Kosmologie a fyzika

AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Lze říci, že současná relativistická kosmologie se již vymanila ze stádia planých spekulací a teoretizování (již to není "mytologie"...) a stala se významnou součástí a nadstavbou astrofyziky a přírodovědy. 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.

Mikrosvět a megasvět ve vesmíru
V posledních letech se však tento vztah začal poněkud 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 jsou 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 se jedná o vysoce citlivá měření*). Důleřitá je též 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").
*) 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); v r.2007 je ještě citlivější sonda 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.

Na závěr kapitoly o kosmologii ještě stručně a kriticky zmíníme některé poněkud nestandardní a hypotetické spekulace, které se nám úplně nepodařilo zařadit do kontinuity výkladu astrofyziky a kosmologie. Na všechny 4 níže zmíněné otázky je adekvátní skeptická odpověď "Asi ne!".

"Holografický" vesmír ? Asi ne !
Ztráta informace v černé díře. Holografický princip.
V kapitole 4 jsme se podrobně zabývali vlastnostmi černých děr. Při vzniku černé díry gravitačním kolapsem se ztrácejí pro vnější svět všechny informace o individuálních vlastnostech kolabující hmoty kromě celkové hmotnosti, náboje a rotačního momentu hybnosti - §4.5 "Černá díra nemá vlasy", černá díra nemá mikroskopickou strukturu. Tato neobvyklá situace se označuje jako "paradox ztráty informace" - viz též diskusi v závěrečné pasáži kapitoly 4.7 "Kvantové vypařování: návrat hmoty z černé díry?". Z hlediska statistické fyziky (a teorie informace) je entropie mírou neuspořádanosti daného systému [167]. Toto ohromné množství ztracených informací je pak mírou entropie černé díry. Pro úměrnost mezi plochou horizontu a entropií pohlcené hmoty se později vžil poněkud zavádějící název "holografický princip" :
Holografický princip
Holografický obraz v optice vzniká tak, že svazek koherentního světla (z laseru) se rozdělí na dvě části, z nichž jedna dopadá na fotografickou vrstvu přímo, druhá část pak po odrazu od zobrazovaného předmětu. Oba tyto paprsky interferují a na fotografické emulzi vznikne struktura tenkých interferenčních proužků, nesoucích informaci o fázových rozdílech obou paprsků. Ozáříme-li pak tento dvojrozměrný obrázek koherentním světlem (opět z laseru), odražené paprsky zpětně rekonstruují tytéž fázové rozdíly, jaké obraz vytvořily - vzniká dojem trojrozměrného obrazu původního předmětu. Holografický obraz má tu zajímavou vlastnost, že i z úlomku hologramu můžeme vidět celý trojrozměrný obraz, i když s menším rozlišením.
Dvojrozměrná plocha horizontu černé díry nese veškerou informaci (příslušně redukovanou - "černá díra nemá vlasy") o trojrozměrných konfiguracích hmoty pohlcené v černé díře, podobně jako dvojrozměrný hologram nese informace o trojrozměrném objektu. Tím zde ovšem podobnost s holografií končí, neboť konkrétní podrobné informace o pohlcené hmotě (kromě hmotnosti M, rotačního momentu hybnosti J a příp. elektrického náboje Q) jsou ztraceny a nelze je nijak zpětně zrekonstruovat.
Některým odborníkům v oblasti astrofyziky a unitárních teorií pole (začali s tím G.’t Hooft a L.Susskind) se však holografická myšlenka zalíbila a vedla je k domněnce, že podobným způsobem by se všechny informace i o ostatních systémech, nejen černých dírách, daly lokalizovat na povrch (plochu) oblasti, v níž se nacházejí. Mohl by na to nepřímo ukazovat myšlenkový pokus s velmi velkou černou dírou, v okolí jejíhož horizontu by platily obvyklé fyzikální zákony jako ve stavu beztíže, ve volně padající lokálně inerciální soustavě by byly jen nepatrné slapové síly. Pod horizontem si na základě holografické úměrnosti mezi plochou horizontu černé díry a její entropii můžeme představit, že všechny informace o hmotě uvnitř jsou lokalizovány na horizontu, jehož plocha udržuje informaci o celém vnitřním prostoru..?..
Tato interpretace však není fyzikálně příliš korektní, neboť teorém "černá díra nemá vlasy" a úměrnost mezi plochou horizontu a entropií se vztahuje na vnější, nikoli vnitřní prostor černé díry..!..
"Holografický princip" byl dále ještě zobecněn v souvislosti s budováním teorie superstrun: "Informaci (stupně volnosti) o systému uvnitř objemu V lze lokalizovat (zakódovat) na povrch ¶V tohoto objemu, přičemž hustota informace nepřesahuje jeden bit na Planckovu plochu l_p²".
Holografický princip je obecně tvrzení, že informace o N-dimenzionální oblasti (jejím vnitřku) je zakódována na N-1 rozměrné hranici této oblasti. V rámci obecné teorie relativity teoreticky je podložen pouze u horizontů černých děr. V ostatních případech se jedná jen o extrapolace a analogie - o neopodstatněné hypotézy.... Vesmír tedy zřejmě není "holografický". Holografické koncepce se však někdy používají v různých variantách teorie superstrun.

Je celý náš vesmír uvnitř gigantické černé díry ?
Rozvoj astrofyziky černých děr v 60.-80.letech a atraktivnost těchto "exotických" objektů vedly ještě k další bizarní hypotéze: Že celý náš vesmír (se všemi galaxiemi, mlhovinanami, hvězdami, planetami a dalšími strukturami, které lze vidět teleskopy nebo odvodit z detekce elektromagnetického či korpuskulárního záření a příp. gravitačních vln) by se mohl nacházet uvnitř gigantické černé díry, existující uvnitř ještě většího celku - multivesmíru (není zde však přímá souvislost s hypotézou multiverza v předchozím §5.7 "Antropický princip a existence více vesmírů"). Vznik tohoto vesmíru by pak bylo možno vysvětlit stejně bizarní představou: že Velký třesk byl jakýmsi "velkým odrazem", kde gravitační kolaps v předchozím vesmíru vytvořil "červí díru" *), jejíž výstupní ústí se otevřelo do nového rozpínajícího se vesmíru..?..
*) Otázky hypotetických červích děr a jejich vztahu k černým dírám jsme kriticky diskutovali v §4.4., pasáži "Červí díry - mosty do jiných vesmírů?".
Tedy samé neověřené domněnky. Kromě toho, z astrofyzikálního hlediska by to nebylo v souladu s kosmologickým principem (diskutovaným již v §5.1, pasáž "Kosmologický princip") globální homogenity a izotropie vesmíru. Ve směru ven, k horizontu černé díry, by bylo pozorované řidší rozložení galaxií než směrem ke středu, k "singularitě". Žádný "okraj" vesmíru u horizontu, ani zhuštění ve směru do centra a příp. pád do singularity, se nepozoruje.
Představa vesmíru, nacházejícímu se uvnitř černé díry, se některým astrofyzikům líbí - hlavně však popularizátorům a zájemcům z oblasti filosofie, kultury a společenských věd, považují ji za vzrušující a tajemnou. Skutečnému vesmíru, který pozorujeme a v němž žijeme, však neodpovídá...

Vesmír je jen iluze? Vesmír jako giantický kvantový počítač ?
Úspěšné analýzy a počítačové simulace mnoha procesů ve vesmíru pomocí výkonných počítačů s důmyslným softwarem vzbudily u některých autorů dojem, že to není jen náhodný úspěch erudovaných astrofyziků a počítačových odborníků, ale je to proto, že samotný vesmír je jakýmsi gigantickým softwarovým systémem, který se my jen snažíme odhalit. A z hlediska evoluce je Vesmír jakýmsi autodidaktickým systémem..?.. Tuto naprosto neopodstaněnou sci-fi hypotézu většina odborníků jistě nemyslí doslovně, ale spíše metaforicky! "Mohli bychom žít v digitálním světě zobrazeném v Matrixu, aniž bychom o tom věděli"...?.. Asi ne! Doslovné hypotetické tvrzení že "vesmír je počítač" jistě neodpovídá realitě. Místo toho by věrohodnější tvrzení mělo znít: "Řada prosesů ve vesmíru může být softwarově algorimizovatelná" a anylyzovaná na velkých počítačích (v budoucnu možná kvantových), což umožňuje jejich lepší pochopení, simulaci a extrapolaci do budoucna. Z filosofického hlediska to pak naznačuje, že vesmír je poznatelný v duchu ideje materiální jednoty světa...

Kosmické vědomí - vesmír jako "živá bytost", která si uvědomuje sám sebe ?
Tato sci-fi idea je příliš subjektivní a antropomorfní, než aby ji v našem (astro)fyzikálním pojednání bylo potřeba podrobněji diskutovat.
Astrofyzika a kosmologie pozoruje Vesmír jako pusté a nehostinné místo, které se skládá téměř výhradně z prázdného prostoru a neživé hmoty. Život je extrémně vzácný. Na Zemi se hmota speciálními mechanismy zorganizovala do vysoké úrovně složitosti a postupně vytvořila živé bytosti ("Hvězdy, planety, život ve vesmíru"). Zda se tak stalo i na jiných místech ve vesmíru, zatím nevíme...
Někteří filosofové, alternativní přírodovědci a ekologové, v duchu antropomorfismu, by rádi viděli vesmír ne zcela "mrtvý", ale Vesmír jako živý, vyvíjející se a učící se systém, s nímž bychom my lidé žili ve vzájemné harmonii, pro lepší a udržitelný život na Zemi, bez krizí a devastace přírodního prostředí. To je jistě pozitivní motivace. Poněkud zavádějící zde ale může být idealistická motivace proti materialismu, která nekorektně ztotožňuje objektivní "osvícený" vědecký materialismus, který lepším poznáním reality pomáhá chránit přírodu, s vulgárním lidským materialismem, vedoucím k sobectví, konzumní společnosti a devastaci přírody.
"Vesmír poznává sám sebe - skrze nás" (C.Sagan)...
Jakékoli objektivní potvrzení této ideje samozřejmě není.

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


5.7. Antropický princip a existence více vesmírů		Dodatek A: Machův princip a obecná teorie relativity

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