Student World

Skutečnost, že vysokoenergetické částicové experimenty v prostředí mikrokosmu nám mohou poskytnout cenné informace o vzniku a vlastnostech celého vesmíru, již asi nikoho nepřekvapí. Kvark-gluonové plazma, jak jsme již v první části poznamenali, existovalo v časovém záblesku miliontiny sekundy po singularitě velkého třesku. Krátce poté, co se odehrála tzv. inflační fáze. Během toho okamžiku se všechny vzdálenosti zvětšily 10 exp 30krát! Začala klesat hustota, která byla v řádu 10 exp 80 kg na metr krychlový.

Procesy v raném vesmíru probíhaly ve fázových skocích. Velmi raný vesmír tvořila nesmírně žhavá směs částic: kvarků, elektronů, pozitronů, neutrin a fotonů, gluonů a – dosud hypotetických – gravitonů. V oceánu volných, vedle sebe natěsnaných kvarků a dalších částic vládla teplota 10 exp 27 K, která ale klesala, jak se vesmír rozpínal. Ruku v ruce s tím klesala i energie částic, což působilo rozštěpení elektroslabé interakce na interakci elektromagnetickou a slabou jadernou sílu. Když se od sebe začaly kvarky vzdalovat, stala se silná jaderná interakce přitažlivou a začaly se vytvářet hadrony, částice složené ze dvou kvarků (mezony) nebo ze tří kvarků (baryony). Ale hadrony v první sekundě po velkém třesku zůstaly zatím nezávislé. Atomová jádra nemohla ještě existovat, a pokud se přece jen zformovala, byla okamžitě rozbita intenzivním proudem fotonů. Zhruba v druhé půlsekundě se protony neustále měnily v neutrony a naopak, což způsobovala slabá jaderná interakce, zodpovědná za jaderný beta rozpad.

Konečně se dostáváme za horizont oné veledůležité první sekundy po velkém třesku. Právě v tomto okamžiku se odehrál významný jev. Slabá interakce se zmenšila a zaostala za rychlostí expanze vesmíru. To způsobilo, že poměr protonů a neutronů náhle „zamrzl“ a od té doby zůstal ve vesmíru konstantní. Je nutno poznamenat, že poměr se ustanovil ve prospěch vyššího množství protonů, neboť neutrony jsou hmotnější a k jejich vytvoření je třeba více energie. Tyto dvě hmotné částice, protony a neutrony, na sebe neustále vysokou rychlostí narážely za dosud obrovských teplot vyvolaných velkým třeskem. V okamžiku, kdy míra destruktivního působení fotonů klesla pod úroveň silné jaderné interakce, začaly se nukleony (protony a neutrony) slévat v deuterony, tedy jádra deuteria. Tyto procesy trvaly asi deset sekund. Ze sloučení dvou jader deuteria pak začalo vznikat helium-4 a stopová množství tritia a lithia-7.

Takto ve stručnosti vypadá dosud převládající pohled na genezi vesmírné hmoty. Koncepcí, které mapují „životopis hmoty“, je ale samozřejmě více. Za pozornost stojí teorie, kterou jako první formuloval ruský astrofyzik Andrej Linde, mj. jeden z klíčových autorů „inflační kosmologie“ (http://physics.stanford.edu/linde). Linde, který dnes působí na Stanfordské univerzitě, se totiž domnívá, že počáteční stav hmoty doprovázely podivuhodné fluktuace takzvaného „falešného vakua“. Jiří Grygar ilustruje tuto teorii představou vakuové pěny, která stále „bublá“. Tu a tam vyšplíchne z bublající pěny trochu časoprostoru, aby vzápětí splaskl.V Lindeho představě nejde tedy o model jednoho vesmíru vzniklého velkým třeskem, ale o pěnu nespočtu vesmírů. Z jedné bubliny téhle pěny pak vznikl i náš vesmír.

To, co jsme právě nastínili, je základem diskutované teorie multiverza, kterou rozpracovali další kosmologové, především Lee Smolin. Z této teorie vyplývá, že náš nesmírně rozlehlý vesmír nemusí být jediný. To jsou zatím sice hypotézy, ale nikoli nezajímavé, byť sahají – stejně jako projev existence kvark-gluonového plazmatu – za možnosti našich smyslů. Vždyť k vyjádření rozměrů vesmíru potřebujeme číslo o milionech číslic. A je-li tento vesmír jen pouhou „bublinou“ v mnohem rozsáhlejším multiverzu, jaká čísla bychom asi potřebovali k jeho popisu? Lee Smolin se domnívá, že velký třesk, zodpovědný za vnik našeho vesmíru, je jen jedním z nekonečné série velkých třesků mnohočetných vesmírů. Je zkrátka jen součástí bouřlivého, neustále se reprodukujícího multiverza. Martin Rees vyjadřuje domněnku, že kdykoli dojde k zhroucení hmoty do podoby černé díry, mohou procesy odehrávající se hluboko v jejím nitru vyvolat vznik dalšího vesmíru v odloučeném a samostatném časoprostoru.

Nemůžeme se ale podrobně zabývat teorií multiverza, jakkoli je zajímavá a lákavá. Zmínili jsme se o ní jen proto, abychom v souvislosti s naším tématem, kvark-gluonovým plazmatem, mohli formulovat otázky, které nelze obejít. Jak jsme poznamenali v první části, fyzikům se díky vysokoenergetickým experimentům v urychlovačích podařilo na nesmírně krátký zlomek času připravit stav hmoty či spíše prahmoty, která existovala v nejranějších fázích vzniku vesmíru. Teorie nasvědčují, že popis geneze vesmíru je v zásadě správný. Přesto se v souvislosti v experimentálním výzkumem podstaty hmoty na úrovni kvarků naše poznání, vyjádřené ve Standardním modelu elementárních částic a jejich interakcí, poněkud problematizuje. Jak jsme na ScienceWorldu informovali, na jaře tohoto roku výzkumníci zachytili mezon Ds (2317). Existence této částice byla sice teoreticky předpovězena, ale naměřené hodnoty se značně rozcházely s teoretickými předpoklady. V létě bylo dvěma špičkovými ústavy potvrzeno zachycení částice složené z pěti kvarků, tzv. pentakvark. Tyto objevy naznačují, že světu na úrovni kvarků ještě zcela nerozumíme a čeká nás v něm zřejmě ještě nejedno překvapení.

Na poli teoretických spekulací se v souvislosti s koncepcí multiverza naskýtají další otázky. Je podoba kvark-gluonové polévky, kterou jsme výše popsali, stejná i v dalších vesmírech multiverza, pokud existuje? Dochází i jinde k hadronizaci a „zamrznutí“ do konstantního poměru baryonů, které jsme si popsali výše? Anebo se jednotlivé vesmíry mohou vyvíjet ve zcela odlišných scénářích než ten, v němž organizace hmoty dosáhla takového stupně, že je schopna matematické introspekce? To už se ale pohybujeme na parketě čistých spekulací, které jsou vzdáleny možnostem současné exaktní vědy.

Pokračování: Kvark-gluonové plazma: Krajně nebezpečné experimenty? (Plus seznam odkazů a doporučené literatury)

První díl seriálu: Lze odpoutat kvarky:
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/A9A29CC7524414AAC1256DCC004368AD

autor Jan Kapoun