Mnoho vesmírů, jediná Země

Jak se daří teorii multiversa, říkající, že náš vesmír může být jen jedním z bezpočtu vesmírů, v nichž mohou platit jiné přírodní zákony?

V posledních letech se této myšlence věnuje hodně pozornosti a mezi fyziky je čím dál populárnější, pracuje s ní řada teorií, ale stále je to spekulace. Závisí totiž na fyzice ve velmi časné fázi vývoje vesmíru. Podmínky byly tehdy tak extrémní, že nemáme žádnou přímou možnost je pozorovat. Představa multiversa je založena na fyzikální myšlence, kterou jsme schopni dát na papír a popsat, ale nemůžeme ji testovat.

Právě proto kritici tvrdí, že se nejedná o vědeckou teorii. Má smysl zabývat se „pouhou spekulací“?

To není správný způsob, jak o věci přemýšlet. Abychom nějakou teorii brali vážně, musí být založena na dobře testovatelném modelu, ale nemusíme testovat každou její předpověď. Dám vám příklad: nemůžeme nikdy pozorovat vnitřek černých děr, ale věříme tomu, co o něm Einsteinova teorie říká, protože jsme ji schopni testovat mnoha jinými způsoby. Podobně pokud bychom měli teorii, která by předpovídala multiversum a bylo by možno testovat jiné její předpovědi, měli bychom brát vážně i to, co říká o multiversu.

Používáte kondicionál. Znamená to, že takovou teorii zatím nemáme?

Ne, v tomto stadiu zatím nejsme, ale v principu je možné do něj dospět. Mnoho kolegů se zabývá hledáním teorie, která by sjednotila přírodní síly včetně gravitace. Mohla by nabídnout vysvětlení jevů, které v našem nízkoenergetickém světě nedovedeme pozorovat. Jsou s tím spojeny dvě skutečně důležité otázky: Byl pouze jeden Velký třesk, nebo jich bylo více? A pokud bylo více velkých třesků, řídí se jejich chladnutí stejnými zákony, nebo v nich existují různé energetické stavy vakua a odlišná fyzika? Odpovědi na tyto otázky zatím neznáme.

Vy multiversu fandíte?

Řeknu vám příběh, který občas vyprávím na přednáškách. Na jedné panelové diskusi se někdo z publika zeptal, jak vážně multiversum bereme. Odpověděl jsem, že kdybych na správnost této teorie měl vsadit svou zlatou rybičku, svého psa, nebo svůj život, blížil bych se ochotě vsadit svého psa. Na to reagoval Andrei Linde, původem ruský kosmolog působící na Stanfordu, který na teorii multiversa pracuje pětadvacet let. Vsadil by prý svůj život. Další velký fyzik, Steven Weinberg, se později nechal slyšet, že by vsadil psa Martina Reese a život Andreie Lindeho.

Mohou nám něco napovědět urychlovače, tedy především LHC, který po plánované o stávce letos zvýšil svůj výkon na dvojnásobek?

LHC může přinést řadu zajímavých odpovědí. Jsou v něm dosažitelné energie, které měly částice asi nanosekundu po Velkém třesku, kdy byl vesmír velký jako sluneční soustava. Urychlovač by mohl například objevit supersymetrické částice, což jsou horcí kandidáti na vysvětlení temné hmoty. Ale otázky, jejichž řešení se skrývá v ještě časnějších fázích vývoje vesmíru a které s multiversem souvisejí, leží daleko za možnostmi našich experimentů. LHC dosahuje energií v řádu 10⁴ GeV. A například odpovědi na otázky týkající se vzniku nepravidelností v reliktním záření je třeba hledat v době, kdy se energie částic pohybovaly kolem 10¹⁶ GeV.

Na naší cestě za poznáním vesmíru jsme se tedy už dostali od současnosti do první nanosekundy po Velkém třesku. Není však zbývající kousek vlastně delší než těch 13,8 miliardy let, jimiž jsme už zpět časem prošli?

Ano, je to taková logaritmická stupnice. Přispívá k tomu skutečnost, že vesmír nebyl ještě ani zdaleka onu nanosekundu starý, když prodělal inflační fázi [obr. 1]. Ta skončila 10^–32 s po Velkém třesku a vesmír se během ní rozpínal exponenciálně. Je to velmi přesvědčivá myšlenka, nějaká její podoba je nejspíš pravdivá, ale detaily neznáme.

Hvězdy a galaxie mohly později vzniknout jen díky malým rozdílům v rozložení hmoty, které se objevily záhy po Velkém třesku. Jaká byla jejich prvotní příčina?

Vytvořily se právě v inflační fázi a jsou za ně zodpovědné kvantové fluktuace, které v té době měly měřítko celého vesmíru. Jejich otisk vidíme v nepravidelnostech teploty reliktního záření, které pozorovala evropská sonda Planck [obr. 2]. Rozdíly v teplotě odpovídají oblastem s odlišnou hustotou a jejich pozorovaný charakter je konzistentní s tím, co předpovídá inflační teorie. Zpočátku byly nepatrné, ale díky gravitaci se postupně zvětšovaly.

Vidíte v dalších fázích vývoje vesmíru nějaké mezery v příběhu, který nám kosmologie vypráví?

Detaily jsou velmi komplikované, ale základní představu o tom, co se dělo od první nanosekundy dál, už máme. Rozumíme tomu, jak se horký a hustý vesmír rozpínal a chladl, jak se tvořily první atomy a později hvězdy a galaxie, až po evoluci života na Zemi.

Zmínil jste, že LHC by mohl odhalit tajemství temné hmoty. Ta je pro formování galaxií důležitá, zatím ale nemáme přímé důkazy její existence. Obešli bychom se případně bez ní?

Bylo by to velmi obtížné. Samozřejmě existují úvahy, že například přírodní zákony v nám známé podobě přestávají na hranicích galaxie platit. Ale máme dost důkazů o tom, že Einsteinova teorie je správná, protože úspěšně vysvětluje strukturu galaxií, ohyb světla v gravitačních čočkách, a také modely pro růst a strukturu vesmíru. Takže máme velmi silný soubor argumentů podporujících myšlenku, že temné hmoty je asi pětkrát více než hmoty, kterou známe a umíme ji pozorovat.

Který dnešní poznatek by vás na počátku vaší kariéry opravdu překvapil, protože odporuje tehdejším představám o vesmíru?

Byl bych překvapen rychlostí pokroku. Tím, že dnes disponujeme obrázkem celku. Máme šest parametrů, které vesmír velmi dobře charakterizují a jsou v souladu s tím, co se s vesmírem dělo od období inflace po současnost.¹⁾ To je podle mne pozoruhodný úspěch. A samozřejmě jsme nečekali nenulovou energii prázdného prostoru, tedy temnou energii. Ale některé vzrušující věci v astronomii mají lokální charakter, například objev exoplanet.

Co je na exoplanetách tak vzrušujícího? Technologie umožňující jejich odhalení je jistě obdivuhodná, ale existence planet u cizích hvězd se přece dala očekávat.

Ne, není to nic překvapivého, ale je dobré o nich vědět. Samozřejmě nás zajímá, jestli jinde ve vesmíru existuje život, takže přinejmenším jsme teď schopni nalézt blízké planety podobné Zemi. Budoucí silnější teleskopy budou schopny ze spektroskopických dat zjistit něco o jejich atmosféře a povrchu. Myslím, že to je vzrušující. Přinejmenším je to něco, co laickou veřejnost velmi zajímá. A je to srozumitelnější a uchopitelnější než třeba inflace vesmíru.

Mnohá zjištění astrofyziky odporují selskému rozumu. Vnímáte to jako hendikep, ať už při vlastním výzkumu, nebo při snaze přiblížit výsledky svého zkoumání laikům?

Je to těžké, ale porozumění kvantové mechanice je zrovna tak obtížné. Více než teorie relativity. Relativistické efekty se dají vizualizovat, ale chování jednotlivých atomů podle kvantové mechaniky jde proti intuici. Ale otočil bych to. Činí mi radost, že lidský mozek dokáže v kvantovém světě a ve vesmíru nalézt smysl, přestože se vyvinul k tomu, aby se dokázal vypořádat s objekty jako stromy, kameny a zvířata. Selský rozum funguje dobře právě ve vztahu k objektům těchto velikostí, které leží uprostřed mezi hmotností protonu a Slunce. Překvapuje mne, že dokážeme přesáhnout naši každodenní zkušenost. K tomu, abychom sami sobě porozuměli, musíme porozumět atomům, z nichž jsme stvořeni, a hvězdám, v nichž ony atomy vznikly.

Věříte, že lidský mozek má kapacitu porozumět vesmíru beze zbytku?

Rád spekuluji o tom, že existují věci, které náš mozek vstřebat nedokáže. Není důvod myslet si, že dokáže pochopit vše. Nějaké aspekty reality jsou možná za horizontem našich možností.

Tvrdíte, že vědci, kteří útočí na náboženství, ve skutečnosti škodí vědě. Týká se to třeba Richarda Dawkinse. Proč myslíte, že vědě škodí?

Mám pro to dva důvody. Zaprvé je třeba čelit extrémismu. Ale papež nebo arcibiskup canterburský proti extrémismu vystupují, podporují vědu a nepopírají evoluci, takže je chceme mít na své straně. Proč bychom na ně měli útočit? Vždyť by to bylo kontraproduktivní. A zadruhé: když učitel v londýnské škole řekne svým šestnáctiletým žákům, mezi nimiž je mnoho muslimů, že nemohou mít zároveň svého Boha i Darwina, vyberou si Boha a pro vědu budou ztraceni.

Ve své pražské přednášce na květnovém slavnostním shromáždění Učené společnosti jste si pochvaloval, že se veřejnost o vědu zajímá. Uvedl jste příklad dinosaurů nebo Higgsova bosonu. Ale není tento zájem poměrně povrchní? Lidé se nadchnou pro atraktivní témata, ale povědomí o tom, jak věda pracuje, je dosti omezené, přestože základy vědecké metody mohou být užitečné i laikům v každodenním životě.

Souhlasím. Lidé například nemají vůbec smysl pro odhad rizika a pravděpodobností, na což má věda účinné nástroje. Nerozumí každodenním věcem souvisejícím s vědou, mnoho lidí například netuší, co je příčinou střídání ročních období. Řada otázek, které se týkají nás všech, má vedle politického, etického nebo ekonomického aspektu i aspekt vědecký. Máme budovat jaderné, nebo spíše větrné elektrárny? Je dobrý nápad pěstovat geneticky modifikované plodiny? Demokratická debata o těchto věcech nemůže stát na znalostech na úrovni bulvárních novinových titulků, nemáme-li se nechat klamat propagandou nebo zavádějící statistikou. Ale ta neznalost se netýká jen vědy. Stejně smutné je, když lidé neznají historii své země, neovládají žádný cizí jazyk nebo na mapě nenajdou Sýrii, což je zcela běžné. Je to obecná otázka kvality školství, vědci nemají žádné zvláštní právo si stěžovat.

Takže jste rád, že se veřejnost zajímá alespoň o ty dinosaury a Higgsův boson?

Fascinace dinosaury je pochopitelná, nicméně mírou zájmu třeba o LHC a Higgsův boson jsem byl překvapen, protože jde o náročná témata a není možné je vizualizovat způsobem, jakým lze laikům přiblížit třeba ony exoplanety.

Je to sci-fi svého druhu. Neláká nás na tom právě pocit, že se dotýkáme něčeho fundamentálního, týkajícího se podstaty vesmíru?

Ano, a z toho podle mne plyne důležité ponaučení. Mnozí učitelé vědeckých oborů a popularizátoři si myslí, že je třeba vědu představovat jako něco relevantního pro každodenní život, aby mladé lidi zajímala. Ale to není pravda. Mladí lidé se zajímají více o Higgsův boson než o praktické aplikace. Takže je třeba stavět na těchto zájmech a od nich se odrazit k dalším tématům.

Ale nadšení pro vědu se dá přece nejlépe vzbudit skrze něco, co si člověk může sám vyzkoušet.

To je pravda a dostáváme se tím k jedné věci, která mne trápí. Mobily, tablety a další přístroje, které dnešní mladí používají, jsou příliš složité. Když jsem já byl mladý, dokázal jsem porozumět jednoduchému rádiu, rozebrat ho a opět složit, stejně jako motor své motorky. Mnozí vědci a inženýři začínali tím, že rozebírali věci a dívali se, jak fungují. Byl to přirozený způsob, jak něco pochopit a získat základ pro složitější věci. Stejně postupoval i Newton, který v dětství konstruoval modely hodin a vodních mlýnků, představujících nejvyspělejší technologii jeho doby. Ale dnes se tato cesta ztrácí, protože když rozeberete chytrý telefon, stejně nepochopíte, co se v něm odehrává. To je jeden z důvodů, proč je těžké přitáhnout mladé lidi k technickým oborům.

Ve své přednášce jste hovořil i o tom, že když mluvíte o vědě, pod slovo „science“ zahrnujete i technologie.

Ano, protože věda a technologie jsou spolu symbioticky propojené. Astronoma zkoumajícího vzdálený vesmír i inženýra řešícího nějaký konstrukční problém žene vpřed stejná motivace: touha nacházet odpovědi na otázky a problémy, které před námi stojí. Praktické aplikování technologií, které z vědy povstaly, není o nic méně náročné než výzkum. Vždy si v té souvislosti vybavím starý kreslený vtip. Dva bobři se dívají na hráz vodní elektrárny. Jeden říká: „Sice jsem ji nepostavil, ale je založena na mém nápadu.“

Ona symbióza bude třeba i pro řešení největších problémů, jimž lidstvo čelí.

V dlouhodobém měřítku by například celá Evropa mohla pokrývat své energetické potřeby solární energií, ale vyžadovalo by to celokontinentální síť pro stejnosměrný proud. Byl by to obrovský infrastrukturní projekt. Náš svět se stále více propojuje. Jsme závislí na složitých sítích: na mezinárodních finančních trzích, elektrické rozvodné síti, řízení letového provozu, logistice přepravy zboží… Jejich kolapsy naštěstí nejsou příliš časté, ale pokud k selhání dojde, lavinovitě se šíří celým systémem. Pandemie se mohou šířit rychlostí dopravního letadla a sociální média distribuují duševní nákazu v podobě nejrůznějších fám a bludů doslova rychlostí světla. Řešení energetické bezpečnosti nebo klimatických změn si žádá desetiletí práce, což je daleko za hranicemi „komfortní zóny“ většiny politiků myslících na nejbližší volby.

Dá se říci, že právě globální charakter problémů je pro 21. století charakteristický?

Bezpochyby. Politici si musí uvědomit, že všichni sdílíme jeden přelidněný svět, který je docela zranitelný. A že projekty, které jsou z jejich pohledu dlouhodobé, představují v historii naší planety pouhý okamžik. Na časové ose sahající miliardy let do minulosti stejně jako do budoucnosti může být toto století určujícím momentem. Po většinu dějin přicházela nebezpečí ohrožující lidstvo z přírody – nemoci, zemětřesení, záplavy… Ale toto století je výjimečné. Poprvé má jeden biologický druh osud Země ve svých rukou. Vstoupili jsme do nové geologické éry, do antropocénu.