Neviditelný čert

Po pojednání o horkém vesmíru dnes přicházím s vesmírem turbulentním. Tenhle model vesmíru je velmi zajímavý a dotýká se jednoho klasického fyzikálního problému, jenž se v samotné podstatě nepotýká ani s teorií relativity, ani s kvantovou mechanikou, a přesto je dodnes stále matematicky neuchopitelný. S turbulencí v kapalinách či plynech se setkáváte téměř na každém rohu, a když se podíváte moderními astronomickými přístroji do vesmíru, tak vám nemůže uniknout, že i on musí být nějak turbulentní. A tak není divu, že se mezi kosmology vynořila myšlenka vysvětlit všechny ty rotující a zploštělé spirální a eliptické galaxie na základě turbulentního modelu vesmíru. Tento model se nakonec ukázal nerealistický, ale něco v těch vesmírných turbulencích je přesto asi ukryto.

Lucifer

Až na několik výjimek se raný výzkum vesmírů vynořujících se z Einsteinovy teorie omezoval jen na ty hladké, pravidelné a rozpínající se ve všech směrech touž rychlostí. Taková diskriminace byla v souladu s astronomickými pozorováními. Nebyly totiž pozorovány žádné známky rozdílů v rychlosti expanze v různých směrech a rozmístění pozorovaných galaxií se zdálo náhodné po celém nebi, nenacházely se výrazné odchylky od průměru. Tomu tak bylo až do sedmdesátých let minulého století; tehdy se začalo pracovat s fotometrickými detektory založenými na CCD technologiích. S tímto vybavením bylo možné měřit velmi rychle. Detailně se zmapovaly polohy mnoha galaxií a z jejich rudých posuvů bylo možné usuzovat na jejich vzdálenost, takže vznikla velká trojrozměrná zobrazení jejich rozložení. Výsledné trojrozměrné hvězdné mapy byly velkým překvapením. Odhalily, že dosavadní představy založené na projekcích kosmických objektů na dvojrozměrnou nebeskou sféru byly v mnohém mylné a nedávaly jasnou představu o bohatství a jemných detailech kosmické „sítě“ galaxií.

Předpoklady o vysoké symetrii a hladkosti vesmíru byly velkým zjednodušením, díky němuž se dařilo Einsteinovy rovnice snadno řešit. Bylo třeba vydat se cestou realističtějšího popisu vesmíru – reálný vesmír přece obsahuje galaxie a jiné nepravidelnosti v rozložení hmoty. Jak tyto nepravidelnosti vznikly? Proč nabyly takových tvarů a rozměrů, jaké dnes pozorujeme? Nad původem galaxií se jako první zamýšlel Lemaître a Lifšicův článek o stabilitě rozpínajícího se vesmíru s malými odchylkami od dokonalé homogenity podal důležité vysvětlení, proč vesmír obsahuje tolik „kousků“ materiálu ve formě hvězd a galaxií, který je založený na procesu gravitační nestability s tím, že expanze zpomaluje rychlost narůstání nehomogenit. Kupení materiálu musí převážit nad obecným trendem expanze, která se snaží vznikající aglomerace rozptýlit, takže není divu, že proces probíhá pomaleji, než jak byl původně tento proces interpretován.

Mnohé kosmology však zajímalo, zda lze přítomnost galaxií ve vesmíru vysvětlit jen tímto jednoduchým mechanismem. Proč galaxie obsahují většinou 100 až 1 000 miliard hvězd? Proč mají spirální a eliptické tvary? A ta nejzajímavější otázka: Proč jich tolik rotuje?

Mezi lety 1944 a 1951 začal německý fyzik Carl von Weizsäcker uvažovat o tom, zda řada vesmírných struktur není pozůstatkem turbulence v rané historii vesmíru. S turbulencí se setkáváme skoro všude, možná vás ale překvapí, že tak běžný jev představuje téměř neřešitelný problém pro matematiky zabývající se prouděním kapalin. Je-li proud rychlý a vířící, je velmi obtížné dospět k jasnému pochopení toho, co se děje. Je-li proud pomalý a turbulence jsou jemné, pak je naděje, že numerický výpočet bude úspěšný, jinak ale složitost problému porazí naše počítače a jejich výpočetní možnosti. Jedna ze sedmi „Cen milénia“ Clayova matematického ústavu, jež mají být uděleny za vyřešení určitých matematických problémů (a činí milion dolarů), čeká na toho, kdo problém turbulence (Navierovu-Stokesovu rovnici) vyřeší.

Von Weizsäcker se především snažil vysvětlit vznik naší sluneční soustavy a pohyb hvězd v galaxiích. Zaujal ho vzhled spirálních galaxií; budil totiž dojem, že jejich podobnost víru je reziduem předchozí turbulentní historie vesmíru. Na jeho výpravě ho podporoval jeho krajan Werner Heisenberg, jeden z architektů kvantové mechaniky, který rozvinul matematickou teorii turbulence a zůstal tímto jevem fascinován po celou svou kariéru.

Je sice snadné si představit, že se galaxie vynořily z turbulentního chaosu, mnohem těžší je však přeměnit takovou koncepci v přesnou teorii. Turbulenci vědci nerozuměli ani v laboratoři, tím méně jí rozuměli v rozpínajícím se vesmíru, třebaže tam je výhodou, že děje probíhají pomaleji a hmotné víry se točí v prostoru volně bez omezujících stěn, trysek či výpustí, které dělají turbulenci v koupelně tak složitou. (Luciferova poznámka: A co třeba obří černé díry v centru většiny galaxií. Nejsou to něco jako „výpustě“, v nichž by po sice nesmírně dlouhé době, ale přece jenom mohla zmizet skoro všechna hmota našeho vesmíru? Viz kupříkladu Černé díry od Vojtěcha Ullmanna.)

Turbulence má jeden význačný rys: vzniká-li z velkých vírů v kapalině, pak se energie těchto vírů kaskádovitě přenáší na víry menší; nakonec budou víry tak malé, že zaniknou v důsledku tření. V roce 1941 vyslovil velký ruský matematik Andrej Kolmogorov hypotézu, že mezi nástupem turbulence z velikého víru a jejím zánikem v důsledku viskozity kapaliny má kapalina snahu přenášet energii z větších vírů na menší konstantní rychlostí. Proto je rotační rychlost vírů úměrná třetí odmocnině jejich průměrů a to platí pro širokou škálu měřítek, bez ohledu na to, jak turbulence původně vznikla a jak nakonec viskózním třením zanikne. Jenže historie turbulentního vesmíru je mnohem komplikovanější.

Během prvních 300 000 let rozpínání vesmíru je rychlost zvuku značně vysoká, a vířivý pohyb je proto subsonický. Když se ale elektrony spojí s protony a vytvoří atomy, elektromagnetické záření přestane interagovat s elektrony a v důsledku toho rychlost zvuku dramaticky poklesne. Následují kataklyzmatické události: vytvářejí se obrovské rázové vlny a ve vesmírné hmotě vznikají velké nepravidelnosti. Předpokládá se, že galaxie se vytvořily z těchto nahromadění hmoty vyvolaných rázovými vlnami. Když se vše zklidní, zůstanou velké rotující galaxie.

Dva velké problémy však nakonec celou myšlenku turbulentního vesmíru zabily. Zprvu se zdálo, že turbulentní víry celkové rozpínání vesmíru příliš neovlivní. Bohužel se ukázalo, že to není pravda. Přestože se rychlost vírů nemění, když je sledujeme zpět v čase, jejich gravitační účinek na celkovou expanzi vesmíru neustále roste. Před určitou konečnou dobou musel vesmír být podle turbulentního obrazu ve stavu chaotické turbulentní neuspořádanosti. Pokud měly mít víry dostatečnou rychlost, aby zformovaly takové galaxie, jaké dnes pozorujeme, stav totálního turbulentního chaosu by musel trvat příliš dlouho, což by se neslučovalo s pozorováním reliktního záření.

Druhým problémem těchto turbulentních scénářů byla radikální změna naší představy o rotujících galaxiích. Až do roku 1974 se astronomové domnívali, že eliptické galaxie rotují, a čím rychleji se otáčejí, tím jsou zploštělejší. Tehdy však jeden oxfordský postgraduální student ukázal, že zploštění eliptických galaxií není třeba vysvětlovat jejich rotací a že se hvězdy v těchto galaxiích pohybují po náhodných drahách a jejich celkový tvar je důsledkem procesu, kterým se utvářely. Jeho představu postupně potvrdila pozorování: rotační rychlost mnohých eliptických galaxií byla natolik nízká, že nemohla jejich zploštění vysvětlit, a některé z nich dokonce rotovaly kolem špatné osy.

Zdroj: John D. Barrow, Kniha vesmírů

26.03.2014, 01:07:52   Publikoval Luciferkomentářů: 47