Jde-li o platnost fyzikálních zákonů v okamžiku vzniku vesmíru, jediná poctivá odpověď je, že zatím nevíme jistě. Potřebovali bychom nové pokročilejší teorie, zejména teorii kvantové gravitace. Co však můžeme popsat poměrně dobře, jsou moderní představy o vzniku kosmu, jež se od hypotéz z první poloviny minulého století zásadně liší. To, že by existovala prvotní singularita (v kosmologickém kontextu jediný nekonečně malý bod s nekonečnou hustotou, teplotou a dalšími parametry, v němž měla být obsažena veškerá hmota vesmíru) si dnes již většina kosmologů nemyslí. 

Bylo by ale škoda tady naši odpověď zakončit, proto bych rád zabrousil trochu do historie a vývoje kosmologie, aby bylo jasné, jak jsme na své současné poznatky o vesmíru přišli. Současně by bylo také dobré si říci více o tom, co dnes o našem kosmu víme a co bychom se snad mohli dozvědět v blízké budoucnosti. 

Stručná historie kosmologie

O vzniku vesmíru panovaly v historii různé představy – pavědecké, pseudovědecké, náboženské a mytologické i vědecké. Kosmologii v mýtech lze v zásadě rozdělit na cyklické modely, v nichž vesmír neustále zanikal a znovu vznikal, a modely necyklické, kdy byl vesmír buď věčný, nebo vznikl v nějakém konkrétním časovém okamžiku v minulosti. 

My se ovšem budeme zabývat vědou, konkrétně teorií Velkého třesku, na níž je moderní kosmologie založena. Ta vznikla ve 20. a 30. letech minulého století. Klíčovou postavou byl belgický fyzik a kněz Georges Lemaître, jenž jako první přišel s ideou horkého a hustého počátku kosmu [1, 2]. On sám jej nazval kosmickým vejcem. Dnešní představy jsou už poněkud pokročilejší, a proto víme, že počátek vesmíru byl podstatně komplikovanější, s čímž souvisí i prvotní singularita a platnost fyzikálních zákonů vesmíru v raném vesmíru. 

Co víme o raném vesmíru a jak jsme to zjistili?   

Důležité je si uvědomit, že v elektromagnetickém zářením (viditelné světlo, ultrafialové a infračervené záření…) můžeme zachytit jen ty signály, které se uvolnily 380 000 let po vzniku kosmu, nebo později. Žádný dřívější signál nemůžeme tímto způsobem detekovat. Důvodem je, že se až tehdy stal vesmír tzv. průhledným pro fotony, částice zprostředkovávající elektromagnetickou sílu. Došlo totiž k procesu, kterému odborně říkáme rekombinace: elektrony se spojily s jádry atomů vodíku a helia, vesmírná polévka změnila skupenství a fotony mohly volně cestovat [3]. A právě v té době se uvolnilo tzv. reliktní záření, pozůstatek po prvotní horké fázi vesmíru, které nám může povědět mnohé o raném kosmu. Jeho analýzou můžeme zjistit třeba stáří vesmíru, rychlost jeho rozpínání či dobu, kdy vznikly první hvězdy [4]. 

Pokud se však chceme podívat blíže k samotnému počátku, musíme zvolit jiné metody, například reliktní neutrina [5]. Reliktní částice jsou zbytkem po horkém a hustém počátku vesmíru, z doby, kdy se příslušné částice oddělily od hmoty. Přicházejí k nám ze všech směrů a jsou důkazem standardního kosmologického modelu. Jedním typem takových částic jsou právě zmíněná reliktní neutrina, která se od látky oddělila v době, kdy byl vesmír starý asi jednu sekundu. Bohužel jsou však neutrina obecně velmi lehké a s hmotou slabě interagující částice. Každým centimetrem čtverečním zemského povrchu procházejí každou sekundu bez povšimnutí miliardy neutrin, takže není snadné je zachytit. Reliktních neutrin je kolem nás mnoho, naneštěstí mají ale mimořádně nízkou energii, proto spíše pozorujeme neutrina ze Slunce, supernov či jaderných reaktorů. Snahy zachytit neutrina z počátku kosmu již probíhají, prozatím ale neúspěšně [6]. 

Pohled do nejvzdálenější minulosti by nám však nabídly reliktní gravitační vlny. Fenomén gravitačních vln známe vcelku dlouho, nepřímo byly zachyceny již v roce 1974 [7], přímo pak roku 2015 [8]. To byly vlny generované neutronovými hvězdami, respektive černými dírami. Reliktní gravitační vlny by však vytvořily bouřlivé procesy odehrávající ve velmi mladém kosmu, asi jen v čase 10⁻³⁵ až 10⁻³² sekundy po jeho vzniku [9]. Vědci si myslí, že tehdy vesmír prošel tzv. inflační fází, periodou, kdy se prudce rozepnul všemi směry o 20 až 70 řádů (v závislosti na konkrétním modelu) [10]. 

Pro inflační scénář však dosud chybí přímé důkazy a existují i alternativní modely. Právě detekce reliktních gravitačních vln (a jejich změřené parametry) by mohla rozhodnout, který z kosmologických modelů je správný. Proto se je fyzikové snaží zaznamenat, prozatím neúspěšně. Některé projekty, které by se měly uskutečnit ve 30. letech, ale dávají slušnou naději (LISA [11], LiteBIRD [12]).   

Na astrofyzikální a kosmologická měření se tedy co do přímých měření týkajících se velmi raného vesmíru spolehnout zatím nemůžeme. Naštěstí máme jinou cestu, totiž urychlovače částic, jako Velký hadronový urychlovač v CERNu. Zde sice nelze nahlédnout do minulosti, ale při srážkách částic dokážeme napodobit podmínky, které v raném vesmíru panovaly. Při současných energiích můžeme tímto procesem generovat stavy látky panující v době, kdy byl vesmír starý asi 10⁻¹³ sekundy (jedna desetibiliontina sekundy) [13]. Díky tomu víme, jaké procesy se odehrávaly v takto mladém kosmu a jaké fyzikální zákony zde platily. Od času 10⁻¹³ sekundy po počátku proto známe raný vesmír poměrně dobře [14]. Pokud však jde o dřívější fáze, musíme se opírat jen o předpovědi na základě již známých fyzikálních zákonů a více či méně dobře podložené hypotézy. 

Hypotézy o velmi raném vesmíru a Planckův čas

Náš vesmír aktuálně nejlépe popisují dvě teorie, obecná relativita, která je teorií gravitace, a kvantová teorie, která popisuje tři další základní fyzikální síly. Tyto dvě teorie se prozatím nedaří spojit do jednotné teorie, které říkáme kvantová gravitace [15]. A to je problém. Objevují se sice už někteří kandidáti na takovou teorii (nejznámější jsou teorie strun [16], popřípadě smyčková kvantová gravitace [17]), avšak zatím pro ně spolehlivé experimentální důkazy nejsou, tudíž nevíme, zda platí.

Kvantová gravitace by nám umožnila povědět více např. o nitru černých děr, ale především o dějích, jež se odehrávaly na samém začátku existence vesmíru. Bez ní jsme slabí, neboť na samém počátku vesmíru nám známé fyzikální teorie selhávají. Krátce po vzniku vesmíru totiž panovaly tak extrémní podmínky, že zde i prostoročas projevoval v nezanedbatelné míře kvantové chování. Jenže prostoročas zatím bohužel kvantovat neumíme. 

O jaké časové škále hovoříme? Od času 5,4 × 10⁻⁴⁴ sekundy máme o tom, co se ve vesmíru odehrávalo a jakými fyzikálními zákony se tyto procesy řídily, aspoň nějakou představu. Zmíněný časový úsek je tzv. Planckův čas, nejkratší časový okamžik, o němž má podle současné fyziky smysl uvažovat. O vesmíru v Planckově čase nevíme moc, domníváme se však, že tehdy byly všechny čtyři základní síly spojeny v jedinou prasílu a teplota a hustota kosmu dosahovaly extrémních hodnot.

Před Planckovým časem přestávají známé fyzikální zákony a teorie platit, respektive přestávají dávat rozumné výsledky. Máme totiž za to, že tehdy začínají být kvantové efekty tak mocné, že začnou dominovat i nad gravitací. Obecná relativita, která gravitaci popisuje a propojuje ji s časem, zde ztrácí na významu, naopak kvantové efekty dominují i času (více o času v dotazu č. 1613). Lze proto očekávat, že pojem času, jak jej známe, ztrácí před Planckovým časem svůj význam.   

Co bylo v Planckově čase, matně tušíme, co ale bylo před ním, to nevíme vůbec. Pokud bylo vůbec něco a pokud mají slova jako před nebo po, spojená s časovými intervaly, vůbec v tomto kontextu smysl. Dokud nebudeme mít kvantovou gravitaci, můžeme jen spekulovat. 

Modely vzniku a vývoje vesmíru

Je třeba zdůraznit, že v tuto chvíli si nejsme jisti, zda je vesmír konečný či nekonečný, byť v roce 2022 byla publikována přelomová studie pokoušející se stanovit velikost celého kosmu (nejen jeho pozorovatelné části, která má v průměru 93 miliard světelných let). Ta by měla být asi 300 miliard světelných let [18]. Jde však jen o první pokus toto určit, takže se ještě výsledky mohou zásadně změnit. Pokud by však byl vesmír v tuto chvíli nekonečný, musel být nekonečný už v době svého vzniku, neboť rozepnutí konečného vesmíru na nekonečnou velikost by trvalo nekonečně dlouho. Takže zde žádná počáteční singularita roli nehraje. 

V tuto chvíli stále nejpopulárnější inflační modely operují s tím, že se vesmír začal rozpínat z tzv. kvantové pěny, což je hypotetické turbulentní chování prostoročasu na velmi malé úrovni [19]. Nic jako prázdný prostor neexistuje, i ve vakuu se díky kvantové teorii pole neustále něco odehrává, například vznikají páry částic a antičástic. Analogicky ani prostor by podle těchto teorií neměl být na základní škále klidný. Měl by se skládat ze základních kvant prostoru, kterým říkáme oblasti, ty jsou neuvěřitelně malé a neustále se mění a bublají. Může zde dojít k tomu, že vzniknou maličké nové vesmíry. Obvykle brzy zaniknou, pokud však projdou fází prudkého rozpínání, mohou přežít velmi dlouho. Těchto vesmírů může existovat obrovské množství, proto pak hovoříme o multiverzu neboli mnohovesmíru. 

Variant inflačního modelu, jež obsahují multiversum, je mnoho, jedna třeba počítá s tím, že ve vesmíru mnoho oblastí stále prochází inflační fází, v naší bublině však inflace skončila a díky tomu je pozorovaný vesmír vcelku klidný [20, 21]. Ať už je správná jakákoliv verze inflačního scénáře, vesmír vznikl z oblasti konečného, byť malého objemu, problém prvotní singularity tak chybí. Pokud je inflační model správně, inflace rozmazala počáteční podmínky, takže o vesmíru před inflací bude velmi těžké získat nějaké detailnější informace.  

I dnes existují v kosmologii cyklické modely, jejichž koncepce jsou ale poměrně složité. Nejznámější z nich předpokládá (velmi zjednodušeně), že kromě našeho vesmíru existuje ještě aspoň jeden vesmír paralelní [22]. Tyto vesmíry si lze představit jako jakési vícerozměrné membrány, které se vůči sobě pohybují. Okamžik srážky obou membrán je Velký třesk, následuje fáze vzdalování membrán a pak jejich přibližování až do další srážky a nového Velkého třesku. Vesmíry na obou membránách se však stále rozpínají, takže i zde počáteční singularita chybí. 

Druhý významný cyklický model pak počítá (opět velmi zjednodušeně) s tím, že na konci života našeho kosmu dojde k přechodu do nového cyklu. Ten se pro pozdější pozorovatele jeví jako Velký třesk, avšak k transformaci dochází spojitě, bez nutnosti singularity [23]. Tu ovšem nepotřebuje dokonce ani naivní (a neplatný) cyklický model, kdy dochází k Velkému krachu, tedy v podstatě opaku Velkého třesku, kdy dojde ke smrštění vesmíru natolik, že veškerá hmota zanikne v konečné singularitě, respektive v realističnějším modelu dojde díky kvantovým efektům ke smrštění na velmi malý, avšak konečný objem. Z Velkého krachu se pak zrodí nový vesmír v dalším Velkém třesku, a celý cyklus takto pokračuje v podstatě do nekonečna.  

Povšimněte si prosím, že žádný z těchto moderních kosmologických modelů otázku počátku neřeší, jen ji obchází. I cyklický nebo věčný inflační vesmír totiž musel mít někdy počátek. Můžeme se tak dozvědět jak začal náš cyklus, popřípadě náš viditelný vesmír, ale všechny cykly (popřípadě počátek multiversa) zůstanou zřejmě nadále zahaleny tajemstvím. 

Singularita, kosmologické modely a původ hmoty

Dlouze jsme si vysvětlili, že se singularitami moderní fyzika již obvykle nepracuje. Důvodem je, že singularita znamená nekonečné hodnoty fyzikálních veličin, což nám ukazuje, že je s našimi modely něco špatně. Fyzikové se proto snaží hledat jiná řešení. Nyní si vysvětlíme, jak je to s hmotou na začátku vesmíru.

Dřívější kosmologický model pracoval s tím, že v prvotní singularitě již byla obsažena veškerá hmota, která je dnes ve vesmíru přítomna. A to jí, jak dnes víme, bylo na počátku výrazně více, ale následně většina hmoty anihilovala s antihmotou za vzniku fotonů [24]. Tento model tedy předpovídá nekonečnou hustotu, teplotu a další parametry.

Moderní modely se snaží nekonečnou hustotu obejít. Například nejpřijímanější inflační model předpokládá, že počáteční prudkou fázi expanze vesmíru pohánělo tzv. inflatonové pole, které se na konci fáze rychlého rozpínání dosud z neznámého důvodu a neznámým mechanismem rozpadlo. Rozpad inflatonového pole uvolnil obrovské množství energie, která se transformovala na částice hmoty. Hmota v pravém smyslu tak dle inflačního modelu na samém počátku a v době před inflací v kosmu vůbec nebyla přítomna.

Hlavní konkurent inflace, membránový cyklický model (odborně ekpyrotický), zase předpovídá, že se hmota při vzniku nového vesmíru vytváří přeměnou z kinetické energie srážky obou membrán. Hmota tak vzniká okamžikem začátku nového cyklu (Velkým třeskem), avšak není obsažena v počáteční singularitě. 

Dnes se většina lidí přiklání k inflaci, ale i ekpyrotický model má své zastánce. O tom, který z nich je správný, by definitivně mohlo rozhodnout pozorování gravitačních vln z počátku existence vesmíru. U inflace a ekpyrotického modelu se tyto vlny totiž zásadně liší. Jejich měření bychom se mohli dočkat už ve 30. letech tohoto století.  

Závěr

Moderní fyzika s počáteční singularitou Velkého třesku již příliš nepracuje, upřednostňovány jsou jiné scénáře. Co se ovšem dělo na počátku vesmíru, nevíme a neznáme ani původ hmoty, byť máme několik relevantních variant. V tuto chvíli je nejvíce přijímaný inflační model, podle nějž hmota vznikla až na konci počáteční prudké expanzní fáze rozpadem inflatonového pole, které inflaci samotnou pohánělo. Je však možné, že nové objevy tuto situaci změní. 

Pro Zeptej se vědce odpovídal Vítek

Zdroje:

[1] https://adsabs.harvard.edu/full/1927ASSB…47…49L 

[2] https://adsabs.harvard.edu/full/1931MNRAS..91..490L 

[3] https://academic.oup.com/mnras/article/386/2/1023/1060161 

[4] https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2016/10/aa26926-15/aa26926-15.html

[5] https://arxiv.org/abs/2402.16243

[6] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/580/1/012040/

[7] https://adsabs.harvard.edu/full/1975ApJ…195L..51H/L000051.000.html

[8] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.131103

[9] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.74.043503

[10] https://iopscience.iop.org/article/10.1238/Physica.Topical.085a00168/

[11] https://link.springer.com/article/10.1007/s10714-020-02691-1

[12] https://academic.oup.com/ptep/article/2023/4/042F01/6835420

[13] https://www.mdpi.com/2218-1997/3/1/7

[14] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.45.2685

[15] https://plato.stanford.edu/ENTRIES/quantum-gravity/

[16] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/055032139500158O

[17] https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2008-5

[18] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ac27f0/

[19] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.23.347

[20] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0370269383908377

[21] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1751-8113/40/25/S25/

[22] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.64.123522

[23] https://link.springer.com/article/10.1140/epjp/i2013-13022-4

[24] https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.93.035004

Další čtení prověřené autorem: 

• Starší, ale stále poměrně aktuální a hlavně skvěle napsaná kniha Stevena Weinberga První tři minuty: https://www.databazeknih.cz/prehled-knihy/prvni-tri-minuty-28657
• Novější kniha Lawrence Krausse Vesmír z ničeho: https://www.databazeknih.cz/prehled-knihy/vesmir-z-niceho-178957
• Vynikající popularizační kniha Velký třesk od Simona Singha: https://www.databazeknih.cz/prehled-knihy/velky-tresk-24382

Přednáška Jiřího Podolského, který je dle mého názoru v současnosti nejlepším českým popularizátorem fyziky, o tom, co víme o našem vesmíru: https://www.youtube.com/watch?v=4P6ErxJ8ztQ