Jaký je vztah mezi fyzikou částic a kosmologií?

Existuje úzký vztah mezi poli částicové fyziky a kosmologie, o čemž svědčí dlouhá řada fyziků pracujících současně: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne a mnoho dalších. Kosmologie je studium vesmíru a jeho struktury, zatímco fyzika částic je studium základních částic, jako jsou kvarky a fotony, nejmenší známé objekty. Ačkoli se zpočátku mohou zdát tak nespojené, jakkoli může být, kosmologie a fyzika částic jsou ve skutečnosti úzce propojeny.

Na rozdíl od komplexních systémů na Zemi, které lze mnohem popsat pomocí vysvětlení na vyšší úrovni než na vlastnostech vycházejících z nejnižších úrovní, jsou intergalaktické a kosmologické jevy poměrně jednodušší. Například ve velkých vzdálenostech vesmíru má skutečný vliv pouze jedna ze čtyř přírodních sil: gravitace. Ačkoli hvězdy a galaxie jsou velmi daleko a mnohokrát větší než my, máme pozoruhodně přesný obrázek o tom, jak fungují, odvozený ze základních fyzikálních zákonů, které řídí jejich složky.

Doménou kosmologie nejužší spojenou s fyzikou částic je studium Velkého třesku, gigantické exploze, která vytvořila veškerou hmotu ve vesmíru, a časoprostoru, z něhož je samotný vesmír složen. Velký třesk začal jako bod téměř nekonečné hustoty a nulového objemu: singularity. Pak se rychle rozšířil na velikost atomového jádra, což je místo, kde se začíná hrát částečná fyzika. Abychom pochopili, jak nejčasnější okamžiky Velkého třesku ovlivnily vesmír tak, jak je tomu dnes, musíme použít to, co víme o fyzice částic, abychom vytvořili věrohodné kosmologické modely.

Jednou z motivací pro vytváření stále silnějších urychlovačů částic je provádění experimentů, které simulují fyzické okolnosti co nejdříve v historii vesmíru, kdy bylo vše velmi kompaktní a horké. Kosmologové musí být dobře obeznámeni s fyzikou částic, aby mohli výrazně přispět k poli.

Dalším klíčem k pochopení vztahu mezi fyzikou částic a kosmologií je podívat se na studium černých děr. Fyzické vlastnosti černých děr jsou relevantní pro dlouhodobou budoucnost vesmíru. Černé díry jsou zhroutené hvězdy s tak obrovskou gravitací, že ani světlo nemůže uniknout jejich uchopení. Na chvíli se myslelo, že černé díry nevyzařují žádné záření a že by pro fyziky byly věkem paradoxní. Stephen Hawking ale na základě poznatků z fyziky částic teoretizoval, že černé díry skutečně emitují záření, které bylo poté nazváno Hawkingovo záření.

Fyzika částic je také velmi důležitá ve zkoumání temné hmoty, neviditelné hmoty, jejíž existence je známá díky svému gravitačnímu vlivu na viditelnou hmotu a temné energii, tajemné síle, která prostupuje vesmírem a způsobuje zrychlení jeho expanze. To jsou hlavní otázky moderní kosmologie.