Aký bude koniec vesmíru?

(preklad článku BBC - How will the universe end, and could anything survive?)

Vedci vymedzili štyri spôsoby, ktorými by mohol vesmír zaniknúť. Nazývajú sa Veľký mráz (alebo tepelná smrť), Veľký kolaps, Falošné vákuum a Big Rip.

Vedci si nie sú celkom istí, ako bude vyzerať koniec vesmíru. Dokonca si nie sú istí ani len tým, či vesmír skutočne dôjde k „pevnému“, definovateľnému koncu, alebo len pomaly „zoslabne“. Naše pochopenie fyziky nasvedčuje, že jestvuje niekoľko možností „vesmírnej apokalypsy“.

Vesmír sa rozpína, odkedy vznikol

Prvým záchytným bodom konca vesmíru je termodynamika, veda o teple. Termodynamika je akýsi radikálnym pouličným kazateľom, ktorý drží tabuľku s jednoduchým nápisom: „PRICHÁDZA TEPELNÁ SMRŤ!“

Napriek svojmu menu tepelná smrť vesmíru nie je ohnivým infernom. Namiesto toho je to smrť všetkých teplotných rozdielov.

Neznie to až tak strašidelne, ale tepelná smrť je omnoho horšia než byť spálený na uhoľ. A to preto, že takmer všetko v každodennom živote vyžaduje určitú rozličnosť teploty, či už priamu, alebo nepriamu.

Napríklad, vaše auto sa hýbe vďaka tomu, že vnútri motora je teplejšie než vonku. Váš počítač beží na elektrinu z najbližšej elektrárne, ktorá pravdepodobne funguje na princípe ohrievania vody a následného poháňania turbíny. A vy na život potrebujete jedlo, ktoré existuje vďaka ohromnej rozdielnosti teplôt medzi Slnkom a zvyškom vesmíru.

Vesmír sa skončí jedným zo štyroch spôsobov

Akonáhle však vesmír dosiahne tepelnú smrť, všetko a úplne všade bude mať rovnakú teplotu. To znamená, že už sa prihodí nič zaujímavé – nikdy.

Každá hviezda zomrie, takmer všetka hmota sa rozloží a napokon neostane nič okrem riedkej „polievky“ častíc a radiácie. Dokonca i energiu tejto „polievky“ postupom času vysaje rozpínanie vesmíru, ktoré všetkému za sebou zanechá teplotu iba zlomok stupňa nad absolútnou nulou.

Po „Veľkom mraze“ vesmír ostane rovnomerne chladný, mŕtvy a prázdny.

V 19. storočí, keď sa rozvíjala termodynamika, tepelná smrť vyzerala ako jediný možný spôsob, akým by vesmír mohol skončiť. Ale pred sto rokmi Einsteinova všeobecná teória relativity naznačila, že vesmír možno čaká ešte omnoho dramatickejší osud.

Galaxie ako M74 sa od nás vzďaľujú

Všeobecná relativita tvrdí, že hmota a energia ohýbajú priestor a čas. Tento vzťah medzi priestorom & časom a hmotou & energiou – medzi pódiom a hercami stojacimi na ňom – sa vzťahuje na celý vesmír. Podľa Einsteina všetko vo vesmíre určuje jeho samotný definitívny koniec.

Teória predpokladala, že vesmír ako celok sa buď rozpína, alebo zmenšuje. Nemôže ostať rovnako veľký. To si Eistein uvedomil v r. 1917, no natoľko váhal prijať vlastné tvrdenie, že jednoducho tejto svojej teórii neuveril.

Potom, v r. 1929, americký astronóm Edwin Hubble objavil nevyvrátiteľné dôkazy, že vesmír sa rozpína. Einstein zmenil názor a nazval svoj niekdajší dôraz na statický vesmír „najväčším omylom“ svojej kariéry.

Ak sa vesmír rozpína, kedysi musel byť menší, než je teraz. Toto uvedomenie viedlo k teórii Veľkého tresku: myšlienke, že vesmír sa začal ako niečo neuveriteľne maličké a potom ohromne rýchlo začal expandovať. Ešte aj dnes môžeme vidieť „dosvit“ Veľkého tresku – v radiácii kozmického mikrovlnného pozadia. Ide o neustály prúd rádiových vĺn, ktorý k nám prichádza zo všetkých smerov.

Kozmické mikrovlnné pozadie

Osud vesmíru teda závisí na veľmi jednoduchej otázke: bude sa vesmír naďalej rozpínať, a ako rýchlo?

V prípade vesmíru, ktorý obsahuje normálne „veci“ (ako hmota a svetlo), odpoveď záleží na tom, koľko tých „vecí“ v ňom je. Viac vecí znamená viac gravitácie, ktorá ťahá všetko k sebe a spomaľuje rozpínanie.

Pokiaľ množstvo vecí neprejde za kritickú hranicu, vesmír sa bude rozpínať navždy a napokon umrie tepelnou smrťou – zmrzne.

Ak sa v ňom však nachádza priveľa vecí, rozpínanie sa spomalí a zastaví. Potom sa vesmír začne sťahovať. Sťahujúci sa vesmír sa bude zmenšovať pomalšie a pomalšie, bude čoraz horúcejší a hustejší a napokon sa z neho stane nesmierne pevné inferno – čosi ako opak Veľkého tresku, zvané Veľký kolaps.

Vesmír by sa mohol sám do seba zrútiť v tzv. Veľkom kolapse

Väčšinu 20. storočia si astrofyzici neboli istí, ktorý z týchto scenárov by sa mohol odohrať. Veľký mráz, alebo Veľký kolaps? Ľad, alebo oheň?

Pokúsili sa vykonať akési kozmické sčítanie, ktoré malo určiť, koľko „vecí“ sa v našom vesmíre nachádza. Vysvitlo, že sme až podivne blízko kritickej hranice, čo značí, že náš osud je neistý.

Všetko sa to zmenilo koncom 20. storočia. V r. 1998 prišli dva súťažiace tímy astrofyzikov s ohromujúcim vyhlásením: rozpínanie vesmíru sa zrýchľuje.

Normálna hmota a energia nedokážu vyvolať takéto správanie vesmíru. Šlo o prvý dôkaz zásadne nového druhu energie, prezývanej „skrytá (temná) energia“, ktorá sa nesprávala ako nič, čo vo vesmíre poznáme.

Temná energia vesmír trhá. Stále netušíme, čo to je, ale zhruba 70% energie vo vesmíre tvorí skrytá energia – a toto číslo každým dňom narastá.

Veľký kolaps by vesmíru priniesol ohnivý koniec

Existencia temnej energie znamená, že množstvo vecí vo vesmíre napokon neurčuje jeho definitívny osud.

Miesto toho kozmos kontroluje skrytá energia, ktorá neprestajne zrýchľuje rozpínanie vesmíru. Veľký kolaps sa tak stáva o čosi menej pravdepodobným.

Neznamená to však ani, že je nevyhnutný Veľký mráz. Jestvujú i ďalšie možnosti.

Jedna z nich má pôvod nie v štúdiu kozmu, ale vo svete subatomárnych častíc. Pravdepodobne je to najpodivnejší osud vesmíru. Znie skôr ako sci-fi – a tou istým spôsobom i je.

Voda niekedy ostáva tekutá aj pod bodom mrazu

V klasickom sci-fi románe Kolíbka od Kurta Vonneguta existuje nový typ vody, tzv. „ľad typu 9“: zamŕza pri teplote 46 °C, nie 0 °C. Keď vhodíte do pohára vody kryštálik ľadu typu 9, všetka voda sa okamžite „zoštruktúruje“ okolo kryštálika, keďže má nižšiu energiu ako tekutá voda.

Nové kryštáliky ľadu typu 9 rovnako pôsobia na vodu, ktorá ich obklopuje, a stačí jedno žmurknutie a reťazová reakcia premení všetku vodu v pohári – alebo (pozor, spoiler!) všetky zemské oceány – na tuhý ľad typu 9.

To isté by sa mohlo prihodiť v bežnom živote s normálnym ľadom a normálnou vodou. Ak napustíte do úplne čistého skleného pohára veľmi čistú vodu a schladíte ho pod 0 °C, voda sa stane „podchladenou“: ostane tekutá, hoci sa bude nachádzať pod bodom mrazu. Vo vode sa nenachádzajú žiadne nečistoty a na pohári žiadne ostré zárezy, takže ľad sa nemá odkiaľ začať tvoriť. No ak do pohára vhodíte kryštálik ľadu, voda ihneď zmrzne, presne ako pri ľade typu 9.

Ľad typu 9 a „podchladená“ voda sa možno nezdajú dôležité pre osud vesmíru. Niečo podobné by sa však mohlo stať samotnému vesmíru.

Prázdne vákuum by mohlo stále klesnúť na nižší level energie

Kvantová fyzika tvrdí, že aj v úplne prázdnom vákuu je aspoň malé množstvo energie. Ale možno sa tam nachádza aj iný druh vákua, ktorý obsahuje menej energie.

Ak je to pravda, celý vesmír je potom ako pohár „podchladenej“ vody. Bude trvať iba dovtedy, kým sa neobjaví „bublinka“ vákua s nižšou energiou.

Našťastie, takéto bubliny nejestvujú, aspoň pokiaľ vieme. Nanešťastie, kvantová fyzika taktiež tvrdí, že ak je možné vákuum s nižšou energiou, niekde vo vesmíre bublinka takéhoto vákua nevyhnutne vznikne.

Keď sa to stane, nové vákuum, presne ako ľad typu 9, premení staré vákuum vo svojom okolí. Bublina sa bude rozpínať takmer rýchlosťou svetla, takže ju nikdy ani neuzrieme.

Dokonca i úplne prázdny priestor obsahuje energiu

Vnútri bubliny by bolo všetko úplne rozdielne a nie zrovna pohostinné.

Kvalita základných častíc, ako sú elektróny a kvarky, by mohla byť úplne iná a tým by mohla radikálne prepísať pravidlá chémie a možno i zabrániť vzniku atómov.

Ľudia, planéty a dokonca samotné hviezdy by zničilo takéto Falošné vákuum. Článok z r. 1980, ktorého autormi sú fyzici Sidney Coleman a Frank de Luccia, ho nazvali „definitívnou ekologickou katastrofou“.

Aby sme priliali olej do ohňa, temná energia by sa po Falošnom vákuu začala chovať inak. Namiesto toho, aby prinútila vesmír k rýchlejšej expanzii, možno by ho stiahla do seba, čím by nastal Veľký kolaps.

Fantómová skrytá energia by mohla všetko zničiť

Jestvuje i štvrtá možnosť – a opäť je v hlavnej úlohe skrytá energia. Táto teória je veľmi špekulatívna a nepravdepodobná, ale nemôžeme ju zatiaľ úplne vylúčiť. Temná energia je možno ešte silnejšia, než si myslíme, a mohla by postačiť na ukončenie vesmíru sama o sebe – bez Falošného vákua, Veľkého mrazu či Veľkého kolapsu.

Temná energia je svojrázna kvalita. Pri rozpínaní vesmíru jeho hustota ostáva konštantná. To znamená, že postupom času vzniká viac a viac energie, len aby udržala krok s rastúcou veľkosťou vesmíru. Je to neobvyklé, ale táto teória neporušuje žiadne fyzikálne zákony.

Mohlo by to byť však ešte podivnejšie. Čo ak by počas rozpínania vesmíru narastala hustota temnej energie? Inými slovami, čo ak by sa množstvo temnej energie vo vesmíre zvyšovalo rýchlejšie, než sa vesmír samotný rozpína?

Túto teóriu predložil Robert Caldwell z Darthmouth College v Hanoveri v New Hampshire. Nazýva ju „fantómová temná energia“. A vedie k pozoruhodne zvláštnemu osudu vesmíru.

Big Rip by sa začal trhaním galaxií

Ak existuje fantómová temná energia, potom jej temnou stránkou je náš nevyhnutný pád, presne ako nás varovali Hviezdne vojny.

V súčasnosti je hustota skrytej energie veľmi nízka, omnoho nižšia než hustota hmoty tu na Zemi či dokonca hustota Mliečnej cesty, ktorá je omnoho nižšia ako zemská. Lenže postupom času sa hustota fantómovej temnej energie môže zvyšovať a postupne začať trhať vesmír.

V článku z r. 2003 Caldwell a jeho kolegovia načrtli scenár, ktorý nazvali „kozmický deň posledného súdu“. Akonáhle sa fantómová temná energia stane hustejšou než konkrétne teleso, dané teleso bude rozmetané na franforce.

Najprv by fantómová temná energia roztrhla Mliečnu cestu a jej hviezdy rozhodila preč. Slnečná sústava by sa stala nespútanou, pretože ťažná sila temnej energie by bola výraznejšia než ťažná sila Slnka voči Zemi.

Nakoniec by Zem počas niekoľkých šialených minút explodovala. Potom by sa rozbili atómy – iba zlomok sekundy predtým, ako by sa roztrhol celý vesmír. Caldwell to nazýva Big Rip (rip = roztrhnutie).

Big Rip by doslova roztrhal planéty a hviezdy

Big Rip je (aj podľa Caldwella samotného) veľmi zvláštny – a nielen preto, že znie ako súčasť prehnaného superhrdinského komiksu.

Fantómová temná energia protirečí niektorým základným ideám o vesmíre – ako napr. predpokladu, že hmota a energia sa nemôžu pohybovať rýchlejšie než svetlo. A to sú dosť dobré dôvody, prečo tejto teórii neveriť.

Podľa našich pozorovaní rozpínania vesmíru a experimentov časticových fyzikov sa zdá, že pravdepodobnejším osudom nášho vesmíru je Veľký mráz, za ktorým prídu Falošné vákuum a nakoniec Veľký kolaps.

Je to však pozoruhodne ponurý obraz budúcnosti – celé veky chladnej prázdnoty, zakončenej rozpadom vákua a implóziou do ničoty. Existuje nejaký únik?

Všetko pominie, ale ešte veľmi dlho sa tak nestane

Nejestvuje žiadny dôvod, aby sme sa my ľudia začali konca vesmíru obávať. Všetky tieto udalosti sú vzdialené trilióny rokov.

Netreba sa strachovať ani o ľudstvo. Prinajhoršom, genetické zmeny by našich potomkov do tej doby nerozpoznateľne zmenili. Mohli by však inteligentné cítiace tvory akéhokoľvek druhu, ľudia či nie, prežiť?

Fyzik Freeman Dyson z Institute of Advanced Studies v Princetone v New Jersey túto otázku riešil v článku publikovanom v r. 1979. V tom čase usúdil, že život by sa dokázal modifikovať natoľko, aby prežil Veľký mráz, ktorý Dyson považoval za menšiu výzvu než inferno Veľkého kolapsu.

V súčasnosti je však kvôli objavu skrytej energie menej optimistický.

„Ak sa vesmír zrýchľuje, sú to zlé správy,“ vraví Dyson. Zrýchľujúce sa rozpínanie znamená, že napokon stratíme kontakt so všetkými okrem najbližších galaxií, čo dramaticky obmedzí množstvo energie, ktorá je nám dostupná. „Z dlhodobého hľadiska je to tiež poriadne ponurá situácia.“

Stále by sa to mohlo zmeniť. „V skutočnosti nevieme, či bude rozpínanie pokračovať, keďže nerozumieme, prečo sa zrýchľuje,“ hovorí Dyson. „Optimistický pohľad je, že akcelerácia sa spomalí, keď sa vesmír zväčší.“ Ak sa tak stane, „budúcnosť je omnoho sľubnejšia“.

Avšak čo ak sa expanzia nespomalí, alebo bude dokonca jasné, že prichádza Falošné vákuum? Niektorí fyzici navrhli riešenie, ktoré ale patrí do „teritória šialených vedcov“. Aby sme unikli zániku vesmíru, mali by sme si v laboratóriu „postaviť“ vlastný vesmír a skočiť doň.

Hneď, ako sa vesmír zrodil, začal sa rapídne „nadúvať“

Na tomto nápade pracoval i fyzik Alan Guth z cambridgeskej MIT v Massachusetts – je známy štúdiom raného vesmíru.

„Netvrdím, že fyzikálne zákony jasne tvrdia, že je to možné,“ vraví Guth. „Ak je to možné, vyžadovalo by to technológiu rozvinutejšiu, než si vôbec dokážeme predstaviť. Vyžadovalo by to obrovské množstvo energie, ktorú by sme museli získať a kontrolovať.“

Podľa Gutha by prvým krokom bolo vytvorenie neuveriteľne hustej formy hmoty – takej hustej, že by bola na pokraji zrútenia do čiernej diery. Ak by sme to dokázali urobiť tým správnym spôsobom a potom rýchlo túto hmotu odstrániť z danej oblasti, možno by sa podarilo prinútiť tento priestor k rapídnej expanzii.

Vlastne by sme dali vznik celkom novému vesmíru. Ako by sa priestor rozpínal, jeho okraje by sa zmenšovali a vytvorili bublinu ohnutého priestoru, v ktorej by vnútro bolo väčšie než vonkajšok.

Veľký tresk: zrodenie vesmíru

Fanúšikom seriálu Doctor Who to možno znie známo, a podľa Gutha je TARDIS „zrejme veľmi presnou analógiou“ toho druhu ohýbania priestoru, o ktorom on hovorí.

Napokon by sa vonkajšok zmrštil do ničoty a z nášho vlastného vesmíru by sa odštiepil nový malý vesmír. Tým by sme boli uchránení pred hociktorým z možných koncov vesmíru.

Ani zďaleka nie je isté, či by takáto schéma skutočne fungovala. „Musím priznať, že je to nejasné,“ hovorí Guth. „Nevieme, či je to možné, alebo nie.“

Guth však podotýka, že existuje aj iný druh nádeje – teda, istým spôsobom je to nádej.

Iné vesmíry sa možno objavujú v jednom kuse

Guth bol prvý, kto navrhol, že veľmi raný vesmír sa rozpínal úžasne rýchlo počas prvého zlomku sekundy – ide o ideu zvanú „inflácia“. Mnohí kozmológovia veria, že inflácia je najpravdepodobnejším vysvetlením raného vesmíru, pričom Guthov plán vytvorenia nového vesmíru spočíva práve v obnovení tejto rapídnej expanzie.

Inflácia má pre osud vesmíru neobvyklé následky. Teória tvrdí, že vesmír, ktorý obývame, je iba malou časťou multiverza s večne sa nafukujúcim pozadím, ktoré opakovane rodí „vreckové vesmíry“, ako je i ten náš.

„Ak je to tak, hoci i v prípade, že by sme boli presvedčení, že konkrétny vreckový vesmír nakoniec zomrie chladom, multiverzum ako celok bude žiť navždy a v každom novovzniknutom vreckovom vesmíre vznikne i život,“ tvrdí Guth. „Multiverzum ako celok by bolo skutočne večné, aspoň z hľadiska budúcnosti, napriek tomu, že konkrétne vreckové vesmíry by žili a umierali.“