Neviditelný čert

V závěrečné části této série přichází po malé oblasti podivnosti se skalárním polem na scénu velmi záhadná temná hmota a v jejím závěsu temná energie. Bizarní forma hmoty a ještě bizarnější forma energie, bez nichž se chování našeho vesmíru počínaje inflací a velkým třeskem zatím nedá vysvětlit. Tyto dvě fyzikální entity jsou však stále zahaleny tajemstvím.

Lucifer

Einstein v roce 1917 použil svou čerstvě dokončenou obecnou teorii relativity a přišel s prvním kosmologickým modelem. Tehdy ještě nebyla známa relevantní observační data, a tak použil Ockhamovu břitvu a prostě předpokládal, že vesmír je statický a sférický. S jistým váháním pak v roce 1931 tento názor opustil poté, co se dozvěděl o Hubbleově objevu vzdalování galaxií. Uznal, že vesmír statický být nemusí. Bůh mu byl pouhou abstrakcí, metaforou pro matematický řád přírody, jenž je přístupný lidskému intelektu.

Již po roce 1930 existovaly náznaky, že v kosmickém prostoru existuje neviditelná hmota. Na její přítomnost lze usuzovat z jejího gravitačního působení na pohyb hvězd a galaxií, tedy na obvyklou formu hmoty, ze které jsou složeny zářící objekty. Na počátku 70. let 20. století astronomové Vera Rubinová a W. K. Ford ukázali, že také uvnitř jedné galaxie se hvězdy pohybují způsobem, k jehož vysvětlení je nutné předpokládat existenci velkého množství neviditelné hmoty. Nejpřirozenějšími kandidáty na skrytou hmotu v galaxiích i mezi nimi byly zpočátku neviditelné objekty složené z obyčejné hmoty, zejména málo hmotné hvězdy, jež nezáří v důsledku termonukleární syntézy, či ohromná mračna chladného vodíku a těžších prvků. Také neutrina by teoreticky mohla přispívat. K velkému překvapení mnohých a k velkému potěšení mnoha dalších se ukázalo, že celá záležitost není vůbec tak jednoduchá.

Neviditelnou hmotu astronomové nazývají temná hmota. Překvapení nespočívalo ani tak v tom, že existuje, ale že se neskládá z obyčejné hmoty. Prostě není k dispozici tolik normálního materiálu, aby vysvětlilo pozorované rotační křivky galaxií i pohyby galaxií v kupách. Čím je tedy temná hmota tvořena? Tváří v tvář této záhadě se někteří fyzikové pokusili objasnit podivné chování galaxií nikoli temnou hmotou, ale naopak modifikací gravitační teorie. Podle této hypotézy funguje Einsteinova obecná teorie relativity na velkých vzdálenostech jinak, než jsme se zatím domnívali. Vědci přišli s řadou konkrétních nápadů, ale zatím žádný nepůsobí přesvědčivě.

V posledních třiceti letech byla předložena celá řada kandidátů na temnou hmotu. Malé černé díry, hvězdy složené z exotických materiálů, například bosonové hvězdy ze skalárních polí, nic z toho však zatím nebylo prokázáno. Nejpopulárnějšími kandidáty navíc nejsou tyto velké objekty hvězdných rozměrů, ale naopak subatomární částice, které neinteragují elektromagneticky (jsou elektricky neutrální) ani pomocí silné jaderné interakce: nejsou to tedy ani elektrony, ani protony, ani neutrony. Částice tohoto typu se vyskytují v teoretických rozšířeních standardního modelu, ale žádná dosud nebyla pozorována.

Přesvědčivé observační důkazy pro existenci nějakého druhu exotické temné hmoty ukazují, že náš vesmír je složený převážně z hmoty, která je odlišná od pozemské. Všechno to nejspíše začalo inflací. Tak jako vše ostatní i skalární pole, zodpovědné za inflační fázi expanze, v důsledku kvantových neurčitostí fluktuovalo. Kvantové hemžení přítomné v každé hmotě rozkomíhalo i skalární pole. Tyto nepatrné počáteční fluktuace skalárního pole se během inflační fáze nesmírně zvětšily a narostly do astronomických rozměrů. Z prvotních kvantových fluktuací se staly slapové vlny. Protože poli přísluší určitá hustota energie, soustředilo se v některých oblastech vesmíru velké množství energie. O stovky a tisíce let později tyto velké shluky skalárního pole gravitačním působením přitáhly částice temné hmoty, jež začaly obíhat kolem sebe v mohutných mračnech, v nichž se začaly shlukovat protony a elektrony, jež následně gravitací zkondenzovaly do prvních hvězd a galaxií. O pár miliard let později tento divoký tanec zrození a smrti vedl ke kolapsu i plynné mlhoviny, ze které se zformovalo naše Slunce a planetární soustava. Avšak ani temná hmota, jak se ukázalo, není tím nejdůležitějším druhem temnoty, do které se halí náš kosmos.

V roce 1988 zažila fyzikální a astronomická komunita cela nečekaný šok. Dvě nezávislé skupiny astronomů pozorovali supernovy galaxiích vzdálených miliardy světelných let, přičemž z měření rychlosti jejich vzdalování od nás dostaly naprosto nečekaný výsledek: vesmír se nejen rozpíná, ale dokonce svou expanzi zrychluje. Tak jako v ranném inflačním období, i dnes jakýsi druh záporného tlaku roztahuje předivo prázdného prostoru nadsvětelnou rychlostí a spolu s prostorem unáší i galaxie. Ještě pozoruhodnější je, že toto zrychlování expanze začalo před asi pěti miliardami let, což bylo potvrzeno jinými nezávislými pozorováními, zejména podrobným studiem reliktního mikrovlnného záření. Pachatel toho všeho dnes nese jméno temná energie. Slovo "energie" ho odlišuje od temné hmoty, která je nejspíše složena z lokalizovaných hmotných objektů, možná subatomárních a možná astrofyzikálních. Temná energie je naopak rozprostřena všude, je beztvará a homogenní, jako byl kdysi éter. Procházíme jí, sluneční soustava jí prochází, i celá galaxie jí prochází, jako by to byl pouhý duch. Jenom na největších vzdálenostech srovnatelných s rozměrem celého pozorovaného kosmu je přítomnost temné energie znatelná.

Někteří tvrdí, že temná energie je zvláštním druhem skalárního pole, které v aristotelovském duchu nazývají "kvintesence" neboli pátá esence. Jiní prohlašují, že tato éterovitá substance je ve skutečnosti důsledkem kvantových fluktuací geometrie prázdného prostoru. Je-li toto vysvětlení vycházející z neurčitostí kvantového světa správné, což je docela dobře možné, pak jevy na mikroskopické úrovni doslova předurčují osud celého kosmu. Avšak stejně jako v případě temné hmoty je možné i to, že naše dnešní teorie gravitace na vesmírných vzdálenostech selhává. V této chvíli není vůbec nic jisté, ale prováděná pozorování čím dál víc zužují prostor pro modely s kvintesencí. Vypadá to, že temná energie tvoří zhruba 73 % hmotného obsahu vesmíru. Zbytek je z temné hmoty (23 %) a našich skrovných protonů a elektronů (4 %). Šokujícím zjištěním moderní kosmologie taj je, že 96 % vesmíru kolem nás neznáme.

Doba temna je možná jenom předehrou nového věku zásadních objevů. Dříve či později záhadu temné hmoty a temné energie objasníme. Budoucí kosmologové bezpochyby budou s pobavením pohlížet na náš dnešní popis kosmu zaplněný temnými materiály, podobně jako my dnes přistupujeme ke geocentrickému systému Kolumbovy doby. Nyní žijeme ve zrychlujícím se vesmíru, jehož tři hlavní hmotné komponenty jsou pečlivě vyváženy tak, že vytvářejí plochou geometrii. Tato rovnováha je křehká jako špendlík stojící na špičce. Vypadá to, že v samém jádru inflaci stačí, aby se v mladém vesmíru vytvořila mladá oblast podivnosti s dostatkem energie a (záporným) tlakem. Ty pak vyvolaly zrychlenou expanzi. Původní motivace pro inflační teorii, totiž přítomnost skalárního pole zodpovědného za velké sjednocení, která měla vyvolat nadsvětelné roztažení prostoru, selhala. Neexistuje vůbec žádná přímá souvislost mezi inflací a sjednocením.

Dokonce i superstrunové teorie, původně zavedené jako možné schéma sjednocení všech částic a polí, dnes ztrácejí působivost a rozplývají se do bezbřehosti "superstrunové krajiny". V absurdně velkém počtu možných světů je možné cokoli, včetně našeho vesmíru, který se měl jako unikátní bublinka vynořit z kvantového multiverza se správným množstvím inflace, aby se stal plochým, se správným množstvím temné hmoty, umožňujícím zformování galaxií a zrod hvězd, a se správným množstvím temné energie, jež by pohánělo dnešní expanzi. I kdyby se nakonec ukázalo, že teorie superstrun jsou pro pochopení vesmíru klíčové a že dělají to, co se od nich zprvu očekávalo, nestanou se posledním výdobytkem vědeckého snažení.

Čím dál rychleji se dozvídáme, že neexistuje žádný velkolepý plán, žádný kosmický projekt, žádné všeobecné vysvětlení našeho vesmíru. Je tu, přestože by nemusel. Vesmír, jenž se vynořil z bublinky a shodou náhod dosahoval to správné složení nezbytné k tomu, aby okamžitě nezkolaboval v nicotu. Přežil a skrze interakce svých hmotných složek umožnil vznik struktur. Jejich narůstající složitost posléze vyústila v živé bytosti. Řád, který připisujeme přírodě, je řádem, který hledáme v nás samých. Svět je nádherný jenom proto, že o něm přemýšlíme.

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

Již zde publikované články související s temnou hmotou a temnou energií:

Temná hmota gravitačního čočkování
Kde se vzala temná hmota?
Temná energie

30.10.2012, 00:01:09   Publikoval Luciferkomentářů: 2