Článek
Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram, Threads a zde na Médiu.
Dotaz
Zajímalo by mě, co je na konci vesmíru. Představoval jsem si to, že těsně po velkém třesku byl vesmír malý a kulový, o poloměru rovném c × T, kde c je rychlost světla a T je čas od vzniku vesmíru. Jak to vypadá s koncem vesmíru teď? Je na konci stále ten první foton, co vystřelil při velkém třesku a tvoří hranici vesmíru? Nebo degeneroval už na dlouhou vlnu reliktního záření – a tím zasahuje i hodně před konec vesmíru? Tzn. vesmír je větší než koule o poloměru c × T?
Minutová odpověď
- Foton je tzv. výměnná částice zodpovědná za elektromagnetické interakce.
- Reliktní záření je elektromagnetické záření, které je tvořeno prvotními fotony.
- Vesmír je pravděpodobně nekonečný a nekonečný už byl v době velkého třesku.
- Vesmír nemá prostorovou hranici, má tzv. časovou hranici.
- Budoucí vývoj vesmíru závisí na jeho hustotě.
Odpověď
Vaši otázku s dovolením rozdělím na několik podotázek: Existuje ještě tzv. první foton a co je tím vlastně myšleno? Jak to vypadá s vývojem a koncem vesmíru? Co je hranice vesmíru? Na první pohled jsou to rozdílné otázky – ale uvidíte, že spolu souvisí.
Začněme u fotonu
Začněme u fotonu. Foton je tzv. polní nebo také výměnná částice, která je dle kvantové teorie zodpovědná za elektromagnetické interakce. Tyto interakce mají konečný dosah a působí pouze na elektricky nabité částice [1].
Vesmír byl na počátku svého vývoje neuvěřitelně hustý a horký [2–5]. Tyto podmínky umožňovaly existenci volných elektricky nabitých částic, např. elektronů, na kterých docházelo k intenzivnímu rozptylu fotonů. Proto se toto období vývoje vesmíru od jeho vzniku do stáří 400 tisíc let nazývá éra záření. Poté došlo postupně k poklesu teploty (na 4000 K), což umožnilo to, že volné elektrony začaly tvořit neutrální atomární obaly. Byl ukončen rozptyl fotonů, což jinými slovy znamená, že záření (fotony) přestalo interagovat s hmotou (nabitými částicemi) a oddělilo se od látky.
Fotony s látkou interagovaly i nadále, ale vzhledem k tomu, že koncentrace volných iontů ve vesmíru značně poklesla, nejsou fotony téměř okamžitě pohlcovány (v řádech cm) a vesmír se stal průhledným pro záření tak, jak je tomu dnes. Tomuto elektromagnetickému záření říkáme reliktní záření a za dobu existence vesmíru jeho teplota poklesla na necelé 3 K [4]. Dalo by se tedy říci, že reliktní záření jsou vlastně naše „první fotony“, ovšem ne ve smyslu těch úplně prvních, které už byly pohlceny, ale nejstarších, které jsme schopni pozorovat.
Náš vesmír je nejspíš od nekonečný
Pokud jde o otázku, zda je na konci (vesmíru) stále ten první foton, který vystřelil při velkém třesku a tvoří hranici vesmíru, je třeba říci, že náš vesmír je s největší pravděpodobností nekonečný a byl takový již v době velkého třesku. Proto neexistuje žádná taková hranice, kde by bylo možné dosáhnout „konce“ vesmíru. Prvotní fotony vytvořené krátce po éře záření prostoupily celý vesmír a pohybovaly se všemi směry (izotropně). Dělají to dodnes, jediný rozdíl je v tom, že prvotní fotony se po rozpínání vesmíru v průběhu miliard let prodloužily 1000krát (prodloužila se jejich vlnová délka a zároveň poklesla jejich energie a teplota) a nyní tvoří reliktní záření.
Na popisu vývoje vesmíru se podílí jednak mohutný aparát obecné teorie relativity, ale také kvantová teorie pole. Obě teorie pracují s trochu jinými základními tezemi, zvlášť kvantová teorie nám dává dost zabrat. Snad se jednoho dne dočkáme jejich tzv. velkého sjednocení, protože to by byl teprve „velký třesk“ [4, 5].
Částicové experimenty a nepřímá pozorování
V současnosti máme spoustu dat z částicových experimentů a z přímých pozorování vesmíru, avšak k nejvýznamnějším zdrojům informací o vývoji raného vesmíru patří jeho nepřímá pozorování, především studium reliktního záření, např. prostřednictvím sond COBE a WMAP [6–9]. Podle inflační teorie pravděpodobně existovaly v rané fázi vesmíru nerovnosti, které mohly být způsobeny změnou v hustotě hmoty na kvantové úrovni. Tyto fluktuace se ukázaly jako klíčové a představují první struktury vesmíru, z nichž se později vyvinuly dnešní galaxie.
Kromě toho také víme, že vesmír od svého vzniku expanduje. Dokonce víme, že jeho expanze začala někdy po 5 miliardách let zrychlovat, a to pravděpodobně v důsledku existence temné energie. Rozpínání vesmíru tak není konstantní, ale stále nelineárně zrychluje, přičemž jeho expanze není limitována rychlostí světla (rozpíná se samotný prostor, nikoli objekty v něm).
Další osud vesmíru
Jaký bude další osud vesmíru, závisí na jeho hustotě, přesněji na tom, zda je jeho hustota vyšší, nižší nebo rovna kritické mezní hustotě. V prvním případě po určité době dojde k ukončení rozpínání vesmíru, převládne gravitace a začne jeho smršťování. V případě nižší hustoty v porovnání s kritickou mezí bude vesmír expandovat donekonečna. Pokud by jeho hustota byla přesně rovna mezní hustotě, znamenalo by to, že vesmír je plochý (vykazuje nulovou křivost, tj. nemá zakřivenou geometrii), je nekonečný a jeho expanze bude i nadále pokračovat.
Z dat získaných pozorováním reliktního záření a mnoha výpočty vyplývá, že hustota vesmíru je rovna právě mezní kritické hustotě, tzn. že vesmír je plochý (nemá tvar koule). Nicméně je třeba zdůraznit, že takto jednoduché to není a je třeba dalšího výzkumu pro definitivní potvrzení [4, 5].
Pozorovatelný vesmír
Tím se postupně propracováváme ke konci/hranici vesmíru. Pokud ještě nemáte zamotanou hlavu, tak teď to možná přijde.
Vesmír pravděpodobně žádnou prostorovou hranici nemá. Je třeba zdůraznit, že z našeho pohledu vidíme pouze část vesmíru, z níž k nám stihlo doletět světlo od jeho počátku, tzv. pozorovatelný vesmír. Jeho hranice se nazývá horizont částic a nachází se ve vzdálenosti 13,7 miliard světelných let. Vzdálenější oblasti zatím nevidíme. Jde tedy o tzv. časovou hranici, která je dána existencí počátku vesmíru. Čím dále hledíme, tím mladší vesmír pozorujeme [4].
Jinými slovy tedy vlastně teoreticky pozorujeme „první fotony“ v podobě reliktního záření, avšak paradoxně hledíme ne na prostorový „konec“ vesmíru, ale na jeho časový „začátek“.
Za Zeptej se vědce odpovídala Eliška
Mgr. Eliška Mikysková, Ph.D., Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR
Odbornou recenzi a doplnění poskytli Mgr. Vojtěch Dolejš, ZMBH, Univerzita v Heidelbergu a Benoit Lefebvre, Ph.D., ELI Beamlines – Fyzikální ústav Akademie věd ČR
Zdroje
[1] Žáček, J. (2005). Úvod do fyziky elementárních částic. Karolinum.
[2] Greene, B. (2000). The elegant universe: Superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory.
[3] Greene, B. (2008). The universe on a string. TED.
[4] Kulhánek, P. (2001). Moderní kosmologie: aneb jak přednášet o kosmologii?
[5] Kulhánek, P. (2019). Jak vznikal svět. Nakladatelství Aldebaran.
[6] https://doi.org/10.1088/0264-9381/15/9/013
[7] https://doi.org/10.1088/0067-0049/208/2/19
[8] https://doi.org/10.1088/0067-0049/192/2/14
[9] https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1417587/v1
Zeptej se vědce
Projekt Zeptej se vědce se snaží zprostředkovat kontakt mezi vědeckou a nevědeckou veřejností. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na Facebooku, Twitteru nebo Instagramu. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/1209422
