Student World

(dokončení ze včerejčího dne 1. díl rozhovoru, Návrat kosmologické konstanty, viz
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/9500DAA51F9D7AB1C1257126004DC149)

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.

Je tedy rozumné předpokládat scénář: velký třesk – inflace – zpomalování expanze – zrychlení expanze?

Rámcově ano. Dá se říct, že kosmologická konstanta neboli temná energie hrála ústřední úlohu v inflační fázi na počátku vesmíru (asi v období 10 na –35 sekundy po velkém třesku) a znova rozhodujícím způsobem ovlivní také jeho konečný osud.
Pokud jde o samotný inflační scénář, stále ještě zůstává na úrovni velmi přitažlivé a elegantní hypotézy, která ovšem v principu uspokojivě vysvětluje, proč je náš pozorovaný vesmír tak plochý a hladký (a současně i to, že není úplně hladký, takže v něm mohly vzniknout galaxie a další struktury). Inflační model je logickým důsledkem teorií sjednocení elektromagnetické, slabé a silné interakce – a to ještě není úplně prokázaná a ověřená věc. Stále dychtivě čekáme na případné experimentální potvrzení této teorie velkého sjednocení. První významný krok v tomto směru představuje obří srážeč hadronů LHC, který má být už v příštím roce spuštěn v CERNu.

Souvisí popsané scénáře s odpovědí na otázku, která vrtá hlavou vědcům i filozofům už od starověku: jaký má vesmír tvar?

Zde je třeba rozlišovat mezi geometrií a topologií. To, že se vesmír stále rychleji rozpíná a že jeho geometrie je (například) plochá, nemusí být v rozporu s „konečností“ a „uzavřeností“ vesmíru, tedy s topologickou propojeností jeho různých částí například skrze vyšší dimenzi. Nicméně ty nedávné teorie, o nichž referovala i média, že vesmír má například tvar velkého dvanáctistěnu, jsou zatím nepotvrzené spekulace. Za současných podmínek je vůbec těžké je nějak experimentálně potvrdit či vyvrátit, jde tedy spíše o hezké matematické hříčky než o solidní fyzikální hypotézy. Teoreticky to ovšem vyloučit nelze, topologická propojenost vesmíru by se mohla projevit například v charakteristickém „opakování se“ teplotních skvrn reliktního záření.

Co se bude dít na „konci vesmíru“?

Kupy galaxií se nakonec rozletí tak daleko od sebe, že už je nebude možné spatřit. Doslova zmizí za horizontem. Poslední živí tvorové – pokud přežijí – budou odříznuti od všech informací o vzdálenějším vesmíru.
Skončí také hvězdná éra. První hvězdy se zažehly velice brzy, už pár set milionů let po velkém třesku. Tyto obrovské jaderné pece dodávají energii pohánějící skoro všechny kosmické procesy. Díky energii Slunce existuje i život na Zemi. Z lidského hlediska jsou hvězdy dlouhověké, ale ani ony nežijí věčně. Když hvězda vyčerpá své nukleární zásoby, zhroutí se. Skončí jako degenerovaný bílý trpaslík, neutronová hvězda anebo jako černá díra. Typická hvězda září miliardy let. Ty nejméně hmotné žijí nejdéle, třeba i stovky miliard let. V neustále se rozpínajícím vesmíru ale i ony nakonec zhasnou a nastoupí éra degenerace, temnoty a mrazu.
Jediným zdrojem energie asi nakonec bude vypařování černých děr. To je ale tak pomalý proces, že se nám ho zatím nepodařilo experimentálně prokázat. Černé minidíry o velikosti protonu mohou vydávat 10 gigawattů, a to po dobu srovnatelnou s existencí sluneční soustavy. Černé díry o hmotnosti Slunce se budou vypařovat neuvěřitelných 10 na 66 let. Černá díra hmotná jako celá kupa galaxií by se vypařila dokonce až za 10 na 117 let.
Nakonec tedy zavládne doba temna a naprostého chladu, protože všechny zdroje tepla budou vyčerpány. Podle tohoto scénáře nastane „tepelná smrt“ vesmíru. Možná se rozpadnou i protony a zanikne baryonová hmota, která dnes tvoří všechny podstatné struktury kosmu. Zbude jen moře fotonů – nesoucích ale čím dál menší energii – a řídká kaše slabě interagujících částic jako jsou neutrina, elektrony a pozitrony. Vesmír možná vyplní nový druh „atomů“ zvaných pozitronium, v nichž budou kolem sebe obíhat pozitrony a elektrony. Tyhle nové bizarní atomy ale budou větší než celý náš dnešní svět. Vesmír „na konci času“ zkrátka bude velký, pustý a prázdný. Bude fádní, stejnorodý, bez „kazů“ a nepravidelností – jeho dokonalost bude ale doslova smrtící.

Nakolik jsme si tímhle scénářem jisti?

No právě – seriózní člověk by měl být obezřetný vůči výrokům o tom, jak bude náš vesmír vypadat za 100 miliard let či dokonce za 10 na 117 let a k jakým všem procesům během té nepředstavitelně dlouhé doby dojde. Na tak odvážné soudy toho víme o světě opravdu příliš málo. Je pravda, že nedávná měření naznačila, že vesmír během posledních několika miliard let začal zrychlovat svoji expanzi. Bude tomu tak ale i nadále? To nevíme. Problém je v tom, že zatím vůbec nerozumíme konkrétnímu mechanizmu, který zrychlující rozpínání vesmíru pohání. Předpokládá se, že příčinou je kosmologická konstanta alias temná energie vakua. Řečeno jinak, potřebujeme nejprve správně pochopit základní energetický stav kvantových systémů popisujících fundamentální částice, pole a případně superstruny.
Můžeme ale spekulovat, že třeba existuje přirozený mechanizmus, který zrychlující expanzi vesmíru zastaví anebo dokonce zvrátí. Třeba někdy v daleké budoucnosti dojde k fázovému přechodu, který změní hodnotu vakuové energie, kdy se ze stávajících interakcí odštěpí další síla. Ostatně k něčemu podobnému došlo na samém počátku vesmíru v inflační fázi.
Především ale bude zajímavé nejprve vidět, jestli upřesněné výsledky měření družice WMAP – jejich zveřejnění se očekává v nejbližší době – a také zcela nezávislá a mnohem přesnější měření připravovanou evropskou družicí Planck, která má být vypuštěna v roce 2007, budou v úplném souladu s novým scénářem zrychlující expanze.

Zabýváte se také gravitačními vlnami…

Přesněji řečeno, zabývám se čistě teoretickým studiem „kosmologických“ gravitačních vln. To jsou vlny gravitačního pole, které se možná dochovaly od velkého třesku, zejména z inflační fáze rozpínání vesmíru. V nich by mohla být zakódována informace o „stvoření světa“. Ve struktuře takovýchto gravitačních vln bychom třeba mohli odhalit podobné anizotropie jako v případě reliktního elektromagnetického záření – to by samozřejmě mohlo přinést krásné nezávislé potvrzení výsledků, o kterých jsme v tomto rozhovoru mluvili.
Nicméně – zatím se nepodařilo přímo pozorovat ani gravitační vlny generované astrofyzikálními zdroji, tedy výbuchy supernov nebo srážkami neutronových hvězd a černých děr. Velké naděje se vkládají do detektoru LIGO, zatím ale ani on tyto toužebně očekávané výsledky nepřinesl. Velkým a významným projektem je družicový interferometr LISA, který by kosmické agentury ESA a NASA chtěly realizovat v příštím desetiletí.

autor Pavel Houser