Fyzika se zabývá zkoumáním nejzákladnějších tajemství přírody, a tak není divu, že fyzikům vrtají hlavou některé velmi zásadní otázky týkající se vesmíru. Časopis Symmetry (vydávaný dvěma fyzikálními laboratořemi financovanými americkou vládou) nedávno požádal skupinu částicových fyziků, aby jmenovali otevřené otázky ve fyzice, na které by nejraději našli odpověď. Zde je ukázka otázek, o které se podělili:

„Jaký bude osud našeho vesmíru?“

Básník Robert Frost se slavně zeptal, zda svět skončí v ohni nebo v ledu, a fyzikové na tuto otázku stále nedokážou odpovědět. Budoucnost vesmíru – otázka, kterou pojmenoval Steve Wimpenny z Kalifornské univerzity v Riverside – z velké části závisí na temné energii, která je v tuto chvíli neznámou entitou. Temná energie je zodpovědná za zrychlující se rozpínání vesmíru, ale její původ je zcela záhadný. Pokud je temná energie v čase konstantní, pravděpodobně nás v budoucnu čeká „velké zamrznutí“, kdy se vesmír bude rozpínat stále rychleji a nakonec se galaxie od sebe vzdálí natolik, že vesmír bude vypadat jako obrovská pustina. Pokud temná energie vzroste, mohlo by toto rozpínání být ještě silnější, takže by se rozpínal nejen prostor mezi galaxiemi, ale i prostor v nich a samotné galaxie by se roztrhaly – osud, kterému se přezdívá „velké roztržení“. Další možností je, že se temná energie sníží, takže nebude moci působit proti gravitační síle, která ji táhne dovnitř, což způsobí, že se vesmír propadne zpět do sebe ve „velkém křupnutí“. Ať už to dopadne jakkoli, jsme v podstatě odsouzeni k zániku. Na druhou stranu, žádná z těchto eventualit by neměla nastat dříve než za miliardy či biliony let – tedy dost času na to, abychom se rozhodli, zda doufáme v oheň, nebo led.

„Higgsův boson nedává absolutně žádný smysl. Proč vůbec existuje?“

Tón této otázky byl sice jazykem na tváři, říká její tazatel Richard Ruiz z Pittsburské univerzity, ale poukazuje na skutečné nepochopení podstaty částice, která byla loni slavně objevena na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v Evropě. Higgsův boson pomáhá vysvětlit, jak všechny ostatní částice získaly svou hmotnost, vyvolává však mnoho dalších otázek. Například proč Higgsův boson interaguje s každou částicí jinak – top kvark interaguje s Higgsovým bosonem mnohem silněji než elektron, což dává top kvarku mnohem větší hmotnost než elektronu. „To je jediný příklad ‚neuniverzální‘ síly ve standardním modelu,“ říká Ruiz. Higgsův boson je navíc první fundamentální částicí nalezenou v přírodě s nulovým spinem. „Jedná se o zcela nový sektor ve fyzice částic Standardního modelu,“ říká Ruiz. „Jak vznikl, to netušíme.“

„Proč je vesmír tak skvěle vyvážený, že v něm může existovat život?“

Podle pravděpodobnosti bychom tu opravdu neměli být. Galaxie, hvězdy, planety a lidé jsou možní pouze ve vesmíru, který se ve svých počátcích rozpínal tou správnou rychlostí. Toto rozpínání bylo řízeno tlakem temné energie směrem ven, která bojovala s gravitačním tahem hmoty vesmíru směrem dovnitř, kde převládá neviditelný druh hmoty zvaný temná hmota. Kdyby tyto veličiny byly jiné – kdyby například temná energie byla po zrodu vesmíru jen o trochu silnější – vesmír by se rozpínal příliš rychle na to, aby mohly vzniknout galaxie a hvězdy. Ale o trochu méně temné energie by způsobilo, že by se vesmír zhroutil sám do sebe. Proč jsou tedy, ptá se Erik Ramberg z laboratoře Fermilab v Batavii ve státě Ill., tak dokonale vyvážené, že umožňují vznik vesmíru, ve kterém žijeme? „Neznáme žádný zásadní důvod, proč by tato rovnováha měla existovat,“ říká Ramberg. „Není pochyb o tom, že množství temné energie ve vesmíru je nejjemněji vyladěné číslo v historii fyziky.“

„Odkud se berou astrofyzikální neutrina?“

Předpokládá se, že extrémně vysokoenergetická neutrina vznikají při srážkách rychlých nabitých částic zvaných kosmické záření s lehkými částicemi (fotony) v záření kosmického mikrovlnného pozadí, které prostupuje vesmírem. Co však tento proces uvádí do pohybu a jak se kosmické záření urychluje, jsou otevřené otázky. Hlavní myšlenkou je, že hmota padající do hladových supermasivních černých děr v centrech galaxií dává vzniknout kosmickému záření – ale pro tuto hypotézu zatím neexistuje žádný důkaz. Předpokládá se, že výsledná neutrina se pohybují tak rychle, že každá maličká částice má v sobě tolik energie jako rychlý baseballový míček (který má miliardy miliard atomů). „Nedokážeme si ani představit, odkud se tyto věci berou,“ říká Abigail Viereggová z Kavliho institutu pro kosmologickou fyziku na Chicagské univerzitě, která tuto otázku položila. „Pokud to zjistíme, můžeme se dozvědět o zdrojích, které tyto částice urychlují na extrémně vysoké energie.“

„Jak to, že vesmír je tvořen hmotou a ne antihmotou?“

Antihmota je jako hmota na opačném dni: má stejné vlastnosti jako látka, která tvoří planety, hvězdy a galaxie, ale jedna podstatná část je jiná – její náboj. Vesmír údajně začínal se stejným podílem hmoty a antihmoty, ale nějakým způsobem zvítězila hmota, přičemž většina obou látek se krátce po velkém třesku vzájemně anihilovala a zůstal malý přebytek hmoty. Proč antihmota tento souboj prohrála, se můžeme jen dohadovat. Vědci se zabývají hledáním vysvětlení tohoto rozdílu v procesech zvaných porušení nábojové parity, kdy se částice raději rozpadají na hmotu, a ne na antihmotu. „Zvláště nás zajímá, zda se oscilace neutrin liší mezi neutriny a antineutriny,“ říká Alysia Marino z Coloradské univerzity, která se o tuto otázku podělila s časopisem Symmetry. „To je něco, co zatím nebylo pozorováno, ale doufáme, že další generace experimentů se na to podívá podrobněji.“