Foto IANVesmír nad kelímkem kávy 
Diskuze profesora Jiřího Bičáka, profesora Igora Novikova a Sira Martina Reese 
  
Stanislav Štefl: První otázku bych si dovolil položit Siru Martinu Reesovi. Jaké je to být britským královským astronomem? Dnes, na konci druhého tisíciletí? 
Martin Rees: Dovolte mi, abych nejdříve připomněl, že astronomie je jednou z nejstarších věd. Například hvězdárny existovaly v této, ale i v jiných zemích už před mnoha staletími. Současně je astronomie vědou, která postupuje velice rychle kupředu. Můj titul je pak reliktem ze starých dob. Pro mne osobně je však důležité, že astronomie skutečně velice rychle postupuje kupředu. 
Stačí se podívat na objevy posledních dvou tří let a hned je vidět, že jich bylo mnohem více než v kterémkoli jiném předchozím období. Pamatuji si, když jsem já začínal s astronomií -- v pro mne vzrušujících v šedesátých letech byly objeveny kvasary, mikrovlnné reliktní záření, neutronové hvězdy... Ale také poslední období je zajímavé: Třeba objevy velmi vzdálených galaxií, vysvětlení povahy zábleskových zdrojů gama záření či planety u jiných hvězd. 
Jsme svědky toho, jak se hranice poznání posunují dál a dál. Expandují a zřejmě se zrychluje i tempo. Věřím, že toto crescendo v astronomickém poznávání bude pokračovat i nadále. 
Jiří Bičák: Znamená titul "Astronomer Royal" něco více, než jenom pouhý čestný titul? Nebo s sebou nese i nějaké povinnosti? 
Martin Rees: Je pravda, že titul "královský astronom" nosil člověk, jenž vedl hvězdárnu v Greenwichi. Používá se od roku 1675. Ale posledních padesát let se jedná pouze o čestný titul, podobně jako třeba "Poet Laureate" -- což je titul nejstaršího astronoma. Přede mnou byl královským astronomem Sir Martin Ryle a také to byla jenom čestná funkce. 
Jiří Bičák: Není tento titul spojen s povinností, že by musel královský astronom uskutečnit třeba jednou za rok nějakou přednášku? 
Martin Rees: Nikoli. Ovšem kdyby anglická královna chtěla vědět něco z astronomie, pak se pravděpodobně obrátí na mne. Ale mně se taková věc dosud nestala. Předpokládám však, že budu tázán na úplné zatmění Slunce, jenž nastane 11. srpna 1999. Bude totiž vidět v Anglii a pokud vím, tak i u vás v České republice. Určitě budou stížnosti od představitelů turistiky v jihozápadní Anglii, kteří by chtěli zatmění již v červnu a nikoli až v srpnu, aby ovlivnilo celou sezónu. 
  
Stanislav Štefl: A nyní již poněkud vážněji. Co byste označili za největší objevy v relativistické astrofyzice a kosmologii v posledních několika letech? 
Igor Novikov: Co myslíte v posledních letech? 
Stanislav Štefl: Řekněme posledních deset let. 
Igor Novikov: Martin Rees již zmínil některé velice důležité věci. Já sám považuji za velmi podstatné objevy v gama astronomii. Také jsme v průběhu uplynulých deseti let získali jistotu, že v centru galaxií pozorujeme masivní černé díry. Do té doby se jednalo o domněnku, nyní již máme velice přesvědčivé důkazy o jejich skutečné existenci. To je velmi důležité. Velmi hmotné černé díry v centrech galaxií jsou totiž největší známé zdroje energie v moderním vesmíru. 
Takže tyto dva objevy -- zdroje gama záblesků a masivní černé díry -- jsou podle mne to nejdůležitější z astrofyziky posledních let. 
Martin Rees: Zcela souhlasím s Igorem Novikovem. Nyní začínáme detailně rozumět procesům, o kterých se dříve vědělo jen velmi málo. Igor Novikov již v roce 1964 tvrdil, že kvasary čerpají energii z akrece materiálu na kompaktní objekt. Nyní pro to máme již velmi přesvědčivé důkazy a můžeme se současně pustit do podrobného modelování. Dokonce tak, abychom se něco dozvěděli i o samotných černých dírách. Věřím tudíž, že brzy začneme testovat Einsteinovu teorii i v případech, kdy jsou její projevy velmi silné. Zatím se všechny testy -- vždy zcela přesvědčivé -- odehrávaly těsně za newtonovskou limitou, kdy jsou relativistické projevy velmi slabé. Tedy projevy obecné teorie Martin Rees (foto IAN)relativity ve sluneční soustavě, nebo gravitační vlny od dvojitých pulsarů. 
Nemáme žádné přímé důkazy, že by se měly černé díry chovat tak, jak předpovídá Einsteinova teorie. Ta přitom dává velice přesnou představu o jejích vlastnostech. 
Doposud nemáme žádný přímý důkaz, že mají takové vlastnosti. Jediné co víme je, že existuje velké množství temné, nesvítící hmoty, koncentrované ve velmi malém prostoru. Ale nemáme důkaz o tom, že se řídí tzv. Kerrovou metrikou. 
Věřím však, že během několika příštích let budeme disponovat dostatkem údajů pro sledování hmoty pohybující se v oblasti, kde jsou projevy relativity velice silné. 
Igor Novikov: Dovolil bych si doplnit, že první kroky ve směru, jenž naznačil Martin Rees, byly vlastně již uskutečněny. Myslím tím profily spektrálních čar vznikajících v těsné blízkosti černé díry. Jasně ukazují, že se tyto čáry tvoří ve velmi silném gravitačním poli, ve vzdálenosti jen několika gravitačních poloměrů od černé díry. 
Ale chtěl bych se zmínit o jiném velice významném objevu: Totiž anizotropii mikrovlnného reliktního záření, která ukazuje, jak kdysi vypadal vesmír. 
Zjistilo se, že intenzita záření mírně kolísá v různých směrech -- to je ona anizotropie. Tyto mírné změny nám říkají něco o nových detailech struktury vesmíru, například o tempu jeho rozpínání, kolik hmoty ve vesmíru existuje, jakého druhu je a také o drobných vlnkách v hustotě hmoty vesmíru, které později vedly k vytvoření hvězdných soustav a tedy i nás samých. 
Jiří Bičák: Mně připadá, že velice významný objev je nález supermasivní černé díry v centru naší galaxie. Jak se zdá, v blízké budoucnosti bude možné sledovat přímo trajektorie jednotlivých hvězd v blízkosti této černé díry. Trajektorie hmotných objektů kolem černé díry je také jedna z oblastí, které jsme se věnovali spolu s kolegy z čistě teoretického hlediska v době, kdy se mohlo přímé pozorování jevit iluzorním. 
Pokud jde o teoretickou nebo, chcete-li matematickou fyziku, která bezprostředněji souvisí s astrofyzikou či kosmologií, tak i zde došlo k různým, velice podstatným pokrokům. Asi by se neoznačovaly jako "objevy" v běžném, astronomickém smyslu, přesto jsou pozoruhodné. Nejzajímavější je zřejmě stabilita plochého prostoročasu, tzv. Minkowského prostoru. Díky velice komplikovaným matematickým postupům a důkazům dnes víme, že když prostor v nějakém daném čase vyplníme nepříliš silnými gravitačními vlnami, které směrem do nekonečna slábnou, tj. uvažujeme nějaké počáteční rozdělení gravitační energie -- celý následující vývoj se odehrává tak, že nevznikají žádné rázové vlny, ani singularity. Vlny se jednoduše postupně rozplývají, takže v další budoucnosti se prostor stává plochým. 
Einsteinovy rovnice jsou určitě jedny z nejkrásnějších, ale také nejkomplikovanějších. Fakt, že se nelinearity nezvětšují, nýbrž že se "rozplývají", je jedním z největších objevů matematické fyziky, někteří dokonce soudí i matematiky jako takové, posledních let. Svědčí o mimořádných vlastnostech Einsteinových rovnic gravitace. Například analogická tvrzení pro rovnice hydrodynamiky neplatí. 
Jiri Bicak (vlevo), Igor Novikov (vpravo)Další oblastí, která se rychle rozvíjí, je numerická relativita, ve které lze zatím dobře modelovat čelní srážky černých děr nebo dvou neutronových hvězd -- výsledky různých autorů dobře souhlasí. Hlavním cílem je ovšem počítat gravitační vlny vysílané dvojicí rotujících černých děr či neutronových hvězd, které se nesrazí čelně, ale obíhají kolem společného těžiště: vlivem vysílání gravitačních vln se jejich trajektorie přibližují, až se nakonec oba objekty srazí. Tyto vlny bude možné v nejbližší době (jistě do několika let) pozorovat dnes dokončovanými mohutnými detektory gravitačních vln. Je otázka, kdo bude více překvapen: zda lidé modelující tyto objekty tím, co se naměří, nebo naopak pozorovatelé tím, co bylo vypočteno. 
Numerická relativita a také zejména abstraktní metody nejnovějších partií matematiky použité na řešení Einsteinových rovnic by měly také dát odpověď na zásadní otázku týkající se i černých děr. Souvisí s tím, zda výsledkem i velice nesymetrického kolapsu je opravdu černá díra, tj. hmota je po kolapsu obklopena horizontem, z pod kterého nic nemůže uniknout "ven". To odpovídá tzv. principu "kosmické cenzury", který před řadou let formuloval Penrose. Zůstává však stále otevřeným problémem, zda "platí". Tj., že hmota se při gravitačním kolapsu vždy zhroutí do černé díry, že se nevytvoří tzv. "nahá singularita" v křivosti prostoru, která by horizontem obklopena nebyla. Že se černá díra vytvoří, je jasné u sféricky symetrických či nepříliš odlišných případů, jak je to u kolabujícího objektu velice nesymetrického (nesférického), je zatím nejasné. Mohlo by to vést k novému typu objektu, jenž teprve následně vytvoří černou díru. Ale pokud by se opravdu mohla vytvořit nahá singularita, museli bychom začít modifikovat teorii gravitace -- v samé singularitě prostě přestávají fyzikální zákony platit. 
Ale abychom se vrátili více k astronomii, zde na této konferenci jsem se poprvé podrobněji dozvěděl o černých dírách v tzv. mikrokvasarech. To se mi jeví jako velmi podstatný astronomický objev...  
Martin Rees: Tyto mikrokvasary jsou blízko kolem nás, v naší Galaxii. Vezměme fyziku černých děr (mikrokvasarů), které jsou blízko kolem nás. Když změníme měřítko obrovských černých děr v centrech vzdálených galaxií, jež mohou mít více než miliardu Sluncí, dostaneme ke stejným objektům v naší Galaxií s hmotností jen deset tisíc Sluncí. Pravidla při této změně měřítka jsou přitom velmi jednoduchá. 
Blízké objekty mohou mít vlastně stejnou fyziku, včetně magnetických polí, a přitom jsou daleko více po ruce než ty Foto IANvzdálenější. Výhodou je také to, že se u nich značně urychlují všechny vývojové procesy, takže během několika let můžeme pozorovat to, co bychom u velmi hmotných děr ve velmi vzdálených kvasarech zjistili za dobu několika milionů let. 
Abychom se vrátili zpět ke kosmologii. Igor Novikov zmínil mikrovlnné záření pozadí -- v posledních desetiletích začaly vznikat kvantitativní modely vývoje vesmíru: od raných počátků, od doby, kdy ještě žádné galaxie nebyly, až po současnost, k dnešnímu rozdělení galaxií. 
My dnes pozorujeme i staré galaxie, jež vznikaly v době, kdy měl vesmír jen desetinu dnešního stáří, a také nehomogenitu mikrovlnného záření, které je ještě starší. Toto záření odráží počáteční nestejnorodosti vesmíru, jež vedla k fluktuacím, které se rozvinuly až do současné podoby. Je možné, že fluktuace byly vtištěny vesmíru již ve velice ranných dobách, například ve fázi inflace. Může se tedy jednat o jakési kvantové fluktuace. 
Dlouhodobým cílem je docílit nějakého sjednocení velice malých a velice velkých měřítek -- vesmíru a mikrosvěta. 
A toho jsme vlastně svědky, jelikož je možné, že největší struktury dnešního vesmíru -- kupy galaxií -- jsou důsledky kvantových fluktuací ve velice raném vesmíru. Jestliže dostane tento model pevný základ, pak můžeme -- a to je fascinující -- extrapolovat vývoj vesmíru zpět, ne jenom jednu sekundu od počátku, což můžeme s dnešními znalostmi, ale až na 10-36 sekundy od počátku. 
  
Stanislav Štefl: Má dnes ještě smysl položit otázku, co bylo před tzv. velkým třeskem? Lze vůbec takovou otázku položit fyzikům-astronomům? 
Igor Novikov: Většina z nás věří, že tzv. velký třesk (Big Bang) proběhl. Když se extrapoluje vývoj vesmíru do minulosti -- až na jednu vteřinu od jeho vzniku -- dosahovala teplota vesmíru více než deseti miliard stupňů. Z tohoto období máme poměrně dost "fosilií", tedy především helium, ale z poněkud pozdější doby i mikrovlnné záření. Když ale pokračujeme ještě dál do minulosti, stává se situace méně jasná, jelikož se extrémní podmínky příliš vzdalují od laboratorní fyziky. Hustoty jsou mnohem větší než hustoty v jádře a částice se pohybují s energiemi mnohem vyššími než jaké se dají docílit v dnešních urychlovačích, včetně evropského CERNu. 
Fyzika v ranějších fázích existence vesmíru je tedy značně spekulativní, ale velmi podstatná pro porozumění současnému stavu -- třeba k poměru hmoty a antihmoty nebo vzniku fluktuací vedoucích k dnešním galaxiím. 
Když se dostáváme ještě dál do minulosti, pak naše běžné představy zcela selhávají. Podle některých autorů se objeví více rozměrů, také celý koncept času se hroutí. 
Otázka, co bylo před velkým třeskem, která se spoléhá na kontinuitu času, je tudíž nezodpověditelná. 
Znovu je nutné zdůraznit, že naše znalosti fyziky nejsou dostatečné k tomu, abychom popsali podmínky velmi raného vesmíru. Je nutné zavést nové fyzikální zákony, které se na takovou fyzikální situaci vztahují. Mezi jinými je to určitě kvantová gravitace, jelikož je zřejmé, že za takových podmínek se musí gravitace projevovat kvantově. Tedy prostor a čas -- prostoročas -- se musí popisovat z kvantového hlediska. Prostě i sám čas se musí vyjadřovat po kvantech -- přírůstcích, jenž se dál nemohou dělit. 
Takže otázka, co bylo před Big Bangem, ztrácí smysl, vždyť není možné čas rozdělit na libovolně malé kousky. 
Něco jiného je, jestli si můžeme představit obecný stav, který mohl tehdy panovat -- stav jakési pěny prostoročasu, Martin Rees, vpravo Stanislav Stefl (foto IAN)takového zvláštního vakua. Jednotlivé bublinky prostoročasu -- vesmíry -- by měly velmi složitou topologii, strukturu a také velmi složitý vývoj. Takže to byla taková kvantová pěna. 
Soudí se, že v takové pěně mohou občas vznikat bubliny, které začnou expandovat a po nějaké době zase zkolabují. O tom mluvil na JENAMu i Martin Rees -- o možnosti tvorby i jiných vesmírů, z nichž některé zase zemřou, aniž by mezitím došlo k nějaké jejich skutečné expanzi. Ale určitě mohou vznikat i takové systémy, které se rozpínají dlouho. Asi by to nebylo příliš časté, ale občas by se to stát mohlo. Příkladem můžeme být my. 
Je obtížné o tom mluvit v termínech prostoru a času, když by se musela představa prostoročasu hodně změnit tak, aby měla kvantovou povahu. 
Z takové pěny by tedy mohly vznikat různé vesmíry s různou povahou a také s různými fyzikálními zákony. Je možné, že dnes existují i jiné vesmíry, dokonce nekonečné množství vesmírů. 
Je otázka, jak by se takový soubor vesmírů měl jmenovat. Asi supervesmír. 
Takový supervesmír by byl přitom neustále mladý -- to je jedna z možných odpovědí na vaší otázku, co bylo před velkým třeskem. Tedy, kdyby tento supervesmír neměl žádný počátek... 
Jiří Bičák: Já jsem poněkud skeptický -- všechny tyto úvahy se opírají o kvantovou gravitaci... I když byl v tomto směru v posledních létech učiněn podstatný pokrok, ve skutečnosti žádná kvantová teorie gravitace zatím vytvořena není. Otázkou je, zda lze spojit kvantovou teorii a "klasickou" Einsteinovu teorii gravitace v těch tvarech, jak je známe. Nebo bude třeba některou z těchto teorií nejprve nějak modifikovat, aby jejich sjednocení bylo možné? 
Je, myslím, nutné počkat, až bude formulována jasná kvantová teorie gravitace, která bude jistě a "bezpečněji" vypovídat o počátcích vesmíru více. 
  
Stanislav Štefl: Druhou věcí, která již nezávisí na tom, jak počítat čas, se týká fyzikálních zákonů: jsou nezávislé na prostoročase? Platí v celém supervesmíru? 
Igor Novikov: Otázka, zda mohou fyzikální zákony existovat nezávisle na prostoročasu, je zřejmě pouze filozofická. Osobně si myslím, že se zřejmě nějakými pravidly, snad jinými než jak vypadají dnešní zákony, řídí samotný prostoročas. Ale měly by se týkat jen prostoročasu, jako jakési obecné formy. 
Jiří Bičák: Nedivím se, že má profesor Novikov takový názor. Dobře si totiž vzpomínám na to, jak akademik Zeldovič v roce 1984 na konferenci Trends in Physics, která se uskutečnila v Praze, mluvil o vzniku vesmíru "z ničeho". Takže Foto IANby vlastně bylo všechno v pořádku, jelikož by celková energie vesmíru byla rovna nule -- například energie veškeré hmoty by byla kompenzována zápornou gravitační energií jako je tomu u uzavřených systémů. A pak Zeldovič napsal: 0=0. 
Martin Rees: Souhlasím s profesorem Novikovem, že by asi měl existovat hlubší fyzikální princip -- takže zákony, které platí pro náš vesmír, by mohly platit asi i pro jiné. 
Naskýtá se ale otázka, jestli univerzální konstanty, jako je třeba náboj elektronu, síla jaderných sil, síla elektromagnetického působení, nejsou určeny nějakými hlubšími principy. 
Druhý možný pohled je, že existuje nějaký fyzikální zákon, který je jako za nimi v pozadí, pak mohou být jejich skutečné hodnoty různé v různých případech. Například, jak by vesmír chladl, tak tyto parametry zamrznou na určitých hodnotách a zůstanou tak i nadále. Je to jako když třeba zamrzne voda: když se to stane, tak polohy částic zůstávají nadále takové, v jakých polohách zamrzly. 
Čili byl by to tak trochu výsledkem náhody. V jiných vesmírech veličiny, které považujeme za základní, mohou nabývat jiných hodnot. 
Můžeme si tedy představovat vesmíry, kde by byl například jediným stavebním prvkem vodík. Nebo kde by neexistoval žádný přebytek hmoty nad antihmotou... 
Pohled na různé vesmíry, třeba z antropického principu, hodně záleží na tom, jestli existují hlubší, starší fyzikální principy, které určují, jaké budou částice, atomy a síly, a nebo jestli to dopadne náhodně -- že to jsou vlastně rysy podružné. 
Zřejmě tedy existují nějaké základní fyzikální zákony. Je však otázka, zda přesně určují podobu našeho světa. 
  
Stanislav Štefl: Řekli jsme si něco ze začátku vesmíru, ale neméně zajímavý je i jeho konec. Bude nadále expandovat, nebo opět zkolabuje? Jaký je současný názor? 
Martin Rees: Abychom začali lokálně, víme, že i naše Slunce má omezený život. Po pěti miliardách let mu dojde palivo, rozepne se až na červeného obra a tím skončí i veškerý život na Zemi. 
Víme také, že se v podobném horizontu, plus minus nějaká miliarda let, srazí galaxie v Andromedě s naší Galaxií a splyne v jednu velikou eliptickou galaxii. 
Stanislav Štefl: Myslím, že to není vůbec jasné. Vždyť zcela jistě neznáme přesné prostorové pohyby obou objektů. Nemáme tudíž tušení, zda k takové srážce obou velkých galaxií dojde... 
Martin Rees: Otázka, jak se bude vyvíjet celý vesmír, záleží na hodnotě tzv. deceleračního parametru, na množství temné hmoty ve vesmíru. Současné údaje naznačují, že vesmír bude expandovat pořád. Určitě o mnoho a mnoho déle než je jeho současné stáří zhruba deset miliard let. 
Takže se stane pustějším a temnějším než dnes, hvězdy postupně vymřou, galaxie se od sebe vzdálí.Foto IAN 
Jinou otázkou je, co se bude stane s částicemi. Někteří lidé se totiž domnívají, že ani protony a atomy nežijí věčně, ale že se rozpadnou asi po 1035 letech. Dokonce ani černé díry nežijí věčně: vypařují se... 
Vesmír by se ale i přesto mohl rozpínat jako směs částic a záření. Taková je předpověď současné astronomie. 
Igor Novikov: Souhlasím s Martinem Reesem. Skutečně na první pohled vypadá budoucí obraz vesmíru velmi pesimisticky: vesmír bude větší a větší, rozptýlenější, všechna hmota se rozpadne... Prostě velmi nezajímavý obraz. 
Abych se ale vrátil k začátkům -- na začátku vesmíru byl zřejmě jakýsi var vakua, kvantové fluktuace. Pak nastoupily velice silné interakce mezi částicemi a přechody mezi částicemi. Zkrátka velice silné a rychlé procesy. 
Ve srovnání s tím, jsou dnešní pozorované procesy velmi pomalé -- a tedy vlastně mnohem méně zajímavější než ty, které probíhaly v době vysokých teplot v nejranějším vesmíru. 
Na druhou stranu sledované děje za nezajímavé nepovažujeme, takže i ty budoucí, které budou probíhat mnohem pomaleji, mohou být docela pěkné, i když se jejich komplikovanost projeví až po velmi dlouhém období. 
Martin Rees: Dodal bych další možnost, že vesmír skončí "velkým krachem", opakem velkého třesku. Vypadalo by to stejně, jako kdyby všechny objekty padaly do černé díry, čili byly rozmačkány. Stejně jako Igor Novikov však preferuji představu, že se vesmír bude trvale rozpínat. 
Podobně dává přednost myšlence trvalého rozpínání vesmíru i Freeman Dyson, který poprvé začal uvažovat o jeho budoucím osudu. Jemu se prostě ten opětovný kolaps nelíbil. Vzbuzovalo to v něm takový nepříjemný klaustrofobický pocit... 
Jiří Bičák: Mně osobně se docela líbí myšlenka uzavřeného vesmíru -- vesmíru konečného objemu, který samozřejmě časem zcela zkolabuje. Existují lidé, kterým se představa věčného života nelíbí a mají rádi věci, jež končí. I když na konci je ona nepříjemná singularita. 
Avšak i z "vědečtějšího" hlediska mají uzavřené vesmíry jistou přednost: Nepotřebujeme v nich a priori dodávat nějaké podmínky na „okraji vesmíru“, protože prostě u uzavřeného prostoru žádné kraje neexistují. 
  
Stanislav Štefl: Na závěr bych se chtěl zeptat, kterou z těchto variant podporují současná pozorování? 
Martin Rees: Odpověď je jednoznačná: Nepozorujeme dostatečně velikou deceleraci -- rozpínání se dostatečně nezpomaluje. A to i přestože, že ve vesmíru je hodně skryté hmoty. Zřejmě ji ale není zdaleka tolik, aby její gravitace mohla rozpínání vesmíru zastavit. 
Na to, aby byl vesmír uzavřený, potřebujeme průměrnou hustotu vesmíru o ekvivalentu asi pěti atomů v metru krychlovém, my ale pozorujeme mnohem méně hmoty. 
Igor Novikov: Je docela možné, že nežijeme v uzavřeném vesmíru. Ale je pěkné, že ve zmiňovaném supervesmíru mohou vznikat i vesmíry uzavřené. Na druhou stranu mohou některé být i otevřené, jak zdůrazňuje Martin Rees. 
  
Děkují vám za odpovědi a přeji příjemný pobyt v Praze. 
Ptal se Stanislav Štefl.
Volně přeložil Jan Hollan, upravil Jiří Dušek a Jiří Bičák.