Zatím jsme dotazům věnovali jen dva články, myslím, že je tedy na čase vydat i třetí, dnes se opět podíváme na pět dotazů z oblasti kosmologie a vesmíru. A myslím, že některé z nich budete považovat za docela zajímavé. Pojďme se tedy dále nezdržovat a vydat se přímo do kosmu.

12. Mě by třeba zajímalo, když JWST sleduje hluboký vesmír, jestli ten směr, kde se dívá je náhodný nebo něčím určený? Jelikož si nemyslím že by zrovna naše galaxie byla přesně uprostřed vesmíru, kde byl velký třesk a tím pádem každým směrem bychom viděli jinak daleko.

13. Proč bychom měli vidět jinak daleko? Vidíme tak daleko jak je starý vesmír (což je časový údaj udávající kam můžeme vidět). Dál prostě vidět nemůžeme (světlo zatím nemělo čas doletět od nyní nejvzdálenějších objektů).

Zde jsem si opět dovolil spojit dva dotazy, respektive dotaz a připomínku, do jednoho dotazu. Pojďme se tedy podívat na pozorování JWST. Jak správně uvádí tazatel v prvním dotazu, nejsme uprostřed vesmíru, respektive Mléčná dráha samozřejmě není ve středu vesmíru jako celku. Nicméně jsme ve středu pozorovatelného vesmíru. To by se mohlo zdát jako odvážné tvrzení, které popírá princip, že na našem postavení v kosmu není nic výjimečné.

Ale tak tomu není. Ve skutečnosti je totiž každý pozorovatel ve středu svého pozorovatelného kosmu. Já mám pozorovatelný vesmír nějaký a někdo, kdo stojí 10 metrů ode mě ho má jiný, o kousek posunutý. Samozřejmě, že pozorovatelný vesmír je stále stejně velký, jen je pro každého z nás kousek posunuté to, co jsme schopni vidět. Pro pozorovatele na Zemi to nemá žádnou úlohu pochopitelně, ale pro pozorovatele ve vzdálenějším vesmíru to hrát roli bude.

Dejme tomu, že jsem pozorovatel v galaxii 3C 273, což je první známý kvasar vzdálený od nás asi 2,5 miliardy světelných let. Takový pozorovatel uvidí v jednom směru o 2,5 miliardy světelných let dále, to znamená že uvidí něco, co my nejsme schopni vidět, naopak v opačném směru uvidí o 2,5 miliardy světelných let méně, takže neuvidí to, co my ještě vidíme. Pro sebe je tedy ve středu pozorovatelného vesmíru, ale není (a ani my nejsme) ve středu celého vesmíru jako celku.

Pokud jde o to, kde byl Velký třesk, tak ten nebyl na nějakém jednom konkrétním místě, ani na jednom místě nezačal. Velký třesk byl všude, byla to všeobjímající událost. Nelze tedy stanovit jedno místo a říci si, že tam Velký třesk byl a pak ukázat na jiné místo a říci, že tam nebyl. A stejně tak nelze ukázat na bod v prostoru, kde Velký třesk začal, či naopak skončil.

Každopádně, JWST vidí ve všech směrech stejně daleko, neboť jak jsem uvedl, jsme ve středu našeho pozorovatelného vesmíru. Je to přesně tak jak se uvádí v poznámce číslo 13, JWST vidí všude stejně daleko, neboť je stáří vesmíru konečné, a tak tedy vidí ty nejvzdálenější objekty. Nebo tedy aspoň v principu vidí ve všech směrech stejně daleko. Pochopitelně, že kdyby se natočil na Slunce, neviděl by 13,5 miliardy světelných let daleko, a ještě by byl vážně poškozen. To jsou technická omezení.

Stejně tak jsou oblasti, které pozoruje, ale už přes ně nevidí dál do hlubšího vesmíru. Velmi vzdálené oblasti se například extrémně špatně pozorují v místech, kudy se táhne pás Mléčné dráhy. Ty nejvzdálenější objekty tak Webb většinou pozoruje někde daleko od Mléčné dráhy, v oblastech, kde není moc jasných hvězd či jiných objektů naší galaxie. Ať už to jsou třeba Pec, Létající ryb či Hodiny na jižní obloze, nebo oblasti Velké medvědice či Draka na obloze severní.

A je také pochopitelné, že v někde i v místě, kde je pohled do hlubokého vesmíru snadný uvidí JWST galaxii vzdálenou třeba 13,5 miliardy světelných let a jinde „jen“ galaxii vzdálenou 13,0 miliardy světelných let. Nelze očekávat, že všude uvidíme stejně vzdálené objekty. Nicméně ano, není rozdíl, jak daleko dokáže JWST v principu vidět na jižní či severní obloze nebo v kterémkoli směru. A není ani důvod, proč by takový rozdíl měl existovat.

Tím, co jsem zmínil výše jsem odpověděl i na otázku, zda je směr pozorování JWST náhodný, či nikoli. V principu lze vzdálený vesmír pozorovat kdekoli. Ale samozřejmě, že směr pozorování náhodný není. Bylo by velmi hloupé JWST namířit do Slunce, na Měsíc, a podobně. To bychom riskovali neopravitelné poškození tohoto vzácného přístroje.

Jen o malinko méně hloupé by bylo ho namířit třeba na střed naší Mléčné dráhy. To by ho sice nepoškodilo, dokonce by získal možná i dost zajímavá data, ale rozhodně ne z oblasti výzkumu vzdálených galaxií, jelikož by přes střed Mléčné dráhy vzdálenější oblasti vesmíru prostě neviděl. Když tedy vědci, kteří se zabývají kosmologií plánují pozorování, která pak přihlašují a doufají, že získají na JWST pozorovací čas, samozřejmě specifikují, kde by chtěli pozorovat.

A dává smysl, že se zaměřují právě na ta místa, jež se k tomu hodí nejlépe, oblasti, kde pozorování nebrání naše Mléčná dráha, cizí blízké galaxie (Magellanovy oblaky, M31) a podobně. Z toho důvodu se nejčastěji používají místa, kde je co nejmenší počet jasných objektů naší galaxie. Jde o ona slavná hluboká pole v souhvězdí Velké medvědice, Pece, Tukana, Pastýře, Létající ryby či Hodin.

V principu by ovšem šlo, při splnění uvedených podmínek pozorovat i jinde na obloze. Směr pozorování je tedy určen technickými a astronomickými požadavky, nikoli tím, že by v jednom směru bylo vidět dál než v jiném.

14. V náhodném vesmíru by měl být počet galaxií, které rotují jedním směrem, přibližně stejný jako počet galaxií, které rotují druhým směrem. Proč tomu tak ale není?

Narážíte patrně na nedávný výzkum provedený pomocí JWST. Za tímto výzkumem stáli lidé z Kansaské státní univerzity, kteří využili data z jednoho z největších kosmologických programů prvního období činnosti Webbova teleskopu, projektu James Webb Space Telescope Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), o němž jsme zde již několikrát hovořili, například i v souvislosti s českým odborníkem pracujícím v Anglii Janem Scholtzem, který se na projektu osobně podílí.

Nový výzkum týkající se rotace galaxií vedl profesor Kansaské státní univerzity Lior Shamir. On a jeho tým analyzovali vzorek 263 galaxií, které byly napozorovány právě v rámci projektu JADES a zhruba před deseti měsíci publikovali výsledky své práce v odborném časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Jejich zjištění bylo skutečně poměrně překvapivé.

Člověk by totiž čekal, že se galaxie budou otáčet oběma možnými směry zhruba v poměru 50:50, nebo alespoň, že stav bude velmi blízký tomuto poměru. Ve skutečnosti ale vědci zjistili, že zhruba dvě třetiny galaxií rotují ve směru hodinových ručiček, zatímco jen jedna třetina se otáčí proti směru hodinových ručiček. A to je už dost daleko od očekávaného poměru půl na půl.

Zjištěný výsledek byl získán pomocí kvantitativní analýzy tvarů pozorovaných galaxií, nicméně rozdíl je natolik zásadní, že by jej podle vedoucího výzkumného týmu Liora Shamira poznal i laik. K zjištění rozdílu podle něj nejsou třeba žádné speciální dovednosti či znalosti, snímky z JWST jsou natolik kvalitní, že je rozdíl vidět ihned.

V náhodném vesmíru by skutečně počet galaxií rotujících v jednom směru měl být stejný jako počet galaxií rotujících v opačném směru, nebo by se aspoň počet galaxií rotujících v jednom směru měl velmi blížit počet opačně se točících galaxií. Skutečnost, že by se měla většina galaxií otáčet stejným směrem nikdo neočekával a vyvolává to řadu oprávněných otázek.

Vysvětlení fenoménu není jasné a existují v podstatě dvě hlavní možnosti. První z nich je, že vesmír se jako celek otáčí. Pokud tomu tak je, muselo tomu tak být i dříve, dokonce tomu tak muselo být už na začátku jeho existence. Není totiž znám mechanismus, který by mohl vesmír uvést do rotace později. To znamená, že vesmír se už zrodil jako otáčející se.

Tato možnost je velmi zajímavá a mohla by se mnoha lidem líbit. Byla by i v souladu s jinými kosmologickými hypotézami, například s teorií, která tvrdí, že celý vesmír je vnitřkem černé díry. Pokud ale vesmír skutečně rotuje a rotující se už zrodil, znamená to, že stávající kosmologické modely jsou neúplné a bylo by třeba je doplnit.

Existuje ale i jiné vysvětlení. Celá Sluneční soustava obíhá kolem středu naší galaxie Mléčné dráhy a jeden tento oběh trvá zhruba 225-250 milionů let. Této periodě se říká také galaktický rok. Těchto oběhů vykonala Země, respektive Sluneční soustava za dobu své existence již poměrně hodně. Stáří Sluneční soustavy je asi 4,6 miliardy let, což odpovídá 18-20 oběhům centra Mléčné dráhy, v závislosti na tom, zda oběh trvá 225 milionů let, 250 milionů let, nebo něco mezi tím.

Každopádně tento pohyb je realitou. A vědci si také myslí, že kvůli tomu je světlo, které přichází z galaxií rotujících opačným směrem, než jakým obíhá Země Mléčnou dráhu obecně jasnější. A to kvůli známému Dopplerovu jevu, který lze snadno pozorovat třeba u projíždějících sanitních vozů. Kvůli tomuto efektu by právě galaxie rotující ve směru hodinových ručiček mohly být ve vzorku nadměrně zastoupeny.

Toto vysvětlení se může zdát jako nudnější, ale není to nutně tak. Až dosud se totiž zdálo, že rotace Mléčné dráhy je moc pomalá na to, aby měla na astronomická pozorování vliv, takže se s ní při měřeních nepočítalo. Odborníci ale možná budou nuceni vliv otáčení Mléčné dráhy přehodnotit a nadále s touto skutečností pracovat jako s důležitým a relevantním faktorem.

To také znamená, že by bylo potřeba znovu kalibrovat měření vzdáleností pro hluboký vesmír. A tato opětovná a přesnější kalibrace měření může také najít odpovědi na některé velmi důležité a dosud nevyřešené kosmologické otázky, jako jsou různá měření rychlosti rozpínání vesmíru z různých typů měření, podle toho, jaké typy objektů či jevů se zkoumají, či to, jak staré jsou největší galaxie v kosmu.

Je samozřejmě také možné, že se ukáže, že celé toto měření je falešné. Ne snad, že by vědecký tým podváděl. Ale mohlo by se ukázat, že měření je ovlivněno nějakými chybami, ať už na dalekohledu, při zpracování dat či jinde. Sice to v tomto případě úplně neočekávám, ale zcela vyloučit to prozatím nelze. V každém případě by bylo vhodné analyzovat jiný soubor galaxií z jiného místa oblohy.

Sluší se ještě na závěr podotknout, že rotace vesmíru není v kosmologii něčím novým. S rotujícím vesmírem přišel už v roce 1949 americký matematik a logik rakouského původu Kurt Gödel, a to na základě svého přesného řešení polních rovnic Einsteinovy obecné teorie relativity. Toto řešení překvapilo i samotného Einsteina, který s něčím podobným vůbec nepočítal.

Rotujících vesmírů umožnilo toto řešení více typů, v jednom z nich, jenž měl velmi zvláštní vlastnosti, bylo dokonce možné cestovat časem do minulosti. Toto řešení se nakonec ukázalo jako nesprávné, nicméně rotující vesmír podle střízlivějšího Gödelova řešení byl v principu možný. Gödel se tak až do své smrti v roce 1978 ptal astronomů, jestli už vesmír dle jejich pozorování rotuje, a oni jej pokaždé museli zklamat, a říci mu, že se vesmír neotáčí.

15. V ranném vesmiru detekuje JWST velmi neobvykle mnozstvi tezkych prvku. Přitom podle předpokladů by tam jeste neměly být?

Zde je bohužel mylný předpoklad už v samotné otázce. Ale za to vy, jakožto tazatel nemůžete. Informace, že JWST detekuje v raném vesmíru příliš mnoho těžkých prvků se opakuje do omrzení dokola, a to i v některých jinak dosti seriózních zdrojích. Na co ve své otázce patrně narážíte je to, že i u nejvzdálenějších pozorovaných galaxií jsme detekovali například kyslík.

Ve skutečnosti ale jeho přítomnost překvapením není a očekávala se. Velkým překvapením by naopak bylo, kdyby se kyslík v těchto galaxiích existujících nějakých 300 milionů let po Velkém třesku nenašel. To by pak byl důvod na zamyšlení, a byla by to v kosmologii velká věc. Jak to, že se tedy kyslík u těchto galaxií čekal? A jak to, že si někteří myslí, že ne?

Nejprve se podívejme ve stručnosti na to, jak ve vesmíru vznikají chemické prvky. V prvních chvílích kosmu probíhala tzv primární nukleosyntéza. Tehdy se tvořily první atomy, respektive tehdy jen atomová jádra. V převážné většině se vytvořily jádra vodíku a helia. Není ale pravda, jak se také mnohdy mylně uvádí, že to byly jen tyto dva prvky. V malé míře se vytvořila i jádra lithia a ve stopovém množství i určité, byť zanedbatelné množství beryllia či boru.

Těžší prvky se ovšem začaly tvořit ve větší míře až v pozdější fázi vesmíru. Ty nejtěžší prvky jako jsou třeba olovo, či zlato, vznikají při explozích supernov, a jak se nyní ukazuje, v dominantní míře také při srážkách neutronových hvězd.

Lehčí prvky, jako třeba uhlík, či právě zmíněný kyslík pak vznikají fúzní reakcí ve hvězdách. Vznikají tedy slučováním lehčích jader. Běžně probíhá ve hvězdách fúze vodíku na helium. Později se ale mohou tvořit i těžší prvky, jako je uhlík či kyslík. Jejich tvorbu ve hvězdách vysvětlil Fred Hoyle v 50. letech minulého století.

Tyto prvky tedy vznikly v prvních hvězdách. A protože tehdy bylo v kosmu hodně dostupného materiálu, tyto hvězdy dosahovaly enormích velikostí. Byly mnohem hmotnější než dnešní hvězdy. Což ale také znamená, že žily jen velmi krátce, třeba ani ne jeden milion let, což je na hvězda extrémně krátký život. A tyto hvězdy uvolnily těžší prvky jako uhlík či kyslík do okolí.

JWST zatím pozoruje galaxie, které existovaly ve vesmíru starém kolem 300 milionů let (nejstarší galaxie MoM-z14 existovala ve vesmíru starém 280 milionů let) a všechny tyto galaxie už přítomnost kyslíku vykazují. Takže naopak hledáme galaxie, které by byly čisté, nedotčené a žádné těžší prvky by neobsahovaly. To by bylo skutečně mimořádně zajímavé a zásadní pozorování. A bylo by to také pozorování překvapivé.

Dokonce už i ty nejvzdálenější a nejstarší galaxie a také galaxie, které obsahují nejmenší množství těžších prvků už obsahují důkazy o tom, že v nich je materiál, který byl dříve zpracován hvězdami. Není tedy vůbec překvapivé, že i ve druhé nejvzdálenější v tuto chvíli známé galaxie JADES-GS-z14-0 je přítomen kyslík, což prokázaly pozorování rádiové observatoře ALMA nacházející se v Chile. Také u dalších velmi vzdálených galaxií byla přítomnost kyslíku prokázána. A výzkumy metalicity potvrzují, že se přítomnost těžších prvků v galaxiíxh v čase postupně zvyšovala.

Všechny dosud známe galaxie existovaly ve vesmíru starém 280 milionů let nebo více. Dokud nebudeme schopni pohlédnout ještě dále a spatřit první objekty svého druhu, které v kosmu existovaly, zůstanou pro nás tyto první generace galaxií a hvězd, které kyslík neobsahují nedostupné. V tuto chvíli je spatřit neumíme. Nicméně to, že i ty nejvzdálenější galaxie kyslík obsahují překvapivé není, naopak by bylo šokující objevit takto vzdálenou galaxii bez kyslíku. Abychom spatřili hvězdy a galaxie složené jen z vodíku a helia, museli bychom nahlédnout ještě dál do hlubin vesmíru a je otázka, zda na to i tak úžasný přístroj jako je JWST stačí.

16. S tím velkým vesmírem v okamžiku Velkého třesku jste mě překvapil, o tom jsem vůbec nevěděl. A jak se pak řeší otázka, odkud se ten už existující vesmír vzal, před Třeskem?

17. Pokud by byl vesmír nekonečný, jak by mohl vzniknout před určitou dobou a rozpínat se?

I zde jsem si dovolil spojit dvě otázky do jediné. Všechno, co se v obou dotazech píše souvisí s rozpínáním vesmíru a jeho vznikem. Dnes víme, že vesmír vznikl před 13,8 miliardami let při tzv. Velkém třesku. Pro to máme spoustu důkazů a je to v podstatě tak jisté, jak jisté to může být. Nic na tom nemění ani některá nová pozorování, například ta z Webbova teleskopu.

Víme také, že v první fázi své existence byl vesmír nesmírně horký, hodnoty teploty, hustoty látky v kosmu a dalších veličin dosahovaly neuvěřitelně vysokých hodnot. V kosmu také byly tehdy zastoupeny částice, které dnes již běžně nenajdeme, neutrina i fotony interagovaly s hmotou, a kvarky u gluony byly volné, nebyly tedy vázány v protonech či neutronech, jako je tomu dnes.

Tato prostá fakta ovšem neříkají moc o tom, jaký je vesmír nyní a jaký byl při svém vzniku. Takže co o tom víme? Nejprve bych rád vyjasnil jednu věc. Pokud je vesmír nyní nekonečný, pak musel být nekonečný vždy, tedy i v době svého vzniku. Proč? Protože pokud je něco nekonečně velké, nelze toho dosáhnout v konečném čase.

Pokud by byl vesmír konečný, byť obrovský, rozepnutí na nekonečnou velikost by mu trvalo nekonečně dlouhou dobu. Pokud tedy vesmír je nyní nekonečný, musel být nekonečný už v okamžiku, kdy se před 13,8 miliardami let zrodil. A pokud je vesmír nyní konečný, pak byl konečný vždy, i při svém vzniku, a také vždy konečně velký bude. Nutno ovšem zdůraznit, že aktuálně mezi fyziky neexistuje shoda, zda je vesmír konečný, či nekonečný.

Jestliže měl někdo pocit, že vesmír musí být v okamžiku svého vzniku malý, či snad dokonce mít nulovou velikost, zřejmě jeho představa vychází z dříve hodně popularizované varianty, že kosmická singularita měla v okamžiku vzniku vesmíru nulovou velikost, ale přitom nekonečnou hustotu, teplotu apod. Tato představa je však dnes již překonaná. Dnešní kosmologické hypotézy jsou již založeny na jiných předpokladech.

V současnosti nejpopulárnější model je tzv. inflační. Ten nám říká, že na samém počátku se vesmír vlivem záhadného inflatonového pole prudce rozepnul všemi směry, o kolik přesně nevím, mohlo to být, v závislosti na variantě modelu, o 20-100 řádů, to ostatně není ani tolik podstatné. Důležité je, že inflační kosmologie řeší mnoho problémů původního kosmologického modelu Velkého třesku, proto je dnes tak populární a existuje na ní víceméně obecná shoda.

Inflační model je však zajímavý tím, že říká, že všechny dnes měřitelné vlastnosti vesmíru vznikly až po inflační fázi. Můžeme v principu zjistit co inflační fázi spustilo a zastavilo, můžeme se, díky reliktním gravitačním vlnám, podívat v principu až do okamžiku inflace. Jenže inflační fáze zároveň spolehlivě smazala a vyhladila jakékoli známky toho, jaké vlastnosti měl vesmír před inflací. O vesmíru před inflací tak nemůžeme v tomto modelu v podstatě nic zjistit.

Existují ovšem varianty inflačního modelu, které předpokládají, že je náš pozorovatelný vesmír součástí většího celku, tzv. multiverza. S tím počítají například chaotická či věčná inflace, známá rozšíření klasické inflační teorie. V zásadě jde o to, že existuje nějaký velký celek, multiverzum, kde je mnoho různých regionů, kterým můžeme říkat bubliny či vesmíry.

V našem pozorovatelném vesmíru se již inflace zastavila, a tak je pozorovatelný vesmír vcelku klidný.  Avšak v jiných místech multiverza probíhá inflace dál a vznikají další a další bubliny s normálním prostorem a časem, kde již inflace skončila, nové vesmíry. K inflaci v různých částech multiverza ovšem dochází věčně, proto se mluví o věčné inflaci. Přičemž to, kdy a kde se inflace zastaví a vytvoří novou bublinu normálního prostoročasu je závislé na mnoha aspektech té které oblasti.

Za předpokladu, že vesmír vznikl takto, tedy v multiverzu z věčné inflace tím, že v naší části vesmíru se inflace zastavila, je jasné, že multiverzum existovalo již před počátkem našeho kosmu, který označujeme jako Velký třesk. Odkud se takový vesmír vzal máme vyřešeno a víme i že mohl být v podstatě libovolně velký, ale je jasné, že v tomto případě by byl náš vesmír konečný, byť by celé multiverzum mohlo být nekonečně velké.

Naše bublina v rámci multiverza, kde už inflace skončila nicméně může být výrazně větší, než je náš pozorovatelný vesmír. Může být třikrát větší, nebo i biliardkrát větší a stále to bude v souladu s modelem multiverza. My ale pochopitelně vidíme jen tu naši určitou pozorovatelnou část, která je v tuto chvíli v průměru velká 93 miliard světelných let a v minulosti byla menší. Nicméně naše bublina v multiverzu může být velká téměř libovolně.

Existují ale i jiné modely. Například některé modely cyklické. Ani zde neplatí jednoduché naivní představy o cyklickém kosmu, neboť by porušovaly zákony termodynamiky, ale existují jisté vylepšené cyklické modely. Nejdůležitější pro současnou fyziku jsou dva – Penroseův cyklický model a Khouryho, Ovrutův, Steinhardův a Turokův ekpyrotický model.

Penroseův model předpokládá, že na konci každého cyklu dojde k přechodu vesmíru do nového cyklu, který Penrose nazývá eon. Začátek každého eonu lze chápat jako nový Velký třesk. Důležité je, že v okamžiku přechodu mezi eony může být vesmír libovolně velký, tedy obří nebo klidně nekonečný, na tom totiž v tomto modelu nezáleží. Jde jen o to, aby byly splněny podmínky pro přechod mezi eony.

Takovýto vesmír pak může projít novým Velkým třeskem už jako nekonečný, a přitom se dále rozpínat. I nekonečný vesmír se totiž může rozpínat, rozpínání nezávisí na konečnosti kosmu. I v nekonečném vesmíru se mohou objekty od sebe vzdalovat. A i nekonečný vesmír se může zvětšovat, podobně jako z matematiky víme, že nejsou všechna nekonečna stejně velká.

Zajímavé také je, že bosony (jako např. fotony) mohou mezi eony volně přecházet, a tedy dnes by mohly být v kosmu bosony z předchozího eonu. Naproti tomu pro fermiony (protony, elektrony) je hranice eonu nepřekročitelná a aby mohlo dojít k přechodu mezi eony, musí se všechny fermiony rozpadnout. Ze starého eonu do nového by se také mohla dostat část gravitačního záření.

Ekpyrotický model naproti tomu staví na strunové teorii, respektive její vylepšené a rozšířené verzi M-teorii. Tento model předpokládá, že náš vesmír je jakási zvláštní membrána v n-rozměrné verzi. Tento vesmír má k sobě paralelní vesmír na jiné membráně. To by mohlo vysvětlit, proč je gravitace tak slabá. Zatímco ostatní síly působí jen v našem vesmíru, gravitace by mohla působit i do paralelního vesmíru na druhé membráně.

Především však tento model počítá s tím, že se obě membrány vůči sobě pohybují. Když se srazí nastává Velký třesk, který vytvoří hmotu a záření v každém z obou vesmírů. Pak se od sebe membrány začnou vzdalovat, až se po nějaké době začnou zase přibližovat, a nakonec se znovu drazí, což vyvolá další nový Velký třesk, a tedy i nový cyklus vesmíru.

Máte-li rádi mystiku, mohlo by vás zaujmout, že podle ekpyrotického modelu trvá jeden cyklus zhruba 3 biliony let, zhruba stejně jako jeden Bráhmův rok z indického hinduismu. A jeden Bráhmův den je asi 8,5 miliardy let, což odpovídá zhruba době, kdy měla temná energie převzít vládu nad kosmem. Je to samozřejmě náhoda, ale zajímavé to určitě je.

Podstatné opět je, že tyto membrány mohou existovat v podstatě věčně, takže je jasné, co bylo před naším Velkým třeskem – předchozí cyklus obou vesmírů. A je také jasné odkud se vzal vesmír před Velkým třeskem. I zde platí, že obě membrány mohou být libovolně velké, i nekonečné, takže opět při startu nového cyklu v novém Velkém třesku už může být vesmír nekonečný.

A i tento nekonečný vesmír se opět může rozpínat. Představme si to, že je ona membrána ve 2D, je nekonečně velká a je tvořena gumou. Tuto gumu můžeme libovolně natahovat, čímž zvětšujeme prostor mezi jednotlivými částmi membrány, která je stále nekonečná, a přesto se může natahovat a zvětšovat. Podobně jako tomu může být i u vesmíru.

Zda ekpyrotický, či Penroseův model platí nevíme. Nevíme ani s jistotou, zda platí model inflační. Poměrně brzy by se o tom však mohlo rozhodnout, až totiž spatříme reliktní gravitační vlny z počátku vesmíru. Tedy, pokud je spatříme. Doufáme ale, že ano, protože některé budoucí kosmické observatoře (LiteBIRD, Big Bang Observer a možná i LISA či Taiji) by na jejich detekci, aspoň nepřímo, mohly dosáhnout.

A právě to by mělo přinést zásadní průlom v kosmologii. Ekpyrotický a inflační model totiž předpovídají zcela jiné spektrum reliktních gravitačních vln. Takže podle toho, zda tyto vlny uvidíme a jaké budou, můžeme rozhodnout o tom, jaký kosmologický model je správný.

Povšimněte si prosím, že vlastně žádný model problém počátku vesmíru zcela neřeší. Ano, náš vesmír vznikl díky přechodu z předchozího eonu, srážce membrán, či zastavení inflační fáze v naší části vesmíru. Ale pochopitelně zůstává otázka, kdy a jak vznikly ony membrány, první eon v Penroseově modelu a jiné vesmíry v multiverzu a popřípadě celé multiverzum. To jsou ovšem otázky, na kterou dost možná nebudeme znát odpověď nikdy.

Nicméně to, jak mohl být vesmír v okamžiku našeho Velkého třesku velký, či dokonce nekonečný, jak se mohl nekonečný vesmír rozpínat a kde se tento velký či nekonečný vesmír vzal jsem snad odpověděl dostatečně.

18. Jak definovat počáteční (nebo jakoukoliv jinou) singularitu, aby nebyla v rozporu se zákony kvantové fyziky, tj abychom neznali současně její polohu a hybnost?

Zde si vypomohu předchozí odpovědí. Singularita je pochopitelně pro fyziku velmi problematická. Především proto, že veličiny v ní dosahují nekonečných hodnot. A to ať už jde o singularitu počáteční, singularitu černé díry, bílé díry, či jakoukoli jinou. To, že někde dostaneme singularitu znamená, že má současná teorie problém a že potřebujeme nějakou pokročilejší hypotézu, které se singularitě vyhne.

Stejně jako ve výše uvedených případech kosmologických modelů. Žádný z výše uvedených modelů, ať už jde o konformní cyklickou kosmologii Penrose, ekyprotický model, nebo inflační kosmologii, ve skutečnosti singularitu nejen nepotřebuje, ale ani s ní neoperuje a nepracuje. Vznik a vývoj vesmíru lze vysvětlit i bez ní. A to dokonce ještě lépe a přesněji.

I pokud by neplatila verze inflační hypotézy s multiverzem, což jeden z jejích proponentů Andrej Linde považuje za možné, avšak těžko proveditelné, pak ani zde nefigurují singularity. Náš vesmír by mohl například vzniknout z tzv. kvantové pěny. To je hypotetické turbulentní chování prostoročasu na velmi malých škálách. I když jsou rozměry, na kterých se kvantová pěna má vyskytovat velmi malé, nejsou nulové a nulovou velikost tedy nemají ani objekty zde vzniklé.

Z kvantové pěny mohou vznikat různé objekty například miniaturní červí díra, nebo dokonce nové vesmíry. Většina takto vzniklých vesmírů má velmi krátké trvání, neboť brzy zase zaniknou a vrátí se do kvantové pěny, avšak pokud v nějakém vesmíru vlivem vhodných počátečních podmínek dostane prostor se projevit inflatonové pole a dojde k inflaci, přeroste takový vesmír všechny meze.

I když je původní stav vesmíru v tomto případě velmi malý, nemá ve skutečnosti nulovou velikost a singularitě se tak vyhýbá. V případě zapnutí inflace se dá mimochodem mluvit o tom, že vesmír vznikl v podstatě z ničeho. Což autor původního inflačního modelu Alan Guth komentoval takto: „Často se říká, že nic takového jako oběd zadarmo neexistuje. Ve skutečnosti je ale možná celý vesmír takovým obědem zadarmo!“

Ani další modely se singularitou logicky neoperují. Neboť v ekpyrotickém i Penroseově cyklickém modelu je na počátku našeho cyklu vesmír velmi velký. Ale i v naivní cyklické kosmologii, kdy dochází k Velkému krachu a novému Velkému třesku a vesmír se skutečně dostává na velmi malý rozměr lze singularitě zabránit.

A pomohou právě kvantové síly a zákony. Když se totiž vesmír dostatečně zmenší, vlivem kvantových jevů už se dále zmenšit nemůže, a naopak vlivem stejných sil dojde k tomu, že se místo toho začne rozpínat. Jakoby se odrazí, a to sice z velmi malé (možná až na úrovni Planckovy délky), ale nenulové velikosti, proto také někdy mluvíme o Velkém odrazu. Nicméně tato jednoduchá cyklická verze dnes již není mezi kosmology příliš populární.

A i v případě černých děr se zřejmě jde singularitám vyhnout. Zde si už ale tak jistí nejsme, neboť abychom plně pochopili, co se děje v nitru černých děr, potřebovali bychom mít k dispozici teorii kvantové gravitace, která by úspěšně spojila kvantovou mechaniku a obecnou relativitu a dokázala kvantovat gravitaci. Kandidátů na takovou teorii máme spoustu, ale bohužel rozhodnout která, pokud nějaká, je správně a ověřit ji experimenty, k tomu máme zatím velmi daleko.

Faktem proto je, že abychom mohli o singularitách a černých dírách pod horizontem událostí říci něco určitějšího, potřebovali bychom právě kvantovou gravitaci, do té doby můžeme jen činit kvalifikované odhady. Nicméně i zde by se snad mělo jít singularitě jako takové nějak vyhnout, zejména u rotujících černých děr, aspoň nakolik rozumíme současné fyzice.

Každopádně, snad jsem situaci se singularitami ve fyzice objasnil dostatečně. Pokud někde máme singularitu, je to důkaz selhání teorie a toho, že potřebujeme lepší, pokročilejší teorii. Nejlepší způsob, jak definovat a popsat singularitu by byl pomocí kvantové gravitace, ale ani takový popis by nebyl zřejmě dokonalý.

Nejlepší, co proto můžeme udělat je se singularitám snažit bránit se jejich výskytu ve fyzice za každou cenu a vybýbat se jim jako čert kříži. Pak je totiž nemusíme ani definovat, ani popisovat, což je to nejlepší, co můžeme udělat.

Závěr

Jsme na konci třetího dílu, další pět, nebo respektive v tomto případě spíše sedm, otázek zodpovězeno. Zdaleka nejsme na konci otázek, které mi přišly, takže se nebojte, ještě poměrně hodně dílů vyjde. A pochopitelně můžete klidně posílat další otázky, aspoň budete mít jistotu, že bude ještě více dílů.

Zdroje obrázků

• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/bullet-cluster.jpg
• https://solarsystem.nasa.gov/internal_resources/125/
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7b/Best_image_of_bright_quasar_3C_273_%2810953173335%29.jpg/960px-Best_image_of_bright_quasar_3C_273_%2810953173335%29.jpg
• https://stsci-opo.org/STScI-01G8H1NK4W8CJYHF2DDFD1W0DQ.png
• https://www.universetoday.com/article_images/jwst-galaxies.webp
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a7/Milky_Way_Arms_ssc2008-10.svg/960px-Milky_Way_Arms_ssc2008-10.svg.png
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/AWcavUASABGqVnMnFeBJNS-970-80.jpg.webp
• https://bigthink.com/wp-content/uploads/2024/06/jades14fields.jpg
• https://bigthink.com/wp-content/uploads/2026/01/JADES_ALMA_O.jpg?resize=1024,480
• https://bigthink.com/wp-content/uploads/2023/12/STScI-01GYZAPV1XYATX2JT353KJAQBJ.png?resize=1024,1006
• https://abaleato.github.io/cmb_visualisations/vr_images/thumbnails/cmb_thumbnail.png
• https://www.universetoday.com/article_images/0x0_20251117_000158.png
• https://pages.uoregon.edu/jschombe/images/eternal_inflation.png
• https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2010/12/pen1.jpg
• https://images.newscientist.com/wp-content/uploads/2002/03/23343601.jpg
• https://i.pinimg.com/1200x/ea/da/9c/eada9c05f3bdf7fdd1c0ae0fe26c6c46.jpg
• https://astronomy.com/-/media/Images/Magazine%20Articles/2021/01/ASYIF0121_04.jpg?mw=600
• https://physics.aps.org/assets/438ff906-e63e-4195-be9b-8da99b0d78d0/e105_1.png
• https://i.sstatic.net/ZvhG8.jpg