Brian Greene: Je náš vesmír jediným vesmírem?

Před několika měsíci byla Nobelova cena za fyziku udělena dvěma týmům astronomů za objev, který byl oslavován jako jeden z nejdůležitějších astronomických pozorování vůbec. A dnes, po krátkém popisu toho, co objevili, vám povím o velice kontroverzním schématu vysvětlujícím jejich objev, jmenovitě tu možnost, že daleko mimo Zemi, Mléčnou dráhu a jiné vzdálené galaxie, náš vesmír nemusí být tím jediným vesmírem, ale je naopak částí rozsáhlého komplexu vesmírů, který nazýváme multivesmír.

Myšlenka multivesmíru je zvláštní. Chci říct, většina z nás byla vychována v duchu toho, že slovo "vesmír" znamená všechno. A prozíravě říkám většina z nás, protože má čtyřletá dcera mě poslouchá mluvit o těchto myšlenkách od chvíle, kdy se narodila. A loni, drže ji v nářuči, jsem jí řekl: "Sofie, ve vesmíru neexistuje nic, co bych miloval víc než tebe." A ona se na mě podívala a řekla: "Tati, ve vesmíru nebo multivesmíru?" (Smích)

Ovšem pominu-li takto neobvyklou výchovu, je zvláštní představit si jiné reality oddělené od té naší, většinou s fundamentálně odlišnými vlastnostmi, které by po právu mohly být nazývány samostatnými vesmíry . A přece, ač je tato myšlenka jistě spekulativní, dal jsem si za cíl přesvědčit vás, že je zde důvod, abychom ji brali vážně, protože prostě může být správná. Povím vám příběh multivesmíru ve třech částech. V první části vám popíši výsledky oceněné Nobelovou cenou a zdůrazním hlubokou záhadu, kterou tyto výsledky odkryly. V druhé části vám nabídnu řešení této záhady. Toto řešení je založeno na přístupu zvaném teorie strun, a to je ta část, kde myšlenka multivesmíru bude hrát hlavní roli. Nakonec ve třetí části vás seznámím s kosmologickou teorií nazývanou inflace, která propojí všechny části příběhu dohromady.

Dobře, část první začíná v roce 1929, kdy si významný astronom Edwin Hubble uvědomil, že vzdálené galaxie se od nás vzdalují a prokázal, že vesmír samotný se natahuje, že se rozpíná. Tedy, to bylo revoluční. Převládající názor byl totiž ten, že ve velkém měřítku je vesmír statický. Ale i přesto zde byla jedna věc, kterou si byli všichni jistí: Rozpínání se musí zpomalovat. Stejně, jako gravitační přitažlivost Země zpomaluje stoupání jablka hozeného vzhůru, tak gravitační působení každé galaxie na všechny ostatní musí zpomalovat expanzi vesmíru.

Nyní se přesuňme do 90. let 20. století, kdy se tyto dva týmy astronomů, které jsem zmiňoval v úvodu, nechaly inspirovat těmito argumenty a změřily míru, jíž expanze vesmíru zpomaluje. A to provedly důkladnými pozorováními mnoha vzdálených galaxií, která jim dovolila zmapovat, jak se míra rozpínání mění s časem. Zde přichází překvapení: Zjistili, že expanze se nezpomaluje. Namísto toho zjistili, že se zrychluje, probíhá rychleji a rychleji. Je to jako když vyhodíte jablko vzhůru a to stoupá stále rychleji a rychleji. Kdybyste viděli takto se chovat jablko, rádi byste věděli, čím to je. Co jej postrkává?

Tak jako tak jsou výsledky astronomů jistě hodny Nobelovy ceny, ale oni si položili podobnou otázku. Jaká síla pohání všechny galaxie odhánějíc je pryč od ostatních navždy se zvyšující rychlostí? Neslibnější odpověď přichází ze staré Einsteinovy myšlenky. Jak víte, všichni jsme zvyklí na to, že gravitace je silou, která způsobuje jedinou věc, přitahuje tělesa k sobě. Ale v Einsteinově teorii gravitace -- v jeho Obecné teorii relativity -- gravitace může také odpuzovat věci od sebe.

Jak? Podle Eisteinovy matematiky, pokud je prostor jednotně naplněn neviditelnou energií, něčím jako jednotnou neviditelnou mlhou, pak gravitace generovaná touto mlhou bude odpuzující, odpuzující gravitací, což je přesně to, co potřebujeme k vysvětlení oněch pozorování. Protože odpudivá gravitace neviditelné energie v kosmu -- kterou nyní nazýváme temná energie, ale zde jsem ji udělal kouřově bílou, abyste ji viděli -- její odpudivá gravitace by způsobila, že by každá galaxie tlačila na všechny ostatní, nutíc expanzi zrychlovat, nikoli zpomalovat. A toto vysvětlení představuje obrovský pokrok.

Ale slíbil jsem vám záhadu zde v první části. Tady je. Když astronomové zjistili, kolik této temné energie musí naplňovat vesmír, aby způsobila zrychlování kosmu, podívejte se, co objevili. Toto číslo je malé. Vyjádřeno v relevantních jednotkách, je úžasně malinké. A záhadou je, jak vysvětlit toto podivné číslo. Chceme, aby toto číslo vyplynulo z fyzikálních zákonů, ale dosud nikdo nenašel způsob, jak toho dosáhnout.

Nyní se můžete ptát, jestli by vás to mělo vůbec zajímat. Možná, že zdůvodnění tohoto čísla je pouze technickou záležitostí, technickou drobností zajímavou pro experty, ale nedůležité pro kohokoli jiného. Ono se jistě jedná o technický detail, ale na některých detailech skutečně záleží. Některé detaily poskytují možnost nahlédnout do neprozkoumaných koutů reality, a tohle zvláštní číslo může být přesně tím případem, protože jediný přístup, který dosud udělal pokrok k jeho vysvětlení, vyvolává možnost existence jiných vesmírů -- myšlenka, která přirozeně vyplývá z teorie strun, která mě přivádí k části druhé: k teorii strun.

Takže podržme myšlenku temné energie na pozadí naší mysli a já vám zatím povím tři klíčové věci ohledně teorie strun. Zaprvé, o co se jedná? Jedná se o přístup, jak zrealizovat Einsteinův sen sjednocující fyzikální teorie, jediné všezahrnující schéma, které by bylo schopno popsat všechny přítomné síly ve vesmíru. A ústřední myšlenka teorie strun je docela přímočará. Říká, že pokud prozkoumáte jakýkoliv kousek hmoty, pak nejprve najdete molekuly a následně najdete atomy a subatomární částice. Tato teorie ale říká, že pokud byste mohli zkoumat hlouběji, mnohem hlouběji, než nám současné technologie umožňují, nalezli byste uvnitř těchto částic ještě něco dalšího -- droboulinká vlákna energie, droboulinké vibrující struny. A stejně jako struny na houslích, i ony mohou vibrovat v různých konfiguracích, představujíce různé hudební noty. Když tyto malé fundamentální struny vibrují v různých konfiguracích, představují různé druhy částic -- takže elektrony, kvarky, neutrina, fotony a všechny ostatní částice mohou být sjednoceny do jediného schématu, jakoby všechny pocházely z vibrujících strun. Je to působivý koncept, něco jako kosmická symfonie, kde všechno bohatství, které vidíme ve světě kolem nás, sestává z hudby, kterou tyto drobounké struny dovedou hrát.

Ale je zde daň za toto elegantní sjednocení, protože léta výzkumu ukázala, že matematika teorie strun tak docela nefunguje. Má své vnitřní nesrovnalosti, dokud nepřipustíme něco zcela neobvyklého -- dodatečné dimenze prostoru. Všichni známe obvyklé tři prostorové dimenze. A za ty považujeme výšku, šířku a hloubku. Teorie strun ale říká, že v neuvěřitelně malých měřítcích můžeme nalézt další dimenze namačkané do rozměrů tak malých, že jsme je ještě nedokázali detekovat. Ale i přesto, že jsou tyto dimenze skryty, měly by dopad na věci, které již můžeme pozorovat, protože tvar dalších dimenzí určuje, jak mohou tyto struny vibrovat. A v teorii strun vibrace určuje vše. Takže hmotnosti částic, velikosti sil -- a co je nejdůležitější -- množství temné energie by byly určeny tvarem těchto dalších dimenzí. Takže kdybychom znali tvar těchto dalších dimenzí, měli bychom být schopni spočítat tyto vlastnosti, spočítat množství temné energie.

Problémem je, že neznáme tvar těchto dalších dimenzí. Jediné, co máme, je seznam možných tvarů, které nám matematika dovoluje. Když byly tyto myšlenky poprvé rozvinuty, existovalo pouze asi pět možných tvarů, takže si dovedete představit, že analyzováním jednoho po druhém bychom mohli určit, zdali nějaký z nich nenese fyzikální vlastnosti, které pozorujeme. Ale časem, jak vědci objevovali nové možnosti, tento seznam rostl. Z pěti se toto číslo zvýšilo na stovky a poté na tisíce. Obrovská, ale stále zvládnutelná sbírka k analýze; přece jen, vysokoškolští studenti potřebují mít co dělat. Poté se ale seznam rozrůstal dále do miliónů a miliard, až dodnes. Seznam možných tvarů se rozrostl zhruba na 10 na pětistou (10^500).

Takže, co teď? Někteří vědci ztratili vůli usuzujíce, že s tolika možnými tvary dalších dimenzí, kdy každý udává různé fyzikální vlastnosti, teorie strun nebude nikdy schopna přinést jasné, testovatelné předpovědi. Jiní ale převrátili tento problém vzhůru nohama přinášejíce možnost multivesmíru. Tato myšlenka je následující. Možná je každý z těchto tvarů rovnocenný všem ostatním. Každý je stejně skutečný jako všechny ostatní v tom smyslu, že existuje mnoho vesmírů, každý s jiným tvarem pro další dimenze. A tento radikální návrh má podstatný dopad na tuto záhadu: množství temné energie odhalené výsledky oceněnými Nobelovou cenou.

Protože, podívejte, pokud zde existují jiné vesmíry, a pokud tyto vesmíry mají každý, řekněme, různé tvary dalších dimenzí, pak fyzikální vlastnosti každého vesmíru budou odlišné, a zvláště pak množství temné energie v každém vesmíru bude odlišné. Což znamená, že tato záhada vysvětlení množství temné energie, které jsme právě změřili, by měla zcela jiný charakter. V tomto kontextu nemohou zákony fyziky vysvětlit jedno číslo pro temnou energii, protože zde není pouze jedno číslo, nýbrž existuje spousta takových čísel. Což znamená, že jsme si pokládali špatnou otázku. Správně je ptát se, proč se my lidé nacházíme ve vesmíru s tímto konkrétním množstvím temné energie, které jsme změřili, namísto kterékoliv jiné verze, která je možná?

A to je otázka, díky níž můžeme pokročit kupředu. Protože kdykoliv se v těch vesmírech, které mají mnohem více temné energie než náš vesmír, snaží hmota zformovat do galaxie, odpudivý vliv temné energie je tak silný, že shluky od sebe odtrhne a galaxie se nezformují. A v těch vesmírech, které mají mnohem méně temné energie, ty se zhroutí samy do sebe tak rychle, že -- opět -- nedojde ke zformování galaxií. A bez galaxií nejsou žádné hvězdy, žádné planety a žádná šance na vyvinutí naší formy života schopné existence v těchto dalších vesmírech.

A proto se ocitáme ve vesmíru s tímto konkrétním množstvím temné energie, které jsme změřili jednoduše kvůli tomu, že náš vesmír má podmínky příznivé pro naši formu života. Tak, to by bylo. Záhada vyřešena, multivesmír objeven. Někteří shledávají toto vysvětlení neuspokojivým. Jsme zvyklí na fyziku, která nám poskytuje jasná vysvětlení jevů, které pozorujeme. Jde ale o to, že pokud jev, který pozorujete, může nabývat a skutečné také nabývá velkého množství různých hodnot napříč širším rozsahem skutečnosti, pak uvažování o jediném vysvětlení pro konkrétní hodnotu je jednoduše zavádějící.

Dávný příklad pochází od významného astronoma Jana Keplera, který byl posedlý touhou po pochopení jiného čísla -- proč je Slunce vzdáleno od Země 150 milionů kilometrů? A celá desetiletí pracoval na tom, aby toto číslo vysvětlil, ale nikdy neuspěl, a my víme proč. Kepler si pokládal špatnou otázku.

Nyní víme, že existuje mnoho planet, které se liší vzdáleností od jejich domovských hvězd. Takže víra v to, že zákony fyziky vysvětlí jedno konkrétní číslo -- 150 milionů kilometrů -- je jednoduše mylná. Namísto toho správnou otázkou je, proč se lidé nachází právě na planetě, jejíž vzdálenost je přesně takováto, namísto kterékoliv jiné možnosti? A znovu, to je otázka, kterou můžeme zodpovědět. Ty planety, které jsou mnohem blíže ke hvězdám, jako je Slunce, jsou tak horké, že by na nich naše forma života nemohla existovat. A ty planety, které jsou mnohem dále, jsou tak chladné, že by na nich -- opět -- naše forma života nemohla vydržet. Takže se nacházíme na planetě v této konkrétní vzdálenosti jednoduše proto, že poskytuje podmínky nezbytné pro náš život. A když se bavíme o planetách a jejich vzdálenostech, toto je jasně ten správný způsob uvažovaní. Jde o to, že pokud se budeme bavit o vesmírech a temné energii, kterou pojmou, může to být také ten správný způsob uvažování.

Jediným klíčovým rozdílem je ale samozřejmě to, že víme, že další planety skutečně existují, ale dosud jsme pouze spekulovali o tom, že mohou existovat i další vesmíry. Takže abychom to všechno shrnuli, potřebujeme mechanismus, který by mohl de facto generovat další vesmíry. A to mě přivádí k mé závěrečné části, části třetí. Protože takový mechanismus byl objeven kosmology snažícími se porozumět Velkému třesku. Víte, když mluvíme o Velkém třesku, často máme na mysli nějaký druh kosmické exploze, která vytvořila náš vesmír a zapříčinila rozpínání prostoru.

Je zde ale jedno malé tajemství. Velký třesk opomíjí něco velice důležitého -- samotný Třesk. Říká nám, jak se vesmír vyvíjel po Třesku, ale nedává nám žádný pohled na to, co mohlo pohánět Třesk samotný. A tato mezera byla konečně vyplněna rozšířeným výkladem teorie Velkého třesku. Nazývá se inflační kosmologie, a ta identifikovala konkrétní druh paliva, které by přirozeně generovalo rozpínavost prostoru. Toto palivo je založeno na čemsi zvaném kvantové pole, ovšem jediným detailem, který je pro nás právě teď důležitý, je to, že toto palivo se ukázalo být tak efektivním, že je prakticky nemožné jej spotřebovat všechno, což znamená, že podle inflační teorie, Velký třesk dávající za vznik našemu vesmíru pravděpodobně není jednorázovou událostí. Nejenže by toto palivo způsobilo náš Velký třesk, ale způsobilo by také nespočet dalších Velkých třesků, z nichž každý by vytvořil svůj vlastní oddělený vesmír zanechávaje náš vesmír pouhou bublinou v honosné kosmické bublinkové koupeli vesmírů.

A nyní, když jsme toto spojili s teorií strun, zde je obrázek, ke kterému jsme dovedeni. Každý z těchto vesmírů má další dimenze. Další dimenze zahrnují široké množství různých tvarů. Tyto různé tvary přináší různé fyzikální vlastnosti. A my se nacházíme v tomto vesmíru a v žádném jiném jednoduše proto, že pouze v tomto vesmíru jsou fyzikální vlastnosti, tak jako množství temné energie, těmi správnými pro naši formu života. A toto je působivý, ale vysoce kontroverzní koncept širšího kosmu, který nám nejmodernější pozorování a teorie přinesly k důkladnému zvážení.

Jedna velká otázka ovšem zůstává: Budeme někdy schopni potvrdit existenci dalších vesmírů? Inu, dovolte mi popsat jednu z možností, která může jednoho dne nastat. Inflační teorie má již v současnosti silnou podporu pozorování. Protože tato teorie předpovídá, že by Velký třesk byl tak intenzivní, že by se s tak rapidním rozpínáním vesmíru malinké kvantové vibrace z mikrosvěta natáhly, a projevily se tak v makrosvětě zanechávajíce charakteristické stopy, strukturu lehce teplejšch a lehce chladnějších míst napříč vesmírem, kterou dnešní mocné teleskopy zmapovaly. Zajdeme-li ještě dále, pokud existují další vesmíry, tato teorie předpovídá, že se tyto vesmíry mohou občas srazit. A kdyby se náš vesmír srazil s jiným, pak by tato srážka vygenerovala dodatečnou jemnou strukturu teplotních variací napříč vesmírem, kterou bychom jednoho dne byli schopni detekovat. A tak tato vzrušující představa může být jednoho dne doložena pozorováními dokazujícími existenci dalších vesmírů.

Rád bych toto završil jedním působivým důsledkem všech těchto představ na dalekou budoucnost. Jak již víte, zjistili jsme, že náš vesmír není statický, že prostor se rozpíná, že toto rozpínání se zrychluje a že mohou existovat jiné vesmíry, a to vše díky pečlivému zkoumání mdlých teček hvězdného světla přicházejícího z dalekých galaxií. Avšak díky tomu, že se rozpínání zrychluje, v daleké budoucnosti budou tyto galaxie od sebe vzdáleny natolik, že je již nebudeme moci vidět -- ne kvůli technickému omezení, ale kvůli zákonům fyziky. Světlo, které tyto galaxie vyzařují, i přesto, že se šíří tou největší možnou rychlostí -- rychlostí světla, nebude schopno překonat navždy se rozšiřující propast mezi námi. A proto astronomové v daleké budoucnosti hledíce do hlubokého vesmíru, neuvidí nic, jen nekonečný pás statické, inkoustové, černé stálosti. A usoudí tak, že vesmír je statický a neměnný a obydlený jedinou centrální oázou hmoty, na které žijí -- představa kosmu, o které s určitostí víme, že je nesprávná.

Možná budou tito budoucí astronomové mít záznamy z dřívější doby, jako je ta naše, dokládající rozpínající se vesmír hemžící se galaxiemi. Ale budou tito budoucí astronomové věřit tak starobylým znalostem? Nebo budou věřit v černý, staticky prázdný vesmír, který bude odhalen jejich nejpokročilejšími pozorováními? Mám pocit, že spíše to druhé. Což znamená, že žijeme v úžasně privilegované době, kdy jsou jisté hluboké pravdy o kosmu stále na dosah lidského ducha zkoumání. Zdá se, že tomu tak ale nemusí být navždy. Protože dnešní astronomové míříce mocné teleskopy ke hvězdám zachytili hrst jasně informativních fotonů -- jakýsi druh kosmického telegramu, který byl na cestě miliardy let a zpráva, které se ozývá napříč věky, je jasná. Někdy příroda střeží svá tajemství v nezlomném sevření zákonů fyziky. Někdy na nás pravá podstata reality čeká hned za obzorem.

Mockrát vám děkuji.

(Potlesk)

Chris Anderson: Briane, díky. Rozsah myšlenek, o kterých jste mluvil, je závratný, fascinující, neuvěřitelný. Co si myslíte o tom, kde se současná kosmologie nachází z historického úhlu pohledu? Nacházíme se, podle vašeho názoru, uprostřed něčeho historicky neobyčejného?

Brian Greene: Těžko říci. Když zvážíme to, že astronomové daleké budoucnosti možná nebudou mít dostatek informací k rozlousknutí těchto věcí, pak přirozenou otázkou je, zda-li se my sami nenacházíme v takové situaci a jisté hluboké, klíčové vlastnosti vesmíru již neunikly naší schopnosti porozumět kvůli tomu, jak se kosmologie vyvíjí. Takže z tohoto pohledu si možná navždy budeme klást otázky, na které nikdy nebudeme schopni plně odpovědět.

Na druhou stranu, nyní rozumíme tomu, jak starý je vesmír. Rozumíme tomu, jak pochopit informace z mikrovlnného reliktního záření, které se začalo šířit před 13,72 miliardami let -- a dokonce jsme schopni spočítat a předpovědět, jak by mělo vypadat a tyto výpočty se schodují. Svatá dobroto! To je prostě úžasné. Takže na jednu stranu je prostě neuvěřitelné, kam jsme se dostali, ale kdo ví, na jaké překážky můžeme v budoucnu narazit.

CA: V příštích několika dnech budete nablízku. Možná některé z těchto diskusí mohou pokračovat. Děkuji vám. Děkuji, Briane. (BG: Bylo mi ctí.)

(Potlesk)