Temná hra neviditelného aneb Tajemství, které může zbořit dosavadní poznatky vědy o vesmíru
Kosmické dalekohledy už dohlédnou skoro až k okamžiku stvoření, které se teď nazývá Velký třesk. Mohlo by se zdát, že podobě a fungování vesmíru rozumíme. Opak je pravdou. Vědecké poznání narazilo na hranice, které už delší dobu není schopné překročit. Říká se jim temná hmota a temná energie. Hypotéz o jejich podstatě jsou tisíce, ale o co jde doopravdy, nikdo s jistotou neví. Podle některých názorů dokonce může toto vzdorovité tajemství torpédovat pracně vystavěnou konstrukci vědy o vesmíru.
Bůh nehraje v kostky, oponoval Albert Einstein teorii kvantové mechaniky, protože se mu zdálo, že postrádá řád, který on od vesmíru očekával. „Bůh nejenže v kostky hraje, ale dokonce je často hází tam, kde nejsou vidět,“ parafrázoval Einsteinův slavný výrok Stephen Hawking, když zjistil, že z černých děr přece jen něco dokáže uniknout.
Už nějaký čas se ale zdá, že Boha házení kostkami vlastně vůbec nezajímá. Zřejmě totiž hraje nějakou úplně jinou hru, s jejímiž pravidly zatím odmítá vědce seznámit. Nebo oni nejsou schopni je poznat. Ta hra se jmenuje temná hmota a temná energie.
Největší omyl Alberta Einsteina
Za časů Isaaka Newtona (1642–1727) byl vesmír docela přátelské a předvídatelné místo – alespoň podle tohoto vědce. Každý se mohl přesvědčit, že Newtonovy zákony o pohybu a gravitaci platí, takže to vypadalo, že problém je vyřešený, všechno je jasné a můžeme se zabývat něčím jiným. Jenže o pár století později Albert Einstein do téhle pohody hodil vidle, když oznámil, že Newton popsal jen část pravdy. Dokonce část malou, jež platí, jenom když se věci moc rychle nepohybují. A ještě ke všemu tvrdil, že při velkých rychlostech se všechno chová naprosto šíleně, jenže běžný smrtelník se o tom nemůže nijak přesvědčit. Jinak řečeno, Einstein Newtona nevyvrátil, ale popsal širší skutečnost, jejíž byly Newtonovy zákony jen malou součástí. Tohle je důležité, protože se to nemusí týkat jen Newtona.
Einstein roku 1915 publikoval svou obecnou teorii relativity, která (velmi zjednodušeně řečeno) tvrdila, že prostor a čas nejsou nezávislé a jednou provždy dané veličiny, ale ovlivňuje je přítomnost hmoty a záření. Jenže tu byl problém: podle Einsteinových rovnic, jež tohle dokazovaly, by nakonec převládla gravitace a vesmír by se zhroutil sám do sebe. Einstein sice nemohl vylepšit vesmír, ale rovnice ano, tak do ní jednoduše vložil konstantu velkou tak, aby vesmír mohl dál spokojeně existovat. Říká se jí kosmologická konstanta.
Tehdy se věřilo, že vesmír je pořád stejný (a ještě ke všemu uzavřený, tím si však nebudeme složitý problém ještě víc komplikovat). Jenže pak se ukázalo, že tomu tak není. Astronomové zjistili, že čím dál jsou kosmické objekty, na něž se dívají, tím jsou červenější. Říká se tomu rudý posuv a neznamená to, že by vzdálený vesmír byl levicový ani že by tam bylo všechno natřené na rudo. Ty objekty mají normální barvu, avšak rychle se od nás vzdalují, takže se pro pozorovatele na Zemi frekvence jejich světla posouvá směrem k rudé barvě (takzvaný Dopplerův jev). Rudý posuv tedy prozrazuje, že vesmír není konstantní, rozpíná se, jak roku 1929 rozpoznal Edwin Hubble.
Kosmologická konstanta se zdála být zbytečná, takže ji Einstein z rovnice vyhodil. Dokonce ji nazval svým největším životním omylem.
Když se tedy vesmír rozpíná, muselo jeho rozpínání začít od nějakého bodu nula, kterému se říká Velký třesk. Roku 1964 satelit Echo zachytil záření, jež jako by přicházelo ze všech stran, a o čtrnáct let později dostali Arno Penzias a Robert Wilson Nobelovu cenu za důkaz, že toto záření (tzv. reliktní záření) je památkou na vznik vesmíru při explozi ničeho (odborněji řečeno, při jeho evoluci z počáteční singularity). Měl se tímhle způsobem zrodit před 13,8 miliardy let a od té doby se pořád rozpíná. Na existenci Velkého třesku je postavený takzvaný standardní kosmologický model (model ACDM), který je dnes všeobecně přijímaný, protože vysvětluje většinu jevů ve vesmíru. Je tu ale problém: aby takhle hezky fungoval v souladu s tím, co astronomové pozorují, bylo nutné do něj vložit ještě teoretický konstrukt temné hmoty a temné energie.
Když v letech 2001 až 2010 sonda WMAP zmapovala rozložení reliktního záření, dospěli vědci na základě analýzy jejích údajů (a jejich dosazením do modelu ACDM) k závěru, že temná hmota musí tvořit 23 procent hmoty vesmíru, a temná energie dokonce 72 procent.
Sečteno a podtrženo: pokud je ACDM pravdivý, pak víme jen o pěti procentech celého vesmíru. Zbytek nejen že nikdo neviděl, ale navzdory obrovskému úsilí vědců se jej už řadu let nedaří najít ani pochopit.
Kosmické svíčky
Einsteinem zavržená kosmologická konstanta však odmítla opustit vědeckou scénu. Roku 2011 získali Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt a Adam G. Riess Nobelovu cenu za zjištění, že vesmír se nejen rozpíná, ale že se rozpíná čím dál rychleji. To se nemůže dít samo od sebe; musí tu být něco, co zrychlování pohání. Ať už je to cokoliv, vědci to potřebují nějak nazvat a dosadit do rovnic. Kosmologická konstanta jim proto najednou zase byla dobrá.
Někdo asi namítne, že měřit změny rychlosti rozpínání vesmíru spolehlivě nejde, ale pánové ocenění nejprestižnější vědeckou medailí použili metodu, jež je považována za neprůstřelnou. Posloužilo jim k tomu kosmické „měřítko“ v podobě jednoho typu supernov (takzvaných supernov typu Ia), u nichž se dá zjistit, jak daleko od nás explodovaly.
Většina supernov jsou hvězdy, které se v určitém stadiu své existence zhroutí a dojde k explozi, jež na krátký okamžik několikanásobně zvýší jejich jasnost. Takové exploze mohou být různé, a pro měření se tedy nehodí. Ale pak tu jsou supernovy Ia, které původně vypadaly úplně jinak. Šlo o dvojhvězdu, tedy dvojici hvězd obíhajících kolem společného těžiště. Menší složka byla výrazně hmotnější a svému parťákovi kradla jeho hmotu. To se jí nakonec nevyplatilo: když přibrala nad určitou mez (odborníci říkají, že dosáhla Chandrasekharovy meze), explodovala.
Světlo exploze tohoto typu jde snadno identifikovat díky charakteristickému spektrálnímu složení, navíc má vždy stejný průběh jasu. A hlavně každá uvolní stejné množství energie, takže podle jejího zdánlivého jasu pozorovaného ze Země lze zjistit, jak daleko k explozi došlo. Říká se tomu metoda měření pomocí kosmické svíčky.
Následně začali vědci používat nejvýkonnější astronomické přístroje k hledání takových objektů. Díky Hubbleovu kosmickému teleskopu dohlédli až do vzdálenosti 11 miliard světelných let – a protože rychlost světla je daná a konečná, znamená to, že vlastně viděli stejně daleko do minulosti. Tedy do doby, jež byla od Velkého třesku vzdálená jen 2,8 miliardy let, zatímco zbylých 11 miliard měli před sebou jako na dlani.
Do té doby se předpokládalo, že vesmír se rozpíná rovnoměrně nebo že vlivem různých sil se rozpínání zpomaluje, až se nakonec zastaví a gravitace zase začne přitahovat všechny objekty k sobě. Až se všechno zase srazí v ději opačném k Velkému třesku, který dostal jméno Velký křach. Během něj by všechno, co tvořilo náš vesmír, zase skončilo v singularitě, tedy v bodě, kde není hmota, prostor ani čas.
Ale kosmické svíčky poskytly udivující výsledek: rozpínání se naopak zrychluje. Musí tu tedy být nějaká odpudivá síla. Jenže všechny snahy ji najít zatím vyzněly naprázdno.
Energie ničeho
Pokud něco hledáte, je dobré vědět, co to je a jak to vypadá, protože pak se hned hledá lépe. Když už se tedy nedaří temnou energii objevit, nebo ji dokonce získat laboratorně, je aspoň snaha teoreticky definovat, čím by mohla být, a co konkrétně tedy hledat.
Fyzika zná čtyři základní síly, které drží náš svět pohromadě a jimiž lze vysvětlit všechny jevy ve vesmíru: silnou interakci, slabou interakci, elektromagnetickou interakci a gravitaci. Silná a slabá interakce mají krátký dosah, takže se projevují jen v jádrech atomů. Do elektromagnetických interakcí jsou zahrnovány všechny jevy související s elektřinou a magnetismem. Ty jsou dobře probádané, takže je z okruhu možných pachatelů temné energie také můžeme vyloučit.
Pak tu ale máme gravitaci, jež je v mnoha ohledech stále záhadná. Například se pořád nedaří – na rozdíl od ostatních sil – sjednotit její vysvětlení v Einsteinově teorii relativity s kvantovou mechanikou. Stejně tak vědci dosud nedokázali existenci hypotetické částice gravitace, která ale přesto už má jméno: graviton.
Může tedy mít temná energie něco společného s gravitací? Je tu určitá podobnost, například také působí na velké vzdálenosti – jen opačně. Možná ale gravitaci jen špatně rozumíme, třeba temná energie patří k jejím projevům. Někteří vědci proto nevylučují možnost, že rozluštění tajemství temné energie se objeví mezi budoucími pokroky při výzkumu gravitace.
Další možnost spočívá v tom, že základní síly nejsou čtyři, ale že existuje pátá – a to je právě temná energie. Některé laboratoře se snaží existenci takové síly dokázat, ale zatím bez přesvědčivých výsledků. Nejčastěji se jako pravděpodobné vysvětlení temné energie uvádí takzvaná energie vakua. Jde o sílu, která jistě zaujme všechny vynálezce perpetua mobile, protože také pochází z ničeho. Na rozdíl od perpetua mobile však je nejen teoreticky vysvětlená, ale i experimentálně prokázaná. Existence energie vakua vyplývá ze zákonů kvantové mechaniky. Ty říkají, že ani vakuum nemůže být úplně prázdné, a tak v něm vznikají a zase zanikají dvojice částic (částice a antičástice). Důsledkem je, že když ve vakuu blízko sebe dáme dvě desky, budou se přitahovat větší silou, než je pouhá gravitace jejich hmoty (tzv. Casimirův jev). Z hlediska temné energie je tu ale problém: energie vakua je o několik řádů nižší než ta, jež se snaží rozehnat galaxie od sebe.
Jiní badatelé tvrdí, že přesvědčení o existenci temné energie je jen výsledek nějakého omylu, chyby v pozorování, špatné interpretace výsledků, víry v nepravdivé teorie a podobně. Nejvíc pozornosti médií se obvykle dočkají nejbizarnější názory, třeba takové, které popírají Velký třesk, vracejí se k nějaké formě stacionárního vesmíru, konstruují jiné modely vývoje vesmíru a podobně. Jsou sice čtenářsky atraktivní, ale většina vědců je spíš odmítá. Přesto nad nimi nejde tak úplně mávnout rukou; nebylo by to poprvé, kdy se správné řešení vylíhlo daleko od hlavního proudu vědy.
Teorií, jež se snaží temnou energii vysvětlit, jsou stovky, některé zdroje dokonce tvrdí, že spíš tisíce, a skoro každý den se zrodí nějaká další. Jedna z nich soudí, že temná energie vlastně je totéž jako temná hmota. Ale co tedy je temná hmota? Odpověď vypadá trochu jako špatný vtip: ani to nikdo neví.
Kosmická pavučina
Historie hledání temné hmoty se v čase nápadně kryje s vývojem hypotéz o temné energii. Všechno začalo už před druhou světovou válkou, kdy někteří astronomové zjistili nesrovnalosti v pohybu galaxií: rotovaly rychleji, než by odpovídalo jejich předpokládané hmotnosti.
V šedesátých letech minulého století přístrojové vybavení astronomů pokročilo natolik, že bylo možné se na to podívat podrobněji. Tehdy se ukázalo, že chování galaxií se odmítá řídit předpoklady vědců. Ti logicky očekávali, že nejrychleji bude rotovat jádro galaxie a směrem k okrajům se bude pohyb zpomalovat. Nevychované galaxie ale dělají pravý opak.
Byly tu i další náznaky, že ohledně hmoty galaxií není všechno v pořádku. Z Einsteinovy teorie relativity vyplývá, že tělesa o velké hmotnosti dokážou změnit dráhu světla. To se skutečně děje – jenže galaxie ohýbají světelné paprsky ještě víc, než by se vzhledem k jejich předpokládané hmotnosti dalo čekat. Jinak řečeno: mezi tím, jakou hmotnost by měla galaxie mít podle toho, co z ní vidíme, a tím, jakou má skutečnou hmotnost, je velký rozdíl. Musí tam tedy být ještě něco, co nevidíme. Začalo se tomu proto říkat temná hmota.
Dalším důkazem pro existenci temné hmoty je takzvaná kosmická pavučina. Galaxie nejsou ve vesmíru rozložené rovnoměrně, ale jejich shluky vytvářejí vlákna, která se různě setkávají a kříží – stejně jak vlákna pavučiny. Gigantická struktura mohla vzniknout jedině tak, že ji nejprve vytvořila temná hmota a teprve dodatečně se na ni nabalila hmota viditelná.
Není vyloučené, že temná hmota má s temnou energií společného i víc než jen to, že také přidělává vrásky vědcům. Někteří se domnívají, že jde jen o dva projevy téhož fenoménu nebo že to je nějaká zatím neznámá forma hmoty, jež se projevuje těmito dvěma způsoby.
Leckdo si teď asi řekne, že kvůli temné energii chleba levnější nebude a tyhle starosti je lepší hodit za hlavu. Ale přesně totéž říkali lidé před sto lety o štěpení atomu, dokonce mezi nimi byli i přední vědci. A dnes je to jeden z nejvýznamnějších zdrojů energie. Nikdy se proto nedá říci, co se z kterého poznání nakonec vyklube.
