PREDSLOV
V posledných rokoch sa ani jeden týždeň nezaobíde bez tučných titulkov oznamujúcich nový kozmický objav. Možno si médiá túto tému obľúbili, no skutočným dôvodom bude skôr rastúci záujem širokej verejnosti o vedu. Dôkazov je naozaj veľa –od populárnych televíznych relácií s vedeckým podtónom až po úspešné sci-fi filmy s hviezdnymobsadením,ktorévzniklipod taktovkou známych producentov arežisérov, aurčite aj veľkolepé životopisné filmyovýznamných osobnostiach zo sveta vedy –tie sa stali žánrom samým osebe. Veľkému úspechusatešiaajrôznevedeckéfestivaly,sci-fizrazyatelevíznedokumentyzamerané navedu.
Dokonca aj najviac zarábajúci film všetkých čias z dielne slávneho režiséra sa odohráva na planéte obiehajúcej okolo vzdialenej hviezdy a vystupuje v ňom postava astrobiologičky, ktorústvárnila populárna herečka. Väčšina vedeckých oblastí sa v poslednom čase dostáva do úzadia, no astrofyzikasastáledrží na najvyšších priečkach. Myslím,ževiem, prečo jeto tak. Každý sa už aspoň raz v živote pozrel na nočnú oblohu akládol si otázky: Čo to všetkoznamená?Akotospolusúvisí?Aakýzmyselmámojebytienatomtosvete?
Ak ste priveľmi zaneprázdnení a nemáte čas prenikať do tajov vesmíru na rôznychprednáškachalebočítaťhrubéučebnice,čisledovaťdokumenty,anapriektomu túžitepostručnom azároveň zmysluplnom uvedení do tejto oblasti, táto útla kniha je práve pre vás. Nadobudnete vďaka nej prehľad o všetkých významných poznatkoch a objavoch, ktoré sformovali moderné chápanie vesmíru. A ak som dosiahol, čo som chcel, po jej prečítaní budete obohatení o vedomosti z astrofyziky a možnozatúžitevedieťviac.
Niejepovinnosťou vesmíru,abyvámdával zmysel.
1.Najväčší príbeh všetkých
čias
Svetpretrvávaužmnohorokovavšetkosa odvíjaodokamihu,keďsadaldopohybu.
LUCRETIUS, 55PRED KR.
Na začiatku, pred približne 14 miliardami rokov, zaberal všetok priestor, všetka hmotaaenergiavesmírumenejnežjednubilióntinubodky,ktorousakončítátoveta.
Pod pokrievkou to vrelo aprírodné sily, ktorými dnes opisujeme vesmír, tvorili jedencelok. Nie je síce jasné, ako vznikol tentominiatúrny vesmír, no vtomto štádiu sa dokázalužlenrozpínať–atoveľmirýchlo.Tentojavdnespoznámeakoveľkýtresk.
Einsteinova všeobecná teória relativity z roku 1916 nám poskytuje moderné chápanie gravitácie. Podľa tejto teórie spôsobuje prítomnosť hmoty a energie zakrivenie štruktúry
časopriestoru, ktorý ich obklopuje. V dvadsiatych rokoch minulého storočia uzrela
svetlo sveta aj kvantová mechanika, ktorá priniesla zase moderný opis
atómov, molekúl a subatómových častíc. Tieto dva prístupy k vysvetleniu prírodných
zákonovsúvšakformálne
nezlučiteľné, čím sa fyzici dostali pred náročnú úlohu spojiť teóriu omalom s teóriou o veľkom a vytvoriť jednotnú teóriu kvantovej gravitácie. Riešenie je ešte v nedohľadne, no užvieme, akýmprekážkam čelíme.Jednouznich jetzv.„Planckovaéra“
–jedno zoštádiíranéhovesmíru. Ide okrátky časový interval vrozmedzí od t = 0 po t
= 10–43 sekundy (jedna desať miliónov-bilió-nov-biliónov-bilióntina sekundy) od vzniku vesmíru, kým dosiahol v priemere veľkosť 10–35 metra (jedna sto miliárd bilión-bilióntina metra). Nemecký fyzik Max Planck, po ktorom sú pomenované tieto nepredstaviteľne malé veličiny, predložil svoju teóriu kvantovej energie už začiatkom dvadsiateho storočia avo všeobecnosti sa považuje za otcakvantovejmechaniky.
Pre súčasný vesmír nepredstavuje rozpor medzi gravitáciou akvantovou mechanikou
žiadny problém. Astro-fyzici uplatňujú princípy všeobecnej relativity a kvantovej mechaniky pri riešení najrôznejších problémov. Máme však podozrenie, že na začiatku, počasPlanckovej
éry, keď ešte veľké bolo malým, museli tieto dva princípy držať spolu. Bohužiaľ, stále nevieme,
čo ich viedlo k tejto netradičnej spolupráci, preto žiadne (známe) fyzikálne zákony nedokážu uspokojivo vysvetliť správanie vesmíru počas tohto krátkeho spoločného pôsobenia.
Napriektomusavšakdomnievame,ženakonci
Planckovej éry sa gravitácia „odtrhla“ od ostatných – stále zjednotených –prírodných sílazískala tak vlastnú identitu, ktorú dobre vystihujú súčasné teórie. Po skončení Planckovej
éry sa vesmír ďalej rozpínal, uvoľňoval nahromadenú energiu a to, čo ostalo zo spojených prírodných síl, sarozdelilo na „elektroslabú“ a„silnú jadrovú“ silu. Neskôr sa ešte elektroslabásila rozložila na elektromagnetickú a „slabú jadrovú“ silu, atak vnikli štyri odlišné sily, ktoré sme postupne spoznali a obľúbili si ich: slabá jadrová sila dohliada na rádioaktívny rozpad, silná jadrová sila drží pokope jadrá atómov, elektromagnetická sila viaže k sebe molekuly a gravitácia spája objemnú hmotu.
Odpočiatkuubehlajednatrilióntinasekundy.
Celý tento čas prebiehala nepretržitá spolupráca medzi hmotou vo forme subatómových
častíc aenergiou vo forme fotónov (nehmotné prenášače svetla, ktoré sú skôr vlnami než
časticami). Vysoká teplota vesmíru umožnila spontánne pretransformovať energiu fotónov na dvojice pozostávajúce z častíc hmoty aantihmoty, ktoré sa okamžite navzájom zničili, a uvoľnená energia sa vrátila späť vo forme fotónov. Áno, antihmota skutočne existuje a prišli s ňou vedci, nie sci-fi spisovatelia. Tieto zázračné premeny dokonale vyjadruje najznámejšia Einsteinova rovnica E = mc2, ktorá predstavuje obojsmernýreceptnazistenie,koľkohmotyzodpovedá vašej energii akoľko energie zodpovedá vašej hmote. Hodnota c2 je druhou moc-ninou rýchlosti svetla, a keď toto obrovské číslo vynásobíme hmotnosťou, zistíme, akémnožstvo energie môžeme získať z daného telesa. Krátko predtým, ale aj po tom, čo sa elektroslabé sily rozdelili, bol vesmír ako hustá polievka z kvarkov, leptónov a ich súrodencov z antihmoty, ako aj z bozónov – častíc, ktoré umožňujú ich vzájomnú interakciu. Žiadna z týchto častíc, aspoň pokiaľ vieme, sa nedá rozdeliť na nič menšie ani jednoduchšie, no každá z nich má niekoľko foriem. Bežný fotón patrí do rodiny bozónov. Najznámejšie leptóny pre laikov sú elektrón a možno neutríno. A najznámejšie kvarky sú… nuž, nie sú vlastne žiadne známe kvarky. Všetkých šesť poddruhov dostalo abstraktné mená, ktoré nemajú z filologického, filozofického alebo pedagogického hľadiska žiadny význam –majú slúžiť ibana ichodlišovanie: kvark u (zangl. up –hore), kvark d (z angl.down –dole),kvarks(nazývaný ajčudný,zangl.strange),kvarkc(nazývanýajpôvabný,zangl. charmed), kvark t(z angl. top – vrchný) akvark b (nazývaný aj kvark skrásou, z angl. beauty–krása,inýnázovbottom–spodný).
Bozóny sú, mimochodom, pomenované po indickom vedcovi Šatendranáthovi Nath Boseovi. Slovo leptón je odvodené z gréckeho leptos – ľahký, malý. Kvark má však naprotitomu literárny aoveľa pozoruhodnejší pôvod. Fyzik Murray Gell-Mann, ktorý v roku 1964 predstavil kvarky ako vnútorné zložky protónov a neutrónov a ktorý si vtedy myslel, že rodina kvarkov má iba troch členov, čerpal inšpiráciu z diela írskeho spisovateľa Jamesa Joycea Finneganovo prebúdzanie, kde odznie pre autora typicky nezrozumiteľná veta: „Three quarks for Muster Mark!“ (význam slova quark nie je v kontexte vety úplne jasný; pozn. prekl.). Kvarky však majú jednu veľkú výhodu – ich názvy sú jednoduché. To je niečo, čo sa chemikom, biológom a zvlášť geológomnedarídosiahnuťpripomenovaníinýchvecí.
Kvarky sú zvláštne stvorenia. Na rozdiel od protónov selektrickým nábojom +1aelektrónov selektrickým nábojom –1 majú kvarky zlomkové náboje vyjadrené v tretinách. Kvarky taktiež nikdy nezastihnete osamote – vždy budú mať okolo seba
niekoľkoďalšíchkvarkov. Vskutočnosti je väzba medzi dvoma (a viacerými) kvarkmi
tým silnejšia, čím je
medzi nimi väčšia vzdialenosť, ako keby ich spájala nejaká subatómová gumička. Ak oddialitekvarky dosť ďaleko od seba, gumička praskne auvoľnená energia si zavolá na pomocrovnicuE=mc2.Naobochkoncochvzniknenovýkvark,asteopäťnazačiatku.
Počas kvarkovo-leptónovej éry mal vesmír príliš veľkú hustotu, preto priemerná vzdialenosť medzi nespojenými kvarkmi nedokázala konkurovať vzdialenosti medzispojenýmikvarkmi.Zatýchtookolnostíboloabsolútnevylúčené,aby sa susediace kvarky spájali a namiesto vytvárania väzieb sa teda iba voľne pohybovali medzi sebou. Prvé poznatky o tomto stave hmoty, pripomínajúcom akýsi kotlík plný kvarkov, predložil v roku 2002 tím fyzikov z inštitútu Brookhaven National LaboratoriesnaLongIslandevNewYorku.
Teoretické poznatky nasvedčujú tomu, že istá udalosť z raného obdobia vesmíru, pravdepodobne jedno z delení prírodných síl, spôsobila vo vesmíre pozoruhodnú asymetriu, keď bol počet častíc hmoty len o čosi väčší než počet častíc
antihmoty – na jednu miliardu
častíc antihmoty pripadala jedna miliarda plus jedna častica hmoty. Sotva by si niekto všimol taký malý rozdiel v populácii, zvlášť pri neustálom vznikaní, zrážaní a opätovnom vznikaníkvarkovaantikvarkov,elektrónovaanti-elektrónov (bližšie známych ako pozitróny) aneutrín a antineutrín. Tá jedna častica hmoty navyše mala teda množstvo príležitostí nájsť si „parťáka“ na zrážku tak ako všetky ostatné častice.
Nonetrvalotodlho.Vesmírsanepretržiterozťahoval,prekonalveľkosťnašejslnečnej sústavyateplotarýchlokleslapodhranicujednéhobiliónastupňovKelvina.
Odpočiatkuubehlajednamilióntinasekundy.
V takomto vlažnom vesmíre nebola dostatočná teplota ani hustota na varenie ďalších kvarkov, preto si tie exis-tujúce našli tanečných partnerov a vytvorili novú, súdržnú skupinu
častíc – hadróny (z gréckeho hadros = hrubý, pevný). Prechod od kvarkov k
hadrónompriniesol so sebou protóny aneutróny, ako aj ďalšie – menej zná-me –
častice zloženézrôznychkombináciíkvarkov.
VrátimesanachvíľunaZem,doŠvajčiarska,kdesaeurópskespoločenstvočasticovej
fyziky1 pokúša pomocou veľkého urýchľovača dosiahnuť zrážku zväzkov
had-rónov a opätovne vytvoriť rovnaké podmienky, aké boli pri ich vzniku. Tento najväčší prístroj naZemimápríznačnýnázovVeľkýhadrónovýurýchľovač.
Mierna asymetria medzi hmotou aantihmotou, ktorá okorenila kvarkovoleptónovú polievku,sazamiešalaajmedzihadrónysnezvyčajnýminásledkami.
S klesajúcou teplotou vesmíru ubúdalo aj množstvo energie potrebnej na spontánne vytváranie základných častíc. Počas hadrónovej éry už nedokázali všadeprítomné fotóny postupovať pri vytváraní dvojíc kvarkov a antikvarkov podľa rovniceE=mc2.Bačoviac,energiafotónov,ktorévzniklipriposlednýchzrážkachčastíc, sarozptýliladostálerastúcehovesmíru, čím sa znížila pravdepodobnosť vzniku dvojíc hadrónov santihadrónmi. Zjednejmiliardyzrážok,poktorýchzostalamiliardafotónov, prežil len jeden hadrón. Zvyšné hadróny si napokon užili najviac zábavy – stali sa zdrojom hmoty pre galaxie, hviezdy, planétyapetúnievzáhrade.
Bez spomínaného drobného rozdielu v počte častíc hmoty a antihmoty by všetka hmota vo vesmíre pohltila samu seba, vesmír by tvorili len fotóny a nič viac – „Buď svetlo!“vdokonalejforme.
Doterazuplynulalenjednasekunda.
Vesmír dosiahol veľkosť niekoľkých svetelných rokov2 – približne takú, ako je vzdialenosťmedzi Slnkom aďalšou najbližšou hviezdou. Teplota dosahuje zhruba
jednu miliardu stupňov, čo je stále dosť horúco na varenie elektrónov, ktoré stále –spolusosvojimináprotivkami pozitrónmi – vznikajú azanikajú. Ich dni (teda popravde sekundy) sú však už zrátané, pretože podobne ako kvarky a hadróny pred nimi, aj ony doplatili na rozpínanie a ochladzovanie vesmíru. Napokon z každej miliardy
elektrónov prežil len jeden. Ostatné zanikli v mori fotónov spolu so svojimi náprotivkamizantihmoty–pozitrónmi.
Vtomto štádiu vznikol „ochladením“jedenelektrónprekaždýprotón.Teplotastále klesá
– teraz je už pod hranicou sto miliónov stupňov. Protóny sa spájajú s inými protónmi a neutrónmi, vznikajú jadrá atómov a na svet prichádza vesmír, v ktorom deväťdesiat percent atómových jadier predstavuje vodík adesať percent tvorí hélium, stopové množstvodeutéria(tzv.„ťažký“vodík),trícium(ešteťažšívodík)alítium.
Odpočiatkuubehliuždveminúty.
Nasledujúcich 380000 rokov sa toho veľa vnašej polievke zčastíc neudeje. Teplota ostávacelé tisícročia dosť vysoká na to, aby sa mohli elektróny voľne potulovať medzi fotónmiapohadzovaťsiichsematamprivzájomnejinterakcii.
Ich potulkám je však náhle koniec, keď teplota vesmíru klesne pod hranicu 3000 stupňov Kelvina (približne polovica teploty na povrchu Slnka), a všetky voľné elektróny sa spoja s jadrami atómov. Vďaka tomu vesmír zaplaví všadeprítomné svetlo a nebeská klenba, na ktorú sa premietol obraz vesmíru, sa stáva večnou pamiatkou na túto chvíľu. Zároveň sa tým končí etapa formovania častíc a atómov prvotnéhovesmíru.
Počas prvej miliardy rokov sa vesmír rozpínal a ochladzoval, kým hmota vytvárala mohutné zoskupenia zná-me ako galaxie. Vzniklo ich takmer sto miliárd a každá z nich je domovom stoviek miliárd hviezd, ktorých jadrá sú dejiskom termonukleárnej syntézy. Hviezdy vytvorené z asi desaťnásobne väčšieho množstva hmoty, než tvorí Slnko, sú vďakavysokému tlaku ateplote vjadre schopné vytvárať prvky ťažšie ako vodík vrátane prvkov zodpovedných za vznik planét a akejkoľvek formyživotananich.
Tietoprvkybyboli,pravda,absolútnezbytočné,kebyzostalinamiestesvojhopôvodu. Veľké hviezdy majú však sklon nečakane explodovať a vyprsknúť svoje chemicky
obohatené vnútornosti do celej galaxie. Po deviatich miliardách rokov takéhoto
obohacovaniasavjednej
nenápadnej časti vesmíru (na okraji Miestnej superkopy galaxií), v nenápadnej galaxii (Mliečna cesta), v nenápadnej oblasti (Rameno Oriona) zrodila úplne nenápadná hviezda(Slnko).
Plynový mrak, z ktorého sa vykľulo Slnko, obsahoval dostatočné množstvo ťažkých prvkov pre vznik pestrej palety objektov obiehajúcich po obežnej dráhe vrátane niekoľkých terestriálnych a plynných planét, stoviek tisícok asteroidov a miliárd komét. Počas prvých stoviek milión rokov sa veľké množstvo úlomkov bezcieľne poletujúcichposlnečnejsústavepostupne pripájalo kväčším telesám. Úlomky vo veľkej rýchlosti a s veľkou energiou narážali aj do terestriálnych planét, čím rozžeravili ich povrch azabránili vytváraniu zložitýchmolekúl.
Postupne však úlomkov v slnečnej sústave ubúdalo a planéty sa začali ochladzovať. Planéta menom Zem vznikla v tzv. Goldilockovej zóne okolo Slnka (Hviezdna obývateľná zóna), kdeoceány existujú prevažne vtekutom skupenstve. Keby bola Zem bližšie k Slnku, oceány by sa vyparili, a keby bola ďalej od Slnka, zamrzli by. Tak či onak, život, ako ho poznáme, by sanevyvinul.
V hlbinách oceánov bohatých na chemické prvky, kde prebiehali vtedy ešte neznáme procesy, vznikla z organických molekúl autoreprodukčná forma života. Hlavnou ingredienciou tejto jednoduchej polievky sa stali anaeróbne baktérie, ktorým sa darí ajvprostredí bez kyslíka, no zároveň vytvárajú kyslík ako jeden z vedľajších produktov. Tieto jednoduché jednobunkové organizmy nevedomky dodalidozemskejatmosféry,plnejoxiduuhličitého, dosť kyslíka dôležitého pre vznik aeróbnych organizmov, ktoré si podmanili oceány aj súš. Ató-my kyslíka, bežne prítomné vdvojiciach (O2), vytvorili vhornej častiatmosféry aj trojice (O3) známe ako ozón, a ten chráni Zem pred úhlavným nepriateľom molekúl – ultrafialovými fotónmizoSlnka.
Za pestrosť života na Zemi, azrejme aj kdekoľvek inde vo vesmíre, vďačíme hojnosti uhlíka v kozme a nespočetnému množstvu jednoduchých a zložitých molekúl, ktoré ho obsahujú.Nietpochýbotom,žeexistujeviacmolekúlnabázeuhlíka,nežjevšetkých ostatnýchdruhovmolekúldokopy.
Život je však krehký. Občasné zrážky Zeme so zatúlanou kométou či asteroidom, kedysi také bežné, rozpútali v ekosystéme našej planéty úplné peklo. Iba pred šesťdesiatimi piatimimiliónmirokov (čo predstavujemenej ako dvepercentázo života Zeme)dopadolnaúzemiednešného Yucatánu asteroid shmotnosťou desať biliónov ton avyhladil sedemdesiat percent
zemskej fauny a flóry vrátane majestátnych dinosaurov. Jednoducho vyhynuli. Ich miesto zaplnili predkovia dnešných cicavcov, ktorí dovtedy končili často ako predjedlo pre tyrannosaura rexa. Jedna vetva týchto cicavcov, známa aj ako primáty, mala väčšímozog.Práve znich sa vyvinul rod adruh cicavcov (homo sapiens) sdosť vysokouinteligenciou na to, aby objavil metódy anástroje vedy – anapokon zistil viac opôvodeaevolúciivesmíru.
Čosavšakdialopredtýmtovšetkým?Čobolopredpočiatkom?
Astrofyzici nemajú ani potuchy. Alebo presnejšie – ich kreatívne teórie sa dajú len
ťažko overiť pomocou experimentálnej vedy. Odpoveďou sú aj nie celkom neopodstatnené názory veriacich ľudí, že niečo muselo celý ten proces odštartovať: sila väčšia než všetky ostatné –zdrojvšetkého.Základnáhybná sila. Vmysliachtýchto ľudíjetýmniečímjednoznačneBoh.
Ale čo ak vesmír existoval už dávno predtým vstave avpodmienkach, ktoré sa nám zatiaľ nepodarilo určiť
napríklad ako súčasť multivesmíru, z ktorého nepretržite vznikajú novévesmíry? Alebo čo ak vesmír vznikol len tak z ničoho? Ačo ak je všetko, čo milujemeapoznáme, iba obrovská počítačová simulácia vytvorená pre pobavenie nadpriemerneinteligentnýchmimozemskýchbytostí?
Tieto svojrázne filozofické úvahy však nikoho neuspokoja. No pripomínajú nám, že nevedomosťjeprirodzenýmstavommyslevedeckéhovýskumníka.Pretožeľudia,ktorísi myslia, že vedia všetko, sa zjavne nikdy nepokúšali hľadať alebo nikdy nenatrafili na hranicumedziznámymaneznámymvovesmíre.
Sistotou však môžeme tvrdiť, že vesmír mal začiatok, stále sa vyvíja akaždý atóm v našom tele má pôvod vo veľkom tresku a v prírodných termonukleárnych peciach vjadráchmasívnychhviezd,ktoréexplodovalipredviacnežpiatimimiliardami rokov. Sme hviezdny prach, do ktorého vesmír vdýchol život a schopnosť uvedomiť si svojupodstatu –atoje eštelenzačiatok.
