FyzWeb  články
Novinky Kalendář Články Odpovědna Pokusy a materiály Exkurze Výročí Odkazy Kontakty


Licence Creative Commons (Uveďte autora - Nevyužívejte komerčně - Zachovejte licenci)
Velký třesk nebo ekpyrotická kosmologie?2008-01-25 

Současnou základní představou o původu a vývoji vesmíru (zabývá se tím vědní obor zvaný kosmologie) je scénář velkého třesku s inflační fází. Tato představa je od počátku 80. let 20. století přijímána spoustou fyziků. Podle této teorie vesmír vznikl vlastně z bodu, tzv. singularity, strašně rychle se rozpínal a pak se jeho rozpínání zpomalilo až na současnou rychlost. Přestože tato teorie má několik problémů, je v současné době zřejmě nejlepší teorií, která je v souladu s našimi pozorováními. I když…

V roce 2001 byla ke kosmologii velkého třesku navržena alternativa, která získala určitou pozornost. Označuje se jako ekpyrotická kosmologie a je z dílny fyziků Paula Steinhardta, Justina Khoury, Neila Turoka a Burta Ovruta Popisuje mladý vesmír, který vznikl bez velkého třesku srážkou vícerozměrných bran. Tato ekpyrotická kosmologie odvozuje své jméno od představy řeckých stoických filozofů, podle kterých vesmír cyklicky vzniká a zaniká ohněm.

Co tvrdí teorie velkého třesku s inflační fází?

Podle základního modelu velkého třesku náš vesmír vznikl ze singularity, bodové oblasti prostoru „nabušené energií“. Proto tato oblast tvořila velmi horké a velmi husté prostředí, v němž byla gravitace natolik silná, že vesmír byl zakřiven sám v sobě s poloměrem křivosti jen 10-34 m. Pro srovnání jádro atomu má poloměr asi 10-15 m.

Jakmile se vesmír rozpínal, začal se ochlazovat a řídnout. Silové působení (interakce) se začaly od sebe oddělovat na silnou, slabou, elektromagnetickou a gravitační interakci. Výsledná směs hmoty, neutrin a záření se od sebe oddělila a ochladila se. Jednotlivé složky se dále vyvíjely odlišným způsobem. Záření dnes pozorujeme jako kosmické mikrovlnné pozadí. Hmota se shlukovala do plynných a prachových mračen, z nichž později vznikly galaktické kupy a galaxie hvězd. Některé tyto hvězdy později explodovaly jako supernovy a do vesmíru uvolnily těžší chemické prvky, které v nich vznikly jadernými reakcemi z vodíku a hélia. Kolem některých hvězd z prachových disků vznikly planety a na některých planetách později vznikl také primitivní život, který se zřejmě velmi vzácně vyvinul v život složitý.

Jaká úskalí má tento model velkého třesku?

Tato představa (tzv. model) velkého třesku s inflačním scénářem neřeší však některé závažné otázky: Proč se v počátečních stádiích vesmír rozpínal a to dokonce rychlostí vyšší, než je rychlost světla? Kde se vzala enormně velká síla, která způsobila exponenciální rozpínání vesmíru? Proč tato síla působila jen po určitou dobu a pak zmizela?

A co „ekpyrotická kosmologie“?

Ekpyrotická představa se opírá o nedávné práce o gravitaci v milimetrovém měřítku, které vycházejí z M-teorie (tedy z teorie superstrun). Podle teorie gravitace v milimetrovém měřítku je každý 4rozměrný bod v našem vesmíru uzavřen v tenké vícerozměrné D-bránové stěně, na níž jsou upevněny silná, slabá a elektromagnetická interakce, zatímco gravitační interakce se z této stěny může rozpínat ve dvou a více dodatečných rozměrech. Gravitace je slabá, protože její siločáry se ztrácejí v těchto dodatečných rozměrech. Zbývající tři silové interakce jsou upevněny na D-bránové stěně a nemohou se takto zeslabit. (Termín brána je odvozen od termínu membrána, která představuje tenké membráně podobnou strukturu ve vícerozměrném prostoru.)


Podle ekpyrotické kosmologie vesmír vznikl srážkou dvou membrán. Jinými slovy náš vesmír byl chladný, pak se srazil s jinou membránou a touto srážkou vznikla energie, hmota a vesmírná struktura. V tomto scénáři vesmír nezačal svoji existenci z nekonečně horké singularity, jak to tvrdí teorie velkého třesku. Svoji existenci započal z konečné velikosti a teploty, které byly na počátku stálé a teprve po srážce se začaly zvětšovat.

Ekpyrotický scénář tedy nabízí zajímavou alternativu inflačního scénáře. Popisuje náš vesmír jako "viditelnou membránu", tedy hyperpovrch D-brány, v níž nyní existujeme. Scénář předpokládá existenci blízké "skryté membrány", jiného vesmíru na D-bráně, který je paralelní vůči našemu vesmíru. Na počátku, dokonce snad po velmi dlouhou dobu, byla viditelná membrána chladná, statická a prázdná. V určitém okamžiku se od skryté brány oddělila lehčí "rozměrná membrána", která se pohybovala napříč mezerou ve zmíněných dodatečných prostorech a srazila se s viditelnou membránou. Mezi membránami před a po srážce působily gravitační a jiné silové interakce, v jejichž důsledku se viditelná membrána před srážkou smršťovala a po srážce rozpínala. Toto smršťování, srážka a rozpínání vedlo ke vzniku rozpínajícího se vesmíru, jaký dnes pozorujeme.

Membrány, které se srazily, byly na počátku ploché (ve smyslu prostorové křivosti) a tato plochost se přenesla do našeho vesmíru po srážce membrán. Vlny v rozměrné membráně ustavily rovnováhu mezi homogenitou a velkoobjemovou strukturou, jíž dnes pozorujeme.

Ekpyrotický scénář řeší všechny problémy velkého třesku bez nutnosti zavádět inflační fázi. Proto nevyžaduje záhadné síly, které inflaci zastavily. Tento scénář je až do určitých velmi vysokých teplot identický s modelem velkého třesku. Proto odštěpení čtyř silových interakcí od původní superinterakce, syntéza lehkých prvků a vznik mikrovlnného radiového pozadí v obou modelech proběhlo shodně.

Která představa je „správná“?

Rozhodujícím kritériem úspěšnosti nějaké hypotézy je možnost experimentálního testování jejích předpovědí. V tomto případě je otázkou, zda lze nějakými testy od sebe odlišit inflační scénář od ekpyrotického scénáře. Hlavním rozdílem mezi oběma modely jsou vlastnosti produkovaných prvotních gravitačních vln. Inflační model předpovídá "rudé" spektrum gravitačních vln, jejichž intenzita klesá s klesající vlnovou délkou, zatímco ekpyrotický model předpovídá "fialové" spektrum gravitačních vln, jejichž intenzita s klesající vlnovou délkou naopak roste. Proto studium spektra gravitačních vln z období krátce po vzniku vesmíru by mohlo být rozhodujícím testem.

Bohužel tyto jevy jsou příliš slabé na to, aby je bylo možné zjistit gravitačním detektorem. Další možností je detekovat optickou polarizaci kosmického mikrovlnného pozadí, které bylo vyvoláno jevy gravitačních vln dlouhých vlnových délek. Objev této polarizace by podpořil inflační model a vyvrátil ekpyrotický model. Dosud však žádná taková polarizace nebyla pozorována.

Zpracoval: RNDr. Vojtěch Žák, Ph.D.

Zdroje:





Doporučit článek

Od:
Komu:
Antispam: