Student World

Před 25 lety, v prosinci roku 1979, se zrodil jeden z nejdůležitějších objevů moderní kosmologie: americký fyzik Alan Guth zformuloval tzv. „teorii inflace“.

Standardní teorie vzniku vesmíru založená na představě tzv. „velkého třesku“, jak ji nastínil George Gamow a jak ji rozvíjeli další fyzikové, byla v průběhu 60. let minulého století většinou vědců přijata, ale současně se ukázalo, že ještě trpí řadou dětských nemocí. Bylo sice nepochybné, že se vesmír po celou dobu své existence rozpíná a překonává přitažlivé působení gravitace své vlastní hmoty, nicméně nebylo jasné, zda se může rozpínat věčně, stejně jako se nevědělo, co způsobilo stejnorodost záření kosmického pozadí. Teorie inflace, formulovaná před 25 lety, otevřela novou etapu v chápání historie raného vesmíru a vyřešila tyto zásadní problémy. Protože je její geneze dobře zmapovaná, můžeme se vydat po stopách vzniku této teorie, jejímž autorem je americký fyzik Alan Guth, krok za krokem.

Alan Guth (nar. 1947), absolvent proslulého Massachusettského technologického institutu, má za sebou oslnivou dráhu teoretického fyzika. Na počátku své vědecké dráhy se soustředil na částicovou fyziku. Poté, co začátkem 70. let minulého století skončil práci na svém doktorátu, se z MITu přesunul na další věhlasné pracoviště, na Cornellovu univerzitu, kde na jaře roku 1979 vyslechl důležitou přednášku shrnující poznatky moderní kosmologie a astrofyziky, která se stala novou oblastí Guthova zájmu.
Přednášku přenesl americký astronom Bob Dicke a zabývala se právě nejkřiklavějšími problémy teorie vývoje raného vesmíru. Dicke zdůraznil zvláště fakt, že vesmír je v důsledku minulých miliard let nyní pozoruhodně vyvážený mezi dvěma krajnostmi, překotným rozpínáním a bouřlivým zpětným zhroucením. Pokud tomu tak je, znamená to, že v době velkého třesku se počáteční podmínky musely shodovat s kritickými hodnotami s přesností na 50 desetinných míst. Kdyby to bylo jen o málo méně, vesmír by nám již „ulétl“ z dohledu; při nepatrném navýšení by se již vesmír zhroutil do sebe a dnes by už neexistoval. Otázka zněla: Jak je možné, že si vesmír po dobu své existence udržuje tak vyváženou rovnováhu?

Dalo by se říci, že Dickova přednáška měla pro Gutha iniciační charakter. V říjnu 1979 se sice z Cornellu přesunul na Stanfordskou univerzitu, ale zárodky myšlenek, které do jeho mysli zasel Dicke, ho neopouštěly. Právě naopak. John Gribbin v knize Pátrání po velkém třesku píše: „Guth si dobře vybavuje přesné datum, kdy už, jak se zdá, všechny myšlenky, pozvolna se sbíhající v jeho hlavě, náhle jedním rázem zapadly do společného celku. Bylo to ve čtvrtek 6. prosince 1979. Jeho průnik do podstaty vesmíru začal odpolednem, jež strávil v rozhovoru s návštěvníkem z Harvardu, Sidneym Dolemanem. Probírali spolu novinky svého oboru.“ Když se Guth večer vrátil do svého bytu, pokusil se nápad, který se mu vynořil v hlavě, formulovat matematicky. Nad poznámkovým blokem pracoval celou noc. Pod výpočty napsal větu: „Tento druh superochlazení vesmíru může vysvětlit, proč je dnešní vesmír tak neuvěřitelně plochý – a tudíž rozřešit paradox potřeby jemného vyladění parametrů vesmíru, na který poukázal Bob Dicke…“ Guth té noci neobjevil nic menšího než základ popisu raného vesmíru, který dne označujeme jako „teorie inflace“ (tento název model získal záhy po svém publikování).

Základem teorie inflace je myšlenka, že vesmír mohl v prvním nepatrném okamžiku po stvoření, „před bodem, ve kterém začíná příběh velkého třesku v pojmech standardního modelu“ (John Gribbin), podstoupit změnu známou jako fázový přechod, tedy ze stavu energetického do stavu méně energetického. Takovým fázovým přechodem jsou i známé jevy, jako je např. var vody a její přeměna v páru nebo zmrznutí vody v led. Při těchto jevech se náhle mění vnitřní uspořádání hmoty (či její symetrie), od náhodného pohybu molekul v kapalině například přejde v pevnou krystalickou strukturu tuhé látky. V raném vesmíru podle teorie inflace jednotlivé interakce „zamrzaly“, a to v důsledku neobyčejně rychlého rozepnutí vesmíru.

K fázovým přechodům obvykle dochází velmi rychle. Může se ale stát, že voda, pokud ji ochlazujeme pomalu a opatrně, zůstane tekutá i při 20 stupních pod bodem mrazu. Něco podobného, jak si uvědomil Alan Guth, se mohlo stát i v počátečních stádiích vesmíru, kdy síly „zamrzly“ do nové podoby, ale staré podmínky z nějakých důvodů přetrvaly. Neobyčejně rychlý musel být i fázový přechod v raném vesmíru. Již po 10-35 sekundy se vesmír, dosud jen o málo větší než pouhý bod, ochladil na 10-17 stupňů. To způsobilo, že síly silné interakce „vymrzly“, zatímco vesmír – či alespoň jeho část – zůstal v původní podobě, s odpovídající symetrií v podchlazeném stavu. V okolním vakuu se ovšem mohla za těchto podmínek objevit malá kvantová bublina. Jak se rozpínala, vytvářela nový prostor s vlastní hustotou energie. Protože se snažila mohutného nakupení energie zbavit, začala se rozpínat nesmírnou rychlostí, dokonce rychleji než světlo. Období velice rychlého rozpínání neboli inflace, jak byl tento jev pojmenován, způsobilo, že se bublina 10 na50 krát zvětšila, přičemž svůj průměr zdvojnásobovala každých 10 na -34 sekundy (což je miliontina doby, kterou potřebuje světlo, aby přeletělo jeden kvark). Nepatrná bublinka, způsobená kvantovou fluktuací, se tak proměnila ve vesmír, v největší útvar přírody, jaký známe.

To ale není všechno. Podchlazená část se silnou interakcí se nakonec vlivem své nestability „vzpamatovala“ a celá zamrzla. Energie, která se při tom uvolnila, ohřála vesmír na 10 na 27 kelvinů , což vedlo k tomu, že vzniklo mnoho nových částic. Vesmír se vrátil k mnohem pomalejšímu rozpínání a po několika dalších etapách zamrzání se začal vyvíjet do podoby, jak jej můžeme pozorovat dnes.

Guthova inflační teorie odstranila řadu problémů, s nimiž se potýkala původní teorie velkého třesku. Pozorovatelný vesmír se podlé ní vyvinul z malé oblasti prostoru, kde byla energie rovnoměrně rozložena. Všechna místa nepatrně drobné tehdejší „oblohy“ byla v daném okamžiku, než je expanze inflační fáze rozmetala, dostatečně blízko pro přenos informace, tedy uvnitř horizontu. Ať byla původní hustota vesmíru jakákoli, inflace ji přeměnila na jemně naladěnou kritickou hodnotu, kde zůstala až dodnes.

Další informace:
Alan Guth: Inflation and the Accelerating Universe
http://insti.physics.sunysb.edu/itp/OWP/talks/aguth/

MIT Department of Physics: Alan H. Guth
http://web.mit.edu/physics/facultyandstaff/faculty/alan_guth.html

Edge: A Golden Age of Cosmology
http://www.edge.org/documents/day/day_guth.html

Alan Guth

autor Jan Kapoun