Tajemství Velkého třesku: Co se stalo během první sekundy?

Podle toho, co víme, vznikl náš vesmír ve své současné verzi asi před 13,8 miliardy let. Standardní model kosmologie považuje Velký třesk za singularitu a fyzikální teorie dosud nedovedou vysvětlit, co přesně se tehdy stalo. Většina fyziků věří, že až někdy vymyslí fungující teorii kvantové gravitace, pak s její pomocí Velký třesk konečně pochopíme – stejně jako to, jak vypadají černé díry. Do té doby se musíme spokojit se snahou o poznání, jak se kosmos vyvíjel od Velkého třesku až dodnes.

Velké stvoření

Podle převládajících názorů byly v okamžiku Velkého třesku všechny vzdálenosti mezi objekty ve vesmíru rovny nule anebo nekonečně malé. To ještě nutně neznamená, že byl kosmos nesmírně malý, i když jde o jednu z možností, jež zůstávají ve hře. Bezprostředně po Velkém třesku se začal rozpínat a všechny vzdálenosti se zvětšovaly. Lze tak říct, že Velký třesk nenastal na konkrétním místě, ale „všude“ ve vesmíru. Zároveň není jasné, zda před jeho singularitou existoval nějaký čas – a má-li vůbec smysl mluvit o tom, co se odehrávalo předtím.

Celou známou historii kosmu můžeme rozdělit na několik částí, přičemž nejbouřlivější a z pohledu vědy nejzajímavější byly první okamžiky. S tím, jak vesmír postupně stárl a chladl, se čím dál víc podobal svému dnešnímu „já“. 

Neuchopitelný počátek

Éra velmi raného vesmíru trvala první pikosekundu, tedy kratičký časový úsek 10⁻¹² sekund. Kosmos byl v té době malý a zároveň velice horký i energetický, takže v něm zpočátku nemohly existovat jednotlivé částice ani fyzikální síly. Vědci dané období člení na několik epoch. Čím víc se daná fáze blíží Velkému třesku, tím méně jí obecně rozumíme a tím hůř je dosažitelná našimi experimenty. Nepatrné vlnění, k němuž ve velmi časném vesmíru docházelo, se zřejmě „otisklo“ do podoby největších kosmických struktur, vzniklých mnohem později.

V době od Velkého třesku až do 10⁻⁴³ sekund po něm (což odpovídá tzv. Planckovu času, který považujeme ve fyzice za nejkratší smysluplný) se odehrála tzv. Planckova epocha. Všechny známé fyzikální síly – tedy elektromagnetická, silná i slabá jaderná a gravitační – tehdy splývaly do jediné všeobjímající síly. Současná fyzika však nemá k událostem Planckovy éry mnoho co říct…

Vyčleňuje se gravitace

Po Velkém třesku vesmír postupně chladl. Po uplynutí Planckova času se ochladil natolik, že se z jediné fyzikální síly, jež zahrnovala veškeré základní síly, vyčlenila gravitace. Tehdy se odehrála epocha velkého sjednocení, která trvala od 10⁻⁴³ do 10⁻³⁶ sekund po Velkém třesku. Teplota kosmu tou dobou zřejmě převyšovala 10²⁷ K a odpovídala teorii velkého sjednocení, jež je dosud jen hypotetická. 

Od zbývajících sjednocených fyzikálních sil se jako druhá oddělila silná jaderná. Sjednocené zůstávaly slabá jaderná síla a elektromagnetická, takže se dané éře, trvající asi do 10⁻³² sekund po Velkém třesku, říká elektroslabá. 

Mohutný nádech

Zřejmě někdy před dobou 10⁻³² sekund po Velkém třesku se odehrála jedna z nejméně známých, a přitom nejpodivuhodnějších epizod velmi raného vesmíru: Z nejasných důvodů se kosmos extrémně prudce a rozsáhle nafoukl. V naprostém zlomku sekundy tak jeho objem vzrostl minimálně 10⁷⁸krát a možná ještě mnohem víckrát. Odpovídá to situaci, kdy by se objekt o velikosti 1 nm (nanometru) prakticky okamžitě rozepnul do rozměrů 10,6 světelného roku. O tomto neuvěřitelném jevu hovoříme jako o kosmologické inflaci. 

Na první pohled se zdá, že se během ní musel vesmír pohybovat nadsvětelnou rychlostí – jenže se vlastně vůbec nepohnul, pouze se zvětšily jeho rozměry. A na takový proces se omezení dané rychlostí světla nevztahuje. 

Mechanismy vedoucí k inflaci stále obestírá tajemství. Podle některých názorů ji spustilo oddělení silné jaderné síly od zbývající elektroslabé, k němuž došlo na konci epochy velkého sjednocení. Inflace pak mohla proběhnout buď před počátkem elektroslabé éry, nebo – podle jiných názorů – až po jejím skončení.

Horká polévka

Když se inflace završila, k čemuž došlo snad kolem 10⁻³² sekund po Velkém třesku, vesmír vlastně hodně vychladl. Fyzici však předpokládají, že se v závěru uvedené epochy uvolnilo ohromné množství energie z dosud hypotetického inflatonového pole, jež podle některých teorií za inflaci zodpovídalo. 

Zmíněné pole se rozpadlo na množství subatomárních částic v procesu znovuzahřátí kosmu. V důsledku toho se vesmír změnil v hustou a horkou polévku plnou kvarků, antikvarků a gluonů. V některých teoriích, jež pracují s tzv. horkou inflací, ovšem ke znovuzahřátí nedochází.

Polévka chladne

V čase asi 10⁻¹² sekund, tedy pikosekundu po Velkém třesku, se završilo vzájemné oddělení čtyř známých základních fyzikálních sil: Slabá jaderná se odpojila od elektromagnetické. Všechny elementární částice, jež interagují s Higgsovým polem, při tom získaly hmotnost – do té doby, na vyšších úrovních energie, žádnou neměly. Po uplynutí první pikosekundy skončilo bouřlivé a stále dost záhadné období velmi raného vesmíru.

Epocha raného kosmu trvala od druhé pikosekundy po dalších asi 377 tisíc let. Na jejím počátku tvořila vesmír velice horká „polévka“ kvark-gluonového plazmatu. Od daného okamžiku již kosmu rozumíme mnohem lépe, protože popsaných podmínek už můžeme dosáhnout ve fyzikálních experimentech.

TIP: Jak se vznikl vesmír? Počítačová simulace ukazuje vývoj po Velkém třesku

Kvark-gluonová polévka rychle chladla a postupně v ní vznikaly rozmanité subatomární částice. Tehdy se zřejmě utvořilo velké množství částic hmoty a také příslušných částic antihmoty, které se navzájem anihilovaly. První zmíněné však v té době z nějakého důvodu převládaly, a proto dnešní vesmír tvoří z valné většiny hmota, nikoliv antihmota.

Dokončení: Tajemství Velkého třesku (2): Kdy vznikly první hvězdy a kde se vzala voda? (vychází v neděli 25. října)