Neviditelný pes
První český ryze internetový deník. Založeno 23. dubna 1996VELKÝ TŘESK: Deset největších mýtů I.
Velký třesk se stal nedílnou součástí našeho života. O horkém původu světa si dnes snad štěbetají už i ptáci na střechách domů. Tahle teorie se dostala do povědomí široké veřejnosti natolik, že je brána jako cosi samozřejmého, co patří k historii poznávání vesmíru. Do jisté míry tomu tak skutečně je a toto dědictví se stalo nedílnou součástí naší kultury – objevuje se ve filmech, psané literatuře, vtipech na vše možné – zkrátka tak nějak se Velký třesk zabydlel v našich myslích a dávno ho nevnímáme jako extravagantní a kdysi částí fyziků proklínanou teorii. A právě takové zevšednění s sebou přináší i různá zjednodušení, mylné a často tradované představy, které bych rád uvedl ve dvou pokračováních na pravou míru.
Motiv expandujícího vesmíru je stále fascinující. Zdroj: Sohabr.
1. Expanzi vesmíru objevil Edwin Hubble
Objev expanze vesmíru má kořeny v malém arizonském městečku Flagstaff, které leží na křižovatce známé Route 66 vedoucí východozápadním směrem a severojižní cesty. Nadmořská výška 2000 metrů a okolní hory jako by předurčily tento kraj pro astronomii. Dnes je v okolí celá řada významných observatoří. Tu flagstaffskou založil Percival Lowell v roce 1894 a dnes nese jeho jméno. Celoživotní vášní Lowella byla planeta Mars, observatoř proto založil za účelem jejího pozorování. V roce 1895 objednal z dílny věhlasných optiků bratří Clarků čočkový dalekohled o průměru 61 centimetrů a ohniskové vzdálenosti 9,75 metru. Percival Lowell prováděl tímto přístrojem kontroverzní výzkum Marsu, při němž se snažil nalézt projevy činnosti inteligentních bytostí. V době, o které hovoříme, si většina astronomů myslela, že mlhavé obláčky pozorované na obloze jsou mlhoviny v Mléčné dráze. V roce 1912 začal Clarkovým dalekohledem systematicky proměřovat spektra těchto „mlhovin“ americký astronom Vesto Slipher (čtěte slajfr). Nejprve zjistil, že spektrální čáry Velké mlhoviny v Andromedě jsou posunuty k modrému konci spektra a že se tato mlhovina k nám blíží nemalou rychlostí. Toto první měření Vesto Slipher publikoval v roce 1913 v nově vzniklém bulletinu observatoře [1]. Do roku 1915 proměřil spektra patnácti spirálních mlhovin a pouze u tří z nich nalezl modrý posuv, u ostatních posuv červený [2]. Někteří astronomové už v té době tušili, že jde o objekty za hranicemi Mléčné dráhy a hovořili o tzv. extragalaktických mlhovinách. Že jde skutečně o galaxie, zjistil Edwin Hubble až v roce 1923. Slipher v oné době ještě nedokázal interpretovat červený posuv „spirálních mlhovin“ jako expanzi vesmíru. Učinil ale řadu jiných významných objevů. Ze spektra určoval rotační periody planet a planetárních atmosfér, v roce 1914 pozoroval rotaci „spirálních mlhovin“ a objevil sodíkovou čáru v zemské atmosféře. Z nadšeného astronoma se postupně vypracoval na ředitele observatoře. Stal se jím v roce 1926 a observatoř vedl až do roku 1952. Jako ředitel přijímal mladičkého Clauda Tombaugha, který pod jeho vedením objevil v roce 1932 Pluto.
Clarkův dalekohled na Lowellově observatoři ve Flagstaffu. Americký astronom Vesto Slipher s ním jako první v letech 1912 až 1915 měřil červený posuv galaxií, který v roce 1927 interpretoval belgický kněz Georges Lamaître jako expanzi vesmíru. Zdroj: Wikimedia 2016, dalekohled je těsně po rekonstrukci.
Čerstvý vítr do situace vnesl abbé Georges Lemaître, vzdělaný římskokatolický kněz, který většinu života pobýval v Belgii. Vystudoval v anglické Cambridgi, kde ho setkání s Arthurem Eddingtonem přivedlo ke kosmologii a k obecné relativitě, která se nakonec stala jeho celoživotní vášní. Na studiích pokračoval na slavném MIT a v roce 1925 se vrátil do rodné Belgie, kde začal přednášet na Katolické univerzitě v Lovani. Nezávisle na Fridmanovi řešil v rámci obecné relativity nestacionární modely vesmíru a v roce 1927 dospěl k názoru, že Slipherova měření jsou důkazem expanze celého vesmíru. Tento zcela převratný poznatek publikoval v belgickém časopise Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, který bohužel kosmologická komunita nečetla [3]. Lemaître je nejenom prvním objevitelem expanze vesmíru, ale dokonce udělal i první odhad koeficientu přímé úměrnosti mezi rychlostí expanze a vzdáleností (nyní nazývaném Hubblova konstanta), a to dva roky před Edwinem Hubblem. Byl si vědom i toho, že raný vesmír musel být hustý a horký, a této fázi začal říkat prvotní atom. Jeho teorie „prvotního atomu“ se stala předobrazem teorie Velkého třesku, kterou na konci 40. let představil světu George Gamow.
Slavný Hokkerův dalekohled na Mt. Wilsonu (Kalifornie). Tímto přístrojem Hubble s Humasonem doplnili Slipherova měření červeného posuvu „spirálních mlhovin“. Hubble tato pozorování nezávisle interpretoval jako expanzi vesmíru. Zdroj: AGA.
Edwin Hubble se v roce 1919 stal prvním ředitelem observatoře na Mt. Wilsonu, která byla osazena Hookerovým dalekohledem o průměru 2,5 metru. I on se, podobně jako Vesto Slipher, zabýval spektroskopií. V roce 1923 rozlišil ve Velké mlhovině v Andromedě hvězdy a nalezl zde cefeidy, pomocí nichž určil vzdálenost této soustavy a přišel na to, že nejde o mlhovinu, ale o galaxii. Do roku 1929 doplnil Slipherova měření o další pozorování červených posuvů spirálních galaxií, která prováděl spolu se svým asistentem a spolupracovníkem Miltonem Humasonem. Celkem naměřili posuvy 46 galaxií. V roce 1929 vyšel Hubblův článek o expanzi vesmíru, v němž současně poukázal na lineární závislost mezi vzdáleností a rychlostí expanze [4]. Humason, který pozorování prováděl spolu s Hubblem, nebyl uveden jako spoluautor článku a dokonce nebyl v článku ani zmíněn. Citována není ani Slipherova práce, na kterou Hubble s Humasonem navazovali. V první polovině 20. století nebyla astronomie považována za součást fyziky, proto Hubble za jeden z nejvýznamnějších objevů lidstva, který mu byl tehdy připisován, nezískal Nobelovu cenu. Sám Hubble se celý život snažil o to, aby byla Nobelova cena udělována i za astronomické objevy, ale došlo k tomu až těsně po jeho smrti.
Vesto Slipher (1875–1969), Georges Lemaître (1894–1966), Edwin Hubble (1889–1953) a Milton Humason (1891–1972) – čtyři muži, kteří se rozhodující měrou podíleli na objevu expanze vesmíru.
2. Vesmír se rozpíná z nějakého konkrétního středu
Pocit, že vesmírná expanze musí mít nějaký střed, v němž vesmír vznikl a odkud se rozpíná, je zcela mylný. Právě to, že z našeho stanoviště pozorujeme, že objekty od nás ubíhají tím rychleji, čím jsou dále, je ve skutečnosti důkazem, že vesmír je ve všech svých místech stejný a rozpíná se z každého místa. Představte si obří molitanovou houbu, která se nafukuje. Ať budete bydlet v kterékoli bublince, budete mít pocit, že všechny ostatní bublinky se vzdalují právě od vás a dokonce tím rychleji, čím jsou dále. Jiným příkladem může být prádelní guma posetá značkami, kterou napínáme. Opět platí totéž: postavte se na libovolnou značku a ostatní se budou vzdalovat právě od vás. Jde o tzv. kosmologický princip, který říká, že vesmír je homogenní a izotropní a pozorování prováděná kdekoli v něm dopadnou, až na drobné lokální odchylky, stejně. Žádný střed expanze tedy neexistuje a každý pozorovatel má pocit, že právě on se nachází ve středu vesmíru. Můžeme také říci, že středů expanze je nekonečně mnoho, neboť každé místo ve vesmíru je současně i středem expanze. Podrobněji je kosmologický princip popsán v sekci Kosmologie nebo v textu Moderní kosmologie.
3. Na počátku byla singularita
Pokud extrapolujeme současnou expanzi vesmíru do minulosti, zjistíme, že v dávných časech byl vesmír velmi hustý a horký. Dokonce se můžeme dostat do jakéhosi počátečního okamžiku (často se označuje za počátek času), v němž vychází nekonečná hustota vesmíru, nekonečná teplota a i další veličiny popisující vesmír se zcela vymykají kontrole. Taková limita vede k často opakovanému tvrzení, že se vesmír zrodil gigantickou explozí z nekonečně malého objemu. Skutečnost je ale zcela jiná. Pokud nám v našich úvahách vyjdou lokalizované nekonečné hodnoty, musíme naše představy revidovat, nekonečna typu singularita se prostě v přírodě nevyskytují, respektive nemají žádný fyzikální smysl. Limitu k nulovému času jsme provedli na základě našich znalostí gravitační interakce. Ale v hustém a horkém zárodečném plazmatu nepochybně hrají roli i ostatní interakce a uplatňují se kvantové zákony mikrosvěta. Jedním z nich je Pauliho vylučovací princip, který znemožňuje, aby se některé částice dostaly do stejného kvantového stavu nebo libovolně blízko k sobě. Ano, vesmír na počátku mohl být velmi horký a hustý, ale tyto veličiny rozhodně neměly charakter singularity s nekonečnými hodnotami. Vznik vesmíru mohl například připomínat fázový přechod, při němž se divoké fluktuace kvantové povahy (někdy se hovoří o kvantové pěně) přeměnily při prudké expanzi (tzv. inflaci) na svět, který se stal později naším domovem. V období fázového přechodu byl vesmír extrémně hustý a horký, ale nemusel být nutně malý, dokonce mohl být nekonečný. O jeho povaze v oné době toho víme velmi málo a ani si nejsme jisti, zda zrod našeho vesmíru probíhal právě tímto způsobem. Dokonce ani nevíme, zda v průběhu zrodu vesmíru měl smysl pojem času, který máme provázán s hmotnými tělesy (ta zakřivují a spoluvytvářejí čas, bez nich by čas neměl existovat). O počátku vesmíru toho tedy víme velmi málo, ale jedním si jisti být můžeme. Počáteční singularita je způsobena jen naším nedokonalým popisem počátku světa, nikoli reálnou skutečností při jeho vzniku.
4. Velký třesk byl jediný okamžik
Před několika desítkami let se souslovím Velký třesk označovala pouze počáteční singularita. Jak už ale víme, ta neexistuje, takže mnohem logičtější je za Velký třesk považovat počáteční horké a husté období, v němž byl vesmír v plazmatickém stavu. Tato éra končí zhruba 400 000 let po počátku (ať už jím bylo cokoli) formováním atomárních obalů, kdy se ve vesmíru objevily neutrální atomy. V závěru Velkého třesku se uvolnilo elektromagnetické záření, které v jeho průběhu intenzivně interagovalo s volnými elektrony. Zánik volných elektronů, které se staly součástí atomárních obalů, znamenal ukončení Velkého třesku. Reliktní záření je svědectvím o konci tohoto zárodečného období našeho vesmíru a současně svědectvím o konci Velkého třesku.
Počáteční singularita a Velký třesk jsou znázorňovány různým způsobem. Realita může být zcela odlišná. Zdroj: Science Vibe.
5. Můžeme pozorovat celý vesmír
Člověk má odedávna pocit, že je pánem světa a že se vše točí kolem něho. Země ale není středem vesmíru a hvězdy se kolem ní neotáčí, jak si představovali naši předkové. Dokonce ani Slunce není středem veškerého bytí, jak tvrdily generace následující. Nakonec se ukázalo, že i naše Galaxie, které se říká Mléčná dráha, není jedinou galaxií ve vesmíru a že takových galaxií je obrovské množství. A žádná z nich, ani ta naše, ani některá další, nejsou středem vesmíru. V minulosti jsme také podlehli krásné iluzi, že vesmír je stvořen z atomů, podobně jako naše těla a naše rodná planeta. Ukázalo se ale, že ani toto není bohužel pravda. Největší část hmoty a energie ve vesmíru je tvořena temnou energií a temnou hmotou, ať už jde o cokoli. Vesmír se neotáčí kolem člověka, ale naopak to byl člověk a vlastně veškerý život na Zemi, který se musel v průběhu miliard let vývoje přizpůsobit vnějším podmínkám, nikoli naopak, jak tvrdí antropický princip. Člověk je jen malou součástí neznámého světa, který by měl poznávat s pokorou a respektem k přírodním zákonům.
Člověk opravdu nemůže vše a nemůže dokonce ani pozorovat celý vesmír. Rychlost světla je konečná, proto vidíme Slunce tak, jak vypadalo před osmi minutami, Galaxii v Andromedě tak, jak vypadala před dvěma a půl miliony let a světlo z nejvzdálenějších rozpoznatelných struktur k nám putuje necelých 14 miliard roků. Tam leží horizont pozorovatelného vesmíru. A stejně, jako když se díváte na krajinu, víte, že za horizontem leží další města, hory a moře, tak i vesmír za horizontem pokračuje dál, jen světlo nemělo dostatek času, aby k nám za dobu existence vesmíru z těchto končin doletělo. Pokud by tam, kde my vidíme horizont, bydlely nějaké rozumné bytosti a pohlédli by k nám, uvidí svůj vesmírný horizont v našich končinách. Nespatří tu Zemi, ani člověka, ale díky době, kterou světlo putuje, uvidí tito mimozemšťané v naší domovině konec Velkého třesku. Jediné pozitivní je, že se náš horizont stále rozšiřuje (pokud skutečně probíhá expanze vesmíru tak, jak ji chápeme). Takže stačí počkat si jednu či dvě miliardy roků a horizont se posune do vzdálenějších končin a my uvidíme z vesmíru o něco víc, než vidíme dnes. Nevíme, zda je vesmír konečný či nekonečný. Jedno ale víme jistě. Můžeme z něho spatřit jen velmi malou část a zbytek je pro nás ukrytý za horizontem. I kdybychom se snažili sebevíc a do řešení této úlohy zapojili veškeré své dosavadní znalosti, přírodním zákonům neporučíme a za horizont se podívat nemůžeme.
Calvin a Hobbes se dívají na hvězdy. Zdroj: Vozrojdenie.
********
Vysvětlivky:
Kosmologický posuv – posuv spektrálních čar k červenému konci spektra díky rozpínání vesmíru. Při rozpínání dochází nejen ke vzájemnému vzdalování galaxií, ale i k prodlužování vlnových délek záření. Spektrum vzdálených objektů ve vesmíru se tak jeví posunuté směrem k červené až infračervené oblasti. Kosmologický červený posuv je definován předpisem z = (λ − λ0)/λ0, kde λ0 je vlnová délka spektrální čáry v okamžiku vyslání paprsku, λ je vlnová délka téže spektrální čáry v okamžiku zachycení paprsku. Malé kosmologické červené posuvy lze interpretovat pomocí Dopplerova jevu. U velkých posuvů závisí vzdálenost objektu na parametrech expanze vesmíru (Hubbleově konstantě, křivosti, procentuálním zastoupení temné energie atd.) a není jednoduché z naměřeného kosmologického posuvu vzdálenost přesně určit.
Kosmologický princip – vesmír vypadá ve všech svých místech stejně, je homogenní a izotropní. Expanze vesmíru probíhá ze všech jeho bodů, v každém místě uvidíme vesmír expandující právě od nás. Kosmologický princip vede na expanzi, při níž je rychlost vzdalování objektů úměrná jejich vzdálenosti.
Antropický princip – tvrzení, že vesmír má přesně takové parametry, aby vyhovoval člověku. Existuje-li více vesmírů současně, žijeme právě v tom, kde se mohl vyvinout život našeho typu, a proto se nemůžeme divit, že parametry našeho vesmíru jsou nafitovány tak, aby život mohl vzniknout. Nepatrná odchylka od hodnot základních konstant či jiných parametrů by znamenala vznik úplně jiného vesmíru, kde by nemohl existovat život tak, jak ho známe. Antropický princip má své skalní příznivce i odpůrce. Odpůrci argumentují zpravidla tím, že antropický princip odvádí pozornost od zkoumání skutečných počátečních podmínek ve vesmíru.
Hubblův zákon – Edwin Hubble zjistil v roce 1929, že čím je galaxie vzdálenější, tím vyšší rychlostí se od nás vzdaluje. Koeficient úměrnosti se nazývá Hubblova konstanta a označujeme ji H. Tento vztah samozřejmě platí jen pro velmi vzdálené galaxie, pro blízké galaxie je rychlost expanze malá a převládají vzájemné pohyby galaxií.
*****************************
2. Vesto Slipher: Spectrographic Observation of Nebulae; Popular Astronomy, Vol. 23, p. 21-24 (1915)
5. Matthew R. Francis: Five facts about the Big Bang; Symmetry, 23 Aug 2016
6. Petr Kulhánek: Milníky kosmologie; AB 7/2018
Převzato z Aldebaran.cz
