Nedávno byl publikovaný jeden nový výzkum v odborném časopise Proceedings of the Royal Society A od matematiků z Kalifornské univerzity v Davisu. Jejich práce se zaměřila na hlubší analýzu Einsteinových-Eulerových rovnic, které spojují obecnou teorii relativity s principy hydrodynamiky a běžně se také používají při modelování chování galaxií, černých děr i vývoje samotného vesmíru.

Standardní model kosmologie rozložen

Závěry této studie představují výzvu pro dnes dominantní kosmologický model známý pod názvem Lambda-CDM. Ten vlastně tvoří základ současného chápání vesmíru po velkém třesku a zahrnuje nejen běžnou hmotu a temnou hmotu, ale také temnou energii, která má způsobovat zrychlené rozpínání kosmu.

Autoři studie tvrdí, že matematické vlastnosti modelu odhalují výrazný problém. Podle jejich výpočtů jsou Friedmannovy prostoročasy (tak se říká matematickým konstrukcím používaným k popisu rozpínajícího se vesmíru) nestabilní. A to jak v malých, tak ve velkých měřítkách v blízkosti počátečních fází existence vesmíru.

Vedoucí autor Blake Temple přirovnává situaci k tužce postavené na špičku. Teoreticky může taková poloha existovat a splňuje fyzikální rovnice, nicméně v naší realitě je natolik nestabilní, že ji stačí nepatrně vychýlit a okamžitě se zhroutí. Podobně podle něj fungují i ony zmíněné Friedmannovy modely vesmíru.

Jak se projevuje nestabilita v matematické fyzice

V matematice a fyzice je stabilita jedním ze zásadních kritérií při posuzování, zda určitý model odpovídá realitě. Jestliže je řešení rovnic extrémně citlivé na drobné poruchy, považuje se za nepravděpodobné či fyzikálně nereálné.

Temple a jeho kolegové mluví o tom, že nějakou takovou vlastnost vykazují Friedmannovy prostoročasy. Je-li jejich analýza správná, znamená to, že současný standardní kosmologický model stojí na neudržitelném matematickém základu.

Podle autorů by mohlo být zrychlování rozpínání vesmíru přirozeným důsledkem nestability těchto řešení, nikoli působením dosud nepozorované formy energie. Zkrátka když se nemotorně přidávají do fyziky stále nové konstanty a členy, za několik dekád lze snadno dospět k závěrům, že takové uspořádání je nejen neudržitelné, ale neodpovídající ničemu známému / představitelnému.

Zdroj: Shutterstock

Kdy poprvé vznikla myšlenka temné energie

Kořeny celé debaty sahají až k samotnému Albertu Einsteinovi. Když v roce 1915 formuloval obecnou teorii relativity, zjistil, že jeho rovnice přirozeně vedou k dynamickému vesmíru, který se buď rozpíná, nebo smršťuje. Protože tehdejší vědci předpokládali existenci statického vesmíru, přidal Einstein do svých rovnic speciální člen - kosmologickou konstantu.

Tento dodatečný člen měl působit jako určitá forma odpudivé gravitace a udržovat vesmír v rovnováze. Situace se změnila v roce 1929, kdy astronom Edwin Hubble objevil, že se vesmír skutečně rozpíná. Einstein následně označil zavedení kosmologické konstanty za svou největší chybu.

Na konci 20. století se však kosmologická konstanta vrátila na scénu. Pozorování vzdálených supernov totiž naznačila, že rozpínání vesmíru se nezpomaluje, jak se očekávalo, ale naopak zrychluje. Kosmologická konstanta se znovu interpretovala jako projev záhadné temné energie a stala se jedním ze základních pilířů moderní kosmologie.

Hledá se alternativní vysvětlení

Výzkumný tým z Kalifornské univerzity se domníval, že tradiční obraz homogenně se rozpínajícího vesmíru nemusí být jediným možným řešením Einsteinových rovnic. Vědci proto začali pátrat po alternativních scénářích, které by mohly vysvětlit pozorované zrychlování bez potřeby zavádět novou formu energie.

Jednou z prvních hypotéz bylo, že by rozpínání mohlo souviset s obrovskou rázovou vlnou vzniklou během raných fází velkého třesku. Během dalšího výzkumu však autoři objevili širší skupinu matematických řešení = samopodobná řešení.

Samopodobnost znázorňuje zachovávání podobné struktury určitého systému bez ohledu na měřítko, ve kterém jej pozorujeme. Je to poměrně tradiční princip objevující se v mnoha oblastech fyziky, matematiky i přírody.

Na Einsteinovy rovnice se lze dívat ještě jinak

Ve své nejnovější práci použili vědci samopodobnou verzi Einsteinových rovnic, která jim umožnila analyzovat stabilitu standardního kosmologického modelu mnohem detailněji než kdy dříve.

Podle jejich výpočtů se ukazuje, že všechny Friedmannovy prostoročasy vykazují nestabilitu vůči radiálním poruchám ve velkých měřítkách, takže následné velmi malé odchylky mohou v průběhu času vést k výrazně odlišnému vývoji vesmíru.

Model Lambda-CDM tedy nemusí nutně představovat stabilní řešení Einsteinových rovnic bez ohledu na to, zda obsahuje temnou energii nebo nikoli.

Zrychlující se vesmír bez temné energie

Nejklíčovější část jejich studie spočívá v tom, že zrychlené rozpínání vesmíru vzniká přirozeně přímo z Einsteinových-Eulerových rovnic. Autoři tím chtějí říci, že je zbytečné přidávat kosmologickou konstantu nebo předpokládat existenci temné energie.

V tomto pohledu by vesmír v blízkosti určitého centra symetrie vypadal velmi podobně jako v klasických Friedmannových modelech. Ve větších vzdálenostech by se však začaly objevovat odchylky, které by mohly být interpretovány jako pozorované univerzální zrychlování.

Zdroj: Shutterstock

Přináší to výzvu pro Koperníkův princip

Práce vědců zároveň otevírá otázku takzvaného Koperníkova principu. Tento princip hovoří o tom, že Země ani lidstvo nezaujímají ve vesmíru žádné výjimečné postavení.

Autoři upozorňují, že jak standardní model s temnou energií, tak alternativní model založený na sféricky symetrickém prostoročasu ve skutečnosti vyžadují určité privilegované postavení pozorovatele, aby odpovídaly pozorováním. Pokud by tedy byl jeden z modelů odmítnut kvůli porušení Koperníkova principu, muselo by se stejné měřítko uplatnit i na ten druhý.

Nová kosmologická debata, která zjednodušuje?

Je důležité zdůraznit, že tato studie (stejně jako mnohé další) sama o sobě nevyvrací existenci temné energie. Představuje však významnou matematickou výzvu pro současný kosmologický model a nabízí alternativní interpretaci pozorovaných dat. Také svým způsobem kritizuje a snižuje význam neustálého přidávání nových členů do již zavedených soustav.

Vědecká komunita bude muset výsledky podrobit důkladnému ověření a porovnat je s rozsáhlým množstvím astronomických pozorování, která dnes model Lambda-CDM podporují - konsenzuálně. Zrovna věda by neměla být konsenzuální disciplína.

Otázka, zda je temná energie skutečnou součástí vesmíru, nebo pouze důsledkem našeho neúplného porozumění Einsteinovým rovnicím, tak zůstává samozřejmě otevřená. Nicméně přidáváním dalších konstant a členů do rovnice se neuzavře a zůstane stále nezodpovězená.