Dve tretiny reality, alebo kvantové polia generujúce tmavú hmotu

Piata sila

Vesmír, v ktorom žijeme, riadi v súčasnosti neviditeľné pole energie, spôsobujúce jeho rozpínanie čoraz väčšou rýchlosťou. Tento objav postavil na hlavu všetky kozmologické teórie. Kozmológovia začínajú hovoriť o quintesenčnom vesmíre. V tomto vesmíre je hlavnou silou záporná gravitácia (piaty element / piata sila).
Je už (naozaj) po fajronte? Naozaj už vieme o vesmíre, s výnimkou drobných detailov, všetko? Ešte pred niekoľkými rokmi to tak vyzeralo. Po storočí zanietených debát dospeli vedci ohľadom histórie vesmíru k širokej zhode. Všetko sa zrodilo z plynu a zo žiarenia s nepredstaviteľne vysokou teplotou a hustotou. Vesmír sa už 15 miliárd rokov rozpína a chladne. Galaxie a ostatné komplexné štruktúry sa vyvinuli z mikroskopických semienok – kvantových fluktuácií – ktoré sa rozvinuli do kozmických rozmerov počas krátkeho obdobia inflácie. Zistili sme, že iba nepatrný zlomok hmoty sa skladá z normálnych chemických prvkov, ktoré poznáme z našej každodennosti. Väčšinu hmoty však tvorí takzvaná tmavá hmota, exotické častice, ktorí neinteragujú so svetlom. Zopár tajomstiev a mystérií ešte vesmíru ostalo, ale náš veľký obraz univerza sme už zavesili do najväčšej komnaty vedy.

       Žiarenie              obyčajná hmota              Piata sila              Piata sila
                                                       (mierne záporný tlak)   (vysoko záporný tlak)

Sila pozitívneho (a negatívneho) myslenia
       Či energia pôsobí ako gravitačne príťažlivá alebo odpudivá sila, závisí od jej tlaku. Ak je tlak nulový alebo kladný, ako v prípade žiarenia obyčajnej hmoty, gravitácia priťahuje. Žiarenie má vyšší tlak, takže gravitácia priťahuje ešte silnejšie. V prípade piatej sily je tlak záporný a gravitácia odpudivá (jamy sa premenia na pahorky). Tak alebo onak: dnes tušíme, že podstatnú časť histórie vesmíru sme jednoducho prehliadli. Pozorovania z posledných piatich rokov kozmológov presvedčili, že chemické prvky spolu s tmavou hmotou netvoria ani polovicu obsahu vesmíru! Navyše: z ničoho nič sa z miliónov údajov vynorila tajomná tmavá energia, ktorá má čudesnú vlastnosť: jej gravitácia nie je príťažlivosťou, lebo nepriťahuje, ale odpudzuje!!! Naša dôverne známa gravitácia nasáva chemické prvky a tmavú hmotu do hviezd a galaxií, tmavá energia ich rozptyľuje ako sadze do nekonečného priestoru. Vesmír je vlastne bojiskom dvoch síl, pričom odpudivá gravitácia momentálne víťazí. Postupne premáha príťažlivú silu obyčajnej hmoty a spôsobuje, že rozpínanie vesmíru je čoraz rýchlejšie, čo s najväčšou pravdepodobnosťou vyústi do obdobia novej inflácie. Zdá sa, že vesmír bude mať celkom inú budúcnosť, ako kozmológovia ešte pred desaťročím predpovedali.
       Kozmológovia si donedávna existenciu tmavej energie iba overovali. Dnes, šokovaní sugestívnymi dôkazmi, snažia sa problém preskúmať dôkladnejšie: „Kde sa táto energia nabrala?“ Najprijateľnejšou možnosťou je, že táto energia je inherentou súčasťou tkaniny priestoru. Aj keby bola časť priestoru beznádejne prázdna (bez kúska hmoty či žiarenia), aj vtedy by túto energiu obsahovala. Takáto energia je úctyhodnou špekuláciou z dielne Alberta Einsteina, ktorý sa v roku 1917 pokúsil vyhotoviť matematický dôkaz stacionárneho modelu vesmíru. Tak ako mnohí vedci pred ním, vrátane Newtona, aj Einstein veril, že vesmír je nemenný, že sa nesťahuje ani nerozpína. Aby odvodil stagnáciu z vlastnej všeobecnej teórie relativity, vložil do rovníc energiu vákua, či presnejšie (ide o jeho termín) kozmologickú konštantu. Hodnotu konštanty stanovil tak, že gravitačné odpudzovanie bolo presne vybalansovávané gravitačnou príťažlivosťou hmoty. Neskôr, keď vedci zistili, že vesmír sa rozpína, Einstein hanblivo priznal svoju delikátnu lesť a nazval ju svojím najväčším omylom. Jeho príkra sebakritika však asi bola predčasná. Ak má kozmologická konštanta podstatne väčšiu hodnotu, než akú navrhol Einstein, jej odpudivá sila premôže príťažlivosť hmoty a expanzia vesmíru sa bude zrýchľovať.
       Mnohí kozmológovia sa dnes zameriavajú na inú ideu, nazývanú quintesencia. Toto slovo môžeme preložiť ako piaty element, čo je odvodenina z filozofie starých Grékov (spomeňme si na Empedokla), podľa ktorej sa kozmos skladá zo zeme, vzduchu, ohňa, vody a efemérnej substancie, ktorá zabraňuje Mesiacu a planétam zrútiť sa do centra nebeskej sféry. Pred tromi rokmi Robert Caldwell, Rahul Dave a jeden z autorov tohto článku (Steinhardt), všetci z Pensylvánskej univerzity, opäť tento pojem zaviedli v súvislosti s dynamickým kvantovým poľom, (pripomínajúcim elektrické či magnetické pole), ktoré gravitačne odpudzuje. A práve dynamika je tým, čo kozmológov na quitesencii vzrušuje. Najväčšou výzvou akejkoľvek teórie tmavej energie je vysvetliť podstatu tohto „čohosi“ prijateľne. Nemusí byť pochopiteľná tak ako to, čo vieme o formovaní hviezd a galaxií, ale aspoň tak, aby sme získali aspoň približnú predstavu. Energia vákua je úplne inertná, čo znamená, že má na všetky časy rovnakú hustotu. Čo z toho vyplýva? Ak by sa nám dnešné množstvo tmavej energie podarilo vysvetliť, požadovaná hodnota kozmologickej konštanty musela byť vycizelovaná už počas stvorenia vesmíru, čo vnímame ako absolútny nezmysel. Ibaže: quintesencia interaguje s hmotou a vyvíja sa s časom, takže je celkom prijateľné, že sa sama menila tak, aby dnes dosiahla hodnotu, ktorú pozorujeme.

Recept pre vesmír:Hlavnou surovinou vesmíru je „tmavá energia“, ktorú generuje buď kozmologická konštanta, alebo kvantové pole, známe ako quintesencia / piata sila. Ostatné prísady sú: tmavá hmota, ktorú tvoria exotické častice, obyčajná hmota (nesvietivá i viditeľná) a stopové množstvo žiarenia.

Dve tretiny reality

       Rozhodnúť sa medzi týmito dvomi možnosťami je pre fyzikov mimoriadne dôležité. Fyzici častíc očakávajú od výkonnejších urýchľovačov objav nových foriem energie a hmoty. A tu zrazu vesmír vytiahol z rukáva nepredpokladaný druh energie, príliš rozptýlenej a slabo inetragujúcej, aby ju mohli overiť v urýchľovačoch. Zistenie, či ide o inertnú, alebo dynamickú energiu, môže byť rozhodujúce pre zrod základnej teórie prírody. Časticoví fyzici zistili, že rovnakú pozornosť, akú venujú urýchľovačom v laboratóriách, musia venovať aj objavom na oblohe. Objav tmavej energie sa skladal tehlička po tehličke bezmála jedno desaťročie. Prvou tehličkou bola inventúra všetkej hmoty v galaxiách a kopách galaxií s využitím údajov rozličných techník, najmä optickej, röntgenovej a rádiovej astronómie. Nezvratným poznatkom inventúry bol záver, že celková hmota v podobe chemických prvkov i tmavej hmoty predstavuje nanajvýš jednu tretinu množstva takzvanej kritickej hustoty, ktorú teoretici predpovedali!!
       Mnohí kozmológovia to považujú za dôkaz zlyhania teoretikov. Veď čo z tohto poznatku vyplýva: ak je to naozaj pravda, potom by sme žili v donekonečna sa rozpínajúcom vesmíre, v ktorom je priestor hyperbolicky zakrivený. Túto interpretáciu však vyvrátil objav horúcich a chladných škvŕn v mikrovlnnom žiarení kozmického pozadia, ktorých distribúcia jednoznačne dokázala, že vesmír je plochý a celková hustota energie sa rovná kritickej hustote. Ak obe pozorovania spojíme, aj jednoduchá aritmetika nám ukáže nevyhnutnosť dodatočnej energie. Bez nej by sme totiž nemohli nijako vysvetliť, kam sa dve tretiny hustoty energie podeli. Nech je už toto „čosi“ čímkoľvek, nový komponent musí byť tmavý; neabsorbuje ani nevyžaruje svetlo, ani nič iné, pretože v tom prípade by sme ho už dávno objavili. Teda: mala by to byť tá tmavá (chýbajúca) hmota. Ibaže: nová zložka – nazývaná tmavá energia – sa v čomsi od tmavej hmoty náramne odlišuje: musí byť gravitačne odpudivá, pretože v opačnom prípade by bol už dávno súčasťou galaxií a kôp galaxií, kde by ovplyvňoval pohyb viditeľnej hmoty. Taký vplyv však nepozorujeme. Navyše: gravitačné odpudzovanie vysvetľuje aj problém veku vesmíru, ktorý máta kozmológov už vyše desať rokov. Ak príjmeme súčasné údaje hodnoty rozpínania kozmu a budeme trvať na tom, že sa expanzia spomaľuje, vesmír musí mať menej ako 12 miliárd rokov! Máme údaje, z ktorých vyplýva, že niektoré hviezdy v našej Galaxii majú viac ako 15 miliárd rokov. Ak na základe najnovších údajov budeme trvať na tom, že rozpínanie vesmíru sa zrýchľuje, odpudivosť nám presvedčivo zjednotí vek vesmíru s vekom nebeských objektov.
       Argumentov, ktoré podporujú názor, že gravitačná odpudivosť môže spôsobovať zrýchľovania rozpínania vesmíru, postupne pribúdalo. Zrýchľovanie expanzie však nikto nepozoroval. Až v roku 1998 sa našla posledná tehlička. Dva nezávislé tímy využili namerané údaje z dvoch vzdialených supernov a zistili v hodnote rozpínania zmenu. Oba tímy dospeli k názoru, že sa vesmír rozpína presne tak, ako teoretici predpokladali – teda: čoraz rýchlejšie. Všetky pozorovania vychádzali z troch údajov: priemernej hustoty hmoty (obyčajnej i tmavej), priemernej hustoty tmavej energie a zo zakrivenia priestoru. Podľa Einsteinovych rovníc mala by zo súčtov týchto troch údajov vyplynúť hodnota kritickej hustoty. Tri rozličné kombinácie čísiel názorne ukazuje obrázok.

Kozmický trojuholník
Osi na tomto grafe kozmologických pozorovaní predstavujú možné hodnoty troch kľúčových charakteristík vesmíru. Ak je vesmír plochý, ako vyplýva z inflačnej teórie, rozličné typy pozorovania (sivé šmuhy) a priečna čiara nulového zakrivenia by sa mali prekrývať. V súčasnosti, na základe údajov mikrovlnného žiarenia pozadia sa dôslednejšie prekrývajú vtedy, keď sa tmavá sila prejavuje ako piata sila (čiarkovaný ostrovček), a nie ako kozmologická kon-štanta (posunutý ostrovček). Tri rozličné súbory pozorovaní – objem hmoty, mikrovlnné žiarenie pozadia a supernovy sú v trojuholníku znázornené tromi pásmi (šmuhami). Je pozoruhodné, že všetky tri pásy sa prekrývajú v rovnakej pozícii, čo je presvedčivý dôkaz existencie tmavej energie.

Od implózie k explózii

       Naša skúsenosť je zviazaná s obyčajnou hmotou, ktorá je gravitačne priťahovaná, takže si vieme iba ťažko predstaviť, ako môže tmavá energia odpudzovať. Základným poznatkom je, že jej tlak je negatívny, záporný. V Newtonových gravitačných zákonoch nehrá tlak nijakú úlohu; sila gravitácia je priamo závislá od hmotnosti. V Einsteinovom gravitačnom zákone však sila gravitácie nezávisí iba od hmotnosti, ale aj od ostatných foriem energie a tlaku. Tlak v nej zohráva hneď dve úlohy: priamu (vyvolanú pôsobením tlaku na okolitú hmotu) alebo nepriamu (spôsobenú gravitáciou, ktorú tlak vygeneroval). Vplyv gravitačnej sily je determinovaný algebraickou kombináciou celkovej energie hustoty plus trojnásobok tlaku. Ak je tlak pozitívny, kladný, napríklad v prípade žiarenia, potom je pozitívna aj kombinácia obyčajnej a tmavej hmoty a gravitácia priťahuje. Ak je tlak dostatočne záporný, potom je záporná aj celá kombinácia a gravitácia je odpudivá. Kozmológovia, v snahe kvantifikovať tieto možnosti, rozhodli sa označiť pomer tlaku k hustote energie (známy ako rovnica stavu) písmenom w. Pre obyčajný plyn je w kladná hodnota rovnajúca sa teplote. V istých prípadoch však w môže byť aj záporná. Ak klesne pod mínus jednu tretinu, gravitácia začne odpudzovať. Energia vákua zodpovedá týmto podmienkam, jej hustota je kladná. Ide o dôsledok zákona zachovania energie, podľa ktorého nemožno hmotu zničiť. Matematicky možno tento zákon predstaviť v tvare, kde hodnota zmeny energie hustoty sa rovná w + 1. Pre energiu vákua, ktorého hustota sa, ako vieme, nikdy nemení, musí byť súčet nula. Inými slovami: w sa musí na chlp rovnať –1; iba takto môže byť tlak záporný.
       Čo však znamená negatívny tlak? Väčšina horúceho plynu má kladný tlak; kinetická energia atómov a žiarenia naráža na steny nádoby. Ibaže: toto ešte nie je priamym efektom kladného tlaku. Náraz a jeho tlak je presným opakom gravitačného efektu nasávania. Možno si však predstaviť takú interakciu atómov, ktorá by premohla ich kinetickú energiu a spôsobila by implóziu plynu. Kolabujúci plyn má záporný tlak. Balón naplnený takýmto plynom by spľasol, pretože vonkajší tlak (nulový alebo kladný) by premohol vnútorný, záporný tlak. Paradoxne, priamy efekt záporného tlaku – implózia – môže sa stať opakom jej gravitačného efektu – odpudivosti.

Neuveriteľná presnosť

       Pre balón je gravitačný efekt príliš slabý. Predstavme si však celý vesmír naplnený implozívnym plynom. Taký priestor nemá ani povrch, ani vonkajší tlak. Plyn v takomto priestore má síce vždy negatívny tlak, ale niet ničoho, čo by nasával, čiže sa (s jedinou výnimkou) ničím neprejavuje. Touto výnimkou je gravitačný efekt – odpudivosť. Odpudivosť rozpína priestor, zväčšuje jeho objem a zvyšuje teda i energiu vákua. Tendencia rozpínať sa je preto čoraz silnejšia. Rozpínanie vesmíru sa zrýchľuje. Narastajúca energia vákua vyplýva z rozpínajúceho sa gravitačného poľa.
       Tieto koncepty sú natoľko bizarné, že ani Einstein ich nedokázal akceptovať. Najmä preto, lebo mal pred očami iba statický vesmír, kvôli ktorému zaviedol energiu vákua, hodnotu, ktorú napokon odmietol ako omyl. Ibaže: ním zavedená kozmologická konštanta už nikdy nevybledla. Teoretici skoro postrehli, že kvantové polia obsahujú isté množstvo energie vákua – tohto prejavu kvantových fluktuácií, ktoré zázračne predlžujú zánik párov „virtuálnych“ častíc. Predpovedaný odhad celkovej energie vákua, produkovaný všetkými zámymi poľami je o 120 rádov vyšší, ako hustota energie vo všetkých ostatných formách hmoty. Hocijako bizarne to znie, tieto prízračne virtuálne častice zabezpečujú kladnú, konštantnú hustotu energie, čo implikuje záporný tlak. Lenže pozor: keby bol tento odhad správny, zrýchlenie procesov by atómy, hviezdy i galaxie roztrhalo na márne kúsky. Teda: tento predpoklad je nesprávny. Jeden z veľkých výdobytkov zjednotenej teórie gravitácie vysvetľuje prečo je tomu tak. Jednou z možností je, že akási doteraz neobjavená symetria v základnej fyzike nepripúšťa veľké efekty, pretože energiu vákua nivelizuje na nulu. Napríklad: kvantové fluktuácie virtuálnych párov častíc vyžadujú kladnú energiu pre častice s polovičným (half-integer) spinom (kvarky a elektróny), ale zápornú energiu pre častice s úplným spinom (fotóny). V štandardných teóriách je anihilácia neúplná, pretože ostáva po nej príliš veľká hustota energie. Preto fyzici preverili modely tzv. supersymetrie, čo je interakcia medzi dvomi typmi častíc, ktorý vedie k úplnej anihilácii. Z toho vyplýva, že supersymetria platí iba pri veľmi vysokých energiách. Teoretici sa však pokúšajú dosiahnuť úplnú anihiláciu aj na úrovni nízkych energií.
       Inú možnosť ponúka predpoklad, že energia vákua nie je presne nulová; mechanizmus anihilácie jednoducho nie je perfektný. Namiesto toho, aby kozmologickú konštantu zrazil na nulu, zredukuje ju na 10–120. V takom prípade energia vákua predstavuje dve tretinu chýbajúcej hmoty. Takáto náhoda sa zdá byť priam nelogická. Aký mechanizmus by dokázal pracovať sa takou nepredstaviteľnou presnosťou? Tmavá energia síce stelesňuje väčšinu hmoty, je však natoľko rozptýlená, že jej energia neprevyšuje 4 elektrónvolty na kubický centimeter, čo je pre fyzikov častíc nepredstaviteľne málo. Najslabšia sila prírody potrebuje 1050 vyššiu hustotu energie. Ak by sme naše úvahy extrapolovali hlbšie do času, zdala by sa nám energia vákua ešte paradoxnejšia. Dnes majú hmota a tmavá energia porovnateľné priemerné hustoty. Lenže pred miliardami rokov, keď obe vznikli a vesmír nebol väčší ako pomaranč, hustota hmoty bola o sto rádov vyššia. Kozmologická konštanta by však mala rovnakú hustotu ako dnes! Inými slovami: na každých 10 zo 100 častíc hmoty by fyzikálne procesy vyprodukovali jednu časť energie vákua – čo je miera presnosti, ktorá vyzerá v ríši matematickej idealizácie priam oslňujúco, ale v reálnom svete je absurdná. Táto potreba nadprirodzeného dolaďovania núti fyzikov hľadať alternatívy ku kozmologickej konštante.

Medzi expanziou a kolapsom: Vesmír sa rozpína rozdielnymi rýchlosťami, podľa toho, aká forma energie prevláda. Hmota zrýchľovanie rozpínania spomaľuje, kozmologická konštanta ho urýchľuje. Piata sila je kdesi uprostred: aj ona rozpínanie urýchľuje, ale slabšie ako kozmologická konštanta, pričom akcelerácia sa môže, ale aj nemusí zmeniť.

Quintesencia / Piata sila
       Našťastie, záporná energia nie je jediným generátorom záporného tlaku. Alternatívou by bol zdroj energie, ktorý by sa (na rozdiel od energie vákua) v priestore a čase menil. Túto vlastnosť má quintesencia, piata sila. Pre quintesenciu nie je w nemennou hodnotou a na to, aby gravitácia pôsobila odpudivo, musí byť w menšia ako – 1/3. Quintesencia môže mať bezpočet foriem. Najjednoduchšie modely navrhujú kvantové pole, ktorého energia sa mení tak pomaly, že na prvý pohľad si ju môžete spliesť s konštantnou energiou vákua. Táto myšlienka sa zrodila z inflačnej kozmológie, v ktorej kozmické pole (známe pod názvom inflácia) generuje rozpínanie vo veľmi mladom vesmíre pomocou rovnakého mechanizmu. Kľúčovým rozdielom je, že quintesencia je oveľa slabšia ako inflácia. Túto hypotézu skúmali už pred desiatimi rokmi Christof Wetterich, Bharat Ratra a James Peebles.
       V kvantovej teórii môžeme fyzikálne procesy popísať skôr v pojmoch poľa ako častíc. Quintesencia má (totiž) takú nízku energiu hustoty a jej kolísavosť postupne tak narastá, že častica piatej sily by musela byť neobyčajne ľahká, ale pritom obrovská ako superkopa galaxií. Teda: osožnejšie je popisovať pole. Pripomeňme si, že pole je kontinuálnou distribúciou energie, pre ktorú je príznačné, že v každom bode priestoru má rovnakú číselnú hodnotu, známu ako intenzita poľa. Energia uväznená v poli má kinetickú zložku, ktorá sa môže meniť v rytme zmien sily poľa v čase. Má však aj inú potenciálnu zložku, ktorá je závislá iba na intenzite poľa. Ak sa pole zmení, rovnováha kinetickej a potenciálnej energie sa naruší. V prípade energie vákua, odstúpenie od domienky, že záporný tlak bol priamym dôsledkom zachovania energie, fyzikom diktuje, že akákoľvek zmena hustoty energie sa rovná súčtu hustoty energie (kladné číslo) a tlaku. Ak sa pri energii vákua rovná zmena nule, potom tlak musí byť záporný. V prípade quintesencie je zmena dostatočne veľká, takže tlak musí byť (aspoň nepatrne) záporný. Táto podmienka zodpovedá stavu, v ktorom je viac potenciálnej ako kinetickej energie. Nakoľko je tlak quintesencie menej záporný, nemôže zrýchľovať rozpínanie vesmíru takou silou ako energia vákua. Ako je to naozaj, to rozhodnú pozorovatelia. Už dnes však možno povedať, že quintesencia je v lepšej zhode s už získanými údajmi ako energia vákua, ale rozdiel medzi nimi ešte nie je štatisticky preukázateľný.
       Ďalej: pole quintesencie, na rozdiel od energie vákua, sa môže v rámci evolúcie rôznym spôsobom meniť. Hodnota w môže byť kladná, záporná a opäť kladná. Na rozličných miestach môže mať rozdielnu hodnotu. Hoci sa nazdávame, že nehomogenita mladého vesmíru je príliš nepatrná, nová generácia prístrojov na satelitoch ju pri monitorovaní mikrovlnného žiarenia pozadia dokáže rozlíšiť.
       Navyše: quintesenciou môžu zmietať poruchy; aj v tom sa odlišuje od energie vákua. Vlny sa v nej prejavia presne tak ako zvukové vlny vo vzduchu. V žargóne fyzikov: quintesencia je „soft“, mäkká, tvárna. Einsteinova kozmologická konštanta je naproti tomu tuhá, nemožno ju tvárniť. Z toho vyplýva zaujímavý záver: každý známy druh energie je tvárny iba do istého stupňa. Zdá sa, že tuhosť je ideálnym stavom, ktorý sa v skutočnosti nevyskytuje. Z toho vyplýva, že kozmologická konštanta je chimérou. Quintesencia, piata sila s hodnotou w = –1 je teda najprijateľnejšou rozumnou aproximáciou.

Quintesencia na membráne

       Chápanie quintesencie ako poľa je iba prvým krokom výkladu, ktorý sa ju pokúsi vysvetliť. Odkiaľ sa berie také silné pole? Časticoví fyzici majú vysvetlenie pre fenomény (od štruktúry atómov až po pôvod hmoty), ibaže piata sila je akoby od macochy. Moderné teórie elementárnych častíc zahŕňajú veľa druhov polí, ktoré majú (zdanlivo) očakávané vlastnosti, ale o ich kinetickej a potenciálnej energii vieme príliš málo, aby sme dokázali už dnes povedať, či (ak vôbec) dokážu produkovať záporný tlak. Exotickou možnosťou je, že piata sila je dieťaťom extradimenzií. (Pozri Kozmos 2000/1). Fyzici už dve desaťročia skúmajú teóriu strún, ktorá umožňuje kombinovať všeobecnú relativitu s kvantovou mechanikou v zjednotenej teórii základných síl (tzv. teórii všetkého). Dôležitou vlastnosťou strunového modelu je to, že predpokladá 10 dimenzií. Štyri z nich sú nám dôverne známe tri priestorové dimenzie plus čas. Tie ostatné sú (zatiaľ) skryté. Niektorí fyzici ich definujú tak, že sú zvinuté. Inými slovami: pripomínajú loptu, ktorej priemer je taký malý, že ho s dnešnými prístrojmi nedokážeme detegovať. Alternatívnu myšlienku predstavuje nedávne rozšírenie staršej teórie strún (známej ako M-teória), ktorá k desiatim dimenziám pridáva jedenástu: obyčajná hmota je sústredená do dvoch trojdimenziálnych povrchov, známych ako branes (čo je skratka slova membranes), ktoré oddeľuje mikroskopická medzera pozdĺž 11. dimenzie. (Pozri Kozmos 2000/1). Extradimenzie nie sme schopní vnímať, ale ak existujú, asi by sme ich mali detegovať aspoň nepriamo. Naozaj: zvinuté dimenzie ale aj membrány by mali fungovať presne tak ako pole. Numerická hodnota tohto poľa prezrádza, že každý bod priestoru zodpovedá polomeru či šírke medzery. Ak sa polomer či medzera menia pomaly, môžu presne napodobniť hypotetické pole piatej sily.

Neuveriteľná náhoda

Bez ohľadu na pôvod quintesencie, jej dynamika by nám mala byť na dobrej pomoci aj v (zatiaľ) nedetegovateľnom mikropriestore. Mali by sme si položiť otázku: „Prečo sa zrýchlenie vesmíru začalo v tomto momente histórie kozmu?“ Tmavá energia, zrodená 10–35 sekundy po big bangu, však pretrvala ďalších 10 miliárd rokov. Iba tak by mohla premôcť hmotu a odštartovať zrýchľovanie vesmíru. Nebola by náhoda, keby sa vesmír začal čoraz rýchlejšie rozpínať až vtedy, keď ho človek dokáže skúmať? Zdá sa, že osud hmoty a tmavej energie je nejako prepletený. Lenže ako? Ak je tmavá energia naozaj energiou vákua, potom je takáto náhoda vylúčená. Podaktorí vedci (napríklad Martin Rees a Steven Weinberg) sa pokúsili o antropické vysvetlenie. Nie je vylúčené, že náš vesmír je iba jedným z množstva vesmírov, pričom energia vákua sa v každom prejavuje ináč. Vesmíry s energiou vákua, ktorá podstatne prevyšuje hodnotu 4 elektrónvoltov na kubický centimeter, sa vyskytujú častejšie, ale rozpínajú sa príliš rýchlo, aby sa v nich stihli sformovať hviezdy, planéty, život. Vesmíry s oveľa menšími energiami musia byť mimoriadne zriedkavé. Iba v našom „najlepšom zo všetkých svetov“ sa mohli vyvinúť inteligentné bytosti schopné pochopiť podstatu univerza. Fyzici však túto koncepciu odmietajú, prinajmenšom dovtedy, kým ju nepodporia vierohodné argumenty.
       Oveľa prijateľnejšiu možnosť (ktorá zahrňuje aj formu piatej sily, známu ako tracker field (stopárske – pole, odvodené od slova stopár/sliedič), študovala pätica fyzikov (Ratra, Peebles, Steinhardt, Zlatev a Wang) z Pensylvánskej univerzity. Rovnice vyjadrujúce označené polia mali vlastnosti klasického atraktora (priťahovača), podobného tomu, ktorý sa objavuje v niektorých chaotických systémoch. V takýchto systémoch má pohyb sklon (aj v prípade bezpočtu východiskových podmienok) dospieť k rovnakému výsledku. Napríklad: guľka vhodená do vane nevyhnutne (bez ohľadu na to, kde sme ju do vane hodili) dospeje k výtoku. A podobne: pôvodná hustota energie označeného poľa nemôže byť upravená na istú hodnotu, pretože samotné pole sa tejto hodnote bleskove prispôsobí. Presunie sa do stopy, v ktorej sa jeho energia stane konštantnou frakciou hustoty žiarenia a hmoty. Takto dokáže piata sila imitovať hmotu i žiarenie, a to napriek tomu, že jej zloženie je úplne odlišné. Toto mimikry piatej sily je možné iba preto, lebo žiarenie i hmotu determinuje hodnota rozpínania vesmíru, ktorá zároveň kontroluje hodnotu, podľa ktorej sa hustota quintesencie (piatej sily) mení. Keby sme sa lepšie prizreli, zistili by sme, že frakcia nepatrne narastá. Naplno sa prejaví až po uplynutí mnohých miliárd rokov.
       Ako sa piata sila prejaví a kedy? Zrýchľujúce sa rozpínanie vesmíru by sa mohlo prejaviť, (rovnako ľahko ako začalo v dávnej minulosti i vo vzdialenej budúcnosti), v závislosti na pokynoch konštánt v stopárskej (tracker) teórii poľa. A už sme opäť v zajatí náhody. Nie je však vylúčené, že zrýchľovanie začalo iba v nedávnej minulosti. Čo ho vyvolalo? Fyzici rozmýšľali a navrhli, že týmto impulzom mohlo byť prekonanie magického rozhrania oddeľujúceho dobu, keď ešte vo vesmíre dominovalo žiarenie, od doby, keď už dominuje hmota. Podľa teórie big bangu má hmota sklon zotrvávať najmä v stave žiarenia. Ako však vesmír chladol, žiarenie strácalo energiu rýchlejšie ako hmota. Vo chvíli, keď už mal vesmír niekoľko desaťtisíc rokov (čo je z hľadiska logaritmických pojmov iba nedávno), (rovno)váha energie sa preklopila v prospech hmoty. Táto zmena je začiatkom epochy, v ktorej už prevláda hmota. Iba odvtedy môže gravitácia hromadiť hmotu, aby sformovala galaxie a veľkoškálové štruktúry. Iba vtedy sa rýchlosť rozpínania vesmíru mohla zmeniť.
       V rozličných variáciách stopových modelov vyvoláva táto transformácia sériu udalostí, ktoré spôsobili dnešné kozmické zrýchľovanie. Počas celej histórie vesmíru riadila piata sila energiu žiarenia, predstavujúceho iba nevýznamnú súčasť kozmu. Vo chvíli, keď vo vesmíre prevládla hmota, zmena hodnoty rozpínania donútila piatu silu, aby zmenila správanie. Quintesencia zmenila svoje správanie; piata sila prestala kopírovať žiarenie i hmotu; jej tlak sa prevrátil k zápornej hodnote. Hustota piatej sily je odvtedy takmer nemenná, takže napokon nevyhnutne premohla klesajúcu hustotu rozpínajúcej sa hmoty. Podľa tejto predstavy zázračná okolnosť, že mysliace bytosti a akcelerácia kozmu sa objavili prakticky zároveň, vonkoncom nie je náhodná. Formovanie hviezd i planét, nevyhnutných pre vznik života a premenu piatej sily na zložku záporného tlaku, spôsobilo víťazstvo hmoty nad žiarením.

Po stopách: Ak tmavá energia je v zhode s kozmologickou konštantou, potom by jej konštantná hustota energie (znázornená rovnobežnou priamkou) mala v súčasnosti preťať šikmú priamku hmoty, hustota ktorej s rozpínaním vesmíru neustále klesá. (Vľavo) V prípade piatej sily (známej ako tracker field, po slovensky pole – stopár, sliedič), každá pôvodná hodnota hustoty (čiarkovaná) sa premení na obyčajnú stopu, ktorá sa ťahá spolu s hustotou žiarenia, až kým ju neprekrižuje čiara hustoty hmoty. Dôsledok: hustota stopára zmrzne, prestane klesať, (čiara prejde do horizontály) a urýchľuje akceleráciu rozpínania.

Pohľad do budúcnosti
       Skrátka a jasne: výkvet kozmológov chce detegovať existenciu piatej sily. Dôsledky sa dajú pozorovať, pretože hodnota w sa odlišuje od hodnoty energie vákua a produkuje rozličné hodnoty kozmického zrýchľovania. Presnejšie merania najvzdialenejších supernov môžu tieto dve hodnoty rozlíšiť. Astronómovia navrhli dve nové pozorovania: satelit Supernova Acceleration Probe – SAP (Sonda na skúmanie zrýchlenia supernov) a pozemský teleskop s veľkou apertúrou, ktorý má urobiť synoptickú prehliadku oblohy – ELASST. Rozdiely v hodnote zrýchlenia totiž tiež spôsobujú drobné rozdiely uhlových rozmerov horúcich a chladných škvŕn v mikrovlnnom žiarení kozmického pozadia, čo satelity MAP a Planck dokážu detegovať. Ďalšie testy zmerajú, ako sa mení počet galaxií s rastúcim červeným posunom, aby sa zo získaných údajov mohlo odvodiť, ako sa hodnota expanzie vesmíru mení s časom. Pozemský projekt Deep Extragalactic Evolutionary Probe (DEEP) bude spomenuté efekty skúmať mimo našej Galaxie. Údaje, ktoré získame, nás prinútia hĺbať nad týmito revolučnými objavmi a nanovo vysvetliť naše miesto v histórii vesmíru. Na začiatku sa musíme zamerať na infláciu, dlhú periódu zrýchľovanej expanzie v prvých okamihoch po big bangu. Tento mladý vesmír bol takmer bez hmoty; všetko v ňom riadilo kvantové pole so záporným tlakom, podobné piatej sile. Počas tohto obdobia sa vesmír rozpínal oveľa rýchlejšie ako ďalších 15 miliárd rokov od chvíle, keď sa inflácia skončila. Na konci inflácie sa pole rozpadlo na horúci plyn kvarkov, gluónov, elektrónov, svetla a tmavej energie.
       Tisíce rokov bol vesmír taký preplnený žiarením, že sa nemohli sforomovať nielen väčšie štruktúry, ale ani len atómy. Ďalšie obdobie – naša epocha – bola štádiom postupného chladnutia, kondenzácie a evolúcie rozličných štruktúr každej veľkosti. Ale aj táto epocha sa skončila. Zrýchľovanie vesmíru sa vrátilo. Vesmír, ako ho dnes poznáme, so žiarivými hviezdami, galaxiami a kopami galaxií vyzerá tak, akoby sa ocitol v období krátkej medzihry. Ak sa zrýchľovanie udrží aj v najbližších desiatkách miliárd rokov, hmota a energia budú čoraz rozriedenejšie a priestor sa bude rozpínať tak rýchle, že sa už v ňom nestihnú sformovať nijaké štruktúry. Ak zrýchľovanie generuje energia vákua, príbeh kozmu je úplný: planéty, hviezdy a galaxie, ktoré vidíme sú šľahačkou na torte evolúcie. Ak však zrýchľovanie generuje quintesencia/piata sila, koniec tohto príbehu bude ešte len napísaný. Bude sa vesmír rozpínať čoraz rýchlejšie a donekonečna, alebo piata sila sa môže rozložiť do nových foriem hmoty a žiarenia a vytvorí nový vesmír? Nakoľko je hustota tmavej energie taká nízka, môžeme predpokladať, že materiál z takéhoto rozpadu by nemal energiu, ktorá by dokázala zázraky. Za istých okolností sa však piata sila môže rozložiť vytváraním jadier v bublinách vákua. Bublina je vo vnútri prázdna, ale na jej stene prebiehajú búrlivé procesy. Pohybujúca sa stena bubliny by vymietla všetku energiu, ktorá vznikne rozpadom piatej sily. Alebo takýto scenár: dve bubliny sa zrazia a explodujú v gigantickom ohňostroji. Z tohto procesu sa môžu zrodiť masívne častice, protóny či neutróny, ba možno aj hviezdy a planéty.
       Obyvatelia budúcnosti budú žiť vo vesmíre, ktorý bude na pohľad vyprázdnený. Prípadné oázy života bude obklopovať gigantická prázdnota. Dokážu si na svojej oáze odvodiť, že ich vesmír bol kedysi homogénny a izotropný? Dozvedia sa niekedy, že ich vesmír bol kedysi živý a teraz umiera, lebo mu nebola daná iná šanca? Experimenty nám už čo nevidieť pomôžu nahliadnuť aj do budúcnosti. Bude to budúcnosť definitívnej smrti energie vákua, alebo budúcnosť ešte nespotrebovaného potenciálu piatej sily? Odpoveď na túto dilemu získame vtedy, keď sa dozvieme, či má piata sila miesto v základných procesoch prírody, napríklad v teórii strún. Naše miesto vo vesmíre balansuje na tenučkom ostrí medzi vedou toho najväčšieho a najmenšieho.

Jeremiah P. Ostriker a Paul J. Steinhardt
Podľa Scientific American spracoval EG

Autori sú profesormi na Princetonskej univerzite. Ostriker prvý vyslovil hypotézu o prevahe tmavej hmoty a upozornil na dôležitosť horúceho medzigalaktického plynu. Steinhardt bol jedným z autorov inflačnej teórie. Práve on sa rozhodol zaviesť opäť do fyziky antický pojem „quintesencia“, piata sila.

http://physicsworld.com/cws/article/print/402