Kedy vznikol náš svet?

Otázky vzniku a vývoja sveta zaujímali ľudí odpradávna. Kedy vznikol náš svet? Z čoho? Ako vôbec mohla vzniknúť taká rozmanitosť a rôznorodosť okolo nás?

Odpovede na takéto a podobné otázky sa postupne menili a dnes väčšina kozmológov uznáva platnosť tzv. štandardného modelu vývoja vesmíru. Uvedieme tu základné myšlienky tohto modelu, ktoré sú síce podložené teoretickými aj experimentálnymi poznatkami, ale nie všetko je úplne stopercentne dokázané. A o čo sa opera tento model? O tri experimentálne fakty.

1.

Roku 1929 zistil americký astronóm E. P. Hubble, že vzdialené galaxie sa vzďaľujú od našej Zeme, pričom rýchlosť ich vzďaľovania je priamo úmerná vzdialenosti od nás. Tento výsledok bol prekvapujúci, lebo vyvolával predstavu, že naša slnečná sústava sa nachádza v strede vesmíru. Dnes už vieme, že to tak nie je a že vzďaľovanie ostatných galaxií je dôsledok rozpínania vesmíru ako celku, a teda, že by sme ho rovnako mohli pozorovať z hociktorého iného miesta vo vesmíre. Ak sa teda vesmír rozpína, v minulosti bol menší, a kedysi dávno malý. Z rýchlosti rozpínania sa určilo, že rozpínanie sa začalo asi pred 15 miliardami rokov.

2.

Roku 1965 Američania A. A. Penzias a R. Wilson viac-menej náhodou objavili tzv. reliktové žiarenie. O čo ide? Vieme, že každé teleso zohriaté na istú teplotu vyžaruje tepelnú energiu vo forme elektromagnetického žiarenia. Skúmaním intenzity spektra tohto žiarenia sa dá zistiť teplota telesa, ktoré vyžaruje. Takto sa zistilo, že zo všetkých smerov vesmíru k nám prichádza žiarenie zodpovedajúce teplote asi 2,7 Kelvina. Prečo je to tak? Táto teplota vesmíru je pozostatkom dávanej minulosti, keď bol vesmír zohriaty na teploty omnoho vyššie.

3.

Napokon sa zistilo, že vnútro starých hviezd, o ktorých sa verí, že majú rovnaké zloženie látky, ako bolo kedysi vo vesmíre, obsahuje asi 90-95% vodíka a 5-10% hélia. Len ťažko možno očakávať, že sa práve tento pomer utvoril počas termojadrových reakcií prebiehajúcich vo hviezdach. Takýto výsledok však vyplýval z teórie veľkého tresku (big bangu), ktorá tvorí základ štandardného modelu vývoja vesmíru.

Čo je teda základom teórie veľkého tresku?

Vesmír vznikol asi pred 15 miliardami rokov z tzv. fyzikálneho vákua. Fyzikálne vákuum bolo prázdne, čo sa týka častíc, ale bolo naplnené energiou. Počiatočnú príčinu zmeny vákua nepoznáme. Hneď od prvého kroku času (zdá sa, že čas neplynie spojite, ale po „krokoch“ asi 10-43 sekundy) sa objavuje gravitačná sila. Keďže rozpínanie bolo spočiatku pozvoľné, gravitačná sila zabezpečila homogénnosť vesmíru.

Po pomerne pomalom začiatku došlo v čase asi 10-35 - 10-33 sekundy k tzv. inflačnému rozpínaniu vesmíru, keď sa rýchlosť rozpínania enormne zvýšila. Súviselo to s ochladzovaním vesmíru pri jeho rozpínaní a s uskutočnením fázového prechodu. Čosi podobné nastáva napríklad aj pri ochladení vody, ktorá pri teplote 0°C začína mrznúť, pričom sa uvoľní do okolia istá energia. A práve uvoľnená energia spôsobila zrýchlenie rozpínania vesmíru.

Pritom hustota energie vesmíru poklesla z obrovskej hodnoty takmer na nulu a vesmír sa zaplnil obrovským množstvom častíc a im zodpovedajúcich antičastíc. Pritom platil známy Einsteinov vzťah ekvivalencie energie a hmoty: E = m.c2. Teplota vesmíru bola veľmi vysoká (1028 K), častice a antičastice neustále interagovali - zanikal a vzápätí sa opäť utvárali. Vesmír sa pritom rozpínal a jeho teplota sa zmenšovala.

Keď teplota klesla pod kritickú teplotu, potrebnú pre samovoľný vznik častíc a antičastíc z fotónov, prestali vznikať nové častice. Pretože zákony opisujúce správanie častíc a antičastíc nie sú úplne symetrické, vo vesmíre sa vtedy už nachádzalo nepatrne viac častíc ako antičastíc. Existujúce antičastice pomerne rýchlo zanikli v procese vzájomných zrážok s časticami, a napokon vesmír ostal vyplnený len tým malým množstvom častíc, ktorý bol navyše oproti antičasticiam.

Pri ďalšom rozpínaní a ochladzovaní vesmíru, v čase asi 10-5 sekundy a pri teplote 1013 K, začali vznikať protóny a neutróny. Spočiatku ich bolo rovnako veľa, v ďalšom priebehu však dochádza k ich rozpadom. A pretože voľné neutróny sú menej stabilné, pomerne rýchlo sa zmenil pomer protónov k neutrónom v percentách na 92:8. Našťastie, vtedy, v čase asi 13 sekúnd, sa už vesmír natoľko ochladil (teplota bola 3.109 K), že sa začali tvoriť jadrá hélia, ktoré naviazali neutróny a tak ich zachránili pred ďalším zánikom. Výsledný pomer 92% H : 8% He pritom súhlasí s pozorovanými údajmi starých hviezd.

Odvtedy sa tempo zmien vo vesmíre veľmi spomalilo. Až v čase asi 700 000 rokov, keď mal vesmír teplotu 3000 K, dochádza k naviazaniu elektrónov na jadrá vodíka a hélia, a teda k vytvoreniu neutrálnych atómov vodíka a hélia, ktoré vypĺňali vesmír. Tymto končí vo vývoji vesmíru éra žiarenia a nastáva éra látky. Potom sa už povaha reliktového žiarenia nemenila, iba klesala jeho teplota na dnešných 2,7 Kelvina.

Trvalo asi sto miliónov rokov, kým vznikli prvé štruktúry vo vesmíre - galaxie. Aj tento proces vieme objasniť, pretože vieme, že k vzniku štruktúr môže dôjsť vtedy, ak máme aspoň dvojzložkový systém (ten tvorili vodík a hélium) a súčasné pôsobenie dvoch činiteľov - štruktúrotvorného (gravitačná sila) a deštrukčného (difúzie). Proces vytvárania štruktúr vo vesmíre je tak trochu podobný procesu tvorenia pieskových dún v púšti, ktoré tiež samovoľne vznikajú pri pôsobení vetra a difúzie.

V nasledujúcej etape, v čase do jednej miliardy rokov po big bangu, vznikli ďalšie štruktúry - prvé hviezdy. Gravitačným pôsobením sa medzihviezdny prach zhlukoval do kompaktných telies, ktoré sa vo vnútri pôsobením tlaku začali zahrievať. Po dosiahnutí kritickej teploty potrebnej pre zapálenie termojadrových reakcií vznikali v hviezdach ďalšie chemické prvky. Tieto prvky sa po vyčerpaní paliva hviezd a ich následnom výbuchu dostali do vesmírneho priestoru, kde tvorili základ, z ktorého vznikla druhá generácia hviezd a planét.

Asi pre 5 miliardami rokov tak ako jedna z hviezd druhej generácie vzniklo aj naše Slnko so svojou slnečnou sústavou (a planétou Zem), na ktorej potom neskôr vznikol život. Ale to už je o inom.

A ako sa bude vesmír vyvíjať ďalej? To ešte neviem. Nepoznáme totiž dostatočne presne priemernú hustotu vesmíru, a tak nevieme odhadnúť, či rozpínanie vesmíru bude pokračovať, alebo či sa po čase zastaví s nasledovným gravitačným zrútením do jediného bodu. Na odpoveď na túto otázku si budeme musieť počkať.