Filozofové diskutují o povaze „ničeho“ už tisíce let, ale co k tomu říká moderní věda? V rozhovoru pro The Conversation Martin Rees, královský astronom a emeritní profesor kosmologie a astrofyziky na univerzitě v Cambridge, vysvětluje, že když fyzikové mluví o ničem, mají na mysli prázdný prostor (vakuum). Může to znít jednoduše, ale experimenty ukazují, že prázdný prostor ve skutečnosti prázdný není – skrývá se v něm tajemná energie, která nám může něco říci o osudu vesmíru.

Rees poskytl rozhovor pro podcast The Conversation’s Anthill on Nothing. Tento Q&A vychází z upraveného přepisu tohoto rozhovoru.

Q: Je prázdný prostor skutečně totéž co nic?

A: Prázdný prostor se nám jeví jako nic. Analogicky se může zdát, že voda je nic pro rybu – je to to, co zůstane, když odeberete všechny ostatní věci plovoucí v moři. Stejně tak se prázdný prostor domýšlí, že je docela složitý.

Víme, že vesmír je velmi prázdný. Průměrná hustota vesmíru je asi jeden atom na každých deset metrů krychlových – mnohem řidší než jakékoliv vakuum, kterého můžeme dosáhnout na Zemi. Ale i když odebereme veškerou hmotu, prostor má určitou pružnost, která (jak bylo nedávno potvrzeno) umožňuje šíření gravitačních vln – vlnění v samotném prostoru. Navíc jsme zjistili, že v samotném prázdném prostoru existuje exotický druh energie.

Q: O této energii vakua jsme se poprvé dozvěděli ve 20. století se vznikem kvantové mechaniky, která řídí nepatrný svět atomů a částic. Ta naznačuje, že prázdný prostor je tvořen polem fluktuující energie pozadí – dává vzniknout vlnám a virtuálním částicím, které se objevují a mizí. Mohou dokonce vytvářet nepatrnou sílu. Ale co prázdný prostor ve velkých měřítkách?

O: Skutečnost, že prázdný prostor působí velkou silou, byla objevena před 20 lety. Astronomové zjistili, že rozpínání vesmíru se zrychluje. Bylo to překvapení. O rozpínání se vědělo více než 50 let, ale všichni očekávali, že se bude zpomalovat kvůli gravitační síle, kterou na sebe galaxie a další struktury působí. Bylo proto velkým překvapením zjistit, že toto zpomalení způsobené gravitací je přehlušeno něčím, co rozpínání „tlačí“. V samotném prázdném prostoru je jakoby skryta energie, která způsobuje jakési odpuzování, jež na těchto velkých škálách převažuje nad gravitační přitažlivostí. Tento jev – nazvaný temná energie – je nejdramatičtějším projevem skutečnosti, že prázdný prostor není beztvarý a bezvýznamný. Ve skutečnosti určuje dlouhodobý osud našeho vesmíru.

Otázka: Existuje však nějaká hranice toho, co můžeme poznat? V měřítku trilionkrát menším než atom mohou kvantové fluktuace v časoprostoru dát vzniknout nejen virtuálním částicím, ale i virtuálním černým dírám. To je rozsah, který nemůžeme pozorovat a kde musíme kombinovat teorie gravitace s kvantovou mechanikou, abychom teoreticky prozkoumali, co se děje – což je notoricky obtížné.

A: Existuje několik teorií, které se snaží toto pochopit, nejznámější z nich je teorie strun. Žádná z těchto teorií se však zatím nezabývala reálným světem – jde tedy stále o neověřené spekulace. Ale myslím, že téměř všichni připouštějí, že samotný prostor by mohl mít komplikovanou strukturu na tomto malém, nepatrném měřítku, kde se setkávají gravitační a kvantové efekty.

Víme, že náš vesmír má v prostoru tři rozměry: můžete jít doleva a doprava, dozadu a dopředu, nahoru a dolů. Čas je jako čtvrtý rozměr. Ale je silné podezření, že kdybyste zvětšili malý bod v prostoru tak, že byste zkoumali toto malé, nepatrné měřítko… zjistili byste, že je to pevně stočené origami asi v pěti dalších rozměrech, které nevidíme. Je to spíš, jako když se díváte na hadici z velké dálky a myslíte si, že je to jen čára. Ale když se podíváte blíž, zjistíte, že jeden rozměr byl ve skutečnosti třírozměrný. Teorie strun zahrnuje složitou matematiku – stejně jako konkurenční teorie. Ale právě takovou teorii budeme potřebovat, pokud chceme na nejhlubší úrovni pochopit to, co je nejblíže nicotě, co si dokážeme představit: totiž prázdný prostor.

Baca juga: Mimozemšťané, velmi podivné vesmíry a brexit – Martin Rees Q&A

Q: Jak můžeme v rámci našeho současného chápání vysvětlit rozpínání celého našeho vesmíru z ničeho? Mohl skutečně začít jen z trochy fluktuující energie vakua?“

A: Nějaký záhadný přechod nebo fluktuace mohly náhle vyvolat rozpínání části vesmíru – alespoň si to myslí někteří teoretici. Fluktuace vlastní kvantové teorii by dokázaly otřást celým vesmírem, pokud by byl stlačen do dostatečně malého měřítka. K tomu by došlo v čase přibližně 10-44 sekund – což se nazývá Planckův čas. To je měřítko, kdy se čas a prostor prolínají tak, že představa tikajících hodin nedává smysl. Náš vesmír můžeme s velkou jistotou extrapolovat zpět na nanosekundu a s určitou jistotou přímo zpět mnohem blíže k Planckovu času. Ale pak už jsou všechny sázky zrušeny, protože … fyziku v tomto měřítku musí nahradit nějaká velká, složitější teorie.

V: Pokud je možné, že fluktuace nějaké náhodné části prázdného prostoru dala vzniknout vesmíru, proč by se přesně totéž nemohlo stát v jiné části prázdného prostoru – a dát tak vzniknout paralelním vesmírům v nekonečném multivesmíru?

O: Myšlenka, že náš velký třesk není jediný a že to, co vidíme našimi teleskopy, je jen nepatrný zlomek fyzikální reality, je mezi mnoha fyziky populární. A existuje mnoho verzí cyklického vesmíru. Teprve před 50 lety se poprvé objevily silné důkazy o velkém třesku. Od té doby se však objevují spekulace o tom, zda se nejedná pouze o epizodu v cyklickém vesmíru. A stále více se prosazuje představa, že fyzikální realita je mnohem větší než objem prostoru a času, který můžeme zkoumat – dokonce i těmi nejvýkonnějšími teleskopy.

Nemáme tedy tušení, zda byl jeden velký třesk, nebo jich bylo více – existují scénáře, které předpovídají mnoho velkých třesků, a některé, které předpovídají jeden. Myslím, že bychom je měli prozkoumat všechny.

Q: Jak skončí vesmír?

A: Nejjednodušší dlouhodobá předpověď předpokládá, že vesmír se bude rozpínat stále rychleji, bude stále prázdnější a chladnější. Částice v něm se mohou rozpadat, takže ředění bude pokračovat donekonečna. Nakonec bychom měli v jistém smyslu obrovský objem vesmíru, ale byl by ještě prázdnější, než je vesmír nyní. To je jeden ze scénářů, ale existují i další, které počítají s tím, že se „směr“ temné energie obrátí z odpuzování na přitahování, takže dojde ke kolapsu až k takzvanému „velkému křupnutí“, kdy hustota opět zamíří k nekonečnu.

Existuje také myšlenka, zásluhou fyzika Rogera Penrose, že vesmír se rozpíná dál, stále se zřeďuje, ale nějakým způsobem – když už v něm není nic kromě fotonů, částic světla – lze věci „přeškálovat“, takže po tomto obrovském zředění se prostor stane v jistém smyslu generátorem jakéhosi nového Velkého třesku. To je tedy poněkud exotická verze starého cyklického vesmíru – ale nechtějte po mně, prosím, abych vysvětloval Penroseovy myšlenky.

Otázka: Jak moc jste si jistý, že věda nakonec dokáže rozlousknout, co je to nic? I kdybychom dokázali, že náš vesmír vznikl z nějaké podivné fluktuace vakuového pole, nemusíme se ptát, kde se to vakuové pole vzalo?“

A: Věda se snaží odpovědět na otázky, ale pokaždé, když na ně odpovíme, objeví se nové – nikdy nebudeme mít úplný obraz. Když jsem koncem šedesátých let začínal s výzkumem, bylo sporné, zda vůbec došlo k velkému třesku. Nyní už to kontroverzní není a my můžeme s přibližně 2% přesností říci, jak vypadal vesmír po celou dobu od současných 13,8 miliardy let až po nanosekundu. To je obrovský pokrok. Není tedy absurdně optimistické věřit, že v příštích 50 letech budou náročné otázky týkající se toho, co se děje v kvantové nebo „inflační“ éře, pochopeny.

To ovšem vyvolává další otázku: jak velká část vědy bude přístupná lidskému mozku? Mohlo by se například ukázat, že matematika teorie strun je v jistém smyslu správným popisem reality, ale že ji nikdy nebudeme schopni pochopit natolik dobře, abychom ji mohli porovnat s nějakým skutečným pozorováním. Pak možná budeme muset počkat na vznik nějakého druhu post-lidí, abychom dosáhli úplnějšího pochopení.

Každý, kdo se nad těmito záhadami zamýšlí, by si však měl uvědomit, že fyzikův prázdný prostor – vakuum – není totéž co filosofovo „nic“.