Astrophysics for People in a Hurry

Copyright © Neil deGrasse Tyson, 2017

Translation © Radomír Beneš, 2020

© Nakladatelství JOTA, s. r. o., 2020

ISBN epub 978-80-7565-696-4

PŘEDMLUVA

V posledních letech neuběhne jediný týden, aniž by se objevila zpráva o kosmickém objevu hodném palcových titulků. Možná za vším stojí jen silnější orientace současných zpravodajců na vesmír, ale daleko pravděpodobněji je tento nárůst důsledkem zvýšeného zájmu veřejnosti o vědu. Důkazů by se našla spousta, ať už by to byla obliba televizních pořadů inspirovaných vědou nebo úspěch vědeckofantastických filmů s herci zvučných jmen a neméně slavnými producenty či režiséry. V neposlední řadě je třeba zmínit velkolepé životopisné filmy o významných vědcích, které se staly zcela samostatným filmovým žánrem. A konečně je tu i celosvětově velký zájem o vědecké festivaly, setkání příznivců sci-fi a televizní vědecké dokumenty.

Nejvýdělečnější film všech dob pochází z dílny slavného režiséra, který svůj příběh umístil na planetu obíhající vzdálenou hvězdu. A v jedné z rolí se objevuje známá herečka coby astrobioložka. Je zajímavé, že zatímco většina vědních oborů se na vzestupu ocitá až v dnešní době, obor astrofyziky stoupá k vrcholu napříč věky. Domnívám se, že vím proč. Každý z nás už někdy vzhlédl k noční obloze a v hlavě mu vyskočily otázky: Co to všechno je? Jak to funguje? A jaké je vlastně moje místo ve vesmíru?

Těm, kdo nemají dostatek času poznávat kosmos na přednáškách, studiem učebnic nebo sledováním dokumentů, a přesto hledají stručný, leč smysluplný úvod do dané problematiky, je určena Astrofyzika pro lidi ve spěchu. Díky této útlé knize získáte základní povědomí o všech významných myšlenkách a objevech, které řídí naše současné chápání vesmíru. Pokud se mi to podaří, začnete se v mém vědním oboru orientovat a možná zatoužíte po dalších informacích.

Vesmír nemá povinnost

dávat vám smysl.

— NDT

Astrofyzika

pro lidi ve spěchu

1.

Největší příběh všech dob

Svět přetrvává mnoho dlouhých let,

byv stvořen ubírat se směrem kýženým.

Vše ostatní od toho se odvíjí.

LUCRETIUS, asi 50 př. n. l.

Na samém počátku, před bezmála čtrnácti miliardami let, se celý vesmír a s ním i veškerá hmota a energie známého vesmíru vešly do menšího prostoru, než představuje jedna biliontina velikosti tečky na konci této věty.

Vše bylo velice žhavé a základní přírodní síly, které vesmír charakterizují, byly sloučené. Ačkoliv se stále neví, jak tento miniaturní vesmír vznikl, jediné, co mohl činit, bylo rozpínat se. A to tak, že rychle. Dnes tomuto procesu říkáme velký třesk.

Einsteinova obecná teorie relativity, zveřejněná v roce 1916, nám přináší moderní vnímání gravitace, kdy hmota a energie zakřivují svojí přítomností prostor a čas, který jej obklopuje. Ve 20. letech minulého století ale došlo k objevu kvantové mechaniky, se kterou přišlo naše moderní vnímání všeho malého: molekul, atomů a subatomárních částic. Obě zmíněná pojetí jsou však z formálního hlediska vzájemně nekompatibilní, což fyziky přimělo, aby se teorii malého pokusili spojit s teorií velkého za vytvoření jediné koherentní teorie kvantové gravitace. Sice ještě nejsme u cíle tohoto snažení, ale víme už, kde leží největší překážky. Jedna z nich spočívá v raném vesmíru tzv. „Planckovy éry“. To je časový interval od t = 0 do t = 10-43 sekund (deset-milion-bilion-bilion-biliontin sekundy) od počátku vesmíru do doby, než vyrostl do velikosti 10-35 metrů (sto miliard-bilion-biliontin metru). Německý fyzik Max Planck, jehož jméno tato nepředstavitelně malá množství nesou, představil v roce 1900 myšlenku kvantované energie a také je dodnes považovaný za otce kvantové mechaniky.

Rozpor mezi gravitací a kvantovou mechanikou nepředstavuje pro současný vesmír žádný praktický problém. Astrofyzikové totiž aplikují principy a nástroje obecné relativity a kvantové mechaniky na zcela odlišné typy otázek. Na počátku, v době Planckovy éry, však ještě bylo velké malým a odtud také pramení naše domněnka, že mezi oběma fenomény musel existovat nějaký vztah připomínající vynucený sňatek. Bohužel nám však sliby vyřčené v průběhu svatebního obřadu nadále unikají, a tak nemáme ani žádné (známé) fyzikální zákony, které by chování vesmíru v této době s jistotou popisovaly.

Očekáváme, že na konci Planckovy éry se gravitace oddělila od ostatních, stále ještě sjednocených přírodních sil, a nakonec dosáhla nezávislé povahy, kterou popisují naše současné teorie. V průběhu stárnutí během prvních 10-35 sekund se vesmír nadále rozpínal, přičemž docházelo k ředění veškerých koncentrací energie. To, co ze sjednocených sil zbylo, se rozštěpilo na „elektroslabé“ a „silné nukleární“ síly. Ještě později se elektroslabá síla dále rozdělila na elektromagnetickou a „slabou nukleární“ sílu, čímž došlo k odhalení čtveřice odlišných sil, které jsme se naučili rozpoznávat a milovat: slabá síla ovládající radioaktivní rozpad, silná síla vázající atomové jádro, elektromagnetická síla vázající molekuly a gravitace vázající hmotu.

*

Od počátku uběhla jedna biliontina sekundy.

*

Po celou tu dobu docházelo v hmotě k neustálé interakci mezi hmotou ve formě subatomárních částic a energií v podobě fotonů (bezhmotné částice světelné energie, které jsou stejně tak částicemi jako vlnami). Vesmír byl dostatečně horký na to, aby tyto fotony mohly samovolně přeměňovat svoji energii na párové částice hmoty a antihmoty, které ihned poté zanikly a svoji energii vrátily fotonům. Ano, antihmota je skutečná. A objevili jsme ji my, ne autoři science fiction. Veškeré tyto proměny vyjadřuje nejznámější Einsteinova rovnice E = mc^2, kterou lze chápat jako obousměrný návod na stanovení množství hmoty, jemuž naše energie odpovídá, a množství energie, jemuž odpovídá naše hmota. Hodnota c^2 vyjadřuje rychlost světla na druhou – obrovské číslo, které po vynásobení hmotou říká, kolik energie danou činností získáme.

Krátce před tím, co se silné a elektroslabé síly vzájemně oddělily, ale i během tohoto procesu a po něm, byl vesmír vroucí polévkou plnou kvarků, leptonů a jejich antihmotných sourozenců doplněných o bosony, což jsou částice umožňující jejich interakce. Žádná z těchto skupin částic se nepovažuje za dělitelnou na něco menšího nebo jednoduššího, nicméně každá z nich se vyskytuje v několika variantách. Běžný foton patří do rodiny bosonů. Nejznámějším leptonem pro laika je elektron a snad ještě neutrino; a nejznámějšími kvarky jsou… dobře, žádné známé kvarky neexistují. Každý z jejich šesti poddruhů dostal abstraktní jméno bez jakéhokoliv filologického, filosofického nebo pedagogického účelu, s výjimkou odlišení jednoho druhu od druhého: nahoru a dolů, podivný a půvabný, svrchní a spodní.

Mimochodem bosony jsou pojmenované po indickém vědci Šatendranáthovi Bosem. Slovo „lepton“ pochází z řeckého výrazu leptos pro „lehký“ nebo „malý“. Zato „kvark“ má literární a zdaleka nejzajímavější původ. Fyzik Murray Gell-Mann, jenž v roce 1964 předpověděl existenci kvarků coby vnitřních složek neutronů a protonů a který se v té době domníval, že rodinu kvarků tvoří jen tři členy, převzal název z typicky snového řádku díla Finnegans Wake spisovatele Jamese Joyce: „Třikrát kvarka na pana Marka!“ Jedno kvarkům upřít nelze: všechny jejich názvy jsou prosté – čehož nejsou chemici, biologové a zejména geologové při vymýšlení nových pojmů schopni.

Kvarky jsou zvláštním jevem. Na rozdíl od protonů, kdy každý má elektrický náboj +1, a elektronů s nábojem -1 mají zlomkový náboj s třetinovým poměrem. Kvark navíc nikdy nezachytíte osamocený; vždy se bude nacházet v těsné blízkosti dalších kvarků. Skutečnost se má tak, že čím více je od sebe oddělujete, tím víc narůstá síla, která je drží pohromadě – jako by je vzájemně poutala jakási subnukleární guma. Jakmile kvarky dostatečně oddělíte, guma se přetrhne a uložená energie, přesně dle vzorce E = mc^2, vytvoří na obou nově vzniklých koncích po jednom novém kvarku. Opět se tedy ocitnete tam, kde jste začali.

V kvark-leptonové éře byl vesmír natolik hustý, že běžné dělení probíhající mezi volnými kvarky konkurovalo dělení mezi kvarky vázanými. Za těchto podmínek nebylo možné dosáhnout mezi sousedními částicemi jednoznačné součinnosti. Ty se pohybovaly zcela volně, přestože společně byly vázané. Objev tohoto stavu hmoty, který připomíná jakýsi kvarkový kotel, oznámila poprvé v roce 2002 skupina fyziků z Brookhavenské národní laboratoře na newyorském Long Islandu.

Na základě silných teoretických důkazů je zřejmé, že jedna z událostí ve velmi raném vesmíru, snad z období dělení sil, obdařila vesmír pozoruhodnou asymetrií, v níž částice hmoty svým počtem mírně převyšovaly částice antihmoty: konkrétně v poměru miliarda jedna ku miliardě. Tohoto nepatrného rozdílu v celkovém počtu by si uprostřed všeho vznikání, zanikání a opětovného vznikání kvarků a antikvarků, elektronů a antielektronů (známějších jako pozitrony), resp. neutrin a antineutrin, sotva kdo povšiml. Ostatně ona částice navíc, stejně jako všechny ostatní, měla spousty příležitostí najít si jinou, kterou by zničila.

Vše ale netrvalo dlouho. Jak se vesmír dále rozpínal a ochlazoval, přesáhl svojí velikostí rozměry sluneční soustavy a teplota v něm klesla pod hodnotu jednoho bilionu Kelvinů.

*

Od počátku uplynula jedna miliontina sekundy.

*

Tento vesmír už neměl dostatečnou teplotu ani hustotu na výrobu nových kvarků. Každá existující částice si tedy našla svého tanečního partnera a společně vytvořili novou rodinu těžkých částic, zvaných hadrony (z řeckého hadros, což znamená „tlustý“). Přechod od kvarků k hadronům záhy vedl ke vzniku protonů a neutronů, stejně jako dalších, méně známých těžkých částic, které se bez výjimky skládaly z různých kombinací kvarků. Vědci dnes tyto podmínky znovu vytvářejí ve Švýcarsku (zpátky na Zem), kde v rámci evropské spolupráce v oboru částicové fyziky[*] používají ke srážení paprsků hadronů velký urychlovač. Jedná se o největší přístroj na světě, účelně nazvaný Velký hadronový urychlovač.

Výše zmíněná asymetrie mezi hmotou a antihmotou, která existovala již v kvark-leptonové polévce, se nyní přestěhovala na hadrony, a to s dalekosáhlými důsledky.

Jak se vesmír dále ochlazoval, klesalo množství energie dostupné pro spontánní vznik základních částic. V éře hadronů už se všudypřítomné fotony nemohly při výrobě párů kvark-antikvark řídit rovnicí E = mc^2. Ba co víc? Fotony, které vznikaly během všech zbývajících anihilací, přišly o svoji energii ve prospěch rozpínajícího se vesmíru, čímž se ocitly pod prahovou hodnotou nutnou pro vznik hadron-antihadronových párů. Z každé miliardy anihilací – po níž zůstala miliarda fotonů – se zachoval jediný hadron. A právě tito samotáři nakonec slízli veškerou smetanu: posloužili jako základní zdroj hmoty při vytváření galaxií, hvězd, planet a petúnií.

Bez zmíněné nerovnováhy mezi hmotou a antihmotou v poměru miliarda jedna ku miliardě by se veškerá hmota ve vesmíru sama zničila, takže vesmír by tvořily jen fotony a nic jiného – dokonalý scénář ve stylu „budiž světlo“.

*

Do této chvíle uběhla jedna sekunda.

*

Vesmír se rozrostl na několik světelných let,[†] tedy přibližně na vzdálenost od Slunce po jemu nejbližší hvězdy. Vzhledem k miliardě stupňů je ještě stále velmi horký – a nadále schopný vytvářet elektrony, které společně se svými pozitronovými protějšky neustále vznikají a zanikají. V trvale expandujícím a chladnoucím vesmíru jsou však jejich dny (ve skutečnosti sekundy) sečteny. Co platilo pro kvarky a hadrony, platí i pro elektrony: nakonec přežije pouze jeden z miliardy. Zbylé elektrony zanikají s pozitrony, svými antihmotnými kumpány, v moři fotonů.

Přibližně v tomto okamžiku vzniká „zamrznutím“ jeden elektron na každý proton. Vesmír se nadále ochlazuje – jeho teplota klesá pod sto milionů stupňů – a protony se slučují s dalšími protony, popřípadě s neutrony, přičemž vytvářejí atomová jádra a budují vesmír, ve kterém je devadesát procent jader vodíkových a deset procent heliových, společně se stopovým množstvím deuteria („těžkého“ vodíku), tritia (ještě těžšího vodíku) a lithia.

*

Od počátku právě uplynuly dvě minuty.

*

Následujících 380 000 let se v naší částicové polévce nic zásadního neodehraje. Teplota zůstane po celá tisíciletí dostatečně vysoká, takže elektrony se budou moci volně pohybovat mezi fotony a při vzájemné interakci je odpalovat, kam se jim zachce.

Jakmile však teplota vesmíru klesne pod 3 000 Kelvinů (asi polovina teploty povrchu Slunce), veškerá svoboda náhle skončí a všechny volné elektrony se spojí s jádry. Tento svazek zanechá všudypřítomnou lázeň viditelného světla, která do nebe navždy otiskne, kde se veškerá hmota v danou chvíli nacházela, a dokončí vznik částic i atomů v prvotním vesmíru.

*

První miliardu let se vesmír nadále rozpínal a ochlazoval, zatímco hmota vytvářela masivní shluky, které dnes nazýváme galaxiemi. Vzniklo jich bezmála sto miliard a každá obsahovala stovky miliard hvězd, v jejichž jádrech probíhala termonukleární syntéza. Hvězdy s větší než desetinásobnou hmotností Slunce měly ve svém jádru dostatečný tlak a teplotu k výrobě desítek prvků těžších než vodík, včetně těch, ze kterých se skládají planety a vše živé, co na nich může existovat.

Tyto prvky by však byly naprosto k ničemu, kdyby zůstaly tam, kde vznikly. Naštěstí však hvězdy s vysokou hmotností občas explodují a rozptýlí své chemicky obohacené vnitřnosti po celé galaxii. Po devíti miliardách let takového obohacování se tak v jedné nevýznamné části vesmíru (na okraji Místní nadkupy galaxií), v jedné nevýznamné galaxii (Mléčná dráha) a v jedné nevýznamné oblasti (Orionovo rameno) zrodila nevýznamná hvězda (Slunce).

Plynný mrak, z něhož Slunce vzniklo, obsahoval dostatečné množství těžkých prvků, jež se sloučily a vytvořily spletitý systém obíhajících objektů, který zahrnuje několik pevných i plynných planet, stovky tisíc asteroidů a miliardy komet. V průběhu prvních několika set milionů let kroužilo vesmírem obrovské množství kosmického smetí, které se nachytávalo na větší tělesa. Vše probíhalo ve formě vysokorychlostních a vysokoenergetických nárazů, které tavily povrch pevných planet a bránily vzniku složitých molekul.

Konec ukázky

Table of Contents

Titulní strana

Tiráž

1.