Student World

Nakolik je jisté, že se vesmír bude navždy rozpínat a skončí jako prázdný, vychladlý prostor? Jak se vlastně na zrychlující expanzi vesmíru přišlo? Co víme o temné hmotě a temné energii či kosmologické konstantě? Na naše otázky odpovídá doc. RNDr. Jiří Podolský, CSc., který se na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze zabývá teoretickou fyzikou, především teorií relativity a studiem gravitačních vln.

Jaké místo dnes zaujímá kosmologie ve fyzikálním poznání?

S velkou nadsázkou lze říct, že kosmologií se svým způsobem zabývá každý fyzik, protože jak praví Karl Popper, „veškerá věda je kosmologií“. Se stejnou mírou nadsázky lze ale naopak tvrdit, že dnes se asi nikdo nezabývá kosmologií v celé její šíři a úplnosti. Chci tím říct, že už asi nikdo není expertem na „celou“ dnešní kosmologii. Odborníků, kteří mají dostatečný přehled o celé plejádě kosmologických modelů i hypotéz a současně jim také do hloubky rozumějí, je i ve světovém měřítku doslova jako šafránu.
Studiu různých konkrétních globálních aspektů vesmíru se ale věnuje ohromná spousta lidí, více než kdykoli v minulosti. Přistupují k němu z mnoha různých pohledů a východisek. Někdo se ke kosmologii dostane přes astronomii a astrofyziku, někdo přes Einsteinovu obecnou teorii relativity, jiný přes kvantovou teorii a částicovou fyziku, další díky studiu složitých dynamických systémů a tak dále. Z toho pak vyplývají rozdílné přístupy, které jednotliví specialisté uplatňují a do jisté míry také volba odlišných témat, která zdůrazňují.
Další velkou změnou oproti minulosti je, že v posledních desetiletích kosmologie konečně „dospěla“ a vyzrála v plnohodnotnou exaktní vědu. Různé kosmologické teorie poskytují modelové předpovědi, které můžeme – často již s velikou přesností – experimentálně verifikovat anebo falzifikovat. Zásluhu na tom má fantastický technický pokrok posledních desetiletí, hlavně užití počítačů, Internetu, obřích robotizovaných teleskopů, satelitů. Tyto výdobytky moderní civilizace by pochopitelně neexistovaly bez cílevědomého, často mravenčího úsilí bezpočtu fyziků a techniků. Tím se vlastně v kruhu vracíme k již zmíněnému Popperově citátu.

Jak se vlastně dospělo k závěru, že se rozpínání vesmíru zrychluje? Časopis Science označil tento objev za největší vědeckou událost roku 1998. Co se změnilo od té doby?

K nedávnému překvapivému závěru o zrychlujícím se rozpínání vesmíru přispěla dvě hlavní měření: analýza svítivosti vzdálených supernov a precizní rozbor anizotropií reliktního záření změřených sondou WMAP.
Jako první přišla analýza svítivosti supernov, konkrétně takzvaných supernov typu Ia. Fyzikální mechanizmus vedoucí k jejich zážehu zaručuje, že všechny vybuchují obdobným způsobem, a tak je můžeme použít jako „standardní svíčky“. Zaznamenanou intenzitu záření lze použít ke změření vzdálenosti velmi dalekých a tedy velmi „dávných“ supernov. Míra rudého posuvu zase odpovídá rychlosti jejich vzdalování. Provedená měření ukázala, že starší supernovy se od nás vzdalují pomaleji, než se očekávalo podle běžného kosmologického modelu. To byl opravdu nečekaný závěr, a tak pozorovací týmy s uveřejněním svých výsledků dost váhaly. Báli se totiž, že jim ostatní vědci neuvěří nebo se jim dokonce „vysmějí“. Nakonec ale sebrali odvahu a výsledky v roce 1998 publikovali v prestižním astronomickém časopise The Astrophysical Journal. Hned dva nezávislé týmy (jeden vedený Brianem Schmidtem z Týmu supernov s velkým rudým posuvem, druhý Saulem Perlmutterem z Projektu supernovové kosmologie) prakticky současně zveřejnily analýzu asi tuctu velmi vzdálených supernov, ze které plynulo, že se vesmír dnes rozpíná rychleji než ve své minulosti. Obě skupiny tedy nezávisle dospěly k závěru, že vesmír zrychluje svoji expanzi.
Tento šokující výsledek byl pak opravdu skvěle potvrzen americkou družicí WMAP, která od roku 2002 provádí velmi přesná měření reliktního mikrovlnného záření. Tvoří ho fotony, které byly svědky žhavého velkého třesku. Z nepatrných odchylek teploty reliktního záření přicházejícího z různých míst oblohy dokážou vědci vytěžit ohromnou spoustu klíčových kosmologických informací, hlavně stáří vesmíru, rychlost jeho rozpínání a to, z čeho se skládá. Tato naprosto nezávislá měření, která nemají vůbec nic společného se supernovami, ukázala, že od velkého třesku uplynulo 13,7 miliardy let, že se vesmír dnes rozpíná rychlostí 71 km/s na megaparsek, že má plochou prostorovou geometrii a že je složen hlavně z temné energie a temné hmoty. Temná energie neboli kosmologická konstanta přitom zcela převládá, tvoří údajně 73 procent hmotného obsahu našeho vesmíru. Ze zbylých 27 procent připadá většina na temnou hmotu, jen necelých 5 procent z toho je obvyklá baryonová hmota, z které jsou složeny hvězdy, planety i lidé! Podle Einsteinovy obecné teorie relativity musí plochý vesmír tvořený ze tří čtvrtin kladnou kosmologickou konstantou nutně expandovat, a to čím dál větší rychlostí. To je v naprosté shodě s předchozí analýzou vzdálených supernov.

Jak se vůbec přišlo na myšlenku kosmologické konstanty?

V listopadu roku 1915 Einstein zformuloval konečnou podobu obecné teorie relativity. O dva roky později pak zveřejnil fundamentální článek, kterým položil základy relativistické kosmologie. Do svých rovnic gravitačního pole přitom zavedl dodatečný člen úměrný kosmologické konstantě označované řeckým písmenkem lambda, a to proto aby rovnice připouštěly vesmír, který se ani nerozpíná ani nekolabuje, je statický.
V následujícím desetiletí se ale ukázalo, že vesmír ve skutečnosti expanduje – teoreticky to předpověděl Alexandr Friedmann a experimentálně pak koncem 20. let ověřil Edwin Hubble. Předpoklad statičnosti vesmíru se tedy ukázal jako chybný a tak Einstein kosmologickou konstantu zavrhl. Obecně se traduje, že ji měl dokonce prohlásit za největší omyl svého života. Popravdě řečeno, tento výrok v žádném Einsteinově textu nenajdeme. Zmiňuje se o něm vlastně jen George Gamow ve své autobiografii, mnozí to po něm opakovali, a tak vznikla legenda. Faktem ale je, že od třicátých let Einstein a spolu s ním skoro všichni ostatní pokládali kosmologický člen za nepotřebný.
Do módy se kosmologická konstanta vrátila až v 80. letech v souvislosti s inflačním modelem raného vesmíru. Tím došlo ke znovuvzkříšení Einsteinova kosmologického členu, především unikátního řešení gravitačních rovnic, které už v roce 1917 našel Willem de Sitter. Tento idealizovaný model předpokládá prázdný vesmír bez obvyklé hmoty, zato však kladnou kosmologickou konstantu působící jako „antigravitace“. Takový vesmír se čím dál rychleji exponenciálně rozpíná, a proto hovoříme o inflačním modelu expanze. A něco podobného bude tedy nejspíš platit i „na konci“ vývoje vesmíru – gravitační přitažlivost hmoty se stane zanedbatelná vůči permanentně působící antigravitaci temné energie alias kosmologické konstanty.
Je v tom jistá ironie. Einstein potřeboval kosmologickou konstantu, aby vyvážila gravitaci, aby byl vesmír statický a „držel pohromadě“. Teď jsme si díky novým pozorováním téměř jisti, že kosmologická konstanta má kladnou hodnotu a díky ní se vesmír čím dál rychleji zvětšuje a „rozpadá“. Z dnešního pohledu tedy kosmologické konstanta „největším omylem“ Einsteinova života rozhodně není. Hrála klíčovou roli u žhavé kolébky vesmíru a bude jí nejspíš hrát i nad jeho studeným hrobem.

Pokud hovoříme o temné energii nebo kosmologické konstantě, jedná se o synonyma?

Víceméně ano, ale jistá odlišnost tu přece jenom existuje. Temná energie obecně nemusí být „konstantní“. Jinak řečeno temná energie, jakýsi „záporný tlak vakua“, je ve skutečnosti pojmem obecnějším – připouští změny této veličiny v průběhu času a možná i v prostoru. Každopádně si ale všimněte, že zatím mluvíme jen o tom, jak se „lambda“ projevuje, jaké její projevy astronomové dnes pozorují. O vlastní fyzikální příčině kosmologické konstanty alias temné energie to nevypovídá nic. Teoretičtí fyzikové pochopitelně přicházejí s řadou hypotéz, zatím to jsou ale spíše zajímavé nápady než ucelené a hodnověrné teorie.

(dokončení zítra)
(2. díl rozhovoru – Smrt baryonů – http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/A1FA51DBCFDF0B7BC1257126004E329F)

autor Pavel Houser