastický filosof a františkánský mnich žijící v Anglii 14. století, asi jako první přišel s metodou, jak organizovat a třídit teorie, jež se snaží vysvětlovat různé aspekty reality. "Rozmanitost jsoucna by se neměla zmnožovat, pokud to není nezbytně nutné", napsal. Při rozhodování mezi konkurenčními teoriemi dnešní vědci často používají myšlenkový nástroj známý jako Ockhamova břitva: pakliže má daná třída jevů dvě možná vysvětlení, pak pravdivější je ta jednodušší z nich.

Ockhamova břitva je velmi účinný nástroj, ale sám o sobě nestačí. Bez ohledu na to, jak atraktivní a estetická se nám teorie zdá, rozhodující slovo vždy mají experimentálně zjištěná data. Jednoduchá teorie, jež se nám zdála správná, může při snaze objasnit nově zjištěná fakta a pozorování selhat. V takovém případě vědci buď přijdou s úplně novými teoriemi, nebo modifikují staré myšlenky, jež kdysi neprošly Ockhamovým testem úspornosti. Hledáme-li nové teorie, musíme mít neustále na paměti, že Ockhamova břitva je pouze selekční nástroj, který by neměl být používán k rozhodování o tom, zda je daná teorie pravdivá. Konečné slovo musí mít vždy příroda: jednodušší neznamená vždycky lepší. V rozporu s našimi estetickými touhami není krása vždy totožná s pravdivostí.

I přes svou schopnost vysvětlit řadu pozorovaných jevů není hypotéza kosmické inflace dosud plnoprávnou vědeckou teorií. Zatím ještě neznáme přesný fyzikální mechanismus, jenž mohl způsobit rychlou expanzi čerstvě zrozeného vesmíru. Základní myšlenka Einsteinovy obecné teorie relativity je, že hmota a energie říkají prostoročasu, jak se má zakřivit. Různé druhy hmoty vyvolávají různá zakřivení prostorové geometrie. V kosmologii však můžeme různé druhy hmoty a záření aproximovat jako specifický typ plynu. Výhodou je, že v takovém případě nám stačí popsat jenom dvě vlastnosti, jimiž je plyn charakterizován, totiž jeho tlak a jeho hustotu energie.

Pouťový balonek se při nafukování zvětšuje, protože molekuly plynu zevnitř narážejí na gumovou blánu, čímž ji napínají. Tento běžný druh tlaku je vždy kladný a je způsoben pohybem molekul. Čím rychleji se molekuly hýbou, tím je tlak větší. Hustota energie je množství energie v daném objemu. Protože užíváme relativistickou teorii, nesmíme zapomenout na žádný příspěvek k celkové energii: především ji tvoří vlastní hmotnost částic, dále je tu pohybová energie částic a potenciální energie, která je ukrytá v hmotě díky vzájemné interakci částic.

Ukazuje se, že všechny běžné druhy hmoty, ať už se pohybují velmi pomalu anebo velmi rychle, nebo záření, jež se pohybuje rychlostí světla, způsobují expanzi vesmíru, která je pomalejší než rychlost světla. Proto nemohou tvořit základ inflační kosmologie. Stejně jako když šlápneme v autě na brzdu, tyto běžné druhy hmoty vždy způsobují záporné zrychlení expanze. Abychom dostali nadsvětelnou expanzi vesmíru, potřebujeme opravdu zvláštní druh hmoty. Potřebuje hmotu, jež vytváří záporný tlak. Je-li záporný tlak dostatečně velký, může udělit vesmíru kladné zrychlení.

Na závěr této části je třeba podotknout, že menší tlak rozpíná prostor rychleji. Za toto zdánlivě podivné chování je zodpovědná obecná teorie relativity. Oproti běžné newtonovské fyzice, jež se k popisu vlivu hmoty a energie na zakřivení prostoru nedá použít, v obecné relativitě nejen energie, ale i tlak ovlivňují rychlost expanze. Vliv tlaku je přitom opačný, než nám říká intuice. Můžete si představit, že rovněž tlaku se dá přiřadit jistá "hmotnost", takže větší tlak (větší "hmotnost") zapříčiní pomalejší expanzi. Aby se vesmír rozpínal rychleji, musí být tlak co nejmenší. Inflace dovádí tyto úvahy až do samého extrému.

Zdroj: Marcelo Gleiser, Trhlina ve stvoření světa - Nová vize života v nedokonalém vesmíru

Již zde publikované články související s inflací:

Inflační model vesmíru (Skutečná vesmírná odysea)
Antigravitační velký třesk
Věčná inflace
Vesmír jako inflačně se nafukující balonek
Nekonečné ostrovy


komentářů: 2         



Komentáře (2)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_   

« strana 1 »

Lucifer
2
Lucifer * 24.10.2012, 20:09:37
Honzo, zítra to bude naznačeno a v posledním díle této série, který však asi pozítří nevyjde, to bude doraženo. Pak se k tomu možná ještě vyjádřím bez pomoci literatury, ale kdy, to ještě netuším. Mrkající

honza
1
honza 24.10.2012, 20:03:17
nu, a co je asi tak ta neznámá hmota, která umožňuje tu expansi ..... ta hmota, která jest 99,999999999999% Vesmíru?
hmmmm ... každý to ví ... odmalička ... jen to ne a ne vyslovit ...

«     1     »