Vesmír
je skutečně veliký.
Žijeme v galaxii, v galaxii Mléčná dráha.
V Mléčné dráze je asi sto miliard hvězd.
A když vezmete foťák,
zamíříte jím na náhodné místo oblohy
a necháte otevřenou závěrku,
pokud je váš foťák připevněný k Hubbleovu vesmírnému teleskopu,
uvidíte něco jako toto.
Každá z těchto malých teček
je galaxie zhruba stejně velká jako naše Mléčná dráha -
sto miliard hvězd v každé z těchto teček.
V pozorovatelném vesmíru je
zhruba sto miliard galaxií.
Sto miliard je jediné číslo, které potřebujete znát.
Stáří vesmíru, od tohoto okamžiku až po Velký třesk,
je sto miliard psích let.
(Smích)
Což vám něco říká o našem místě ve vesmíru.
Jednou z věcí, kterou můžete s takovou fotkou udělat, je jednoduše ji obdivovat.
Je nesmírně krásná.
Často se divím, jaký evoluční tlak
přiměl naše předky ze stepí k adaptaci a takovému vývoji,
aby si dovedli užívat fotky galaxií,
když žádné neměli.
My bychom jim však také chtěli porozumět.
Jako kosmolog se chci zeptat, proč je vesmír takovýto?
Velkou nápovědou, kterou máme, je skutečnost, že vesmír se mění v čase.
Kdybyste se podívali na jednu z těchto galaxií a změřili její rychlost,
pohybovala by se od vás pryč.
A kdybyste se podívali na ještě vzdálenější galaxii,
pohybovala by se pryč rychleji.
Proto hovoříme o tom, že se vesmír rozpíná.
To samozřejmě znamená, že v minulosti
byly věci blíže u sebe.
V minulosti měl vesmír větší hustotu
a také vyšší teplotu.
Když stlačíte věci dohromady, teplota se zvýší.
To nám celkem dává smysl.
Co nám však smysl tak moc nedává je,
že vesmír byl zpočátku, nedlouho po Velkém třesku,
také opravdu velmi uspořádaný.
Možná vám to nepřijde jako žádné překvapení.
Vzduch v této místnosti je velice uspořádaný.
Možná řeknete: "Dobře, snad se věci samy uspořádaly."
Podmínky v době blízké Velkému třesku byly ale ohromně odlišné
od podmínek vzduchu v této místnosti.
Zejména byly věci mnohem hustější.
Gravitační přitažlivost objektů
byla v době blízké Velkému třesku mnohem silnější.
Musíte mít na paměti,
že máme vesmír se stovkou miliard galaxií,
a v každé z nich je sto miliard hvězd.
Zpočátku bylo těchto sto miliard galaxií
nahuštěno do asi takhle velkého prostoru --
doslova -- na počátku.
A musíte si představit, že to stlačení proběhlo
bez jakýchkoli nedokonalostí,
bez místeček,
kde by bylo o něco více atomů než jinde.
Kdyby tam totiž byly, zhroutily by se pod gravitační silou
do obrovské černé díry.
Udržovat vesmír v jeho počátcích opravdu uspořádaný
není nic snadného; je to velice křehké uspořádání.
Je to náznak toho,
že raný vesmír nebyl vybrán náhodně.
Něco jej udělalo takovým, jakým je.
Chtěli bychom vědět, co to bylo.
Částečné porozumění v této věci nám poskytl Ludwig Boltzmann,
rakouský fyzik, který žil v 19. století.
Boltzmannovým přínosem bylo, že nám pomohl porozumět entropii.
O entropii jste už slyšeli.
Je to nahodilost, neuspořádanost, chaotičnost některých systémů.
Bolzmann nám zanechal vzorec -
nyní vytesán na jeho náhrobním kameni -
který vskutku stanovuje, čím entropie je.
V podstatě jenom říká,
že entropie představuje počet různých možností,
kterými lze změnit uspořádání složek systému, aniž byste si toho všimli,
takže systém vypadá z makroskopického pohledu stejně.
Když máte v této místnosti vzduch,
nevnímáte každý jednotlivý atom.
Konfigurace s nízkou entropií
je taková, ve které existuje pouze několik podobných uspořádání.
Konfigurace s vysokou entropií
je taková, v níž existuje mnoho podobných uspořádání.
Toto je klíčový postřeh,
protože nám pomáhá vysvětlit
druhý zákon termodynamiky --
zákon, který říká, že entropie narůstá ve vesmíru
nebo v nějaké jeho izolované části.
Důvodem nárůstu entropie
je jednoduše to, že existuje mnohem více možností,
jak mít entropii vysokou spíš než nízkou.
Je to úžasný postřeh,
ale něco v něm chybí.
Chápání rostoucí entropie stojí
mimochodem za podstatou toho, co nazýváme časovou šipkou,
rozdílem mezi minulostí a budoucností.
Jakýkoli rozdíl, který existuje
mezi minulostí a budoucností,
existuje díky rostoucí entropii --
skutečnost, že jste schopni zapamatovat si minulost, ale nikoli budoucnost.
Skutečnost, že se narodíte, pak žijete, a pak zemřete,
vždy v tomto pořadí,
je způsobena nárůstem entropie.
Boltzmann vysvětlil, že když začnete u nízké entropie,
je pro ni velmi přirozené, aby vzrůstala,
protože existuje více způsobů, jak přejít k vysoké entropii.
Nevysvětlil však,
proč vůbec byla entropie zpočátku nízká.
Skutečnost, že entropie vesmíru byla nízká,
je odrazem toho,
že raný vesmír byl opravdu velmi uspořádaný.
Rádi bychom tomu porozuměli.
To je práce nás, kosmologů.
Bohužel to však není problém,
jemuž bychom věnovali dostatek pozornosti.
Není to jedna z prvních věcí, kterou by jmenoval,
kdybyste se zeptali moderního kosmologa:
"Jaké problémy se snažíme řešit?"
Jedním z lidí, kteří pochopili, že to je problém,
byl Richard Feynman.
Před 50 lety uspořádal sérii různých přednášek.
Uspořádal populární přednášky,
které vyšly jako kniha O povaze fyzikálních zákonů.
Přednášel bakalářům Kalifornského technologického institutu,
které se staly Feynmanovými přednáškami z fyziky.
Pořádal přednášky pro studenty vyšších ročníků,
které se staly Feynmanovými přednáškami o gravitaci.
V každé z těchto knih, v každém z tohoto souboru přednášek,
klade důraz na hádanku:
Proč měl raný vesmír tak nízkou entropii?
Takže říká -- nebudu napodobovat jeho přízvuk --
říká: "Z nějakého důvodu měl vesmír v nějakém čase
velmi nízkou entropii vzhledem k obsahu energie
a od té doby se entropie zvětšuje.
Šipce času nemůžeme plně porozumět,
dokud není tajemství počátku historie vesmíru
dále redukováno
od spekulace až k porozumění."
Takže to je naše práce.
Chceme vědět -- bylo to před 50 lety, "Jistě," myslíte si,
"jsme to už vyřešili."
Pravda je však taková, že jsme na to doteď nepřišli.
Důvodem, proč se ten problém zhoršil,
spíše než zjednodušil,
je to, že v roce 1998
jsme se dozvěděli o vesmíru něco klíčového, co jsme dříve nevěděli.
Zjistili jsme, že se pohybuje stále rychleji.
Vesmír se nejen rozpíná.
Pokud se podíváte na galaxii, pohybuje se pryč.
Pokud přijdete zpět o miliardu let později a opět se na ni podíváte,
bude se vzdalovat rychleji.
Jednotlivé galaxie se od nás vzdalují čím dál tím rychleji,
takže říkáme, že vesmír zrychluje.
Na rozdíl od nízké entropie raného vesmíru,
přestože na tohle neznáme odpověď,
máme alespoň dobrou teorii, která to může vysvětlit --
pokud je tato teorie správná.
A tou teorií je teorie temné energie.
Je to myšlenka, že i samotný prázdný prostor má energii.
V každém krychlovém centimetru prostoru,
ať už v něm je či není materiál,
ať už v něm jsou či nejsou částice, hmota, záření nebo cokoliv jiného,
stále je tam energie, dokonce i v prázdných místech.
A podle Einsteina tato energie
vyvíjí ve vesmíru tlak.
Je to stálý podnět,
který tlačí galaxie od sebe.
Protože temná energie se, na rozdíl od hmoty či záření,
rozpínáním vesmíru nezřeďuje.
Množství energie v každém krychlovém centimetru
zůstává stejné,
i když vesmír se stává větším a větším.
To má zásadní dopad na to,
co se bude dít s vesmírem v budoucnu.
Jednou z věcí je, že se bude roztahovat donekonečna.
Dříve, když jsem byl ve vašem věku,
jsme nevěděli, co se s vesmírem stane.
Někteří lidé si mysleli, že se vesmír v budoucnu znovu zhroutí.
Einstein byl příznivcem této myšlenky.
Ale pokud je zde temná energie, a ta nemizí,
vesmír se bude navždy rozpínat stále dál a dál.
Čtrnáct miliard let v minulosti,
nebo 100 miliard psích let,
ale nekonečně mnoho let do budoucnosti.
Prozatím vypadá vesmír
ve všech směrech konečný.
Prostor může být konečný či nekonečný,
ale protože rozpínání vesmíru se zrychluje,
existují jeho části, které nejsme
a nikdy nebudeme schopni vidět.
Je zde určitá oblast prostoru, do níž máme přístup,
obklopená horizontem.
Takže i když čas pokračuje donekonečna,
prostor je pro nás omezený.
Nakonec, prázdný prostor má nějakou teplotu.
V 70. letech nám Stephen Hawking řekl,
že černá díra, přestože si myslíte, že je černá,
ve skutečnosti vydává záření,
pokud bereme v potaz kvantovou mechaniku.
Zakřivení časoprostoru okolo černé díry
přivádí k životu kvantově-mechanickou fluktuaci
a černá díra září.
Navlas stejné úvahy Hawkinga a Garyho Gibbonse ukázaly,
že pokud máte temnou energii v prázdném prostoru,
pak celý vesmír vysílá záření.
Energie prázdného prostoru
dává vzniknout kvantové fluktuaci.
Takže navzdory tomu, že vesmír bude trvat věčně
a běžná hmota a záření se rozptýlí,
vždy bude existovat nějaké záření,
nějaká tepelná fluktuace,
dokonce i v prázdném prostoru.
Takže to znamená,
že vesmír je jako krabice s plynem,
která trvá věčně.
Jaké to má tedy důsledky?
Botlzmann je studoval v 19. století.
Říkal, že entropie vzrůstá,
protože je mnohem více možností
jak může mít vesmír vysokou entropii spíše než nízkou.
Ale je to tvrzení založené na pravděpodobnosti.
Ona pravděpodobně vzroste
a ta pravděpodobnost je obrovská.
Není to nic, co by vás mělo trápit --
jako kdyby se vzduch v této místnosti všechen přeskupil z jedné části místnosti do druhé a udusil nás.
To je velmi, velmi nepravděpodobné.
S výjimkou toho, že by zamkli dveře
a nechali nás zde doslova věčně,
pak by se to stalo.
Vše, co je dovolené,
jakékoliv uspořádání, které může mezi molekulami v této místnosti nastat,
by se časem skutečně přihodilo.
Takže Boltzmann říká, že můžete začít s vesmírem,
který byl v tepelné rovnováze.
Nevěděl o Velkém třesku. Nevěděl o rozpínání vesmíru.
Myslel si, že prostor a čas byly vysvětleny Isaacem Newtonem --
že jsou absolutní; prostě tu budou navždy.
Jeho představa přirozeného vesmíru
tedy byla taková, že molekuly vzduchu jsou prostě všude rozprostřené rovnoměrně --
molekuly všeho.
Ale pokud jste Boltzmannem, tak víte, že když počkáte dostatečně dlouho,
náhodná fluktuace těchto molekul
je čas od času přivede
k uspořádání s nižší entropií.
A potom se samozřejmě, za normálního běhu věcí,
zase rozšíří zpět.
Takže to není tak, že entropie musí vždycky vzrůstat --
může dojít k fluktuaci do nižší entropie,
do uspořádanějších situací.
Pokud je to pravda,
pak Boltzmann přichází se
dvěma velmi moderně znějícími myšlenkami --
multivesmírem a antropickým principem.
Říká, že problém s tepelnou rovnováhou je,
že v ní nemůžeme žít.
Nezapomínejte, že samotný život závisí na směru časové šipky.
Nebyli bychom schopní zpracovávat informace,
trávit, chodit a mluvit,
kdybychom žili v tepelné rovnováze.
Takže když si představíte skutečně velký vesmír,
nekonečně velký vesmír,
kde do sebe částice náhodně narážejí,
občas by se objevily malé výkyvy ke stavům nižší entropie,
které by se pak zase vrátily zpět.
Ale také tam budou velké výkyvy.
Občas vytvoříte planetu
nebo hvězdu nebo galaxii
nebo sto miliard galaxií.
Boltzmann tvrdí,
že my budeme žít jenom v té části multivemíru,
v části tohoto nekonečně velkého souboru proudících částic,
kde je život možný.
To je oblast, v níž je entropie nízká.
Možná je náš vesmír jenom jednou z věcí,
která čas od času vznikne.
Vaším domácím úkolem
je opravdu se nad tím zamyslet, uvažovat, co to znamená.
Jedním ze známých výroků Carla Sagana je,
že "k udělání jablečného koláče
musíte nejprve vynalézt vesmír".
Ale neměl pravdu.
Podle Boltzmannova scénáře, pokud chcete udělat jablečný koláč,
jednoduše počkáte na náhodný pohyb atomů,
které vám ten koláč udělají.
To se stane mnohem častěji,
než že náhodný pohyb atomů
vytvoří ovocný sad
a nějaký cukr a troubu
a potom jablečný koláč.
Takže tento scénář sestavuje předpovědi.
A ty předpovídají,
že fluktuace, které nás tvoří, jsou minimální.
Dokonce i když si představíte, že tato místnost, v níž teď jsme,
existuje a je skutečná a my tu jsme
a máme nejen svoje vzpomínky,
ale i dojem, že venku je něco
jako Kalifornský technologický institut a Spojené státy a Mléčná dráha,
je mnohem jednodušší pro tyto pocity, aby náhodně proudily do vašeho mozku,
než že by skutečně náhodně tvořily
Kalifornský technologický institut, Spojené státy a galaxii.
Dobrá zpráva je,
že díky tomu tento scénář nefunguje, není správný.
Tento scénář předpokládá, že bychom měli být jenom minimální fluktuací.
I když vynecháte naši galaxii,
nedostali byste dalších sto miliard dalších.
A Feynman to také pochopil.
Feynmann tvrdí, že: "Podle hypotézy, že svět je fluktuací,
všechny předpovědi vedou k tomu,
že pokud se podíváme na část světa, který jsme nikdy předtím neviděli,
nalezneme ji promíchanou a ne jako část, na níž jsme se právě podívali --
s vysokou entropií.
Pokud by měl být náš systém zapříčiněn fluktuací,
nečekali bychom pořádek nikde jinde než tam, kde jsme ho právě zaznamenali.
Proto usuzujeme, že vesmír není fluktuací."
Takže to je dobré. Otázka potom je, co je správnou odpovědí?
Pokud vesmír není fluktuací,
proč měl ve svých počátcích nízkou entropii?
A já bych vám moc rád řekl odpověď, ale už nemám čas.
(Smích)
Je tu vesmír, o němž vám vyprávíme,
versus vesmír, který skutečně existuje.
Právě jsem vám ukázal tuto fotku.
Vesmír se rozpíná posledních asi 10 miliard let.
Ochlazuje se.
Ale my teď víme o budoucnosti vesmíru tolik,
že bychom mohli říct mnohem více.
Pokud temná energie nezmizí,
hvězdy kolem nás spotřebují své nukleární palivo, přestanou hořet.
Zhroutí se do černých děr.
Budeme žít ve vesmíru,
kde nebude nic jiného než černé díry.
Ten vesmír bude trvat 10 na 100 let --
mnohem déle než trval náš malý vesmír.
Budoucnost je mnohem delší než minulost.
Ale ani černé díry netrvají donekonečna.
Vypaří se
a nám nezbude nic víc než prázdný prostor.
Ten prázdný prostor bude trvat v podstatě věčně.
Všimněte si nicméně, že prázdný prostor vydává záření
a tím pádem v něm existují teplotní fluktuace
a ty v cyklech probíhají
všemi možnými kombinacemi
stupňů volnosti, které v prázdném prostoru existují.
Takže i když vesmír trvá věčně,
existuje jenom omezené množství věcí,
které se ve vesmíru mohou přihodit.
Všechny z nich se stanou během časového období
trvajícího 10 na 10 na 120 let.
Tady jsou pro vás dvě otázky.
První: Pokud vesmír trvá 10 na 10 na 120 let,
proč jsme se narodili
v jeho prvních 14 miliardách,
v teplém, příjemném doznívání velkého třesku?
Proč nejsme v prázdném prostoru?
Možná řeknete: "Vždyť se tam nedá žít,"
ale to není správně.
Mohli byste být náhodnou fluktuací z prázdnoty.
Proč jí nejste?
To je váš další domácí úkol.
Takže jak jsem řekl, odpověď skutečně neznám.
Řeknu vám však svůj nejoblíbenější scénář.
Buď to tak prostě je. Neexistuje žádné vysvětlení.
Je to hrubý fakt o vesmíru,
který byste se měli naučit přijmout a přestat klást otázky.
Nebo možná Velký třesk
není počátkem vesmíru.
Vajíčko, nerozbité vajíčko, má nízkou entropii
a přece když otevřeme ledničku,
nedivíme se: "Ach, jak je to zvláštní najít
toto uspořádání s nízkou entropií v naší lednici."
Je to proto, že vajíčko není uzavřeným systémem.
Pochází ze slepice.
Možná, že vesmír pochází z vesmírné slepice.
Možná je zde něco, co umožňuje přirozeně
přes vývoj fyzikálních zákonů
vznik vesmíru, jako je ten náš,
s nízkou entropií.
Pokud je to pravda, stalo by se to víckrát než jednou.
Byli bychom součástí o poznání většího multivesmíru.
To je můj nejoblíbenější scénář.
Organizátoři mě poprosili, abych skončil smělou spekulací.
Má smělá spekulace je,
že historie mi dá naprosto za pravdu.
A za 50 let
budou všechny z mých divokých představ přijaty jako pravdy
vědci i externími komunitami.
Všichni budeme věřit, že náš malý vesmír
je jen částečkou v mnohem větším multivesmíru.
A co víc, porozumíme, co se stalo během velkém třesku
v rámci teorie,
která bude srovnatelná s pozorováním.
Toto je předpověď. Možná se mýlím.
Ale jako lidstvo už mnoho a mnoho let
přemýšlíme o tom, jak vesmír vypadal
a proč vznikl tak, jak vznikl.
Je vzrušující si představit, že jednoho dne se snad konečně dozvíme odpověď.
Děkuji vám.
(Potlesk)