Vesmír je nekonečný a vznikl při velkém třesku. To jsou hlavní představy většiny lidí o prostoru, v němž žijeme. Co ovšem bylo před velkým třeskem a co se nachází za hranicí vesmíru? A nemohla by se na jeho vzniku podílet nějaká božská síla?
Podle astrofyzika Richarda Wünsche z Astronomického ústavu AV ČR nejsou náboženské představy o vzniku světa v rozporu s vědeckým poznáním. Do jisté míry by se dalo říct, že vědci o Bohu nemluví kvůli tomu, aby si zjednodušili práci. „Odpovědět na otázku, kde se stvořitel vzal, je složitější než vznik vesmíru vysvětlit například inflatonovým polem,“ říká Wünsch, který v rozhovoru pro týdeník Ekonom mimo jiné vysvětluje dopady vesmírné inflace.
Podle standardního výkladu vznikl vesmír velkým třeskem. Jak to ale konkrétně mohlo být?
Lidé si velký třesk někdy představují jako výbuch, to je však strašně zavádějící představa. Velký třesk je koncept podložený pozorováním a založený na tom, že všechny vzdálené objekty ve vesmíru, například galaxie, se od sebe i od nás vzdalují. Víme už zhruba sto let, že se celý vesmír rozpíná. Co se tedy stane, když se vrátíme hluboko do minulosti? Pak se dostaneme do okamžiku, kdy vše bylo blízko u sebe, a právě tomuto okamžiku někdy před 13,7 miliardy let říkáme velký třesk.
Takže vše bylo v jednom bodě, v jakési singularitě?
To už je výsledek použití teoretických astrofyzikálních modelů. Zatím si povídejme jen o tom, co v souvislosti s velkým třeskem můžeme pozorovat. Když se budeme dívat tak daleko, jak to jen půjde, vlastně hledíme do minulosti. V podobě světla vidíme to, co se odehrálo před miliardami let. Nejvzdálenější, a tedy i nejstarší, co vidíme, je horký plyn. Ať se podíváme kterýmkoli směrem, pozorujeme jakousi ohnivou stěnu, která na nás září. Říká se tomu kosmické mikrovlnné pozadí nebo také reliktní záření. To nám říká, že v nějakém čase, asi 380 tisíc let po velkém třesku, byl vesmír vyplněn téměř homogenním horkým plynem. Podle měření, která máme k dispozici, nás od té doby dělí zmíněných 13,7 miliardy let.
Pokud tedy platí, že rychlost světla je limitní, asi 300 tisíc kilometrů za sekundu, a pokud by se rozpínal touto rychlostí, má tedy podobu koule o poloměru 13,7 miliardy světelných let. Je to tak?
Není. Rychlost světla je limitní jen za předpokladu, že máme statický prostor, který se nemění. Pak se dva kolem sebe letící objekty nemohou podle Einsteinovy speciální teorie relativity pohybovat rychlostí větší než světlo. My ovšem jsme v prostoročasu, který statický není, který se rozpíná, takže tento předpoklad neplatí. Dokonce je to tak, že vzdálené galaxie se od nás vzdalují vyšší rychlostí, než je rychlost světla. Což v rozporu s Einsteinovými teoriemi není.
Jak je tedy vesmír veliký?
Když mluvíme o takzvaném pozorovatelném vesmíru, je to opravdu koule, v jejímž středu se nacházíme. Ve vzdálenosti 13,7 miliardy světelných let (světelný rok je vzdálenost, kterou světlo uletí za jeden rok, tedy asi deset bilionů kilometrů – pozn. red.) pak vidíme onu ohnivou stěnu a dál už nic, protože ten horký plyn je neprůhledný. Ani kdyby tomu tak nebylo, světlo by nemělo čas k nám ze vzdálenějších částí vesmíru doletět. Pozorovatelný vesmír však není celý vesmír, a jak ten je doopravdy velký, to nevíme. Neznáme ani to, jestli je konečný, nebo nekonečný. Obojí je možné. Je to tak 50 na 50.
Podívejme se na to z hlediska času. Když se velký třesk odehrál před 13,7 miliardy let, co bylo před ním?
Nevíme. Nevíme ani, zda taková otázka má smysl. Pojďme se nejprve podívat, co se skrývá za tou ohnivou stěnou, tedy od okamžiku velkého třesku do těch 380 tisíc let. Do tohoto období už nevidíme, dokážeme ale tehdy panující poměry dopočítat, protože známe odpovídající fyziku z mikrosvěta. Víme tedy, že šlo o horký plyn a další částice, například takzvanou temnou hmotu. Čím víc půjdeme do minulosti, tím více byl tento mix všeho možného hustší a teplejší. Několik minut po velkém třesku natolik, že se tehdy část protonů spálila termonukleárním hořením na jádra helia. Proto helium tvoří zhruba 25 procent baryonové hmoty, tedy hmoty skládající se ze známých částic. Po vodíku nejvíc. Ještě předtím panovala opravdu exotická jaderná fyzika a kratinký čas od počátku nastalo něco, čemu říkáme vesmírná inflace. Což je nesmírně rychlé a exponenciální rozpínání prostoročasu. Jde samozřejmě o teorii, pro takové tvrzení nicméně existují dobré důvody.
Jaké?
Podíváme‑li se na rozložení hmoty v raném vesmíru, je téměř, i když ne zcela, homogenní. Další pozorování ukazují, že prostoročas našeho vesmíru je téměř plochý, což znamená, že v něm platí eukleidovská geometrie. Když v něm narýsujete trojúhelník o stranách dlouhých stovky světelných let, součet jeho úhlů je 180 stupňů, jako na rovném papíře, ne jako na povrchu koule. Ve vesmíru neexistují ani magnetické monopóly, které bychom jinak na základě znalostí z jaderné fyziky očekávali. To vše lze vysvětlit právě inflací.
Takže v inflaci se vesmír rozepjal během kratičké chvíle do ohromné velikosti?
Když si vezmeme naši galaxii a galaxii v Andromedě, jsou od sebe dnes asi dva miliony světelných let. Na konci inflace byla všechna jejich hmota stlačená v oblasti o velikosti řádově milimetrů, předtím tato oblast byla mnohem menší než atom. Takže inflace byla opravdu brutálně rychlá a vesmír se během ní zvětšil o desítky řádů. Během tohoto šíleně rychlého rozpínání také nemohla existovat hmota v „normální“, například baryonové formě. Vesmír se skládal z víceméně čistého vakua vyplněného takzvaným inflatonovým polem, jehož ohromná energie poháněla tu exponenciální expanzi. Nevíme ani, jak dlouho inflace probíhala. Možná začala fluktuací hypotetického prvotního kvantového pole a trvala kratičký okamžik, možná ale probíhala vždy a v jiných částech prostoročasu, než je náš vesmír, stále probíhá. V každém případě ale víme, že v našem vesmíru musela někdy skončit. Představujeme si to tak, že obrovská energie inflatonového pole přeskočila do hodnot o více než 100 řádů nižších, a tento rozdíl energií se materializoval jako částice a záření. Výsledkem tak byl prvotní velice hustý a velice horký vesmír. Což také mohl být začátek, o němž tu mluvíme. Setrvačností vesmír pokračuje v rozpínání, ale už daleko pomaleji, protože původní energie ženoucí inflaci kupředu v něm už není.
Takže z vakua se stala hmota?
Inflatonové pole je také druh hmoty, takže by bylo přesnější říci, že se jedna hmota, inflatonové pole, přeměnila na jinou, na látku a záření.
Pohybujeme se v rámci fyzikálního výkladu. Mnoho lidí na světě se však zeptá, zda v něm je místo pro boží stvoření. Ostatně i jeden ze zakladatelů teorie velkého třesku, Belgičan Georges Edouard Lemaître, byl katolickým knězem.
Náboženská představa není s tím, co tu říkám, ve sporu, nicméně nepatří do vědy. Ta si totiž definovala metodiku a součástí té je i hledání co nejjednoduššího vysvětlení pozorované reality. Nevíme sice, co bylo na samotném počátku, a navíc je otázka, co se na samotném počátku dělo s časem, zda v takových podmínkách vůbec měl smysl. Je možné si představit, že nějaká nadpřirozená bytost, něco, co můžeme nazvat bohem, vytvořila onen primární zárodek nebo odněkud z vnějšku vytvořila po nekonečnou dobu probíhající inflaci. Náboženský pohled je však ve sporu s onou vědeckou metodou: taková bytost určitě není tím nejjednodušším vysvětlením. Většina náboženství předpokládá, že by byla vědomá, a tedy z podstaty velmi komplikovaná. Vyměnit problém se vznikem vesmíru, který je jistě těžký, za problém ještě těžší, nám moc nepomůže. Vědomá bytost je určitě daleko složitější než nevědomé inflatonové pole.
Podobně mi asi odpovíte na otázku, zda vesmír není jen program v nějakém superpočítači. Tedy nějaká hra, nějaká virtuální realita.
Hypotéza simulace skutečně není daleko od toho, když spoléháme na boha. Odpověď se opět stává složitější. Někdo ten počítač a jeho program přece musel zkonstruovat.
Zatím jsme se zabývali tím, co mohlo být před vesmírem z hlediska času. Co je ale za vesmírem, myšleno prostorově?
Když se jako vědci opět budeme snažit o co nejjednodušší vysvětlení, dospějeme k závěru, že žádná taková hranice neexistuje.
Není to trochu zvláštní závěr?
Buď to může znamenat, že vesmír je opravdu nekonečný a pokračuje do všech směrů. Takže žádnou hranici nemá. Další možností, snad jednodušší, je to, že je sice konečný, avšak stejně nemá hranici, protože je uzavřený sám do sebe. Někdy se používá příměr k povrchu balonku, který také nemá hranici. Dnes jsou lidé zvyklí spíše na počítačové hry, a tak si představte tu nejjednodušší. S raketkou, která když obrazovku opustí nahoře, se najednou objeví dole. Fyzici tomu říkají periodické okrajové podmínky. Takže je pro nás myslitelné, že i celý vesmír je jakási periodická struktura. Představte si to tak, že pokud bychom se nějakým zázrakem pohybovali kosmickou lodí nadsvětelnou rychlostí – jako že to nejde -, v určitém okamžiku bychom se dostali zpět na místo jejího startu.
Existovala také teorie opakovaně se rozpínajícího a smršťujícího se vesmíru. Ta již je překonaná?
V posledních dvaceti letech se opravdu zdálo, že je mrtvá, protože koncem 90. let minulého století astronomové zjistili, že se expanze vesmíru stále zrychluje. To bylo velké překvapení, do té doby se předpokládalo, že se rozpínání pod vlivem gravitace zpomaluje. Síla, která toto zrychlování způsobuje, byla nazvána temná energie a možná jde o zbytek zmíněného inflatonového pole. Pro temnou energii byl vytvořen určitý model a také odhad, o jak velkou energii – měřeno na metr krychlový prostoru – jde. Jenomže tento model se v posledních letech dostává do rozporu s pozorováním. Takže se zdá, že jde o fenomén daleko složitější, než jsme si původně mysleli. Tím pádem je stále ve hře možnost, že se časem temná energie vyčerpá a že se rozpínání vesmíru zpomalí a nakonec zastaví. Pak by převážila gravitace, tedy smršťování. V tomto okamžiku se však vesmír rozpíná s narůstající rychlostí, to víme poměrně spolehlivě, takže teorie o cyklickém rozpínání a smršťování je přece jen méně pravděpodobná, než že se vesmír bude rozpínat po nekonečnou dobu.
Do jaké míry jsou teorie o vzniku vesmíru závislé na pozorovací technice?
Standardní kosmologický model, o němž tu mluvím, je založen na celé řadě pozorování. Například kosmického mikrovlnného pozadí a jeho poruch daných zvukovými vlnami, které se kdysi v horkém plynu šířily. V nich jsou obsaženy informace o vývoji vesmíru. Ty pak můžeme porovnávat s fyzikou, kterou známe. Teorie o zrychlování expanze vesmíru je zase založena na pozorování vzdálených supernov.
Ptám se na to i proto, že pozorovací přístroje jsou drahé. Takže se nelze nezeptat, jaký smysl celá kosmologie má. Vracejí se nějak vynaložené finance?
To je široká a složitá otázka, na úvod jenom chci říci, že tak drahé zase nejsou. Někdy lidé zaměňují astronomický výzkum, tedy cenu teleskopů a dalších přístrojů a platy astronomů, za pilotované cesty do vesmíru. Ty jsou desetkrát až stokrát dražší.
Americký vesmírný teleskop Jamese Webba vypuštěný v roce 2021 stál deset miliard dolarů.
Ale rozložených na 30 let. I tak máte pravdu, jde o spoustu peněz a astronomové jsou vděční, že na to společnost prostředky vynakládá. Astronomie a základní fyzika jsou ale strašně důležité, protože odhalují základní zákony přírody. Ty můžeme rozkrývat v laboratoři experimenty, má to však svoje limity. Vesmír v laboratoři nepostavíme a v něm pozorované extrémní fyzikální procesy v laboratoři nikdy neuvidíme.
K čemu ale základní zákony fyziky v praxi slouží?
Pro co se ty nové stanou v budoucnu důležitými, je otázka. V podstatě se to nedá odhadnout. Naše historická zkušenost ovšem vypovídá, že pokud jsme někdy nějaké našli, mělo to vždy dramatický dopad na celou společnost a na její vývoj. Mechanika a základní termodynamika spustily průmyslovou revoluci, teorie elektromagnetismu zase stojí za všemi elektrickými přístroji, které používáme. Kvantová mechanika vedla například k vývoji elektroniky, čipů a počítačů. Další základní zákony by se tentokrát mohly týkat podstaty temné hmoty a temné energie. Vůbec nevíme, o co jde, ačkoliv představují většinu, asi 95 procent hmoty ve vesmíru. Teď je obtížné předvídat, co by s nimi spojené objevy přinesly, doufáme, že to význam mít bude. Za našich životů to však nezjistíme, takové věci mají dopad až po desetiletích.
