Podpis velkého třesku

Jak hluboko do minulosti kosmu lze dohlédnout, se americký astrofyzik John Kovac poprvé dozvěděl v osmdesátých letech, kdy ještě chodil na střední školu. V Prvních třech minutách, knize Stevena Weinberga o počátcích světa, se dočetl o rozptýleném rádiovém šumu, který ve vesmíru zbyl z časů nedlouho po jeho vzniku. Je to nejstarší „světlo“ vůbec, zachycující podobu kosmu v době, kdy byl stár pouhých 380 tisíc let a žhavý jako dnes povrch Slunce. „Přišlo mi tehdy, že to je ta nejúžasnější věc v celé vědě,“ řekl John Kovac nedávno časopisu Nature. Tehdy netušil, že on sám se pokusí proniknout ještě mnohem hlouběji, až k samému počátku času.

Během miliard let rozpínání kosmu vychladlo nejstarší světlo natolik, že už nezáří ve viditelné oblasti, pomocí citlivých rádiových antén ho lze naladit v pásmu velmi krátkých vln. Zájem Johna Kovace naopak neochladl. Šel studovat na Princetonskou univerzitu, kde působili největší experti na reliktní záření – jak se dnes „rádiu“ z dob, kdy byl vesmír mlád, odborně říká. Bylo to na počátku devadesátých let a věda si začínala uvědomovat, jak cenným zdrojem informací o vzniku světa může záhadný šum oblohy být.

Od té doby potvrdilo několik kosmických sond i pozemských aparatur, že očekávání nebyla přehnaná. Jak skvělý instinkt měl John Kovac coby teenager, se znovu ukázalo letos v polovině března. Jeho tým zveřejnil objev, jejž někteří kosmologové označili za jeden z největších průlomů v historii lidského poznání – byť v tom možná hrála roli i jistá prvotní euforie.

Zrození „z ničeho“

Objev reliktního záření byl v šedesátých letech fantastickým potvrzením představy, že náš vesmír vznikl z nesmírně žhavého a hustého počátečního stavu. Většina nejzatvrzelejších odpůrců teorie velkého třesku tehdy kapitulovala a přijala myšlenku, že tu kosmos není od věčnosti, ale má počátek v čase (dnes víme, že od něj uplynulo necelých 14 miliard let).

Tehdejší pojetí velkého třesku ale nedokázalo do detailů vysvětlit současnou podobu vesmíru. A to je u teorie, která zcela zásadně i z filozofického hlediska změnila pohled na charakter světa, docela problém.

Nebylo například jasné, proč se vesmír jeví ve všech směrech stejný. Výpočty ukazovaly, že nic, ani světlo, na počátku světa nemělo dost času dolétnout z jedné části rozpínajícího se kosmu do druhé, a neexistoval tedy způsob, kterým by se hmota v kosmu mohla „promíchat“ natolik, že vytvořila homogenní vesmír. Zdálo se naopak, že bychom třeba na jižní pozemské obloze měli pozorovat více galaxií než na severní, pohled na východ by měl být jiný než na západ a podobně.

S určitou variantou tohoto problému si jednoho večera v roce 1979 lámal hlavu Alan Guth, mladý fyzik pobývající na roční stáži na Stanfordově univerzitě. Bylo už pozdě v noci, když do záhlaví stránky pokryté výpočty načrtl slova „úžasný nápad“ a zvýraznil je rámečkem.

Jeho překvapivá myšlenka přežila do současnosti a dnes se příběh zrodu vesmíru vypráví asi takhle: Bezprostředně po vzniku světa neexistovalo nic než kvantová pěna. Tedy jakési bublající „vroucí“ vakuum „našlapané“ energií, v němž se neustále rodily a zanikaly různé částice – překmitávaly z nicoty do existence a zase zpět. Podle kvantové mechaniky jsou takové fluktuace skutečně možné; pokud částice existují dostatečně krátkou dobu, není jejich vznik „z ničeho“ porušením fyzikálních zákonů.

Sama kvantová pěna by ale ke vzniku dnešní podoby vesmíru nestačila. Alan Guth si představoval, že po prvních triliontinách triliontin vteřiny existence kosmu došlo k něčemu velmi podivnému. Vakuum sestoupilo do „nižšího energetického patra“ – prošlo takzvaným fázovým přechodem podobně jako voda, když zmrzne v led. Tím se uvolnila část jeho energie, což se projevilo obrovskou explozí, jako by rodící se vesmír sám sebe vyhodil do povětří. Kvantová pěna se začala bleskově rozpínat – daleko rychleji, než by jí předepisovala standardní teorie velkého třesku – a během nepatrného zlomku vteřiny dramaticky zvětšila své rozměry: „nafoukla“ se alespoň kvintilionkrát (1030krát). Této divoké fázi vývoje kosmu se začalo říkat inflace.

Není přitom jasné, jakých rozměrů vesmír během inflace vlastně nabyl. Kdyby měl před začátkem prudkého rozpínání mikroskopickou velikost, mohl by se zvětšit na objem zeměkoule. Právě tak ovšem mohl být před explozí i po ní nekonečný.

Problémy teorie velkého třesku vyřešila Guthova myšlenka elegantně (viz rámeček). Skutečně se ale něco tak zvláštního odehrálo? Část kosmologů v inflaci neuvěřila. Neexistoval žádný způsob, jak pohlédnout tak blízko k počátku světa a ověřit, co se tehdy opravdu dělo. Konečnou mezí dohledu zpět v čase bylo právě „nejstarší světlo“, reliktní záření, které tak fascinovalo Johna Kovace.

To ovšem zachycuje podobu vesmíru v době, kdy byl stár už statisíce roků. Inflace proto mohla navždy zůstat pouhou teorií. Ani Alan Guth, který nyní působí na MIT, ani další z otců inflační teorie, Andrei Linde ze Stanfordovy univerzity, donedávna nevěřili, že se jejího důkazu dožijí.

Vzkaz z počátku světa

Možná však nebyl takový pesimismus namístě. Astrofyzik a spisovatel Carl Sagan (1934–1996) v jedné ze svých vědecko-fantastických knih přišel se zajímavým nápadem. Stvořitel vesmíru po sobě zanechal podpis vetknutý do nejhlubších struktur světa tak, aby jej rozumné bytosti dokázaly najít a rozluštit. Tím prokázal svoji existenci. V takto neuchopitelných kategoriích se věda nepohybuje, převedena do reality by ale Saganova myšlenka mohla vést k otázce, zda po sobě nemohla zanechat nějaký takový podpis aspoň inflace.

„Představte si výstřel z děla, který rozkmitá vzduch tak, že uslyšíte obrovskou ránu. Podobně inflace rozkmitala samotný časoprostor,“ vysvětluje Petr Kulhánek, teoretický fyzik z pražského ČVUT. Pokud se Albert Einstein ve své obecné teorii relativity nemýlil, musely se během inflace předivem časoprostoru rozběhnout gravitační vlny, které se vesmírem šíří dodnes. Zeslábly však už natolik, že je nelze zachytit (ostatně detekovat třeba i mnohem silnější gravitační vlny ze současnosti se dosud nepodařilo, důkazy o jejich existenci jsou pouze nepřímé).

V době, kdy byl vesmír stár 380 tisíc let, byly však gravitační vlny vyvolané inflací ještě natolik silné, že by se teoreticky mohly nějakým způsobem otisknout právě v reliktním záření. V roce 2002 zjistil tým vědců, jehož součástí byl i John Kovac, že reliktní záření je polarizované, kmitá v určité preferované rovině (z důvodů, které s inflací nesouvisejí). Teoretici pak spočítali, že gravitační vlny deformující předivo časoprostoru dokážou rovinu polarizace ovlivnit, a ukázali, jak by měl jejich podpis vypadat.

Závodů o to, kdo tento vzkaz z počátku světa najde, se zúčastnilo přibližně deset vědeckých týmů z různých zemí. V polovině března oznámila úspěch právě skupina vedená Johnem Kovacem. Otisk gravitačních vln nalezla pomocí přístroje BICEP2 umístěného na jižním pólu. Tvoří jej 512 supravodivých detektorů mikrovlnného záření, které tým namířil do takzvané Jižní díry, oblasti vesmíru mimo rovinu naší galaxie, z níž přichází jen minimum rušivého šumu. Zachycený podpis gravitačních vln je překvapivě silný; i proto si Kovac s kolegy déle než rok lámali hlavu, jestli údaje neinterpretují chybně. Porovnávali svá data s jinými měřeními, krmili jimi superpočítač na Harvardově univerzitě, kde Kovac dnes působí, nakonec ale dospěli k závěru, že se nemýlí.

Definitivně však objev mohou potvrdit až další měření. S napětím se nyní čeká například na nové údaje z kosmické sondy Planck, které mají být zveřejněny ještě letos. Sonda by měla poskytnout údaje z celé oblohy, nikoli již jen z malé výseče jižního nebe.

Bubliny nových vesmírů

Pokud výsledky Johna Kovace obstojí, stanou se prvním hmatatelným důkazem, že k inflaci skutečně došlo. Studium gravitačních vln zároveň otevře nové „okno“, kterým bude možné nahlédnout až téměř k okamžiku zrození světa. Mohlo by se díky němu například ukázat, jak vlastně prudké rozfouknutí kosmu proběhlo a jaká síla jej poháněla.

Podrobnější výzkum gravitačních vln pak může přinést také důkladný úklid v kosmologii. Už teď je jasné, že některé teorie nejspíš neplatí: škoda je hlavně takzvaného ekpyrotického modelu kosmu, elegantní a fascinující představy o charakteru našeho světa. Velký třesk líčí jako důsledek přiblížení dvou trojrozměrných vesmírů vznášejících se ve vícerozměrném prostoru – lze to připodobnit k třesknutí dvou plochých činelů o sebe, přičemž každý z nich je samostatným vesmírem. Paul Steinhardt, jeden autorů této myšlenky, již přiznal, že ekpyrotický model je zřejmě mrtvý, protože v něm vznikají jiné gravitační vlny, než Kovacův tým zaznamenal. (Ironií osudu je Steinhardt, který teď působí na Princetonské univerzitě, zároveň i třetím z otců inflační teorie, později však na ni zanevřel.)

Uklízet se možná bude také kolem inflace. Z původní myšlenky Alana Gutha povstalo asi 100 modelů, jak přesně proběhla. Důležité místo mezi nimi zau-
jímá teorie chaotické inflace, s níž přišel v roce 1983 již zmíněný Andrei Linde (tehdy žil v SSSR, začátkem devadesátých let odešel do USA).

Jeho teorie vychází z představy, že jakmile inflace jednou začne, probíhá věčně. Inflační rozpínání tak vytváří multiverzum, v němž neustále vznikají bubliny nových vesmírů, podobně jako když se vaří voda a objevují se v ní bubliny páry. V našem vesmíru už inflace vyhasla, za jeho hranicemi však zuří dál.

Myšlenka věčné inflace podle Linda neznamená, že by svět v nejširším smyslu slova nemohl mít žádný počátek v čase. „Možná proběhl jeden počáteční velký třesk, který si můžeme představit jako kořen kosmického stromu. Z tohoto ,stromu‘ se pak odštěpovaly bubliny dalších velkých třesků, dalších vesmírů, a celý proces bude pokračovat věčně,“ řekl Linde Respektu v roce 2007. Dnes k tomu dodává, že pokud se Kovacovy závěry potvrdí, bude to pro teorii věčné inflace důležitá vzpruha. Naopak některé jiné inflační scénáře padnou.

Dojdeme tedy nakonec k závěru, že žijeme v multiverzu? Někteří vědci s Lindem nesouhlasí a odmítají názor, že by nové výsledky z jižního pólu mohly do této diskuse už nyní jakkoli promluvit. Andrei Linde uznává, že důkazy o existenci multivesmíru neexistují, přesto si stojí za svým: „Spíš bych se ptal opačně: jaká pozorování nám potvrdila, že náš vesmír je jediný? Že existuje pouze jeden obrovský balon, který má všude stejné vlastnosti? Žádná,“ argumentuje Linde.

Sama inflace se každopádně stává neoddiskutovatelným faktem a její otcové včetně Linda jsou žhavými kandidáty na Nobelovu cenu. Pro současný vývoj ve fyzice a kosmologii je to typické: starší teorie se perfektně potvrzují (kromě inflace také například existence Higgsova bosonu), ale žádná nová, dramatická překvapení nám příroda v posledních letech nenabízí.

Zároveň je však možné, že se již blížíme k hranici vstupu na nové území. Další výzkum gravitačních vln z raného kosmu, obnovení experimentů na urychlovači v CERN, k němuž má dojít příští rok, nebo výzkum takzvané temné hmoty – to vše jsou oblasti, které mohou brzy přinést průlomový objev.

Elegantní řešení

Inflační teorie pomohla počátkem osmdesátých let minulého století vyřešit četné rozpory, které přinášela teorie velkého třesku ve své starší podobě. Díky inflaci, jež trvala méně než triliontinu triliontiny vteřiny, je například vesmír ve všech směrech stejný, protože vznikl náhlým rozfouknutím nesmírně malého objemu, jehož jednotlivé části byly původně ve vzájemném styku. Z téhož důvodu se nám vesmír může jevit plochý, podobně jako se bakterii žijící na povrchu obrovské koule zdá, že její svět je rovina.

Další informace včetně rozhovoru s Andreiem Lindem z roku 2007 naleznete na Respekt.cz – Zkumavka.