Všetko, čo pre nás existuje, predstavuje len päť percent reality

Ako zareagujete, keď vám povieme, že svet, ako ho poznáme – so všetkým možným, od zrniek piesku po hviezdy, od elementárnych častíc po galaxie, všetka jeho hmota a energia – tvorí len päť percent vesmíru a že o zvyšných 95 percentách nevie veda nič okrem niekoľkých dosť divokých hypotéz?

Najskôr nijako. Je to taký abstraktný oznam, že nevyvoláva žiadnu emóciu. Vlastne ani údiv nie. Dôvod je zrejme ten, že už ten „predstaviteľný“ svet je nepredstaviteľný až dosť. Elektrón ani čiernu dieru si predstaviť nedokážeme, takže objekty, ktoré sa nachádzajú úplne mimo tejto reality, už žiadnu ďalšiu úroveň úžasu nepridávajú.

Výnimku, samozrejme, tvoria vedci, v ktorých kompetencii sa táto záhada nachádza, teda kozmológovia, fyzici a v menšej miere astronómovia. Temnou hmotou a temnou energiou, čo je označenie pre tie neznáme časti vesmíru, sa však ani oni nezaoberajú ako nejakým akútnym problémom.

Veda je pragmatická a vyberá si prednostne tie problémy, ktoré poskytujú nádej na vyriešenie v dohľadnom čase. Tento medzi ne nepatrí.

Predpokladá sa, že ide vlastne o dva problémy. Medzi temnou hmotou a temnou energiou zrejme nie je žiadna spojitosť, len ju mylne naznačujú ich nešťastne vybrané pomenovania. Preberieme si ich preto oddelene.

Temná hmota a sférický bastard

Čím lepšie dokážu ľudia pozorovať vesmír, čím viac objektov v ňom vidia, tak sa mení predstava o jeho usporiadaní. Keď Galileo ako prvý namieril ďalekohľad k nočnej oblohe, zbadal mesiace Jupitera. To bol začiatok konca geocentrickej predstavy o vesmíre a počiatok poznania slnečnej sústavy vrátane – a to je veľmi dôležité – realistického odhadu jej rozmerov.

V devätnástom storočí astronómovia zistili, že existujú iné galaxie, že naša Mliečna dráha je len jednou z mnohých a že Slnko je bezvýznamná hviezda na okraji obrovského systému.

Tretím otrasom prechádzame teraz. Vyplýva z neho, že hmota a energia, ako ich poznáme, tvoria len okrajovú zložku vesmíru. Dá sa na to pozerať aj tak, že sa dozvedáme stále viac o svojej bezvýznamnosti.

Termín „temná hmota“ ako prvý použil astronóm Fritz Zwicky v roku 1933. Zvyčajne je označovaný za Švajčiara, ale narodil sa v Bulharsku a celú pracovnú kariéru strávil v Kalifornii.

Preslávil sa svojráznym, často surovým správaním (okrem pojmov „temná hmota“ a „supernova“ zaviedol tiež označenie „sférický bastard“, čím mal na mysli človeka, ktorý sa ako nesympatický javí z každého uhla) a prebytkom nápadov, často výstredných, občas však vynikajúcich.

Zwicky skúmal rotáciu obrovských vesmírnych sústav – skupín alebo kôp galaxií. Pohyb takých vesmírnych objektov sa nedá pozorovať priamo, na to sú príliš ďaleko, napriek tomu existuje spôsob, ako ho zmerať.

Vychádza z tzv. Dopplerovho javu: keď sa zdroj vĺn stálej frekvencie blíži k pozorovateľovi, frekvencia vlnenia sa zdanlivo zvyšuje, keď sa zdroj vzďaľuje, frekvencia sa zdanlivo znižuje. (Ako príklad sa často uvádza auto so zapnutou sirénou prechádzajúce okolo chodca.)

To isté sa stane so svetlom hviezd. Keď sa k nám približujú, posúva sa ich žiarenie k vyšším frekvenciám a naopak. Astronómovia hovoria o fialovom a červenom posune. Z jeho veľkosti sa dá vypočítať rýchlosť.

Príliš rýchly hviezdny kolotoč

A rýchlosti, ktoré Zwicky spočítal, boli príliš vysoké. Hviezdna sústava rotujúca takou rýchlosťou by nemohla držať pohromade, rozletela by sa všetkými smermi. Z toho Zwicky usúdil, že gravitácia vnútri kopy galaxií je väčšia, než vyplýva z odhadu množstva hviezd v nej. Podieľa sa na nej hmota, ktorú nemožno pozorovať, pretože nesvieti vlastným ani odrazeným svetlom.

Vyzeralo to ako rozumnejší a menej zaujímavý z Zwickyho nápadov – galaxie jednoducho obsahujú veľa medzihviezdneho plynu a prachu, ktorý na takú vzdialenosť pozorovať nemôžeme, bodka.

Lenže v šesťdesiatych rokoch vykonali Vera Rubinová a Kent Ford presné merania na úrovni jednotlivých galaxií. Skúmali predovšetkým galaxiu M31 v Andromede, jedinú, ktorú môžeme na oblohe vidieť aj voľným okom ako hmlistú škvrnku. A merali nie vo viditeľnom svetle, ale v oblasti rádiových vĺn.

Vyšlo im to isté čo Zwickymu: galaxia rotuje príliš rýchlo a držať pohromade ju tak musí niečo neviditeľné. Plyn a prach nestačia, chýbajúcej hmoty je toľko, že by sa musela pozorovateľom ukázať. Lenže neukázala. Nespočetné pozorovania odvtedy prichádzajú k rovnakým záverom. Navyše, temná hmota musí byť v galaxiách špecificky rozložená – viac na okrajoch ako v centre.

To okrem iného znamená, že názov „temná hmota“ je naozaj nešťastný. V skutočnosti musí byť dokonale priehľadná. Neodráža a nepohlcuje elektromagnetické žiarenie, ale pôsobí gravitačne. Takýto druh hmoty nepoznáme.

Vysvetlenie proti vede aj dobrému vkusu

Z čoho sa teda môže skladať?

Do úvahy pripadajú buď elementárne častice, ktoré už fyzika pozná, alebo doteraz neznáme. Vlastnosti tých, ktoré poznáme, však nevyhovujú (jeden čas bolo v podozrení neutríno, ale táto hypotéza sa už neberie vážne), preto sa hľadajú častice neznáme – jednak v kozmickom žiarení, ale aj v urýchľovačoch.

Lenže detegovať časticu, ktorá nemá elektromagnetické účinky, len gravitačné, je nesmierne ťažké. Pripomína to trochu hon na gravitačné vlny, ktorý trval v podstate sto rokov.

Sú vedci, ktorí sa domnievajú, že celá úvaha je zlá a že temná hmota neexistuje. Istú popularitu dosiahla hypotéza MOND (modifikovaná newtonovská dynamika), ktorej autorom je izraelský fyzik Mordechaj Milgrom.

Ten spočítal, že keby sa druhý Newtonov zákon len nepatrne upravil pre veľmi malé zrýchlenie – také malé, že efekt by sa prejavil len v galaktickom meradle – potom by temná hmota nebola potrebná. Lenže ani Milgrom, ani nikto iný neprišiel so zdôvodnením, prečo by priama úmernosť medzi silou a zrýchlením nemala platiť vždy.

Je to vysvetlenie, ktoré matematicky funguje, je však proti dobrému vkusu, vedeckým zvyklostiam a Occamovej britve. Preto je neprijateľné.

Príliš rýchle nafukovanie vesmíru

Teória veľkého tresku je dnes všeobecne prijímaným vysvetlením vzniku vesmíru. To znamená, že aj samotná skutočnosť vzniku vesmíru je všeobecne prijímaným hľadiskom (medzi vedcami).

Akceptuje sa, že vesmír vznikol, že vieme kedy (pred 13,8 miliardami rokov) a že spolu s ním vznikol priestor a čas, takže otázka „čo bolo a ako to tu vyzeralo predtým“ nedáva žiadny zmysel. (Pravdaže, to nie je uspokojivá odpoveď, ale zmierte sa s ňou, inú možnosť nemáte.)

Tento pohľad na vec je mladší, než si ľudia väčšinou myslia. Myšlienka veľkého tresku bola prvýkrát formulovaná až v tridsiatych rokoch dvadsiateho storočia a ako vedúca kozmologická teória sa presadila až koncom rokov šesťdesiatych.

A aký veľký je vesmír? To nikto nevie. Vieme však, že tá jeho časť, ktorú dokážeme (aspoň v princípe) pozorovať, predstavuje sféru s polomerom 46,5 miliardy svetelných rokov.

Obe doteraz uvedené čísla – 13,8 miliardy rokov a 46,5 miliardy svetelných rokov – by vás mali zaraziť, pretože na prvý pohľad nie sú v súlade. Ako by sme mohli pozorovať niečo, čo je od nás 45,5 miliardy svetelných rokov ďaleko, keď doterajšia doba existencie vesmíru ani zďaleka nestačí na to, aby k nám z takej vzdialenosti doletelo svetlo?

Odpoveď je jednoduchá: vesmír sa rozpína.

Svetlo (v tomto prípade mikrovlnné žiarenie, teda elektromagnetické žiarenie na nižšej frekvencii ako svetelné, ale na tom nezáleží), ktorého zdroj je dnes vzdialený 46,5 miliardy svetelných rokov, bolo kedysi oveľa bližšie.

Od tej doby sa od nás vzďaľuje, ale časť svojej dráhy k nám prešlo v čase, keď bol vesmír menší. Rýchlosť rozpínania je práve taká, že obe uvedené čísla – vek vesmíru a veľkosť jeho pozorovateľnej časti – sú v súlade.

Čakanie na ďalšiu revolúciu

Rozpínanie vesmíru predvída všeobecná teória relativity (hoci Einstein sám si to spočiatku vôbec neuvedomil).

Problém je v tom, že podľa merania červeného posunu (teda rýchlosti vzďaľovania) supernov, ktoré bolo možné uskutočniť až koncom dvadsiateho storočia, sa vesmír rozpína ​​stále rýchlejšie, čo je v rozpore s teóriou veľkého tresku. Expanziu vesmíru musí poháňať energia, ktorej zdroj a podstatu nepoznáme. Meno temná dostala v analógii s temnou hmotou a ak pripomína asociácie na „temnú stranu sily“ a iné sci-fi koncepty, o to horšie.

Hmota a energia sú podľa Einsteinovho vzorca E = m × c² rôznymi prejavmi toho istého, dajú sa medzi sebou prevádzať. Preto sa dá tvrdiť, že celý vesmír sa podľa dnešného stavu poznania skladá zo 4,9 % obyčajné hmoty a energie, 26,8 % temnej hmoty a 68,3 % tmavej energie – čo je poriadna porcia temných veličín na vysvetľovanie.

Niektorí fyzici sú toho názoru, že pochopenie tejto záhady nebude možné bez ďalšej zásadnej revolúcie vo vede, teda, že máme dočinenia s javmi, ktoré poukazujú na hranice možností dnešného poznania – rovnako ako newtonovskú fyziku musela nahradiť kvantová teória a teória relativity.

Iní sú optimistickejší a dúfajú, že vysvetlenie v rámci terajších predstáv existuje. Oba tábory sa zhodujú, že k dispozícii je málo dát. Preto sa vkladajú nádeje do nových orbitálnych teleskopov, preto sa vynakladajú veľké čiastky na detektory exotických častíc umiestnené v opustených hlbinných baniach, a preto sa stavajú čoraz väčšie urýchľovače.

Každé nové vedecké poznanie však vždy odhalilo nové šíre obzory úplnej neznalosti. S temnou hmotou a energiou to bude rovnaké – a to je v tejto veci jediná spoľahlivá prognóza.