POST EINSTEINOVSKÁ KOSMOLOGIE

Einsteinovým triumfem poznávání našeho světa neskončilo – astrofyzika pokračovala v mnoha přelomových objevech:

1.39.1 EDWIN HUBBLE

Edwin Hubble (1889‒1953) byl nejslavnějším americkým astronomem a jeho jméno dnes nese nejdokonalejší vesmírný dalekohled umístěný na oběžné dráze Země.

Jak je uvedeno v předchozích kapitolách – začátkem 20. století stále ještě převládal názor, že všechny pozorované objekty na nebeské obloze, včetně Mléčné dráhy, jsou součástí jednoho vesmírného celku. Pro (občas probleskávající) myšlenku mnoha samostatných galaxií chyběly astronomické důkazy. Poskytl je až Edwin Hubble:

Hubble pozoroval „proměnné hvězdy“, jimž říkáme cefeidy. Kolísání zářivosti těchto hvězd je úměrné zářivému výkonu hvězdy a slouží tedy astronomům jako „standardní svíčka“. Postavíme-li ve tmě do různých vzdáleností zapálené svíčky, můžeme na základě jejich pozorované zářivosti dopočítat jejich reálnou vzdálenost – na stejném principu fungují i cefeidy pro určování vesmírných vzdáleností. Hubble prováděl astronomická měření několika cefeid a dopočítal se ke vzdálenostem, jež mnohokrát převyšují rozměr samotné Mléčné dráhy – nemohou být tudíž její součástí.

V roce 1924 nashromáždil Hubble dostatek údajů, aby mohl prohlásit, že některé z „mlhovin“ jsou ve skutečnosti samostatnými galaxiemi. Jako první označil za samostatnou galaxii „hvězdu“ Andromedu. Šlo o další skok v poznání vesmíru:

Dnes víme, že „blízká“ galaxie v Andromedě je tvarem i rozměrově podobná naší Mléčné dráze – spolu s ní patříme do Místní skupiny galaxií a následně do Místní nadkupy galaxií. V naší galaxii jsou miliardy soustav (hvězda + planety) analogických našemu Slunci a takovýchto galaxií je ve viditelné části vesmíru (opět) na miliardy!

Hubble však učinil ještě další velevýznamný objev (1929):

Čím jsou vesmírné objekty od Země vzdálenější, tím větší je jejich „rudý posuv“ – tím rychleji se od Země vzdalují!

Světlo z těchto objektů je frekvenčně posunuté (snížené) k červenému (energeticky slabšímu) okraji spektra. Hubble tento jev vysvětlil na základě Dopplerova jevu (siréna vzdalující se sanitky má nižší frekvenci), a proto lze na základě rozdílu frekvencí dopočíst i rychlost vzdalujících se galaxií.

Tento jev dnes označujeme jako Hubbleův zákon v = H r, v němž hraje hlavní roli Hubbleova konstanta (H), dle aktuálních poznatků (2016) v hodnotě cca 68 km/s/Mpc.

Přesnost určení Hubbleovy konstanty je principiálně dána schopností určit vzdálenost vesmírných objektů – což je největší slabina moderní kosmologie – všechny metody zjišťování vzdáleností jsou pouze přibližné, založené na základě teoretických modelů a předpokladů (homogenní vesmír, rozpínající se stále stejnou rychlostí, …). Hubble sám publikoval prvotní hodnotu své konstanty (1929) v hodnotě 500 km/s/Mpc! Postupem času dochází k její korekci.

Hubble na základě výšeuvedeného vyvodil, že vesmír expanduje (rozpíná se). Expanzi (či smršťování) vesmíru přitom předpověděl již v roce 1922 Friedmann na základě rovnic OTR.

Rozpínání vesmíru souvisí taktéž s klasickým astronomickým (a filosofickým) paradoxem – Olbersův paradox:

Je-li vesmír nekonečný, obsahuje nekonečný počet svítivých hvězd, takže každá linie přímé viditelnosti musí končit na povrchu nějaké hvězdy – každý bod na obloze by měl mít tedy stejnou teplotu jako povrch nějaké hvězdy. Nic takového však nepozorujeme.

Astronomové přicházeli s různými vysvětleními tohoto paradoxu, nicméně dnes argumentujeme především rozpínáním vesmíru, kde dochází k rudému posuvu vlnových délek záření pocházejícího ze vzdálených objektů, jež posunulo energii světla hvězd téměř k nulovým hodnotám – zbylo pouze „reliktní záření“.

1.39.2 VELKÝ TŘESK

Autorem termínu Big Bang (Velký třesk) je astronom Fred Hoyle, který jej použil v roce 1949 ironicky, aby zesměšnil myšlenku vzniku vesmíru prudkou expanzí ze zárodečného počátku „nula“. Dnes je nicméně teorie Velkého třesku všeobecně přijímaným názorem:

Rus Alexander Friedmann je myšlenkovým otcem této kosmologické teorie (1927). Hubbleovy poznatky o galaxiích (jež se od nás vzdalují tím rychleji, čím jsou vzdálenější) v kombinaci s principy OTR nutně vedly k myšlence, že (po miliardy let se rozpínající) vesmír musel být nutně „na začátku“ koncentrován do podoby nekonečně malého, hustého a žhavého zárodečného bodu.

Vesmír (spolu s ním i prostor a čas) vznikly následkem neznámého procesu za neznámých podmínek „explozí“ hmoty a časoprostoru před cca 14 miliardami let!

Spolu s expanzí hmoty a poklesem teplot postupně vznikaly elementární částice, jež se později shlukovaly do atomů (primárně vodík a helium).

Počáteční vesmír byl nutně vyplněn silným elektromagnetickým zářením (světlem) o teplotě mnoha tisíců stupňů, a proto bylo předpovězeno (1948), že pozůstatky tohoto záření by měly být ve vesmíru všudypřítomné v podobě jakéhosi „reliktního“ (zbytkového) záření.

Roku 1965 bylo reliktní záření skutečně objeveno:

Reliktní záření či CMB (cosmic microwave background) je elektromagnetické vlnění, které objevili Penzias a Wilson. Při svém radioastronomickém pozorování naměřili tito vědci slabý „šum“ v signálu, ať již byl teleskop namířen na jakékoliv místo vesmíru. Pátrajíce po „chybě“ v teleskopu či zdroji rušení nakonec došli tito odborníci k závěru, že nejde o chybu – že z každého místa vesmíru skutečně přichází stejný elektromagnetický signál.

Tento objev přinesl později oběma badatelům Nobelovu cenu.

V roce 1992 vesmírný projekt COBE podrobně zmapoval reliktní záření z oběžné dráhy Země. Potvrdilo se, že ze všech směrů dopadá na Zemi homogenní a téměř izotropní záření o teplotě 3 Kelvinů, jehož lokální diference je velmi malá (v řádu 10^‒5).

Jak již bylo uvedeno – „rudý posuv“ vzdálených galaxií či supernov má původ především v rozpínání vesmíru, kterým se vesmír ve všech směrech prostorově zvětšuje, a tím se i zvětšuje vlnová délka přijímaných fotonů (snižuje se frekvence), respektive klesá jejich energie (teplota) záření.

Čím delší cestu foton vesmírem absolvuje, tím větší expanzi vesmíru byl podroben, a proto je záření nejstarších fotonů ze vzdálených galaxií nejvíce posunuto k červené oblasti spektra.

1.39.2.1 VESMÍRNÁ INFLACE

Byť se při povrchním pohledu může zdát, že moderní astrofyzika zná již téměř vše o vzniku vesmíru – opak je pravdou. Čím je vesmír vzdálenější, tím méně faktů o něm víme – je zde často více otázek nežli odpovědí.

Jednou z největších záhad je „stejnost“ (homogennost) vesmíru, ať již se teleskopy dívají jakýmkoliv směrem.

Navíc se zdá, že paprsky světla letí vesmírem rovnoběžně (pomineme-li nejbližší okolí masivních objektů) a (navzdory OTR) vesmír se nezdá globálně zakřiven – kružnice a elipsy pozorovaných objektů nevidíme optikou pokřiveného zrcadla (až na velmi ojedinělé výjimky v bezprostředním okolí supermasivních vesmírných těles).

Jak je možné, že „opačné konce“ vesmíru jsou si tak moc podobné?

Teorie inflace (1981) se snaží tento fakt vysvětlit myšlenkou, že velká část vývoje vesmíru probíhala, když byl vesmír ještě malý a měl dostatek času se důkladně „promíchat“ do stejnorodé homogenní hmoty. Následovala inflační rychlá expanze, která vesmír roztáhla (naředila prostorem) do dnešní podoby.

1.39.2.2 KOSMOLOGICKÁ KONSTANTA

Další kontroverzní astrofyzikální kategorií je tzv. kosmologická konstanta, kterou do fyziky zavedl Albert Einstein v rámci OTR:

Einstein původně považoval vesmír za stacionární (ani neexpanduje, ani se nezmenšuje). Tato filosofická představa však odporovala principům OTR:

Gravitační síla by každý stacionární vesmír časem přinutila zkolabovat do jediného bodu. Proto musel Einstein do svých rovnic přidat expanzní člen, který by gravitaci kompenzoval. Takovýmto kalkulem vznikla v roce 1916 spolu s OTR i kosmologická konstanta (Λ).

V roce 1929 však Hubble objevil, že vesmír není stacionární, naopak se rozpíná. Einstein označil svou kosmologickou konstantu za největší omyl svého života a vyškrtl ji ze svých rovnic. Ani ostatní fyzikové neměli nadále důvod počítat při řešení rovnic OTR s touto konstantou (respektive ji položili rovnou nule).

Na konci druhého tisíciletí (1998) však astronomická měření začala naznačovat, že rychlost rozpínání vesmíru se zvětšuje (rozpínání se zrychluje), a tak byla do astrofyziky kosmologická konstanta opět zavedena, a to ve velmi malé kladné hodnotě (nejrůznější výzkumy ji predikují značně rozdílně v řádech 10^‒29‒10^‒123).

Reálný význam, skutečná hodnota i jasná fyzikální interpretace kosmologické konstanty zůstávají při současném poznání vesmíru spíše spekulacemi. Stejně tak nikdo netuší, zda se hodnota kosmologické konstanty během vývoje vesmíru neměnila (zda konstanta byla skutečně konstantní). Významově fenomén kosmologické konstanty úzce souvisí s Temnou energií, jež bude diskutována v následujících kapitolách.

1.39.3 TEMNÁ HMOTA

Terminologický i významový pojem Temná hmota zavedl do fyziky roku 1933 švýcarský astronom (působící ponejvíce v USA) Fritz Zwicky (1898‒1974).

Fritz Zwicky narazil při svých pozorováních na jev, který byl dle jeho mínění v rozporu s Newtonovskou gravitací:

Ať již Zwicky propočítával vzájemnou rotaci jednotlivých galaxií v kupě galaxií, nebo jeho následovníci kalkulovali rychlost rotace objektů kolem centra spirálních galaxií – výsledek byl vždy tentýž – objekty obíhají kolem společného středu s mnohem větší rychlostí, nežli odpovídá Keplerově/Newtonově/Einsteinově scénáři naší Sluneční soustavy.

Situace se jeví, jako by hmotné objekty ve vesmíru obklopovala nějaká další „neviditelná“ hmota – jako by bylo přítomno více hmoty, nežli je patrné.

V naší Sluneční soustavě platí Keplerovy zákony, jejichž obecnější formou je Newtonův všeobecný gravitační zákon, jehož obecnější formou je Einsteinova OTR. Podle Keplerových zákonů přitom klesá oběžná rychlost nebeských těles se vzdáleností od hmotného středu (centra rotace) – vzdálenější planety (od Slunce) se pohybují pomalejší rychlostí.

Pozorované objekty v blízkých i vzdálených galaxiích se však pohybují evidentně vyššími rychlostmi – v rozporu s Keplerovými zákony, a to i v naší domovské galaxii! Důvodem musí být nějaká neznámá gravitační síla – Temná hmota.

Z principu věci je Temná hmota „nestandardním“ typem hmoty:

Nikde ji nevidíme, ani ji neumíme detekovat v jiných pásmech elektromagnetického záření či jakoukoliv jinou interakcí. Temná hmota nereaguje s nám známými druhy částic, a proto ji neumíme registrovat jinak nežli gravitačním působením na nám známé hmotné objekty.

V souvislosti s touto neznámou formou hmoty se někdy užívá výraz WIMP pro označení hypotetických elementárních částic tvořících Temnou hmotu.

1.39.4 TEMNÁ ENERGIE

Dnešní kosmologické modely vycházejí z rovnic OTR a tzv. kosmologického principu (vesmír je v globálním měřítku homogenní a izotropní). Tento předpoklad umožňuje relativně snadno řešit Einsteinovy rovnice a předpovídat minulý i budoucí vývoj vesmíru. Pozorování (zdá se) platnost kosmologického principu zatím spíše potvrzují, nežli vyvrací.

V minulých kapitolách též byla diskutována anabáze kosmologické konstanty (její zavedení, vyškrtnutí, znovuzavedení), jež je v rovnicích OTR jakousi protiváhou přitažlivé gravitace. Kosmologická konstanta bývá taktéž interpretována jako „hustota energie vakua“. V závislosti na znaménku může kosmologická konstanta buď zpomalovat, anebo zrychlovat expanzi vesmíru.

V roce 1998 přinesla astronomická pozorování názor, že rychlost expanze vesmíru roste, což v rovnicích OTR odpovídá kladné hodnotě kosmologické konstanty (právě toto zjištění zapříčinilo její znovuzavedení). Zrychlující se expanze vesmíru evokuje potřebu jakési „expanzní energie“, která je všudypřítomná, tedy i v „prázdném“ prostoru vesmírného vakua. Americký kosmolog Michael Turner nazval tuto neznámou formu energie Temnou energií (1998) a tento pojem se používá dodnes.

Temná energie je dnes interpretována jako reciproční fenomén Temné hmoty. Zatímco Temná hmota (spolu s gravitací) zpomaluje expanzi vesmíru, Temná energie ji urychluje.

Nikdo netuší, který fenomén časem převáží – zda se vesmír bude stále rozpínat do nicoty, nebo zda jednou zvítězí přitažlivé síly, zastaví expanzi a započnou opětovné smršťování vesmíru (jenž nejspíš skončí opět v bodě „nula“ jakýmsi opakem Velkého třesku).

1.39.5 ČERNÉ DÍRY

V předchozích kapitolách jsme objasnili, že (dle OTR) hmotné objekty zakřivují časoprostor a zpomalují čas, což se mimo jiné projevuje i pozorovaným snížením frekvence emitovaného záření vzdálených objektů – a že vše lze vysvětlit Schwarzschildovým řešením OTR rovnic:

; přičemž

fefrekvence děje z pohledu externího pozorovatele dostatečně vzdáleného (limitně v nekonečnu)

fifrekvence děje z pohledu interního účastníka v gravitačním poli

Ggravitační konstanta (6,67·10^‒11 N·m²·kg^–2)

Mhmotnost tělesa generujícího gravitační pole

rvzdálenost od hmotného středu tělesa

crychlost světla

Vgravitační potenciál ve vzdálenosti r

Karl Schwarzschild také určil výpočet pro „kritický“ poloměr velmi hmotných hvězd – Schwarzschildův poloměr – kde koncentrace hmoty zakřiví časoprostor natolik, že se zhroutí „sám do sebe“ a čas zcela „zamrzne“!

V případě děje (pohybujícího se směrem k oné kritické hranici) zaznamená vnější pozorovatel efekt „zpomalovaného filmu“, který se na oné hranici zcela zastaví – pozorovatel nikdy neuvidí, co nastane „potom“. Ona hraniční mez se nazývá též horizont událostí a veškeré děje za touto hranicí jsou mimo náš časoprostor – jedná se o Černou díru. V souvislosti s Černou dírou se používá též pojem gravitační singularita, neboť uvnitř Černé díry nabývají mnohé fyzikální veličiny nulových či nekonečných hodnot – stav hmoty uvnitř Černé díry neumíme popsat ani fyzikálně, ani matematicky – je mimo náš časoprostor i mimo naše chápání.

Schwarzschild tak určil vzorec, který popisuje jevy související s rostoucí koncentrací hmoty a který říká, že když se dostatečně velké množství hmoty zkoncentruje do dostatečně malého prostoru (poloměru), zakřivení časoprostoru zcela „uzavře“ tuto hmotu a pro náš časoprostor bude tato hmota „neviditelná“ – bude se projevovat pouze gravitačními účinky!

Vzorec pro tento hraniční Schwarzschildův poloměr, respektive horizont událostí je:

Například pro naše Slunce je Schwarzschildův poloměr cca 3 km. Kdyby byla hmotnost Slunce vměstnána do tak malého objektu, vznikla by Černá díra – neviditelný objekt uprostřed Sluneční soustavy, jehož gravitace by stále (v podstatě beze změny) řídila pohyb všech okolních planet.

Život na planetách by však takového uspořádání nepodporovalo – živočichové i rostliny potřebují sluneční záření – avšak Černá díra nikterak nezáří!

Cokoliv se ocitne pod hraničním poloměrem Černé díry, je nenávratně ztraceno pro náš vesmír a náš časoprostor – seberychlejší částice (ba ani světlo) nemá dostatek energie k tomu, aby se vymanilo z gravitace Černé díry. Černá díra tudíž dle OTR hmotu pouze polyká a nikdy nevydává zpět.

Dokonce postačí, aby se jakýkoliv hmotný objekt dostal do vzdálenosti 1,5násobku Schwarzschildova poloměru – jde o tzv. „fotonovou sféru“. Jde o „poslední“ stabilní oběžnou dráhu kolem Černé díry – oběžná rychlost na této dráze je rovna právě rychlosti světla – z podstaty je tedy tato orbita přístupná pouze fotonům (světlu). Vše pomalejší bude nutně přitaženo k centru Černé díry a skončí za horizontem událostí.

Sám Einstein však nevěřil na faktickou existenci podobných objektů – přesvědčen, že musí existovat fyzikální mechanismus, který totálnímu zhroucení časoprostoru zabrání.

Pojem „Černá díra“ následně vznikl až v 70. letech minulého století, kdy teoretický předpoklad OTR začal mít více zastánců a astronomická pozorování prokázala existenci dostatečně hmotných objektů ve vesmíru.

Od té doby postupně převládl názor, že Černé díry reálně existují a jsou „přirozenou“ součástí centra většiny galaxií, včetně té naší (Mléčná dráha). Fyziku Černých děr zpopularizoval především anglický teoretický fyzik Stephen Hawking, který v roce 1973 přišel s myšlenkou, že (navzdory předchozímu tvrzení) se Černé díry nutně musí v důsledku kvantových jevů „vypařovat“, až se časem vyzáří zcela.

Kromě Hawkinga se dnes věnují fyzice Černých děr tisíce fyziků po celém světě.

1.39.6 STRUNOVÁ TEORIE

Albert Einstein po představení své OTR (1916) neusnul na vavřínech slávy, ale pokračoval ve vědecké činnosti. S určitým zjednodušením lze říci, že po celý zbytek svého života usiloval o vytvoření „Teorie všeho“, jež by sjednotila specifický svět gravitace (kde pohyb hmoty způsobuje a řídí zakřivený časoprostor) a svět ostatních silových interakcí, jež známe především ze světa  elektromagnetismu (kde pohyb hmoty způsobuje a řídí interakce s jinými částicemi).

Einstein ani jeho následovníci však nebyli úspěšní – OTR (popisující gravitaci) a kvantová mechanika (popisující vše ostatní) jsou principiálně neslučitelné a nekompatibilní.

Kromě zákonů makrosvěta (o němž primárně pojednává tato kniha) existuje i mikrosvět elementárních částic a jeho „Standardní model“ částicové fyziky, který úspěšně předpovídá chování hmoty v částicových urychlovačích. Díky úspěchům tohoto oboru dnes například víme, jak jsou protony a neutrony „slepeny“ kvarky, a to zásluhou gluonů, jež zprostředkovávají silnou jadernou interakci.

Jedním z pokusů o nalezení univerzální „Teorie všeho“ je i hodně diskutovaná a populární Teorie strun:

Až do konce 19. století byl atom považován za základní stavební částici hmoty. Počátkem 20. století postoupilo poznání lidstva o patro hlouběji – od té doby se atom skládal z protonů, elektronů a neutronů. V 70. letech 20. století jsme postoupili o další patro hlouběji – protony (i další částice) se od té doby skládají z kvarků. Následně v 80. letech byl představen první matematicko-fyzikální model Strunové teorie.

Strunová teorie předpokládá, že všechny částice hmoty i veškeré formy energie jsou jednorozměrnými objekty (strunami), jež kmitají různým způsobem v multi-prostorovém světě.

První formulace této teorie „vyžadovaly“, aby náš svět měl 26 prostorových dimenzí (26D) a částice „tachyony“ pohybující se nadsvětelnou rychlostí! Pozdější pokusy o formulování této teorie se zbavily tachyonů a vystačily s „pouhými“ 10 prostorovými dimenzemi (10D). Následovala 11D Super-membránová teorie a M-teorie, jež dnes představuje většinový názor: 10 délkových + 1 časová dimenze!

Strunová teorie je dnes „hlavním proudem“ teoretické fyziky a věnují se jí tisíce fyziků po celém světě. Je brilantní ukázkou abstraktního myšlení a matematické ekvilibristiky … jakékoliv důkazy a ověřitelné výsledky však chybí!