Ako vznikol náš vesmír?
Ako všetko vzniklo? Ako sa sformovali planéty, hviezdy a galaxie? Je vesmír nekonečný? Dnes sa pokúsime preskúmať tieto otázky do hĺbky a dúfajme, že získame predstavu o veľkoleposti nášho vesmíru.
Veľkosť nášho vesmíru
My ľudia sme opakovane podceňovali nielen veľkosť nášho vesmíru, uvedomujúc si, že všetko, čo sme si mysleli, že existuje, bolo len malou časťou väčšej štruktúry – planéty, slnečnej sústavy, galaxie, vesmíru a možno dokonca aj hierarchie paralelných vesmírov. Rovnako dôležité je, že sme opakovane podceňovali silu našej ľudskej mysle porozumieť nášmu vesmíru.
Jednou z najnáročnejších myšlienok v kozmológii je otázka, či je náš vesmír nekonečný. Našťastie máme veľmi dobré fyzikálne teórie, ktoré nám môžu poskytnúť odpoveď. Najlepšia teória, ktorú máme pre to, čo vytvorilo náš priestor – inflačná teória – predpovedá, že priestor je nielen veľký, ale genericky predpovedá, že je dokonca nekonečný.
Opakovane sme podceňovali svoju schopnosť porozumieť vesmíru a tiež jeho obrovskú veľkosť. Okraj toho, čo vidíme v našom skúmaní vesmíru, je okrajom nášho pozorovateľného vesmíru.
Čas a priestor
Okrem priestoru je ďalšou časťou skladačky pre úplné pochopenie fungovania nášho vesmíru čas. Nikto však nedokáže povedať, čo to vlastne je. Našťastie sa o našom mieste v čase môžeme dozvedieť veľa len pozorovaním oblohy, pretože obloha je ako stroj času.
Keď sa pozerám na Slnko, vidím ho také, aké bolo pred ôsmimi minútami. A keď sa pozerám na niektoré z galaxií v Hubbleovom ultra hlbokom poli, vidím ich tak, ako vyzerali pred 10 miliardami rokov.
Čo sme sa dozvedeli pozorovaním vesmíru v rôznych etapách jeho kozmickej histórie? Niečo naozaj prekvapivé. Čím ďalej sa pozerám, tým hlbšie do minulosti vidím. Keď sa pozerám na blízke galaxie, vidím ich tak, ako vyzerali nedávno, keď mali čas dozrieť a stať sa veľkými a moderne vyzerajúcimi. Keď sa pozerám ďalej do minulosti, vidím galaxie dávno predtým, než mali čas vyrásť a stať sa veľkými galaxiami. A naozaj ďaleko vidím len detské galaxie, ktoré nemali čas vôbec vyrásť. Za nimi nevidím žiadne galaxie, pretože sa pozerám tak ďaleko späť v čase, že som svedkom obdobia predtým, než mali galaxie čas sa sformovať. Všetko, čo tam vidím, je surový materiál, z ktorého sa neskôr vytvorili galaxie – vodíkový plyn.
Dopplerov efekt a expandujúci vesmír
V roku 1842 rakúsky fyzik Christian Doppler opísal, ako sa mení výška tónu, keď sa vozidlo so sirénou približuje a vzďaľuje od pozorovateľa. Jeho princíp našiel uplatnenie aj v kozmológii. Je to presne rovnaké nielen so zvukom, ale aj so svetlom. Galaxia, ktorá sa vzďaľuje, bude mať svoje svetlo posunuté k nižším frekvenciám, čo tu zodpovedá farbám smerom k červenej. V astronómii to nazývame červený posun. (zdroj)
Čím viac je niečo červeno posunuté, tým rýchlejšie to letí preč. Edwin Hubble objavil, že prakticky všetky galaxie, ktoré pozoroval, boli červeno posunuté. Zdalo sa, že všetko od nás uniká. A to je to, čo máme na mysli, keď hovoríme, že náš vesmír sa rozširuje.
Hubbleove merania navždy zmenili pozorovaciu kozmológiu a náš pohľad na vesmír. Hubble dokázal, že mnoho objektov, o ktorých sa predtým myslelo, že sú oblaky prachu a plynu, boli v skutočnosti galaxie za Mliečnou dráhou.
Čo Edwin Hubble objavil, keď robil tieto fantastické merania koncom 20. rokov, bolo, že veci sa nerozširovali len náhodným spôsobom, ale veľmi organizovaným spôsobom. Prakticky všetky galaxie sa vlastne pohybovali priamo od Zeme. Navyše, čím boli ďalej, tým rýchlejšie sa vzďaľovali. Ak boli päťkrát ďalej, vzďaľovali sa päťkrát rýchlejšie.
To naznačuje, že približne pred 13,8 miliardami rokov sa stalo niečo naozaj bláznivé. Prakticky všetko bolo na všetkom. Veci boli extrémne husté. Všetko sa od všetkého vzďaľuje veľmi usporiadaným spôsobom, kde vzorce zostávajú rovnaké, len všetky vzdialenosti sa zväčšujú o rovnaký faktor.
To vám tiež dáva alternatívny spôsob, ako uvažovať o expandujúcom vesmíre, ktorý by niektorí z vás mohli považovať za intuitívnejší. Namiesto toho, aby ste si predstavovali statický priestor, v ktorom sa tieto galaxie od seba vzďaľujú, môžete si predstaviť, že všetky tieto galaxie vlastne len stoja na mieste a priestor sa rozširuje. Všetky vzdialenosti sa zväčšili o rovnaký faktor. To máme na mysli, keď hovoríme, že priestor sa rozširuje. A môže to robiť podľa Einsteinovej všeobecnej teórie relativity.
Mikrovinné žiarenie kozmického pozadia
Ďalšou z naozaj prekvapujúcich vecí, ktoré sme zistili o histórii nášho vesmíru pri pohľade na galaxie, je, že vzdialená stena žiarila mikrovlnami. Prečo by to robila? Keďže sa všetko rozširuje, rozširuje sa aj plyn, ktorý vypĺňa vesmír. Všetci vieme, že ak rozšírite plyn, ochladí sa. Tak fungujú klimatizácie a chladničky.
Takže ak to spustíme dozadu a predstavíme si, že sa vrátime v čase, plyn sa stláča viac a viac, čo znamená, že je horúcejší a horúcejší. Ak zohrejete kvapalinu, premení sa na plyn – paru. Ak zahrejete plyn, na čo sa premení? Na plazmu.
Takže nakoniec za všetkými týmito galaxiami uvidíme plazma obrazovku z vodíkovej plazmy, ktorá je nepriehľadná. Bude to pre nás vyzerať, akoby tam bola nepriehľadná plazmatická stena. A bude to tak vyzerať, nech sa rozhodnem pozrieť ktorýmkoľvek smerom.
Uvidím galaxie, potom nič a potom tam bude plazma obrazovka. Pre nás to vlastne vyzerá, akoby sme boli obklopení guľovitou plazma obrazovkou, na ktorú sa pozeráme zvnútra. A my sme to vskutku odfotili a získali tieto krásne obrázky zo sondy Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Sú to detské fotografie toho, ako vyzeral vesmír len 400 000 rokov po našom Veľkom tresku. Svetlu trvalo 13,8 miliardy rokov, kým k nám dorazilo.
Satelit Planck vydal ešte lepšie snímky, keď prešiel z 3 megapixelov na 50 megapixelov. Je naozaj spektakulárne, že sa nám podarilo získať tento druh snímok. Sú to fotografie najvzdialenejšej veci, ktorú možno vo vede odfotografovať.
Základné sily a vývoj vesmíru
Náš vesmír je viazaný štyrmi základnými silami, ktoré existujú, a tieto sily sa nezdajú byť redukovateľné na základnejšie interakcie. Videli sme, že počas posledných 13,8 miliardy rokov prebehli dva celkom odlišné procesy. Existoval proces expanzie, ktorý transformoval náš vesmír z malého na veľký, z horúceho na studený, z hustého na rozsiahlejší. Ale paralelne s tým bol aj tento prechod z hladkého, jednotného a nudného na hrboľatý a zaujímavý.
Je zaujímavé, že rôzne sily prírody sa vlastne striedali ako štafeta pri riadení tohto zhlukovania:
- Silná interakcia v počiatočnej fáze zhromažďovala trojice kvarkov, aby vytvorila protóny a neutróny, a potom viazala tieto protóny a neutróny do atómových jadier.
- Potom elektrická sila prevzala vedenie a začala zhlukovať jadrá s elektrónmi, aby vytvorila atómy.
- Následne odovzdala štafetu gravitačnej sile, ktorá zhlukovala obrovské množstvo atómov do hviezd a tiež formovala planéty a nakoniec ľudí.
Inflácia a vznik vesmíru
Hoci dobre rozumieme tomu, čo sa stalo počas posledných 13,8 miliardy rokov, čo sa stalo predtým? Prečo sme začali?
Teória exponenciálnej expanzie priestoru v ranom vesmíre, ktorá vysvetľuje, ako sme sa sem dostali, je teória inflácie. Ale čo to presne je? Je to momentálne najpopulárnejšia teória pre to, čo sa vlastne stalo na začiatku, čo vytvorilo náš Veľký tresk.
A čo hovorí táto teória? Má len jeden jediný predpoklad, ktorý je potrebné urobiť. Musíte predpokladať, že existuje drobná čiastočka hmoty, oveľa menšia ako protón, ktorá má zvláštnu vlastnosť, že sa veľmi ťažko riedi. Takže ak ju rozšírite do väčšieho objemu, jej hustota zostáva takmer rovnaká.
To je veľmi odlišné od každodenných vecí, ako je vzduch, kde ak ho vložíte do väčšieho objemu, hustota klesá, pretože celková hmota je rovnaká. Ak máte túto inflačnú látku, máte 1 kilogram, vložíte ju do dvojnásobného objemu, teraz máte 2 kilogramy.
Ak ste ochotní predpokladať, že taká látka existuje, môžete dokázať jednoduchým dosadením do teórie všeobecnej relativity, že vám vytvorí Veľký tresk. Konkrétne to, čo veľmi krásne vychádza z rovníc, je, že sa bude neustále zdvojnásobovať v pravidelných intervaloch.
Laikovi sa predpovede modernej kozmológie môžu zdať odtrhnuté od reality, ale naša intuícia je zbytočná pri chápaní raného vesmíru. Základnú inflačnú paradigmu prijíma väčšina fyzikov a niekoľko predpovedí inflačného modelu bolo potvrdených pozorovaním.
Náš detský vesmír v najjednoduchšom modeli sa zdvojnásobil každú stotinu trilióntiny trilióntiny trilióntiny sekundy, potom to urobil možno 80-krát, možno oveľa viac. Potrebujete len jeden predpoklad, aby ste to dosiahli, ale dostanete veľa predpovedí. Je to teória, ktorá poskytuje oveľa viac, než do nej vložíte.
Čo predpovedá? Predovšetkým predpovedá, že bude Veľký tresk. Práve sme videli, ako toto opakované zdvojnásobovanie vlastne spôsobuje Veľký tresk, takže rieši problém Veľkého tresku v tom zmysle, že nie je potrebné vysvetlenie. Rovnice jednoducho predpokladajú, že sa to stalo.
Je veľmi neuspokojivé, že musíte začať s nekonečným priestorom, ktorý nejako z nejakého zvláštneho dôvodu začal presne rovnomerne expandovať, všetko v rovnakom čase, všetko s rovnakou teplotou, všetko s rovnakou hustotou. V podstate potrebujete začať s nejakým druhom zázraku.
Inflácia na druhej strane hovorí, že nie, vôbec nie je žiadny zázrak. Potrebujete len túto maličkú čiastočku s menšou hmotnosťou, než má jablko, oveľa menšiu ako protón, a potom predpovedá ich Veľký tresk vytvárajúci všetko, čo vidíme tu v našom vesmíre.
Obrázky: AI, Zdroj: ScienceTime24