Astrofyzika k rannej kávičke

Dôkazov je naozaj veľa – od populárnych televíznych relácií s vedeckým podtónom až po úspešné sci-fi filmy s hviezdnym obsadením, ktoré vznikli pod taktovkou známych producentov a režisérov, a určite aj veľkolepé životopisné filmy o významných osobnostiach zo sveta vedy – tie sa stali žánrom samým osebe. Veľkému úspechu sa tešia aj rôzne vedecké festivaly, sci-fi zrazy a televízne dokumenty zamerané na vedu.

Dokonca aj najviac zarábajúci film všetkých čias z dielne slávneho režiséra sa odohráva na planéte obiehajúcej okolo vzdialenej hviezdy a vystupuje v ňom postava astrobiologičky, ktorú stvárnila populárna herečka.
Aj preto vás, veríme, poteší táto novinka.
Pre všetkých, ktorí nemajú čas čítať hrubé knihy, ale túžia po spojení s vesmírom.
Astrofyzika pre zaneprázdnených.

Autor Neil deGrasse Tyson pracuje ako astrofyzik v múzeu American Museum of Natural History, kde zároveň pôsobí ako riaditeľ slávneho planetária Hayden Planetarium. Uvádza populárnu rozhlasovú a televíznu reláciu StarTalk. „Neil deGrasse Tyson sa knihou Astrofyzika pre zaneprázdnených postaral o ďalší veľký tresk,“ napísali vo Vanity Fair.

Väčšina vedeckých oblastí sa v poslednom čase dostáva do úzadia, no astrofyzika sa stále drží na najvyšších priečkach. „Myslím, že viem, prečo je to tak,“ tvrdí Neil deGrasse Tyson vo svojej knihe Astrofyzika pre zaneprázdnených. „Každý sa už aspoň raz v živote pozrel na nočnú oblohu a kládol si otázky: Čo to všetko znamená? Ako to spolu súvisí? A aký zmysel má moje bytie na tomto svete?“

Ak ste priveľmi zaneprázdnení a nemáte čas prenikať do tajov vesmíru na rôznych prednáškach alebo čítať hrubé učebnice, či sledovať dokumenty, a napriek tomu túžite po stručnom a zároveň zmysluplnom uvedení do tejto oblasti, táto útla kniha je práve pre vás. Nadobudnete vďaka nej prehľad o všetkých významných poznatkoch a objavoch, ktoré sformovali moderné chápanie vesmíru. A ak som dosiahol, čo som chcel, po jej prečítaní budete obohatení o vedomosti z astrofyziky a možno zatúžite vedieť viac.

Jeho kniha sa bystro, ľudsky a so suchým humorom vyjadruje k zložitým otázkam času, priestoru a reality. Neil ich spracoval do krátkych, no prepracovaných kapitol, ktoré si môžete vychutnať spolu s ranou kávou.

„Tyson predvádza vedu v najlepšom svetle...
jeho poznatky sú prínosné pre každého lídra, učiteľa, vedca či vychovávateľa.“
Forbes

Čo je podstatou času a priestoru? Ako zapadáme do vesmírnej skladačky? A ako vesmír zapadá do nás?
Nikto vám neobjasní odpovede na tieto otázky lepšie, než uznávaný astrofyzik a úspešný autor Neil deGrasse Tyson v knižke Astrofyzika pre zaneprázdnených.
Kým čakáte na čerstvú kávu, na príchod autobusu, vlaku či lietadla, kniha Astrofyzika pre zaneprázdnených vás nabije vedomosťami a pripraví vás na ďalší mediálny príval informácií o kozme: od Veľkého tresku po čierne diery, od kvarkov po kvantovú mechaniku, od hľadania nových planét až po hľadanie ďalších foriem života vo vesmíre.

Začítajte sa do novinky Astrofyzika pre zaneprázdnených:

1. Najväčší príbeh všetkých čias

Svet pretrváva už mnoho rokov a všetko sa odvíja od okamihu, keď sa dal do pohybu.
LUCRETIUS, 55 PRED KR.

Na začiatku, pred približne 14 miliardami rokov, zaberal všetok priestor, všetka hmota a energia vesmíru menej než jednu bilióntinu bodky, ktorou sa končí táto veta.
Pod  pokrievkou  to  vrelo a prírodné sily, ktorými dnes opisujeme vesmír, tvorili jeden celok. Nie je síce jasné, ako vznikol tento miniatúrny vesmír, no v tomto štádiu sa dokázal už len rozpínať – a to veľmi rýchlo. Tento jav dnes poznáme ako veľký tresk.
Einsteinova  všeobecná  teória  relativity  z roku  1916  nám  poskytuje  moderné  chápanie gravitácie.  Podľa  tejto  teórie  spôsobuje  prítomnosť  hmoty  a energie  zakrivenie  štruktúry časopriestoru,  ktorý  ich  obklopuje.  V dvadsiatych  rokoch  minulého  storočia  uzrela  svetlo sveta   aj   kvantová   mechanika,   ktorá   priniesla   zase   moderný   opis   atómov,   molekúl a subatómových častíc. Tieto dva prístupy k vysvetleniu prírodných zákonov sú však formálne nezlučiteľné,  čím  sa  fyzici  dostali  pred  náročnú  úlohu  spojiť  teóriu  o malom  s teóriou o veľkom a vytvoriť jednotnú teóriu kvantovej gravitácie. Riešenie je ešte v nedohľadne, no už vieme, akým prekážkam čelíme. Jednou z nich je tzv. „Planckova éra“ – jedno zo štádií raného vesmíru. Ide o krátky časový interval v rozmedzí od t = 0 po t = 10–43 sekundy (jedna desať miliónov-bilió­nov-biliónov-bilióntina sekundy) od vzniku vesmíru, kým dosiahol v priemere veľkosť 10–35 metra (jedna sto miliárd bilión-bilióntina metra). Nemecký fyzik Max Planck, po ktorom sú pomenované tieto nepredstaviteľne malé veličiny, predložil svoju teóriu kvantovej energie už začiatkom dvadsiateho storočia a vo všeobecnosti sa považuje za otca kvantovej mechaniky.
Pre  súčasný  vesmír  nepredstavuje  rozpor  medzi  gravitáciou  a kvantovou  mechanikou žiadny problém. Astro­fyzici uplatňujú princípy všeobecnej relativity a kvantovej mechaniky pri riešení najrôznejších problémov. Máme však podozrenie, že na začiatku, počas Planckovej éry, keď ešte veľké bolo malým, museli tieto dva princípy držať spolu. Bohužiaľ, stále nevieme, čo ich viedlo k tejto netradičnej spolupráci, preto žiadne (známe) fyzikálne zákony nedokážu uspokojivo vysvetliť správanie vesmíru počas tohto krátkeho spoločného pôsobenia.
Napriek tomu sa však domnievame, že na konci Planckovej éry sa gravitácia „odtrhla“ od ostatných – stále zjednotených – prírodných síl a získala tak vlastnú identitu, ktorú dobre vystihujú súčasné teórie. Po skončení Planckovej éry sa vesmír ďalej rozpínal, uvoľňoval nahromadenú energiu a to, čo ostalo zo spojených prírodných síl, sa rozdelilo na „elektroslabú“ a „silnú jadrovú“ silu. Neskôr sa ešte elektroslabá sila rozložila na elektromagnetickú a „slabú jadrovú“ silu, a tak vnikli štyri odlišné sily, ktoré sme postupne spoznali a obľúbili si ich: slabá jadrová sila dohliada na rádioaktívny rozpad, silná jadrová sila drží pokope jadrá atómov, elektromagnetická sila viaže k sebe molekuly a gravitácia spája objemnú hmotu.

✴

Od počiatku ubehla jedna trilióntina sekundy.

✴

Celý tento čas prebiehala nepretržitá spolupráca medzi hmotou vo forme subatómových častíc a energiou vo forme fotónov (nehmotné prenášače svetla, ktoré sú skôr vlnami než časticami). Vysoká teplota vesmíru umožnila spontánne pretransformovať energiu fotónov na dvojice pozostávajúce  z častíc  hmoty  a antihmoty,  ktoré  sa  oka­mžite  navzájom  zničili, a uvoľnená energia sa vrátila späť vo forme fotónov. Áno, antihmota skutočne existuje a pri­šli s ňou vedci, nie sci-fi spisovatelia. Tieto zázračné premeny dokonale vyjadruje najznámejšia Einsteinova rovnica E = mc2, ktorá predstavuje obojsmerný recept na zistenie, koľko hmoty zodpovedá  vašej  energii  a koľko  energie  zodpovedá  vašej  hmote.  Hodnota  c2  je  druhou moc­ninou rýchlosti svetla, a keď toto obrovské číslo vynásobíme hmotnosťou, zistíme, aké množstvo  energie  môžeme  získať  z daného  telesa.  Krátko  predtým,  ale  aj  po  tom,  čo  sa elektroslabé sily rozdelili, bol vesmír ako hustá polievka z kvarkov, leptónov a ich súrodencov z antihmoty, ako aj z bozónov – častíc, ktoré umožňujú ich vzájomnú interakciu. Žiadna z týchto častíc, aspoň pokiaľ vieme, sa nedá rozdeliť na nič menšie ani jednoduch­šie, no každá z nich má niekoľko foriem. Bežný fotón patrí do rodiny bozónov. Najznámejšie leptóny pre laikov sú elektrón a možno neutríno. A najznámejšie kvarky sú… nuž, nie sú vlastne žiadne  známe  kvarky.  Všetkých  šesť  poddruhov  dostalo  abstraktné  mená,  ktoré  nemajú z filologického, filozofického alebo pedagogického hľadiska žiadny význam – majú slúžiť iba na ich odlišovanie: kvark u (z angl. up – hore ), kvark d (z angl. down – dole), kvark s (nazývaný aj čudný, z angl. strange), kvark c (nazývaný aj pôvabný, z angl. charmed), kvark t (z angl. top – vrchný) a kvark b (nazývaný aj kvark s krásou, z angl. beauty – krása, iný názov bottom – spodný).
Bozóny sú, mimochodom, pomenované po indickom vedcovi Šatendranáthovi Nath Boseovi. Slovo leptón je odvodené z gréckeho leptos – ľahký, malý. Kvark má však naproti tomu literárny a oveľa pozoruhodnejší pôvod. Fyzik Murray Gell-Mann, ktorý v roku 1964 predstavil kvarky ako vnútorné zložky protónov a neutrónov a ktorý si vtedy myslel, že rodina kvarkov  má  iba  troch  členov,  čerpal  inšpiráciu  z diela  írskeho  spisovateľa  Jamesa  Joycea Finneganovo prebúdzanie, kde odznie pre autora typicky nezrozumiteľná veta: „Three quarks for Muster Mark!“ (význam slova quark nie je v kontexte vety úplne jasný; pozn. prekl.). Kvarky však majú jednu veľkú výhodu – ich názvy sú jednoduché. To je niečo, čo sa chemikom, biológom a zvlášť geológom nedarí dosiahnuť pri pomenovaní iných vecí.
Kvarky   sú   zvláštne   stvorenia.   Na   rozdiel   od   protónov   s elektrickým   nábojom   +1 a elektrónov s elektrickým nábojom –1 majú kvarky zlomkové náboje vyjadrené v tretinách. Kvarky taktiež nikdy nezastihnete osamote – vždy budú mať okolo seba niekoľko ďalších kvarkov. V skutočnosti je väzba medzi dvoma (a viacerými) kvarkmi tým silnejšia, čím je  medzi nimi väčšia vzdialenosť, ako keby ich spájala nejaká subatómová gumička. Ak oddialite kvarky dosť ďaleko od seba, gumička praskne a uvoľnená energia si zavolá na pomoc rovnicu E = mc2. Na oboch koncoch vznikne nový kvark, a ste opäť na začiatku.
Počas   kvarkovo-leptónovej   éry   mal   vesmír   príliš   veľkú   hustotu, preto   priemerná vzdialenosť  medzi  nespojenými  kvarkmi  nedokázala  konkurovať  vzdialenosti  medzi spojenými kvarkmi. Za týchto okolností bolo absolútne vylúčené, aby sa susediace kvarky spájali a namiesto vytvárania väzieb sa teda iba voľne pohybovali medzi sebou. Prvé poznatky o tomto stave hmoty, pripomínajúcom akýsi kotlík plný kvarkov, predložil v roku 2002 tím fyzikov z inštitútu Brookhaven National Laboratories na Long Islande v New Yorku.
Teoretické   poznatky   nasvedčujú   tomu,   že   istá   udalosť   z raného   obdobia   vesmíru, pravdepodobne jedno z delení prírodných síl, spôsobila vo vesmíre pozoruhodnú asymetriu, keď bol počet častíc hmoty len o čosi väčší než počet častíc antihmoty – na jednu miliardu častíc anti­hmoty pripadala jedna miliarda plus jedna častica hmoty. Sotva by si niekto všimol taký malý rozdiel v populácii, zvlášť pri neustálom vznikaní, zrážaní a opätovnom vznikaní kvarkov a antikvarkov, elektrónov a antielektrónov (bližšie známych ako pozitróny) a neutrín a antineutrín. Tá jedna častica hmoty navyše mala teda množstvo príležitostí nájsť si „parťáka“ na zrážku tak ako všetky ostatné častice.
No netrvalo to dlho. Vesmír sa nepretržite rozťahoval, prekonal veľkosť našej slnečnej sústavy a teplota rýchlo klesla pod hranicu jedného bilióna stupňov Kelvina.

Milan Buno, 14.11.2017