Největší záhady astrofyziky: Rozluštíme tajemství temné hmoty? A mohou existovat paralelní vesmíry?

Lord Kelvin v roce 1900 údajně prohlásil, že již neexistuje nic, co by fyzika mohla objevit, a že badatelům zbývají už jen přesnější a přesnější měření. O pouhých pár desetiletí později spatřila světlo světa teorie relativity i kvantová mechanika a převrátily tehdejší vědu vzhůru nohama. Dnes by si nikdo netroufl tvrdit něco podobného jako slavný britský fyzik na počátku 20. století, a mnozí vědci naopak usilovně hledají cesty, jak současné poznání ještě rozšířit o dosud neznámé jevy a teorie. Jaké problémy patří v dnešní fyzice k nejžhavějším?

1. Jaká je podstata temné energie?

Jednu z nejhlubších a nejpalčivějších záhad dnešní fyziky představuje bezesporu temná energie. Mysteriózní sílu zavedli do svých modelů astrofyzici, když zjistili, že se náš vesmír rozpíná, a že se tak navíc v současnosti děje se zrychlením. Temná energie by měla být silou stojící za pozorovaným zrychlováním kosmické expanze.

Podle nejrozšířenějších představ je vlastně temná energie původní Einsteinova „kosmologická konstanta“ a jedná se o vlastnost časoprostoru. Vytváří záporný tlak, který pohání expanzi vesmíru. S rozpínáním se prostor zvětšuje, a obsahuje tak víc temné energie. Vzhledem k pozorované míře zrychlování expanze by měla temná energie tvořit přes 70 % veškerého obsahu hmoty a energie v kosmu. Navzdory tomu zůstává naprostou záhadou a její skutečnou podstatu neznáme. Někteří odborníci jsou přitom přesvědčeni, že vůbec neexistuje, a pozorované rozpínání vesmíru vysvětlují jiným způsobem.

2. Co je to temná hmota?

Kromě záhady s temnou energií trápí fyziky ještě další neviditelná substance: Temná hmota by podle našich pozorování měla tvořit asi 84 % látky ve vesmíru. Pokud víme, neabsorbuje ani nevyzařuje elektromagnetické záření, takže ji nemůžeme sledovat přímo. O její existenci však svědčí řada nepřímých pozorování, jež souvisejí s jejím gravitačním působením na běžnou viditelnou hmotu. Tušíme ji například v uspořádání rotace galaxií či v rozložení hvězdných ostrovů ve vesmíru.

Zatím není jasné, z čeho se temná hmota skládá. Ve hře zůstává mnoho typů částic, z nichž některé jsou opravdu exotické. Po záhadné substanci v současnosti pátrají četné experimenty na zemi, pod ní i ve vesmíru – nicméně veškeré snahy dosud vyšly naprázdno.

3. Proč existuje „šipka času“?

Podle toho, co víme, se čas ve vesmíru pohybuje jen jedním směrem, tedy vpřed. Ovšem dle klasické mechaniky i atomové fyziky by pohyby těles a částic mohly stejně dobře probíhat opačně na základě stejných zákonů. 

Pohyb času vpřed zřejmě souvisí s entropií neboli s principem, podle nějž se uspořádanost hmoty samovolně pouze snižuje a za normálních okolností nemůže sama od sebe narůstat. Fyzici si zatím marně lámou hlavu, proč byla na počátku entropie vesmíru čili jeho neuspořádanost tak nízká. Proč byl kosmos nejprve tak uspořádaný, když se zrodil v záblesku ohromného množství energie v nesmírně malém prostoru?

4. Existují paralelní vesmíry?

Astrofyzikální data většinou ukazují, že by vesmír mohl být spíš plochý než nějak zakřivený. V takovém případě by kosmos, který pozorujeme, mohl představovat jen jeden z mnoha dílčích vesmírů vyskytujících se vedle sebe na nekonečně velké ploše multivesmíru – tak trochu jako vzory na prošívané dece. Z kvantové mechaniky zároveň vyplývá, že v rámci každého takového dílčího kosmu existuje pouze konečné množství možných kombinací částic. Pokud tedy skutečně žijeme v multivesmíru na nekonečné ploše, pak by se v něm měly kombinace uspořádání částic postupně opakovat.

Z uvedených úvah vyplývá, že by mělo existovat nekonečně mnoho paralelních vesmírů, z nichž některé se jen nepatrně liší od toho našeho. Jsou podobné představy správné? A podaří se nám někdy paralelní vesmíry detekovat a potvrdit tím jejich existenci?

5. Proč je v kosmu víc hmoty než antihmoty?

Ze současných teorií vyplývá, že by na počátku existence vesmíru mělo vzniknout stejné množství hmoty tvořené částicemi jako antihmoty sestávající z antičástic. Pokud by tomu tak ovšem bylo, pak by se veškerá hmota po setkání s antihmotou anihilovala a v našem kosmu by žádná nezbyla. Protony by se navzájem zničily s antiprotony, neutrony s antineutrony a elektrony by anihilovaly s pozitrony. V takovém případě by se z vesmíru stalo moře záření, jinak úplně prázdné.

Z nějakého důvodu tedy na počátku vzniklo víc hmoty než antihmoty a po anihilacích část první zmíněné zbyla, načež vytvořila známý vesmír. Uvedenou otázkou se zabývá několik teorií, zatím však žádná nedosáhla všeobecného přijetí. Fyzici proto dál hledají nová vysvětlení, jež by stávající teorie o kosmu doplnila a vysvětlila by, proč vlastně „existuje něco“, místo aby „neexistovalo nic“.

6. Jaký osud čeká náš vesmír?

Pro budoucnost kosmu má zásadní význam parametr označovaný jako omega: Představuje hustotu hmoty a energie ve vesmíru a jeho skutečná hodnota zatím zůstává nejasná. 

Pokud je vyšší než 1, pak by měl být časoprostor zakřivený a uzavřený do sebe, jako třeba povrch obrovské koule. Kdyby temná energie neexistovala nebo by se její působení časem změnilo, náš kosmos by se ve vzdálené budoucnosti mohl přestat rozpínat a naopak by přešel do fáze smršťování. Nakonec by se mohl zhroutit do sebe v události tvořící protějšek Velkého třesku, která se označuje jako Velký křach. Je-li vesmír takto zakřivený, ale temná energie existuje a nepřestane na něj působit tak jako dnes, potom by se měl rozpínat donekonečna.

Pakliže parametr omega dosahuje nižší hodnoty než 1, měl by být náš kosmos prostorově otevřený, například ve tvaru sedla. Ve velmi vzdálené budoucnosti by tak mohl skončit Velkým roztržením. Postupné rozpínání by nejprve oddálilo galaxie a následně i hvězdy natolik, že by se staly nedosažitelnými pro pozorování. V závěru by expanze přemohla rovněž síly držící pohromadě atomy a veškerá hmota ve vesmíru by se roztrhla na elementární částice.

TIP: Tajemství Velkého třesku: Co se stalo během první sekundy?

Pokud se omega rovná právě 1, je náš vesmír nekonečnou plochou. Kdyby neexistovala temná energie, rozpínání by se postupně zpomalovalo, až by se zastavilo. Jestliže by na plochý kosmos temná energie působila, pak by opět mohl skončit Velkým roztržením. Tak či onak, náš vesmír podle všeho postupně umírá, i když mu to nejspíš potrvá ještě velice dlouho.

Dokončení: Největší záhady astrofyziky: Co se děje v černé díře? A mohou se fyzikální síly sloučit? (vychází v neděli 6. prosince)