Skrytá látka a skrytá energie ve vesmíru

Jana Olivová: Teprve zhruba před desetiletím kosmologové zjistili, že ve vesmíru je něco, co může naprosto změnit jejich dřívější názory na vznik vesmíru, jeho dosavadní i budoucí vývoj. Mám tím na mysli existenci skryté látky a skryté energie. Nyní se zdá, že vědci znají přesně podstatu a povahu pouze asi 4 procent hmoty-energie ve vesmíru. Není to trochu – řekněme – arogantní budovat dalekosáhlé teorie o původu a vývoji vesmíru a jeho budoucím osudu na základě znalostí pouhých 4 procent toho, co je kolem nás?

Michael Turner: Když se řekne, že známe jen zhruba 4 procenta, pak to doopravdy znamená, že samozřejmě rozumíme těm 4 procentům, která jsou složena z atomů. Abych se držel vaší linie: z těch 4 procent jen malá část – pouhá 1/8 – je ve hvězdách. Před 20 lety jsme si mysleli, že hvězdy jsou všechno, jenže jsme se dívali jen na špičku ledovce – na půl procenta. Těch zbývajících 96 procent se dále dělí: Zhruba 70 procent tvoří to, čemu říkáme skrytá nebo temná energie, což je něco opravdu naprosto záhadného. Asi 26 procent je pak v podobě skryté neboli temné látky – ta je sice také stále záhadná, ale ne tak tajemná jako skrytá energie. Myslím, že to ilustruje, kde se dnes v kosmologii nacházíme. Víme toho o vesmíru hodně. Trochu bych tedy s vámi v tomto ohledu nesouhlasil. Dokázali jsme vesmír charakterizovat. Nerozumíme mu sice ještě úplně, ale poznání přichází. Dokonce ani u atomů, které tvoří 4 procenta vesmíru, nevíme, jaké formy nabývají. Víme o tom půl procentu, které je ve hvězdách; domníváme se, že ta zbývající 3,5 procenta tvoří horký plyn – vidíme ho v kupách galaxií, protože je dostatečně horký, takže vydává rentgenové záření. Ovšem jinde, například v naší vlastní Galaxii, vidíme pouze hvězdy. Tady nedokážeme ona 3,5 procenta dohledat. Velká výzva pro nás tedy nyní spočívá v tom, že toho známe dost, abychom mohli klást zajímavé otázky – a vy poukazujete na dvě nejzajímavější – na skrytou látku, která drží vesmír pohromadě, a na skrytou energii, která celý vesmír stále rychleji rozpíná.

J. O.: Jaké v tuto chvíli vidíte nejlepší kandidáty na skrytou látku?

M. T.: Příběh skryté látky se začal psát zhruba před 70 lety, kdy se objevily první náznaky, že vesmír musí držet pohromadě ještě něco jiného než hvězdy. Dnes už máme docela dobré důkazy o existenci skryté látky – a tyto důkazy se také dají snadno vyložit: Když pozorujete něco tak jednoduchého, jako je galaxie – ty samozřejmě nejsou tak úplně jednoduché, ale z hlediska kosmologie je za jednoduché považujeme – pak ani gravitace všech hvězd v galaxii není dostatečně silná na to, aby galaxii udržela pohromadě. Nebýt skryté látky dokonce i naše Galaxie by se rozletěla na kusy.

Příběh skryté látky je napínavý, je to detektivka – právě proto je věda tak vzrušující. Zpočátku, před dlouhými lety, jsme si představovali, že skrytá látka jsou možná jen slabě zářící hvězdy nebo černé díry, snad neutronové hvězdy nebo bílí trpaslíci – tedy objekty, které se dají jen velmi obtížně spatřit pomocí teleskopů, ať už kvůli samé jejich podstatě, nebo z důvodů jejich malé svítivosti či proto, že jsou velice malé. Tuto možnost jsme vyloučili. Dnes jsou představy takové, že ani všechny známé atomy dohromady nestačí na skrytou látku, a tu proto musí tvořit něco nového. Už asi před 20 lety jsme dokonce sestavili seznam, co by to mohlo být: ocitly se na něm tři částice. Samozřejmě můžete ten seznam udělat daleko delší, ale pokud chcete „hlavní podezřelé“, tak jsou tři. Číslem jedna bylo neutrino, druhým částice zvaná neutralino a třetím částice nazvaná axion. Dnes víme, že neutrina existují, dokonce že mají tři formy – a jediná otázka spojená s neutrinem se týká toho, jakou má klidovou hmotnost. Víme, že je nepatrná, ale zatím ji neznáme přesně. Nicméně je jasné, že z oněch 26 procent exotické skryté látky, která není v atomech, je jí v neutrinech jen necelé 1 procento. Určitá část jí však v neutrinech skutečně je – a to je velice významné: svědčí to totiž o existenci látky, která je jiná než ta, jíž jsme tvořeni my.

Otázka podílu neutrin na skryté látce vesmíru je tedy už prakticky vyřešená. Zbývající dvě zmíněné částice jsou docela zajímavé a ilustrují prolínání dvou velmi odlišných oblastí – fyziky elementárních částic a kosmologie. Před 30 lety bychom řekli, že tyto dva obory nemají nic společného, a přitom teď oba mají nesmírný zájem o skrytou hmotu. Z hlediska kosmologie se o ni zajímáme proto, že je naším úkolem zjistit, z čeho se skládá vesmír. Částicová fyzika se o ni zajímá proto, že se předpokládá objev nové částice. Už zmíněné neutralino je nejlehčí z celé třídy částic, jejichž existenci předpovídá teorie superstrun. A neutralino – pokud existuje – má hmotnost asi 200krát větší než proton! Astronomové tak možná objevili první důkazy teorie superstrun a supersymetrie.

J. O.: Může jejich existenci dokázat nový obrovský urychlovač částic LHC ¹⁾ v Evropské laboratoři pro fyziku částic CERN u Ženevy?

M. T.: Doufáme, že v novém urychlovači LHC se tyto částice podaří přímo vytvořit. Aby však byl celý příběh kompletní, chceme také neutralina, která drží pohromadě naši vlastní Galaxii, přímo detekovat. Proto byla připravena řada velmi citlivých experimentů, které se snaží neutralina zjistit – pokud ovšem neutralina skutečně tvoří tu skrytou hmotu, která drží naši Galaxii pohromadě. Nakonec třetí kandidát, kterého nyní bereme velmi vážně, je zvláštní nepatrná částice zvaná axion. Jeho hmotnost je pouze jedna miliontina hmotnosti elektronu. Je tudíž nesmírně lehoučký – téměř nehmotný, ve vesmíru se jich však má nacházet spousta.

I axiony jsou hypotetické částice, takže ani o nich nevíme, jestli existují. Ovšem pokud existují, vznikly už v době, kdy byl vesmír ještě velice mladý – a jsou tu s námi dodnes. Axiony se dají detekovat velice citlivým přijímačem rádiových vln. Dosti zjednodušeně řečeno: Když se axion setká s velmi silným magnetickým polem, existuje sice velice malá, ale nenulová šance, že se změní na mikrovlnný foton. A mikrovlnné fotony samozřejmě umíme detekovat. Experiment k odhalení axionů proto vyžaduje skutečně silný magnet – nejsilnější, jaký umíme vyrobit – a citlivý radiopřijímač. Já jsem člověk, který vždy vidí sklenici napůl plnou, a proto si myslím, že co se týče skryté hmoty, může nás ještě čekat velké překvapení. Zároveň se mi ale zdá, že se nám může podařit dokončit příběh, který začal psát ve třicátých letech 20. století Fritz Zwicky objevem skryté hmoty v kupách galaxií. Tehdy mu nikdo nevěřil; my bychom nicméně mohli dokázat ten příběh během 5 nebo 10 let dopsat.

J. O.: Nebude tedy snadné zjistit, co tvoří skrytou látku, i když je to podle vašich slov možné. U skryté – neboli temné – energie je tomu ale naprosto jinak. Pokud vím, existují nějaké hypotézy, co může skrytá energie být. Může to ale být i něco ještě naprosto netušeného. Mají vědci v současné době nějaké nástroje, jimiž by prověřili, která z jejich domněnek by mohla být správná, nebo by zjistili, kde skutečně hledat?

M. T.: Máte pravdu, příběh skryté energie teprve začíná. V určitých směrech má 50 nebo 60 let zpoždění za skrytou látkou. Důkazem o skryté energii se stal objev z roku 1998, že se rozpínání vesmíru zrychluje, místo aby se zpomalovalo. Zpomalování se přitom čekalo, protože gravitace působí přitažlivou silou, a z toho důvodu lze předpokládat, že se veškerá hmota ve vesmíru navzájem přitahuje a zpomaluje rozpínání vesmíru. Nyní už jsou ale velice pevné důkazy o tom, že se rozpínání naopak zrychluje. Šlo o pozoruhodný objev – původní první důkaz byl zpochybňován; byly provedeny další experimenty a nyní už není pochyb, že se vesmír rozpíná zrychleně.

Když se zamýšlíme nad tím, proč tomu tak je, pak jednoduchá odpověď, kterou vám mohu dát hned, zní: „Nevíme.“ Máme ale pár nápadů. A ty nápady se dělí do dvou kategorií. Ukazuje se, že nemusíme překračovat hranice Einsteinovy teorie gravitace, abychom našli příčinu zrychlujícího se rozpínání vesmíru. Podle Einsteinovy teorie – a myslím, že on sám to nedocenil – může totiž gravitace působit i odpudivě. Pokud existuje něco hodně zvláštního, myslím daleko podivnějšího, než je skrytá látka, pak gravitace skutečně může působit odpudivou silou. A ono něco je o hodně podivnější než skrytá látka v tom smyslu, že to nemá částicovou povahu, nedá se to rozdělit na části nebo na částice. Je to spíš něco jako zprostředkující prostředí – médium. A médium, které by působilo velkou odpudivou silou, musí být velmi pružné. V rámci Einsteinovy teorie – pokud je správná – se proto termín „skrytá energie“ používá ve stejném smyslu, v jakém Zwicky používal termín „skrytá látka“: tedy k označení něčeho, co působí odpudivou silou a urychluje rozpínání vesmíru.

Nyní v kategorii skryté energie, tedy v oné myšlenkové linii, v níž nemusíme jít za hranice Einsteinovy teorie, máme fakticky velice jednoduchý příklad. Ve skutečnosti máme možná dokonce řešení. Je jím energie ničeho – což je nejjednodušší příklad skryté energie. Většina lidí by asi předpokládala, že energie ničeho je nic, ale to vůbec nemusí být pravda. Díky kvantové mechanice totiž víme, že vakuum není prázdné, že je naplněno virtuálními částicemi – částicemi, které existují díky vypůjčenému času a vypůjčené energii. V kvantové mechanice existuje princip neurčitosti a podle něho si lze na krátký čas vypůjčit energii. Vakuum je proto dost živé právě těmito virtuálními částicemi. Jejich působení jsme zjistili v experimentech datovaných až do čtyřicátých let 20. století! Proto jsme dost pevně přesvědčeni o tom, že vakuum není prázdné. Ovšem jaká je energetická hustota tohoto vakua – to je jedna z velkých nevyřešených otázek pro teoretiky, jako jsem já. I když je totiž kvantová mechanika velmi dobře rozvinutou a dobře otestovanou teorií, jakmile se snažíme vypočítat, jakou hustotu energie má „nic“, dostáváme nesmyslnou odpověď. Dostáváme odpověď jako dělení jedničky nulou. Přitom jedna z prvních věcí, které se při hodinách matematiky naučíte, je, že jedna děleno nulou je nesmysl. Je to cokoli.

Takže pokud jde o samo fyzikální vakuum, víme o něm, že je pružné, ale nevíme, jakou má energetickou hustotu. Nevíme, zda má tu správnou hmotnost, aby se jím dalo vysvětlit zrychlující se rozpínání vesmíru. Trochu legrační na tom je, že jde o problém, který jsme nějakých 50 let ignorovali, protože se nezdál důležitý. Nevěděli jsme, kolik váží „nic“ – prostě jsme pouze konstatovali, že hmotnost libovolné „kostky vakua“ se rovná nule. Všechno přitom fungovalo hladce. Teď by se tím dala jednoduše objasnit skrytá energie. Pro ni však existují i jiná vysvětlení, včetně toho, že je vesmír naplněn vysoce pružnými objekty, jako jsou struny nebo membrány. To jsou tedy směry, jimiž se ubírají úvahy o skryté energii.

Další cesta se orientuje jinam: Víte, je velmi nepravděpodobné, že Einstein měl poslední slovo v otázce gravitace. Možná bychom se měli podívat za rámec jeho teorie – a při správnějším popisu přírody se třeba ukáže, že skrytá energie dokonce vůbec není potřeba. Že by se rozpínání vesmíru zrychlovalo i bez přítomnosti další, dodatečné substance. V současné době se tak nacházíme ve fázi bláznivých nápadů. Ve vědě to chodí tak, že když stojíte před skutečně velkými problémy, jako je tento, řešení přinese obvykle nápad, který původně vypadal ztřeštěně. Není pravděpodobné, že odpovědí bude něco ve smyslu: „Aha, ta drobnost na straně 53, na kterou jsem zapomněl, všechno řeší.“ Jsme tedy ve fázi zkoumání nápadů. Naštěstí máme způsob jak tyto nápady prověřit. Hlavním – a zatím jediným – projevem skryté energie je skutečnost, že se vesmír rozpíná zrychleně. Tudíž cesta ke zkoumání skryté energie vede přes studium rozpínání vesmíru. Naštěstí dalekohledy jsou takovým strojem času – když se díváme na velmi vzdálené objekty, fakticky se díváme zpět v čase. Pečlivým zkoumáním velmi vzdálených objektů tedy můžeme poznávat, jak se rozpínání vesmíru zrychlilo.

Zjistili jsme přitom, že se rozpínání začalo zrychlovat asi před 5 miliardami let, že předtím se ve skutečnosti tempo rozpínání vesmíru zpomalovalo. To je mimochodem úleva, protože kdyby ve vesmíru nebyla tato zpomalující fáze, pak by gravitace skryté látky nemohla vytvořit naši Galaxii ani ty ostatní. Fakticky když vezmete vesmír, jaký jsme nastínili na začátku, tedy vesmír utvořený ze 4 % z atomů, které lze považovat za velmi speciální proto, že i my sami jsme tvořeni z atomů, dále ze skryté látky a skryté energie, pak byl celý vývoj vesmíru opravdovou bitvou mezi skrytými Titány. Zpočátku, prvních 10 miliard let, dominovala skrytá látka – a její gravitace umožnila vytvoření struktury vesmíru. Pak v posledních 5 miliardách let postupně převážila skrytá energie. Způsobuje zrychlené rozpínání vesmíru, takže se už netvoří žádné větší struktury. Vypadá to, jako by skrytá energie měla kontrolu nad osudem vesmíru. Jednou z nezodpovězených otázek je, zda se rozpínání vesmíru stále víc a víc urychluje. Pokud se samo urychlování urychluje, pak se nakonec – ovšem není třeba si s tím dělat starosti, protože to „nakonec“ znamená za nějakých 50 miliard let – všechny struktury, které vytvořila skrytá látka, roztrhají. Není však také vyloučeno, že skrytá energie je jen přechodnou fází, že jde pouze o dočasný jev, že se zrovna teď vesmír náhodou rozpíná rychleji, ale zase se začne zpomalovat.

J. O.: Mají vědci nějaké nástroje jak zjistit a ověřit, co se stalo před oněmi 5 miliardami let, když se zpomalování změnilo v zrychlování?

M. T.: Existuje řada způsobů. Všechny vyžadují výzkum tempa rozpínání vesmíru. Jednou z technik, které byly využity při objevu urychlujícího se rozpínání vesmíru, je studium objektů zvaných supernovy – vybuchujících hvězd, jejichž zářivý výkon známe. Měření jejich pozorované jasnosti nám pak určí, jak jsou od nás daleko. Tyto supernovy nám umožňují přesně zmapovat tempo, jímž se rozpínání vesmíru urychlovalo, nebo zpomalovalo.

J. O.: Může i výzkum velkých struktur ve vesmíru pomoci vysvětlit skrytou energii?

M. T.: Skrytá energie nebyla příčinou vzniku velkých struktur, za ty je odpovědná skrytá látka. Skrytá energie naopak vznik struktur zastavila. Avšak opět – můžeme struktury využít ke studiu rozpínání v tom smyslu, že se podíváme na rozložení galaxií. Víme, že zde hrají roli určité délkové škály, takže to je, jako bychom měli na obloze pravítko. A studiem funkce vzdáleností na tomto pravítku opět můžeme získat údaje o rozpínání. Klíčovou věcí v tomto ohledu tedy je výzkum, jak se rozpínání změnilo ze zpomalujícího se v zrychlující se. Přáli bychom si mít podrobnější měření, ale v současné době máme k pochopení skryté energie jediné vodítko: měřit tempo, jímž se vesmír rozpínal v minulosti, a zjišťovat, jak se změnilo ze zpomalujícího se v urychlující se.

J. O.: Pokud vím, někteří vědci navrhují hypotézu, že skrytá energie může nějak souviset s existencí jiných vesmírů, s existencí multiverza. Jaký je váš názor?

M. T.: Nyní se nacházíme ve fázi bláznivých nápadů. Dovolte mi, abych se vrátil ke skryté látce. V raných fázích jejího výzkumu jsme sestavili velmi dlouhý seznam toho, co by skrytou látku mohlo tvořit. Mohly by to být slabě zářící hvězdy, mohl by to být plyn, mohl by to být prach – a pak jsme začali tím seznamem procházet a některé možnosti vylučovat. Co se týče skryté energie, tam je teď nejdůležitější mít nápady, které by se daly ověřovat – protože takové nápady jsou motivem k experimentům. Jedna myšlenka, která je určitě dostatečně ztřeštěná na to, aby mohla být pravdivá – což neznamená, že pravdivá být musí – říká, že pozorujeme vliv skrytých dimenzí. Podle další hypotézy, která se objevila – což je teorie strun – totiž existuje víc rozměrů než ty tři prostorové a jeden časový, které známe. Moc rádi bychom proto našli důkazy o existenci oněch dalších rozměrů. Je možné, že se tyto další dimenze projevují právě tím, že urychlují rozpínání vesmíru. Takže znovu: Je to nápad a lidé, kteří tento rozhovor teď čtou, ho asi budou považovat za bláznivý. A taky že bláznivý je – ovšem když jde o takové velké záhady, dost často se ukazuje, že jejich vysvětlení skutečně vyžaduje ztřeštěnou novou myšlenku. Samozřejmě je spousta nápadů, které jsou jenom ztřeštěné. Nebylo by ale fantastické, kdyby zrychlující se rozpínání vesmíru souviselo s dalšími dimenzemi? Tím bychom vyřešili dva problémy: jednak bychom pochopili, proč se vesmír rozpíná stále rychleji, jednak bychom získali důkazy o existenci skrytých dimenzí.

J. O.: Může tedy urychlovač LHC v CERN pomoci potvrdit, nebo naopak vyvrátit existenci jiných rozměrů?

M. T.: Naprosto jistě. Myslím, že jsme v obrovské míře využívali dalekohledy, abychom se něco dověděli o skryté energii. Avšak i laboratorní experimenty ji mohou trochu osvětlit – a urychlovač LHC to může udělat několika způsoby. Zmíním se o dvou: Zaprvé se při srážkách částic v urychlovači mohou skryté dimenze projevit. Pokud mají něco společného s urychlováním rozpínání vesmíru, pak by nám to nepřímo poskytlo vodítko. Zadruhé se vraťme k našemu nejobyčejnějšímu nápadu (obyčejný je tu relativní pojem), že jde prostě o energii vakua. Supersymetrie, kterou předpovídá teorie superstrun, umožňuje vypočítat, kolik váží nic. Zbavuje nás zmíněného zádrhelu jedna děleno nulou. Kdyby urychlovač LHC objevil supersymetrii, což já pokládám za skutečně možné, mohlo by to vrhnout trochu světla na to, kolik váží nic. Tím by se mohlo velice rychle zúžit široké pole diskusí. Myslím, že vědce na skryté energii vzrušuje nejen to, že je skutečně důležitá a naprosto záhadná, ale také fakt, že není jasné, jestli se tato otázka vyřeší za 5 let – například pomocí urychlovače LHC, za 10 let nebo za 100 let. Prostě nevíme, jestli už nastal správný čas k vyřešení této záhady. Ani povaha skryté látky, o níž jsme se shodli, že je daleko jednodušší, není ještě úplně vyřešená – a přitom to vyžadovalo nějakých 80 let. Člověk ale nikdy neví. Může to být něco tak prostého jako zjistit, kolik váží nic. A LHC by to mohl trochu osvětlit.

Otázky kladla a rozhovor zpracovala Mgr. Jana Olivová, redaktorka Českého rozhlasu – Vltava.