Jak vesmír z ničeho povstal 1/4

Jak lidé přišli na to, že tu něco nehraje. I Einstein se může splést. K čemu se v Bolívii hodí relativita.

Představme si, že se nacházíme v pustém lese. Není ani moc hustý, ale je značně rozsáhlý, možná nekonečný. Když se rozhlédneme kolem sebe, vždy náš zrak padne na nějaký kmen. Některý je metr od nás, jindy vidíme až na desítky metrů, třeba i dále, kmeny už se nám zdají docela tenoučké, ale vždy tam nějaký je. Kolem dokola je samá hnědá barva kůry. Aby také ne, les je přece nekonečný.

Teď zavřeme oči a představíme si vesmír. Nejsou tu stromy, nýbrž hvězdy. Chceme-li věřit, že je vesmír nekonečný, dojdeme nevyhnutelně k závěru, že kterýmkoli směrem se podíváme, uvidíme hvězdu, nebo alespoň její část. Pro zjednodušení předpokládejme, že jsou všechny hvězdy stejné, třeba jako naše žluté Slunce. Právě tak, jako jsme v lese viděli v každém směru hnědou barvu kmenu, i tady musí být v každém směru žlutá barva nějaké hvězdy. Dokonce by každý bod oblohy měl zářit jako libovolný bod na našem Slunci. Jednoduchým pokusem založeném na otevření očí zjistíme, že obloha nejen, že oslnivě nezáří, ale není tu ani náznak nějaké souvislé žluti. Tento rozpor mezi teorií a pozorováním vešel ve známost jako Olbersův paradox.

Dnes již víme, že jsou ve vesmíru nejen zářící hvězdy, ale také obrovská oblaka plynu a prachu, což jisté řešení nabízí. V místech, kde nevidíme hvězdy, jsou právě takové mlhoviny, které jejich záření odstiňují. Při hlubším zamyšlení však zjistíme, že by to nefungovalo. Je-li tu vesmír věčně, musely by se tyto mlhoviny již zářením nasytit, rozpálit na teplotu hvězd a stát se také zdrojem záření.

Astronomové dlouho hledali jiná, důmyslnější vysvětlení. Uvažovali, jak v záležitosti zaúřaduje konečná rychlost šíření světla nebo konečná délka života hvězdy, ale vždy se dostali do konfliktu s požadavkem na nekonečnost vesmíru v prostoru a času. Nesrovnalost nezmizela, nicméně vesmír stále zůstával nekonečný, protože paradox je pouze indicie, nikoli důkaz.

Počet indicií však rostl, a už to nebyly jen indicie, ale i výpočtem podpořené důkazy. Začalo to rokem 1915, kdy Albert Einstein publikoval novou teorii gravitace založenou na filosofii zakřiveného času a prostoru. Do povědomí vešla ve známost jako obecná teorie relativity.

Ve starém dobrém Newtonovském světě je gravitace nahlížena jako přirozená schopnost hmoty navzájem se přitahovat. Čím těžší hmota je, tím větší gravitací působí na své okolí. Přitažlivé účinky klesají se vzdáleností, konkrétně s její druhou mocninou. Tělesa se vesmírem pohybují ve směru výsledné gravitační síly. Newtonův zákon slavil nesmírný úspěch, když dokázal popsat s vysokou přesností pohyb těles ve sluneční soustavě.

A. Einstein pojal pohyb v gravitačním poli jako pohyb v zakřiveném prostoru. Prostor je chápán jako čtyřrozměrný. K směru nahoru-dolů, vpravo-vlevo a dopředu-dozadu přibývá čtvrtý rozměr - čas. Lidský mozek není k vnímání čtyř rozměrů uzpůsoben. Chybí nám zkušenost. Rádi si namlouváme, že dobře vnímáme tři rozměry, ale způsob života většiny lidí pořádně nerozvinul ani to. Málokdo prožívá všechny rozměry tak dokonale jako třeba akrobat, pilot nebo učitel deskriptivní geometrie. Není se tedy čemu divit, že problémy s vnímáním čtvrtého rozměru už vnímáme jako nepřekonatelné. Našim představám pomáháme tak, že jeden z rozměrů (ten, na kterém nám v tu chvíli nezáleží) odstraníme.

Zapomeňme teď tedy na jeden z rozměrů a představme si třeba vodorovně nataženou plachtu. Vypadá jako rovina, která má každý svůj bod ve stejné výšce nad podlahou. Teď zdeformujeme měřítka na svislicích procházejících každým bodem plachty. Na každé svislici zdeformujeme měřítko jinak. Někde metr zkrátíme, někde prodloužíme. Plachta nám teď bude připadat pokroucená. V každém bodě stále naměříme stejnou výšku nad podlahou, nicméně to už nebude rovina.

V reálném světě deformuje měřítko právě gravitace. Deformuje nejen měřítka prostorová, ale i čas. Prostor se tak zakřiví, stejně jako plachta v předchozím případě. Podle obecné teorie relativity se všechna tělesa pohybují po nejkratších možných dráhách, tak zvaných geodetikách, ale protože je prostor zakřivený, nemusí být tyto dráhy přímky. Zdá se to na první pohled podivné. Přijmeme sice myšlenku zakřiveného prostoru, ale připadá nám (právem), že v místním gravitačním poli prostor příliš zakřivený nebude. A přece naše Země obíhá Slunce po kružnici a ne po nejkratší spojnici. Je to jen zdání způsobené právě tím, že si nedovedeme představit čtvrtý rozměr. Kdybychom dokázali naši sluneční soustavu vnímat ve všech čtyřech rozměrech stejně dobře, jako ji umíme uchopit pomocí matematiky, poznali bychom, že planety skutečně obíhají po geodetikách a že to jsou opravdu nejkratší spojnice. Nesmíme také zapomínat, že se tu zakřivuje nejen prostor, ale i čas.

Newtonův zákon není špatně. To ostatně vidíme na tom, jak dobře předvídá polohy těles sluneční soustavy. V některých případech však začíná selhávat. Oproti tomu obecná teorie relativity poskytuje výsledky tak přesné, že jsme odchylky od jejích předpovědí ještě nedokázali změřit. Newtonův zákon je jen její dobrou aproximací tam, kde není prostor příliš zakřiven.

Brzy po publikování teorie relativity přišly pokusy aplikovat ji na celý vesmír. Ukázalo se, že stabilní řešení rovnic popisujících vesmír neexistuje. Jinými slovy, vesmír se buď smršťuje nebo rozpíná. V každém případě to znamená, že nemůže být nekonečný v čase.

To bylo zjištění v té době natolik šokující a nepředstavitelné, že sám A. Einstein doplnil rovnice o tzv. kosmologickou konstantu, která by měla stabilitu vesmíru zaručit. Později, když se ukázalo, že se vesmír opravdu vyvíjí, tohoto kroku litoval a pokládal ho za chybu.

Příště si povíme, jaké předpovědi z hypotézy vyvíjejícího se vesmíru plynou, jak se je podařilo ověřit a jak podivné formy může nabýt vědecký žert.