Anatomie tmy

Člověk je tvor denní. Ze všech smyslů nejvíce preferuje zrak. Zatímco o světle víme téměř vše, máme na něj dokonce dvě teorie, vlnovou a částicovou, o podstatě tmy nevíme takřka vůbec nic. Přesněji řečeno nic určitého. Přitom tma si naši pozornost zasluhuje minimálně stejně naléhavě jako světlo. Tma totiž není jenom nedostatkem světla. Podobně jako sladké není nedostatkem kyselého, nebo pevnina není pouhým nedostatkem moře.

Ve srovnání s tmou je ve vesmíru světla poskrovnu. Pouhá 4% zářivé hmoty oproti 25% temné hmoty a cca 71% temné energie. Toto rčení o procentuálním rozložení hmoty ve vesmíru (mimochodem mediálně velmi oblíbený a často citovaný) nemusí být vůbec pravdivý. Temnou hmotu (nebo energii) samozřejmě nikdy nikdo neviděl. Ani by to nešlo - nesvítí, ani nevyzařuje žádné jiné záření. Jediné, co kdy lidé mohli pozorovat, byly její gravitační účinky. Proto mě napadlo, že temná hmota nemusí vůbec existovat.

Protože temná hmota může v jistém smyslu představovat specifický druh tmy, budu se jí dále věnovat podrobněji.

Poprvé se o ní zmínil švýcarský astronom Fritz Zwicky v roce 1933. Pozorujíce kupu galaxií v souhvězdí Vlasy Bereniky zjistil, že se pohybuje příliš rychle, než aby mohla držet pohromadě. Totiž, že předpokládaná hmotnost jednotlivých galaxií není tak velká, aby vzájemné působení gravitačních sil mohlo vyrovnat působení sil odstředivých a setrvačných. Aby mu výpočty sedly, potřeboval nějakou věc, která by dodala chybějící gravitační příspěvek. Vykouzlil si tedy neviditelnou, všudypřítomnou hmotu aby zastřel fakt, že nic takového nebylo nikdy nikým pozorováno, dal jí přídomek temná.

Další zmínka o temné hmotě pochází ze sedmdesátých let. Americká astronomka Vera Rubinová se setkala s podobným problémem u rotujících spirálních galaxií. Hvězdy nacházející se dále od jádra galaxie, by se měly pohybovat pomaleji než ty, které jsou mu blíže. Podobné je to i ve sluneční soustavě. Pluto obíhá kolem Slunce pomaleji než Země nebo Mars. Od určité vzdálenosti ale hvězdy obíhají kolem jádra stejnou rychlostí. Nebýt dodatečného gravitačního příspěvku skryté hmoty, rozlétly by se do hlubin vesmíru.

Asi nejdetailnější teorii temné hmoty vytvořil profesor Joel Primack Z Kalifornské univerzity v Santa Cruz. Nazval ji teorií studené temné hmoty. Podle ní by se temná hmota měla vyskytovat prakticky všude kolem nás; naše galaxie Mléčná dráha by měla být ponořena do obrovského oblaku temné hmoty, Temná hmota by měla být tvořena těžkými částicemi, které mezi s sebou reagují velmi slabě a rovněž velmi slabě interagují také s částicemi z rodiny standardního částicového modelu.

Až donedávna Primackova teorie měla jednu obrovskou výhodu. Přežívala díky tomu, že když jsou dosazeny parametry studené temné hmoty do simulací vesmíru typu Bolshoi nebo CLUE, počítač vygeneruje vesmír, který se hodně podobá tomu skutečnému. V obrovských měřítkách stovek miliónů let je shoda téměř dokonalá. Jakmile se ale začnou testovat menší měřítka, srovnatelné s velikostí naší galaxie, simulace už tak přesné nebývají. Vygenerují totiž několik tisíc galaxií v našem okolí navíc. Ve skutečnosti jich tam však nalézáme ,,pouze“ desítky a tyto galaxie navíc vykazují menší hustotu temné hmoty, než by simulátory předpokládaly.

Teorie studené temného hmoty pracuje s představou neznámých částic dovádějících v prázdném prostoru, který by měl být jen něco na způsob nicoty. Jak už jsem předeslal, temná hmota nemusí být jediným způsobem řešení zmíněného gravitačního nedostatku. Další řešení nabízí myšlenkový proud kolem teorie strun. Napadlo mně, jestli by chybějící gravitační příspěvky nemohl obstarávat sám prostor. Tedy takový prostor, který není úplně nicotným, prázdným jevištěm.

Základem toho předpokladu je fakt, že absolutně prázdné vakuum (ideálně vyždímaný prostor) neexistuje. Nejvakuovatější vakuum, které lze vyrobit v laboratorních podmínkách, se nazývá extrémně vysoké vakuum (XHV). Kubický centimetr takového vakua pořád ještě obsahuje 10 000 molekul. Průměrná hodnota vakua v mezihvězdném prostoru se odhaduje na 1 atom (nejčastěji vodíku) na kubický metr. Důvodem faktického nedostatku absolutního vakua jsou kvantové fluktuace.

Dovolím si tedy stručně připomenout, co to kvantové fluktuace jsou: V libovolném bodě prostoru, díváme-li se s dostatečným rozlišením, vznikají (a ihned zanikají) vzájemně reagující páry částic a antičástic. Čím větším zoomem se do hlubin prostoru díváme, tím jsou kvantové fluktuace divočejší.

Další problém je ten, že kvantové fluktuace vytvářejí protichůdné představy o geometrii prostoru než obecná relativita. Ta pracuje s prostorem, který je tvořen poměrně elegantní geometrií, což ostře kontrastuje s chaotickou geometrií kvantových fluktuací.

Absolvent Harvardu a Oxforduprofesor Brian Greene univerzity nabízí v knize Elegantní vesmír teoretický rámec, který by tento paradox vyřešil. Model časoprostoru jako tkaniny zhotovené ze strun. Tyto struny mimochodem svými kmity obstarávají všechny částice ve standardním částicovém modelu, včetně nedávno narozeného Higgsova bosonu. Jako bonus dokáží sjednotit všechny čtyři základní síly v M-teorii. Profesor Greene tedy ve své knize napsal:

,,Gravitační pole jsou (hypoteticky) zakódována do zakřivení časoprostoru a to nás přivádí k tomu, abychom ztotožnili strukturu časoprostoru samotného s kolosálním množstvím strun, který provádějí tentýž pravidelný druh vibrace odpovídající gravitonu.“

Uvedeno na pravou míru:,,Z teorie strun lze odvodit rovnice, které vyhovují existenci vesmíru s jedním časovým rozměrem a jistým počtem (obvykle tří) rozsáhlých rozměrů prostorových a dodatečných dimenzí svinutých.“

Ze strunového modelu časoprostoru lze odvodit dva fatální filozofické dopady.

Za prvé: V hrubém stavu, dříve než se struny tvoříc kosmickou tmu zapojily do pravidelného a soudržného vibračního tance, prostor a čas vůbec neexistovaly. Až teprve když struny začaly vykonávat souhlasné vibrace, mohly se obecné představy o čase a prostoru stát reálnými. Běžně se uvádí, že náš čas vznikl v singularitě Velkého třesku. Otázka, co bylo před tím je irelevantní, protože žádné předtím se nekonalo. Čas tehdy ještě nebyl. Stejně tak můžeme považovat za irelevantní otázku, kde resp. na jakém jevišti se onen Velký třesk odehrál. Žádný prostor před Velkým třeskem prostě neexistoval. Rozvinul se až po té. Rozvinul se v nádherném představení, jako se rozvíjejí okvětní lístky růže právě probuzeného poupěte.

Za druhé: Dopad na existenci temné hmoty by pak byl následující. Má-li mít prostor má nějakou strukturu, která by se formovala vnořením hmotného tělesa, pak by tato struktura mohla zaplňovat zmíněné gravitační nedostatky a držet pohromadě kupy galaxií Švýcara Zwicka, nebo brzdit rotaci spirálních galaxií Američanky Rubinové. Tato struktura by mohla být dále polarizována gravitačním polem. (analogicky k polarizaci dielektrika polem elektrickým) a vytvářet tak iluzi polštáře temné hmoty, na kterém podřimuje naše galaxie. Krom toho by teorie strunového prostoru mohla vysvětlit, proč se světlo šíří prostorem konstantní rychlostí a nikdy nemůže letět rychleji. Světlo by bylo výbojem, který by způsobil průraz onoho dielektrika. A vesmír by se proto rozpínal, protože by se bodové složky mezihvězdného prostoru díky souhlasné polaritě odpuzovaly, takže bychom již nadále nemuseli předpokládat existenci další záhadné substance - temné energie..

Teorie strunového prostoru nabízí další nespornou výhodu. Symetrie ostatních tří základních přírodních sil je hotová (elektromagnetická, silná a slabá jaderná jsou symetrické) a tímto by se k nim přidala i gravitace, která se od nich zatím dost odlišuje. Jednak je nepoměrně slabší a druhak ostatní síly disponují zprostředkující částicí (foton, gluon, boson) Zprostředkující částice gravitace dosud nebyla nalezena, teorie strunového prostoru by konečně dodala onu zprostředkující částici. Hypotetický gravitony pak byl oním vibračním módem struny, nitkou Greenovy tkaniny, základním stavebním prostoru.

Závěrem bychom pak mohli přehodit naruby také Newtonovu gravitaci. Newton předpokládal,že mu jablko spadlo na hlavu kvůli gravitačnímu působení Zeměkoule. Ve skutečnosti mu tam bylo natlačeno zakřiveným prostorem. Gravitace je proto tak odlišná, protože vlastně není silou zprostředkovanou hmotou, jako ostatní tři základní síly, ale časoprostorem.

Kdoví, pokud bychom se naučili graviton vyrábět laboratorně, například v obrovských urychlovačích typu CERN, naučili bychom se vyrábět silnější gravitační pole a dilatovat tak čas. Graviton by se jednou stal palivem pro stroj času. A kdybychom se ho naučili vyrábět opravdu masově v podobě miniaturních černých děr, byl by branou do červích děr. Periskopem, který by nám dovoloval nahlížet do jakéhokoliv bodu ve vesmíru.

Zdroje:wikipedia, B.Greene Elegantní vesmír, Martin Uhlíř: Skrytý svět kolem nás (Respekt č.31/2012)