Zrození vesmíru

Jak vznikl vesmír?

Je částicová fyzika v době krize? Keith Baker, fyzik Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ji považuje za období příležitostí k popisu nových jevů.
Zobrazit video

Podle moderních teorií kosmického vývoje vesmír začal jedinou explozí, po níž následoval výbuch inflační expanze. Pochopení inflace vyžaduje průlom v našem chápání základní fyziky, kvantové gravitace a konečné sjednocené teorie. Přestože inflační podmínky mají příliš vysokou energii, než abychom je mohli reprodukovat na Zemi, můžeme pozorovat jejich stopy, které se přenášejí po celé věky prostřednictvím jejich otisku na reliktní hmotě, kterou můžeme z té doby stále detekovat.
Po inflaci byly podmínky v raném vesmíru stále tak extrémní, že mohly spojovat elementární částice do nových fází hmoty. Jak se vesmír rozpínal a ochlazoval, docházelo k přechodům, kdy se hmota měnila z jedné fáze na druhou, podobně jako pára kondenzuje ve vodu. Některé z těchto fázových přechodů mohly být nejdramatičtějšími událostmi ve vesmírné historii, které ovlivnily vývoj vesmíru a zanechaly po sobě dnes pozorovatelné pozůstatky. Fázové přechody ve vesmíru by mohly být obnoveny v experimentech na vysokoenergetických urychlovačích.

Nástroje pro vědeckou revoluci

Podle současných teorií kosmické evoluce vesmír začíná „počáteční singularitou“, bodem, v němž se porušují všechny známé fyzikální zákony. Tato singularita vytvořila jemně vyvážený vesmír, podobně jako tužka tak přesně vyvážená na svém hrotu, že zůstává vzpřímená po dobu 14 miliard let. Jak se vesmír dostal do takového stavu? Jak se stalo, že je tak starý? Proč se neroztrhl ještě více na kusy nebo se nezhroutil zpět na sebe?

Poslední dvě desetiletí nabízí teorie kosmické inflace přesvědčivé vysvětlení počátku velkého třesku. Podle této teorie dala raná fáze zrychlené expanze vzniknout vyváženému vesmíru, který vidíme dnes. Kosmická inflace je ruka, která vyvážila tužku na jejím hrotu. Jako vedlejší produkt vytvořila také zárodky, z nichž se vyvinuly hvězdy, galaxie, kupy galaxií a další struktury ve vesmíru.

Kosmická inflace představuje výzvu související se základními otázkami této zprávy. Jednou z možností je, že kosmická inflace vznikla s určitou formou temné energie, která je podobná dnes pozorované temné energii. Pokud ano, jaký druh hmoty ji vytvořil? Hraje tato forma hmoty nějakou roli při sjednocování? Jak souvisí s dalšími rozměry? Ještě radikálnější je možnost, že prostor a čas změnily svou povahu na počátku velkého třesku. Vyhlazuje teorie strun počáteční singularitu? Který model si příroda skutečně vybrala?

V současné době poskytují měření fluktuací kosmického mikrovlnného pozadí (CMB), zejména z WMAP, nejlepší důkazy ve prospěch inflace. Omezení kosmických parametrů, jako je zakřivení vesmíru a povaha kosmické struktury, jsou v širokém souladu s předpověďmi inflační teorie. Měření polarizace CMB nakonec mohou umožnit detekci signatur gravitačních vln vzniklých v epoše inflace, což by mohlo poskytnout informace o povaze skalárního pole, které inflaci vyvolalo.

Po velkém třesku se vesmír rozpínal a ochlazoval, až dosáhl svého současného stavu. Cestou vesmír prošel řadou fázových přechodů, při nichž různé částice zmrzly, podobně jako se voda při ochlazování mění v led. Tyto fázové přechody stály za některými z nejdůležitějších epoch vesmírné historie. Například právě fázový přechod mohl být hnací silou kosmické inflace. Fázové přechody by mohly vytvářet „kosmické defekty“, jako jsou struny a struktura a další exotické formy hmoty, které by mohly vysvětlit kosmické záření o ultravysokých energiích, temnou hmotu a možná i temnou energii.

Experimenty na urychlovači LHC budou nadále osvětlovat elektroslabý fázový přechod, kde většina známých částic získala svou hmotnost. Lepší pochopení tohoto fázového přechodu umožní vědcům posunout se blíže k samotnému velkému třesku. Je totiž pravděpodobné, že elektroslabý fázový přechod je konečným zdrojem asymetrie hmoty a antihmoty, kterou dnes ve vesmíru pozorujeme. Objevy nových částic a nových interakcí tento příběh osvětlí a určí, zda je správný. Kromě toho musí popis vesmírného vývoje zahrnovat všechny objevy nových symetrií nebo nových dimenzí.

V současné době je nejintenzivněji studovaný vesmírný fázový přechod spojen s kvantovou chromodynamikou (QCD), teorií jaderných sil. Během fázového přechodu QCD baryonová hmota v současném vesmíru kondenzovala z plazmatického stavu kvarků a gluonů. Zařízení RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) v BNL v současné době vytváří srážky těžkých iontů za účelem studia kvark-gluonového plazmatu; experiment ALICE na LHC zkoumá kvark-gluonové plazma při vyšších energiích a teplotách. Mřížková výpočetní zařízení umožní výpočty prohlubující porozumění datům z RHIC a podmínkám během této epochy vývoje raného vesmíru.

.