Existují kromě našeho vesmíru ještě jiné vesmíry, ve kterých historie jevů a událostí probíhá odlišně než v našem vesmíru?

Existují jiné vesmíry, ve kterých jsou fyzikální zákony zcela odlišné, než v našem vesmíru? Vesmíry, kde například neexistují žádné chemické prvky kromě vodíku a hélia, kde nikdy nevznikly hvězdy, nebo kde existují antineutrony odlišné od neutronů?

John G. Cramer se ve svých článcích "Other Universes I., II." v časopise Analog Science Fiction & Fact Magazine. [X1], [X2] zaměřil na dvě často diskutované oblasti moderní fyziky, na nový inflační scénář vývoje vesmíru a na Everettovu interpretaci kvantové mechaniky.
 

Inflační teorie vesmíru a grandunifikační kosmologie vycházejí z myšlenek klasické kosmologie velkého třesku ve spojení s grandunifikační teorií. V 50. letech 20. století George Gamow a jeho studenti vytvořili model velkého třesku, který popisoval počáteční fáze a vývoj našeho vesmíru. Tato teorie byla potvrzena v roce 1965, když Penzias a Wilson objevili mikrovlnné záření o teplotě 2,7 stupně Kelvina, které je pozůstatkem velkého třesku. Teorie velkého třesku byla ověřena pozorováním a stala se "standardním" kosmologickým modelem.

Brzy ale fyzikové zjistili, že standardní kosmologický model není schopen vysvětlit celý průběh evoluce vesmíru. Základní problémy standardního kosmologického modelu jsou:

* 1. Problém hmoty Proč je ve vesmíru více hmoty než antihmoty?

* 2. Problém velkorozměrné homogenity a izotropie vesmíru Proč je vesmír homogenní, když jednotlivé části vesmíru se od sebe vzdalovaly rychlostí světla a proto neměly mezi sebou kauzální spojení?

* 3. Problém plochosti raného vesmíru Proč raný vesmír měl střední hustotu hmoty takovou, že na jedné straně zabránila zpětnému kolapsu a na druhé straně umožnila vznik organizované hmoty?

* 4. Problém magnetických monopólů Rovnice teorie elektromagnetického pole, které sestavil James Clerk Maxwell, nejsou vzhledem k elektrickým a magnetickým silám symetrické. Zatímco elektrické pole může být zřídlové (divergence elektrického pole je nenulová a existují náboje), magnetické pole je nezřídlové.

Maxwellovy rovnice by byly symetrické, pokud by existovaly magnetické monopóly, částice podobné elektronu, které by nesly izolovaný magnetický pól. Všechny magnety jsou dipóly, kdy od sebe nelze magnetické póly oddělit. Dosud nebyl získán žádný přímý důkaz pro existenci magnetických monopólů, ale vědci odhadli hmotnost magnetického monopólu na 600 GeV, pokud je monopól částice s nulovým spinem, nebo 900 GeV, pokud je monopól částice se spinem 1/2. [I1]

Několik desetiletí byly problémy standardního kosmologického modelu spíše metafyzickými otázkami, než předmětem fyzikálního výzkumu. Ale nedávné objevy fyziky elementárních částic a fyziky nízkých teplot ve spojení s myšlenkami grandunifikačních teorií naznačily možné cesty k jejich řešení.

Spojení standardního kosmologického modelu velkého třesku a grandunifikačních teorií vypadá zhruba následovně. Podle této teorie existují dva typy prostoru. Náš hmotný svět částic, záření a silových interakcí existuje v normálním prostoru. Hustota energie v prázdném prostoru bez částic a záření je nízká. Higgsův prostor, který se někdy nazývá falešné vakuum, má velmi vysokou hustotu energie. [E1]

Všechny silové interakce jsou v kvantové teorii zajištěny výměnou intermediálních bosonů. Elektromagnetická interakce je zprostředkována fotonem s nulovou klidovou hmotností, slabá interakce intermediálními bosony s nenulovou klidovou hmotností, silná interakce gluony s nulovou klidovou hmotností a gravitační interakce gravitonem s nulovou klidovou hmotností.

Gravitační interakce zodpovídá za strukturu vesmíru a pohyb těles. Elektromagnetická interakce zodpovídá za chemii a fyziku atomů. Slabá interakce zodpovídá za rozpad řady nestabilních částic, rozpad neutronu, za procesy fúze vodíku ve hvězdách. Silná interakce zodpovídá za kohezi jader atomů, kvarků v hadronech, za radioaktivitu a štěpení jader.

Odpudivé a přitažlivé síly mezi hmotovými částicemi jsou způsobeny výměnou odpovídajících bosonů daného kvantového pole mezi částicemi. Tyto bosony jsou virtuální a existují jen po určitou dobu, během níž se nezachovává energie. Podle principu neurčitosti v kvantové teorii existuje neurčitost mezi energií a časem. Čím přesněji lze lokalizovat energii, tím nepřesněji lze lokalizovat časový interval a naopak. Za tento časový interval částice je schopna urazit určitou vzdálenost, na jejímž základě lze definovat Comptonovu délku, která určuje dosah interakce. Intermediální bosony slabé interakce mají nenulovou klidovou hmotnost. Pomocí kvantové teorie lze ukázat, že podobné chování má foton v supravodivém prostředí (supravodivém vakuu). Foton se v supravodivém prostředí šíří pouze na omezenou vzdálenost, což se interpretuje jako "zhmotnění" fotonu, kdy foton získává nenulovou klidovou hmotnost. Podobně existuje Higgsovo vakuum, ve kterém se zhmotňují intermediální bosony. [2], [E2]

Chování Higgsova prostoru nelze zkoumat přímo. Nedávné práce v oblasti fyziky částic naznačují, že přenosem dostatečného množství energie do dostatečně malého objemu by mohlo dojít k fázovému přechodu z normálního prostoru na Higgsův prostor. Velmi malými oblastmi Higgsova prostoru by mohly být magnetické monopóly, pokud takové částice v našem vesmíru existují.

V normálním prostoru působí tři silné silové interakce, silná, slabá a elektromagnetická. Lze je od sebe snadno rozlišit díky jejich velmi odlišným vlastnostem. V Higgsově prostoru tyto interakce nelze rozlišit a kvarky, leptony, neutrina a fotony jsou stejné částice bez možnosti rozlišení.

Bezprostředně po velkém třesku byl dostatek energie v malém objemu vesmíru, takže všude existoval Higgsův prostor. Během tohoto období se vesmír rozpínal mnohem rychleji, než je tomu dnes. Jak se vesmír rozpínal, hustota energie v prostoru silně klesala. Asi milióntinu sekundy po velkém třesku hustota energie poklesla natolik, že došlo k fázovému přechodu a v Higgsově prostoru se objevily oblasti normálního prostoru. V těchto oblastech došlo k rozštěpení původní superinterakce na tři, přičemž každé této interakci odpovídají jiné kalibrační částice (hadrony, leptony, fotony).

Fázový přechod lze chápat jako změnu kapalné fáze v plynnou fázi. Ve vroucí kapalině se objevují bubliny páry, což odpovídá oblastem normálního prostoru v Higgsově prostoru. Náš vesmír lze chápat jako jednu takovou bublinu, na níž se omezuje naše chápání a zkušenost.

Fázový přechod oblastí Higgsova prostoru na normální prostor vedl k uvolnění obrovského množství energie. Tato uvolněná energie představuje bariéru pro zpětný fázový přechod.

Modifikovaná verze modelu velkého třesku se označuje jako "nový inflační scénář". Tato teorie je zřejmě schopna řešit všechny problémy standardního kosmologického modelu. Nadbytek hmoty nad antihmotou se vysvětluje porušením symetrie CP, která se objevila během inflační fáze a způsobila nepatrný přebytek protonů nad antiprotony. Většina antihmoty a hmoty anihilovala a zbytek tvoří současnou hmotu vesmíru.

Inflační fáze řeší problém horizontu událostí, na který naráží izotropie a homogenita vesmíru. Podle inflačního modelu každé dva body ve vesmíru byly ve velmi malé vzdálenosti a tedy byly určitou dobu kauzálně spojeny. Kvantovými efekty byla ustavená lokální homogenita a izotropie exponenciální expanzí rozšířena na velkou oblast, z nichž dalším rozpínáním vznikl pozorovatelný vesmír.

Problém plochosti vesmíru řeší inflační teorie zcela přirozeně tím, že při inflační fázi poloměr prostorové křivosti vesmíru roste exponenciálně. Vesmír se tak stane lokálně rovinný.

Počet magnetických monopólů se během velkého třesku zmenšil díky tomu, že v inflační fázi vzniklo mnoho normálních prostorů (vesmírů) v Higgsově prostoru. Existuje hypotéza, podle níž každý vesmír obsahuje pouze jeden magnetický monopól jako "kondenzační jádro", kolem kterého proběhl fázový přechod z Higgsovy fáze do normální fáze.

Inflační teorie předpokládá, že existuje nespočetně mnoho vesmíru normálního prostoru v Higgsově prostoru. Tyto vesmíry jsou pro nás ovšem nedosažitelné. Neexistuje žádný fyzikální jev, který by umožňoval opustit normální prostor a přejít do Higgsova prostoru. Higgsův prostor navíc neumožňuje existenci hmoty ve formách částic a záření. Konečně jiné vesmíry se mohou od našeho vesmíru výrazně odlišovat.

I za předpokladu, že ve všech normálních prostorech platí stejné fyzikální zákony, jiné vesmíry mohou mít jiné vlastnosti. Například neexistuje žádný důvod, proč by porušení CP symetrie mělo vést k převaze hmoty nad antihmotou a nikoliv naopak. Směr času může v některém jiném vesmíru být opačný vzhledem ke směru času v našem vesmíru. Jiné vesmíry mohou mít různé velikosti a mohou také obsahovat jiné množství energie a hmoty.

Abychom si učinili představu, jaké důsledky může mít jiné množství energie a hmoty ve vesmíru, můžeme použít tzv. Machův princip, který byl zformulován Ernstem Machem. Podle tohoto principu inerciální síla, která klade odpor zrychlení tělesa, je důsledkem gravitačního působení všech těles ve vesmíru. Pokud použijeme Machův princip na celý vesmír, pak zrychlení nějakého objektu (inerciální hmotnost) přímo závisí na energii a hmotě, která je ve vesmíru obsažena. Přitom gravitační hmotnost (tedy např. gravitace Země, která způsobuje zrychlování těles při volném pádu) na energii a hmotě vesmíru nezávisí. Proto v každém vesmíru může být jiný poměr gravitační a inerciální hmotnosti.

Důsledkem může být změna hmotnosti elementárních částic ve všech fyzikálních zákonech, v nichž hmotnost je vyjádřena pomocí inerciální hmotnosti. Změní se velikost atomů, elektronové dráhy a chemické vlastnosti atomů, struktura atomového jádra, syntéza těžkých prvků v nitrech supernov a podobně. Takové změny mohou způsobit, že vůbec nevzniknou hvězdy a galaxie, nevzniknou vůbec těžší prvky než hélium a podobně.
 

Everettova-Wheelerova interpretace kvantové mechaniky (někdy označovaná jako "interpretace mnoha světů") je alternativní interpretací vůči Kodaňské interpretaci matematického aparátu kvantové mechaniky. Vypracovali ji John Archibald Wheeler a jeho student Hugh Everett III z univerzity v Princetonu.

Kvantová mechanika vznikla v prvních desetiletích 20. století ve snaze vysvětlit rostoucí množství experimentálních výsledků, které odporovaly klasické Newtonově mechanice. Kvantová mechanika postulovala objekty, které se v určitých případech chovají jako vlny a v určitých případech jako částice. Skupina fyziků vedená Nielsem Bohrem, Wernerem Heisenbergem, Erwinem Schrödingerem a Paulem Adrianem Mauricem Diracem vytvořila matematický aparát, který byl schopen pozorované jevy uspokojivě vysvětlit. Tento matematický aparát založený na teorii Hilbertových prostorů, operátorů a teorii pravděpodobnosti dodnes používají všichni fyzikové. Použití tohoto matematického aparátu je jasné a nejsou v něm vnitřní rozpory. Dodnes ale význam kvantové mechaniky zůstává rozporný, protože obsahuje řadu paradoxů, které vznikají při různých myšlenkových experimentech, jako je Schrödingerova kočka nebo Einsteinův-Podolského-Rosenův paradox. Často slyšíme, že "matematika je jazykem vědy". V tomto případě ale vidíme, jak matematika vedla k abstraktnímu popisu, který může mít různé interpretace. Formulace matematické teorie není totéž jako úplné pochopení jejího významu. Význam matematiky kvantové mechaniky je dnes předmětem intenzivního zkoumání a rozporů mezi fyziky a stal se také vděčným tématem filozofie přírodních věd.

Niels Bohr studoval a porovnával jednotlivé paradoxy, které se objevovaly při myšlenkových experimentech. Jeho přístup  je znám jako kodaňská interpretace kvantové mechaniky. Základní myšlenkou kodaňské interpretace je skutečnost, že náš popis mikrosvěta je postižen nedostatečností našich smyslů a výrazových prostředků pro popis reality. Svět má "klasickou" část, která se skládá z vlastního procesu měření a "kvantovou" část, která obsahuje měřený objekt. Svět, který pozorujeme, se nám zdá reálný a nezávislý na našem pozorování, ale ve skutečnosti je vždy spojen s "nereálným" mikrosvětem. Tomuto spojení se nelze vyhnout a proto ani nelze doufat, že se podaří popsat kvantové jevy tak, jaké ve skutečnosti jsou. Tato interpretace popírá objektivní realitu jevů, které nejsou dostupné měření. Neexistuje žádný kvantový svět, ale pouze abstraktní kvantový popis. Podle kodaňské interpretace kvantové mechaniky je třeba každé pozorování uvést do souladu s jeho makroskopickým kontextem.

V ortodoxní kodaňské interpretaci matematický aparát kvantové mechaniky nepopisuje přímo fyzikální jevy, ale naše znalosti o těchto jevech po jejich pozorování. Někteří odpůrci kodaňské interpretace uvádějí, že by rovnice kvantové mechaniky podle této interpretace měly vypovídat o věcech, které probíhají v mysli pozorovatele. Taková interpretace vede k jistým problémům.

Everettova-Wheelerova interpretace se těmto problémům snaží vyhnout. Uvažujme jednoduchý příklad. Dojde k rozpadu atomu, při němž je vyzářen rychle se pohybující elektron. Podle kvantové mechaniky se vlna odpovídající tomuto elektronu šíří všemi směry od atomu. Vlnová funkce elektronu popisuje pravděpodobnost jeho výskytu v různých oblastech časoprostoru. Elektron se nachází ve všech částech šířící se vlny, je "rozmazán" na jejím čele. Vlna dosáhne druhého atomu, kde je elektron atomem zachycen. Dochází ke kolapsu vlnové funkce elektronu, který odpovídá lokalizaci elektronu v atomu. Elektron se náhle objevuje v jediném bodě jako částice zachycená atomem. Objevuje se nová vlnová funkce, která popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v atomu.

Většina fyziků má praktický postoj a toto mikroskopické chování objektů kvantové mechaniky přijímá jako fakt. Kolaps vlnové funkce je chápán jako "změna poznání", když se pozorovatel dozví o poloze nebo jiných vlastnostech kvantového objektu. Ale již v počátcích kvantové mechaniky se několik vědců pokoušelo hlouběji proniknout do vztahů kvantové mechaniky k realitě. Jedním z nich byl Albert Einstein, který nikdy kvantovou teorii nepřijal kvůli její neuspokojivé interpretaci. Hugh Everett III zase považoval za podivné, aby existoval nějaký "magický" proces, který způsobuje kolaps vlnové funkce, přičemž jiné vlastnosti kvantové teorie se chovají očekávaným spojitým způsobem. Everett získal svoji disertaci PhD v Princetonu za práci na alternativní interpretaci kvantové mechaniky, která by neobsahovala kolaps vlnové funkce nebo vědomí pozorovatele.

Podle Everettovy interpretace kvantové mechaniky vlnová funkce elektronu nikdy nekolabuje. V okamžiku, kdy se elektron přiblíží k jinému atomu, dochází k rozštěpení vesmíru na všechny možné varianty jeho dalšího chování. Každý z nově vzniklých Everettových-Wheelerových vesmíru má nepatrným způsobem odlišnou "historii", která popisuje budoucí vývoj vesmíru. Tímto způsobem každé měření způsobuje rozštěpení vesmíru na možné výsledky. Pozorovatel vždy zůstává právě v jednom z těchto vesmírů podle toho, jaký výsledek pozoroval.

Mikroskopické jevy samozřejmě ovlivňují jevy ve velkých měřítcích. Libovolné fyzikální možnosti odpovídá nějaký vesmír, ve kterém se realizovala.

Everettovu-Wheelerovu interpretaci kvantové mechaniky většina fyziků odmítá. Na rozdíl od jednoduché a jedinečné skupiny makroskopických pozorování v Everettových modelech vystupuje nepřesně definovaná multiplicita relativních stavů. Neexistuje žádná relativistická verze Everettovy interpretace a není jasné, jak by měla taková verze vypadat na rozdíl od relativistické verze kvantové mechaniky, kterou je kvantová teorie pole. [3] Pro řadu fyziků je hůře přijatelná představa štěpících se vesmírů, než představa kolapsu vlnové funkce. Velmi vážnou závadou Everettovy interpretace je skutečnost, že predikce výsledků nějakého experimentu se neliší od kodaňské interpretace. Proto nelze tuto interpretaci testovat. Vědecké teorie lze vyvrátit pouze tak, že experimentální testy tuto teorii nepotvrdí. Pokud teorii nelze takto testovat, patří do oblasti metafyziky, filozofie nebo mýtů, ale není předmětem vědecké metody a vědy.

Reference autora k článku [X1]:

* D. N. Schramm, Physics Today 36 #4, 27 (April, 1983).

* A. H. Guth, Physical Review D 23, 347 (1981).

* A. Alberecht and P. J. Steinhardt, Physical Review Letters 48, 1220 (1982).

Reference autora k článku [X2]:

* H. Everett, III, Reviews of Modern Physics 29, 454 (1957).

* J. A. Wheeler, Reviews of Modern Physics 29, 463 (1957).

* B. S. DeWitt, Physics Today 23 #9, 30 (September, 1970), and the comments in Physics Today 24 #4 and #11 (1971).

* B. S. DeWitt and N. Graham, editors., The Many Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, Princeton University Press, Princeton (1973).

* M. Jammer, The Philosophy of Quantum Mechanics, pp.507-21, Wiley-Interscience, New York (1974).

Literatura a odkazy:

[X1] John G. Cramer: Other Universes I. Analog Science Fiction & Fact Magazine. The Alternate View Column AV-02.

[X2] John G. Cramer: Other Universes II. Analog Science Fiction & Fact Magazine. The Alternate View Column AV-03.

[E1] Kvantová fyzika a kosmologie. Teorie inflačního vesmíru.

[E2] Příčina hmotnosti bosonů. Spontánně narušená symetrie. Vakuum kvantových polí. (Vakuum bosonového typu, vakuum částic).

[1] Ullmann, Vojtěch: Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu, Československá astronomická společnost ČSAV, pobočka Ostrava, 1986.

[2] Odehnal, Milan: Supravodivost a jiné kvantové jevy. Academia, Praha 1992. ISSN: 0528-7103

[3] Coveney, Peter; Highfield, Roger: Šíp času, nakl. Oldag, Ostrava 1995, ISBN: 80-85954-08-7. Angl. orig.: The Arrow of Time, WH Allen (Virgin Publishing Ltd.), Great Britain, 1990

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.375, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 375 June 5, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

časopis o přírodě, vědě a civilizaci