Prvá sekunda vesmíru: čo všetko sa stalo v okamihu po Veľkom tresku a ako to vôbec vieme

Aby sme mohli zodpovedať na túto otázku, musíme si najprv priblížiť samotný Veľký tresk. Ide o teóriu o vzniku a vývoji kozmu, ktorú v súčastnosti široko akceptuje veda i mnoho odborníkov skúmajúcich vesmír. Predpokladá, že vesmír mal na počiatku nepredstaviteľne vysokú teplotu a hustotu, teda vznikol z nekonečne hustej singularity. Od tejto chvíle sa vesmír neustále rozpína, pričom tento proces trvá dodnes.

Je pritom iróniou osudu, že názov Veľký tresk vznikol pôvodne ako posmešné označenie. Prvýkrát ho v roku 1949 vyslovil britský astronóm Fred Hoyle, ktorý tak chcel zosmiešniť predstavu o akomsi „výbuchu“ vesmíru. Sám Hoyle ako i mnoho astronómov tej doby totiž presadzovali teóriu stacionárneho vesmíru, podľa ktorej sa vesmír viac menej nemení a bude existovať večne.

Naopak jedným z prvých, kto prišiel s myšlienkou, že vesmír začal jediným veľkým treskom, bol belgický jezuitský kňaz a kozmológ Georges Lemaître. Na formulovanie svojej v tom čase radikálnej teórie predstavy vzniku vesmíru použil čerstvo stvorenú teóriu teoretického fyzika Alberta Einsteina: dnes už nesmrteľnú všeobecnú teóriu relativity.

Sám Einstein Lemaîtrov rozbor a interpretáciu jeho rovníc odmietol a mladému bádateľovi odkázal: „Vaše výpočty sú správne, ale vaša fyzika je otrasná.“ O niekoľko rokov neskôr už bolo všetko inak.

Einstein urobil jednu z najslávnejších vedeckých otočiek, ktorá vychádzala z pozorovaní astronóma Edwina Hubblea a o ktorej si neskôr ešte povieme niečo viac. Einstein sa odvtedy stal bezvýhradným zástancom predstavy vesmíru, ktorý mal počiatok.

K hranici nášho poznania

Čo sa teda udialo v prvú sekundu existencie vesmíru, okamihu, od ktorého ubehlo už takmer 14 miliárd rokov? Zdá sa to neuveriteľné, no veci sa od počiatku všetkého dávajú veľmi rýchlo do pohybu.

V okamihu nula sekúnd vzniká priestor a začína plynúť čas. Vesmír je ešte neuveriteľne malý, no obsahuje všetku energiu, z ktorej raz vzniknú hviezdy, planéty, celé galaxie a aj my, ľudia.

Hustota a teplota sú nepredstaviteľné. Teplota dosahovala 10³² kelvina – hodnotu, ktorú je takmer nemožné si čo i len predstaviť. Fyzici tomu hovoria Planckova teplota, teoretická horná hranica možnej teploty.

Pre porovnanie: teplota v strede Slnka je „len“ približne 15 miliónov kelvinov. Inými slovami, hneď po Veľkom tresku bola teplota vesmíru asi desať triliónov triliónov-krát vyššia než v jadre našej hviezdy.

Od vtedy sa začína všetko, čo poznáme.

Planckov čas: najkratší okamih vo vesmíre

Je to hranica nášho poznania. Planckov čas nesie pomenovanie po nemeckom teoretickom fyzikovi Maxovi Planckovi a ide o najkratší možný časový interval. Má hodnotu 10 na mínus štyridsiatutretiu sekundy. Doteraz najkratší zmeraný časový interval je približne 100 attosekúnd: teda takmer dva trilióny triliónov krát dlhší než Planckov čas. Práve v tomto okamihu začínajú vznikať prvé interakcie a sily a vesmír sa pomaly začína ochladzovať.

Za touto hranicou fyzika, ako ju poznáme, prestáva fungovať. Gravitačné a kvantové zákony sa zlievajú do jedinej, zatiaľ neznámej teórie. Ak by sme sa pokúsili „pozrieť“ pred tento okamih, nemáme na to žiadne vedecké nástroje – nevieme, čo bolo „predtým“, pretože „predtým“ vlastne nikdy neexistovalo. Otázka, čo bolo pred týmto okamihom, preto nedáva žiaden zmysel. Je to ako sa pýtať na to, čo bolo nikdy.

Niektoré hypotézy tvrdia, že v tento moment bol vesmír nekonečne malý, mal nekonečnú hustotu a nekonečne vysokú teplotu: nachádzal sa v stave prvotnej singularity, jedného jediného bodu. Inými slovami: bod, kde sa všetky zákony fyziky rozpadnú, nič, čo by sme mohli pochopiť.

Zatiaľ nevieme, prečo sa vesmír ocitol v takomto stave, čo tomu predchádzalo a ani to, ako sa udalosti dali následne do pohybu. Pochopiť, ako vznikol náš vesmír, by znamenalo objaviť tzv. teóriu všetkého. Ak by sa to podarilo, išlo by o konečný úspech ľudského rozumu, ako raz povedal významný britský astrofyzik a kozmológ Stephen Hawking.

Kozmická inflácia (10⁻³⁶ sekundy)

Vesmír sa začína rozpínať na všetky smery neuveriteľnou rýchlosťou. Tento proces nazývame kozmická inflácia. Z mikroskopickej časti menšej než atóm sa vesmír zväčší na veľkosť pomaranča.

Práve v tomto okamihu vznikajú prvotné kvantové fluktuácie – drobné zmeny v hustote energie, z ktorých sa neskôr vyvinú hviezdy a celé galaxie. Podľa Einsteina platí, že hmota a energia sú ekvivalentné – malé množstvo hmoty obsahuje obrovské množstvo energie. Presne táto energia umožňuje, aby sa vesmír počas inflácie rýchlo rozpínal a aby sa formovali prvé štruktúry.

Svet elementárnych častíc (10⁻³² až 10⁻⁶ sekundy)

Behom tejto fázy teplota stále presahuje bilióny stupňov, energia sa premieňa na častice a ich protiváhy – kvarky, hadróny, gluóny, leptóny a fotóny. Pri vysokej hustote narážajú do seba tak často, že neexistujú žiadne stabilné štruktúry.

Je to prvotná horúca plazma, more energie a častíc, ktoré vznikajú a zanikajú každú mikrosekundu. Objavujú sa aj prvé základné interakcie: elektromagnetizmus, gravitácia, silná a slabá interakcia.

Zrod protónov a neutrónov (10⁻⁶ sekundy)

Ako vesmír ďalej chladne, kvarky sa spájajú do protónov a neutrónov – základných stavebných kameňov atómových jadier. V tejto fáze už začína pripomínať dnešnú fyziku častíc: hmota a antihmota sa zrážajú, no z neznámych dôvodov zostáva mierny prebytok hmoty, ktorý nám umožnil existovať. Keby bol pomer dokonale rovný, všetko by sa navzájom zničilo – a vesmír by zostal prázdny.

Vesmír plný neutrín – 0,01 až 1 sekunda

Keď teplota klesne pod desať miliárd kelvinov, neutrína (takmer nepolapiteľné častice, ktoré nám dávajú stopy o veľmi ranom vesmíre) prestávajú reagovať s inou hmotou. Zároveň začínajú dominovať fotóny, teda základné jednotky svetla a všetkých ostatných foriem elektromagnetického žiarenia. Zatiaľ nemôžu prenikať naprieč vesmírom, pretože plazma nie je priehľadná. Vesmír sa však ďalej rozpína a chladne, pripravujúc pôdu pre ďalší veľký krok: vznik prvých atómových jadier – približne o tri minúty neskôr.

Ako vieme, čo sa vtedy udialo?

Na prvý pohľad sa môže zdať nemožné, ako sa dajú detailne opísať udalosti v okamihu zrodu vesmíru. Odpovede nám však poskytuje veda: kombinácia matematiky, fyzikálnych modelov a rokov vedeckých pozorovaní a meraní.

Matematika a fyzikálne rovnice nám umožňujú pochopiť, ako sa vesmír mohol správať v prvých sekundách svojej existencie, zatiaľ čo astronómovia experimentami overujú svoje predpovede.

Podľa amerického kozmológa Maxa Tegmarka náš vesmír ovládajú po celý čas jeho existencie jednoduché matematické zákony, ktoré sú platné po celú dobu jeho trvania. A to nie len zhruba, ale s fascinujúcou presnosťou.

Americký kvantový fyzik a popularizátor vedy Brian Greene vo svojej knihe Až do konca času píše, že matematika nám stále znovu a znovu dokazuje úplne zázračnú schopnosť vyjadriť prírodné zákonitosti, pričom cituje slová svojho ranného mentora Neila Bellinsona: „Venujem sa matematike, pretože ak sa raz dokáže, že matematická veta platí, tak platí navždy.“

Tieto univerzálne zákony a veda nám teda umožňujú interpretovať aj konkrétne pozorovania vrátane prvých okamihov vesmíru.

Otvorené otázky

Aj keď teória Veľkého tresku dokáže veľmi presne opísať, čo sa dialo krátko po jeho začiatku, stále zostáva množstvo nezodpovedaných otázok. Najväčšou z nich je už spomenutá otázka: čo bolo „predtým“?

Ďalšou nevyriešenou záhadou je obdobie inflačnej expanzie. Vieme, že sa musela udiať, pretože vysvetľuje rovnomernosť a štruktúru dnešného vesmíru, no nepoznáme jej presný mechanizmus – ani „spúšťač“, ktorý ju odštartoval.

Niektorí vedci sa dokonca domnievajú, že náš vesmír mohol byť len jednou z nespočetných „bublín“ v širšom multiverze, ktoré vznikli podobným spôsobom, no s inými fyzikálnymi zákonmi.

Rovnako otvorenou otázkou je povaha temnej hmoty a temnej energie, ktoré tvoria až 95 percent vesmíru, no stále ich nevieme priamo detegovať. Ak pochopíme ich podstatu, možno sa priblížime aj k odpovedi na to, prečo sa vesmír rozpína čoraz rýchlejšie a aký bude aj jeho koniec.