.:: Neviditelný čert ::.

Úprava Einsteinovy obecné teorie relativity by mohla změnit naše chápání Velkého třesku

rubrika: Populárně naučný koutek

Velký třesk je často popisován jako okamžik, kdy všechno začalo – bod nekonečné hustoty, kde se fyzikální zákony rozpadly. Ale co když je tento obraz neúplný? Nová studie nabízí jiný pohled na zrod vesmíru: Místo náhlého začátku ze singularity, jak předpovídala Einsteinova obecná teorie relativity, mohl raný vesmír projít kontrolovanější vysokoenergetickou fází řízenou modifikovanou teorií gravitace.

Lucifer

Obecná teorie relativity (OTR), publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915, je základním kamenem moderní kosmologie a poskytuje teoretický rámec pro teorii Velkého třesku. Obecná teorie relativity popisuje gravitaci nikoliv jako sílu, ale jako zakřivení časoprostoru způsobené hmotou a energií. Teorie Velkého třesku na tomto základě předpokládá, že vesmír vznikl před zhruba 13,8 miliardami let z extrémně horkého a hustého stavu a od té doby se rozpí Obecná teorie relativity funguje skvěle pro popis vesmíru ve velkých měřítkách. Nicméně, při popisu samotného počátku Velkého třesku (singularity), kdy byla hustota nekonečná, OTR selhává a je potřeba teorie kvantové gravitace.

Počáteční stav a přesný průběh Velkého třesku není znám. Někdy se hovoří o formě tzv. počáteční singularity (připodobněná k singularitě gravitační), ve které byla měření času a délky bezpředmětná (čas ale tehdy nemusel mít počátek) a teplota spolu s tlakem byly nekonečné. Současná fyzika tento úplný počátek historie vesmíru trvající nepatrný Planckův čas neumí popsat, konkrétně chybí uspokojivá teorie kvantové gravitace. Podle jiných teorií jsou tyto nekonečné hodnoty v rozporu s kvantovými jevy a hovoří se pouze o počáteční horké plazmatické fázi vesmíru. Poté by měly následovat další fáze, mezi nimi: inflace (prudké rozpínání), prvotní nukleosyntéza (vznik jader atomů) a rekombinace (vznik atomů) a oddělení hmoty od záření.

Původní představa spočívala v tom, že před Velkým třeskem nebylo nic, tedy ani čas, ani prostor, prostě vůbec nic. Až tak jednoduše to však nebylo míněno. Šlo pouze o náš vesmír a jeho teorii, která se zpočátku vůbec nezajímala, co bylo předtím než, z čeho a jak vznikl. V zájmu teorie našeho vesmíru to bylo nepodstatné, protože se bez tohoto náhledu „pod pokličku“ nejen obešla, ale neuměla by s tím nijak poradit. Náš vesmír prostě vznikl v čase nula, a od této chvíle začaly fungovat fyzikální zákony, kterým se můžeme naučit porozumět. Jenže se našli tací, kterým se tohle omezení nelíbilo, a začali dumat, jak se ho zbavit.

Na světlo světa se začaly proklubávat nejrůznější hypotézy, které se povětšinou střetávají v představě, že náš vesmír není jediný. Že je prostě jedním z nekonečného množství jiných vesmírů, které neustále vznikají a zanikají v jakémsi multivesmíru způsobem, který naše věda nedokáže popsat. Někteří však došli k závěru, že by to dokázala. Asi jako když jste zavřeni v kleci, ze které nemáte možnost podívat se na jiné klece, které bezpochyby kolem vás musí být. Můžete však na základě získaných znalostí své klece utvářet aproximace vlastností těch jiných klecí. Nemáte však možnost tyto aproximace experimentálně ověřovat.

Částicový fyzik Brian Cox si myslí, že vesmír existoval již před Velkým třeskem. Nebyla v něm ale žádná hmota, pouze časoprostor a energie. Představit si ho můžeme jako jemně se vlnící oceán. Množství energie nakonec způsobilo, že se celá struktura protáhla. Tuto expanzi označujeme jako inflaci. Jakmile skončila, oceán byl velkým třeskem přeměněn na hmotu. Vzor vlnek je dodnes rozeznatelný. Projevují se jako oblasti mírně odlišné hustoty v plynném vodíku a heliu. Hustší plyny se dále spojily a vytvořily první hvězdy.

Jiná teorie tvrdí, že namísto Velkého třesku se vesmír vytvořil jakýmsi Velkým odrazem, se kterým Velký třesk ale neměl nic společného. Velkým odrazem je myšlen konec jedné kosmologické fáze, tedy té, která vzniku vesmíru měla předcházet. Teorie o tom, že se náš vesmír utvořil jakýmsi exponenciálním rozpínáním časoprostoru, nemusí být vůbec pravdivá. Teorie inflace měla vysvětlit různé problémy s jemným vyladěním takzvaného horkého modelu. Vysvětluje také vznik struktury v našem vesmíru v důsledku kvantových fluktuací. Je tedy možné, že vesmír v době Velkého třesku byl maličký nebo nekonečně velký, protože neexistuje způsob, jak se podívat zpět v čase na věci, které dnes ani nemůžeme vidět. Jediné, co skutečně víme, je, že byl velmi hustý.

V nedávném článku publikovaném v časopise Physical Review D je navržena pozoruhodná alternativa. Výpočty naznačují, že Velký třesk nebyl počátkem všeho, ale spíše výsledkem gravitačního zhroucení nebo kolapsu, který vytvořil velmi masivní černou díru – a následoval odraz v jejím nitru. Tato myšlenka, která se nazývá vesmír černých děr, nabízí radikálně odlišný pohled na počátky vesmíru, a přitom je zcela podložena známou fyzikou a pozorováními.

Tento model řeší více než jen technické problémy standardní kosmologie. Mohl by také vrhnout nové světlo na další hluboké záhady v našem chápání raného vesmíru – například na vznik supermasivních černých děr, povahu temné hmoty nebo hierarchický vznik a vývoj galaxií. Tyto jevy mohou být také spojeny s reliktními kompaktními objekty – jako jsou černé díry – které vznikly během fáze kolapsu a přežily odraz. Vesmír černých děr také nabízí nový pohled na naše místo ve vesmíru. V tomto rámci se celý náš pozorovatelný vesmír nachází uvnitř černé díry, která vznikla v nějakém větším „mateřském“ vesmíru.

V nedávném článku publikovaném v časopisu Reports on Progress in Physics vědci nastínili novou formulaci gravitace, která by mohla vést k plně kompatibilnímu kvantovému popisu – aniž by bylo nutné používat další rozměry nebo exotické vlastnosti, které vyžadují spekulativnější modely, jako je teorie superstrun. Jádrem návrhu je přehodnocení chování gravitace na základní úrovni. Zatímco elektromagnetické, slabé a silné síly jsou popsány pomocí kvantové teorie pole – matematického rámce, který zahrnuje neurčitost a dualitu vlny a částice – gravitace zůstává stranou. Obecná teorie relativity, Einsteinova teorie gravitace, je čistě klasická teorie, která popisuje gravitaci jako deformaci geometrie časoprostoru hmotou a energií.

Nový přístup reinterpretuje gravitační pole způsobem, který odráží strukturu známých kvantových teorií pole. Místo zakřivení časoprostoru je gravitace zprostředkována čtyřmi vzájemně propojenými poli, přičemž každé z nich je podobné poli, které řídí elektromagnetismus. Tato pole reagují na hmotnost podobně jako elektrická a magnetická pole na náboj a proud. Rovněž interagují mezi sebou navzájem a s poli standardního modelu způsobem, který reprodukuje obecnou relativitu na klasické úrovni a zároveň umožňuje důsledně zahrnout kvantové efekty.

V časopisu Physical Review Letters se letos objevil článek Ultraviolet completion of the Big Bang in quadratic gravity (https://doi.org/10.1103/6gtx-j455), v němž jsou navržené úpravy Einsteinovy obecné teorie relativity, které by mohly vyřešit jeden z největších problémů týkajících se našeho chápání Velkého třesku. Nabízí odlišné vysvětlení zrodu vesmíru: Místo náhlého začátku ze singularity, jak předpovídá OTR, mohl raný vesmír projít kontrolovanější fází s vysokou energií, která se řídí modifikovanou teorií gravitace známou jako QQG (quadratic quantum gravity). Jde o rozšíření Einsteinovy teorie gravitace, které zahrnuje další členy, jež se stávají důležitými při extrémně vysokých energiích, jako jsou ty, které by existovaly na počátku vesmíru.

Na kvadratické kvantové gravitaci je zajímavé to, že může poskytnout matematicky konzistentní způsob, jak popsat gravitaci na velmi krátkých vzdálenostech a velmi vysokých energiích, kde se očekává, že běžná obecná relativita selže. V tomto smyslu nabízí možnou konzervativní cestu ke kvantové teorii gravitace, přičemž stále zůstává blízko Einsteinově teorii v běžných měřítkách. QQG by přetvářela nejranější okamžiky vesmíru, pokud by skutečně byla správným dokončením Einsteinovy teorie. Výsledky naznačují, že vesmír vůbec nemusel začít ze singulárního bodu, ale místo toho mohl projít lépe kontrolovanou vysokoenergetickou fází.

Než aby vesmír vycházel z nekonečně hustého stavu, mohl by začít v hladší a stabilnější konfiguraci s konečnou hustotou a konečnou teplotou, přičemž jeho přesné vlastnosti by závisely na částicích a polích přítomných při extrémně vysokých energiích a teplotách. Tím se vyhneme jedné z nejznepokojivějších předpovědí standardní kosmologie. Teorie také nabízí nový pohled na kosmickou inflaci, krátké období extrémně rychlé expanze, o kterém se předpokládá, že nastalo těsně po Velkém třesku. Může generovat období podobné inflaci, aniž by bylo nutné ručně zavádět další hypotetické pole. Ve standardních modelech je inflace obvykle poháněna záhadným polem. Toto pole nebylo nikdy přímo pozorováno. Naproti tomu QQG produkuje inflaci přirozeně jako důsledek samotné gravitace.

Jedním z pozoruhodných rysů QQG je, že se chová velmi odlišně v závislosti na energetické škále. Při extrémně vysokých energiích se řídí novými kvantovými pravidly. Ale jak se vesmír rozpíná a ochlazuje, přechází zpět do známé fyziky popsané Einsteinem. Teorie naznačuje, že gravitace se při velmi vysokých energiích zjednodušuje – vlastnost známá jako asymptotická volnost – než se vyvine do formy, kterou pozorujeme dnes. Nakonec vesmír vstoupí do horké, radiací naplněné fáze popsané standardní kosmologií.

Zdroje: