Čo je na Veľkom tresku najzáhadnejšie a z pohľadu astrofyziky sotva vysvetliteľné?

Teória Veľkého tresku je mimoriadne úspešný vedecký model, ale napriek tomu má aj svoje ťažko vysvetliteľné problémiky. Veď už na samotnom počiatku kozmu naráža astrofyzika na fakt, kde súčasné zákony fyziky prestávajú ponúkať zmysluplné odpovede.

Najzáhadnejším a z pohľadu modernej vedy takmer nevysvetliteľným aspektom Veľkého tresku je samotný moment singularity v čase nula (t = 0), existencia kozmickej inflácie a absolútna asymetria medzi hmotou a antihmotou.

Kľúčové záhady sa dajú rozdeliť do piatich hlavných bodov:

1. Problém horizontu (záhada dokonalej rovnomernosti)  kozmická inflácia

Keď pozorujeme oblohu pomocou teleskopov, vidíme takzvané kozmické mikrovlnné pozadie – „dozvuk“ veľkého tresku. Prekvapujúce je, že vesmír má všade úplne rovnakú teplotu, pričom odchýlky predstavujú len nepatrný zlomok percenta (približne 1 diel zo 100 000).

Paradox: Oblasti, ktoré sa dnes nachádzajú na opačných koncoch pozorovateľného vesmíru, sú od seba nesmierne vzdialené. Keďže informácia (a teplo) sa nemôže šíriť rýchlejšie než rýchlosťou svetla, tieto oblasti od veľkého tresku nikdy nemali dostatok času na to, aby prišli do fyzického kontaktu a vyrovnali svoje teploty.   

Analógia: Je to, akoby ste si pripravili dve šálky kávy v dvoch rôznych miestnostiach a obe by mali úplne rovnakú teplotu – až na miliónte desatinné miesto – bez toho, aby niekedy stáli vedľa seba.

Hypotetické riešenie: Astrofyzici sa to snažia vysvetliť pomocou teórie kozmickej inflácie – fázy bezprostredne po veľkom tresku, počas ktorej sa vesmír v zlomku sekundy rozpínal rýchlosťou miliardkrát vyššou, než je rýchlosť svetla. Hoci táto teória matematicky funguje, presný fyzikálny mechanizmus, ktorý by infláciu spustil a následne ju zastavil, je stále neznámy.

2. Počiatočná singularita a zlyhanie fyziky

V čase \(t = 0\) bol celý dnešný pozorovateľný vesmír stlačený do jediného bodu s nekonečnou hustotou a nekonečnou teplotou. V tomto momente (nazývanom Planckova éra) zlyháva Einsteinova všeobecná teória relativity  pretože matematické rovnice začnú produkovať nezmyselné nekonečná.

Astrofyzikom chýba takzvaná „teória všetkého“ – prepojenie relativity (ktorá popisuje gravitáciu a veľké vesmírne objekty) s kvantovou mechanikou (ktorá riadi subatomárny svet). Kým nedokážeme tieto dve teórie zjednotiť do kvantovej gravitácie, fyzika nedokáže odpovedať na otázku, čo presne sa v momente Veľkého tresku stalo, a či vôbec existoval nejaký čas „pred“ ním.  Zatiaľ vychádzame z toho, že neexistoval

3.  Problém asymetrie hmoty a antihmoty

Podľa laboratórnych experimentov a zákonov kvantovej fyziky by mala pri premene energie na hmotu vzniknúť presne rovnaká porcia hmoty aj antihmoty. Ak by to tak bolo aj pri Veľkom tresku, hmota a antihmota by sa okamžite navzájom anihilovali (zničili) a premenili späť na čisté žiarenie. Vesmír by bol dnes len prázdnym priestorom plným fotónov.

Z nejakého neznámeho dôvodu však na každú miliardu anihilovaných párov zostala jedna častica hmoty navyše. Práve z tohto nepatrného prebytku vznikli všetky galaxie, hviezdy, planéty a nakoniec aj my. Čo presne túto asymetriu (tzv. baryogenézu) spôsobilo, zostáva jednou z najväčších otvorených otázok astrofyziky.

4. Problém plochosti a jemného ladenia

Náš kozmos je podľa meraní geometricky takmer dokonale „plochý“. Aby sa však udržal v tomto stave počas 13,8 miliardy rokov, musela byť hustota energie a hmoty na samom začiatku nastavená s extrémne vysokou presnosťou. Ak by bol vesmír len o nepatrný zlomok hustejší, gravitácia by ho okamžite stiahla späť do seba (Veľký krach). Ak by bol len o niečo menej hustý, rozletel by sa tak rýchlo, že by sa v ňom nikdy nestihli sformovať hviezdy a galaxie.

Toto jemné vyladenie počiatočných podmienok pôsobí v astrofyzike natoľko neprirodzene, že mnohí vedci hľadajú vysvetlenie v teóriách paralelných vesmírov (multiverza), kde v každom platia iné náhodné podmienky, pričom my žijeme v tom, kde boli podmienky vhodné pre život.

5.  Baryónová asymetria (záhada našej existencie)

Rovnako zásadnou záhadou je otázka, prečo vôbec existujeme. Podľa zákonov kvantovej fyziky a štandardného modelu časticovej fyziky mal veľký tresk vytvoriť presne rovnaké množstvo hmoty a antihmoty.

Paradox: Keď sa hmota a antihmota stretnú, navzájom sa úplne anihilujú a premenia na čistú energiu. Ak by bolo v okamihu veľkého tresku všetko dokonale symetrické, vesmír by sa v podstate sám vymazal z existencie. Neboli by žiadne hviezdy, planéty ani ľudia – len svetlo.

Realita: Náš vesmír pozostáva takmer výlučne z hmoty. Na každú miliardu častíc antihmoty pripadal nepatrný prebytok jednej častice bežnej hmoty.

Práve táto drobná „chyba“ v symetrii umožnila vznik nás všetkých. Prečo tento prebytok existoval, zostáva jednou z najväčších nevyriešených záhad vo fyzike.