V úvodní části pojednání o objevu inflační teorie
(http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/F7B0A9D39CFBFFF5C1256F63003B59BA?OpenDocument&cast=1)
jsme si připomněli, jak před pětadvaceti lety vznikla v teorie inflace, jedna z nejvýznamnějších teorií moderní astrofyziky a kosmologie. Jaký byl její další osud?
Dnes je tomu již více než čtvrtstoletí, kdy standardní model velkého třesku vystřídal Guthův inflační kosmologický model. Z něj vyplývá, že za kratičký okamžik, asi za biliontinu biliontiny biliontiny sekundy (slovo „okamžik“, tedy doslova oka-mžik, je zde tedy poněkud nepatřičné) po velkém třesku, vzrostla velikost vesmíru o více procent než za celých následujících 13 a něco miliard let. Nápad, který Guth představil, byl sice nosný, ale měl jednu velkou slabinu. Americký fyzik zavedl pojem falešného vakua, zatímco pravé vakuum obsahuje „bublina“ nového vesmíru. Přechod od falešného vakua k pravému podle jeho inflační teorie by měl probíhat náhodně v celém prostoročase. Z tohoto důvodu by existovala řada nafouklých bublin prostoročasu, z nichž každá by disponovala vlastními hodnotami Higgsových polí a mírně odlišnými fyzikálními zákony, neboť počáteční symetrie by byla v každé bublině narušena odlišným způsobem.
V tomto původním inflačním modelu tedy neexistoval žádný elegantní způsob hladkého průběhu inflace. Místo toho, alespoň taková byla Guthova představa, bubliny inflace vybuchovaly ve veškerém prostoročase, jak se jednotlivé oblasti postupně protunelovávaly z falešného vakua do pravého. S představou shluku bublin souvisela skutečnost, že hranice mezi bublinami by měly v tomto modelu být velmi energetické a snadno detekovatelné. A zde narážíme na kámen úrazu: nic neodpovídá tomu, že by náš skutečný vesmír měl být právě takový. (Jiří Grygar to v knize Vesmír, jaký je popsal velmi výstižně: „Z Guthovy kosmické inflace vyplývalo, že v rozepnutém prostoru zůstanou díry jako v ementálském sýru, což se vůbec neshodovalo s pozorováním.“) Guthův model zkrátka obsahoval velmi závažný nedostatek, ačkoli myšlenka exponenciálního (inflačního) rozpínání byla nepochybě správná a vyřešila mnoho problémů moderní kosmologie.
Nikdo nepochyboval o tom, že inflační model musí být revidován. Ten, kdo se toho úspěšně ujal a kdo jej přivedl na vskutku novou úroveň, byl ruský fyzik Andrej Linde (*1948), který v době svého životního objevu v roce 1981 působil v moskevském Fyzikálním institutu P. N. Lebeděva. Linde se zabýval podstatou vysokoenergetických fázových přechodů zahrnujících Higgsova pole. Není se co divit, že Guthův článek z roku 1979 ho kromobyčejně zaujal. Došlo mu, že práce, na které spolupracoval s Danielem Kiržnicem, se netýká jen fyziky vysokých energií, ale že by mohla mít značný význam i pro kosmologii. Jak by ovšem mohlo docházet k hladkému přechodu z falešného vakua do pravého? To bylo jádro celého problému, který se Linde rozhodl rozlousknout. Po neobyčejně náročné práci narazil v létě roku 1981 na řešení. Zjednodušeně řečeno spočívalo v představě, že falešné vakuum je plošina vysoké energie, která se na obou stranách lehce svažuje do stavu pravého vakua. Výsledkem je hladké, stejnoměrné multiverzum, podobné spíše želé než shluku bublin.
Jinými slovy: Linde vyrukoval s myšlenkou, že krátká, ale vrcholně významná éra inflačního rozpínání nemusí představovat ojedinělou událost. Naopak – podmínky pro inflační explozi můžou opakovaně nastávat v mnoha izolovaných oblastech vesmíru a každá z nich si může projít svou vlastní, nezávislou inflací, díky níž se z ní vyvine nový vesmír, oddělený od ostatních. Je to pouze lidská fikce, anebo je tomu vskutku tak? „V každém z těchto vesmírů navíc proces pokračuje a nové vesmíry pučí z bublinek ve vzdálených končinách vesmíru starého a tvoří tak nikde a nikdy nekončící síť nafukujících se vesmírů.“ (Brian Greene: Elegantní vesmír, Mladá fronta, Praha, 2001). Tato myšlenka vstoupila do povědomí moderní kosmologie jako „nový inflační scénář“.
Co bylo zcela nové v Lindeho revizi inflace, je skutečnost, že v ní byl opuštěn jeden z nejtvrdších teorému fyziky, takzvaná konzistence fyzikálních zákonů. Jestliže totiž celému našemu vesmíru vládne totožná a konzistentní fyzika, nemusí platit pro fyzikální vlastnosti jiných vesmírů, jsou-li od nás odděleny a nemá-li navíc světlo dost času, aby k nám z těchto separovaných končin vůbec zavítalo. Albert Einstein by asi nesouhlasně mručel, ale dnes si lze celkem snadno představit, že se fyzika mění vesmír od vesmíru. Některé z vesmírů multiverza se od našeho vesmíru mohou lišit jen nepatrně (kupříkladu hmota elektronu nebo velikost silné interakce může být o tisícinu procenta menší nebo vyšší než v našem vesmíru), zatímco v jiných vesmírech mohou vládnout zcela odlišné poměry (např. kvarky mohou vážit desetkrát více nebo se tam objevují zcela jiné fyzikální částice, některé vesmíru mohou mít pouze jeden pozorovatelný rozměr, jiné se mohly rozepnout do rozměrů osmi, devíti, desíti atd.).
A jak byl Lindeův „fantastický scénář nové inflace“ přijat? Zpočátku to neměl snadné, to je zřejmé, ale kupodivu poměrně v krátkém čase fyzici obrátili. John Gribbin to v knize Hledání velkého třesku popsal následovně: „Linde svou verzi teorie poprvé prezentoval v říjnu 1981 na mezinárodním semináři, který se konal v Moskvě. Stephen Hawking z Cambridgské univerzity hned na místě reagoval vyvrácením Lindeova scénáře. Po důkladnější úvaze však tuto myšlenku shledal přece jen lákavější než předchozí. Jednak se o ní zmínil během semináře, který měl na Filadelfské univerzitě, jednak o tomto předmětu napsal s jedním ze svých kolegů článek. Dva filadelfští badatelé, Andreas Albrecht a Paul Steinhardt, pak nezávisle dospěli k víceméně stejným závěrům jako Linde. Své výpočty uveřejnili v dubnu 1982, přičemž v článku náležitě citovali Lindeovy nezávisle dosažené výsledky. Nová inflační hypotéza si začala získávat uznání přibližně v té době. Lindeova variace na Guthovo téma pak po několik následujících let zaujímala pozici vůdčího běžce mezi inflačními kosmologickými modely.“
Pochopitelně to neznamená, že Linde řekl poslední slovo. Inflační model vědci od roku 1982 vylaďují tak, aby souhlasil s pozorovanými údaji, které nám vesmír poskytuje. Jeden model popisuje stav falešného vakua ve středu plošiny, který obklopuje drobná bariéra, skrze niž se protunelovává ven. Takto vytváří řadu bublin. Každá začíná existovat na plošině, přičemž se ustáleným způsobem prokutálí do pravého vakua. Zrychlené rozpínání každé bubliny prosotoročasu pokračuje tak dlouho, dokud je na plošině. Bublina přitom může snadno narůst do velikosti pozorovaného vesmíru.
Je tedy náš obrovský vesmír pouze jednou bublinkou v „Lindeho želé“? Současný stav kosmologického poznání založeného na astrofyzice a fyzice částic to rozhodně nevylučuje, ba právě naopak. Jde ovšem stále o hypotézu, pročež zvídavým lidským mozkům zatím nezbývá nic jiného než zachovat trpělivost, zda-li se tato na první pohled takřka šílená fantazie potvrdí nebo bude vyvrácena.
Andrej Linde
