Nobelova cena za fyziku pro rok 2006

Ozvěny počátku vesmíru

aneb

za co byla udělena Nobelova cena za fyziku v roce 2006

„The Nobel Prize in Physics for 2006 is awarded to John C. Mather and George F. Smoot for their discovery of the basic form of the cosmic microwave background radiation as well as its small variations in different directions. The very detailed observations that the Laureates have carried out from the COBE satellite have played a major role in the development of modern cosmology into a precise science.“

Zdůvodnění udělení Nobelovy ceny za fyziku za rok 2006

V pátečním vydání Neviditelného psa vyšla úvaha J. Kinkora „Vesmír nevznikl“, jehož hlavním obsahem je kritika udělení letošní Nobelovy ceny a hlavně interpretace reliktního záření jako pozůstatku a zdroje informací o počátku existence vesmíru. Přímo píše: „Pokud oba vědci výsledky svého bádaní skutečně takto interpretují, pak se oba zásadně mýlí a za zásadní omyly by se Nobelova cena udělovat neměla“.

Jak je vidět z úvodního citátu, dostali oba fyzikové Nobelovu cenu za experimentální výzkum tzv. reliktního mikrovlnného záření, který má fundamentální význam pro rozvoj moderní kosmologie. Tento jejich přínos je absolutně nezávislý na sémantických sporech okolo pojmu vesmír a určitě nejen podle mého názoru je udělení letošní Nobelovy ceny za fyziku plně na místě.

Na tom by se dalo skončit, ale dovolil bych si tvrdit, že i ve svém sémantickém rozboru se J. Kinkor mýlí. Hlavní jeho chybou je, že použil svoji vlastní definici pojmu vesmír a na jejím základě kritizuje širší zdůvodnění udělení Nobelovy ceny, kde se hovoří i o vzniku vesmíru. Pokud ovšem chci smysluplně komunikovat o nějakých problémech, je třeba používat pojmy v daném oboru takovým způsobem, jak jsou zavedeny a používány všemi ostatními. Podívejme se jak je pojem vesmír definován ve fyzice (astronomii a kosmologii). Například „Výkladový slovník fyziky pro základní vysokoškolský kurs“ z roku 1999 říká: „vesmír je soustava všech kosmických těles a polí, kterou je astronomie schopna obsáhnout svým výzkumem“. Ve Wikipedii je definice tohoto pojmu tato: „vesmír je označení pro veškerý (časo-)prostor a hmotu a energii v něm“. První uvedená definice zdůrazňuje aspekt, že věda může popisovat nebo se vyjadřovat jen k těm objektům a jevům, jejichž existence se projevuje pozorovatelnými důsledky. Jen takové může věda zkoumat. Druhá definice používá pojmy prostoročas, hmota a energie. Dnes již víme, díky znalosti obecné teorie relativity a hlubšímu poznání struktury hmoty a interakcí, že hmota a energie je velice úzce s prostoročasem spojena a právě kosmologické poznání ukazuje, že mohla existovat situace, kdy prostoročas neexistoval. Tedy lze hovořit o vzniku prostoročasu a tedy i vesmíru.

Pochopitelně, jak se věda vyvíjí, mohou dostávat některé pojmy trochu jiný význam. Ani u pojmu vesmír tomu není a i v budoucnu nemusí být jinak. Jsou předkládány hypotézy o existenci dalších vesmírů (prostoročasů). Tyto vesmíry mohou být nezávislé, nebo se dokonce mohou ovlivňovat (viz některé bránové nebo ekpyrotické kosmologické hypotézy). Pokud se některá z těchto hypotéz v budoucnu experimentálním pozorováním potvrdí, může se náplň pojmu vesmír dále měnit, nebo budeme mít řadu vesmírů či dokonce nějaký multivesmír.

Složitý vývoj prodělal například i pojem atom. Také se po objevu jeho struktury a toho, že není nedělitelný, název pro tento objekt neměnil. Některé pojmy v sobě prostě nesou kus historie vývoje vědy. Vývoj našeho poznání nás například nedávno přinutil k upřesnění pojmu planeta a vyřazení Pluta z této kategorie objektů.

Na vysvětlení chyby J. Kinkora by stačilo pár vět a prostě říci: „Ano, pane Kinkore, fyzika má jinou definici pojmu vesmír než jakou uvádíte Vy. Dosaďte si místo pojmu vesmír pojem „náš“ vesmír s definicí, kterou jsem výše uvedl, a i Vy budete spokojen.“ Nebylo by k tomu třeba zvláštního příspěvku. Podle mého názoru však byla Nobelova cena za fyziku v letošním roce předána do velice správných rukou a byl oceněn opravdu významný počin. Bylo by škoda, kdyby na Neviditelném psovi byla tato událost zmíněná právě jen formou článku J. Kinkora. Proto bych chtěl v krátkosti shrnout, za co vlastně John C. Mather a George F. Smoot Nobelovu cenu dostali.

Jedním z nejdůležitějších experimentálních potvrzení, že byl vesmír v minulosti ve velmi horkém a hustém stavu je existence reliktního mikrovlnného pozadí, které vzniklo při oddělení látky od záření přibližně 380 tisíc let po začátku rozpínání vesmíru. Toto záření vzniklo v okamžiku, kdy teplota látky ve vesmíru klesla na takovou hodnotu, že původně volné elektrony byly zachyceny a vázány v atomech vodíku a hélia. Látka se stala průhlednou pro elektromagnetické záření. Energie fotonů tohoto záření se tak od té doby měnila (klesala) pouze vlivem rozpínání vesmíru nezávisle na chování látky. Teplota látky ve vesmíru byla v době této události okolo 3 000 stupňů. Záření má různorodou vlnovou délku. Pokud je záření, jako je tomu v našem případě, tepelného původu, je rozdělení v závislosti na vlnové délce (energii) přesně dáno a charakterizováno právě pouze teplotou látky, která jej vyzářila. Takový typ záření se označuje jako záření absolutně černého tělesa s příslušnou teplotou. Od té doby se vlivem rozpínání vesmíru vlnová délka fotonů prodloužila, jejich energie, jak jsem se už zmínil, klesla. Reliktní záření sice pořád mělo vlastnosti záření absolutně černého tělesa, ale klesla teplota charakterizující toto záření (v současné době je tato teplota pouhých 2,725 stupňů nad absolutní nulou, tedy – 270,425 stupňů C). Jeho vlnová délka je tak v oblasti rádiových vln s maximem v milimetrové oblasti vlnových délek. Existenci takového pozadí předpověděl G. Gamow již ve čtyřicátých letech a experimentálně ho v roce 1967 objevili A.A. Penzias a R. Wilson.

Rozdělení (spektrum) mikrovlnného reliktního záření (zdroje NASA – sonda COBE)

Zemská atmosféra pohlcuje velkou část vlnových délek mikrovlnného reliktního záření, takže pro ověření jeho tepelné povahy záření absolutně černého tělesa a přesné určení charakteristické teploty je ideálním nástrojem kosmická sonda. Ta navíc umožňuje určovat vlastnosti záření přicházejícího z různých směrů a zjišťovat, zda se charakteristická teplota se změnou směru příchodu záření nemění. A právě takový úkol plnila sonda COBE, kterou připravila a vypustila koncem roku 1989 na dráhu okolo Země americká kosmická organizace NASA. Vůdčími postavami tohoto projektu byli právě držitelé letošní Nobelovy ceny. Měření sondy COBE prokázalo rozdělení (spektrum) reliktního mikrovlnného záření v závislosti na vlnové délce, které s fantastickou přesností odpovídalo spektru záření absolutně černého tělesa. Tím byl znovu potvrzen předpokládaný původ tohoto záření a velmi horká minulost vesmíru. Ukázalo se také, že charakteristická teplota je téměř stejná, ať se sonda dívala kterýmkoliv směrem. Ale právě jen téměř stejná. Vysoká přesnost měření přístrojů sondy umožnila zjistit velice malé fluktuace (v řádu sta tisícin stupně) v charakteristické teplotě.

Sonda COBE (zdroj NASA)

A přesné určení velikostí a průběhu těchto fluktuací umožňuje zjistit velké množství údajů o stavu vesmíru zhruba 380 000 let po začátku velkého třesku. Pomohlo určit velikost i rozměr rozdílů hustoty hmoty a určit tak oblasti, kde vznikaly zárodky galaxií, galaktických kup a celé dnešní struktury vesmíru. Tyto zárodky, vytvářené malými rozdíly hustoty látky ve vesmíru, byly nutné, aby gravitace v průběhu dalšího vývoje už automaticky umožnila zrod galaxií a hvězd. Tím vlastně i existenci planet, Země i samotného lidstva. Velmi přesné měření spektra reliktního záření v různých směrech a jeho fluktuací umožňuje získat informaci i o složení hmoty ve vesmíru a je jedním z důležitých důkazů existence temné hmoty, o které jsem nedávno na Neviditelném psovi psal. O ještě záhadnější formě hmoty - temné energii, která by se také ve vesmíru měla vyskytovat, je tam zmínka také. Další získané informace se týkají doby vzniku první generace hvězd. Ty totiž po dlouhém období temna vesmír prosvítily v době okolo dvě stě miliónů let po počátku rozpínání. Ohřály a znovu ionizovaly část chladného plynu a velice jemně tak ovlivnily i tvar spektra reliktního záření.

Fluktuace charakteristické teploty reliktního záření změřené dokonalejší sondou WMAP (zdroj NASA)

Na úspěchy sondy COBE navázala dokonalejší sonda WMAP, která umožnila, kromě obrovského zpřesnění studia fluktuací, měřit i polarizaci reliktního záření, tedy jestli toto elektromagnetické vlnění kmitá způsobem náhodným (v tom případě je nepolarizované) nebo definovaným (částečně nebo úplně polarizované). To umožňuje získat další údaje o minulosti vesmíru. A to nejen o tom období 380 000 let po začátku rozpínání, ale i dřívějších. Stav vesmíru v té době je totiž dán předchozím vývojem. Takže je měření vlastností reliktního záření například důležitou podporou předpokladu, že vesmír prodělal na svém počátku období extrémně rychlého rozpínání. V tomto tzv. inflačním období rychlá expanze zvětšila rozměr vesmíru 10^30 krát během řádově 10^-32s. Připomínám, že jde o rozpínání prostoru. Samotné objekty se sice od sebe vzdalují rychlostí větší než je rychlost světla, ale takovými rychlostmi se nepohybují, takže to neodporuje speciální teorii relativity. Je to analogické tomu, když budeme mít dva pomalu lezoucí brouky na nafukujícím se míči. Bude-li se míč nafukovat velmi rychle, budou se brouci od sebe sice vzdalovat velice rychle ale přesto polezou pořád stejně pomalu. Tato rychlá inflace mohla způsobit, že za rozdíly v hustotě hmoty ve vesmíru by mohly stát kvantové fluktuace. Takové kvantové fluktuace probíhají ve vakuu ve formě neustálého velmi rychlého zrodu a zanikání párů částice a antičástice. Takový neobvyklý jev umožňují zákonitosti kvantové fyziky. Pozorování fluktuací hustoty látky v době vzniku reliktního záření nám tak umožňuje studovat kvantové fluktuace vakua v době vzdálené od počátku rozpínání jen strašlivě malé zlomky sekundy.

Připravují se další sondy, které umožní ještě přesnější měření vlastností reliktního záření. Cesta, kterou začala sonda COBE, nám tak umožňuje co nejpřesněji poznat velmi horký a hustý počátek našeho vesmíru, jeho strukturu, složení, tvar a vývoj. Také zásluhou John C. Mathera a George F. Smoota se tak i kosmologie, zabývající se studiem vývoje a struktury vesmíru, stala vědou s velmi přesnými údaji a velký třesk se ze stádia hypotézy přeměnil v experimentálně velmi dobře potvrzenou teorii. Podrobnější povídání o kosmologických teoriích a hypotézách i o dalších experimentálních pozorováních, o které se opírají, si můžete přečíst v článku, který jsem napsal pro časopis Pokroky matematiky, fyziky a astronomie.

Pohled sondy WMAP na vývoj vesmíru. (zdroj NASA)

Můžeme se zeptat, jestli neexistuje způsob, jak se podívat do minulosti vesmíru ještě hlouběji, než nám to umožňuje reliktní mikrovlnné záření. Takové možnosti opravdu existují. Jednou z nich jsou reliktní neutrina, o kterých jsem se zmiňoval v článku o temné hmotě. Ta se od látky oddělila jednu sekundu po začátku rozpínání vesmíru a jejich spektrum odpovídá v současné době teplotě 1,9 stupňů nad absolutní nulou. Ovšem neutrina interagují pouze slabou interakcí a detekce neutrin s tak malou energií, jako mají ta reliktní, je velice těžká. Proto se reliktní neutrina zatím zachytit nepodařilo. Existuje však několik možností, jak by se to v budoucnu mohlo podařit. Ozvěnami z ještě hlubší minulosti vesmíru by pak byly reliktní gravitační vlny. Zatímco neutrina s vyšší energií než mají reliktní se nám daří detekovat běžně, na první zachycení gravitačních vln teprve čekáme. I když pomocí právě dokončených gravitačních detektorů by k takové události mělo dojít v poměrně blízké době. O tom, jak reálně zachytit reliktní gravitační vlny, však zatím nemám představu žádnou. Je vidět, že ve zkoumání počátku našeho vesmíru se otevírají obrovské možnosti a existují tu neodolatelné výzvy hlavně pro dnešní žáky a studenty. Budou to totiž oni, kdo na tyto výzvy odpoví a třeba někdy v budoucnu právě oni dostanou také Nobelovu cenu za objevy spojené s výzkumem počátků našeho vesmíru.

Vladimír Wagner

Ústav jaderné fyziky AVČR Řež

E_mail: wagner@ujf.cas.cz

WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/