Pri slovnom spojení „temná energia“, môže človeku napadnúť všeličo: od geopatogénnych zón cez satanistické obrady až po Ficove tlačovky. V kozmológii sa týmito slovami označuje záhadná vec, ktorá poháňa vesmír k čoraz rýchlejšiemu rozpínaniu.
Na úvod by sme si mohli povedať, čo o tej temnej energii vlastne vieme. Nuž, nie je toho veľa. Vieme, že existuje, a vieme aj, koľko sa jej vo vesmíre nachádza: 74 percent hmotnosti vesmíru tvorí práve temná energia. A to je všetko, viac už o nej nevieme nič. Nevieme odkiaľ sa niečo také vzalo, ani čo konkrétne by to mohlo byť.
Tak moment. Ako môžeme o niečom vôbec nevedieť, čo to vlastne je, a pritom presne vedieť, koľko toho je? Nie je to nejaký nezmysel? Nie je.
.omyl na druhú
Existencia temnej energie veľmi úzko súvisí so zakrivením vesmíru. Čo vieme o tomto zakrivení? V prvom rade vieme (už bezmála sto rokov), že štvorrozmerný časopriestor je zakrivený. O jeho zakrivení rozhoduje rozloženie energie, pričom presný súvis medzi zakrivením časopriestoru a rozložením energie opisujú Einsteinove rovnice, t.j. základné rovnice všeobecnej teórie relativity. Z toho však ešte nevyplýva, že je zakrivený aj trojrozmerný priestor.
Pod pojmom vesmír obyčajne rozumieme práve tento trojrozmerný priestor. Čo nám hovorí o zakrivení vesmíru všeobecná teória relativity? Nuž, ak predpokladáme (spolu s chudákom Giordanom Brunom), že vesmír je prakticky všade a vo všetkých smeroch rovnaký (pričom tento predpoklad je úplne v súlade s modernými astronomickými pozorovaniami ), potom Einsteinova teória pripúšťa iba tri typy vesmíru. Z nich dva sú zakrivené a jeden je rovný. Každý z týchto troch typov vesmíru sa ešte môže v čase meniť – rozpínať alebo zmršťovať – pričom tieto zmeny sú opísané spomínanými Einsteinovými rovnicami. Ktorý typ trojrozmerného priestoru a aký časový vývoj si vybral náš svet?
Prvý sa na túto otázku pokúsil v roku 1917 odpovedať sám Einstein. Keďže bol presvedčený, že vesmír musí byť statický, hľadal také riešenie svojich rovníc, ktoré sa nemení s časom. To však vôbec nebolo ľahké. Pre pôvodné Einsteinove rovnice to bolo dokonca nemožné – nijaké také riešenia pôvodných rovníc neexistovali.
Einstein si však poradil. Všimol si, že svoje rovnice môže určitým spôsobom modifikovať a zmenené rovnice už pripúšťali statické riešenie. Výsledný trojrozmerný priestor mu síce vyšiel zakrivený, ale to ho nijako zvlášť neznepokojovalo. Dokonca by sa dalo povedať, že ho to celkom potešilo.
Modifikáciu svojich rovníc pridaním takzvaného „člena s kozmologickou konštantou“ neskôr Einstein nazval najväčšou chybou svojho života. V roku 1929 totiž Edwin Hubble objavil metódu merania rýchlosti aj vzdialenosti galaxií a na základe svojich meraní zistil, že vesmír sa rozpína. Toto rozpínanie bolo celkom v súlade s časovo závislým riešením pôvodných, nemodifikovaných Einsteinových rovníc.
O pôvodných Einsteinových rovniciach, ktoré sú o poznanie elegantnejšie ako tie modifikované, sme si potom až do konca 20. storočia mysleli, že sú správne. Inými slovami, mysleli sme si, že modifikácia bola krok nesprávnym smerom. Už si to nemyslíme. Za uplynulých desať rokov sme sa totiž o vesmíre dozvedeli celkom nové veci a tie nás vedú k presvedčeniu, že člen s kozmologickou konštantou do Einsteinových rovníc predsa len patrí. Hodnota tejto konštanty je síce iná, ako predpokladal Einstein, to však nič nemení na skutočnosti, že správne sú podľa všetkého modifikované, a nie pôvodné rovnice. Vyzerá to tak, že najväčšou Einsteinovou chybou nebola modifikácia rovníc, ale jej zavrhnutie.
.vzdialené supernovy
Aké nové veci sme sa to o vesmíre dozvedeli na sklonku 20. storočia? Koncom deväťdesiatych rokov použili dve skupiny astronómov celkom novú metódu na meranie vzdialeností veľmi odľahlých galaxií (všetky dovtedajšie metódy dokázali spoľahlivo merať len vzdialenosť oveľa bližších galaxií). Metóda bola založené na pozorovaní explózií takzvaných supernov typu Ia. Astrofyzici toho vedia o supernovách tohto typu pomerne veľa a z ich poznatkov vyplýva, že tieto explózie sú prakticky vždy rovnako intenzívne. Zo zdanlivej intenzity explózie pozorovanej ďalekohľadom môžeme preto s veľkou presnosťou určiť jej vzdialenosť (čím je ďalej, tým menej intenzívna sa nám zdá).
Rýchlosť galaxie, v rámci ktorej supernova vybuchla, merali títo astronómovia v podstate rovnako, ako to robil Hubble (poznámka pre znalcov: išlo o meranie červeného posunu). A zistili, že vo veľmi vzdialených oblastiach akoby sa vesmír rozpínal pomalšie.
Pri veľmi povrchnom pohľade sa môže zdať, že toto zistenie odporuje základnej kozmologickej dogme o všade a vo všetkých smeroch rovnakom vesmíre, pretože taký vesmír sa musí rozpínať všade rovnako rýchlo. V skutočnosti však o nijaký rozpor nejde. Keďže svetlo sa šíri konečnou rýchlosťou, nejaký čas mu to trvalo, kým sa k nám od tých veľmi vzdialených galaxií dostalo. V skutočnosti mu to trvalo niekoľko miliárd rokov. Pri pozorovaní týchto galaxií sa preto pozeráme nie do súčasného vesmíru, ale do vesmíru vo veľmi dávnej minulosti.
Správna interpretácia nových údajov o rozpínaní vesmíru teda neznie tak, že ďaleký vesmír sa rozpína pomalšie ako blízky, ale že sa celý vesmír v minulosti rozpínal pomalšie ako v súčasnosti. Presne tak to spomínaní astronómovia oznámili v roku 1998.
No fajn, a čo na to hovoria Einsteinove rovnice? Pripúšťajú tieto rovnice riešenia s postupne sa zrýchľujúcim rozpínaním vesmíru? Nuž, tie pôvodné ani veľmi nie, ale tie modifikované veruže áno. A tak sa v roku 1998 do fyziky triumfálnym spôsobom vrátil Einsteinov člen s kozmologickou konštantou. A keďže v tomto marketingovom čase potrebuje každá vec nejaké sexi meno, začali fyzici hovoriť nie o kozmologickej konštante, ale o temnej energii. Je to v podstate jedno a to isté, ale to druhé znie tak tajomne. No nepoužite to.
.rovný vesmír
Merania rýchlostí veľmi vzdialených galaxií nám umožnili nielen zistiť, že vesmír sa rozpína čoraz rýchlejšie, ony nám dokonca umožnili odmerať hodnotu jeho zrýchlenia. A z nej sme sa potom dozvedeli hodnotu kozmologickej konštanty, alebo inými slovami, množstvo temnej energie vo vesmíre.
Táto hodnota bola, samozrejme, úplne iná, než bola veľmi špecifická hodnota, ktorú potreboval Einstein pre svoj statický vesmír. Ale aj táto nameraná hodnota bola veľmi špecifická. A dosť nás prekvapila.
Prekvapenie súviselo so spomínaným faktom, že náš trojrozmerný vesmír môže byť buď rovný, alebo zakrivený, pričom zakrivený môže byť dvoma rôznymi spôsobmi. Aký je, to závisí od množstva obyčajnej hmoty, temnej hmoty a temnej energie, ktoré sa vo vesmíre nachádzajú. Pri danom množstve obyčajnej a temnej hmoty je pre takmer všetky hodnoty množstva temnej energie vesmír zakrivený jedným z dvoch možných spôsobov. Len pre jednu veľmi špecifickú hodnotu množstva temnej energie je vesmír rovný. A práve táto hodnota (plus mínus nejaké drobné) vyšla z meraní zrýchlenia rozpínania vesmíru.
Na konci 20. storočia sme teda vedeli, že zhruba 70 percent hmotnosti vesmíru tvorí temná energia. Dnes poznáme toto číslo presnejšie, vieme že je to 74 percent. Znamená to, že sa spresnili naše merania vzdialeností supernov? Nie, v skutočnosti sa stalo niečo ešte oveľa lepšie. Zakrivenie vesmíru sme totiž dokázali odmerať úplne nezávislým spôsobom – meraním drobným nepravidelností v inak extrémne pravidelnom reliktnom žiarení.
Tieto merania urobila sonda WMAP, o ktorej sme písali v minulom čísle. Jedným z fascinujúcich výsledkov tejto extrémne úspešnej sondy bolo mimoriadne presné určenie krivosti vesmíru. Výsledok: vesmír je rovný (alebo len veľmi málo odlišný od rovného). Z tohto výsledku sa potom dá spätne vypočítať podiel temnej energie na celkovej hmotnosti vesmíru. Práve takto sme sa dostali k tým 74 percentám.
Zhrnutie: Koľko je temnej energie, to vieme pomerne presne, a to dokonca na základe dvoch celkom nezávislých meraní. Aká je fyzikálna podstata temnej energie, o tom nemáme ani tušenia. Ak má teda niekto pocit, že vo vede je už všetko podstatné objavené a pochopené, môžeme ho upokojiť (alebo znepokojiť, záleží od povahy) – ešte stále sa nájdu dôležité a hlboké otázky, s ktorými si veda zatiaľ vôbec nevie rady.
Na úvod by sme si mohli povedať, čo o tej temnej energii vlastne vieme. Nuž, nie je toho veľa. Vieme, že existuje, a vieme aj, koľko sa jej vo vesmíre nachádza: 74 percent hmotnosti vesmíru tvorí práve temná energia. A to je všetko, viac už o nej nevieme nič. Nevieme odkiaľ sa niečo také vzalo, ani čo konkrétne by to mohlo byť.
Tak moment. Ako môžeme o niečom vôbec nevedieť, čo to vlastne je, a pritom presne vedieť, koľko toho je? Nie je to nejaký nezmysel? Nie je.
.omyl na druhú
Existencia temnej energie veľmi úzko súvisí so zakrivením vesmíru. Čo vieme o tomto zakrivení? V prvom rade vieme (už bezmála sto rokov), že štvorrozmerný časopriestor je zakrivený. O jeho zakrivení rozhoduje rozloženie energie, pričom presný súvis medzi zakrivením časopriestoru a rozložením energie opisujú Einsteinove rovnice, t.j. základné rovnice všeobecnej teórie relativity. Z toho však ešte nevyplýva, že je zakrivený aj trojrozmerný priestor.
Pod pojmom vesmír obyčajne rozumieme práve tento trojrozmerný priestor. Čo nám hovorí o zakrivení vesmíru všeobecná teória relativity? Nuž, ak predpokladáme (spolu s chudákom Giordanom Brunom), že vesmír je prakticky všade a vo všetkých smeroch rovnaký (pričom tento predpoklad je úplne v súlade s modernými astronomickými pozorovaniami ), potom Einsteinova teória pripúšťa iba tri typy vesmíru. Z nich dva sú zakrivené a jeden je rovný. Každý z týchto troch typov vesmíru sa ešte môže v čase meniť – rozpínať alebo zmršťovať – pričom tieto zmeny sú opísané spomínanými Einsteinovými rovnicami. Ktorý typ trojrozmerného priestoru a aký časový vývoj si vybral náš svet?
Prvý sa na túto otázku pokúsil v roku 1917 odpovedať sám Einstein. Keďže bol presvedčený, že vesmír musí byť statický, hľadal také riešenie svojich rovníc, ktoré sa nemení s časom. To však vôbec nebolo ľahké. Pre pôvodné Einsteinove rovnice to bolo dokonca nemožné – nijaké také riešenia pôvodných rovníc neexistovali.
Einstein si však poradil. Všimol si, že svoje rovnice môže určitým spôsobom modifikovať a zmenené rovnice už pripúšťali statické riešenie. Výsledný trojrozmerný priestor mu síce vyšiel zakrivený, ale to ho nijako zvlášť neznepokojovalo. Dokonca by sa dalo povedať, že ho to celkom potešilo.
Modifikáciu svojich rovníc pridaním takzvaného „člena s kozmologickou konštantou“ neskôr Einstein nazval najväčšou chybou svojho života. V roku 1929 totiž Edwin Hubble objavil metódu merania rýchlosti aj vzdialenosti galaxií a na základe svojich meraní zistil, že vesmír sa rozpína. Toto rozpínanie bolo celkom v súlade s časovo závislým riešením pôvodných, nemodifikovaných Einsteinových rovníc.
O pôvodných Einsteinových rovniciach, ktoré sú o poznanie elegantnejšie ako tie modifikované, sme si potom až do konca 20. storočia mysleli, že sú správne. Inými slovami, mysleli sme si, že modifikácia bola krok nesprávnym smerom. Už si to nemyslíme. Za uplynulých desať rokov sme sa totiž o vesmíre dozvedeli celkom nové veci a tie nás vedú k presvedčeniu, že člen s kozmologickou konštantou do Einsteinových rovníc predsa len patrí. Hodnota tejto konštanty je síce iná, ako predpokladal Einstein, to však nič nemení na skutočnosti, že správne sú podľa všetkého modifikované, a nie pôvodné rovnice. Vyzerá to tak, že najväčšou Einsteinovou chybou nebola modifikácia rovníc, ale jej zavrhnutie.
.vzdialené supernovy
Aké nové veci sme sa to o vesmíre dozvedeli na sklonku 20. storočia? Koncom deväťdesiatych rokov použili dve skupiny astronómov celkom novú metódu na meranie vzdialeností veľmi odľahlých galaxií (všetky dovtedajšie metódy dokázali spoľahlivo merať len vzdialenosť oveľa bližších galaxií). Metóda bola založené na pozorovaní explózií takzvaných supernov typu Ia. Astrofyzici toho vedia o supernovách tohto typu pomerne veľa a z ich poznatkov vyplýva, že tieto explózie sú prakticky vždy rovnako intenzívne. Zo zdanlivej intenzity explózie pozorovanej ďalekohľadom môžeme preto s veľkou presnosťou určiť jej vzdialenosť (čím je ďalej, tým menej intenzívna sa nám zdá).
Rýchlosť galaxie, v rámci ktorej supernova vybuchla, merali títo astronómovia v podstate rovnako, ako to robil Hubble (poznámka pre znalcov: išlo o meranie červeného posunu). A zistili, že vo veľmi vzdialených oblastiach akoby sa vesmír rozpínal pomalšie.
Pri veľmi povrchnom pohľade sa môže zdať, že toto zistenie odporuje základnej kozmologickej dogme o všade a vo všetkých smeroch rovnakom vesmíre, pretože taký vesmír sa musí rozpínať všade rovnako rýchlo. V skutočnosti však o nijaký rozpor nejde. Keďže svetlo sa šíri konečnou rýchlosťou, nejaký čas mu to trvalo, kým sa k nám od tých veľmi vzdialených galaxií dostalo. V skutočnosti mu to trvalo niekoľko miliárd rokov. Pri pozorovaní týchto galaxií sa preto pozeráme nie do súčasného vesmíru, ale do vesmíru vo veľmi dávnej minulosti.
Správna interpretácia nových údajov o rozpínaní vesmíru teda neznie tak, že ďaleký vesmír sa rozpína pomalšie ako blízky, ale že sa celý vesmír v minulosti rozpínal pomalšie ako v súčasnosti. Presne tak to spomínaní astronómovia oznámili v roku 1998.
No fajn, a čo na to hovoria Einsteinove rovnice? Pripúšťajú tieto rovnice riešenia s postupne sa zrýchľujúcim rozpínaním vesmíru? Nuž, tie pôvodné ani veľmi nie, ale tie modifikované veruže áno. A tak sa v roku 1998 do fyziky triumfálnym spôsobom vrátil Einsteinov člen s kozmologickou konštantou. A keďže v tomto marketingovom čase potrebuje každá vec nejaké sexi meno, začali fyzici hovoriť nie o kozmologickej konštante, ale o temnej energii. Je to v podstate jedno a to isté, ale to druhé znie tak tajomne. No nepoužite to.
.rovný vesmír
Merania rýchlostí veľmi vzdialených galaxií nám umožnili nielen zistiť, že vesmír sa rozpína čoraz rýchlejšie, ony nám dokonca umožnili odmerať hodnotu jeho zrýchlenia. A z nej sme sa potom dozvedeli hodnotu kozmologickej konštanty, alebo inými slovami, množstvo temnej energie vo vesmíre.
Táto hodnota bola, samozrejme, úplne iná, než bola veľmi špecifická hodnota, ktorú potreboval Einstein pre svoj statický vesmír. Ale aj táto nameraná hodnota bola veľmi špecifická. A dosť nás prekvapila.
Prekvapenie súviselo so spomínaným faktom, že náš trojrozmerný vesmír môže byť buď rovný, alebo zakrivený, pričom zakrivený môže byť dvoma rôznymi spôsobmi. Aký je, to závisí od množstva obyčajnej hmoty, temnej hmoty a temnej energie, ktoré sa vo vesmíre nachádzajú. Pri danom množstve obyčajnej a temnej hmoty je pre takmer všetky hodnoty množstva temnej energie vesmír zakrivený jedným z dvoch možných spôsobov. Len pre jednu veľmi špecifickú hodnotu množstva temnej energie je vesmír rovný. A práve táto hodnota (plus mínus nejaké drobné) vyšla z meraní zrýchlenia rozpínania vesmíru.
Na konci 20. storočia sme teda vedeli, že zhruba 70 percent hmotnosti vesmíru tvorí temná energia. Dnes poznáme toto číslo presnejšie, vieme že je to 74 percent. Znamená to, že sa spresnili naše merania vzdialeností supernov? Nie, v skutočnosti sa stalo niečo ešte oveľa lepšie. Zakrivenie vesmíru sme totiž dokázali odmerať úplne nezávislým spôsobom – meraním drobným nepravidelností v inak extrémne pravidelnom reliktnom žiarení.
Tieto merania urobila sonda WMAP, o ktorej sme písali v minulom čísle. Jedným z fascinujúcich výsledkov tejto extrémne úspešnej sondy bolo mimoriadne presné určenie krivosti vesmíru. Výsledok: vesmír je rovný (alebo len veľmi málo odlišný od rovného). Z tohto výsledku sa potom dá spätne vypočítať podiel temnej energie na celkovej hmotnosti vesmíru. Práve takto sme sa dostali k tým 74 percentám.
Zhrnutie: Koľko je temnej energie, to vieme pomerne presne, a to dokonca na základe dvoch celkom nezávislých meraní. Aká je fyzikálna podstata temnej energie, o tom nemáme ani tušenia. Ak má teda niekto pocit, že vo vede je už všetko podstatné objavené a pochopené, môžeme ho upokojiť (alebo znepokojiť, záleží od povahy) – ešte stále sa nájdu dôležité a hlboké otázky, s ktorými si veda zatiaľ vôbec nevie rady.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.