Kvantová mechanika a velký třesk

Kvantová mechanika není jen vědním oborem, který vysvětluje chování jednotlivých izolovaných částic hmoty na úrovni základů její existence, je to i obor, který nám umožňuje nahlédnout do procesů, které se mohly odehrávat při vzniku vesmíru samotného. 

V dnešním pojetí vesmíru je univerzum rozpínající se jednotkou, kterou lze zpětně sledovat v čase až k jejímu vzniku do stavu, kterému říkáme "singularita". Její teoreticky nulový objem a zároveň nekonečná hustota jsou nepřestavitelné hodnoty, které se dají běžným lidským myšlením pouze akceptovat, nikoliv pochopit. Kdy a proč vlastně vznikl vesmír - jsou otázky, které si  zvídaví lidé kladli odedávna bez možnosti, aby na ně mohli najít fundovanou odpověď. Zkusme do nich zakomponovat procesy, které předpokládá kvantová mechanika a provést malý myšlenkový experiment. 

Prvním předpokladem v úvaze je postulát, že kvantová mechanika správně popisuje chování elementárních částic a také to, že správně popisuje procesy, probíhající v jejich mikrosvěte. 

Teorie kvantové mechaniky, konkrétně Heisenbergova teorie, objasňuje pricip chování hmoty na úrovni mikrosvěta jako fluktuaci, neurčitost, neschopnost předvídat její chování.

Dnešní věda vychází z toho, že domněnka, že se vesmír před svým vznikem nacházel v jednom malém bodu, je správná. Pak by se na jeho chování dala aplikovat teorie, popisující chování elementárních částic, o kterých víme, že se účastní procesů mikrosvěta, chování, které jsme odpozorovali při fyzikálních experimentech s hmotou. 

Pakliže se hmota na úrovni rozměrů elementárních částic chová nepředvídatelně, pakliže si ji představujeme jako ve svých vlastnostech "vibrující"  jednotku, je možné, že právě tento jev (vibrace, případně fluktuace) odstartoval proces, který způsobil rozpínání toho, čemu dnes říkáme vesmír. Fluktuací se změnila nějaká její vlastnost natolik, že se samovolně nemohla vrátit do původního stavu, podobně jako vlna, která je neustále dotována další a další energií větru - a která se neustále zvětšuje až do té doby než kolabuje a která se dostala do stavu, ve kterém už nemůže sama od sebe zaniknout. 

Za potvrzení teorie o počáteční fluktuaci (a tím správného použití kvantové mechaniky v myšlenkovém experimentu "vznik vesmíru") považujeme dnes měřené reliktní záření. To je pozůstatkem z doby, kdy byl vesmír starý zhruba 400 000 let a proběhl v něm jev, který vesmír pro záření zprůhlednil. Dnes má teplotu 2,7 Kelvinu a zaznamenáváme ho pomocí projektu WMAP. Téměř všude je homogenní, pozorujeme v něm ale zmíněné malé fluktuace. 

Proč mění pozorování kvantových jevů jejich stav?

Možným přiblížením je teoretická úvaha, přirovnávající neurčitost mikrosvěta k pozorování v makrosvětě: pokud chceme pozorovat nějaký objekt makrosvěta, musíme ho osvětlit. Pokud sledujeme menší a menší objekty, můžeme vycházet z toho, že budeme potřebovat více a více světla k jeho pozorování a musíme vynaložit více energie. Zároveň se ale jedná o objekty, které jsou v rámci tohoto myšlenkového experimentu menší a nepatrnější, takže si teoreticky můžeme představit moment, ve kterém vynaložená energie začíná být analogická s energií pozorovaného objektu, začíná ho ovlivňovat a další změnou rozměrů v neprospěch objektu dokonce určovat. 

Jak velký byl vesmír v momentě, kdy pro něj platily kvantové podmínky a zákony? 

Díky Heisenbergově teorii neurčitosti dnes víme, že sledování jevů makrosvěta dává smysl jen potud, pokud tyto jevy nepřekročí určitou minimální velikost. Při překročení této hranice se jevy stávají neurčitými, samo pozorování je mění natolik, že se nedá určit jejich původní stav. 

Tato hranice mezi makrosvětem  a mikrosvětem je známa - rozměrové odpovídá 10-35 metru. Tuto velikost tedy musel mít původní vesmír, ve kterém působily zákony kvantové mechaniky. Pro srovnání - vesmír, pro který musely platit zákony kvantové mechaniky, byl 10+20 krát menší, než proton. 

***

Vesmír se dále vyvíjel díky rozpínání a vzniku hmoty, která se oddělila od záření, původně  vyplňujícího celý vesmír.

Ve vesmíru, který by byl absolutně homogenní, ve vesmíru, jehož vnik by nebyl iniciován kvantovou fluktuací, by toto rozpínání způsobilo neustálé ředění hmoty v prostoru. 

Díky fluktuacím na kvantové úrovni v našem vznikajícím vesmíru ale došlo zároveň i k fluktuaci vznikající hmoty, která se díky působení gravitace následně manifestovala vznikem hvězd a galaxií. Do procesu, kterým vykrystalizovalo dnešní rozložení hmoty ve vesmíru, byla přitom zapojena spíše nebaryonická, se zářením nereagující hmota, tzv. "temná hmota", nikoliv baryonická, běžná hmota, ze které se skládají hvězdy samy. O existenci temné hmoty máme důkazy jen díky její gravitaci a její vlastnosti se vědci pokoušejí vysvětlit mimo jiné díky kvantově mechanickým jevům. 

Fluktuaci hmoty dnes považujeme za druhý důkaz správnosti původní úvahy (vzniku vesmíru jako následku fluktuace původního stavu singularity). Žijeme ve vesmíru, který vznikl náhodnou fluktuací a my sami, stejně jako struktura dnešního vesmíru jsme produktem jejích následků.