Vznik vesmíru velkým třeskem je v současnosti nejuznávanější kosmologickou teorií. Její součástí je i obecná teorie relativity a za jednu z hlavních hybných sil považuje gravitaci. Jako každá teorie i tato vyvolává spoustu otázek. Třeba tu, jak velký třesk mohl vzniknout z ničeho..

Tyto otázky bývají někde na hranici fyzikálních věd a filozofie. Tyto oblasti však nutně nemusí být v protikladu, naopak, mohou se velmi dobře doplňovat. Ostatně mnohdy se říká, že pohled do hlubokého vesmíru vyvolává v člověku mnohé otázky, které se bytostně filozofie dotýkají.

„Poslední hvězda pomalu vychladne a zanikne. S jejím odchodem se vesmír opět stane prázdnotou, bez světla, života a smyslu,“ přibližuje jeden z kosmologických modelů britský částicový fyzik Brian Cox. Prostor ovládne chlad a pustota.

Čas se jakoby zastaví, protože tak bude vesmír vypadat velmi, velmi dlouho. Až po 10³¹ letech začne docházet k určitým změnám. Nukleony, které dosud tvořily hvězdné zbytky, se začnou měnit v lehčí částice, jakými jsou pozitrony nebo elektrony. Ale ani ony tu nebudou věčně….

Elektrony a pozitrony se začnou rozplývat a ten samý osud čeká mrtvé hvězdy. Ani černé díry tu nebudou věčně. Byť je všeobecně známo, že jim neuteče téměř nic, tyto díry nejsou zase tak úplně černé. Uniká z nich záření, takže se vlastně postupně vypařují.

A to tak, až jednoho temného dne zmizí docela. Uplyne googol (10^100) let, a kosmos bude zcela bez hmoty. Tu a tam jím proletí zbytky záření a nějaké zatoulané neutrino.

Vesmír bude pomalu a mrazivě umírat. A také trvale, protože rozpínání vesmíru, jeho inflace, bude věčná…

Anebo také ne. Někteří kosmologové nadhazují možnost, že vše už tu bylo. Že vesmír se již do takového chladného a mrtvolného stavu dostal. Přičemž právě tento stav se mohl stát zdrojem velkého třesku, který ve svých důsledcích zrodil i nás.

Fyzika ví, že stabilní hmota tvořená atomy nebo molekulami v době velkého třesku neexistovala. „Ve skutečnosti máme poměrně přesnou představu o tom, jak se z jednodušších částic vytvořily první atomy, jakmile se podmínky ochladily natolik, že složitá hmota mohla být stabilní, a jak se tyto atomy později slučovaly do těžších prvků uvnitř hvězd.

Tyto znalosti však neřeší otázku, zda něco vzniklo z ničeho,“ připomíná fyzik a filozof Alastair Wilson z Birminghamské univerzity.

Prvními částicemi hmoty, které vydržely pohromadě delší dobu, byly protony a neutrony, které společně tvoří atomové jádro. Ty vznikly přibližně jednu desetitisícinu sekundy po velkém třesku. Před tímto okamžikem ve skutečnosti neexistovala žádná hmota, jak ji známe dnes.

Fyzika nám však umožňuje nahlédnout do procesů, které se odehrávaly před vznikem stabilní hmoty.

Takové době se říká velká sjednocená éra. „Nyní se již pohybujeme v oblasti spekulativní fyziky, protože při našich experimentech nedokážeme vyrobit dostatek energie, abychom mohli zkoumat procesy, které v té době probíhaly,“ upozorňuje Alastair Wilson.

Věrohodnou hypotézou však je, že tehdejší fyzikální svět se skládal z polévky nestabilních elementárních částic, včetně kvarků, stavebních kamenů protonů a neutronů.

Hmota i antihmota se vyskytovaly v přibližně stejném množství, hmoty bylo pravděpodobně víc, jak dokládá složení okolního vesmíru. Každý typ částice hmoty, jako je kvark, má zrcadlový obraz v antihmotě.

Obě částice jsou téměř identické, liší se pouze v jednom aspektu, a to v náboji. Hmota a antihmota však při setkání anihilují v záblesku energie, což znamená, že tyto částice neustále vznikaly a zanikaly.

Jak ale tyto částice vůbec vznikly? Kvantová teorie pole říká, že i vakuum, které údajně odpovídá prázdnému prostoročasu, je plné fyzikální aktivity v podobě energetických fluktuací. Tyto fluktuace mohou dát vzniknout částicím, které se objeví, aby vzápětí zmizely.

„Může to znít spíš jako matematická hříčka než skutečná fyzika, ale takové částice byly spatřeny v nesčetných experimentech,“ popisuje Wilson. Je tedy docela dobře možné, že kvantové vakuum je navzdory svému názvu spíš „něčím“ než „ničím“.

Kde se ovšem vzal samotný časoprostor? Při hledání odpovědí na tuto otázku se dostáváme do Planckovy éry, kraťoulinkého období po velkém třesku, které netrvalo ani biliontinu sekundy. „I za tak nepatrnou dobu zřejmě čas a prostor začaly podléhat kvantovým fluktulacím,“ popisuje Wilson.

Na pochopení Planckovy éry je však současná fyzika stále ještě krátká. Potřebovala by k tomu kompletní teorii kvantové gravitace a k té, jak se zdá, je zatím ještě dlouhá cesta.

V Planckově éře se tedy naše běžné chápání prostoru a času rozpadá, takže se už nemůžeme spoléhat ani na chápání příčin a následků. Přesto všechny kandidátské teorie kvantové gravitace, ať je to smyčková kvantová gravitace, nebo teorie strun, popisují fyzikální procesy, které v této éře, jakémsi kvantovém předchůdci běžného prostoru a času, probíhaly. Ale kde se to všechno vzalo?

Indicií je zoufale málo. „Momentálně můžeme s jistotou říci nanejvýš to, že fyzika zatím nenašla žádný potvrzený případ vzniku něčeho z ničeho,“ říká Wilson. Abychom skutečně odpověděli na otázku, jak mohlo něco vzniknout z ničeho, museli bychom vysvětlit kvantový stav celého vesmíru na počátku Planckovy epochy.

Samozřejmě že v současnosti jsou všechny takové pokusy vysoce spekulativní. Některé z nich se odvolávají na nadpřirozené síly, v podobě Boha nebo velkého designéra. Jiná vysvětlení se raději drží fyziky, sem patří například teorie multivesmíru, který obsahuje nekonečný počet paralelních vesmírů, nebo cyklické modely kosmu, ve kterých vesmír neustále vzniká a zaniká.

Držitel Nobelovy ceny za fyziku za rok 2020, anglický matematik a fyzik Roger Penrose, navrhl jeden zajímavý, byť docela kontroverzní model cyklického vesmíru, který nazval konformní cyklická kosmologie.

Inspirací pro Penrose byly dva zcela odlišné stavy vesmíru. Ten první byl na jeho počátku, kdy byl kosmos malý a nepředstavitelně hustý a horký. Opačným extrémem je pak předpokládaná a již zmíněná tepelná smrt vesmíru, kdy kosmos bude obrovský, řídký a chladný.

Jeho hypotéza je postavena na tom, že oba stavy se stanou matematicky identickými, když se dostanou na své hranice. Ačkoli se to může zdát paradoxní, naprostá absence hmoty mohla podle Penrose dát vzniknout veškeré hmotě, kterou vidíme kolem sebe v našem vesmíru.

Z čeho tedy z hlediska Penroseovy teorie vznikl vesmír? Skutečně téměř z ničeho. Ale jen téměř. Poměry, které stály u zrodu kosmu, se ke stavu, který pracovně označme jako „nic“, téměř přiblížily. „Stále se jedná o fyzikální vesmír, jakkoli je téměř prázdný,“ přibližuje Alastair Wilson.

Většinu lidí samozřejmě napadne otázka, jak může být tentýž stav z jednoho pohledu chladným, prázdným vesmírem a z druhého pohledu horkým, hustým vesmírem. Odpověď spočívá ve složitém matematickém postupu zvaném konformní změna měřítka, což je geometrická transformace, která ve skutečnosti mění velikost objektu, ale jeho tvar ponechává nezměněný.

Penrose navrhl studený prázdný stav a horký hustý stav spojit přeškálováním, aby se shodovaly, pokud jde o tvary jejich prostoročasů, byť nikoli velikostí. Je obtížné pochopit, jak mohou být dva objekty tímto způsobem totožné, když mají různé velikosti.

„Velikost jako pojem přestává mít v těchto extrémních fyzikálních podmínkách jakýkoli smysl,“ tvrdí Penrose.

V těchto extrémních stavech přestává být relevantní nejen velikost, ale i čas. Studený prázdný stav a horký hustý stav se ve skutečnosti nacházejí na různých časových liniích. „Studený prázdný stav by z pohledu pozorovatele ve své vlastní časové geometrii pokračoval navždy, ale horký hustý stav, který vzniká, fakticky otevírá novou vlastní časovou linii,“ popisuje Alastair Wilson.

Konformní cyklická kosmologie nabízí některé podrobné, i když značně spekulativní odpovědi na otázku, kde se vzal náš velký třesk. Ale i kdyby se Penroseova vize budoucím pokrokem kosmologie potvrdila, stále tu zůstává otázka, kde se vlastně vzala fyzikální realita.

Jak vznikl celý systém cyklů? Pak nutně skončíme u otázky, proč existuje něco, a ne nic, tedy jedné z největších otázek metafyziky.

Odpovědi na otázku, jak by mohly vesmírné cykly „od třesku ke třesku“ vzniknout, můžeme rozdělit do tří okruhů. Tím prvním je, že jejich zrod nemusí mít žádné fyzikální vysvětlení. To se samozřejmě astrofyzikům pranic nelíbí.

Druhou možností je, že mohly existovat nekonečně se opakující cykly, z nichž každý by byl samostatným vesmírem, přičemž počáteční kvantový stav každého vesmíru by byl vysvětlen nějakou vlastností předchozího vesmíru.

Anebo by mohl existovat jeden jediný cyklus a jeden jediný opakující se vesmír, přičemž počátek tohoto cyklu by byl vysvětlen nějakou vlastností jeho vlastního konce. „Poslední dva přístupy se vyhýbají potřebě jakýchkoli nezapříčiněných událostí – a to jim dodává osobitý půvab. Nic by nezůstalo fyzikou nevysvětleno,“ říká Wilson.

Penrose předpokládá sled nekonečných nových cyklů z důvodů, které částečně souvisejí s jeho vlastní preferovanou interpretací kvantové teorie. V kvantové mechanice je popsána tzv. superpozice, kdy se částice nachází v mnoha různých stavech současně a jen náhodně si „vybere“ jeden z nich, když ho zrovna měříme.

Podle Penrose zahrnuje každý cyklus náhodné kvantové události, které se vyvíjejí jiným způsobem. To znamená, že každý cyklus se bude lišit od těch předcházejících a následujících. „To je vlastně dobrá zpráva pro experimentální fyziky, protože by nám to mohlo umožnit nahlédnout do starého vesmíru, který dal vzniknout tomu našemu, prostřednictvím slabých stop nebo anomálií ve zbytcích záření po velkém třesku, které pozoruje sonda Planck,“ myslí si Wilson.

Penrose a jeho spolupracovníci nevylučují, že tyto stopy již možná spatřili. Podle nich některé anomálie, které sonda Planck zachytila, mohou být pozůstatky záření supermasivních černých děr z předchozího vesmíru.

Tato tvrzení se však v akademickém světě zatím nesetkávají s příliš velkým pochopením.

Klíčem k Penroseově vizi jsou nekonečné nové cykly. Ale je tu i možnost, že se jedná stále o jediný cyklus. Fyzikální realita je pak založena právě na něm. A tak vše začne velkým třeskem, pak se vesmír rozpíná až do maximálně prázdného stavu v daleké budoucnosti a poté znovu nastane velký třesk, jehož výsledkem je tentýž vesmír.

Tato druhá možnost je v souladu s interpretací kvantové mechaniky, která se nazývá interpretace mnoha světů. Ta nám říká, že pokaždé, když měříme systém, který je v superpozici, toto měření nevybírá náhodně stav.

Místo toho je výsledek měření, ke kterému dospějeme, jen jednou z možností, a to tou, která se odehrává v našem vlastním vesmíru. Všechny ostatní výsledky měření se odehrávají v jiných vesmírech v multivesmíru, fakticky odříznutých od našeho vesmíru.

„Nezáleží tedy na tom, jak malá je šance, že něco nastane. Pokud má nějaká událost nenulovou šanci k uskutečnění, pak se odehrává v nějakém kvantovém paralelním světě. V jiných světech žijí lidé jako vy, kteří vyhráli v loterii nebo je vynesl do oblak podivný tajfun nebo se samovolně vznítili, případně zvládli všechno najednou,“ popisuje Wilson.

Kvantová teorie mnoha světů přináší nový pohled na konformní cyklickou kosmologii. Náš velký třesk by mohl být znovuzrozením jednoho jediného kvantového multivesmíru, který obsahuje nekonečně mnoho různých vesmírů, jež se vyskytují společně.

V Penrosem upřednostňované vícecyklové podobě slibuje tato hypotéza nekonečné nové světy zrozené z popela jejich předků. Ve své jednocyklové podobě je pozoruhodným moderním oživením pradávného symbolu hada požírajícího svůj ocas, známého jako Uruboros.

Právě ten představuje cyklickou podstatu věcí, nekonečný návrat od konce k začátku, sebezničení a následnou sebeobnovu.