Rubrika: Kosmologie a teoretická fyzika

Proč je vesmír téměř plochý

Jedna z nejhlubších otázek moderní kosmologie zní překvapivě jednoduše: jaký tvar má samotný prostor, ve kterém existuje celý vesmír. Měření ukazují, že vesmír je s mimořádnou přesností téměř geometricky plochý. Teoretické modely však naznačují, že po Velkém třesku tomu tak být nemuselo.

Co znamená zakřivení prostoru

Podle obecné teorie relativity Alberta Einsteina není gravitace klasickou silou. Je projevem zakřivení časoprostoru, které způsobuje hmota a energie. Planety, hvězdy i galaxie se pohybují po drahách daných geometrií tohoto zakřiveného prostoru.

V kosmologii se zakřivení popisuje pomocí parametru hustoty. Pokud je celková hustota energie vesmíru přesně rovna kritické hodnotě, má vesmír plochou geometrii. Vyšší hustota vede k uzavřenému vesmíru a nižší k otevřenému.

Pozorování překvapivě plochého vesmíru

Satelitní mise jako WMAP a zejména Planck měřily reliktní mikrovlnné záření s mimořádnou přesností. Výsledky ukazují, že zakřivení vesmíru se od ideální plochosti liší maximálně o jednotky promile.

To je zásadní problém. Bez speciálního mechanismu by se i nepatrná počáteční odchylka v průběhu miliard let dramaticky zvětšila. Skutečnost, že vesmír zůstává téměř plochý, naznačuje existenci velmi raného fyzikálního procesu, který tuto geometrii stabilizoval.

Oficiální data z mise Planck jsou dostupná na stránkách Evropské kosmické agentury .

Inflační řešení problému plochosti

Nejrozšířenějším vysvětlením je kosmická inflace. Podle této teorie prošel vesmír zlomkem sekundy po Velkém třesku extrémně rychlou exponenciální expanzí. Během této fáze se jakékoliv zakřivení prostoru prakticky vyhladilo.

Analogii lze nalézt na povrchu balónu. Při dostatečném nafouknutí se i původně zakřivený povrch lokálně jeví jako téměř dokonale plochý. Inflace tedy přirozeně vysvětluje, proč dnes pozorujeme vesmír s tak přesně nastavenou geometrií.

Podrobný přehled inflačních modelů nabízí například přehledová práce publikovaná na Physical Review .

Kvantová gravitace a selhání klasické geometrie

Zatímco obecná relativita popisuje prostor jako hladký a spojitý, kvantová mechanika naznačuje, že na nejmenších měřítkách musí mít strukturu plnou fluktuací. Tento hypotetický stav se často označuje jako kvantová pěna.

Pokusy spojit obě teorie narážejí na matematické nekonečna. Právě singularity v černých dírách a v počátku vesmíru signalizují, že naše současné teorie nejsou úplné.

Diskuse o těchto problémech lze nalézt například v pracích Rogera Penrose, dostupných přes Royal Society .

Proč je problém plochosti stále otevřený

Inflace elegantně vysvětluje pozorování, ale není zatím přímo experimentálně potvrzena. Existují i alternativní modely, které se snaží popsat vznik plochého vesmíru bez inflační fáze.

Každý z těchto přístupů má své slabiny a žádný zatím neposkytuje kompletní a ověřený popis reality. Problém plochosti tak zůstává klíčovým testem budoucí teorie kvantové gravitace.