Jak se vesmír málem narodil dřív než Země

Šestá a závěrečná přednáška astronoma Jiřího Grygara pro Pátečníky míří k otázce, ke které se podle něj každé povídání o vesmíru nakonec dostane: kde se to všechno vůbec vzalo. A začíná provokativně. Samotný název velký třesk je totiž podle něj nesmysl.

Proč je název velký třesk vlastně nesmysl

České sousloví velký třesk je překladem anglického Big Bang a podle Jiřího Grygara nemá žádný fyzikální význam. Nic totiž netřesklo. Víme jen, že vesmír, jak ho dnes známe, vznikl v konečné minulosti, kterou věda odhaduje na 13,8 miliardy roků. O samotném čase nula přitom nevíme vůbec nic. Fyzika podle Grygara nezačíná v nule, ale v takzvaném Planckově čase 10 na minus 43. sekundy. Čas totiž neplyne spojitě, jen se nám to tak jeví. Ve skutečnosti poskakuje po nepatrných úsecích jako ručička mechanických hodin, jen nesrovnatelně kratších.

Grygar vychází z knihy fyzika Stevena Weinberga První tři minuty, která ranou historii vesmíru přirovnává k filmovému pásu: jednotlivá políčka si zastavíme a o každém si něco povíme. V tom úplně prvním, v Planckově čase, měl vesmír teplotu 10 na 32. kelvinů a hustotu 10 na 97. kilogramů na krychlový metr. Kdyby se nezačal rozpínat, žádná přednáška by se nekonala, protože bychom neexistovali.

Jak mohl být vesmír mladší než Země

První astronomický odhad stáří vesmíru vyšel na pouhých 1,5 miliardy roků. Jenže geologové tou dobou už věděli, že samotná zemská kůra je stará 2,5 miliardy let. „Není možné, aby Země vznikla dříve než vesmír. To je nesmysl," říká k tomu Grygar. Chyba vězela ve špatné škále kosmických vzdáleností, na velké dálky tehdy existovaly jen primitivní prostředky. Teorie velkého třesku proto dlouho živořila jako okrajová myšlenka a astronomové vypadali jako šílenci, kteří nevědí, co dělají.

Situaci vyjasnil až Hubbleův kosmický teleskop. Obíhá Zemi od roku 1990, první roky ho trápila porucha a naplno pracoval až od roku 1994. Díky pozorování nad atmosférou zpřesnil kalibraci vzdáleností a posunul stáří vesmíru na 12 až 16 miliard let. Určuje se z tempa rozpínání: z teorie relativity totiž plyne, že vesmír nemůže stát na místě, musí se buď rozpínat, nebo smršťovat. Jako první si to z Einsteinových rovnic uvědomil ruský meteorolog Alexandr Fridman.

Co se dělo v prvních třech minutách

Kolem Planckova času existovala podle Grygarova výkladu jediná supersíla, které se říká supersymetrie. Jako první se od ní oddělila gravitace, nejstarší síla vesmíru. Pak přišla kosmologická inflace: v nepatrném zlomku první sekundy se vzdálenosti ve vesmíru zvětšily 10 na 30. krát. Objevily se kvarky, leptony a fotony. A v prvních třech minutách, po kterých Weinberg pojmenoval svou knihu, vznikla atomová jádra vodíku a helia v hmotnostním poměru 3 : 1. Lithia, berylia a boru vzniklo o deset řádů méně. Grygar k tomu suše dodává, ať si nikdo nemyslí, že lithiové baterie budou laciné.

Dalších 380 tisíc let trvalo, než teplota klesla natolik, aby se elektrony zachytily u jader a vznikly neutrální atomy. Vesmír se stal průhledným pro světlo a ponořil se do šerověku, anglicky Dark Age, který trval zhruba miliardu roků, než ho hvězdy zase rozsvítily. Neutrální atom je přitom skoro prázdný: kdyby jádro bylo velké jako špendlíková hlavička, elektronový obal by byl stotisíckrát větší. „Každý z nás, protože jsme složeni z atomů, jsme děravá řešeta," říká Grygar.

Miliarda a jedna cvička aneb proč vůbec existujeme

Za svou existenci vděčíme nepatrné výrobní vadě vesmíru. Částice od počátku existují ve dvojím provedení, jako hmota a antihmota, a člověk by čekal, že jich bude přesně stejně. Jemné pokusy ale ukázaly něco jiného: na každou miliardu antičástic připadala miliarda a jedna částice hmoty. Grygar to přirovnává k Baťově výrobě cviček. Boty se dělají v párech a málokterá továrna by dokázala vyrobit miliardu cviček a k tomu miliardu plus jednu necviček. Ve vesmíru je ta nesouměrnost právě takhle malá. A přece z toho přebytku existuje všechno, co známe, včetně nás.

Když se totiž hmota s antihmotou potká, anihilují a změní se na záření gama. Jak nebezpečné takové setkání je, ukazuje Grygar na příkladu s E rovná se mc na druhou: kdyby si mládenec z naší galaxie podal ruku s dívkou z antigalaxie, vybuchli by jako atomová puma.

Čtyři síly, které ovládají svět

Ve vesmíru panují čtyři síly, které se v počátečním žáru postupně oddělovaly. „Správně se má říkat interakce, ale ta síla je přitažlivější," podotýká Grygar. Gravitace je univerzální, vždy přitažlivá a extrémně slabá: proti silné jaderné síle je slabší asi o 36 řádů. Zato má neomezený dosah, sahá celým vesmírem. Elektromagnetická síla se týká jen elektrických nábojů a umí přitahovat i odpuzovat. Silná jaderná síla drží pohromadě atomová jádra a je zhruba stokrát silnější než elektrické odpuzování protonů, působí ale jen uvnitř jádra. Čtvrtá, slabá jaderná síla, má na svědomí radioaktivní rozpad.

Právě poměr silné jaderné síly a elektrického odpuzování vysvětluje, proč Mendělejevova tabulka končí uranem. Kolem stovky protonů už odpudivá elektřina jadernou sílu vyrovná a těžší jádra se rozletí. Uměle vyrobené prvky až po číslo 118 vznikají po dvou třech atomech a rozpadají se ve zlomcích sekundy.

Jak Gamow utekl Stalinovi a chtěl upéct celou Mendělejevovu tabulku

Grygar s oblibou cituje amerického fyzika Roberta Dickeho: „Jak je všeobecně známo, k tomu, aby byli fyzikové, je zapotřebí uhlík." Jenže v raném vesmíru žádný uhlík nebyl. Prvním, koho napadlo, že se v jeho žáru dalo něco upéct, byl George Gamow, rodák z Ukrajiny. Za stalinských čistek se s manželkou třikrát pokusil utéct ze Sovětského svazu: vzali bárku a veslovali přes Černé moře k neutrálním vodám. Dvakrát je chytili a Gamow to pokaždé omluvil tím, že si jen užívali rekreaci. Napotřetí se dostali na Západ a Gamow, už tehdy slavný objevitel tunelového jevu, pak celý život působil na amerických univerzitách.

Se studentem Ralphem Alpherem spočítali podmínky vzniku prvků v raném vesmíru a narazili. Vyšly jim tři čtvrtiny vodíku, čtvrtina helia, stopy lithia, berylia a boru. A pak šlus, žádný uhlík. Teorie s posměšným názvem velký třesk proto podle Grygara dlouho spala a kdekdo si z ní dělal legraci.

Rezonance, která nás zachránila

Uhlík nakonec zachránil britský astrofyzik Fred Hoyle úvahou, která zní skoro drze: já jsem z uhlíku a všichni lidé jsou z uhlíku, takže nějak vzniknout musel. Uhlík se rodí v nitru hvězd sloučením tří jader helia, procesu se říká tři alfa. Podle původních výpočtů se ale měl hned rozpadat zpátky na helium. Hoylea napadlo, že pomohla rezonance, kterou přibližuje na starším autě: přidáváte plyn a najednou se rozdrnčí celá karoserie. Požádal proto profesora Fowlera, který experimentoval na urychlovačích, aby rezonanci změřil. A ona tam skutečně byla, hodnoty 7,8 proti 8,1. Proč existuje, se neví. Díky ní ale uhlík ve vesmíru drží pohromadě, a s ním i my.

„Je to neuvěřitelné, co se muselo v přírodě stát, abychom byli na zeměkouli a hádali se tady." (Jiří Grygar)

Vařit ovšem musel někdo mít kde. První hvězdy vznikly 200 milionů let po velkém třesku jen z vodíku a helia a musely být podle Grygara obézní, nejméně tisíc hmotností Slunce, jinak by vůbec nezačaly zářit. Za trest žily velice krátce, asi tři miliony let, pak se zhroutily do černé díry nebo rozptýlily do prostoru jako prach obohacený těžšími prvky. Z něj vznikaly hvězdy druhé generace. „Astronomové jsou velice zvláštní lidé, že všemu, co není vodík a helium, říkají kovy. Takže uhlík je kov, železo je kov, uran je kov, zlato je kov," směje se Grygar. Zbytek tabulky doplnili manželé Burbidgeovi, žáci Freda Hoyla: prvky těžší než železo, kobalt a nikl vznikají při výbuších supernov. Jejich dizertace z roku 1957 je podle Grygara nejdůležitější dizertační prací v dějinách moderní astrofyziky.

Nobelova cena za devět minut pozorování

Rozhodující důkaz celé teorie přineslo reliktní záření. Před vznikem hvězd byl vesmír vyplněn horkým zářením, které s rozpínáním chladlo a oddělilo se od látky. Jeho pozůstatek prostupuje vesmír dodnes a za jeho objev dostal v roce 1978 Nobelovu cenu americký astrofyzik Penzias. V roce 2003 pak družice pojmenovaná po fyziku Wilkinsonovi změřila, že záření není dokonale hladké. Jsou v něm drobné fluktuace na úrovni 10 na minus 5. a právě díky nim se stáří vesmíru ustálilo na 13,8 miliardy roků.

Grygar k tomu vypráví historku, která pobaví každého, kdo někdy žádal o grant: samotné potvrzující měření z družice trvalo devět minut. Autoři pak podle něj dostali Nobelovu cenu za fyziku za devět minut pozorování, což označuje za světový rekord. Příběh se tím uzavřel. Gamow i jeho žáci byli rehabilitováni a velký třesk dnes docela dobře vysvětluje fyziku vesmíru. S chemií je to podle Grygara pořád trochu složitější.

Kde tedy všichni jsou?

V závěrečné debatě padla otázka, do čeho se vesmír vlastně rozpíná. Do ničeho, odpovídá Grygar. Vesmír nemá žádnou hranici, není to míč nafukující se do okolí, rozpíná se sám po sobě. Pomáhá si představou nekonečné pružné niti s navěšenými kancelářskými sponkami: dva pomocníci ji na povel natahují každý na svou stranu a sponky se od sebe vzdalují, přestože nit žádný konec nemá.

Došlo i na mimozemšťany. Grygar připomněl Fermiho paradox z roku 1950: hvězd podobných Slunci je obrovské množství, starší civilizace by tedy měly dávno křižovat vesmír a přít se o Zemi, jenže všude je ticho. Fermi z toho u oběda v Los Alamos vyvodil, že jsme ve vesmíru sami. Ať je to jakkoli, na věčnost máme čas. Červení trpaslíci vydrží svítit sto miliard let, takže se k nim podle Grygara za nějakých deset miliard let můžeme přestěhovat. A naše místo v příběhu vesmíru shrnuje jednou větou: „Homo sapiens je tady asi 300 tisíc let. Takže my jsme tady opravdu velká mláďata. Proto tak vyvádíme."