Cyklický model kosmu a řešení problému kosmologické konstanty

Z hlubin vesmíru

Fyzici Neil Turok a Paul Steinhardt přišli s nápadem, jak vyřešit jednu z nejožehavějších otázek kosmologie, problém kosmologické konstanty. Využili k tomu cyklický model kosmu, model, jenž byl stejnými fyziky vytvořen vcelku nedávno v rámci teorie superstrun/M-teorie. Je ale kontroverzní; předpokládá existenci času před Velkým třeskem, stáří kosmu je podle něj větší než 14 miliard let a vesmír prochází opakujícími se cykly velkých třesků a velkých křachů.

Kosmologická konstanta (označována velkým řeckým písmenem lambda) byla do rovnic obecné teorie relativity prvně zavedena Einsteinem v roce 1917, aby zabránila vesmíru se rozpínat (řešení Einsteinových rovnic jasně ukazovala, že vesmír se buď rozpíná, nebo smršťuje, ovšem dogmatem tehdejší doby bylo, že vesmír je statický). Později astronomickými pozorováními Edwin Hubble dokázal, že vesmír se skutečně rozpíná, což Einsteina přimělo nazvat kosmologickou konstantu svým "největším vědeckým omylem". Když vědci v roce 1998 poprvé velikost kosmologické konstanty změřili, zjistili, že její hodnota je malá a kladná - což ukazuje, že rozpínání vesmíru zrychluje.

Nicméně zůstává nejasné, proč tato hodnota zaostává za hodnotou očekávanou podle "standardní" teorie Velkého třesku o neuvěřitelných 120 řádů. Řešení této záhady patří k nejdůležitějším otázkám současné kosmologie.

Fyzici navrhli několik teorií, jimiž se snaží objasnit, proč je kosmologická konstanta tak malá. Podle jedné z nich, která však není teorií jako takovou a říká se jí "antropický princip", je hodnota kosmologické konstanty zrovna taková, aby dovolila vzniknout nám a my se tak mohli ptát, proč je taková, jaká je. Další alternativa antropické selekce, opírající se o inflační "multivesmírnou" hypotézu (podle níž je náš kosmos jen jednou "bublinou" mezi "bublinami" bezpočtu dalších vesmírů), říká, že hodnota kosmologické konstanty se v každé z bublin liší, přičemž právě v našem kosmu je její hodnota vhodná ke vzniku inteligentního života. Tyto principy antropické selekce mají logicky spousty odpůrců, protože by bylo mnohem lepší, kdyby fyzici byli schopni vypočíst kosmologickou konstantu ze základních principů.

Předpokladem teorie Steinhardta a Turoka je, že žijeme v cyklickém kosmu, v němž jeden cyklus od Velkého třesku k Velkému křachu trvá zhruba bilion let. Vyžaduje existenci dlouhé posloupnosti vakuových stavů, v nichž se kosmologická konstanta po malých krocích mění; na počátku je kosmologická konstanta velká a kladná a poté seskakuje k nižším hodnotám.

Každý seskok trvá déle než předchozí, takže celý kosmos tráví mnohem více času ve stavech s menší kosmologickou konstantou (jako třeba v současnosti). Poslední seskok k záporné hodnotě ukončuje cyklické chování vesmíru a kosmos končí Velkým křachem.

Ačkoliv podobný model vyvinul v osmdesátých letech Larry Abbot, z jeho práce vyplynulo, že sestup k nižším hodnotám kosmologické konstanty trval natolik dlouho, že všechna hmota ve vesmíru se během té doby rozptýlila natolik, že vesmír zcela zpustl. Steinhardt a Turok tuto trhlinu opravili tak, že propojili Abbotův model se svým cyklickým modelem. Rozdíl je teď takový, že vysoká hustota hmoty na počátku každého cyklu zaručí, že vesmír nikdy prázdný není.

Černá díra

"Navrhli jsme mechanismus, v němž teorie superstrun/M-teorie (dnes nejjednotnější teorie kvantové gravitace) dovoluje vesmíru projít Velkým třeskem," říká Turok. "Avšak je potřeba další teoretické práce, abychom se dozvěděli, zda náš návrh je zcela konzistentní."

Možná vás zajímá, zda tato kontroverzní teorie bude experimentálně ověřitelná. Odpověď zní ano. Fyzici dlouho vědí, že chvíli po Velkém třesku se vesmír prudce rozfouknul, prošel inflací, která zaplnila vesmír tzv. prvotními gravitačními vlnami. V současnosti existuje spousta projektů kladoucích si za cíl tyto vlny detekovat. Nicméně gravitační vlny vzniklé v Steinhardtově-Turokově modelu jsou příliš slabé na to, aby je bylo možné detekovat (rozruchy časoprostoru jsou prostě slaboučké). Takže nalezneme-li tyto gravitační vlny v příštích letech, jejich teorie tím bude vyloučena.

Pokud jste nikdy neslyšeli o Steinhardtově-Turokově modelu, tak ten se od jiných, starších cyklických modelů značně liší. Předchozí modely založené čistě na obecné teorii relativity představovaly řešení rovnic odpovídající vesmíru, který z období rozpínání přechází do éry smršťování, zkolabuje do malinké velikosti, znovu se "odrazí" a opětovně se začne rozpínat. Tento jednoduchý model původně ve 30. letech 20. století předložil Richard Tolman. Ten a podobné cyklické modely se však setkaly s řadou problémů, a dokonce je možné ukázat, že takové vesmíry, zdánlivě bez časového počátku, počátek stejně mají.

Steinhardtův-Turokův model je zcela jiný, protože byl vytvořen v kontextu teorie superstrun/M-teorie. Náš vesmír je zde tzv. bránovým světem, trojbránou neboli trojrozměrnou bránou, vznášející se ve vícerozměrném časoprostorovém moři. V jejich modelu v naší blízkosti existuje další paralelní trojbrána, jiný vesmír, se kterým se zhruba jednou za bilion let srážíme. Právě kolize tohoto páru trojbrán odpovídá Velkému třesku.

Více o cyklických modelech a speciálně také o Steinhardtově-Turokově modelu naleznete v knize Briana Greena Struktura vesmíru (Paseka, 2006), 13. kapitola Vesmír na bráně a také 14. kapitola Vzhůru k nebesům a dolů k Zemi.