Astrofyzika pre zaneprázdnených
1 / 8
Predslov
V posledných rokoch sa ani jeden týždeň nezaobíde bez tučných titulkov oznamujúcich nový kozmický objav. Možno si médiá túto tému obľúbili, no skutočným dôvodom bude skôr rastúci záujem širokej verejnosti o vedu. Dôkazov je naozaj veľa – od populárnych televíznych relácií s vedeckým podtónom až po úspešné sci-fi filmy s hviezdnym obsadením, ktoré vznikli pod taktovkou známych producentov a režisérov, a určite aj veľkolepé životopisné filmy o významných osobnostiach zo sveta vedy – tie sa stali žánrom samým osebe. Veľkému úspechu sa tešia aj rôzne vedecké festivaly, sci-fi zrazy a televízne dokumenty zamerané na vedu. Dokonca aj najviac zarábajúci film všetkých čias z dielne slávneho režiséra sa odohráva na planéte obiehajúcej okolo vzdialenej hviezdy a vystupuje v ňom postava astrobiologičky, ktorú stvárnila populárna herečka. Väčšina vedeckých oblastí sa v poslednom čase dostáva do úzadia, no astrofyzika sa stále drží na najvyšších priečkach. Myslím, že viem, prečo je to tak. Každý sa už aspoň raz v živote pozrel na nočnú oblohu a kládol si otázky: Čo to všetko znamená? Ako to spolu súvisí? A aký zmysel má moje bytie na tomto svete? Ak ste priveľmi zaneprázdnení a nemáte čas prenikať do tajov vesmíru na rôznych prednáškach alebo čítať hrubé učebnice, či sledovať dokumenty, a napriek tomu túžite po stručnom a zároveň zmysluplnom uvedení do tejto oblasti, táto útla kniha je práve pre vás. Nadobudnete vďaka nej prehľad o všetkých významných poznatkoch a objavoch, ktoré sformovali moderné chápanie vesmíru. A ak som dosiahol, čo som chcel, po jej prečítaní budete obohatení o vedomosti z astrofyziky a možno zatúžite vedieť viac.
Nie je povinnosťou vesmíru, aby vám dával zmysel.
NDT
- Najväčší príbeh všetkých čias
Svet pretrváva už mnoho rokov a všetko sa odvíja od okamihu, keď sa dal do pohybu.
LUCRETIUS, 55 PRED KR.
Na začiatku, pred približne 14 miliardami rokov, zaberal všetok priestor, všetka hmota a energia vesmíru menej než jednu bilióntinu bodky, ktorou sa končí táto veta. Pod pokrievkou to vrelo a prírodné sily, ktorými dnes opisujeme vesmír, tvorili jeden celok. Nie je síce jasné, ako vznikol tento miniatúrny vesmír, no v tomto štádiu sa dokázal už len rozpínať – a to veľmi rýchlo. Tento jav dnes poznáme ako veľký tresk. Einsteinova všeobecná teória relativity z roku 1916 nám poskytuje moderné chápanie gravitácie. Podľa tejto teórie spôsobuje prítomnosť hmoty a energie zakrivenie štruktúry časopriestoru, ktorý ich obklopuje. V dvadsiatych rokoch minulého storočia uzrela svetlo sveta aj kvantová mechanika, ktorá priniesla zase moderný opis atómov, molekúl a subatómových častíc. Tieto dva prístupy k vysvetleniu prírodných zákonov sú však formálne
nezlučiteľné, čím sa fyzici dostali pred náročnú úlohu spojiť teóriu o malom s teóriou o veľkom a vytvoriť jednotnú teóriu kvantovej gravitácie. Riešenie je ešte v nedohľadne, no už vieme, akým prekážkam čelíme. Jednou z nich je tzv. „Planckova éra“ – jedno zo štádií raného vesmíru. Ide o krátky časový interval v rozmedzí od t = 0 po t = 10–43 sekundy (jedna desať miliónov-biliónov-biliónov-bilióntina sekundy) od vzniku vesmíru, kým dosiahol v priemere veľkosť 10–35 metra (jedna sto miliárd bilión-bilióntina metra). Nemecký fyzik Max Planck, po ktorom sú pomenované tieto nepredstaviteľne malé veličiny, predložil svoju teóriu kvantovej energie už začiatkom dvadsiateho storočia a vo všeobecnosti sa považuje za otca kvantovej mechaniky. Pre súčasný vesmír nepredstavuje rozpor medzi gravitáciou a kvantovou mechanikou
žiadny problém. Astrofyzici uplatňujú princípy všeobecnej relativity a kvantovej mechaniky pri riešení najrôznejších problémov. Máme však podozrenie, že na začiatku, počas Planckovej éry, keď ešte veľké bolo malým, museli tieto dva princípy držať spolu. Bohužiaľ, stále nevieme,
čo ich viedlo k tejto netradičnej spolupráci, preto žiadne (známe) fyzikálne zákony nedokážu uspokojivo vysvetliť správanie vesmíru počas tohto krátkeho spoločného pôsobenia. Napriek tomu sa však domnievame, že na konci
Planckovej éry sa gravitácia „odtrhla“ od ostatných – stále zjednotených – prírodných síl a získala tak vlastnú identitu, ktorú dobre vystihujú súčasné teórie. Po skončení Planckovej éry sa vesmír ďalej rozpínal, uvoľňoval nahromadenú energiu a to, čo ostalo zo spojených prírodných síl, sa rozdelilo na „elektroslabú“ a „silnú jadrovú“ silu. Neskôr sa ešte elektroslabá sila rozložila na elektromagnetickú a „slabú jadrovú“ silu, a tak vnikli štyri odlišné sily, ktoré sme postupne spoznali a obľúbili si ich: slabá jadrová sila dohliada na rádioaktívny rozpad, silná jadrová sila drží pokope jadrá atómov, elektromagnetická sila viaže k sebe molekuly a gravitácia spája objemnú hmotu.
✴
Od počiatku ubehla jedna trilióntina sekundy.
✴
Celý tento čas prebiehala nepretržitá spolupráca medzi hmotou vo forme subatómových
častíc a energiou vo forme fotónov (nehmotné prenášače svetla, ktoré sú skôr vlnami než
časticami). Vysoká teplota vesmíru umožnila spontánne pretransformovať energiu fotónov na dvojice pozostávajúce z častíc hmoty a antihmoty, ktoré sa okamžite navzájom zničili, a uvoľnená energia sa vrátila späť vo forme fotónov. Áno, antihmota skutočne existuje a prišli s ňou vedci, nie sci-fi spisovatelia. Tieto zázračné premeny dokonale vyjadruje najznámejšia Einsteinova rovnica E = mc2, ktorá predstavuje obojsmerný recept na zistenie, koľko hmoty zodpovedá vašej energii a koľko energie zodpovedá vašej hmote. Hodnota c2 je druhou mocninou rýchlosti svetla, a keď toto obrovské číslo vynásobíme hmotnosťou, zistíme, aké množstvo energie môžeme získať z daného telesa. Krátko predtým, ale aj po tom, čo sa elektroslabé sily rozdelili, bol vesmír ako hustá polievka z kvarkov, leptónov a ich súrodencov z antihmoty, ako aj z bozónov – častíc, ktoré umožňujú ich vzájomnú interakciu. Žiadna z týchto častíc, aspoň pokiaľ vieme, sa nedá rozdeliť na nič menšie ani jednoduchšie, no každá z nich má niekoľko foriem. Bežný fotón patrí do rodiny bozónov. Najznámejšie leptóny pre laikov sú elektrón a možno neutríno. A najznámejšie kvarky sú… nuž, nie sú vlastne žiadne známe kvarky. Všetkých šesť poddruhov dostalo abstraktné mená, ktoré nemajú z filologického, filozofického alebo pedagogického hľadiska žiadny význam – majú slúžiť iba na ich odlišovanie: kvark u (z angl. up – hore ), kvark d (z angl. down – dole), kvark s (nazývaný aj čudný, z angl. strange), kvark c (nazývaný aj pôvabný, z angl. charmed), kvark t (z angl. top – vrchný) a kvark b (nazývaný aj kvark s krásou, z angl. beauty – krása, iný názov bottom – spodný). Bozóny sú, mimochodom, pomenované po indickom vedcovi Šatendranáthovi Nath Boseovi. Slovo leptón je odvodené z gréckeho leptos – ľahký, malý. Kvark má však naproti tomu literárny a oveľa pozoruhodnejší pôvod. Fyzik Murray Gell-Mann, ktorý v roku 1964 predstavil kvarky ako vnútorné zložky protónov a neutrónov a ktorý si vtedy myslel, že rodina kvarkov má iba troch členov, čerpal inšpiráciu z diela írskeho spisovateľa Jamesa Joycea Finneganovo prebúdzanie, kde odznie pre autora typicky nezrozumiteľná veta: „Three quarks for Muster Mark!“ (význam slova quark nie je v kontexte vety úplne jasný; pozn. prekl.). Kvarky však majú jednu veľkú výhodu – ich názvy sú jednoduché. To je niečo, čo sa chemikom, biológom a zvlášť geológom nedarí dosiahnuť pri pomenovaní iných vecí. Kvarky sú zvláštne stvorenia. Na rozdiel od protónov s elektrickým nábojom +1 a elektrónov s elektrickým nábojom –1 majú kvarky zlomkové náboje vyjadrené v tretinách. Kvarky taktiež nikdy nezastihnete osamote – vždy budú mať okolo seba niekoľko ďalších kvarkov. V skutočnosti je väzba medzi dvoma (a viacerými) kvarkmi tým silnejšia, čím je
medzi nimi väčšia vzdialenosť, ako keby ich spájala nejaká subatómová gumička. Ak oddialite kvarky dosť ďaleko od seba, gumička praskne a uvoľnená energia si zavolá na pomoc rovnicu E = mc2. Na oboch koncoch vznikne nový kvark, a ste opäť na začiatku. Počas kvarkovo-leptónovej éry mal vesmír príliš veľkú hustotu, preto priemerná vzdialenosť medzi nespojenými kvarkmi nedokázala konkurovať vzdialenosti medzi spojenými kvarkmi. Za týchto okolností bolo absolútne vylúčené, aby sa susediace kvarky spájali a namiesto vytvárania väzieb sa teda iba voľne pohybovali medzi sebou. Prvé poznatky o tomto stave hmoty, pripomínajúcom akýsi kotlík plný kvarkov, predložil v roku 2002 tím fyzikov z inštitútu Brookhaven National Laboratories na Long Islande v New Yorku. Teoretické poznatky nasvedčujú tomu, že istá udalosť z raného obdobia vesmíru, pravdepodobne jedno z delení prírodných síl, spôsobila vo vesmíre pozoruhodnú asymetriu, keď bol počet častíc hmoty len o čosi väčší než počet častíc antihmoty – na jednu miliardu častíc antihmoty pripadala jedna miliarda plus jedna častica hmoty. Sotva by si niekto všimol taký malý rozdiel v populácii, zvlášť pri neustálom vznikaní, zrážaní a opätovnom vznikaní kvarkov a antikvarkov, elektrónov a anti- elektrónov (bližšie známych ako pozitróny) a neutrín a antineutrín. Tá jedna častica hmoty navyše mala teda množstvo príležitostí nájsť si „parťáka“ na zrážku tak ako všetky ostatné častice.
No netrvalo to dlho. Vesmír sa nepretržite rozťahoval, prekonal veľkosť našej slnečnej sústavy a teplota rýchlo klesla pod hranicu jedného bilióna stupňov Kelvina.
✴
Od počiatku ubehla jedna milióntina sekundy.
✴
V takomto vlažnom vesmíre nebola dostatočná teplota ani hustota na varenie ďalších kvarkov, preto si tie existujúce našli tanečných partnerov a vytvorili novú, súdržnú skupinu častíc – hadróny (z gréckeho hadros = hrubý, pevný). Prechod od kvarkov k hadrónom priniesol so sebou protóny a neutróny, ako aj ďalšie – menej známe – častice zložené z rôznych kombinácií kvarkov.
Vrátime sa na chvíľu na Zem, do Švajčiarska, kde sa európske spoločenstvo časticovej fyziky1 pokúša pomocou veľkého urýchľovača dosiahnuť zrážku zväzkov hadrónov a opätovne vytvoriť rovnaké podmienky, aké boli pri ich vzniku. Tento najväčší prístroj na Zemi má príznačný názov Veľký hadrónový urýchľovač. Mierna asymetria medzi hmotou a antihmotou, ktorá okorenila kvarkovo-leptónovú
polievku, sa zamiešala aj medzi hadróny s nezvyčajnými následkami.
S klesajúcou teplotou vesmíru ubúdalo aj množstvo energie potrebnej na spontánne vytváranie základných častíc. Počas hadrónovej éry už nedokázali všadeprítomné fotóny postupovať pri vytváraní dvojíc kvarkov a antikvarkov podľa rovnice E = mc2. Ba čo viac, energia fotónov, ktoré vznikli pri posledných zrážkach častíc, sa rozptýlila do stále rastúceho vesmíru, čím sa znížila pravdepodobnosť vzniku dvojíc hadrónov s antihadrónmi. Z jednej miliardy zrážok, po ktorých zostala miliarda fotónov, prežil len jeden hadrón. Zvyšné hadróny si napokon užili najviac zábavy – stali sa zdrojom hmoty pre galaxie, hviezdy, planéty a petúnie v záhrade. Bez spomínaného drobného rozdielu v počte častíc hmoty a antihmoty by všetka hmota vo vesmíre pohltila samu seba, vesmír by tvorili len fotóny a nič viac – „Buď svetlo!“ v dokonalej forme.
✴
Doteraz uplynula len jedna sekunda.
✴
Vesmír dosiahol veľkosť niekoľkých svetelných rokov2 – približne takú, ako je vzdialenosť medzi Slnkom a ďalšou najbližšou hviezdou. Teplota dosahuje zhruba jednu miliardu stupňov, čo je stále dosť horúco na varenie elektrónov, ktoré stále – spolu so svojimi náprotivkami pozitrónmi – vznikajú a zanikajú. Ich dni (teda popravde sekundy) sú však už zrátané, pretože podobne ako kvarky a hadróny pred nimi, aj ony doplatili na rozpínanie a ochladzovanie vesmíru. Napokon z každej miliardy elektrónov prežil len jeden. Ostatné zanikli v mori fotónov spolu so svojimi náprotivkami z antihmoty – pozitrónmi.
V tomto štádiu vznikol „ochladením“ jeden elektrón pre každý protón. Teplota stále klesá
– teraz je už pod hranicou sto miliónov stupňov. Protóny sa spájajú s inými protónmi a neutrónmi, vznikajú jadrá atómov a na svet prichádza vesmír, v ktorom deväťdesiat percent atómových jadier predstavuje vodík a desať percent tvorí hélium, stopové množstvo deutéria (tzv. „ťažký“ vodík), trícium (ešte ťažší vodík) a lítium.
✴
Od počiatku ubehli už dve minúty.
✴
Nasledujúcich 380 000 rokov sa toho veľa v našej polievke z častíc neudeje. Teplota ostáva celé tisícročia dosť vysoká na to, aby sa mohli elektróny voľne potulovať medzi fotónmi a pohadzovať si ich sem a tam pri vzájomnej interakcii. Ich potulkám je však náhle koniec, keď teplota vesmíru klesne pod hranicu 3000 stupňov Kelvina (približne polovica teploty na povrchu Slnka), a všetky voľné elektróny sa spoja s jadrami atómov. Vďaka tomu vesmír zaplaví všadeprítomné svetlo a nebeská klenba, na ktorú sa premietol obraz vesmíru, sa stáva večnou pamiatkou na túto chvíľu. Zároveň sa tým končí etapa formovania častíc a atómov prvotného vesmíru.
✴
Počas prvej miliardy rokov sa vesmír rozpínal a ochladzoval, kým hmota vytvárala mohutné zoskupenia známe ako galaxie. Vzniklo ich takmer sto miliárd a každá z nich je domovom stoviek miliárd hviezd, ktorých jadrá sú dejiskom termonukleárnej syntézy. Hviezdy vytvorené z asi desaťnásobne väčšieho množstva hmoty, než tvorí Slnko, sú vďaka vysokému tlaku a teplote v jadre schopné vytvárať prvky ťažšie ako vodík vrátane prvkov zodpovedných za vznik planét a akejkoľvek formy života na nich. Tieto prvky by boli, pravda, absolútne zbytočné, keby zostali na mieste svojho pôvodu. Veľké hviezdy majú však sklon nečakane explodovať a vyprsknúť svoje chemicky obohatené vnútornosti do celej galaxie. Po deviatich miliardách rokov takéhoto obohacovania sa v jednej
nenápadnej časti vesmíru (na okraji Miestnej superkopy galaxií), v nenápadnej galaxii (Mliečna cesta), v nenápadnej oblasti (Rameno Oriona) zrodila úplne nenápadná hviezda (Slnko). Plynový mrak, z ktorého sa vykľulo Slnko, obsahoval dostatočné množstvo ťažkých prvkov pre vznik pestrej palety objektov obiehajúcich po obežnej dráhe vrátane niekoľkých terestriálnych a plynných planét, stoviek tisícok asteroidov a miliárd komét. Počas prvých stoviek milión rokov sa veľké množstvo úlomkov bezcieľne poletujúcich po slnečnej sústave postupne pripájalo k väčším telesám. Úlomky vo veľkej rýchlosti a s veľkou energiou narážali aj do terestriálnych planét, čím rozžeravili ich povrch a zabránili vytváraniu zložitých molekúl. Postupne však úlomkov v slnečnej sústave ubúdalo a planéty sa začali ochladzovať. Planéta menom Zem vznikla v tzv. Goldilockovej zóne okolo Slnka (Hviezdna obývateľná zóna), kde oceány existujú prevažne v tekutom skupenstve. Keby bola Zem bližšie k Slnku, oceány by sa vyparili, a keby bola ďalej od Slnka, zamrzli by. Tak či onak, život, ako ho poznáme, by sa nevyvinul. V hlbinách oceánov bohatých na chemické prvky, kde prebiehali vtedy ešte neznáme procesy, vznikla z organických molekúl autoreprodukčná forma života. Hlavnou ingredienciou tejto jednoduchej polievky sa stali anaeróbne baktérie, ktorým sa darí aj v prostredí bez kyslíka, no zároveň vytvárajú kyslík ako jeden z vedľajších produktov. Tieto jednoduché jednobunkové organizmy nevedomky dodali do zemskej atmosféry, plnej oxidu uhličitého, dosť kyslíka dôležitého pre vznik aeróbnych organizmov, ktoré si podmanili oceány aj súš. Atómy kyslíka, bežne prítomné v dvojiciach (O2), vytvorili v hornej časti atmosféry aj trojice (O3) známe ako ozón, a ten chráni Zem pred úhlavným nepriateľom molekúl – ultrafialovými fotónmi zo Slnka. Za pestrosť života na Zemi, a zrejme aj kdekoľvek inde vo vesmíre, vďačíme hojnosti uhlíka v kozme a nespočetnému množstvu jednoduchých a zložitých molekúl, ktoré ho obsahujú. Niet pochýb o tom, že existuje viac molekúl na báze uhlíka, než je všetkých ostatných druhov molekúl dokopy. Život je však krehký. Občasné zrážky Zeme so zatúlanou kométou či asteroidom, kedysi také bežné, rozpútali v ekosystéme našej planéty úplné peklo. Iba pred šesťdesiatimi piatimi miliónmi rokov (čo predstavuje menej ako dve percentá zo života Zeme) dopadol na územie dnešného Yucatánu asteroid s hmotnosťou desať biliónov ton a vyhladil sedemdesiat percent
zemskej fauny a flóry vrátane majestátnych dinosaurov. Jednoducho vyhynuli. Ich miesto zaplnili predkovia dnešných cicavcov, ktorí dovtedy končili často ako predjedlo pre tyrannosaura rexa. Jedna vetva týchto cicavcov, známa aj ako primáty, mala väčší mozog. Práve z nich sa vyvinul rod a druh cicavcov (homo sapiens) s dosť vysokou inteligenciou na to, aby objavil metódy a nástroje vedy – a napokon zistil viac o pôvode a evolúcii vesmíru. Čo sa však dialo pred týmto všetkým? Čo bolo pred počiatkom?
Astrofyzici nemajú ani potuchy. Alebo presnejšie – ich kreatívne teórie sa dajú len ťažko overiť pomocou experimentálnej vedy. Odpoveďou sú aj nie celkom neopodstatnené názory veriacich ľudí, že niečo muselo celý ten proces odštartovať: sila väčšia než všetky ostatné – zdroj všetkého. Základná hybná sila. V mysliach týchto ľudí je tým niečím jednoznačne Boh. Ale čo ak vesmír existoval už dávno predtým v stave a v podmienkach, ktoré sa nám zatiaľ nepodarilo určiť – napríklad ako súčasť multivesmíru, z ktorého nepretržite vznikajú nové vesmíry? Alebo čo ak vesmír vznikol len tak z ničoho? A čo ak je všetko, čo milujeme a poznáme, iba obrovská počítačová simulácia vytvorená pre pobavenie nadpriemerne inteligentných mimozemských bytostí? Tieto svojrázne filozofické úvahy však nikoho neuspokoja. No pripomínajú nám, že nevedomosť je prirodzeným stavom mysle vedeckého výskumníka. Pretože ľudia, ktorí si myslia, že vedia všetko, sa zjavne nikdy nepokúšali hľadať alebo nikdy nenatrafili na hranicu medzi známym a neznámym vo vesmíre. S istotou však môžeme tvrdiť, že vesmír mal začiatok, stále sa vyvíja a každý atóm v našom tele má pôvod vo veľkom tresku a v prírodných termonukleárnych peciach v jadrách masívnych hviezd, ktoré explodovali pred viac než piatimi miliardami rokov. Sme hviezdny prach, do ktorého vesmír vdýchol život a schopnosť uvedomiť si svoju podstatu – a to je ešte len začiatok.