Odpoveď :

Dotazů je tady vlastně celá řada, a tak začněme postupně. Pokud jde o prostor, tak musíme odlišit dvě otázky – zda je nekonečný a zda má hranice. Jednodušší je odpověď na tu druhou – podle všeho, co dnes víme, nemá. Nikde by nemělo být místo, kde by prostor prostě končil. To, jak vypadá vesmír na velkých škálách, se řídí totiž obecnou teorií relativity – to je sice na první pohled především teorie gravitace, ale protože podle této teorie je gravitace vlastně jenom působením vlastností („tvaru“) prostoru (nebo lépe řečeno časoprostoru, ale do toho pro naše účely nemusíme zabíhat) na hmotu v něm, tak tato teorie především popisuje, jak prostor – v přítomnosti hmoty – vypadá a řešení jejích rovnic k existenci takovýchto okrajů obvykle nevede. 

Z principu nemůžeme nikdy vyloučit, že někde ve vesmíru probíhají jevy, kterým nerozumíme. Na druhou stranu ale můžeme říct, že žádná taková hranice není nikde v pozorovatelné části vesmíru. Náš vesmír existuje asi 13,5 miliardy let a to omezuje, jak velkou část z něj můžeme pozorovat, protože z dostatečně vzdálených míst k nám světlo za dobu jeho existence ještě nedoletělo. Světlo se pohybuje konečnou rychlostí, ale zároveň se při pohledu do větší a větší vzdálenosti díváme do vzdálenější a vzdálenější minulosti. Nakonec, když pozorujeme světlo, které už putuje vesmírem 13,5 miliardy let, vidíme do úplného počátku vzniku vesmíru. Jen pár set tisíc let po velkém třesku začal být vesmír natolik průhledný, že se jím světlo mohlo začít volně šířit. V této době byl vesmír také velmi horký, díky tomu se světla uvolnilo značné množství a my jej dnes pozorujeme jako tzv. reliktní záření. Toto reliktní záření je dnes podrobně zmapováno a víme, že k nám přichází ze všech směrů. Nikde v pozorovatelném vesmíru tudíž nemůže být žádný okraj, který by nám bránil vidět až do doby jeho vzniku. Nemůžeme takto vyloučit existenci okraje mimo pozorovatelný vesmír, ale protože rozpínání vesmíru se stále zrychluje, tak se o tom, jak takové oblasti vypadají, nedozvíme nikdy, takže jde o otázku vysloveně hypotetickou.

To, že prostor nemá okraj, ale ještě neznamená, že musí být nekonečný, a to díky jeho možnému zakřivení. Představit si to ve třech rozměrech je obtížné, ale můžeme si vzít na pomoc dvojrozměrný příklad – placaté bytosti, žijící na povrchu koule by po ní mohly putovat do nekonečna a nikdy nenarazit na okraj, protože sféra ve dvou rozměrech žádný okraj nemá – podobně by tomu teoreticky mohlo být s naším vesmírem ve třech rozměrech. Když si ještě vezmeme na pomoc naše placaté bytosti, můžeme se zamyslet: jak by mohly zjistit, že žijí na sféře? Jistě, pokud by sféra byla malá, mohly by ji obejít kolem dokola nebo se dokonce jenom podívat dopředu a vidět vlastní záda, protože i světlo by se šířilo jenom v rámci sféry! Ale pokud je sféra obrovská – a pokud se třeba ještě navíc rozpíná – nemuselo by to být možné. Co by ale mohly udělat naše placaté bytosti vždy, je zkoumat geometrii svého prostoru. Pokud by například velmi pečlivě zkoumaly velké trojúhelníky, zjistily by, že součet jejich vnitřních úhlů není 180 stupňů, jak by očekávaly, pokud by jejich svět byl přesně plochý, ale o něco více, a to tím víc, čím je trojúhelník větší. Na základě sofistikovanější verze takovýchto měření můžeme říct, že vlastnosti našeho vesmíru jsou extrémně blízké tomu, jaké by byly, kdyby byl přesně plochý. Vzhledem k tomu, že každé měření má nějakou chybu, nemůžeme takto vyloučit, že je ve skutečnosti zakřivený podobně jako ona sféra, ale v takovém případě by musel být výsledný objekt dramaticky větší než velikost pozorovatelného vesmíru, aby se nám ten náš malý kousek mohl jevit jako téměř dokonale plochý.

Otázka konečnosti či nekonečnosti času je mnohem složitější. Můžeme celkem s jistotou říci, že před oněmi 13,5 miliardami let náš vesmír prošel velkým třeskem – neobyčejně hustou a horkou fází vývoje, po níž se začal prudce rozpínat a chladnout. Zdali v tu chvíli skutečně začal existovat, nebo nějakým způsobem „běžel“ čas už předtím, je nejasné a je možné, že takové otázky vždy zůstanou doménou čistých spekulací, zkrátka proto, že i kdyby existoval čas i před velkým třeskem, nemusí existovat žádný způsob, jak se o tom dnes dozvědět. Jelikož se rozpínání vesmíru zrychluje, neočekáváme žádný zřejmý „konec“ vesmíru, nějaký opak velkého třesku. Z tohoto hlediska tedy bude čas běžet do nekonečna tak jako dnes. Je ale pravděpodobné, že vesmír bude s časem chladnout, dostupnost energie v něm bude klesat a s tím souvisí nejen možnost existence života, ale vlastně jakýchkoliv dalších jevů – otázka, zda běh času má vůbec smysl, pokud se ve vesmíru „nic neděje“ je ale už spíše filozofická.

Koncept nekonečna jako takového je obtížné intuitivně uchopit, ale matematika se k němu umí postavit zcela exaktně, v rámci teorie množin. Dvě nekonečné množiny čísel jsou „stejně nekonečné“, pokud jejich prvky můžeme k sobě navzájem jednoznačně přiřadit. Hovoříme o tom, že mají stejnou mohutnost. A tak třeba množina přirozených čísel má stejnou mohutnost jako množina sudých čísel (prvky množin můžeme k sobě jednoduše přiřadit tak, že každému přirozenému číslu přiřadíme jeho dvojnásobek), ba dokonce i jako (zdánlivě mnohem větší) množina racionálních čísel, ale tam už je ten postup o něco složitější. Každou množinu, kterou můžeme „očíslovat“ přirozenými čísly, označujeme za spočetnou. Reálná čísla takto očíslovat nejde, a proto je jejich mohutnost větší. Existují dokonce další množiny, větší a větší mohutnosti, které už je ale velmi obtížné si představit. 

Jako perpetuum mobile se historicky označoval stroj, který by mohl do nekonečna poskytovat práci bez vnějšího zdroje energie. Takový stroj není možný, protože by porušoval základní zákony termodynamiky. V dotazu popisovaný příklad nekonečného pohybu je trochu něco jiného, protože po tom tělese nechceme, aby dělalo něco „užitečného“ – ve skutečnosti ale ani takový pohyb není možný navždy. Dobrým příkladem je třeba oběh Země kolem Slunce, který může trochu vypadat jako nikdy nekončící, přesto i ten se v čase trochu zpomaluje, ať už třením o meziplanetární hmotu, tak i vyzařováním (extrémně slabých a pro nás nejspíš nikdy nepozorovatelných) gravitačních vln. 

Částice ignorující černou díru neznáme. Černá díra může mít velké rozpětí hmotnosti – například existují hypotetické mikroskopické černé díry, které by mohly relativně bez povšimnutí proletět skrz (vůči nim mnohem hmotnější) Zemi. Pokud jde ale o černé díry hvězdných hmotností, tak zde je otázka, kde vzít ono hmotnější těleso. Pokud by šlo o hvězdu, tak bude tvořena plynem a slapová síla černé díry ji spolehlivě roztrhá. Pokud bychom hledali těleso hmotnější a kompaktnější, pravděpodobně zjistíme, že je ono samo černou dírou, čímž jsme realizaci hledané hypotetické situace příliš nepomohli. Je pravda, že při řešení rovnic obecné teorie relativity pro černé díry se nám překvapivě objeví existence jakéhosi dalšího prostoru „za“ černou dírou. Bližší zkoumání situace ale ukáže, že jde o čistě matematickou konstrukci a pro reálné situace nemá existence tohoto řešení žádný vliv na objekty v našem vesmíru a není možné „projít“ skrz černou díru.

Higgsův mechanismus, jehož existence se projevuje právě také jako pozorovatelný Higgsův boson, je ve skutečnosti zodpovědný za velmi malou část hmotnosti veškeré hmoty. Drtivá většina naší hmotnosti vzniká v interakcích kvarků v protonech a neutronech. Bez Higgsova mechanismu by samotné kvarky (a například také elektrony) byly nehmotné, ale celkově by hmota atomových jader poklesla jen nepatrně. Je pravda, že částice pohybující se nadsvětelnou rychlostí by byla ovlivněna černou dírou zcela jinak než „obyčejná“ hmota, ale takovou rychlostí se nemohou pohybovat ani nehmotné částice. Koneckonců právě foton je jako částice nehmotný, proto se může pohybovat právě rychlostí světla a to samé by platilo i pro jakoukoliv jinou nehmotnou částici.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Honza.

Zdroje:

Odpověď vychází z obecných poznatků matematiky, fyziky a astrofyziky. K podrobnějšímu studiu řešených témat doporučujeme následující odkazy a literaturu: 

https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe https://en.wikipedia.org/wiki/Cantor%27s_diagonal_argument https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole https://en.wikipedia.org/wiki/White_hole https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_chromodynamics_binding_energy

https://www.aldebaran.cz/astrofyzika/kosmologie/

Bohnet I. (2022). 42 největších hádanek fyziky. Grada.

Hawking, S. W., & Karas, V. (1991). Stručná historie času: od velkého třesku k černým dírám. Mladá fronta.

Hawking, S., & Langer, J. (1995). Černé díry a budoucnost vesmíru. Mladá fronta.

Hawking, S. (2018). Brief answers to the big questions. Bantam.

Cham, J., & Whiteson, D. (2018). We have no idea: A guide to the unknown universe. Penguin.

Kulhánek, P. (2010). Moderní kosmologie: Aneb jak přednášet o kosmologii. FEL ČVUT.

Novikov, I. D. (1989). Černé díry a vesmír. Mladá fronta.

Smith, D. M. (2021). Frequently Asked Questions About the Universe.Tyson, N. D., Tyson, N. D., & Goldsmith, D. (2004). Origins: Fourteen billion years of cosmic evolution. WW Norton & Company.