O NEPŘEDVÍDATELNOSTI VE VĚDĚ

   

V minulém čísle Akademického bulletinu jsme od jmenování členem-korespondentem Královské společnosti v Edinburghu přešli s panem profesorem Janem Paloušem k základnímu atributu, že vědu nelze striktně plánovat, a v rozhovoru jsme dospěli až k metodám, jimiž se v současné době zkoumá vesmír.

Pane profesore, minule jste hovořil o důsledcích nepředvídatelnosti ve vědě. Pro laika je celkem snadné představit si astronoma s dalekohledem. Ale teoretické "nahlížení do vesmíru" Vašeho Centra teoretické astrofyziky je poněkud odlišné. Děláte počítačové modely, při nichž vycházíte z fyzikálních zákonů. Do jaké míry jsou počítačové modely schopny vystihnout dění ve vesmíru a nakolik se mohou astrofyzikální zákony lišit od těch pozemských?
O tom by se mohlo mluvit dlouho. Jeden z kořenů úspěchu moderní doby spočíval v tom, že když Edmond Halley předpověděl podle Newtonova gravitačního zákona návrat Halleyovy komety, což bylo v polovině 18. stol., vypočetl ho na základě gravitačního zákona v čase a prostoru. Potom se řada lidí snažila tuto kometu "znovuobjevit". Například Charles Messier z Paříže, který se o to snažil, byl zklamán, když objevil něco jiného – Krabí mlhovinu (jež je dnes jedním z nejzkoumanějších vesmírných objektů). Halleyova kometa měla několikadenní zpoždění, ale nakonec byla také objevena, a tím se prokázalo, že na Zemi i ve vesmíru platí stejné zákony. Padlo středověké rozdělení na sféru pod drahou Měsíce, sublunární, kde se čtyři živly – oheň, voda, země, vzduch – přelévají. Narozdíl od této sféry nestálosti, kde se všechno mění, měl být éter – sféra stálosti – za drahou Měsíce, kde nejsou stejné zákony jako na povrchu Země a vše se děje podle jakýchsi éterických zákonů.
Přechod k novověku spočívá v tom, že přestalo existovat starověké a středověké rozdělení na dvě sféry. Tedy, my si zcela jisti také nejsme, protože nemůžeme všechno úplně přesně proměřit. A samozřejmě nevíme, zda Newtonův gravitační zákon platí vždy naprosto přesně, nemám teď na mysli obecnou relativitu, ale veliké vzdálenosti ve vesmíru. Dnes to mají těžké teoretici, kteří měli nejen ostrou tužku, ale i bystrý mozek a dokázali rozvinout třeba diferenciální počet, spočítat, jak vesmír funguje. Informací, které pocházejí z vesmíru, je totiž velké množství a skutečnost je mnohovrstevnatá. Jsme daleko od jednoduché situace 19. století, kdy byl de facto jediným astronomickým problémem výpočet efemeridy, tj. zdánlivé polohy planet vůči hvězdám v daném okamžiku. Hvězdy byly více méně považovány za stálice, dělaly nám souřadnou soustavu. Matematici mohli dominovat a vše bylo vypočteno, známo.
Pak ale přišlo 20. století. Technika se vším měřením předběhla teorii, teorie se dostala do závěsu. Zjistilo se, že skutečnost je komplexní, složitá a vnímat či srovnávat poznatky bez měření nelze. Klasický teoretik, který by seděl ve věži ze slonové kosti a vše si vypočítal, dnes neexistuje. Internet dokonce zboural další bariéry. Každý tým má přístup k datům téměř kdekoliv na světě.
V moderní době se rozvinula třetí disciplína, která dříve neexistovala a nyní se hojně rozvíjí – virtuální svět, neboli svět, jenž žije v počítači. Počítač samozřejmě umožní science-fiction, bez ohledu na fyzikální zákony si můžete cokoli vymýšlet, ale taky nemusíte. Můžete fyzikální zákony zakódovat do počítačů a zajímat se, co to udělá. A to jsou ony počítačové simulace, které samozřejmě respektují veškeré elementární fyzikální zákony a jenom je velice intenzivně aplikují. Jednou ze záhad vesmíru je, že ačkoli máme velmi málo základních fyzikálních zákonů a víme, že na počátku byl vesmír úplně jednoduchý – de facto neměl žádnou komplexitu – jak je tedy možné, že je dnes nesmírně složitý. Nejenže existuje mnoho hvězd, planet a mezihvězdné hmoty, ale že v mezihvězdném prostoru se vyskytují molekuly kyseliny mravenčí, někde také alkohol. A na zemi je vše ještě složitější. Je třeba se zamýšlet, jak je tedy možné, že se na základě jednoduchých fyzikálních zákonů z jednoduchého stalo něco tak velmi složitého. A počítače to vlastně dělají podobně. Jednoduché fyzikální zákony aplikují na složité systémy s mnoha částicemi. Lidé, kteří tyto simulace dělají, sledují, co se stane, kdy se děj v počítači bude podobat tomu, který můžeme vidět v dalekohledech. Děje, jež pozorujeme, jsou vrstvy do minulosti, kde se odehrávají děje podobné.
Samozřejmě nejsem tak dekadentní, abych si myslel, že když se dívám do dalekohledu, jedná se o "podvod". I astronomické pozorování prochází přes počítače, kde se mohl odvíjet nějaký simulovaný děj. Přesto věřím, že se jedná o skutečný pohled do vesmíru.
A jsme opět u nepředvídatelnosti ve vědě – v astronomii se opakovaně děje: když se staví nový přístroj, je samozřejmě snahou, aby byl dokonalejší než ty předcházející. A když se novým přístrojem podíváte do vesmíru, zjistíte něco, co jste nečekali. Ta nečekanost je to, co mě přesvědčuje, že nejde o podvod, že si to nikdo nevymyslel. Většinou to nové totiž do stavby vědy nezapadá.
Počítačové simulace se snaží vymodelovat situaci tak, aby se modely podobaly skutečnosti.

Jsou tedy počítače právě modelováním schopny na ono nečekané upozornit? Je to vůbec možné?
Já myslím, že do určité míry to možné je, ale ne jenom tak, bez přemýšlení. Vše má ještě rovinu "brutální soutěže ve vědě". Algoritmy se samozřejmě nějakým způsobem vyvíjely a vyvíjejí. Je možné mít velice sofistikovaný a krásný algoritmus, který Vám spočítá nějaký model. Nebo můžete mít primitivní algoritmus, ale desetkrát silnější počítač, a spočítáte totéž. Takže někdo může namítat: "My se tady snažíme a pak přijde někdo, kdo má jenom více peněz než my a udělá totéž, nebo ještě lépe."
Je tu však ještě jeden aspekt: i o počítačových simulacích je třeba hodně přemýšlet. Když získáte shodu mezi modelem a pozorováním, ještě to nic nedokazuje. Ještě je třeba rozmyslet, proč tomu tak je. A to se může v počítačích také udělat. Někdy to vede až k absurdním konsekvencím. V Edinburghu jsem navštívil observatoř na Blackford Hill, kde mi ukazovali tzv. "Millenium Simulation" – super-simulaci vývoje vesmíru, k níž se v evropské spolupráci nashromáždila spousta dat, jež jsou zájemcům k dispozici. Vznikla jakási virtuální realita. Ale samozřejmě i takové experimenty mají smysl. Němci říkávali "gedanken-experiment" – "myšlenkový experiment" – a já chápu počítačové simulace jako jakési prodloužení těchto myšlenkových experimentů, aby se vidělo, zda vedou k něčemu reálnému nebo ne.

Ještě ke zmiňované nepředvídatelnosti. Vysvětlil jste mi, že Vesmír byl původně jednoduchý a dnes je bez ohledu na naše stávající "jednoduché" zákony velmi složitý. Připadá mi jako živý organizmus. Budu--li teď volně citovat z materiálu vašeho Centra teoretické astrofyziky Katastrofické chlazení ve větrech velmi hmotných hvězdokup, vybaví se mi při zjednodušeně řečeném, že: "...v některých Galaxiích se tvoří miliony hvězd v kompaktních, velmi hmotných hvězdokupách a část jejich hmoty je ve formě větrů vanoucích velkou rychlostí vyvrhována do mezihvězdného prostředí...", otázka ze známého českého filmu: "Tati, a prdí hadi?" Zní to, jako bychom mohli oblaka mezihvězdných plynů přirovnat ke galaktické trávicí soustavě. Budu-li pokračovat ad absurdum, pak by bylo rozpínání a smršťování Vesmíru obdobou obrovského nafouklého břicha. Zákonitě si představuji, že Vesmír žije, narodil se, stárne... Zahyne?
Domnívám se, že to všechno je docela blízko pravdě nebo blízko tomu, co si astronomové představují. Hvězdné větry jsou samozřejmě příměr. Astronomové a astrofyzikové si musejí zvykat na jiné škály, jiný rozměr, protože ten náš je poněkud jiný než rozměr dějů jinde ve Vesmíru, tak jak je pozorujeme.
Je tu však jeden ze skutečně otevřených, horkých problémů astrofyziky. Naše Slunce je hvězda. Není např. dvojhvězda a není známo, že by mělo nějaký "průdovič", partnera, který by byl blízko a s nímž by obíhali kolem společného těžiště. Ovšem více než 50 % hvězd ve vesmíru jsou dvojhvězdy, nebo vícenásobné hvězdy. Druhou věcí je, že hvězdy nevznikají osamoceně, ale po skupinách. I naše Slunce, zřejmě na svém úsvitu někdy před čtyřmi a půl miliardami let, bylo v nějaké skupině. Do svého osamění se dostalo až později po svém zrodu.

Letos oslavujeme Mezinárodní heliofyzikální rok, nemůžu se tedy nezeptat, kde má Slunce své hvězdné sourozence?
Kde má Slunce ty hvězdy, které byly součástí stejné hvězdokupy, skutečně není známo. Za těch čtyři a půl miliardy let se hvězdy, které byly v době jejich zrodu poblíž Slunce, rozprchly velmi daleko. Zhruba osmnáctkrát byl oběhnut střed Galagie, čímž se tyto hvězdy dost promíchaly s ostatními. Jsme ale přesvědčeni, že hvězdy vznikají ve skupinách. Takové malé skupiny, které jsou dostatečně "mladé", známe. A Slunce vzniklo jako součást malé skupiny (za malou skupinu považujeme asi stovku hvězd). Pak jsou velké skupiny hvězd, které u sebe vydrží velmi dlouho. Říkáme jim kulové hvězdokupy nebo super-star clusters a jsou vlastně soustavami několika set tisíc až milionů hvězd. V naší Galaxii jsou velmi staré. Nejstarším hvězdám v kulových hvězdokupách je třeba deset miliard let a nerozprchly se. Pro astronomy je záhadou, jak je možné, že se v tak malém objemu a po tak neuvěřitelně dlouhou dobu ve hvězdokupě udržely, jak se celý proces odehraje. Je totiž známo, že mladé hvězdy vyvrhují spousty energie, kterou rozbijí rodičovské hnízdo, v němž hvězdy vznikají. A právě chladnoucí větry jsou jednou z cest, jak to vysvětlit.
Každá mladá hvězda se rodí díky kolapsu pod vlivem gravitace, vlastně se z řídkého stavu propadá a zahušťuje do sebe. V okamžiku, kdy přestane být schopna odvádět teplo, tzn. přeměňovat gravitační energii na záření, začne ve svém středu zvyšovat teplotu až do té míry, že zde začnou probíhat atomové reakce. Ale ještě před tím, než se takto oteplí, se snaží zachránit svou ztracenou krásnou rovnováhu tím, že se horké elementy blízko středu hvězdy teplotou nafouknou, a tím pádem se stanou řidší než hmota, která padá okolo. Dojde k tzv. velkorozměrné konvekci: hvězda se začne radiálně promíchávat, tím se snaží znovu nabýt ztracenou rovnováhu. A velkorozměrná konvekce vede k tomu, čemu se říká hvězdný vítr. První hvězdný vítr je daný přestřelováním konvekce. Tento vítr žene od vznikajících hvězd část hmoty. Když se tak děje v malé hvězdné soustavě, tak vítr chladne, ale chladne málo, má v sobě daleko více energie a tepla, než kolik je schopen vyzářit. Rychlost chladnutí je v těchto řídkých prostředích úměrná kvadrátu hustoty. Když je hvězdná soustava dostatečně velká, je hustota větru vysoká a dojde ke katastrofickému ochlazování hvězdného větru, což zpětně vede k další tvorbě hvězd – hvězdný vítr se zase přeměňuje na další a další hvězdy. To by mohl být způsob vzniku kulových hvězdokup a super-star clusterů.
A teď k vesmíru, který se nafukuje a je jakoby živoucí organizmus. Jeden pan profesor lékařství, který v penzi začíná uvažovat i o astronomických otázkách, se ptal "co bylo před Vesmírem". Tady se ovšem musíme domluvit, co se vesmírem myslí. Astronomové hovoří o Vesmíru, který pozorujeme, nebo ze kterého k nám přicházejí fotony, nebo kosmické záření, tj. baryony, čili elektrony, protony, neutrony. Také víme o skryté, temné hmotě, která se skládá patrně nejen z baryonů, ale i z jiných částic. Všechno je však součástí prostoru, jenž je mapován fotony. My si představujeme, že tento náš (astronomický) Vesmír, ve kterém jsme i my dva, je samozřejmě konečný v čase i prostoru. Vznikl před 13,7 miliardy let, na počátku se rychle rozepnul do velikosti několika centimetrů a poté začala normální expanze, která však není možná bez temné energie. Uvažovat, co bylo před tím a co k této expanzi vede, je samozřejmě naprosto legitimní, není zakázáno a dokonce se to v matematičtějších disciplínách děje. Představa jakéhosi Velkého zhroucení, kdy se všechno smršťovalo a smršťovalo až do jakéhosi nekonečně malého hmotného bodu, kde by byly nekonečné hustoty a teploty, neplatí, tak to asi nebylo. Tuto otázku se snaží vyřešit teorie strun: "strunaři" (v USA působí náš věhlasný "strunař" Petr Hořava) se domnívají, že Vesmír nepočal z nekonečně malého bodu, ale z jakýchsi konečných velikostí. Že Velký třesk povstal z čehosi, co bylo před tím, z nějakého kolapsu. A proč si v tomto smyslu nepředstavit, že existují jakési pulzy, podle nichž je Vesmír jednou malý a jednou velký. V tomto smyslu je možné připustit, že vesmír je věčný. Náš astronomický Vesmír je samozřejmě konečný v čase i prostoru. Ale předtím asi také něco bylo. A je přípustné si myslet, že Velký třesk je výsledkem toho, co bylo před tím.

A v tom, co bylo před tím, také platí naše fyzikální zákony?
Tak to je taky zapeklitá otázka. Napřed bychom museli definovat, co jsou naše fyzikální zákony. V teorii strun a dalších, které se rozvíjejí těsně okolo Velkého třesku, nalézají své pole částicoví fyzikové. Jedná se o interdisciplinární záležitost. Představují si, že vesmír může mít více dimenzí. Náš Vesmír má pouze tři dimenze prostorové a jednu časovou. Ale blízko Velkého třesku je dimenzí víc. V podstatě se expanzí v našem Vesmíru rozvinuly pouze tři dimenze, když připočítáme i čas, tak čtyři. Zatímco v jiných vesmírech se mohl rozvinout jiný počet dimenzí, což by ovšem znamenalo i jiné fyzikální zákony. Protože třeba jednoduchý gravitační zákon, kdy platí, že gravitační síla klesá se čtvercem vzdálenosti, takto funguje právě jenom v třírozměrném prostoru. Jen v třírozměrném prostoru povrch koule roste s kvadrátem poloměru (S = 4πr²). Avšak gravitace s kvadrátem poloměru klesá a z tohoto titulu je v třírozměrném prostoru gravitace dlouhodosahová síla. Ale kdyby byl prostor dvojrozměrný, kdybychom byli placatí, gravitace by fungovala úplně jinak.
Dá se tedy předpokládat, že nás se stále širšími technickými možnostmi čekají pořád nové nepředvídatelnosti. A ty jsou jistě pro vědce tím nejsilnějším pokušením.

MARINA HUŽVÁROVÁ