AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie | Gravitace, černé díry a fyzika |
Kapitola 5
GRAVITACE
A GLOBÁLNÍ STRUKTURA VESMÍRU:
RELATIVISTICKÁ
KOSMOLOGIE
5.1. Základní východiska a principy
kosmologie
5.2. Einsteinův a deSitterův vesmír.
Kosmologická konstanta.
5.3. Fridmanovy dynamické modely
vesmíru
5.4. Standardní kosmologický
model. Velký třesk.
5.5. Mikrofyzika a kosmologie.
Inflační vesmír.
5.6. Budoucnost vesmíru
5.7. Antropický princip a
existence více vesmírů
5.8. Kosmologie a fyzika
5.8. Kosmologie a fyzika
Lze říci, že současná relativistická kosmologie se již vymanila ze stádia planých spekulací a teoretizování a stala se významnou součástí fyziky. Dovede podat konzistentní obraz struktury a evoluce vesmíru jako celku; tento obraz je přitom budován na ověřených fyzikálních zákonech a jeho předpovědi dobře souhlasí s pozorováním. Zamysleme se proto ještě na závěr nad některými obecnými aspekty vztahu kosmologie a fyziky.
Metodika fyzikálního poznávání se skládá ze tří hlavních prvků: pozorování, experimentu a teorie. V počátečních stádiích rozvoje fyziky hrála prvá z těchto metod - pozorování - rozhodující roli; vzpomeňme jen Newtonův gravitační zákon vzniklý na základě astronomicky vypozorovaných Keplerových zákonů pohybu planet. Avšak již Newton dělal mechanické pokusy, které vyústily v jeho tři základní pohybové zákony. S dalším rozvojem fyziky, doprovázeným pronikavým zdokonalováním experimentální techniky, pak úloha pozorování rychle klesala. Zvláště od počátku 20.století, kdy k odhalování zákonitostí mikrostruktury hmoty bylo nutno používat čím dále rafinovanější a nákladnější experimenty (např. mohutné a přitom přesné urychlovače ve spojení se subtilní elektronikou), se zdálo, že metoda pozorování již zcela patří historii a vztah mezi fyzikou a astronomií je jednosměrný: fyzika ve svých laboratořích odhaluje fundamentální zákonitosti přírody, které umožňují vysvětlovat a předpovídat astronomicky pozorované jevy ve vesmíru.
Obr.5.12. Široké spektrum velikostí objektů našeho světa,
zkoumaných různými obory fyziky a přírodovědy pomocí
různých nástrojů.
V posledních letech se však tento vztah začal měnit.
Současná relativistická kosmologie totiž ukázala, že
vesmír ve své velmi horké a husté počáteční fázi byl
jakousi unikátní "laboratoří" fyziky vysokých energií, v níž intenzívně probíhaly
procesy, jež se nyní s největším úsilím pokoušíme
pozorovat na mohutných urychlovačích, a dokonce i ty jevy, na
jejichž laboratorní realizaci není naděje v dohledné
budoucnosti. Kosmologické důsledky současných teorií elementárních částic (především unitárních
teorií) se ukázaly být natolik výrazné, že jejich konfrontace s astronomickými pozorováními vzdáleného vesmíru *)
umožnuje stanovit silná omezení na parametry těchto teorií
elementárních částic, a někdy dokonce jejich verifikaci či
zamítnutí.
*) Vedle optických
pozorování (včetně spektroskopických) čím dál většími
a výkonnějšími dalekohledy a radioteleskopických
pozorování pomocí rozsáhlých anténních systémů
(vzájemně propojených), je to především detailní měření
vlastností mikrovlnného reliktního záření
- jeho homogenity, fluktuací (v závislosti na úhlové
vzdálenosti i na vlnové délce), polarizace. Již v době
oddělení záření od látky byly ve vesmíru zárodky
budoucích struktur, takže tyto fotony procházely místy s
různým gravitačním potenciálem, což vedlo k malým změnám
jejich energie a vlnové délky - k nepatrnému ochlazení či
ohřevu. Tyto fluktuace by měly být patrné i
nyní, jakožto nepatrně teplejší a chladnější
"skvrny" v jinak izotropním rozložení reliktního
záření - představují jakýsi "paleontologický
otisk" struktur raného vesmíru. Rozdíl teplot je velmi
malý, řádově 10-5stupně, takže příslušné projekty jejich
datailního měření se teprve připravují *). V budoucnu pak i
detekce gravitačních vln (viz §2.7
"Gravitační vlny", pasáž "Detekce gravitačních vln"),
či detekce reliktních neutrin (podrobně o
neutrinech a jejich detekci viz např. pasáž "neutrina" v §1.2 "Radioaktivita" knihy "Jaderná
fyzika a fyzika ionizujícího záření").
---------------- současná
poznámka ------------------
Pro podrobné zkoumání reliktního záření byla v r.1989
vypuštěna družice COBE (Cosmic Background Explorer) a v r.2001
družice WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe); na r.2007
je plánován start ještě přesnější sondy PLANCK.
--------------------------------------------------------
Na první pohled by se mohlo zdát, že
jaderná a částicová fyzika, zabývající se nejmenšími
známými částečkami hmoty, má jen velmi málo společného s
kosmologií, která zkoumá naopak největší možné objekty ve
vesmíru. Současné výzkumy však tento názor vyvracejí. Jak
ve vyzice elementárních částic, tak v kosmologii, se
podařilo vypracovat tzv. standardní modely,
které velmi dobře vysvětlují výsledky téměř všech
fyzikálních pokusů a astronomických pozorování. Na druhé
straně však vyvolávají nové otázky a
problémy - jak "přijít věcem na kloub"?
V současné době jsou v centru společného
zájmu fyziky a kosmologie fundamentální základy
našeho světa. V kosmologii to jsou otázky původu
našeho vesmíru, základních zákonů jež ho
ovládají, jeho konečného osudu. Ve fyzice
částic jsou to otázky podstaty hmoty: jak
hmota vznikla?; jaká je její struktura - co tvoří její
základní stavební "kameny" a jak tyto mezi sebou
působí?; jakými mechanismy z těchto stavebních elementů
vznikají tak složité objekty jako jsou galaxie, hvězdy,
planety - a nakonec živá hmota? Vzniká tím velmi pozoruhodná
spojitost mezi mikrosvětem a megasvětem.
Zdá se, že všechny nejzákladnější aspekty
hmoty a vesmíru pramení v oněch prvních pranepatrných
zlomcích sekundy po velkém třesku, kdy se formovaly vlastnosti
samotných fyzikálních interakcí. Fyzikální zákony, jež
vládly v těchto extrémních podmínkách, prozatím dost
dobře neznáme - nevíme, jaká byla tehdy
struktura prostoru a času, jaký byl počet dimenzí, jak se
formovala hmota. V té době se makrosvět a kosmos, tehdy
ještě v nynějším slova smyslu neexistující, prolínal s
mikrosvětem kvantových zákonitostí (srov.
též pasáž "Velmi raný vesmír" v §5.4). Některé aspekty těchto jevů se možná nikdy
nepodaří objasnit. Určité světlo by zde však mohly vnést
některé nyní budované (a především budoucí) koncepce unitárních
teorií polí, interakcí a elementárních částic (zmíněných v dodatku B, zvláště v §B.6 "Sjednocování
fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny."), v koprodukci s
experimenty vysokoenergetických interakcí částic
na postupně budovaných velkých urychlovačích (viz "Urychlovače nabitých částic"). Čím k jemnějším
detailům struktury hmoty chceme proniknout - a tím zároveň do
větší hloubky poznání struktury vesmíru - tím vyšší
energie částic musíme použít. Lze říci, že
vysokoenergetické částice jsou určitými "sondami"
do nejhlubších detailů struktury hmoty a zároveň do
nejranějších okamžiků vývoje vesmíru.
Dvě zdánlivě velmi odlehlé části fyziky - teorie elementárních částic zkoumající nejmenší objekty a kosmologie zkoumající to největší co je, celý vesmír - se tak spojují k vytvoření jednotného obrazu světa. Úspěchy bádání v jedné oblasti se mohou velmi pronikavě uplatnit i v druhé oblasti poznání. Právě tato dialektická jednota mikrosvěta, makrosvěta a megasvěta je charakteristickým trendem v současné fundamentální fyzice.
Tělesně jsme my lidé jen nicotným práškem ve vesmíru. Duchovně ale tuto svou nicotnost vysoce přesahujeme: ten obrovský vesmír - jeho stavbu, fungování, vývoj - jsme schopni poznávat a rozumět mu.
![]() |
![]() |
![]() |
5.7. Antropický princip a existence více vesmírů |
Dodatek A:
Machův princip a obecná teorie relativity |
Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu : | ||
Gravitace ve fyzice | Obecná teorie relativity | Geometrie a topologie |
Černé díry | Relativistická kosmologie | Unitární teorie pole |
Antropický princip aneb kosmický Bůh | ||
Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření | ||
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie |