V moderní vědecké epoše byly cyklické vesmíry zkoumány už od okamžiku, kdy do výzkumu kosmologie promluvila obecná relativita. Alexandr Fridman vydal v Rusku v roce 1923 populární knihu, podle níž některá řešení Ein steinových gravitačních rovnic naznačují, že oscilující vesmír se rozpíná, docílí maximální velikosti, smršťuje se, zkolabuje do „bodu“ a potom se začne rozpínat nanovo.
V roce 1931, když už zavrhl svůj model statického vesmíru, zkoumal možnost oscilujícího vesmíru i samotný Einstein. Nejpodrobnější ze všech prací byla série článků publikovaných Richardem Tolmanem z Kalifornského technického institutu (Caltech) mezi lety 1931 a 1934. Ten se cyklickým kosmologickým modelům věnoval opravdu důkladně a matematicky. Jeho výzkumem započal příval podobných studií, často kroužících ve stojatých vodách fyziky, ale někdy vybublávajících na hladinu, který trvá dodnes.
Cyklické kosmologické modely částečně vděčí za svou popularitu zdánlivé schopnosti vyhnout se zapeklité otázce, jak vlastně vesmír začal. Plyne-li vesmír od jednoho cyklu k dalšímu a tyto cykly se střídaly vždycky (a možná vždycky budou), potom se lze problému ohledně jeho definitivního začátku vyhnout. Každý cyklus má svůj vlastní začátek a teorie nabízí jeho konkrétní fyzikální příčinu: konec cyklu předchozího. Na otázku, jak začala celá posloupnost cyklů, dostáváte odpověď, že žádný takový společný začátek neexistuje, protože se cykly opakovaly odjakživa.
V jistém smyslu jsou cyklické modely pokusem, jak nakrmit vlka, aby koza zůstala celá. V raných letech vědecké kosmologie poskytovala teorie stacionárního stavu vlastní fintu, jak se vyhnout otázce počátku vesmíru. Podle ní totiž vesmír neměl počátek, přestože se rozpíná: jak se vesmír nafukuje, nový prázdný prostor se nepřetržitě zaplňuje nově vytvořenou hmotou, čímž konstantní podmínky ve vesmíru zůstanou navěky. Astronomická pozorování ovšem tuto teorii vyvrátila, když přinesla pádné důkazy pro to, že v dávných epochách se vesmír od toho dnešního zásadně lišil. Nejkřiklavější byla pozorování úplně prvních kosmologických epoch, které měly daleko do stacionárnosti, protože byly prokazatelně chaotické a výbušné. Sny o stacionárním stavu podkopává velký třesk. Vynáší otázku zrodu zpět do popředí. Právě tady nabízí cyklické kosmologie přesvědčivou alternativu. Každý cyklus může – v souladu s astronomickými údaji – zahrnovat minulost podobnou velkému třesku. A tím, že za sebe seřadí nekonečný počet cyklů, se tato teorie stále vyhýbá povinnosti vysvětlit úplný začátek. Zdálo by se, že cyklické kosmologie kombinují nejpřitažlivější rysy modelů stacionárního stavu i velkého třesku.
V padesátých letech poukázal však nizozemský astrofyzik Her man Zanstra na jistou problematickou vlastnost cyklických modelů. Byl si jí v pod statě vědom i Tolman ve svých rozborech o desítky let dříve. Zanstra ukázal, že nekonečně mnoho cyklů ten náš předcházet nemohlo. Argumentoval hlavně druhým termodynamickým zákonem. Tento zákon, jemuž budeme věnovat více místa v 9. kapitole, stanoví, že nepořádek – entropie – musí s časem narůstat.
Je to fakt, který běžně pociťujeme. Kuchyně, byť ráno jakkoli uklizené, se ještě před soumrakem vždycky nějak dostanou do stavu nepořádku; totéž platí pro prádelní koše, stoly a dětské pokoje. V těchto případech je nárůst entropie jen nepříjemností; v cyklické kosmologii však hraje roli rozhodující.
Jak si Tolman sám všiml, rovnice obecné relativity svazují obsah entropie ve vesmíru s trváním daného cyklu. Více entropie znamená, že více rozptýlených částic se při smrštění vesmíru stlačí k sobě; v důsledku toho se vesmír odrazí a začne znovu rozpínat s větší vervou, docílí tak většího objemu, a proto bude následující cyklus trvat déle než cyklus předchozí. Při pohledu z dnešní perspektivy do minulosti druhý termodynamický zákon zaručuje, že starší a starší cykly měly stále menší a menší entropii (podle druhého zákona totiž entropie roste do budoucnosti a musí klesat do minulosti), a proto trvaly stále kratší a kratší dobu. S trochou matematiky Zanstra ukázal, že dostatečně dávné cykly trvaly tak krátce, že vlastně jako by ani nebyly.
Vesmír by tedy měl počátek.
Steinhardt a kolegové tvrdí, že jejich nová verze cyklické kosmologie se tomuto úskalí vyhýbá. V jejich přístupu se cyklicky nemění velikost vesmíru, který by se rozpínal, smršťoval a znovu rozpínal, ale vzdálenost mezi bránovými světy – roste, klesá a pak zase roste. Brány samotné se přitom stále rozpínají – a dělají to v průběhu každého jednotlivého cyklu. Entropie od cyklu k cyklu přibývá právě tak, jak to druhý zákon vyžaduje, ale protože se brány rozpínají, entropie se rozptyluje do stále větších objemů. Úhrnná entropie tedy roste, zato hustota entropie klesá. Ke konci každého cyklu je entropie natolik zředěná, že její hustota klesá velmi blízko k nule – vesmír se tak dokonale obnoví. A proto cykly mohou, na rozdíl od Tolmanovy a Zanstrovy analýzy, pokračovat nekonečně dlouho do budoucnosti i do minulosti. Cyklický ves mír s bránovými světy nevyžaduje, aby měl čas začátek.
S představou cyklického multivesmíru se starým hlavolamům vyhneme snadno. Jak ale jeho advokáti poznamenávají, nespokojuje se jen s rozřešením kosmologických hlavolamů; nabízí i konkrétní předpovědi, které ho odlišují od široce přijímaného inflačního paradigmatu. V inflační kosmologii by dramatická vlna rozpínání raného vesmíru porušila tkaninu prostoru natolik důkladně, že by to vyvolalo dost silné gravitační vlny. Ty by zanechaly stopy v reliktním záření, o jejichž zachycení dnes usilují vysoce citlivé přístroje.
Kolize brán naproti tomu vytváří na okamžik obrovský vír. Ten ale nerozpíná prostor stejně impozantně jako inflace, a proto by vznikly nanejvýš slabé gravitační vlny, jež by nezanechaly trvalý signál. Nalezení gravitačních vln vzniklých v raném vesmíru by tedy bylo pádným argumentem proti cyklickému multivesmíru. Naopak neúspěšné snahy o zpozorování takových gravitačních vln by zásadně zpochybnily velkou množinu inflačních modelů a zvýšily by přitažlivost modelů cyklických.
Povědomí fyzikální obce o cyklickém multivesmíru je vysoké, stejně vysoká je však úroveň skepse vůči němu. To by mohla změnit pozorování. Jestliže se známky bránových světů vynoří na Velkém hadronovém srážeči (LHC) a jestliže známky gravitačních vln z raného vesmíru se polapit nepodaří, může se cyklický multivesmír dočkat větší podpory.
Tento text je úryvkem z knihy:
Brian Greene: Skrytá realita – Paralelní vesmíry a hluboké zákony kosmu
Paseka 2012
O knize na stránkách vydavatele
