Stephen Hawking - Vesmír v orechovej škrupinke

Einsteinova všeobecná teória relativity premenila priestor a čas z pasívneho pozadia, na ktorom sa odohrávajú udalosti, na aktívnych účastníkov dynamiky vesmíru. To viedlo k veľkému problému, ktorý zostáva v popredí záujmu fyziky aj v 21. storočí. Vesmír je vyplnený látkou a táto zakrivuje priestoročas takým spôsobom, že telesá padajú k sebe. Einstein zistil, že jeho rovnice nemajú riešenie, ktoré by charakterizovalo stacionárny vesmír, nemeniaci sa v čase. Radšej ako by mal opustiť tento model večne trvajúceho vesmíru, v ktorý veril on sám i mnoho ďalších ľudí, upravil svoje rovnice pridaním veličiny nazvanej kozmologická konštanta, ktorá zakrivovala priestoročas v opačnom smere, takže telesá sa od seba vzďaľovali.

(OBR. 1.13) TRAJEKTÓRIE SVETLA

Svetlo hviezdy prechádzajúce tesne okolo Slnka je zo svojho pôvodného smeru odklonené, pretože hmota Slnka zakrivuje priestoročas (a). To spôsobuje malý posun v zdanlivej polohe hviezdy, keď ju pozorujeme zo Zeme (b). Možno to vidieť počas zatmenia Slnka.

Odpudivý účinok kozmologickej konštanty vyváži príťažlivé pôsobenie hmoty, a tým umožní, aby existovalo stacionárne riešenie pre vesmír. Bola to jedna z veľkých premárnených príležitostí teoretickej fyziky. Ak by sa Einstein pridŕžal svojich pôvodných rovníc, mohol predpovedať, že vesmír sa musí buď rozpínať, alebo zmršťovať. Možnosť časovo závislého vesmíru sa ale nebrala vážne až do pozorovaní v 20. rokoch minulého storočia pomocou dvaapolmetrového zrkadlového teleskopu na Mount Wilson.

Tieto pozorovania odhalili, že čím sú cudzie galaxie ďalej od nás, tým sa rýchlejšie vzďaľujú. Vesmír sa rozpína so stálym narastaním relatívnej vzdialenosti dvoch ľubovoľných galaxií s časom (obr. 1.14.). Tento objav odstránil potrebu kozmologickej konštanty zavedenej na záchranu stacionárneho riešenia vesmíru. Einstein neskôr nazval kozmologickú konštantu svojím najväčším životným omylom. Dnes sa však zdá, že azda to nakoniec predsa nebola chyba: nedávne pozorovania, opísané v 3. kapitole, naznačujú, že určitá malá kozmologická konštanta možno existuje.

Všeobecná teória relativity úplne zmenila diskusiu o pôvode a osude vesmíru. Stacionárny vesmír mohol existovať večne, alebo mohol byt' aj stvorený v terajšej podobe niekedy v minulosti. Ak sa však dnes galaxie navzájom od seba vzďaľujú, znamená to, že v minulosti museli byť k sebe bližšie. Asi pred 15 miliardami rokov museli byť všetky jedna tesne pri druhej a hustota látky musela byť obrovská. Katolícky kňaz Georges Lemaître nazval tento stav „prvotný atóm“. Lemaître prvý skúmal vznik vesmíru, teda to, čo dnes nazývame veľký tresk (big bang).

(OBR. 1.14)

Pozorovania galaxií ukazujú, že vesmír sa rozpína: vzdia-lenosť takmer medzi každou dvojicou galaxií rastie.

Zdá sa, že Einstein nikdy nebral veľký tresk vážne. Zrejme si myslel, že jednoduchý model rovnomerne sa rozpínajúceho vesmíru by sa zrútil, ak by sme pohyb galaxií v čase obrátili naspäť, a že priečne rýchlosti galaxií by spôsobili, že by sa galaxie navzájom minuli. Myslel si, že vesmír musel mať predchádzajúcu fázu kontrakčného charakteru, z ktorej sa odrazil do súčasnej expanzie ešte pri pomerne malých hustotách. Dnes však vieme, že na to, aby v ranom vesmíre pri jadrových reakciách vznikalo množstvo ľahkých prvkov, ktoré okolo seba pozorujeme, musela byť hustota látky prinajmenšom 620 kg na kubický centimeter a teplota aspoň 10 miliárd stupňov. Ba čo viac, merania mikrovlnového pozadia naznačujú, že hustota bola kedysi rádovo až bilión biliónov biliónov biliónov biliónov biliónov (jednotka so 72 nulami) ton na kubický centimeter. Dnes tiež vieme, že Einsteinova všeobecná teória relativity neumožňuje, aby vesmír prešiel z etapy zmršťovania do dnešnej fázy expanzie. Ako ešte spomeniem v 2. kapitole, spolu s Rogerom Penrosom sme ukázali, že podľa všeobecnej teórie relativity vesmír začal svoje jestvovanie veľkým treskom. Takto Einsteinova teória vedie nevyhnutne k záveru, že čas má počiatok, hoci jej autor touto myšlienkou nebol nikdy nadšený.

Einstein sa ešte väčšmi zdráhal pripustiť, že všeobecná relativita pre veľmi hmotné hviezdy predpovedá, že čas pre ne prestane existovať, keď sa skončí ich život a prestanú vytvárať dostatok tepla na vyváženie síl vlastnej gravitácie, ktoré sa ich neustále usilujú stlačiť. Einstein si myslel, že takéto hviezdy dospejú do akéhosi konečného stavu. Dnes vieme, že pre hviezdy s hmotnosťou dvojnásobne prevyšujúcou hmotnosť Slnka žiadna takáto konfigurácia neexistuje. Takéto masívne hviezdy budú vo svojom zmršťovaní pokračovať dovtedy, kým sa nestanú čiernymi dierami, teda oblasťami priestoročasu, ktoré sú natoľko zakrivené, že z nich nemôže uniknúť ani svetlo (obr. 1.15).

Spolu s Penrosom sme ukázali, že podľa všeobecnej teórie relativity čas vnútri čiernej diery sa skončí tak pre hviezdu, ako aj pre každého nešťastného astronauta, ktorý by do nej spadol. Obe udalosti, začiatok i koniec času, sa odohrávajú v miestach, kde nemôžu byť rovnice všeobecnej relativity definované. Preto táto teória nemôže povedať, čo by sa mohlo z big bangu zrodiť. Niektorí v tom vidia prejav slobody Boha uviesť vesmír do chodu akýmkoľvek spôsobom podľa Jeho vôle, ale iní (vrátane mňa) majú pocit, že počiatok vesmíru by sa mal riadiť tými istými zákonmi, ktoré platia aj v iných obdobiach jeho histórie. V tomto smere sme dosiahli určitý pokrok, čomu je venovaná 3. kapitola, ale vznik vesmíru ešte stále nechápeme úplne.

Dôvod, prečo všeobecná teória relativity v big bangu zlyhala, bol v tom, že nebola zlučiteľná s kvantovou mechanikou, druhou veľkou pojmovou revolúciou na začiatku dvadsiateho storočia. Prvý krok v ústrety kvantovej mechanike sa udial v roku 1900, keď Max Planck v Berlíne zistil, že žiarenie dočervena rozžeraveného telesa sa dá vysvetliť, ak by sa svetlo mohlo vyžarovať alebo pohlcovať iba v diskrétnych (nespojitých) balíkoch, nazývaných kvantá. Einstein v jednom zo svojich priekopníckych článkov napísaných v roku 1905, keď bol ešte v patentovom úrade, dokázal, že Planckova kvantová hypotéza by mohla objasniť fotoelektrický jav, teda to, že určité kovy po ožiarení svetlom emitujú elektróny. Tento jav je základ moderných svetelných detektorov a televíznych kamier a za túto prácu získal Einstein Nobelovu cenu za fyziku.

(OBR. 1.15)

Keď veľmi hmo-tná hviezda vy-čerpá svoje ja-drové palivo, bu-de strácať teplo a stláčať sa. Prie-storočas sa zakri-ví až do takej miery, že sa vy-tvorí čierna diera, z ktorej nemôže uniknúť ani sve-tlo. Vnútri čiernej diery skončí svo-ju existenciu aj čas.

V práci na kvantovej hypotéze pokračoval Einstein do 20. rokov predošlého storočia, ale potom mu spôsobila veľké ťažkosti práca Wernera Heisenberga v Kodani, Paula Diraca v Cambridgei a Erwina Schrödingera v Zürichu, ktorí prišli s novým pohľadom na svet, nazvaným kvantová mechanika. Drobulinké častice už nemali viac presne stanovené polohy a rýchlosti. Namiesto toho začalo platiť, že čím presnejšie je určená poloha častice, tým menej presne sa dá určiť jej rýchlosť, a naopak. Einstein bol zdesený prítomnosťou tohto náhodného, nepredvídateľného prvku v základných zákonoch prírody a kvantovú mechaniku nikdy úplne neuznal. Jeho pocity sa odrážajú v jeho slávnom výroku „Boh nehrá kocky“. Väčšina iných vedcov však uznala platnosť nových kvantových zákonov, keďže vysvetľovali celú triedu predtým neobjasnených javov, ale aj pre ich vynikajúcu zhodu s pozorovaniami. Tieto zákony umožnili súčasný pokrok v chémii, molekulárnej biológii a elektronike, a stali sa základom pre vznik technológií, ktoré za posledných päťdesiat rokov úplne zmenili náš svet.