Okamžik "velkého třesku" ve světle hypotéz moderní kosmologie

Prázdnota je matricí dnešního vesmíru

* Na začátku bylo vakuum... Z kvantové fluktuace vakua se zrodil vesmír. Tak se dá v kostce charakterizovat moderní verze proslulého "velkého třesku".
Vědci se prakticky celé toto století pokoušejí spojit nekonečně velké - celý vesmír - a nekonečně malé - kvantovou teorii.
Zavedení vakua do modelu velkého třesku je dosud novinkou, a nelze proto mluvit o koherentní a dokončené teorii - spíše o několika zajímavých a velmi diskutovaných hypotézách. Podle teorie zvané standardní se vesmír zrodil asi před 15 miliardami roků z počáteční exploze zvané z velkého třesku. Prvotní vesmír byl nekonečně horký, malý a hustý, pak se ochladil a roztáhl. Částice, síly a záření se vyvíjely, až dospěly k našemu současnému světu, osídlenému galaxiemi vytvořenými z atomů.
Rozpínání vesmíru je potvrzováno četnými astronomickými pozorováními, zejména existencí "reliktního záření", které zalévá celý vesmír. Je to jediná stopa úsvitu vesmíru, protože toto záření vzniklo několik sekund po velkém třesku.

Potíže s časoprostorem

Kosmologie disponuje teorií, která platí na celý vesmír: Je to obecná relativita formulovaná Einsteinem v roce 1916. Stanoví, že přitažlivost vykonávaná hmotami působí na samotnou strukturu časoprostoru: Ten již není neměnným rámcem, ale stává se poddajným a ohýbá se podle hmoty (nebo energie), kterou obsahuje. Je třeba podtrhnout, že časoprostor všeobecné relativity není chápán bez obsahu, tedy že nepřipouští vakuum! Jak vysvětloval Einstein novinářům, kteří ho žádali, aby shrnul svou teorii: "Nejdřív se myslelo, že když všechny věci zmizí, čas a prostor přesto zůstávají. S teorií relativity mizí čas a prostor s věcmi."
V kosmologii popisuje všeobecná relativita vývoj vesmíru jako rozpínání časoprostoru. Ale naráží na jednu nepřekonatelnou překážku: okamžik velkého třesku. V této teorii je čas "nula" vržen do vnějších temnot. Teplota a hustota se stávají nekonečnými a výpočty již nemají smysl. Obecná relativita neříká nic o samotném počátku času.

Negativní přitažlivost

Odtud pochází nápad zaplnit tuto mezeru... vakuem, přesněji kvantovým vakuem. Bylo importováno do kosmologie začátkem osmdesátých let přímo z mikroskopického světa a jeví se zvlášť plodné. Objevily se četné hypotézy. Jednou z nejmódnějších je hypotéza vakua jako motoru inflačního kosmického vzrůstu.
Jedním z nejzávažnějších problémů standardního modelu velkého třesku bylo, že nedokázal plně vysvětlit vznik galaxií. Ty jsou výsledkem seskupování kosmického prachu působením gravitace. Jejich původem jsou malé nestejnorodosti, "chuchvalce" původního plynu, které postupně rostly. Potíž spočívá v tom, že podle této teorie se původní nehomogenity nemohly nafukovat dostatečně rychle, aby zplodily galaxie.
Pro vyřešení této záhady navrhl americký astrofyzik Alan Guth chytrou koncepci: Na samém počátku svého života, v čase 10 - 35 sec po počáteční explozi, zažil vesmír krátkou fázi exponenciálního rozpínání. Astronomických dimenzí dosáhl za nepatrný zlomek sekundy a teprve pak se začal rozpínat takříkajíc "spořádaně". Roli motoru této inflační expanze sehrává kvantové vakuum, které pro ni má všechny požadované vlastnosti.
Vakuum vykonává ve skutečnosti "negativní tlak" rovnající se opaku jeho hustoty, což vyplývá z rovnic kvantové teorie. Tento negativní tlak je možné interpretovat jako zdroj negativní gravitační přitažlivosti, jinými slovy expanze!

Falešné vakuum

Jeden z nejmódnějších scénářů vzniku vesmíru tedy vypadá takto: Na začátku byl vesmír maličký a prázdný - kvantová, strukturovaná, homogenní prázdnota nafouknutá fyzikálními zákony a nasycená energií. Vakuum tak plné, že je označováno jako "falešné vakuum". Nestabilní prázdnota vyplněná obrovským negativním nábojem náhle vybuchla, roztáhla se závratně do gigantických rozměrů. Přitom vakuum rozbilo svou původní homogennost a symetrii a rozptýlilo takřka všechnu svou energii do vesmíru ve formě elementárních částic. Z prvotního všeobsažného "falešného vakua" se stalo skutečné vakuum, tak jak jej známe - téměř zbavené energie.
Tímto rozpínáním ztratil vesmír svou původní harmonii, stal se mnohočetným. Ve sledu "rozvíjení symetrie" se síly odlišily, částice nabyly různých hmotností. A především astronomické zvětšování fluktuací vakua vysvětluje dokonale nesourodosti hustoty hmoty, které daly zrod galaxiím... Ale všechny tyto úspěchy nesmějí dovolit zapomenout, že inflační růst je jen teorie na křehkém podstavci, kterou někteří astrofyzici označují za "naivní" a bez prokazatelného základu.

Vesmírné bubliny

Současná kosmologie nabízí vakuu ještě prestižnější úlohy: Není již jen motorem přílišného růstu, ale stává se samotnou matricí vesmíru. Jeden z nejpůsobivějších modelů vypracoval Rus Andrej Linde. Vesmír se podle toho zrodil z malé náhodné fluktuace prvotního vakua. V tomto měřítku má energie vakua a jeho fluktuace přímý vliv na strukturu časoprostoru.
Tak zcela banální fluktuace vakua nadiktovala vesmíru jeho vlastní časoprostor, jeho zákony, jeho fyziku a způsob, jak se rozbila původní jednota, aby se vytvořily síly a částice, které známe. Nic nezakazuje myslet si, že jiné fluktuace mohly vést ke zrodu jiných vesmírů, jakýchsi izolovaných bublin, které mají každá svůj časoprostor a své fyzikální zákony! To se zřejmě nikdy nedozvíme, protože tyto vesmíry-bubliny, vzešlé z nahodilých fluktuací, nemohou komunikovat mezi sebou. Tam jsme na hranicích vědy...
Kvantové vakuum existuje nutně uvnitř časoprostoru. Avšak někteří "radikální" kosmologové tvrdí, že lze postoupit ještě o krok dál, před samotný časoprostor; že zárodečný vesmír i s jeho geometrickou strukturou mohlo zrodit skutečné "nic".
Okamžitě však vzniká otázka, proč kvantový tunelový efekt existoval dříve než časoprostor a všechno ostatní? Toto pojetí, které předchází jakoukoli hmotu a energii, silně připomíná božství. Zde kosmologie bloudí mimo pole vědy.

Hranice času

Kde jsou však tyto hranice? Metafyzické otázky jsou nevyhnutelností: Jestliže kvantové vakuum dalo zrod vesmíru, kdo dal zrod kvantovému vakuu? Setkáváme se opět s věčným dilematem, "co bylo před velkým třeskem". Odpověď na takto položenou otázku zřejmě nepřísluší vědě. Ta nedisponuje matematickým aparátem a ještě méně experimentálními prostředky, aby dala odpověď.
Meze aktuální fyziky jsou jasně stanoveny kvantovou teorií. Všechno, co se děje v intervalu pod hranicí danou časem 10 - 43 sec, v tzv. Planckově čase, je fyzikálně nepopsatelné. Za touto Planckovou bariérou je vesmír současně tak malý, tak hustý a tak plný energie, že se kvantové a gravitační jevy spojují v jeden celek.

Úkol pro příští století

Zatím neexistuje žádná teorie schopná spojit kvantové a gravitační efekty. Zdá se, že obecná relativita, která popisuje gravitaci a vesmír ve velkém měřítku, a kvantová fyzika, která vládne nad mikroskopickým světem, jsou vzájemně naprosto neslučitelné. Přes úsilí trvající po desítky let nedosáhli fyzikové jejich sjednocení. Ale pro teorii "kvantové gravitace" je toto propojení nezbytné. Jenže - jak popsat časoprostor rozbouřený kvantovými skoky?
Fyzika dneška se pokouší najít nové nástroje. Při čekání na "unitární teorii všeho" hrají kosmologické scénáře významnou roli právě v pojetí funkce vakua. I když vypadají mnohdy jako fantazie, hypotézy a spekulace, oplodňují představivost a jsou součástí vědy. A kdo ví. Z hypotézy kvantového vakua se možná jednou zrodí nová teorie, která s těmi současnými udělá to, co Albert Einstein provedl s Newtonovou mechanikou...