Kosmologie se do značné míry stala vědou založenou na pozorováních; už se jí nezabývají lidé, kteří si hoví v křeslech a vymýšlejí ničím nepodložené teorie o tom, jak by asi vesmír mohl vypadat. Neustále provádíme nějaká pozorování: sledujeme rozmístění galaxií ve vesmíru, pozorujeme reliktní mikrovlnné záření a jeho odchylky od stejnorodosti, odhadujeme pomocí různých technik hustotu hmoty ve vesmíru a jeho stáří. To vše ovlivňuje výběr teorií o vesmíru, které jsou životaschopné.
V roce 1980 jsem rozvinul teorii inflačního vesmíru. Byl to nový pohled na to, jak mohl velký třesk začít. Teorie se shoduje se standardní představou velkého třesku, což je jeden z důvodů, proč byla tak dobře přijata. Nevyžaduje, aby lidé odvrhli to, co si dříve o kosmologii mysleli, naopak, nemálo k tomu přispívá. Přidává celý příběh o tom, co se stalo během prvního zlomku sekundy existence vesmíru, během časového období, které nebylo dřív zkoumáno. Odpovídá na množství otázek, jež zůstaly po standardním modelu velkého třesku nezodpovězeny.
Inflační vesmír je teorie o realitě. Já a nejspíš i většina fyziků chápeme realitu jako ryzí fyzikální realitu ovlivněnou lidmi pouze do té míry, že můžeme vztáhnout ruku a pohnout věcmi atd. Realita existuje nezávisle na lidech. Cílem fyziků je pochopit ji.
Vesmír vytvořený v laboratoři? Jednou z nejúžasnějších vlastností modelu inflačního vesmíru je, že umožňuje, aby vesmír vznikl z čehosi, co je v počáteční fázi neuvěřitelně malé. Asi deset kilogramů hmoty je zřejmě vším, čeho je třeba ke zrození vesmíru. To se od standardního kosmologického modelu zásadně liší.
Než se začalo mluvit o inflaci, standardní model předpokládal, že veškerá hmota, která nyní existuje, tu byla již na samém počátku, a tento model jen popsal, jak vesmír expandoval a jak se hmota ochladila a vyvinula. Díky inflačnímu modelu jsme proto ve velkém pokušení ptát se, jestli v zásadě nelze vytvořit vesmír v laboratoři - či rovnou na zápraží - umělým procesem.
Nejprve je třeba podívat se, co by se stalo, kdyby se ocitl maličký kousek inflačního vesmíru uprostřed našeho vesmíru, aniž bychom se zabývali tím, jak se tam vůbec dostal. Dejme tomu, že zkrátka existuje, a ptejme se, jak se vyvíjí.
Ukazuje se, že pokud je tento kousek dostatečně velký, poroste a stane se novým vesmírem, ovšem provede to velmi zvláštním způsobem. Tento kousek - a to je pro naše prostředí velmi důležité - náš vesmír nenahradí. Místo toho vytvoří červí díru a proklouzne jí. Z našeho vesmíru nám bude stále připadat velmi malý a bude víceméně vypadat jako obyčejná černá díra. Jenže zevnitř se nový vesmír rozpíná a může se stát libovolně velkým, když svým růstem vytváří nový prostor. Může se snadno dostatečně zvětšit, aby obsahoval vesmír stejně rozsáhlý jako ten, který kolem sebe vidíme. Ve velmi kratičké době, v malém zlomku sekundy, se odštěpí od našeho vesmíru a stane se zcela izolovaným novým vesmírem.
Kolosální expanze Inflační kosmologie je novým směrem v teorii velkého třesku. Nikterak teorii velkého třesku nezavrhuje. Je v naprosté shodě se vším, o čem se ve spojitosti s modelem velkého třesku mluví. Mění však náš pohled na historii prvního zlomku sekundy velkého třesku. Podle této nové teorie vesmír během nesmírně krátkého časového úseku prošel obdobím inflace, krátkou érou kolosální expanze.
Inflační kosmologie se od standardní teorie velkého třesku liší dvěma klíčovými vlastnostmi. Prvním rozdílem je, že inflační model obsahuje mechanismus, podle něhož v podstatě veškerá hmota ve vesmíru může být vytvořena během kratičkého období inflace. Ve standardním modelu velkého třesku naopak bylo třeba vždy předpokládat, že veškerá hmota tam byla hned od samého počátku a neexistoval způsob, který by popisoval její vznik.
Mimochodem inflační produkce hmoty je v souladu s principem zachování energie, i když dokáže doslova vyprodukovat vesmír téměř z ničeho. Energie je stále zachovávána - to vše je vypočítáno na základě standardní klasické obecné relativity. Neobvyklé je, že v energetické rovnováze hlavní roli hraje gravitace. Ukazuje se, že energie gravitačního pole - kteréhokoli gravitačního pole - je záporná.
Během inflace, jak vesmír roste a roste a vzniká čím dál víc hmoty, celkové energie hmoty nesmírně přibývá. Mezitím se však energie gravitace stává čím dál zápornější. Záporná gravitační energie ruší energii v hmotě, takže celková energie systému zůstává stejná jako na počátku inflace - pravděpodobně velmi malá. Vesmír by mohl mít celkově nulovou energii se zápornou energií gravitace, přesně rušící kladnou energii hmoty. Schopnost produkovat hmotu ve vesmíru je jedním z klíčových rozdílů mezi inflačním modelem a modelem standardním. Dalším velkým rozdílem je schopnost inflační teorie vysvětlit některé významné vlastnosti našeho vesmíru, které zůstávají ve standardním modelu velkého třesku nevysvětlené. Vezměte si například homogenitu vesmíru ve velkém měřítku. Když se podíváme do velkých vzdáleností, zdá se, že je náš vesmír pozoruhodně homogenní. Nejlepším důkazem je nejstarší věc, kterou můžeme pozorovat - kosmické reliktní mikrovlnné záření, jistý dosvit velkého třesku. Když se na toto záření zaměříme, spatříme, jak vesmír vypadal v době jeho uvolnění. Ukazuje, že vesmír byl tehdy neuvěřitelně homogenní. Pro standardní model velkého třesku to bylo vždy tajemstvím. Raný vesmír byl tak velký, že nebylo dost času, aby jím světlo prolétlo za dobu, která byla k dispozici.
Můžeme si například představit, že budeme pozorovat toto mikrovlnné záření ze dvou směrů na obloze a pak můžeme použít teorii velkého třesku, abychom sledovali každý z těchto mikrovlnných paprsků k jeho zdroji. Když bylo toto záření vyzářeno, byla vzájemná vzdálenost jeho zdrojů asi stokrát větší než celková vzdálenost, kterou světlo do té doby urazilo. Jelikož věříme, že nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo, znamená to, že bod na jednom konci vesmíru nemohl být nikterak ovlivněn tím, co se odehrávalo u opačného bodu, jenže kupodivu se jim podařilo mít ve stejnou dobu stejnou teplotu s neuvěřitelnou přesností na pár stotisícin.
Standardní model velkého třesku dokázal připsat tuto uniformitu jedině předpokladu, že náš vesmír byl na začátku neuvěřitelně homogenní, pro což mu chybělo jakékoli vysvětlení.
Inflační model na druhou stranu předpokládá ve velmi raném vesmíru existenci nesmírně krátkého časového úseku, během něhož se vesmír rozpínal mnohem rychleji než ve standardní kosmologii. To znamená, že raný vesmír byl mnohem menší, než si lidé dříve mysleli. Bylo dost času, aby tento mikroskopický proto vesmír dosáhl jednotné teploty dříve, než k inflaci došlo, a pak inflace zvětšila tuto velmi malou oblast natolik, aby se do ní vešel pozorovatelný vesmír.
Homogenita vesmíru ve velkém měřítku proto už dál není tajemstvím, ale lze ji chápat jako přirozený dopad evoluce kosmu. Abychom vysvětlili pozorovatelný stupeň této homogenity, musíme předpokládat, že vesmír se rozepjal během období inflace nejméně 1025krát. Je dost dobře možné, že expanzní faktor byl ještě větší než toto ohromující číslo, ovšem nedokážeme zjistit, jak moc se vesmír ve skutečnosti rozfoukl.
Po stopách falešného vakua V poslední době pracuji na červích dírách a na tom, jestli je v zásadě možné vytvořit „vesmír u nás doma“. Před pár lety jsem spolupracoval se Stevenem Blauem a Eduardem Guendelmanem, abychom přišli na to, co by se stalo, kdyby existovala oblast inflačního vesmíru uprostřed našeho vesmíru.
Zjistili jsme, že na takovou otázku se dá snadno a jednoznačně odpovědět, jelikož chování určuje obecná relativita. Jedinou novou přísadou do tohoto problému je fyzikální teorie o jakémsi typu hmoty nazývaném „falešné vakuum“, který je hnací silou inflace. Dospěli jsme k závěru, že dostatečně velká oblast falešného vakua by vytvořila nový vesmír, který, jak jsem již popsal výše, by se rychle oddělil od našeho a stal by se zcela samostatným.
Jako mnohem těžší se ukazuje otázka, co je potřeba k tomu, aby tato malá oblast falešného vakua vznikla - aby se všechno rozeběhlo. Jelikož hustota hmoty ve falešném vakuu je přibližně 1060krát větší, než je hustota atomového jádra, dozajista by to nebylo snadné.
V současnosti neexistuje a ani v dohledné budoucnosti nebude existovat žádná technologie, která by nám něco takového umožnila vytvořit. Nicméně lze hovořit o fyzice stvoření vesmíru jako o principiální záležitosti a já to považuji za velmi zajímavou otázku. Umím si představit, že by někdo dokázal vytvořit falešné vakuum a naučil se ovládat tyto mimořádné hustoty energie.
Text je ukázkou z knihy Třetí kultura, která vznikla na základě rozhovorů Johna Brockmana s řadou předních vědců. Vydalo nakladatelství Academia.
Alan Guth (* 1947) Vystudoval proslulý Massachusettský technologický institut a na počátku své vědecké dráhy se soustředil na částicovou fyziku. Začátkem 70. let minulého století, po dokončení doktorátu na MIT, se přesunul na Cornellovu univerzitu. Tam vyslechl přednášku amerického astronoma Boba Dickeho o vývoji raného vesmíru, což ho inspirovalo ke zformulování inflační teorie. Je autorem knihy The Inflationary Universe (Inflační vesmír) a nyní působí jako profesor na MIT. ved
***
Bleskově kynoucí vesmír
Těsto, které nabobtnalo obrovskou rychlostí. Tak bychom se mohli dívat na hmotu potřebnou pro vznik vesmíru, když vezmeme v úvahu inflační teorii. Podle jejího tvůrce amerického fyzika Alana Gutha mohlo být zhruba deset kilogramů hmoty zřejmě vším, z čeho se vesmír zrodil.
