Vesmír budovaný na ověřených fyzikálních zákonech – jednota mikrosvěta, makrosvěta a megasvěta

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

Vojtěch Ullmann