Vesmír
je naozaj veľký.
Žijeme v galaxii, v Galaxii Mliečna cesta.
V Galaxii Mliečna cesta je približne sto miliárd hviezd.
Ak si vezmete fotoaparát,
namierite ho na náhodnú časť oblohy
a clonu necháte otvorenú,
tak pokiaľ je váš fotoaparát pripevnený k Hubblovmu vesmírnemu teleskopu,
uvidíte niečo podobné.
Každá z týchto bodiek
je galaxia približne taká veľká, ako je naša Mliečna cesta
a v každej z týchto bodiek je sto miliárd hviezd.
V pozorovateľnej časti vesmíru
sa nachádza asi sto miliárd galaxií.
100 miliárd je jediné číslo, ktoré potrebujete vedieť.
Vek vesmíru medzi súčasnosťou a Veľkým treskom
je sto miliárd psích rokov.
(Smiech)
Hovorí nám to niečo o našom mieste vo vesmíre.
Takýto obrázok môžete jednoducho obdivovať.
Je mimoriadne nádherný.
Často som uvažoval nad tým, čo je tým evolučným tlakom,
ktorý prinútil našich predkov v stepi prispôsobiť sa a vyvinúť sa tak,
aby si skutočne vychutnali fotografie galaxií,
keď žiadne nemali.
Takisto by sme to chceli pochopiť.
Ako kozmológ sa chcem spýtať: „Prečo je vesmír takýto?“
Podstatná stopa, ktorú máme, je skutočnosť, že vesmír sa časom mení.
Ak by ste sa pozreli na jednu z týchto galaxií a zmerali jej rýchlosť,
vzďaľovala by sa od vás.
Ak by ste sa pozreli na ešte vzdialenejšiu galaxiu,
vzďaľovala by sa ešte rýchlejšie.
Hovoríme teda, že vesmír sa rozpína.
Samozrejme to znamená, že v minulosti
boli veci pri sebe bližšie.
V minulosti bol vesmír hustejší
a tiež horúcejší.
Ak veci stláčate dokopy, teplota stúpa.
To nám dáva zmysel.
To, čo nám už tak veľmi zmysel nedáva je fakt,
že vesmír v ranom období blízko Veľkého tresku
bol tiež veľmi, veľmi pravidelný.
Môžete si pomyslieť, že to vôbec nie je prekvapujúce.
Vzduch v tejto miestnosti je veľmi pravidelný.
Môžete povedať: „Nuž, možno sa veci sami od seba stali pravidelnými.“
Podmienky blízko Veľkého tresku sú veľmi, veľmi rozdielne
od podmienok vzduchu v tejto miestnosti.
Najmä preto, lebo veci boli omnoho hustejšie.
Gravitačná príťažlivosť vecí
bola blízko Veľkého tresku oveľa silnejšia.
To, o čom musíte premýšľať, je fakt,
že máme vesmír so sto miliardami galaxií,
kde má každá sto miliárd hviezd.
V raných dobách bolo týchto sto miliárd galaxií
stlačených na približne takúto veľkosť,
doslova, v tomto ranom období.
Musíte si predstaviť toto stláčanie
bez akýchkoľvek nedokonalostí,
bez žiadnych malých škvŕn,
kde by bolo viac atómov ako hocikde inde,
pretože ak by to tak bolo, zrútili by sa pod gravitačnou príťažlivosťou
do obrovskej čiernej diery.
Udržiavať v ranom období vesmír veľmi, veľmi pravidelný
nie je ľahké. Je to chúlostivé usporiadanie.
Je to stopa toho,
že raný vesmír nie je vybraný náhodne.
Existuje niečo, čo ho tak vytvorilo.
Radi by sme vedeli, čo to bolo.
Časť toho, čo o tom vieme, nám poskytol Ludwig Boltzmann,
rakúsky fyzik, v 19. storočí.
Boltzmannov prínos bol v tom, že nám pomohol chápať entropiu.
O entropii ste už počuli.
Je to náhodnosť, neporiadok, chaotickosť niektorých systémov.
Boltzmann nám dal vzorec,
ktorý je teraz vytesaný na jeho náhrobku
a tento vzorec skutočne stanovuje, čo to entropia je.
Je to v podstate len konštatovanie,
že entropia je množstvo spôsobov,
akými môžeme preskupiť komponenty systému tak, že si to nevšimnete
a ten na mikroskopickej úrovni vyzerá rovnako.
Keď si vezmete vzduch v tejto miestnosti,
nevšímate si každý jednotlivý atóm.
Usporiadanie s nízkou entropiou je také,
v ktorom je len niekoľko podobných rozostavení.
Usporiadanie s vysokou entropiou je také,
kde je podobných rozostavení mnoho.
Toto je veľmi dôležité preniknutie do podstaty veci,
pretože nám pomáha vysvetliť
druhý zákon termodynamiky,
zákon, v ktorom sa hovorí o tom, že vo vesmíre
alebo jeho izolovanej časti, entropia stúpa.
Dôvod na toto stúpanie je jednoducho ten,
že existuje oveľa viac spôsobov,
ako mať vysokú entropiu a nie nízku.
Je to fantastické preniknutie do podstaty veci,
ale nezahŕňa všetko.
Mimochodom, toto chápanie stúpania entropie
stojí za podstatou toho, čo nazývame šíp času,
rozdiel medzi minulosťou a budúcnosťou.
Všetky rozdiely,
ktoré existujú medzi minulosťou a budúcnosťou,
sú tu kvôli tomu, že entropia stúpa.
Ide o skutočnosť, že si môžete pamätať minulosť, ale nie budúcnosť.
Skutočnosť, že sa narodíte, potom žijete a nakoniec zomriete,
vždy v tomto poradí.
Je to preto, lebo entropia stúpa.
Boltzmann vysvetľoval, že ak začnete s nízkou entropiou,
je úplne prirodzené, že stúpa,
lebo existuje viac možností, ako mať vysokú entropiu.
Nevysvetlil však,
prečo bola entropia na začiatku vždy nízka.
Skutočnosť, že entropia vesmíru bola nízka,
bola odzrkadlením faktu,
že raný vesmír bol veľmi, veľmi pravidelný.
Radi by sme to pochopili.
Je to práca nás - kozmológov.
Nanešťastie to nie je práve problém,
ktorému venujeme dostatočnú pozornosť.
Je to jedna z prvých vecí, ktoré by ľudia povedali,
ak by ste sa spýtali moderného kozmológa:
„O akých problémoch sa snažíme hovoriť?“
Jeden z tých, ktorí chápali, že je to problém,
bol Richard Feynman.
Pred 50 rokmi mal sériu rozličných prednášok.
Mal populárne prednášky,
ktoré boli vydané v knižnej podobe s názvom „O povahe fyzikálnych zákonov“.
Prednášal študentom na Kalifornskom technologickom inštitúte Caltech
a tieto prednášky boli vydané pod názvom „Feynmanove prednášky z fyziky“.
Ďalšie prednášky študentom na Caltechu
boli vydané pod názvom „Feynmanove prednášky o gravitácii“.
V každej z týchto kníh, v každej z tohto súboru prednášok,
zdôrazňoval tento rébus:
„Prečo mal raný vesmír takú nízku entropiu?“
Hovorí takto, ale nejdem napodobňovať jeho prízvuk,
hovorí: „Z nejakého dôvodu mal vesmír v jednom bode
veľmi nízku entropiu kvôli svojmu energetickému obsahu
a odvtedy entropia stúpa.
Šíp času sa nedá úplne pochopiť,
kým nie je záhada o začiatkoch histórie vesmíru
stále viac poodhalenejšia
od špekulácií smerom k chápaniu.“
To je teda naša práca.
Chceme to vedieť a odvtedy prešlo už 50 rokov. Myslíte si: „Samozrejme,
odvtedy sme už na to prišli.“
Pravda je však taká, že sme na to doteraz neprišli.
Je to preto, lebo tento problém sa skôr skomplikoval
ako vyriešil
a to kvôli tomu, že v roku 1998
sme sa o vesmíre dozvedeli niečo rozhodujúce, čo sme predtým nevedeli.
Zistili sme, že vesmír sa nielen rozpína,
ale že sa toto rozpínanie aj zrýchľuje.
Ak sa pozriete na galaxiu, pohybuje sa smerom od nás.
Ak by ste sa vrátili o miliardu rokov a pozreli by ste sa na ňu opäť,
pohybovala by sa od nás ešte rýchlejšie.
Jednotlivé galaxie sa od nás vzďaľujú stále rýchlejšie a rýchlejšie
a tak hovoríme, že vesmír sa zrýchľuje.
Na rozdiel od nízkej entropie raného vesmíru,
hoci na toto odpoveď nepoznáme,
máme aspoň dobrú teóriu, ktorá to dokáže vysvetliť,
ak je tá teória správna,
a je to teória tmavej energie.
Je to len myšlienka toho, že samotný prázdny priestor má energiu.
V každom centimetri kubickom priestoru,
či už v ňom hmota je alebo nie je,
či už v ňom sú alebo nie sú častice, hmota, radiácia alebo hocičo iné,
vždy sa tam nachádza energia, dokonca v samotnom priestore.
Podľa Einsteina táto energia
tlačí na vesmír.
Je to neustály impulz,
ktorý odtláča galaxie jednu od druhej,
pretože tmavá energia, na rozdiel od hmoty alebo radiácie,
neslabne s tým, ako sa vesmír rozpína.
Množstvo energie v centimetri kubickom
ostáva rovnaké,
dokonca aj vtedy, keď sa vesmír neustále zväčšuje.
Má to rozhodujúci dopad na to,
čo bude robiť vesmír v budúcnosti,
pretože vesmír sa bude navždy rozpínať.
Keď som bol vo vašom veku,
nevedeli sme, čo bude vesmír robiť.
Niektorí si mysleli, že vesmír sa v budúcnosti opäť zrúti do seba.
Einstein mal túto myšlienku rád,
ale ak existuje tmavá energia, ktorá sa nerozplynie,
vesmír bude naďalej pokračovať v rozpínaní až na veky vekov.
Bolo to tak pred 14 miliardami rokov,
100 miliardami psích rokov,
ale bude to pokračovať až nekonečný počet rokov do budúcnosti.
Na druhej strane sa nám priestor zdá byť
v každom zmysle konečný.
Priestor môže byť konečný alebo nekonečný,
ale pretože sa vesmír zrýchľuje,
existujú časti, ktoré nemôžeme vidieť
a ani ich nikdy neuvidíme.
Máme prístup len do obmedzenej oblasti vesmíru,
ktorá je obklopená horizontom.
Teda, aj keď čas bude navždy plynúť,
vesmír je pre nás obmedzený.
Nakoniec, prázdny priestor má teplotu.
V 70-tych rokoch nám Stephen Hawking povedal,
že čierna diera, aj keď si myslíte, že je čierna,
vlastne vyžaruje radiáciu,
ak vezmete do úvahy kvantovú mechaniku.
Zakrivenie časopriestoru okolo čiernej diery
prebúdza k životu kvantovo-mechanickú fluktuáciu
a čierna diera vydáva žiarenie.
V úplne podobnom výpočte Hawkinga a Garyho Gibbonsa
sa ukázalo, že ak máte tmavú energiu v prázdnom priestore,
potom celý vesmír vydáva žiarenie.
Energia prázdneho priestoru
oživuje kvantové fluktuácie
a tak hoci vesmír bude trvať naveky
a normálna hmota a radiácia sa rozplynie,
stále bude existovať istá forma radiácie,
nejaké termálne fluktuácie,
dokonca aj v prázdnom priestore.
Znamená to,
že vesmír je ako krabica s plynom,
ktorý vydrží naveky.
Aký to má teda zmysel?
Toto tvrdenie študoval v 19. storočí Boltzmann.
Povedal: „Entropia stúpa,
pretože pre vesmír existuje oveľa, oveľa viac spôsobov,
ako mať vysokú entropiu a nie nízku.“
Je to však pravdepodobnostný výrok.
Pravdepodobne bude stúpať
a pravdepodobnosť je nesmierne obrovská.
Nemusíte si však robiť starosti kvôli tomu,
že vzduch v tejto miestnosti sa presunie len do jednej jej časti a tak nás udusí.
Je to veľmi, veľmi nepravdepodobné.
Ak neberieme do úvahy možnosť, že by zamkli dvere
a nechali nás tu doslova navždy.
Vtedy by sa to stalo.
Všetko, čo je povolené,
každé usporiadanie, v ktorom môžu existovať molekuly v tejto miestnosti,
nakoniec môže byť realitou.
Boltzmann teda hovorí: „Pozrite, môžete začať s vesmírom,
ktorý sa nachádzal v tepelnej rovnováhe.“
Nevedel o Veľkom tresku. Nevedel o rozpínaní vesmíru.
Myslel si, že priestor a čas vysvetlil Isaac Newton,
a že boli absolútne a jednoducho tak navždy ostali.
Jeho myšlienka prirodzeného vesmíru bola teda tou,
v ktorej boli molekuly vzduchu len tak pravidelne rozmiestnené,
molekuly všetkého.
Ak by ste však boli Boltzmannom, vedeli by ste, že keby ste čakali dostatočne dlho,
náhodná fluktuácia týchto molekúl
ich z času na čas dovedie
do usporiadania s nízkou entropiou
a potom, samozrejme, v prirodzenom slede,
sa budú naspäť rozpínať.
Entropia teda nemusí vždy stúpať.
Fluktuácie dokážete dostať na nízku entropiu,
do usporiadanejších situácií.
Nuž, ak je to pravda,
Boltzmann teda vynachádza
dve veľmi moderne znejúce myšlienky,
multivesmír a antropogenetický princíp.
Hovorí, že problém s tepelnou rovnováhou je v tom,
že tam nedokážeme žiť.
Pamätajte, samotný život závisí na šípe času.
Nemohli by sme spracovávať informácie,
metabolizovať, chodiť a hovoriť,
ak by sme žili v tepelnej rovnováhe.
Ak si teda predstavíte veľmi, veľmi veľký vesmír,
nekonečne veľký vesmír,
s časticami náhodne vrážajúcimi do seba,
občas sa tam vyskytnú malé fluktuácie v stavoch nízkej entropie
a potom sa opäť uvoľnia.
Vyskytnú sa tam však aj veľké fluktuácie.
Z času na čas vytvoríte planétu,
hviezdu, galaxiu
alebo stovky miliárd galaxií.
Boltzmann teda hovorí,
že budeme žiť len v tej časti multivesmíru,
v časti, kde je nekonečne veľká množina fluktuačných častíc,
kde je možný život.
To je oblasť, kde je entropia nízka.
Náš vesmír je možno len jeden z takýchto vecí,
ktoré sa z času na čas stávajú.
Vašou domácou úlohou je teraz
o tom naozaj premýšľať a uvažovať, čo to znamená.
Carl Sagan raz príslovečne povedal,
že ak chcete upiecť jablkový koláč,
musíte najprv vynájsť vesmír.
Nemal však pravdu.
Ak by ste v Boltzmannovom scenári chceli upiecť jablkový koláč,
stačí, keď len počkáte na náhodný pohyb atómov,
ktorý by vám jablkový koláč upiekol.
Stane sa to oveľa častejšie,
ako náhodný pohyb atómov,
ktorý vám vytvorí sad jabloní,
trochu cukru, rúru na pečenie
a potom vám upečie jablkový koláč.
Tento scenár vytvára predpovede.
Tieto predpovede sú založené na tom,
že fluktuácie, ktoré nás vytvárajú, sú minimálne.
Dokonca aj keď si predstavíte, že miestnosť, v ktorej teraz sme,
existuje a je skutočná, my sme tu
a máme nielen naše spomienky,
ale aj pocit, že vonku je niečo,
čo sa volá Caltech, Spojené štáty americké a Galaxia Mliečna cesta,
pre tieto pocity je oveľa ľahšie fluktuovať do nášho mozgu,
ako keby sa mali náhodne zmeniť
na Caltech, Spojené štáty americké a našu galaxiu.
Dobrá správa je tá,
že tento scenár preto nefunguje, nie je správny.
Tento scenár predpovedá, že by sme mali byť v stave minimálnej fluktuácie.
Aj keby ste vynechali našu galaxiu,
nedostali by ste sto miliárd iných galaxií.
Pochopil to aj Feynman.
Hovorí: „Z hypotézy, že svet je fluktuáciou,
sú všetky predpovede také,
že ak sa pozrieme na časť sveta, ktorú sme nikdy predtým nevideli,
nájdeme ju premiešanú a nie ako časť, na ktorú sme sa práve pozerali,
vysokú entropiu.
Ak tu bol náš systém ako výsledok fluktuácie,
nečakali by sme poriadok nikde inde ako tam, kde sme ho práve pozorovali.
Náš záver je preto taký, že vesmír nie je fluktuácia“
To je dobré. Otázka však potom znie: „Aká je správna odpoveď?“
Ak vesmír nie je fluktuáciou,
prečo mal raný vesmír nízku entropiu?
Veľmi rád by som vám na to odpovedal, ale končí sa mi čas.
(Smiech)
Toto je vesmír, o ktorom vám hovoríme,
oproti vesmíru, ktorý naozaj existuje.
Práve som vám ukázal tento obrázok.
Vesmír sa rozpína približne posledných 10 miliárd rokov.
Chladne.
Vieme však dostatočne veľa informácií o budúcnosti vesmíru,
aby sme mohli povedať oveľa viac.
Ak tu tmavá energia ostane,
hviezdy okolo nás vyčerpajú svoje nukleárne palivo a prestanú horieť.
Prepadnú sa do čiernych dier.
Budeme žiť vo vesmíre,
kde nie je nič, len čierne diery.
Tento vesmír bude trvať 10 až 100 rokov,
čo je dlhšie ako žil náš malý vesmír.
Budúcnosť je omnoho dlhšia ako minulosť,
ale ani čierne diery netrvajú večne.
Vyparia sa
a neostane nám nič iné len prázdny priestor.
Tento prázdny priestor bude trvať v podstate navždy.
Ak si však všimnete, pretože prázdny priestor vyžaruje radiáciu,
tak tu vlastne existujú termálne fluktuácie
a dokola prebiehajú
všetky možné kombinácie stupňov slobody,
ktoré v prázdnom priestore existujú.
Aj keď teda vesmír bude trvať navždy,
existuje len obmedzený počet vecí,
ktoré sa v ňom môžu stať.
Všetky sa udejú počas obdobia,
ktoré sa rovná 10 na desiatu na stodvadsiatu rokov.
Tu sú pre vás dve otázky.
Otázka č.1: Ak vesmír trvá 10 na desiatu na stodvadsiatu rokov,
prečo sme sa narodili
v jeho prvých 14 miliardách rokov
v teplom, pohodlnom dozvuku Veľkého tresku?
Prečo nie sme v prázdnom priestore?
Možno poviete: „Nuž, neexistuje tam nič živé.“
To však nie je pravda.
Môžete byť náhodnou fluktuáciou z ničoty.
Prečo ňou nie ste?
To je vaša ďalšia domáca úloha.
Ako som povedal, naozaj nepoznám odpoveď.
Poviem vám môj obľúbený scenár.
Buď je to presne tak a vysvetlenie neexistuje,
je to surový fakt o vesmíre,
ktorý by ste sa mali naučiť prijať a prestať klásť otázky
alebo Veľký tresk možno
nie je začiatok vesmíru.
Vajíčko, nerozbité vajíčko, má nízku úroveň entropie,
a predsa, keď otvoríme našu chladničku,
neskríkneme: „Ha, aké prekvapujúce,
nájsť v našej chladničke toto usporiadanie s nízkou entropiou.“
Je to preto, že vajíčko nie je uzavretý systém
a pochádza zo sliepky.
Možno vesmír pochádza z vesmírnej sliepky.
Možno existuje niečo,
čo prirodzene, pomocou vývoja fyzikálnych zákonov,
umožňuje vesmíru, ako je ten náš,
rásť v usporiadaniach s nízkou entropiou.
Ak by to bola pravda, stalo by sa to viac ako len raz.
Boli by sme časťou oveľa väčšieho multivesmíru.
Je to môj obľúbený scenár.
Organizátori ma teda poprosili skončiť smelou špekuláciou.
Moja smelá špekulácia spočíva v tom,
že história mi dá úplne za pravdu
a o 50 rokov
vedecké a externé komunity
akceptujú všetky moje divoké myšlienky ako pravdivé.
Všetci uveríme, že náš malý vesmír
je len malou časťou oveľa väčšieho multivesmíru
a dokonca ešte pochopíme, čo sa stalo pri Veľkom tresku
v rámci teórie,
že to budeme môcť porovnať s pozorovaniami.
Toto je moja predpoveď. Možno sa mýlim,
ale my ako ľudská rasa premýšľame o tom,
ako vesmír vyzeral
a prečo sa zrodil tak, ako sa zrodil, po mnoho, mnoho rokov.
Je vzrušujúce pomyslieť na to, že raz budeme konečne poznať odpoveď.
Ďakujem.
(Potlesk)