 |
Některé starověké
a středověké mystické představy o vesmíru. Se skutečným vesmírem měly pramálo společného... |
| AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie | Gravitace, černé díry a fyzika |
Kapitola 5
GRAVITACE
A GLOBÁLNÍ STRUKTURA VESMÍRU:
RELATIVISTICKÁ
KOSMOLOGIE
5.1. Základní
východiska a principy kosmologie
5.2. Einsteinův a deSitterův
vesmír. Kosmologická konstanta.
5.3. Fridmanovy dynamické modely
vesmíru
5.4. Standardní kosmologický
model. Velký třesk. Formování struktury vesmíru.
5.5. Mikrofyzika a kosmologie.
Inflační vesmír.
5.6. Budoucnost vesmíru. Šipka
času. Temná hmota. Temná energie
5.7. Antropický princip a
existence více vesmírů
5.8. Kosmologie a fyzika
5.1. Základní východiska a principy kosmologie
Problematikou stavby a vývoje vesmíru jako
celku se zabývá kosmologie *) - věda stojící na pomezí astronomie,
fyziky a filosofie. Jedná se o otázky minulosti Vesmíru
(příp. jeho vzniku), stavby, vývoje Vesmíru a jeho
budoucnosti (trvání či zániku). Dominantní silou ve vesmíru
je gravitace. Fyzika gravitace a struktura prostoročasu proto
hrají pro kosmologii nejdůležitější roli a nacházejí v
ní významné uplatnění. V několika paragrafech této
kapitoly se pokusíme základní principy a poznatky
relativistické kosmologie stručně rozebrat především z
tohoto fyzikálního pohledu (další
podrobnosti lze nalézt hlavně v [288], dále např. v
[271],[200],[181], [215]).
*) Řecké slovo kosmos
(kosmos ) znamená svět, vesmír (latinské
synonymum univesum); původně řád,
harmonický systém (protiklad chaosu), též ornament,
krásný šperk. Nynější obvyklý význam řec. kosmologia
(kosmologia)
= nauka o světě, vesmíru. Ze stejného slovního základu
vycházejí příbuzné oblasti jako je kosmogonie
(nauka o vzniku nebeských těles, především planet), nebo kosmografie
("místopis" nebeských těles). A též kosmetika
ve smyslu vnějšího zkrášlování.
Mystická kosmologie
Od nepaměti se lidé zajímají nejen o problémy přítomného
života a lokální vlastnosti přírody, ale i o eschatologické
otázky a globální strukturu celého světa (vesmíru) - jak
je vesmír velký a jaký má tvar, kdy a jak vznikl a kam
spěje, jakými zákony se řídí, jaká je jeho podstata. Ve
starověku a středověku stály představy o struktuře a
vývoji vesmíru na mystických základech a měly málo
společného s realitou *).
*) Historický vývoj našeho poznávání
vesmíru, v kontextu s vývojem celé přírodovědy, byl
podrobněji rozebírán v §1.1"Historický
vývoj poznatků o přírodě, vesmíru, gravitaci". Otázky stavby a vlastností Vesmíru a
postavení člověka v něm byly v minulosti (a jsou stále)
reflektovány v různých oblastech lidské kultury,
filosofických a náboženských směrech - viz např. "Antropický
princip aneb kosmický Bůh".
|
Některé starověké
a středověké mystické představy o vesmíru. Se skutečným vesmírem měly pramálo společného... |
Záhada: Vznik
Vesmíru ?
V těchto
dřívějších dobách se acentovaly zvláště úvahy o vzniku vesmíru. Různé lidské kultury si vytvářely
vlastní příběhy popisující původ
světa.
Většina těchto mýtů vytvoření (stvoření) světa
předpokládá existenci jakési nadpřirozené božské či absolutní
síly
schopné vytvořit svět. V jiných je Vesmír věčný, existuje navždy od nekonečné
minulosti a bude existovat věčně. Častým předpokladem bylo,
že Vesmír vznikl - ať již samovolně nebo božským zásahem
- z prvotní nicoty či chaosu, do níž byl
vtišten řád. Z hlediska vědecké
poznávací metody, podle níž každý účinek vyplývá z
příčiny, můžeme sledovat řetěz příčin zpět v čase,
až dojdeme k "prvotní
příčině".
Vzniká ale otázka: co způsobilo tuto prvotní příčinu?
Proč vůbec "něco" existuje, místo toho aby
neexistovalo nic? Častá jednoduchá povrchní odpověď
odkazuje k Bohu - stvořiteli. Současná nejlepší vědecká
odpověď říká, že náš Vesmír (a
snad i další "vesmíry") se objevil spontánně z náhodné kvantové fluktuace v primordiální vakuové
varietě (je podrobněji diskutováno v
§5.5, část "Chaotická inflace",
pasáž "Vznik více vesmírů").
Toto výchozí kvantové vakuum však není nějaká
"nicota" či prázdnota, nýbrž v duchu kvantové
teorie pole obsahuje neustále fluktuující fyzikální pole a
jejich kvanta - částice a antičástice. Z "kvantové nicoty" - z "ničeho"
vzešlo "všechno"..?.. Jsou to ale všechno jen hypothézy..!..
Vědecká
kosmologie
Teprve Galileova pozorování a Newtonův gravitační zákon
setřely zdánlivý propastný rozdíl mezi zákony pozemské
přírody a "nebeskými" zákony vesmíru.
Začalo se ukazovat, že vesmír i pozemská příroda jsou
řízeny patrně stejnými
fundamentálními zákony; jen je pozorujeme z jiného
"zorného úhlu". Od Galileových a Newtonových dob
poznání vesmíru vychází z racionálních přírodních
(fyzikálních) zákonů, s použitím výpočtů a předpovědí
pohybu nebeských těles, s důrazem na stále se zpřesňující
pozorování a konfrontaci s přírodovědnými experimenty.
Astronomie a kosmologie se tak stala vědeckou
disciplínou,
v níž jsou teoretické představy a modely stále korigovány
tak, aby bylo dosaženo postupně co nejpřesnější shody se vším, co ve vesmíru pozorujeme. A
to i ve shora zmíněné nejobtížnější otázce vzniku vesmíru...
Způsob jak pochopit
vesmír je
tedy následující: extrapolovat
fyzikální zákony plynoucí z experimentů v našich
laboratořích na procesy probíhající ve vesmíru a pomocí
těchto zákonů se snažit vysvětlovat astronomicky pozorované
jevy. V astronomii a astrofyzice tento postup vedl k impozantním
úspěchům. Spektrální analýza záření přicházejícího k
nám i z těch nejvzdálenějších pozorovaných objektů ve
vesmíru ukazuje, že tam zřejmě platí tytéž
zákony
klasické a kvantové mechaniky, elektrodynamiky, atomistiky,
termodynamiky a gravitace jako zde na Zemi. Ač
se to nedá explicitně dokázat, opravňuje nás to k
přesvědčení, že fyzikální zákony platí
i tam, kam jsme se ještě "nepodívali" - a snad
dokonce i v místech, kam nikdy nebudeme schopni dohlédnout..!..
Kosmologie se však
snaží extrapolovat zákony fyziky na celý
vesmír v
jakémkoli čase v minulosti i budoucnosti a vysvětlit pomocí
nich jeho globální stavbu a evoluci. Vzniká otázka o oprávněnosti tak smělé a dalekosáhlé extrapolace?
*) - vesmír jako celek by přece nemusel mít tytéž vlastnosti
jako námi pozorovaná jeho část. Chceme-li však poznat
megasvět, nezbývá než doufat v materiální jednotu světa
řídícího se univerzálními
fyzikálními zákony. Spektrometrická analýza záření
přicházejícího i z těch nejvzdálenějších končin
vesmíru ukazuje, že přírodní děje probíhající zde na
Zemi i v celém pozorování dostupném vesmíru se řídí stejnými
fyzikálními zákony mechaniky, gravitace,
elektrodynamiky, atomistiky, jaderné fyziky, termodynamiky,
fyziky plasmy atd.
*) Při budování nyní již standardního
kosmologického modelu (§5.4 "Standardní
kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury
vesmíru.")
se Einsteinovy rovnice aplikují na celý Vesmír. Obecná teorie
relativity je však spolehlivě prověřena (experimentálně či
observačně) zatím jen v mnohem menších měřítcích
- zde na Zemi a ve Sluneční soustavě (ohyb světelných
paprsků v gravitačním poli Slunce, stáčení perihelia
Merkura, Lense-Thirringův efekt strhávání prostoročasu
rotující Zemí, gravitační frekvenční posuv), příp.
procesy v malých gravitačně zhroucených kompaktních
objektech; je shrnuto v §2.10 "Experimentální
ověřování teorie relativity a gravitace"). Přitom galaxie mají mnohomiliardkrát
větší rozměry a pozorovatelný vesmír je nejméně 1015-krát větší. Je
třeba přiznat, že tak dalekosáhlá extrapolace není vlastně
ničím podložená..!?.. Bohužel však nic lepšího
nedokážeme. Máme jedinou možnost: zkusit takovou extrapolaci
a sledovat, nakolik předpovědi ze vzniklých modelů
odpovídají pozorovaným faktům. Pokud ano, ospravedlňuje to
použitou extrapolaci a zároveň rozšiřuje ověření
platnosti dané výchozí teorie (zde obecné teorie relativity)
do větších měřítek.
Unikátnost vesmíru
V některých důležitých aspektech se však vesmír (a tedy i
metody jeho zkoumání) přece jen liší od ostatních fyzikálních
soustav s nimiž se v přírodě setkáváme. Především je to unikátnost vesmíru: vesmír existuje jen v "jednom
vydání", nemůžeme s ním dělat žádné experimenty ani
pozorovat a srovnávat (třebas statisticky) různé varianty
chování vesmíru (necháváme zde zatím
stranou různé spekulace o možnosti existence více vesmírů,
to budeme rozebírat níže v §5.7 "Antropický
princip a existence více vesmírů"). Protože vesmír je jen jeden a
mimo něj nic, žádná soustava ani sám pozorovatel se nemůže
nijak vymanit či "vystoupit" z vesmíru, postavit se
mimo něj a zkoumat jej "z vnějšku" směrem dovnitř;
všechno je nedílnou součástí vesmíru.
Při studiu tak složitého objektu jako
je celý vesmír musíme provést celou řadu zjednodušení a idealizací - vytváříme tzv. kosmologické modely (§5.2-5.5), které vystihují některé
základní globální rysy celého vesmíru, avšak abstrahují
od konkrétní lokální struktury jednotlivých vesmírných
objektů (jako jsou hvězdy, galaxie, dokonce kupy galaxií ...).
Nepředstavitelná
velikost vesmíru !
Rozměry vesmíru se zcela vymykají
lidské představivosti, nedají se srovnat s ničím, na co jsme
v lidském měřítku zvyklí. Představit si velikost
vesmíru je pro nás velmi nesnadné, či dokonce
nemožné. Nemáme s čím srovnávat ("unikátnost
vesmíru") a s tak velkými vzdálenostmi a rozlehlými
prostory nemáme žádnou osobní zkušenost...
Stanovení
vzdáleností vesmírných objektů - základní podmínka
kosmologie
Kardinálním problémem astronomie a astrofyziky vzdáleného
vesmíru je správné určení vzdáleností
hvězd, mlhovin, hvězdokup, galaxií a dalších objektů. Jen
tak můžeme stanovit zářivé výkony těchto objektů, což
umožňuje analyzovat fyzikální mechanismy, které k takovým
energetickým výkonům vedou. A rovněž prostoročasovou
strukturu vesmíru. Vzdálenosti ve vzdáleném vesmíru se
často stanovují relativně, pečlivým porovnáváním
svítivostí hvězd určitého typu v naší galaxii (jejichž
vzdálenost víceméně známe) a obdobných hvězd v jiných
galaxiích. Tuto metodu pak extrapolujeme i na porovnávání
jasu bližších a vzdálenějších galaxií. Výsledky bývají
často zatíženy značnou nepřesností. Současná astronomie
má k dispozici čtyři základní vzájemně navazující metody
měření vzdáleností vesmírných objektů: trigonometrická
metoda - luminozitní metoda - cefeidy - supernovy Ia - rudý
spektrální posuv (podrobněji bylo diskutováno v
§4.1, pasáž "Stanovení
vzdáleností vesmírných objektů - základní podmínka
astrofyziky").
Kosmologický princip
Většina koncepcí současné kosmologie vychází z tzv. kosmologického principu *), který se též někdy označuje jako Koperníkův
princip. Koperníkův poznatek, že Země není středem vesmíru, se
postupně zobecňoval tak, že ani Sluneční soustava, ani
Galaxie nebo Místní skupina galaxií, nejen že nejsou středem
vesmíru, ale ani nemají žádnou význačnou polohu ve
vesmíru. Kosmologický princip je pak hypothéza, že všechny
polohy ve vesmíru jsou v podstatě ekvivalentní, žádné
místo ve vesmíru není
privilegované. Kosmologický princip může být v
principu ověřován i laboratorně - souvisí totiž těsně s
reprodukovatelností laboratorních fyzikálních experimentů.
Provedeme-li nějaký experiment a pak ho po delším čase
opakujeme (v téže laboratoři), opakujeme ho vlastně v jiném
místě prostoru a v jiném čase, protože Země se v rámci
začlenění do několika pohybujících se systémů již
dostala do jiného místa vesmíru. Přesto však podle
zkušeností dostáváme v mezích přesnosti tytéž výsledky, což
svědčí ve prospěch kosmologického principu fyzikální
rovnocennosti všech míst ve vesmíru.
*) Je třeba vlastně rozlišovat dvě
úrovně kosmologického principu:
1. Homogenita a izotropie na úrovni platnosti
fyzikálních zákonů, tj. předpoklad, že v celém
vesmíru platí fyzikální zákony všude stejně;
2. Homogenita a izotropie z hlediska (průměrného) rozložení
hmoty a ostatních fyzikálních podmínek ve vesmíru.
Svého času se diskutovala i třetí verze, tzv. dokonalý
kosmologický princip požadující aby střední hustota
hmoty byla stejná nejen v různých místech vesmíru, ale byla
stejná i v čase. Tato nesprávná verze kosmologického
principu se stala východiskem dočasné mylné hypotézy ustáleného
stavu vesmíru (viz níže).
Vesmír
můžeme přirovnat k jakési "(sou)ostrovní říši",
ve které je hmota rozdělena velmi
nerovnoměrně: elementární částice tvoří atomy,
ty se shlukují do hvězd a planet, v nichž je hustota o mnoho
řádů vyšší než v okolí; hvězdy jsou spolu s plynem
gravitačně sdruženy do obrovských hvězdných
"ostrovů" - galaxií, ty se shlukují do gravitačně
vázaných kup a nadkup galaxií. Ani tyto obrovské hvězdné
"ostrovy" či "souostroví se ve vesmíru
nepohybují nahodile, ale proudí v jakýchsi
"filamentech", mezi nimiž jsou obrovské téměř
prázdné "bubliny". Vesmír v těchto měřítcích
připomíná jakousi gigantickou "kosmickou
pavučinu"
(viz §5.4, část "Formování velkorozměrové struktury vesmíru", obr.5.5).
Při kosmologickém zkoumání vesmíru
jako celku je však třeba odhlédnout od "místních"
nerovnoměrností rozložení hmoty; tyto menší struktury
studuje klasická astronomie a astrofyzika. Zprůměrujeme-li
hustotu rozložení hmoty v oblastech velkých rozměrů ve
srovnání se vzdálenostmi mezi galaxiemi a kupami galaxií (tj.
asi 108-1010 světelných let), globálně
bude takto "rozmazaná" hmota rozložena již prakticky
homogenně a izotropně. Tak to požaduje kosmologický
princip a potvrzují to současná astronomická pozorování *),
včetně reliktního záření. Vesmír je tedy "víceméně" homogenní a izotropní - na
velkých rozměrech je ve všech místech stejný a vypadá ve
všech směrech stejně. V §5.4 a 5.5 uvidíme, že podle standardního
kosmologického modelu je to důsledkem vzniku vesmíru z
"velkého třesku" a pak rychlého
"rozfouknutí" během inflační fáze.
*) Jak dokonalá je
homogenita vesmíru ?
Samozřejmě existují náhodné rozdíly v rozložení galaxií
a kup galaxií, ale ve velkých měřítcích zapadají do v
průměru homogenního systému. Astronomická pozorování
prováděná ve 20.století ukazovala horní hranici velikosti
jakékoli anomální struktury ve vesmíru kolem 1÷1,2 miliardy
světelných let. V r.2022 však byla pozorována struktura o
délce 3,3 miliardy světelných let (tvaru půlměsíce, byla
nazvána Obří archa). A jsou indicie pro snad ještě
větší struktury (jako je Velká
Herkulova zeď projevující se zvýšenou hustotou gama
záblesků GRB), které mohou zaujímat až
10% velikosti pozorovatelného vesmíru... To naznačuje větší
heterogenitu vesmíru než se dříve zdálo, takže
tradiční kosmologický princip bude muset být snad upřesněn
a povede to možná i k modifikaci standardního
kosmologického modelu..?..
Pozn.: Svého času se diskutoval
Lambertův-Charlierův model hierarchické
struktury vesmíru, který
měl odstranit některé kosmologické paradoxy. Vesmír je podle
něj tvořen posloupností hierarchicky uspořádaných
kosmických soustav: hvězdy - galaxie - kupy galaxií - ...
atd., přičemž při přechodu k vyšší soustavě rychle
klesá průměrná hustota hmoty. Tyto struktury by však byly gravitačně nestabilní a brzy by se
rozpadaly. Nyní tyto koncepce ztratily aktuálnost a ani nejsou
v souladu s novými pozorovacími fakty potvrzujícími naopak
oprávněnost kosmologického principu.
Vesmír je téměř absolutní prázdnota !
Vzhledem k obrovské rozlehlosti mezihvězdného a
mezigalaktického prostoru současná průměrná hustota látky
v pozorovatelné části vesmíru činí jen asi 10-27kg/m3, což odpovídá
pouhým 3 protonům v 1m3. Je to téměř dokonalé vakuum, které v pozemských
laboratorních podmínkách ani neumíme dosáhnout!
Celý vesmír je pouze
obrovská prázdnota, "znečistěná" téměř
zanedbatelným množstvím hmoty. Toto poněkud paradoxně
znějící tvrzení se vztahuje nejen na rozsáhlá vesmírná
měřítka, ale v podstatě i na naši pozemskou přírodu.
Všechno kolem nás je tvořenou pouze nepatrným množstvím
skutečné - "pevné", koncentrované - hmoty.
Začíná to již u atomu, který není nějaká
pevná hmotná koule, ale skládá se z velmi hutného jádra o
velikosti jen 10-13cm a téměř prázdného elektronového obalu. Jádro,
nesoucí více než 99,9% hmotnosti atomu, je zhruba 100 000
menší než celý atom. Atom je tedy vlastně prázdný prostor,
"znečistěný" několika protony, neutrony a
elektrony. Z asi 99,98% je každý atom tvořen prázdnem,
vakuem. I naše tělo, které je postaveno z těchto atomů, je
převážně tvořeno prázdnotou: celá "skutečná"
hmota našeho těla by se teoreticky dala stlačit do kuličky o
průměru cca 1mm, zbytek by tvořila prázdnota.
V globálních měřítkách vesmíru je tato
"lokální" prázdnota umocněna velmi řídkým
rozmístěním kosmických těles a atomů mezihvězdných
plynů. Lze říct, že hmota ve vesmíru přestavuje jen
pranepatrné "skvrnky" v jinak naprosto prázdném a
"čistém" prostoru. Vedle rozsáhlých oblastí
prakticky absolutního vakua se však ve
vesmíru vyskytují naopak nepředstavitelně hustá
nakupení hmoty, vznikající v důsledku gravitace na
konci života velmi hmotných hvězd. Jsou to neutronové
hvězdy (rozebírané v §4.2, část "Výbuch
supernovy. Neutronová hvězda. Pulsary").
Při ještě větším gravitačním stlačení vznikají černé
díry, které jsou však již opět v podstatě "vakuovými
objekty" (jak bylo rozebíráno v §4.2, část "Úplný
gravitační kolaps. Černá díra.").
Skeptické
zamyšlení :
Nemožnost fyzického
cestování do vzdáleného vesmíru - k jiným galaxiím !
Gigantická rozlehlost vesmíru - obrovské
vzdálenosti k jiným galaxiím (i
k různým částem naší Galaxie) činí
možnost přímo (fyzicky) navštívit tato
místa krajně obtížnou, ne-li nemožnou. Jsou zde
dvě principiální překážky :
1. Pomalost vesmírných
dopravních prostředků
Naše kosmické rakety jsou "hlemýždi" dosahující
zatím rychlostí max. několik desítek kilometrů za sekundu.
Při těchto rychlostech by cesta k objektům ve vzdáleném
vesmíru trvala stovky milionů let. Nelze počítat s žádnými
hypotetickými sci-fi možnostmi jako je "warpový
pohon" či cestování "červími dírami"; nic
takového nefunguje. Jedinou budoucí principiálně
reálnou možností je termonukleární vodíková fúze
(část "Slučování atomových jader" v §1.3 knihy "Jaderná fyzika a
ionizující záření"; má energetickou účinnost cca
0,7% m.c2), kterou by bylo možno dosáhnout max. rychlosti asi
20-22 % rychlosti
světla. A to je optimistický odhad, za předpokladu 100%
bezstrátové účinnosti všech článků palivového a
raketového řetězce (nic takového v
dohledné době nebudeme schopni uskutečnit!). Vyšších rychlostí by hypoteticky bylo možno
dosáhnout pomocí antihmoty (viz
však kritické posouzení v části "Antičástice - antiatomy - antihmota -
antisvěty" §1.5
zníněné monografie)..?..
2. Eroze kosmické
sondy při pohybu mezihvězdným prostředím
I kdyby se nám podařilo dosáhnout rychlostí blízkých
rychlosti světla, narazili bychom na problém, který se obvykle
nereflektuje: Mezihvězdný a mezigalaktický
vesmírný prostor se nám sice jeví jako vysoké vakuum, ale není
zcela prázdný. I když je zde na 1m3 jen několik atomů
vodíku a hélia, při té vysoké rychlosti by každou sekundu sondu
zasahovalo mnoho milionů vysokoenergetických částic,
které by destruovaly atomy sondy a uvolňovaly by
vysokoenergetické záření, které by dále poškozovalo
vesmírnou loď a její elektronické systémy (a event. posádku v případě pilotované mise).
K ještě nebezpečnějšímu poškození by
docházelo při srážce s částečkami kosmického prachu.
Nevznikla by jen malá dírka kterou by bylo možno zacelit, ale
vznikla by vysokoenergetická exploze která by roztavila a
vypařila stěnu sondy, za doprovodu silné radiace. Rovněž
při průletu planetární soustavou s vyšší hustotou
meziplanetárního plynu by eroze mohla kosmickou sondu během
krátké doby spálit...
Závěr
: Žádný makroskopický
materiální předmět - žádná kosmická sonda - reálně není
schopna doletět do mezigalaktické vzdálenosti !
Neexistuje způsob jak vesmírným prostorem letět rychleji jak
asi 20-% rychlostí světla. A při dosažení této vysoké
rychlosti bude docházet k erozi materiálu
sondy neustálým narážením atomů vodíku a hélia v
mezihvězdném prostředí (jakož i k
těžším poškozením při srážkách se zrnky kosmického
prachu). Životnost sondy
bude jen řádově desítky až stovky let, což zdaleka
nestačí k dosažení mezigalaktických vzdáleností. Ani
hypotetické dosažení vyšších rychlostí by tu erozi
neodstranilo ani nesnížilo - čas letu by se sice zkrátil, ale
intenzita eroze by se zvýšila...
Každá
kosmická sonda, která by letěla rychlostí blízkou rychlosti
světla, by se vypařila v důsledku srážek s částicemi
kosmické hmoty, dříve než by stačila dosáhnout
galaktických vzdáleností...
Při zkoumání vzdáleného vesmíru tedy asi
budeme navždy odkázáni na pasivní detekci a
analýzu částic a záření různých druhů, emitovaných z
těchto vzdálených míst (elektromagnetické
záření, částice kosmického záření, neutrina,
gravitační vlny, ...). Díky neustále se zlepšujícím
technologiím přesné "pasivní" analýzy záření z
těch nejvzdálenějších a skrytých oblastí vesmíru, se
však o nich postupně dozvídáme téměř tolik, jako kdybychom
"tam fyzicky byli"...
Avšak i zde narážíme na "Zásadní omezení - nedostatek fotonů", jak je diskutováno v §5.1, pasáži "Elektromagnetické záření -
základní zdroj informací o vesmíru".
A o "osídlení" vzdáleného vesmíru
nemůže být ani řeči ! Podobně jako nikdy nebude
možná vzájemná fyzická návštěva
případných mimozemských civilizací nacházejících se ve
velkých galaktických vzdálenostech (viz
též diskusi "Hledání mimozemského života" v pojednání "Antropický
princip aneb kosmický Bůh");
biologická návštěva je samozřejmě naprosto vyloučena, ale
nebude možná ani robotická..!..
Kvantová teleportace ?
Jedinou, zatím však zcela sci-fi možností, jak bychom v
určitém smyslu mohli dosáhnout velkých mezihvězdných
vzdáleností, by snad mohla být (kvantová) teleportace
:
1. Rozložit naše tělo na atomy či
subatomární částice, s podrobným záznamem všech jejich
fyzikálních a chemických vazeb. 2. Poslat
tyto částice rychlostí blízké světlu, včetně informace o
struktuře, do jiné cílové části vesmíru. 3. V
cílovém místě složit tyto částice do
atomů, molekul, tkání a biologických struktur, podle
poslaného plánu.
Problémem
při tomto přímočarém přístupu je, jaká část poslaných
částic by skutečně doletěla do vzdáleného cílového
místa? - mnoho by jich asi zaniklo srážkami s kosmickým
zářením a s částicemi mezihvězdné hmoty. Proto by bylo
vhodnější neposílat skutečné částice, ale vyslat
jen kvantovou informaci o nich, pomocí laserového
kódovaného elektromagnetického záření; a v cílovém
místě složit organismus s použitím částic a atomů, které
se tam běžně nacházejí - informační
teleportace.
O nic
takového se ovšem v dohledné budoucnosti nebudeme schopni ani
náznakově pokusit ...
Naše
skromné místo ve vesmíru
V běžném životě lidí pozorujeme, že nedostatečná znalost
vede k nadutosti a pýše, dokonalejší vědění budí
skromnost a pokoru. Tak je to i ve vědě. Každý nově
objevený poznatek o vesmíru, prostoru a času nás odsunuje
z onoho privilegovaného místa v centru vesmíru,
které jsme si dříve osobovali. Nyní víme, že jsme jen
pranepatrné organismy žijící na maličkém zrnku prášku v
obrovsky rozlehlém kosmu. To by nás mělo vést ke skromnosti,
odvržení náboženských i jiných nepravdivých pověr, k zušlechťování
našich vztahů mezi sebou i k živé a neživé
přírodě..!..
Newtonovská kosmologie. Statický
vesmír.
V 18. a 19. století slavila klasická mechanika spolu s
Newtonovým gravitačním zákonem velké úspěchy při
vysvětlování všech mechanických a gravitačních jevů nejen
na Zemi, ale umožnila vysvětlit i strukturu a dynamiku našeho
vesmírného okolí - sluneční soustavy. Proto se nabízelo
pokusit se pochopit na stejném základě i strukturu vesmíru jako celku: Ve vesmírném
prostoru
jsou rozmístěny hvězdy, které na sebe působí
Newtonovskými gravitačními
silami. Tyto gravitační síly, podle zákonů mechaniky, pak
určují pohyby hvězd (popř.
v rovnováze jejich nehybnost).
Tehdy ještě nebyly známy galaxie (kromě
naší Mléčné dráhy), ani mezihvězdná hmota, či exoplanety
kolem hvězd...
Základním předpokladem, domněle
plynoucím z astronomických pozorování, přitom byla statičnost
vesmíru, podle něhož je vesmír zaplněn
"stálicemi" které jsou v klidu (dnes víme, že tento
předpoklad vůbec neodpovídá skutečnosti). Pokud by pak
vesmír byl konečnou hmotnou soustavou, měla by se vlivem
gravitace veškerá hmota shluknout do jednoho velkého
kompaktního tělesa. Avšak i koncepce vesmíru, která
představuje nekonečný Eukleidovský prostor v průměru
rovnoměrně a staticky zaplněný hvězdami
působícími na sebe podle Newtonova gravitačního zákona, se
setkala s nepřekonatelnými potížemi :
Fotometrický paradox noční "temné oblohy"
Nejznámější je
tzv. Olbersův fotometrický
paradox
zformulovaný v r.1826 - paradox "temné oblohy" -
"proč je v noci tma?". Pokud jsou v nekonečném
vesmíru rovnoměrně a staticky rozloženy hvězdy, obloha by ve
dne i v noci od obzoru k obzoru musela zářit oslnivě jasně
jako povrch Slunce *): v každém prostorovém zorném úhlu
totiž každý plošný element v průměru obsahuje počet
hvězd úměrný čtverci vzdálenosti od nás, přičemž
intenzita světla odtud je nepřímo úměrná rovněž čtverci
vzdálenosti. Ještě názorněji si to lze představit tak, že
pohled na oblohu v libovolném směru vždy ulpí na povrchu
některé hvězdy (podobně jako v rozlehlém borovém lese
vidíme v každém směru jen stromy). V každém směru by měla
svítit nějaká hvězda - hvězdy by měly pokrýt celou
pozorovanou "nebeskou klenbu". Nevidíme jednotlivé
vzdálené hvězdy, ale souhrn jejich světla by měl být vidět
jakou souvislá zář. Nebyl by den ani noc, ale stále jen
oslepující výheň!
*) Většina hvězd, asi 70%,
jsou červení trpaslíci, takže noční obloha by měla být
intenzívně žlutočervená..?..
K vysvětlení fotometrického paradoxu zde nepomůže
předpoklad absorbce světla mezihvězdnou látkou, protože ta
by se absorbovanou energií za konečný čas zahřála a
zářila by v termodynamické rovnováze se zářením z hvězd.
Vysvětlení
fotometrického paradoxu z hlediska dnešních poznatků
astrofyziky a kosmologie spočívá ve třech okolnostech :
1.
Fotometrický paradox
vzniká jen za předpokladu, že hvězdy svítí nekonečně
dlouhou dobu, jak se tehdy myslelo. Vezme-li se v úvahu, že
hvězdy ve skutečnosti svítí jen konečnou dobu
(~106-1010 let), fotometrický
paradox nevzniká ani v nekonečném homogenním vesmíru.
Vezmeme-li v úvahu skutečnou astromicky pozorovanou průměrnou
hustotu hvězd ve vesmíru, hvězdy nemají dost energie
na to, aby vyplnily celý vesmírný prostor světlem a tmavou
oblohu přeměnily na zářící.
2.
I stáří vesmíru
je konečné. Největší vzdálenost, ze které k nám
může dorazit světlo, je cca 13,8 miliard světelných let.
Cokoli za touto vzdáleností je příliš daleko. Ve vesmíru
ještě nebylo dost času na to, aby se k nám světlo z těchto
vzdálených objektů dostalo. Takže obloha je temná i proto,
že světlo z nejvzdálenějších hvězd k Zemi dosud
nedorazilo...
3.
Žijeme v rozpínajícím
se vesmíru. Takže vzhledem k velmi vzdáleným
objektům (hvězdám, galaxiím, ranému horkému vesmíru) se
vzdalujeme vysokou rychlostí (nebo ony se
rychle vzdalují od nás). V důsledku toho
každé světlo, které vzdálené objekty emitují, vykazuje
rudý spektrální posuv - snižování frekvence.
Viditelné světlo se stává infračerveným, to později
radiovlnami. Toto záření naším zrakem nevidíme. Avšak
citlivé detekční přístroje instalované na satelitech
dokážou toto záření detekovat, měřit spekra jeho
frekvencí a úhlovou distribuci na obloze (viz
§5.4. pasáž "Mikrovlnné reliktní záření - unikátní
posel zpráv o raném vesmíru"), ukazující i drobné nehomogenity, z nichž se
později vyvinuly velkorozměrové struktury vesmíru. Na těchto
snímcích (které jsou ukázkou
mistrovské detekční techniky!) můžeme
vidět, jak je naše obloha ze všech směrů
"osvětlená" slabým kosmickým mikrovlnným
zářením. Toto záření bylo původně emitováno
jako viditelné světlo žhavým plynem o teplotě kolem 3000 oK
na počátku éry látky, avšak přichází z tak velké
vzdálenosti v rozpínajícím se vesmíru, že jeho frekvence se
snížila asi 1100-krát až do mikrovlnné radiové oblasti.
Takže obecně vzato, naše noční obloha není
úplně tmavá, ale je permanentně ozařována slabým
mikrovlnným zářením, korpuskulárním kosmickým zářením ("Kosmické záření"), zářením hvězd, a
přechodně též slunečním zářením odraženým od Měsíce
a od planet (především Venuše, Marsu,
Jupiteru, Saturnu).
Gravitační paradox; kosmologické slábnutí gravitace?
Dále se zde projevuje gravitační paradox spočívající v tom, že v
modelu vesmíru jako nekonečného eukleidovského prostoru
rovnoměrně zaplněného hmotou (hvězdami) by se gravitační
potenciál stal nekonečně velký. Homogenně do nekonečna
rozložená hmota by v důsledku symetrie měla být v
rovnováze, protože na libovolný hmotný element působí
gravitační síly ze všech stran stejně a jejich účinek se
vyruší. Pro skutečně nekonečný případ však tyto síly z
každého směru jsou nekonečně velké; celková
síla, intenzita pole a potenciál při integraci divergují.
Má-li být hmota ve statické rovnováze, musí být intenzita
gravitačního pole E všude nulová, takže podle
Newtonova gravitačního zákona vyjádřeného ve tvaru
div E = - 4p G r , neboli Dj = 4p G r ,
musí být všude nulová rovněž hustota hmoty r. V rámci Newtonova zákona by tedy statickým "vesmírem" mohl být pouze prázdný prostor. Seeliger se pokusil modifikovat Newtonův gravitační zákon tím, že do Poissonovy rovnice přidal další "kosmologický" člen -L.j, způsobující "slábnutí" gravitace ve velkých vzdálenostech :
| Dj - L.j = 4p G r . | (5.1) |
Tato rovnice má jako řešení potenciál (1.19) (jež se dnes označuje jako Yukawova typu), který ubývá do nekonečna natolik rychle, že výrazy pro potenciál a intenzitu gravitačního pole buzeného homogenně rozloženou hmotou konvergují. Uvedené rovnici vyhovuje konstantní potenciál, který dává nulovou intenzitu gravitačního pole. Aby tato modifikace Newtonova zákona neovlivnila souhlas s experimentem který existuje v rámci sluneční soustavy, musí být "kosmologická konstanta" L dostatečně malá (L < ~10-45 m-2). Ve světle později zjištěných skutečností lze říci, že Seeligerův pokus o odstranění gravitačního paradoxu nebyl úspěšný. Místo modifikace Newtonova zákona se spíše mělo modifikovat to druhé východisko Newtonovské kosmologie - vzdát se předpokladu o statičnosti vesmíru; něco takového ovšem tehdy mohlo sotva někoho napadnout. Do 20.let se totiž myslelo, že vesmír je neměnný a věčný, sestávající z jedné galaxie, Mléčné dráhy, obklopené nekonečným prázdným a temným prostorem.
Relativistická kosmologie
Jelikož interakce kosmických objektů nacházejících se ve
velkých vzdálenostech od sebe probíhá především
prostřednictvím gravitace, nepřekvapuje, že k řešení
základních kosmologických problemů pomáhají vyzkumy pravě
v oblasti gravitace. Vytvoření Einsteinovy obecné teorie
relativity - moderní fyziky gravitace - vytyčilo zcela nové
obzory i v kosmologii, pro kterou položilo pevný vědecký
základ. Všechna kosmická tělesa rozmístěná ve vesmíru budí gravitační pole - zakřivují
prostoročas
podle Einsteinových rovnic OTR a tento zakřivený prostoročas
podle metrického tenzoru gik zpětně určuje
pohyby hmoty ve
vesmíru (je podrobněji diskutováno
níže v pasáži "Relativistický
kosmologický model").
A.Einstein si toho byl dobře vědom, a
tak hned v r.1917 se pokusil aplikovat své gravitační rovnice
na vesmír jako celek a vytvořit tak první
relativistický model vesmíru. Vyšel přitom z předpokladu
homogenity a izotropie rozložení hmoty ve vesmíru. Navíc se
domníval, ve shodě s pevným přesvědčením fyziky a
filosofie té doby, že vesmír je statický. Při použití na statickou
kosmologii se však původní Einsteinovy rovnice (2.50)
chovaly podobně nevýhodně jako starší Poissonova rovnice -
jediným homogenním statickým řešením je zde Minkowského
prostoročas odpovídající prázdnému plochému prostoru *).
*) Dnes víme, že hlavní
zdroj obtíží jak Newtonovského, tak původního Einsteinova
kosmologického modelu, je společný: je to předpoklad statičnosti
(časové neproměnnosti) vesmíru. Tento předpoklad se však do
20.let všem přírodovědcům včetně Einsteina zdál být
naprosto přirozený a o jeho oprávněnosti se nijak
nepochybovalo.
Stojí
za zmínku, že mnohé základní poznatky relativistické
kosmologie ohledně dynamiky expanze vesmíru, kritické hustoty
a pod., lze získat i v rámci Newtonovské kosmologie, pokud
homogenní a izotropní rozložení hmoty ve vesmíru
nepovažujeme za statické, ale za expandující (jakýsi
"svislý vrh vzhůru" z každého bodu podle Hubbleova
zákona, daný v počátečních podmínkách). Tyto souvislosti
se však vyjasnily dodatečně až mnohem později, když již byly známy výsledky
relativistické teorie.
Statický Einsteinův vesmír
Protože tedy Einstein žádné řešení slučitelné se
statickým sférickým vesmírem nenašel, rozhodl se modifikovat
své původní gravitační rovnice Rik- (1/2) R gik = 8p Tik zavedením tzv. kosmologického členu L.gik, který by mohl "stabilizovat" vesmír. Tento
kosmologický člen,
jenž zde hraje podobnou úlohu jako člen L.j v rovnici (5.1) Newtonovy-Seeligerovy
kosmologie, ze zde však nemusí zavádět "zvenčí"
(ad hoc), ale vzniká již při odvození Einsteinových rovnic
gravitačního pole - viz §2.5. Na základě takto doplněných
gravitačních rovnic Rik- (1/2) R.gik - L.gik = 8p Tik vznikl Einsteinův
kosmologický model statického vesmíru, podrobněji
rozebraný v §5.2 "Einsteinův a
deSitterův vesmír. Kosmologická konstanta.". I
když tento model se neukázal jako realistický, používá se
často pro srovnávání parametrů novějších kosmologických
modelů (viz např. §5.3, pasáž "Relativní W-parametrizace
kosmologických modelů").
Později, když z Hubbleových
pozorování vyplynulo, že theze o statickém vesmíru je chybná, označil
Einstein kosmologickou konstantu za "největší
chybu svého života" **), která mu zabránila teoreticky
předpovědět kosmologický rudý posuv způsobený expanzí
vesmíru.
**) Mnohem později však
někteří odborníci uvítali kosmologický člen a použili jej
v teoriích pokoušejících
se vysvětlit některé problémy původní standardní
kosmologie. V §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie.
Inflační vesmír." bude ukázáno,
jakou roli může hrát
kosmologický člen v tzv. inflační expanzi velmi raného vesmíru. A v §5.6
"Budoucnost vesmíru. Šipka času.
Skrytá hmota.", část "Akcelerovaná expanze vesmíru?
Temná energie?" uvidíme, že
kosmologická konstanta může vysvětlovat akcelerovanou
expanzi vesmíru v jeho pozdní evoluci.
Dynamický rozpínající se
vesmír
V letech 1924-29 astronom Edvin
Hubble při
systematickém pozorování extragalaktických
"mlhovin" dalekohledem na Mount Wilson (průměr zrcadla 2,5 metru) zjistil, že jsou to ve skutečnosti cizí galaxie, mnohem vzdálenější
než jakýkoli objekt v naší Mléčné dráze. Jejich vzdálenost určoval
pomocí cefeid v nich obsažených (§4.1, pasáž "Proměnné
hvězdy") :
Hubble zároveň zjistil, že spektra
záření vzdálených galaxií jeví systematický posun směrem
k červené oblasti, přičemž velikost z tohoto rudého
posuvu nezávisí na směru v němž galaxie leží, ale je
přibližně úměrná vzdálenosti l
dané galaxie :
| z =def. Dl / l = H . l , | (5.2) |
kde l je vlnová délka světla a koeficient
úměrnosti H mezi rychlostí
vzdalování galaxie a její vzdáleností se nyní nazývá Hubblův
parametr či Hubbleova rychlost (používá se pro ni též název Hubbleova
konstanta *), který ale může být poněkud
zavádějící).Těmito svými rozsáhlými
astronomickými pozorováními E.Hubble objevil fenomen rozpínání vesmíru.
*) Je to konstanta jen tom smyslu, že
nezávisí na vzdálenosti l. V souvislosti s globální
evolucí vesmíru však její hodnota H(t) závisí na
čase t.
Určit přesnou aktuální hodnotu Hubbleova koeficientu H(t)
není nijak snadné. V našem blízkém okolí se kosmologická
expanze projevuje málo a výsledky měření jsou zkreslovány
lokálními pohyby galaxií. Při měření ve vzdáleném
vesmíru se zase díváme do minulosti a může být obtížné
spolehlivě extrapolovat současnou hodnotu H(t), pokud dopředu
neznáme dynamiku expanze vesmíru.
Pozn.: Rozpínáním
vesmíru se ve stejné době též zabýval G. Lemaitre,
který m.j. vyslovil hypotézu "prvotního atomu"
na počátku vesmíru, jehož rozštěpením se uvolnila a
začala rozpínat veškerá hmota vesmíru.
Za Hubbleovu
konstantu H0 je adekvátní brát hodnotu
Hubbleova parametru H(t) v nynějším čase evoluce vesmíru
t~14×109 let, neboli při rudém posuvu
z=0. Na základě měření většího počtu galaxií vychází
nynější hodnota Hubbleovy konstanty
H0 ~ 70 km/s/Mpc (megaparsek 1Mpc = 3,26 milonu
světelných let).
Měření Hubbleovy
konstanty a některé rozdíly v hodnotách jsou diskutovány v
§5.4, pasáži "Jak
rychle se vesmír rozpíná? - přesné měření Hubbleovy
konstanty".
Hubbleova
pozorování kromě toho ukazovala na přibližně homogenní a
izotropní průměrné rozložení hmoty ve viditelné části
vesmíru s hustotou zhruba 10-31-10-29 g/cm3. Hubbleův rudý posuv, který
je stejný pro všechny spektrální čáry a vlnové délky, je
nejpřirozenější interpretovat jako Dopplerův
efekt *)
způsobovaný rychlým vzdalováním dalekých galaxií od nás. Galaxie se od sebe vzdalují tím rychleji, čím jsou
od sebe dál. Převrácená hodnota Hubbleovy konstanty 1/H0 představuje tzv. Hubbleův
čas - stáří vesmíru odvozené z momentální
rychlosti expanze, bez započtení vlivu gravitace na dynamiku
expanze; činí cca 14 miliard let.
*) Dopplerův jev je
kinematický efekt vznikající při vzájemném pohybu zdroje
vlnění a pozorovatele (detektoru vlnění). Platí obecně pro
všechny druhy vlnění. Pohybuje-li se zdroj vlnění určité
konstantní frekvence fo směrem k pozorovateli (přijímači), registruje tento
pozorovatel vyšší frekvenci f, než jakou zdroj ve
skutečnosti vydává. Naopak při vzdalování zdroje od
pozorovatele je registrována frekvence nižší než skutečná.
Relativní rozdíl skutečné fo a pozorované f frekvence (Dopplerovský
frekvenční posun) roste úměrně s rychlostí pohybu V
zdroje vůči pozorovateli: f = [1 + (V/v)].fo, kde v je
rychlost šíření daného vlnění; Df/fo = (f-fo)/f = V/v. Analogicky platí i pro vlnovou délku l=v/f. Změřením rozdílu
frekvencí či vlnových délek primárního
vysílaného vlnění a přijímaného vlnění tak můžeme
stanovit vzájemnou rychlost pohybu zdroje a
pozorovatele. Pro elektromagnetické vlnění je samozřejmě
v=c.
Pozn.: Tato
zákonitost platí i tehdy, když zdrojem přijímaného vlnění
je odraz vlnění od určitého pohybujícího
se objektu (včetně proudícího plynu nebo kapaliny).
Využívá se v radarové technice a v utrazvukové sonografii.
Globální vzdalování <-versus->
pekuliární pohyby galaxií
Z globálního hlediska vykonávají galaxie především rozbíhavý
kosmologický pohyb. Jednotlivé galaxie jsou však zároveň
ovlivňovány i gravitačním působením dalších, okolních
galaxií. To může způsobovat lokální odchylky v
jejich pohybu - tzv. pekuliární pohyby (lat. peculiaris = zvláštní, osobitý,
podivný). Vesmír se sice celkově
rozpíná, z místního hlediska však ne zcela rovnoměrně,
některé galaxie se mohou pohybovat rychleji či pomaleji, v
závislosti na jejich hmotnostech a vzdálenostech od jiných
blízkých galaxií. Místní gravitační přitažlivost může
někdy dokonce překonat globální
kosmologickou expanzi a některé galaxie se mohou pohybovat
směrem k sobě.
Příkladem je naše galaxie Mléčná dráha
a sousední galaxie v Andromedě, vzdálené asi 2,5
milonů světelných let, které se k sobě přibližují
rychlostí kolem 110 km/s. Za asi 4 miliardy let se "srazí",
či lépe řečeno "proniknou" a z obou
galaxií vznikne jedna velká eliptická či nepravidelná
galaxie. Takových skupin galaxií, které jsou vázány vlastní
gravitací, se vesmírem pohybuje mnoho. O
"srážkách" galaxií je diskutováno v §5.5,
pasáži "Gravitační interakce a srážky
galaxií" a "Kupy
galaxií".
Stáří a velikost vesmíru
Stáří vesmíru
Filosofům a přírodovědcům se po mnoho staletí jevil vesmír
jako stálý a neměnný, stáří vesmíru
považovali za nekonečné (pomineme-li
některé iluzórní hodnoty cca tisíce let, odvozené z nepodložených
náboženských legend o božském "stvoření
světa", které ostatně byly v dávných dobách
vymyšlené z antropocentrických východisek, bez
vztahu k vesmíru - o jehož stavbě lidé tehdy neměli ani
tušení). Toto nazírání se dramaticky
změnilo po výše zmíněném Hubbleově objevu rozpínání
vesmíru. Promítneme-li si pozorované vzdalování
všech galaxií od sebe do minulosti, proti
proudu času, nutně dojdeme k okamžiku, kdy všechny tyto
galaxie musely být těsně u sebe (obrazně
"v jednom bodě") --> vesmír nemůže
být nekonečně starý, věk vesmíru je konečný.
Událost, kdy se vesmír "odpíchl" od vysoce
nahuštěného stavu a započal svou expanzní evoluci, se nyní
nazývá "velký třesk" - je podrobně diskutováno v §5.4 "Standardní
kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury
vesmíru.".
Celkový věk vesmíru, doba
uplynulá od jeho vzniku - stáří vesmíru -
se stanovuje či odhaduje v podstatě dvěma přístupy :
1. Analýza
dynamiky expanze vesmíru
v zásadě umožňuje retrospektivně stanovit čas "t=0",
od něhož začala evoluce vesmíru. Základním způsobem je zde
použití převrácené hodnoty Hubbleovy konstanty: 1/H
představuje tzv. Hubbleův čas - stáří
vesmíru odvozené z momentální rychlosti expanze, bez
započtení vlivu gravitace na dynamiku expanze; činí cca 14
miliard let (což kupodivu docela dobře
souhlasí i se složitějšími metodami).
.............V rámci standardního kosmologického modelu
přesné stanovení stáří vesmíru spočívá v problému
určení hodnot kosmologických parametrů (§5.3, pasáž "Relativní Omega-parametrizace kosmologických
modelů") - to umožňuje v rámci tohoto modelu myšleně
"spustit kosmologické hodiny zpět v čase" až k
okamžiku t=0 (t0). Tuto extrapolaci lze přesně provést na základě Fridmanovy
rovnice (5.23). Názorně to lze vyjádářit pomocí
výše uvedeného Hubbleova času 1/H :
t0 = (1/H) . F(Omega) ,
vynásobeného korekčním faktorem F(Omega),
který je funkcí kosmologických parametrů "Omega"
závislých na konkrétní hustotě a složení hmoty ve
vesmíru. K přesnému určování stáří vesmíru (koeficientu
F) se nyní využívá měření reliktního
mikrovlnného záření (§5.4,
pasáž "Mikrovlnné reliktní záření -
posel zpráv o raném vesmíru"). Drobné fluktuace v kosmickém mikrovlnném pozadí
umožňují doladit hodnoty kosmologických parametrů "Omega".
Původní rozmezí 13-15 miliard let bylo tak podle nových
měření upřesněno na 13,8 miliardy let.
2. Stáří
objektů ve vesmíru
Vesmír musí být nejméně tak starý, jako nejstarší
objekty které se v něm nacházejí... Pokud dovedeme
určit či odhadnout stáří takových objektů, nastavuje nám
to limit pro minimální věk vesmíru. Pro
stanovení skutečného věku vesmíru pak k této hodnotě
musíme připočítat čas vzniku tohoto
analyzovaného objektu od velkém třesku, pokud jsme schopni ho
spolehlivě odhadnout. Pro tuto analýzu je důležité hledání
nejstarších hvězd. Ty se vyskytují
především v kulových hvězdokupách, kde vznikly
přibližně ve stejnou dobu záhy po počátku vesmíru (mohou
proto sloužit jako "kosmické hodiny").
Nejstarší kulové hvězdokupy obsahují aktivní hvězdy pouze
o hmotnosti menší než 0,7 hmotnosti Slunce (ty hmotnější již dávno vyhořely), jejichž věk se odhaduje na 11-18 miliard let
(značná nejistota v tomto odhadu je dána nepřesností
vzdáleností hvězdokup a neznalostí některých detailů
dynamiky hvězdné evoluce). ..
Další alternativní metoda se obrací k chemickému
vývoji vesmíru - nukleosyntéze. Používá radioaktivní
datování pomocí radionuklidů s extrémně dlouhými
poločasy rozpadu (z obecného hlediska
jaderné fyziky je princip této metody rozebírán v §1.4
"Radionuklidy", část "Radioisotopové (radiometrické)
datování" monografie
"Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Pro datování nerostů
na Zemi a v meteoritech se používá nejšastěji isotop
rubidium Rb-87, který se s poločasem 47 miliard let
přeměňuje na stroncium Sr-87, jehož zastoupení se srovnává
se Sr-86. Pro meteority takto vychází stáří 4,56 miliardy
let, což je považováno za věk sluneční soustavy. Pro
mezihvězdný plyn a staré hvězdy se použil isotopový pár
Re-187, které se s poločasem 40 miliard let přrměňuje na
Os-187, dále dvojice U-235 a U-236, nebo poměr Uran-238 ku
Thorium-232.
Velikost vesmíru
Stanovit "velikost vesmíru" je
rovněž obtížný a diskutabilní úkol. Oblast astronomicky
pozorovatelná od nás ze Země - pozorovatelný vesmír
- se zdokonalováním pozorovací techniky neustále zvětšuje.
Nejvzdálenější objekty jsou pozorovány ve vzdálenosti
téměř 13 milard světelných let. Analýzou rudého posuvu
reliktního záření a rychlosti expanze se odhaduje, že se zahrnutím
kosmologické expanze vesmíru je pozorovatelný vesmír
koule o poloměru cca 45 miliard světelných let. Tato expanze
umožnila, že můžeme pozorovat světlo z galaxie vzdálené
nyní i těch 40 miliard světelných let (s
patřičně velkým červeným spektrálním posuvem), přičemž toto světlo k nám cestovalo jen cca 13
miliard let. Při zahrnutí dynamiky expanze vesmíru (hypotéza akcelerované expanze - §5.6, část "Akcelerovaná expanze vesmíru?
Temná energie?") by průměr vesmíru však mohl činit i cca 100
miliard světelných let! To by byla velikost prostoru, kam
dospěla hmota při expanzi od počátku vesmíru; pokud je
vesmír otevřený, nemá žádnou hranici...
Tato hodnota vzdálenosti odpovídá horizontu
událostí - rozhraní za které již principiálně
nedohlédneme. Pokud by se některý objekt nacházel ve větší
vzdálenosti, než jakou mohlo světlo překonat za dobu
existence vesmíru, pak k nám takové světlo ještě nedorazilo
- a vzhledem k expanzi vesmíru ani nedorazí! Takto extrémně
vzdálené objekty leží navždy mimo náš
pozorovatelný vesmír.
A navíc, pokud by platily vývody inflační
kosmologie vedoucí k multiversu - existenci
více vesmírů (§5.5, část
"Chaotická inflace", pasáž "Vznik
více vesmírů"), byla by otázka "velikosti celého vesmíru"
neřešitelná a irelevantní..!..
Odhaduje se, že v námi pozorovatelném
vesmíru je zhruba 1021-1023 hvězd, ve více než 1012 galaxiích.
Kosmologická
expanze prostoru
Kinematické vysvětlení kosmologického spektrálního posuvu
pomocí Dopplerova jevu rychle se vzdalujících galaxií je
adekvátní z lokálního pohledu klasické fyziky či
speciální teorie relativity. Hubbleova zákonitost, že čím
jsou galaxie vzdálenější, tím rychleji se od nás (i od sebe
navzájem) vzdalují, napovídá, že se nejedná o pohyb
galaxií vesmírem v klasickém (mechanickém) smyslu. Vypadá to
spíše tak, že jsou unášeny stále se roztahujícím
geometrickým "tkanivem" samotného prostoru.
Z hlediska
globálně zakřiveného prostoročasu, kterým je vesmír podle
obecné teorie relativity, se tedy jako adekvátnější
vysvětlení jeví expanze prostoru jako
takového, která unáší vzdálené galaxie do
ještě větší dálky, přičemž tyto galaxie samotné se
vůči tomuto prostoru nepohybují (vlastní
pohyby galaxií se dějí rychlostmi z relativistického hlediska
malými a jsou zde nepodstatné - v důsledku Dopplerova jevu
způsobují jen velmi malý dodatečný - kladný nebo
záporný - spektrální posuv ke kosmologickému rudému
posuvu). Obě tato vysvětlení jsou ekvivalentní jen při
pozorování ne příliš vzdálených galaxií.
Nadsvětelná rychlost
expanze vesmíu ?
.Podle současné relativistické kosmologie se na počátku
evoluce vesmíru odehrálo kratičké období tzv. inflační
expanze vesmíu (§5.5 "Mikrofyzika
a kosmologie. Inflační vesmír."), kdy se zárodečný vesmír překotně
(exponenciálně) nafukoval. Expandoval podstatně rychleji než
rychlostí světla. Zdánlivě by to bylo ve sporu se
speciální teorií relativity, avšak zde tomu tak není:
nic se nepohybovalo nadsvětelnou rychlostí prostorem -
to prostor sám se velmi rychle rozšiřoval a unášel
s sebou fyzikální pole. Co ho k této prudké spontánní
expanzi pohánělo není úplně známo, předpokládá se že to
byla tzv. temná energie (§5.6 "Budoucnost
vesmíru. Šipka času. Temná hmota. Temná energie."),
díky níž je pak i v pozdní fázi pozorována (pozvolná) tzv.
akcelerovaná expanze vesmíru.
Alternativní vysvětlení
rudého posuvu; stárnutí světla ?
Objevila se i některá alternativní
vysvětlení rudého posuvu, snažící se nalézt jiný mechanismus
ztráty energie světelných kvant ze vzdálených vesmírných
objektů. Nejjednodušším vysvětlením by byla ztráta energie
interakcí fotonů s
mezigalaktickou hmotou. Takovéto srážky fotonů s jinými
částicemi by však vedly zároveň ke změně jejich hybností,
tj. k jejich rozptylu a tím k rozmazání
obrazu zdroje, což se nepozoruje - obrazy i těch
nejvzdálenějších objektů jsou ostré. Nejrozšířenější
byla hypothéza "stárnutí" nebo "únavy" fotonů ze vzdálených galaxií během jejich
dlouhé cesty vesmírem - foton by mohl spontánně emitovat
nějaké částice, odnášející část jeho energie (např.
dvojici neutrino-antineutrino). Žádný takový proces však
nebyl laboratorně nikdy pozorován, a kromě toho
pravděpodobnost samovolného rozpadu fotonu by musela být
závislá na energii (nepřímo úměrná energii fotonu), takže
rudý posuv by v různých částech spektra byl různý. Nic
takového se však nepozoruje, rudý posuv je pro všechny
vlnové délky stejný (přesná měření ukázala, že rudý
posuv radiovln l=21cm u vzdálených galaxií je
stejný jako posuv v optickém oboru). Emise částic
fotony by navíc vedla ke změně jejich hybností a tím i
směru pohybu fotonů, což by způsobovalo neostrost obrazů vzdálených zdrojů,
podobně jako v případě absorbce mezigalaktickou látkou.
Rovněž domněnka, že rudý posuv má lokálně gravitační
původ, při detailnějším rozboru
neobstojí - světlo by muselo být vyzařováno z oblastí
blízko horizontu kompaktního útvaru, který by při tak velké
hmotnosti (jakou má galaxie) zcela jistě brzy zkolaboval. Všechna tato alternativní vysvětlení se ukázala být hypothézami ad
hoc, vysvětlujícími jen některé aspekty jevu; neodpovídají
současným poznatkům a nyní jsou již opuštěné. Jedině mechanismus Dopplerova
jevu, či globální expanze prostoru, věrohodně vysvětluje
všechny základní vlastnosti jevu - stejnou poměrnou hodnotu
posuvu pro světlo všech barev a elektromagnetické vlnění
všech frekvencí a nepřítomnost rozostření pozorovaných
vzdálených objektů ani rozmazání jejich spektrálních čar.
Podle kosmologického principu homogenity a
izotropie, tj. rovnoprávnosti všech pozorovatelů, musí každý
pozorovatel kdekoliv se nacházející vidět, že daleké
galaxie se od něho rozbíhají - jinými slovy, vesmír jako celek se rozpíná *). Hubbleův objev tak ukázal, že
není třeba hledat pouze statická řešení pro rozložení
hmoty a polí ve vesmíru; naopak, dynamická
řešení
budou lépe vystihovat skutečnost. Tyto poznatky se ukázaly
být v plném souhlasu s dříve (v r.1922) nalezeným
Fridmanovým řešením Einsteinových rovnic, podle něhož
řešením gravitačních rovnic i bez kosmologického členu je rovněž
trojrozměrný homogenní a izotropní prostor, který však
není statický, ale jeho poloměr křivosti se mění s časem.
*) Žádné konkrétní místo není středem rozpínání
vesmíru, resp. každé místo je tímto středem rozpínání. V
kosmologických měřítcích se všechno od všeho rozbíhá...
Z lokálního a
kinematického hlediska si rudý posuv můžeme představovat
jako Dopplerův jev. Z globálního hlediska relativistické
kosmologie se ukazuje alternativní, ale v podstatě
ekvivalentní vysvětlení: kosmologický červený posuv
můžeme připsat "roztažení" prostoru za dobu,
během níž se světlo ze svého zdroje skrze tento prostor
šíří. Vlnová délka světla při jeho pohybu vesmírem se
zvětšuje postupně - v různých časech různě rychle podle
toho, jak rychle se zrovna prostor rozpínal. Velikost
zčervenání, tj. roztažení vlnových délek, je úměrná
tomu, o kolik se vesmír rozepnul za dobu, během níž k nám
světlo putovalo. Výsledný červený posuv z
tedy závisí na vzdálenosti pozorovaného objektu a na dynamice
(historii) rozpínání prostoru. Měření spektrálního posuvu
u galaxií a kvasarů ležících v různých vzdálenostech tak
v principu poskytuje informaci o časové dynamice rozpínání
prostoru - informaci o historii
rozpínání vesmíru; objektivní a
přesné stanovení těchto velkých vzdáleností je však
obtížným astronomickým problémem.
Nejvzdálenější dosud
pozorované galaxie a kvasary dosahují hodnot rudého posuvu
kolem 5. Největší možný rudý posuv můžeme pozorovat u
reliktního záření: zrelikt » 1100 - tato
hodnota plyne z podílu teplot konce éry záření 3000° (kdy
se záření oddělilo od látky) a nynější teploty
reliktního záření 2,7°: 3000/2,7 » 1100; těmto teplotám
jsou nepřímo úměrné střední vlnové délky příslušného
záření.
Energie a zákon
zachování energie v expandujícím vesmíru
V klasické fyzice a v běžném životě je energie
kardinální veličinou, kterou dovedeme měřit, transformovat
ji mezi různými druhy, využívat ji, ale nemůžeme ji
vytvořit nebo zničit - platí zákon zachování energie.
Energie nevzniká ani nezaniká, jen se přerozděluje.
Globální energie celého vesmíru je
složitá a diskutabilní otázka. K čemu by se dala vztáhnout?
Převládající názor je, že množství energie ve vesmíru je
konstantní a pochází ze záhadného procesu vzniku
vesmíru - z velkého třesku. V §5.4 "Standardní kosmologický
model. Velký třesk. Formování struktury vesmíru." a 5.5 ("Mikrofyzika a kosmologie.
Inflační vesmír.")
uvidíme, že v úplně prvních okamžicích vzniku vesmíru
snad probíhaly procesy, při nichž se o zákonu zachování
energie nedalo mluvit. Energie je totiž veličina která
neexistuje sama o sobě, ale je vždy relativní
vzhledem k jiným objektům, částicím, systémům. A v těchto
prvních etapách "chaosu" žádné takové objekty
ještě nebyly. Teprve po skončení inflační fáze a nástupu
hadronové éry pravděpodobně začíná být použitelný
(lokální) zákon zachování energie.
I když je vesmír pravděpodobně nekonečný,
neznamená to že má nekonečnou energii. Energie není ve
vesmíru rovnoměrně rozložena, jsou oblasti kde je jí více
či méně. I když se celkové množství energie ve vesmíru
nemění, v průběhu expanze se její hustota snižuje. A
nakonec bude tak nízká, že bude všude téměř nulová a
vesmír dosáhne stavu maximální entropie. Tehdy se už dál nic
nebudde dít, nebudou vznikat žádné hvězdy a
planety, žádný život -> "tepelná smrt" vesmíru
(§5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka
času. Skrytá hmota. Temná energie.").
Jak se vesmír rozpíná, světlo (a obecně elektromagnetické záření) které jím prochází se též roztahuje - rudý
spektrální posuv. To znamená že ztrácí energii, protože
delší vlnové délky mají nižší energii. Při červeném
posuvu spektra elektromagnetického záření během jeho
putování expandujícím prostorem se tedy v důsledku
zvětšování vlnové délky snižuje jeho energie.
Vzniká otázka, kam se "poděla" tato část ztracené
energie? Je navždy ztracená? - uniká z vesmíru energie?
Není to rozpor se zákonem zachování energie? Takovýto rozpor
by vznikl z hlediska klasické fyziky nebo STR. V obecné teorii
relativity je však koncepce energie složitější (viz §2.8 "Specifické vlastnosti
gravitační energie"). V lokálně inerciálních vztažných soustavách
zákon zachování (negravitační) energie nadále platí.
Avšak v zakřiveném prostoročase se to, co nazýváme
energií, obecně samo o sobě nemusí zachovávat.
A tak je tomu i v "časově zakřiveném"
prostoročase, v němž dochází k expanzi prostoru. Zde se
kombinuje "geometrický" (gravitační),
elektromagnetický i kinematický příspěvek k veličině,
kterou jsme v klasické fyzice zvyklí používat jako
"energii".
Vše prostupujícím médiem ve vesmíru je
gravitační pole. Jak vesmír expanduje, mění se i gravitace.
Energie, které světlo ztrácí při své cestě rozpínajícím
se prostorem, je vyvážena energií, kterou gravitace získává
když se vesmír rozpíná. Celková energie systému zůstává stejná,
jen její rozložení a forma se mění.
Horký raný vesmír,
"velký třesk", reliktní záření
Z vlastností Friedmanova řešení vyšel G.Gamov, který v
letech 1946-1956 vyslovil a rozpracoval hypothézu "horkého vesmíru", podle níž
teplota ve vesmíru v raných stádiích po "velkém třesku" (big
bang - singulární počátek vesmíru odpovídající času t=0
ve Fridmanově modelu - viz §3.3) dosahovala miliard stupňů a
během tohoto horkého stádia se pomocí jaderných reakcí
synthézy vytvořily všechny chemické prvky od vodíku až po
uran; dnes víme, že nukleosynthéza probíhala složitěji -
viz §5.4, část "Primordiální nukleosyntéza" a
§4.1, část "Termonukleární reakce ve hvězdách".
Horký raný vesmír byl zaplněn
vysokoenergetickými kvanty, avšak v důsledku expanze vesmíru
se energie každého fotonu neustále snižovala; nyní by spektrální
rozdělení energie těchto "reliktních" fotonů
(pozůstalých po horké rané fázi) mělo odpovídat záření
absolutně černého tělesa zahřátého na teplotu několika
°K, což odpovídá radiovlnám centimetrového pásma. Této
hypothéze nebyla zpočátku věnována větší
pozornost až do r.1965, kdy A.Penzias a R.Wilson při analýze
šumu radioteleskopické přijímací antény objevili kosmické radiační pozadí - slabé mikrovlné
elektromagnetické záření, které přichází izotropně ze
všech směrů oblohy, je nepolarizované, časově konstantní
(nezávislé na roční době). Další měření ukázala, že
jeho spektrum odpovídá záření absolutně černého tělesa o
teplotě asi 2,7°K. Jedná se o reliktní
záření,
"zchladlý" pozůstatek z éry záření po velkém
třesku, "tepelný dosvit" velkého třesku. Byla tím
potvrzena koncepce expandujícího vesmíru s velmi horkým
raným obdobím. Relativistická kosmologie tak nezvratně
ukázala, že vesmír je dynamickým
objektem, vyvíjejícím
se nejen ve svých částech (evoluce hvězd a galaxií), ale
rovněž jako celek.
Teorie ustáleného stavu
vesmíru
Představa expandujícího a obecně vyvíjejícího se vesmíru
se zpočátku setkávala s nedůvěrou a odporem astronomů. Jako
alternativní teorii k expandujícímu vesmíru a Velkému
třesku (Big Bang) v r.1948 F.Hoyle, H.Bondi a T.Gold navrhli teorii
ustáleného stavu vesmíru TSS (Theory Steady-State
universe), zvanou též teorie stacionárního vesmíru,
či pevného stavu vesmíru. Vychází z tzv. dokonalého
kosmologického principu, požadujícího aby (ve
velkých měřítcích) střední hustota hmoty byla stejná
nejen v různých místech vesmíru, ale byla stejná i v čase.
Teorie ustáleného stavu nepopírá prostorový vývoj
(rozpínání) vesmíru, ale snaží se zachovat statické
(časově neměnné) řešení kosmologických rovnic - zachovat
vesmír časově věčný, neměnící svůj vzhled, bez
časového počátku vesmíru (akcentovala se námitka: kdyby
měl vesmír svůj časový počátek, co bylo před ním?).
Vesmír se rozpíná, ale hustota hmoty se v něm nemění,
neboť v "mezerách" přirůstajícího prostoru neustále
vzniká nová hmota "z ničeho" (zavedlo se
hypotetické "C-pole"). Pro zachování ustáleného
stavu (proti stávající expanzi) by stačil vznik nové hmoty
tempem 1 vodíkového atomu na 1m3 za 5 miliard let (tak nepatrný přírustek nelze
potvrdit ani vyvrátit). Mylnost teorie
ustáleného stavu vesmíru se ukázala v 60.letech, kdy
pozorování kvasarů a rádiových galaxií ukázala, že se
nacházejí pouze ve velkých vzdálenostech a tedy existovaly ve
vzdálené minulosti, zatímco podle teorie ustáleného stavu by
se měly vyskytovat rovnoměrně všude. Definitivní vyvrácení
teorie stacionárního vesmíru přišlo s objevem reliktního
mikrovlnného záření, které jednoznačně podpořilo
teorii horkého počátku vesmíru a "zřeďování"
látky a záření při jeho rozpínání.
Když astronomové zamíří výkonné dalekohledy na vzdálené objekty, mohou svým způsobem pozorovat evoluci vesmíru. Je to důsledkem konečné, konstantní a pevné rychlosti světla. Vzdálené galaxie, jejichž světlo se k nám vydalo před několika miliardami let, vypadají jinak, než podobné galaxie ležící relativně blízko nás. Pozorováním čím dál větších vzdáleností zároveň pronikáme do čím dál větších "hlubin času". A pozorujeme, že vesmír tehdy vypadal jinak...
Další výrazný rozvoj kosmologie byl stimulován aplikací poznatků jaderné fyziky a fyziky elementárních částic na procesy ve vesmíru, především na horký raný vesmír. Vznikla jaderná astrofyzika, která dokáže přesvědčivě vysvětlit celý "chemický vývoj" vesmíru, tj. jak jaderné reakce ve hvězdách, tak prvotní nukleosynthézu v raném horkém vesmíru. Fridmanovo řešení, doplněné podrobnou teorií fyzikálních procesů v raném horkém vesmíru, dalo vznik standardnímu kosmologickému modelu (§5.4), který v hrubých rysech dobře vysvětluje pozorovanou strukturu a evoluci vesmíru. V posledních letech se pak úsilí kosmologů soustřeďuje především na studium nejranějších fází evoluce vesmíru těsně po velkém třesku - vznikla kvantová kosmologie a hypothéza inflační expanze velmi raného vesmíru, která umožňuje řešit některé problémy standartního modelu (§5.5).
Relativistický kosmologický model
Postup, jak sestrojit relativistický kosmologický model, sestává
z následujících hlavních etap :
Podaří-li se nalézt prostoročas, který je přesným řešením Einsteinových rovnic pro reálné rozložení hmoty a přitom dobře popisuje globální vlastnosti vesmíru (souhlasí s poznatky o viditelné části vesmíru získanými pozorováním), lze takové řešení považovat za adekvátní kosmologický model.
Hmota ve
vesmíru
Nejdříve
si všimneme etapy c). Kosmologie se zabývá
vlastnostmi vesmíru ve velkých kosmologických
měřítcích, větších než cca 109
světelných let. Z hlediska těchto měřítek jsou rozměry
astronomických objektů (pozorovaných na obloze) zcela
nepatrné (galaxie typických rozměrů 100
000 světelných let jsou desettisíc-krát menší než toto
základní měřítko, kupy galaxií pak tisíckrát menší). Z tohoto velkorozměrového
pohledu jsou tedy galaxie a jejich kupy jen jakési nepatrné
"částečky prachu", jejichž vnitřní
struktura z hlediska celku nehraje řádnou úlohu. Z
kosmologického hlediska si tedy nynější vesmír můžeme
představit jako prostor naplněný řídce rozprostřeným
"prachem" *).
*) Toto "řídké rozprostření"
platí v nynější etapě, v počátcích evoluce vesmíru se
jednalo o "husté rozprostření" vysokoenergetických
částic a záření!
V kosmologii se tedy abstrahuje od
konkrétních lokálních struktur, jako hmota se uvažuje
většinou "prach" či "plyn" (ideální
kapalina) - může to být jak mezigalaktický plyn v obvyklém
slova smyslu, tak relativistický "plyn" fotonů, nebo
plyn jehož "molekulami" jsou hvězdy, galaxie
nebo kupy galaxií. Stejnoměrné rozložení zprůměrované
hmoty ve vesmíru (kosmologický princip) je podobné
homogennosti plynu (nebo kapaliny), který je v molekulárních
měřítcích velmi nehomogenní, avšak z makroskopického
hlediska se jeví dokonale
homogenní. V
kosmologické aproximaci proto můžeme celý vesmír považovat
za vyplněný ideálním "plynem", jehož molekulami
jsou galaxie nebo spíše kupy galaxií, fotony záření,
mezigalaktický plyn. Tenzor energie-hybnosti takové
kosmologicky rozprostřené hmoty ve vesmíru se proto vyjadřuje
ve tvaru odpovídajícím ideální
kapalině (odvozeném v §1.6, pasáž "Tenzor energie-hybnosti")
| Tik = (p + r) ui uk - p . gik . | (5.3) |
Při modelování hmoty zaplňující vesmír ve formě ideální kapaliny je pro řešení rovnic prostoročasové evoluce vesmíru potřeba znát závislost hustoty r na tlaku p, tj. stavovou rovnici. Pro rozbor základních otázek globální evoluce však stačí omezit se na dva krajní případy :
Analýza evoluce vesmíru pro tuto základní látku bude z hlediska relativistické kosmologie struktury prostoročasu provedena především v §5.3 "Fridmanovy dynamické modely vesmíru", z konkrétního pohledu fyzikální kosmologie pak v §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury vesmíru.", §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." a §5.6 "Budoucnost vesmíru. šipka času. Temná hmota. Temná energie".
Geometrie
vesmíru
V modelech založených na kosmologickém principu musí být
trojrozměrný prostor homogenní a izotropní, tj. všechny body a všechny
směry jsou zde rovnocenné, ničím se neliší. V
diferenciální geometrii se ukazuje [214],[155], že takovým
trojrozměrným prostorem (kromě
rovinného eukleidovského prostoru) je prostor s konstantní
křivostí R, nezávislou na prostorových
souřadnicích ani na směru, který je sféricky
symetrický
vzhledem ke každému bodu; libovolný bod proto může
být zvolen za počátek r=0 prostorových souřadnic.
Tento
základní geometrický aspekt si můžeme pro názornost
ilustrovat na 2D analogii s dvourozměrnou
plochou. Homogenní a izotropní 2D plocha může být
trojího druhu :
-->
2D Eukleidovský prostor je plochý
(nezakřivený), je to nejjednodušší speciální případ
obecnějšího Riemannova prostoru, má všude nulovou křivost.
V kartézských souřadnicích (x,z) je délkový
element podle Pythagorovy věty jednoduše dl 2 = dx2 + dy2.
V polárních souřadnicích (r,J) daných transformací x = r.cos J , y = r.sin J , je délkový
element
dl 2 = dr2 + r2dJ2 .
-->
2D sféra - povrch koule poloměru R, kulová
plocha je Riemannovský prostor s kladnou konstantní
křivostí, v němž délkový element v polárních
souřadnicích má tvar
dl
2 = [dr2/(1-r2/R2)] + r2dJ2 .
-->
2D "sedlová" plocha
je Riemannovský prostor se zápornou konstantní křivostí, v
němž délkový element v polárních souřadnicích má tvar
dl
2 = [dr2/(1+r2/R2)] + r2dJ2 .
Délkový element v dvojrozměrném homogenním
izotropním prostoru s konstantní křivostí lze tedy v
polárních souřadnicích zapsat v obecném tvaru
dl
2 = [dr2/(1-k.r2/R2)] + r2dJ2 ,
kde je zaveden parametr křivosti k = +1,0,-1.
Analogicky délkový element d l v trojrozměrném
prostoru s konstantní křivostí lze obecně vyjádřit ve sférických
souřadnicích ve tvaru
 |
(5.4) |
kde veličina R :--> a (s rozměrem
délky) udává
poloměr křivosti prostoru (poloměr křivosti prostoru bývá zvykem
označovat R; to by se zde však pletlo se skalární křivostí R, takže v kosmologii je zvykem křivost
prostoru značit a.).
Parametr k = 1,0,-1 charakterizuje globální typ křivosti
prostoru :
| k = +1 ® prostor s kladnou
konstantní křivostí ; k = 0 ® Eukleidovský plochý prostor ; k = -1 ® prostor s konstantní zápornou křivostí . |
Podrobnější analýza prostoročasové geometrie vesmíru s použitím této metriky, avšak časově proměnné a=a(t), v Einsteinových gravitačních rovnicích bude provedena v §5.3 "Fridmanovy dynamické modely vesmíru".
Topologie vesmíru
Lokální geometrie prostoročasu je určena
rozložením hmoty ve vesmíru - hmota~energie zakřivuje
prostoročas, v němž se pak tělesa a částice pohybují po
geotedikách, představujících nejrovnější možné
trajektorie. Zakřivení prostoročasu je popsáno Einsteinovými
rovnicemi, jejichž aplikace na vesmír za příslušných
zjednodušujících předpokladů vede k Fridmanovým rovnicím
(5.23) popisujícím vesmír, jehož prostor může mít kladnou,
zápornou či nulovou křivost, jak bylo výše uvedeno; viz
§5.3.
Tato lokální geometrie však obecně nic neříká o
globálním tvaru, tj. o celkové topologii
vesmíru. Ve standardní relativistické kosmologii se uvažuje
jednoduše souvislý vesmír (s topologií koule), na němž
pracují Einsteinovy, DeSitterovy či Fridmanovy kosmologické
modely. Teoreticky by však vesmír mohl mít složitější, vícenásobně
souvislou topologii, s různými topologickými tunely
či ztotožněními různých částí, jak bylo již ostatně
diskutováno v §3.3, pasáž "Cestování
časem"; takový vesmír by
dokonce mohl vypadat jako "ementál"...
Složitá vícenásobně souvislá topologická
struktura prostoru konečného vesmíru by měla zajímavé
důsledky pro to, co pozorovatel v takovém vesmíru vidí: v
principu by mohl uvidět mnohonásobné obrazy
galaxií, hvězd, i sama sebe, jako v zrcadlovém bludišti. A to
časově v různých fázích vývoje. Nebylo by
vyloučeno, že když pozorujeme nějakou vzdálenou galaxi,
mohlo by se jednat třebas i o naši vlastní Galaxii před
dávnou dobou miliard let! Astronomicky rozpoznat, že dvě
pozorované galaxie jsou vlastně jednou a toutéž galaxií,
zobrazenou průchodem světla přes složitou topologickou
strukturu vesmíru, by však bylo velice obtížné *), ne-li
beznadějné! Viděli bychom je totiž z různého úhlu pohledu
a hlavně, vzhledem k prostorovým škálám mnoha miliard
světelných let, ve zcela různých časových fázích vývoje,
změněné k nepoznání...
*) Nesrovnatelně obtížnější než je
tomu u vícenásobného zobrazení v důsledku gravitační
čočky (§4.3, pasáž "Gravitační čočky.
Optika černých děr.").
Určitou možností, jak
získat aspoň částečné indicie pro určité topologické
struktury vesmíru, by mohlo být detailní měření vlastností
mikrovlnného reliktního záření - jeho
homogenity, fluktuací (v závislosti na úhlové vzdálenosti i
na vlnové délce), polarizace. Již v době oddělení záření
od látky byly ve vesmíru zárodky budoucích struktur, takže
tyto fotony procházely místy s různým gravitačním
potenciálem, což vedlo k malým změnám jejich energie a
vlnové délky - k nepatrnému ochlazení či ohřevu. Tyto fluktuace
by měly být patrné i nyní, jakožto nepatrně teplejší a
chladnější "skvrny" v jinak izotropním rozložení
reliktního záření - představují jakýsi
"paleontologický otisk" struktur raného vesmíru.
Rozdíl teplot je velmi malý, řádově 10-5stupně, takže příslušné projekty jejich
datailního měření se teprve připravují *) - viz §5.4,
pasáž "Mikrovlnné
reliktní záření - unikátní posel zpráv o raném vesmíru"..
*)
Pro podrobné zkoumání reliktního záření byla v r.1989
vypuštěna družice COBE (Cosmic Background Explorer) a v r.2001
družice WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe); na r.2007
je plánován start ještě přesnější sondy PLANCK.
Všechny tyto teoretické
spekulace o složitější topogii nemají zatím žádné
opodstatnění v astronomických pozorováních, takže
při výkladu relativistické kosmologie se budeme přidržovat
nejjednoduššího a ze současného pohledu přirozeného
předpokladu jednoduše souvislé topologické struktury
vesmíru.
Určitou výjimkou budou snad jen diskuse o
možnosti existence více vesmírů (§5.5
"Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." a §5.7 "Antropický princip a
existence více vesmírů");
ani zde se však nebude jednat o zavádění nějaké apriorní
složité topologie, nýbrž o hypotetické topologické
vlastnosti "indukované" bouřlivými kvantově-gravitačními
procesy při počátku vesmíru.
Správné a mylné
kosmologické představy o vesmíru ?
Vývoj kosmologie byl dopovázen mnoha omyly.V
průběhu našeho poznávání přírody a vesmíru se
vyskytovala řada představ a koncepcí, z nichž většina byla
částečně či úplně chybná. Na začátku
to byla mylná představa Země jako ploché desky: pohled
člověka stojícího ve volné krajině skutečně sugeroval
ploché území, případně zvrásněné horami. Později
představa stojící zeměkoule jako středu
vesmíru, kolem které všechno obíhá:
žijeme na kosmickém "kolotoči" rotující Země,
což sugeruje obíhání kosmických těles kolem nás - bylo vyvráceno
Koperníkovským heliocentrickým systémem. Přetrvával ještě
názor o centrálním postavení Sluneční soustavy ve vesmíru.
Mléčná dráha se astronomicky jevila jako celý vesmír,
který se považoval za statický. Hvězdy se
dříve považovaly za neměnné "stálice"
- všechny hvězdy a planety se nacházejí ve stavu nekonečné
neměnnosti a cyklického pohybu, od nekonečné
minulosti až na "věky věků"..!.. Dokonce i
A.Einstein zpočátku zastával přesvědčení o globální
statičnosti vesmíru (viz výše
pasáž "Einsteinův statický vesmír" a §5.2 "Einsteinův a deSitterův
vesmír. Kosmologická konstanta."). Teprve pozorování
E.Hubblea v letech 1924-29 ukázala existenci mnoha
galaxií, které se vzájemně vzdalují - obrovský dynamický
rozpínající se vesmír.
Nynější
Standardní kosmologický model (§5.4 "Standardní
kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury
vesmíru.") je sice velmi
dobře astronomicky i fyzikálně podložen, přesvědčivě
vysvětluje všechno co ve vesmíru pozorujeme. Avšak i zde jsou
některé nevyřešené problémy, např. otázky vzniku
vesmíru, či záhada temné hmoty a ještě
záhadnější temné energie (§5.6 "Budoucnost
vesmíru. Šipka času. Temná hmota. Temná energie.").
Teprve vzdálenější budoucnost ukáže jak se tyto otázky
podaří vyřešit, či v čem jsme se opět mýlili
a jaké nové jevy a koncepce se objeví..?..
 |
 |
 |
| 4.9. Gravitační kolaps - - největší katastrofa v přírodě |
5.2. Einsteinův a deSitterův
vesmír. Kosmologická konstanta. |
| Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu : | ||
| Gravitace ve fyzice | Obecná teorie relativity | Geometrie a topologie |
| Černé díry | Relativistická kosmologie | Unitární teorie pole |
| Antropický princip aneb kosmický Bůh | ||
| Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření | ||
| AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie | ||