Astronomická společnost Chomutov

                                                                               ^{další články               +}      

kosmologie

přidáno  02.04.2020

Vznik teorie velkého třesku

Jak se vlastně přišlo na to, že měl vesmír začátek? Ještě na začátku minulého století to nebylo vůbec žádné téma. Do té doby se mělo za to, vesmír tady vždycky byl. S tím si nikdo hlavu nelámal, jestli vesmír začal, či ne. A vesmírem se tenkrát myslela pouze naše galaxie. Okolo pozorovali astronomové nějaké mlhoviny. Ale protože nebyly ještě pořádné dalekohledy, myslelo se, že ty patří k naší galaxii. Teprve ve dvacátých letech minulého století se postavily výkonnější dalekohledy a přišlo se na to, že ty mlhoviny jsou jiné galaxie. A vzápětí se dokonce vyvodilo z posunu spektra těchto galaxií do červena, že se tyhle galaxie od naší vzdalují. (Až na pár vyjímek jako Andromeda, ta se k nám přibližuje.) Ale většina se vzdalují a to stále rychleji a rychleji, čím jsou vzdálenější. No a protože to, co se od sebe vzdaluje, muselo být v minulosti blíže a blíže, začalo se uvažovat o počátku vesmíru. Tak vznikla teorie o rozpínání vesmíru nazývaný velký třesk.

Objevení galaxií a jejich vzdalování je většinou přičítáno Edwinu Hubbleovi. V roce 1929 formuloval Hubble svůj zákon červeného posuvu galaxií. Ovšem už před ním (1927) si všimnul katolický kněz Georges Lemaitre, že spektrální čáry vzdálených galaxií se jeví posunuté do červené části elektromagnetického spektra (světla) - vykazující tzv. červený posuv. Je to proto, že se pohybují směrem od nás a tím se vlnová délka světla prodlužuje. (světlo na červeném konci spektra má delší vlnovou délku než světlo na modrém konci).

Byl ale jeden člověk, který se nikdy dalekohledu nedotkl a přesto došel k závěru o rozpínajícím se vesmíru více než o deset let dříve než Lemaitre. V roce 1916 formuloval Albert Einstein obecnou teorii relativity, která popisuje gravitaci jako zakřivení prostoročasu způsobené přítomností hmoty a energie. A zjistil, že rovnice mu říkají, že vesmír by se měl buď rozpínat, nebo smršťovat, ale že nemůže být statický. Ale protože byl zastáncem statického vesmíru, zavedl do rovnic tzv. kosmologickou konstantu. (Později toto označil za svou největší "oslovinu" a opět je odstranil.)

Den bez včerejška

V okamžiku velkého třesku vznikl prostor a čas. Teorie velkého třesku popisuje vývoj vesmíru od zlomku sekundy po té, co vznikl. Ale prvotní příčinu tato teorie nevysvětluje. Fyzikálně nejsme schopni sledovat dění od takzvané nulové vzdálenosti. Vesmír pro nás měl začátek, když už nějaký začátek měl. Můžeme sledovat děj počátku vesmíru "až" od tzv. planckových rozměrů. To jsou vůbec nejmenší možné velikosti. My můžeme začít až od 10 na mínus 33 centimetrů.

Taky nemůžeme nic vypovědět o vesmíru když začal čas. Něco jako od nulového času. Pro nás začínají bít hodiny teprve od 5 krát 10 na mínus 44 sekundy. A už vůbec nedokážeme říct, co bylo "před" velkým třeskem. Tenkrát, při vzniku vesmíru byl stvořen i čas a tudíž otázka "co bylo předtím?" nemá smysl. Čas před velkým třeskem nemohl být, protože čas neexistoval. Ten den nemělo včera!

A byl taky děsně, děsně, děsně, děsně a děsně horký. Tak jak to píšu! 10 na 32druhou celsia. To si nikdo neumí představit. Taková byla teplota na počátku vesmíru. A u těchto teplot nemůžou být žádné částice, není nic kromě záření. (Kromě toho by se žádná částice nemohla vměstnat do tak malých rozměrů - moje vlastní úvaha :-)

Jak je tedy možné, že NĚCO vůbec je? Počátek vesmíru bylo jen a jen záření. Bylo šílené vedro. Ale to bylo vše. Jak to, že je vůbec nějaký druh hmoty? A jestliže hmota je, jak to že je právě tenhle druh hmoty? Takže něco jako Standa, Jarda, Jirka, Petr, Radek? Nemluvě o otázce, odkuď vlastně pocházejí všechny ty různé prvky?

JAK VŮBEC VZNIKÁ HMOTA? Tak to kamarádi astronomický dosud nezodpověděl žádný učenec. Odpověď se vymyká našim schopnostem. Bádal jsem všude možně, ale buď to autor šikovně obejde, nebo se nad tím vůbec nepozastavuje. Prostě se uvádí "hmota vznikla" a basta! Jen jeden se přiznal, že to nikdo neví a zřejmě vědět nebude. Německý astrofyzik a filozof Dr. Harald Lesch.

Ale protože jsem tady a píšu o tom a vy jste tady taky a čtete si o tom (a založili jsme spolu astronomickou společnost Chomutov :-) a naše těla se skládají z atomů a ty se opět tvoří z částic jako protony a neutrony či elektrony, takže z různých částic, tak očividně tady NĚCO je. Ne jenom záření. Ale odkuď pocházejí všechny tyto částice, to by mě děsně zajímalo!

Vesmír nebyl zpočátku nic jiného, než energie. Byl šíleně horký a děsně malý. Sestával jedině z energetické "kaše". Mrňavé, děsně horké a šíleně nudné kaše. Všechno bylo v rovnováze, nic se neměnilo. A kdyby to tak zůstalo, nemohl bych vám dneska o tom psát. Protože kde není změna, není ani vznik něčeho nového. No ale vesmír se rozpínal a tím pádem i chladnul. A až teplota poklesla pod jistou kritickou hodnotu, vznikly částice. Ty vznikly, protože ta rovnováha měla sice malinké, ale přeci jen nějaké odchylky od rovnováhy. Přesně řečeno odchylky od symetrie. Počátek vesmíru byl zcela symetrický. Jedno ve kterém směru., všechno bylo stejné: stejná hustota, stejná teplota. Všechno bylo záření. Nebylo by odchylky, nebyli bychom dnes tady. Jak říká Einsteinova rovnice relativity E=mc2. Dokud je všechno symetrické, takže dokud je hmota a energie vzájemně zaměnitelná, vzniká ze záření hmota, též částice, kupř. elektron. Ovšem vzniká i antihmota, kupř. pozitron. No a částice a antičástice se co? Se navzájem zničí a přemění se opět v záření. Nebýt těch odchylek, zůstalo by to symetrické a tudíž děsně nudné ... che che che

No a jak to, že vůbec něco z toho vzájemného ničení zbylo? A jak to že zbyla právě hmota? Skoro žádná antihmota ve vesmíru totiž nezůstala. A opět zapracovaly odchylky od symetrie. 5 miliard částic našlo antičástici a přeměnilo se v záření. Ale jedna částice z těch 5 miliard zůstala a nenašla žádnou antičástici. Z toho strašně malinkého zbytku, této malinkaté odchylky jedna ku pěti miliradám, vznikla pak veškerá hmota, která se ve vesmíru nachází.

Ještě jednou v krátkosti. Ve zcela symetrickém vesmíru, v kterém by bylo na počátku úplně všechno stejné, bychom o počátku vesmíru nemohli uvažovat, protože bychom vůbec nebyli. Vůbec by nebyla žádná struktura, protože by záření jednoduše zůstalo zářením. Konec! Jen děsně malinká odchylka (asymetrie) na počátku to dokázala tak pozměnit, že mohla ve vesmíru vzniknout hmota. Z toho stejnorodého vřelého a nudného vesmíru se stala slavnost různých sil, které vznikaly s klesající teplotou. A s každou novou silou vznikly i nové částice.

Částice se dnes dají dělit v principu na dvě části. Kvarky a leptony. Kvarky jsou stavební částice protonů a neutronů. A tak také vznikly elektrony a ještě hodně jiných částic. Up-kvarky a down-kvarky tvoří protony a neutrony. Teorie velkého třesku předpověděla 6 kvarků. Čili jěště by měli být čtyři další kvarky, o těch ale nevíme na co jsou, protože v dnešní hmotě neexistují. Ovšem můžeme je stvořit v laboratoři - hadronovém srážeči (LHC v Ženevě). Tím byla potvrzena předpověď teorie velkého třesku. Ovšem víc než potvrzení to nebylo. (více o kvarcích zase jindy ;-)

Obrovská energie (energie = teplo) na počátku vesmíru (10 na 32druhou celsia) znamenala, že hmota, jak ji známe, se nemohla vytvořit a všechny základní síly splývaly v jedinou sjednocenou sílu. V prvním zlomku sekundy se vesmír rozpínal pomalu, ale tím přeci jen neustále řídnul a ochlazoval se. Pak následovalo něco hodně dramatického. Sjednocená síla se rozpadla a oddělily se základní síly jedna od druhé a při tom se uvolnil obrovský výtrysk energie. Tato dávka energie způsobila, že se vesmír začal exponenciálně rozpínat. Tomuto procesu se říká kosmická inflace. Během zlomečku sekundy (10 na mínus 44) se vesmír zvětšil 1'078x. Ze zrníčka menší než protonové smíítko dosáhl velikosti grapefruitu. Ku představě - jestliže by se takhle zvětšil tenisový míček, dosáhl by velikosti dnes viditelného vesmíru. A když o chvíli později inflace dozněla, byl vesmír asi jen třikrát menší než je dnes.

Kosmická inflace byla zprvu považována za náplast, která má zakrýt slabiny modelu velkého třesku, ale objev specifického otisku polarizace skrytého v kosmickém mikrovlném záření posunuly tuto "náplast" ze šera pochybností na výsluní jistoty. Je to jeden z předpovězených vedlejších výsledků kosmické inflace, že totiž krátká prudká expanze vesmíru způsobila ve struktuře prostoročasu vlny, které se šířily zvětšujícím se prostorem jako vlnky na rybníku, když do nich hodíte kámen.

Podle předpovědi měly tyto vlny, kterým říkáme gravitační, zanechat otisk na kosmickém mikrovlnném pozadí. Jak se totiž vlny šířily prostorem, ohýbaly a natahovaly strukturu vesmíru a s tím zároveň ohýbaly a natahovaly i všechny částice, které se v něm vyskytovaly.

Je vlastností některých částic, např. elektronů, že se zbavují přebytečné energie ve formě fotonů (např. světlo). Za běžných podmínek jsou tyto fotony vyzařovány náhodnými směry, ale pokud gravitační vlny zakřiví prostor, fotony se srovnají podle pohybu vlny a budou polarizované (usměrněné).

K polarizaci fotonů dochází poměrně běžně, ale polarizace gravitačními vlnami by měla vytvořit charakteristický vzorec (B-mód). Roku 2014 byl tento "otisk" v kosmickém záření skutečně objeven skupinou vědců na jižním pólu. A nanovo se prokázala teorie velkého třesku tím nejlepším nástrojem, který nám pomáhá v poznání vesmíru.

Tím poklesla teplota vesmíru natolik, až se vytvořily podmínky pro vznik prvních částic hmoty.

První nukleonová syntéza

Toto rozpínání se ale nevztahuje na galaxie samotné. Ty zůstavají jak jsou. Co se rozpíná je prostor mezi nima. Proto se taky mohl na počátku rozpínat vesmír rychlostí větší, než rychlosti světla. Pravidlo, že nic nemůže být rychlejší, než rychlost světla se vztahuje na hmotu (informaci). Nikoliv na prostor.

Velký třesk je vlastně zavádějící pojmenování. Nešlo o žádný "výbuch". Šlo jen o děsně rychlé rozpínání prostoru. V prvních milisekundách vzniku se vesmír rozpínal neuvěřitelně rychle.

Na rozdíl od náboženství, nebo fantazie se vědecká teorie vyznačuje tím, že se dá přezkoušet. Ne jestli je správná, to se nedá. Teorie zůstane teorií. Ale musí se dát přezkoušet, jestli je chybná. No a teorie velkého třesku zatím nikdy nebyla vyvrácena.