Přibližně před sto lety se vědci snažili vyřešit to, co se zdálo jako rozpor v obecné teorii relativity Alberta Einsteina.
Tato teorie, publikovaná v roce 1915 a dnes široce přijímaná po celém světě fyziky a matematiky, předpokládala, že vesmír je statický, tedy neměnný a nepohyblivý. Stručně řečeno, Einstein věřil, že současná velikost a tvar vesmíru jsou víceméně stejné, jako byly vždy. Když však astronomové pozorovali vzdálené galaxie na noční obloze pomocí výkonných dalekohledů, spatřili náznaky, že vesmír je něco jiného.
Tato nová pozorování naznačovala pravý opak: že se rozpíná. Vědci si brzy uvědomili, že Einsteinova teorie netvrdí, že vesmír musí být statický, ale že může podporovat i rozpínání vesmíru. Ve skutečnosti vědci pomocí stejných matematických nástrojů jako Einsteinova teorie vytvořili nové modely, které ukázaly, že vesmír je ve skutečnosti dynamický a vyvíjí se.
Obecnou teorii relativity se snažím pochopit již desítky let, a to i ve své současné práci profesora fyziky, který vede kurzy na toto téma. Vím, že vypořádat se s myšlenkou neustále se rozšiřujícího vesmíru může být skličující a součástí tohoto úkolu je překonat naši přirozenou intuici o tom, jak věci fungují. Například je těžké si představit, že něco tak velkého, jako je vesmír, nemá střed, ale fyzika říká, že je to realita.
Související článek
Prostor mezi galaxiemi
Nejprve si definujme, co se rozumí pod pojmem „rozpínání“. Na Zemi „rozpínání“ znamená, že něco roste. A s ohledem na vesmír je to víceméně pravda. Rozpínání může také znamenat, že „se od nás všechno vzdaluje“, což platí i pro vesmír. Pokud namíříme dalekohled na vzdálené galaxie, zdá se, že se od nás všechny vzdalují. A co víc, čím jsou vzdálenější, tím se zdá, že se pohybují rychleji.
Tyto galaxie se také zdánlivě vzdalují jedna od druhé. Přesnější je tedy říci, že se vše ve vesmíru vzdaluje od všeho ostatního, a to najednou. Tato myšlenka je jemná, ale zásadní. Je snadné si představit vznik vesmíru jako ohňostroj: začíná velkým třeskem a pak se všechny galaxie ve vesmíru rozletí do všech stran z nějakého centrálního bodu.
Tato analogie však není správná. Nejenže falešně naznačuje, že rozpínání vesmíru začalo z jednoho bodu, což není pravda, ale také naznačuje, že galaxie jsou tím, co se pohybuje, což není zcela přesné.
Nejsou to ani tak galaxie, které se od sebe vzdalují, ale prostor mezi nimi, samotná struktura vesmíru, která se postupem času rozpíná. Jinými slovy, vesmírem se nepohybují samotné galaxie, ale vesmír sám, který je od sebe vzdaluje, jak se rozpíná.
Běžným přirovnáním je představa, že na povrch balónu nalepíme tečky. Jak se balón nafukuje, rozpíná se, a protože jsou tečky přilepené na povrchu, vzdalují se.
Ačkoli se zdá, že se pohybují, ve skutečnosti zůstávají přesně tam, kam jste je umístili, a vzdálenost mezi nimi se zvětšuje jen díky tomu, že se balón rozpíná. Nyní si představte tečky jako galaxie a zeměkouli jako látku vesmíru a začnete chápat, o co jde. Bohužel, i když je tato analogie dobrým začátkem, ani ona dobře nevystihuje detaily.
Čtvrtý rozměr
U každé analogie je důležité pochopit její omezení. Některé nedostatky jsou zřejmé. Například balónek je tak malý, že se vám vejde do ruky, ale vesmír ne. Další nedostatek je subtilnější. Balónek má dvě části: latexový povrch a vnitřek naplněný vzduchem.
Tyto dvě části balónu se v matematickém jazyce popisují odlišně. Povrch balónku je dvourozměrný. Kdybychom po něm chodili, mohli bychom se pohybovat dopředu, dozadu, doleva nebo doprava, ale ne nahoru nebo dolů, aniž bychom opustili povrch.
Může se zdát, že pojmenováváme čtyři směry – dopředu, dozadu, doleva a doprava -, ale jsou to pouze pohyby po dvou základních trajektoriích: ze strany na stranu a zepředu dozadu. To je to, co dělá povrch dvourozměrným: délka a šířka.
Vnitřek zeměkoule je naproti tomu trojrozměrný, takže se můžete volně pohybovat v jakémkoli směru, dokonce i nahoru nebo dolů: na délku, na šířku a na výšku.
Právě v tom spočívá zmatek. To, co považujeme za „střed“ zeměkoule, je bod uvnitř zeměkoule, v prostoru vyplněném vzduchem pod povrchem.
V této analogii se však vesmír podobá spíše latexovému povrchu balonu. Vzduchem naplněný vnitřek balónu nemá v našem vesmíru ekvivalent, takže tuto část analogie nemůžeme použít: důležitý je pouze povrch.
Einstein’s theory presented a radical new conception of space and time. No longer were they fixed eternally, but they responded to the presence of matter.https://t.co/l5vI3ssRHS
— Albert Einstein (@AlbertEinstein) February 23, 2022
Takže ptát se, kde je střed vesmíru, je trochu jako ptát se: „Kde je střed povrchu balónu?“. Prostě tam není. Mohli byste cestovat po povrchu zeměkoule libovolným směrem, jak dlouho chcete, a nikdy byste nedošli na místo, které byste mohli nazvat jejím středem, protože byste nikdy neopustili její povrch.
Stejně tak byste mohli cestovat jakýmkoli směrem ve vesmíru a nikdy byste nenašli jeho střed, protože stejně jako povrch zeměkoule ho prostě nemá. Důvodem, proč je to tak obtížné pochopit, je zčásti způsob, jakým je vesmír popisován jazykem matematiky. Povrch zeměkoule má dva rozměry a její vnitřek tři. Vesmír však existuje ve čtyřech rozměrech, protože nejde jen o to, jak se věci pohybují v prostoru, ale také jak se pohybují v čase.
Naše mozky jsou uzpůsobeny k tomu, aby uvažovaly o prostoru a čase odděleně. Ve vesmíru se však prolínají do jediné látky, které se říká „časoprostor“. Toto sjednocení mění fungování vesmíru oproti tomu, co očekává naše intuice. A toto vysvětlení ani zdaleka neodpovídá na otázku, jak se něco může rozpínat do nekonečna: vědci se stále snaží přijít na to, co tuto expanzi pohání.
Když se ptáme na střed vesmíru, narážíme na limity naší intuice. Odpověď, kterou nalezneme – všechno, rozpínající se všude, najednou – je zábleskem toho, jak zvláštní a krásný je náš vesmír.
Temná energie a osud vesmíru
Jednou z nejzajímavějších otázek, kterým dnes vědci čelí, je, co pohání zrychlující se rozpínání vesmíru. Nejrozšířenější odpovědí je temná energie, záhadná forma energie, která tvoří přibližně 68 % vesmíru.
Temná energie působí jako antigravitační síla a stále rychleji od sebe vzdaluje galaxie. Ačkoli její přesná podstata zůstává neznámá, její existenci potvrdila pozorování vzdálených supernov v 90. letech 20. století, která ukázala, že vesmír se nejen rozpíná, ale že se rozpíná stále rychleji.
Konečný osud vesmíru je úzce spjat s temnou energií. Pokud by její vliv nadále rostl, mohl by vesmír zažít „velké roztržení“, kdy by síly rozpínání překonaly gravitaci a rozpadly by se galaxie, hvězdy a atomy. Pokud by naopak temné energie ubývalo, vesmír by se mohl přestat rozpínat a zhroutit se ve „velkém krachu“. Tyto možnosti ukazují, jak málo vesmíru rozumíme a jak důležitý je výzkum v oblasti kosmologie pro odhalení záhad vesmíru.