Sciencemag.cz
Doporučujeme
Fotony i gravitony mají nulovou klidovou hmotnost. Je proto rozumné předpokládat, že ve velmi vzdálené budoucnosti vesmíru nebude v principu možné sestavit z tohoto materiálu jakékoli smysluplné hodiny. Za hodně dlouhou dobu tak vesmír ztratí schopnost „sledovat vlastní čas“.
Geometrie fyzikálního vesmíru přestane být dnešní plně metrickou geometrií Einsteinovy teorie relativity a stane se z ní ryze konformní geometrie (struktura světelných kuželů). Záhy však uvidíme, že s gravitačním polem jsou spojeny jisté nuance, které nás donutí tento názor poněkud upravit. Nejdříve se ale vypořádejme ještě s jiným principiálním problémem.
Když jsem popisoval hmotný obsah vesmíru v pozdních stadiích jeho existence, ignoroval jsem skutečnost, že bude obsahovat velké množství materiálu v objektech, které nikdy neskončí v nitrech černých děr, neboť se jim v důsledku náhodných procesů podařilo včas uniknout z mateřských galaxií a galaktických kup. Mimo černé díry také bude existovat spousta temné hmoty. Jaký bude například osud bílých trpaslíků, jež uniknou do mimogalaktického prostoru a pak už jenom budou osaměle chladnout, až se z nich stanou nepozorovatelní černí trpaslíci? Často se tvrdí, že protony nemusí být věčné, že se za hodně dlouhou dobu mohou rozpadnout (i když dnešní experimentální meze ukazují, že takový proces by musel být opravdu neuvěřitelně pomalý). Ale i v tom případě by určitě vznikaly specifické dceřiné produkty takových rozpadů. I kdyby většina materiálu z černého trpaslíka nakonec skončila v černé díře, s velkou pravděpodobností by hodně osamělých hmotných částic uniklo z kup galaxií, v nichž se zrodily.
Zajímá mě zde především budoucí osud elektronů a jejich antičástic, takzvaných pozitronů. Jsou to totiž nejlehčí elektricky nabité částice. Můžeme se domnívat, že protony a další částice hmotnější než elektrony a pozitrony se nakonec nějakým způsobem rozpadnou na lehčí částice. Třeba se tak rozpadnou všechny protony. Ale pokud se přidržíme standardního zákona, podle kterého se množství elektrického náboje musí striktně zachovávat, pak konečné produkty rozpadu protonu musejí obsahovat celkový kladný náboj, takže lze mezi nimi očekávat pozitrony. Analogický argument platí i pro dnešní záporně nabité částice. Těžko se můžeme vyhnout závěru, že na konci existence vesmíru zbude velké množství elektronů, které budou doprovázet pozitrony. Jsou-li protony stabilní, najdeme tam i je a jejich antičástice (antiprotony), jež mají větší hmotnost. Klíčovým problémem jsou ale lehčí elektrony a pozitrony. Proč?
Neexistují (kladně či záporně) nabité částice s nulovou klidovou hmotností, na něž se elektrony a pozitrony nakonec rozpadnou? Pokud ano, naše hypotéza by zůstala v platnosti bez jakékoli změny. Odpověď je ale záporná. Pokud by kromě plejády dnes známých částic existovala také nehmotná nabitá částice, museli bychom ji už dávno detekovat v bezpočtu procesů. Nic takového se ale nestalo a neděje, všechny procesy probíhají bez produkce nehmotných nabitých částic. Dnes zkrátka neexistují. Budou tedy (hmotné) elektrony a pozitrony existovat věčně, čímž naruší předpoklady, na nichž je založena myšlenka konformní cyklické kosmologie?
Existuje několik možností, jak se tomu vyhnout. Třeba se všechny zbylé elektrony a pozitrony nakonec spárují a navzájem anihilují, přičemž vzniknou pouze fotony. Bohužel, ve velice vzdálené budoucnosti to ale už nebude možné. Mnoho nabitých částic bude totiž izolováno od všech ostatních, budou ležet uvnitř vlastního kosmologického horizontu. Jakmile k tomu dojde (a dojde k tomu nevyhnutelně), vyloučí to jakoukoli možnost vzájemné anihilace nábojů. Možným řešením problému by snad mohlo být tvrzení, že izolované elektrony a pozitrony uvězněné uvnitř individuálních horizontů událostí by se jen stěží daly použít ke konstrukci hodin. Tento argument mě ale osobně nijak neuspokojuje, neboť postrádá rigoróznost, jakou od fyzikálních zákonů obvykle požadujeme.
Radikálnějším řešením problému by bylo připustit, že zákon zachování elektrického náboje nemusí být ve vesmíru vždy striktně dodržován. Třeba se za jistých velmi speciálních okolností může nabitá částice rozpadnout na částici nenabitou. Za nepředstavitelně dlouhou dobu trvání vesmíru by potom všechny elektrické náboje úplně zmizely. Elektrony i pozitrony by se změnily na své nenabité potomky, snad neutrina. To by navíc vyžadovalo, aby alespoň jedna ze tří mutací neutrin měla nulovou klidovou hmotnost.
I tato hypotéza je ale značně neuspokojivá, neboť dosud nemáme ani jeden jediný náznak narušení zákona zachování náboje. Je problematická i z teoretického hlediska, protože v takovém případě by fotony musely mít nenulovou hmotnost, což by bylo v příkrém rozporu s hlavní ideou konformní cyklické kosmologie.
Napadá mě tedy už jen jediná možnost. Myslím dokonce, že je nutno brát ji velmi vážně, nikoli jenom jako nutné zlo. Co když sám pojem klidové hmotnosti není tak absolutní a neměnnou veličinou, za jakou je všeobecně pokládána? Co když se během nesmírně dlouhé doby trvání kosmu klidové hmotnosti částic – elektronů, pozitronů, neutrin, případných zbylých protonů a antiprotonů i částic temné hmoty (nutně nenabitých) – s časem mění a postupně zanikají, až nakonec dosáhnou nuly? I v tomto případě musím konstatovat, že pro něco takového zatím nemáme žádný experimentální důkaz. Nicméně proti měnící se klidové hmotnosti částic neexistuje tolik teoretických argumentů jako proti nezachování elektrického náboje. V případě náboje se totiž zákon týká celkové sumy, výsledného náboje soustavy, jenž je součtem nábojům svých elementů. Naproti tomu klidová hmotnost částice je její ryze individuální charakteristika. (Einsteinův vztah E = mc2 přitom říká, že k celkové energii systému přispívá i kinetická energie pohybu všech elementů.) Navíc, i když konkrétní hodnota základního elektrického náboje (řekněme antikvarku d, jež činí třetinu náboje protonu) zůstává pro teoretiky záhadou, hodnoty všech ostatních nábojů kdekoli ve vesmíru jsou vždy celočíselným násobkem tohoto základního náboje. Nic takového neplatí pro klidové hmotnosti částic a objektů. Různé iracionální konkrétní hodnoty klidových hmot jednotlivých částic zatím nikdo nedokáže vysvětlit. Vypadá to tedy, že existuje určitá svoboda v tom, jakou mají fundamentální částice klidovou hmotnost. Nemusí to být konstanty v absolutním smyslu. Podle standardní částicové fyziky takové opravdu nejsou ve velmi raném vesmíru, a je proto docela dobře možné, že nebudou ani ve vzdálené budoucnosti.
Tento text je úryvkem z knihy
Roger Penrose: Cykly času – Nový pozoruhodný pohled na vesmír
Argo a Dokořán 2013
O knize na stránkách vydavatele
