Velký třesk nemusí být počátkem všeho, naznačuje nová teorie

Velký třesk je často popisován jako explozivní zrod vesmíru – jedinečný okamžik, kdy vznikl prostor, čas a hmota. Co když to ale vůbec nebyl počátek? Co když náš vesmír vznikl z něčeho jiného, z něčeho známějšího a zároveň radikálnějšího?

V novém článku publikovaném v časopise Physical Review D najdeme pozoruhodnou alternativu. Nové výpočty naznačují, že Velký třesk nebyl počátkem všeho, ale spíše výsledkem gravitačního zhroucení nebo kolapsu, při kterém vznikla velmi masivní černá díra, a následně došlo k odrazu uvnitř ní.

Tato myšlenka, kterou nazýváme vesmír černých děr, nabízí radikálně odlišný pohled na počátky vesmíru, a přitom je zcela podložena známou fyzikou a pozorováními. Dnešní standardní kosmologický model, založený na velkém třesku a kosmické inflaci (myšlenka, že raný vesmír rychle nabýval na velikosti), je při vysvětlování struktury a vývoje vesmíru pozoruhodně úspěšný. Má to však svou cenu: některé z nejzásadnějších otázek zůstávají nezodpovězeny.

Model velkého třesku začíná singularitou – bodem s nekonečnou hustotou, kde se fyzikální zákony rozpadají. Nejde jen o technickou závadu, ale o hluboký teoretický problém, který naznačuje, že počátku ve skutečnosti vůbec nerozumíme. Aby vysvětlili velkorozměrovou strukturu vesmíru, zavedli fyzici do raného vesmíru krátkou fázi rychlého rozpínání zvanou kosmická inflace, poháněnou neznámým polem se zvláštními vlastnostmi. Později, aby vysvětlili dnes pozorované zrychlující se rozpínání, přidali další „záhadnou“ složku: temnou energii.

Stručně řečeno, standardní model kosmologie funguje dobře, ale pouze díky zavedení nových složek, které jsme nikdy přímo nepozorovali. Mezitím zůstávají otevřené ty nejzákladnější otázky: Kde se všechno vzalo? Proč to začalo právě takto? A proč je vesmír tak plochý, hladký a velký?

Nový model

Nový model se zabývá těmito otázkami z jiného úhlu – dívá se dovnitř, nikoli ven. Místo toho, abychom vycházeli z rozpínajícího se vesmíru a snažili se vysledovat, jak vznikl, uvažujeme o tom, co se stane, když se příliš hustý soubor hmoty pod vlivem gravitace zhroutí.

To je známý proces: hvězdy se hroutí do černých děr, které patří mezi nejlépe pochopené objekty ve fyzice. Co se však děje uvnitř černé díry, za horizontem událostí, z něhož nemůže nic uniknout, zůstává záhadou. V roce 1965 britský fyzik Roger Penrose dokázal, že za velmi obecných podmínek musí gravitační kolaps vést k singularitě. Tento výsledek, rozšířený zesnulým britským fyzikem Stephenem Hawkingem a dalšími, je základem myšlenky, že singularity, jako byla ta při velkém třesku – jsou nevyhnutelné.

Tato myšlenka pomohla Penroseovi získat podíl na Nobelově ceně za fyziku za rok 2020 a inspirovala Hawkinga k napsání světového bestselleru Stručná historie času: Od velkého třesku k černým dírám. Je tu však jedna námitka. Tyto „věty o singularitě“ se opírají o „klasickou fyziku“, která popisuje běžné makroskopické objekty. Pokud zahrneme vlivy kvantové mechaniky, která ovládá drobný mikrokosmos atomů a částic, což je při extrémních hustotách nutné, může se příběh změnit.

V novém článku se píše, že gravitační kolaps nemusí skončit singularitou. Vědci nalezli přesné analytické řešení – matematický výsledek bez aproximací. Jejich matematika ukazuje, že s přibližováním se k potenciální singularitě se velikost vesmíru mění jako (hyperbolická) funkce kosmického času. Toto jednoduché matematické řešení popisuje, jak může kolabující oblak hmoty dosáhnout stavu vysoké hustoty a poté se odrazit a vyrazit ven do nové rozpínající se fáze.

Jak je ale možné, že Penroseovy věty takové výsledky zakazují? Za vše může pravidlo zvané kvantový vylučovací princip, které říká, že žádné dvě identické částice známé jako fermiony nemohou zaujímat stejný kvantový stav (například úhlový moment hybnosti nebo „spin“). A vědci ukázali, že toto pravidlo zabraňuje tomu, aby se částice v kolabující hmotě neomezeně stlačovaly. Výsledkem je, že se kolaps zastaví a zvrátí. Odraz je nejen možný, ale za správných podmínek je nevyhnutelný.

Podstatné je, že k tomuto odrazu dochází zcela v rámci obecné teorie relativity, která platí na velkých škálách, jako jsou hvězdy a galaxie, v kombinaci se základními principy kvantové mechaniky – nejsou zapotřebí žádná exotická pole, další rozměry nebo spekulativní fyzika. Na druhé straně odrazu se objeví vesmír, který je pozoruhodně podobný našemu. Ještě překvapivější je, že odraz přirozeně vytváří dvě samostatné fáze zrychlené expanze – inflaci a temnou energii – poháněné nikoli hypotetickými poli, ale fyzikou samotného odrazu.

Testovatelné předpovědi

Jednou ze silných stránek tohoto modelu je, že umožňuje testovatelné předpovědi. Předpovídá malou, ale nenulovou míru pozitivního prostorového zakřivení – to znamená, že vesmír není přesně plochý, ale mírně zakřivený, jako povrch Země.

Je to jednoduše pozůstatek počáteční malé nadměrné hustoty, která vyvolala kolaps. Pokud budoucí pozorování, například probíhající mise Euclid, potvrdí malé kladné zakřivení, bude to silný náznak toho, že náš vesmír skutečně vznikl z takového odrazu. To také umožňuje předpovědět současnou rychlost rozpínání vesmíru, což již bylo ověřeno. Tento model řeší více než jen technické problémy standardní kosmologie. Mohl by také vrhnout nové světlo na další hluboké záhady v našem chápání raného vesmíru – například na vznik supermasivních černých děr, povahu temné hmoty nebo hierarchický vznik a vývoj galaxií.

Tyto otázky budou zkoumat budoucí vesmírné mise, jako je Arrakhis, která bude studovat rozptýlené prvky, jako jsou hvězdná hala (sférická struktura hvězd a kulových hvězdokup obklopujících galaxie) a satelitní galaxie (menší galaxie, které obíhají kolem větších galaxií), které jsou obtížně zjistitelné tradičními pozemskými dalekohledy a pomohou nám pochopit temnou hmotu a vývoj galaxií.

Tyto jevy mohou být také spojeny s reliktními kompaktními objekty, jako jsou černé díry, které vznikly během fáze kolapsu a přežily odraz. Vesmír černých děr také nabízí nový pohled na naše místo ve vesmíru. V tomto rámci se celý náš pozorovatelný vesmír nachází uvnitř černé díry vzniklé v nějakém větším „mateřském“ vesmíru.

Nejsme nijak výjimeční, stejně jako Země nebyla výjimečná v geocentrickém světonázoru, kvůli kterému byl Galileo (astronom, který v 16. a 17. století navrhl, že Země obíhá kolem Slunce) umístěn do domácího vězení. Nejsme svědky zrození všeho z ničeho, ale spíše pokračování vesmírného cyklu – cyklu, který je utvářen gravitací, kvantovou mechanikou a hlubokými vzájemnými vazbami mezi nimi.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: theconversation.com, royalsocietypublishing.org, journals.aps.org