Kosmologie, rozpínání a relativita

Některé názory čtenářů Vesmíru na vesmír si snad zaslouží relativistův komentář. V rubrice Dopisy redakci (Vesmír 73, 604, 1994/11). Novotný soudí, že vykládat rudý posuv spekter dalekých objektů rozpínáním vesmíru je zásadní omyl, jímž kosmologové ztratili mnoho času. Uvádí argument, že přenos energie jakýmkoliv prostředím nemůže být bezztrátový, a tudíž světlo galaxií a kvasarů musí rudnout s jejich rostoucí vzdáleností od nás.

Může nás napadnout analogie s večerním sluncem, jehož paprsky rudnou, jak se prodlužuje jejich cesta atmosférou. Tato analogie je ovšem zavádějící: rudnutí slunce není spojeno s posunem frekvencí, ale je způsobeno rozdílným rozptylem světla pro různé frekvence. Vysvětlení rudého posuvu galaxií interakcí fotonů s prostředím anebo jejich "stárnutím" by bylo možno brát vážně jen tehdy, kdyby se tak vyložily všechny základní vlastnosti jevu: stejná hodnota posuvu pro všechny frekvence a nepřítomnost jak rozostření objektů, tak i rozmazání spektrálních čar.

Fyzikové zabývající se kosmologií nikdy neodmítali diskuse o alternativních vysvětleních, docházeli však pravidelně k závěru, že taková vysvětlení jsou fyzikálně neuspokojivá. V Zeldovičově a Novikovově "vědecké Genezi" - knize Stavba a vývoj vesmíru - jsou shrnutí zmíněných diskusí věnovány asi dvě stránky s těmito závěry: Srážky fotonů s jinými částicemi by vedly ke změně jejich impulzů a tím k rozostření obrazů zdrojů; spontánní rozpad fotonů předávající část jejich energie produktům rozpadu by podle teorie relativity musel záviset na frekvenci; interakce fotonů z galaxií s fotony reliktního záření odporuje pravidlům dobře ověřené kvantové elektrodynamiky. Nedaří se tedy najít žádný mechanizmus, kterým by fotony předávaly svou energii mezigalaktické hmotě. Na druhé straně naše znalosti fyziky i vesmíru nijak neodporují tomu, že k takovému předávání díky prázdnotě mezigalaktického prostoru téměř nedochází. Že přibližně homogenní vesmír nemůže být stacionární, ale musí se smršťovat či rozpínat, neplyne jen z obecné teorie relativity, ale již z Newtonovy teorie gravitace. Popření rozpínání vesmíru by si proto žádalo vybudování nové teorie gravitace, jež by přitom musela nechat nedotčeny všechny nemalé úspěchy teorií dřívějších.

Pan Novotný se ještě zmiňuje o argumentech v neprospěch standardního kosmologického modelu, které uvedl ve své knize Kosmologie, dogmata a mýty V. Weinzettl. Z těchto argumentů může mít jistou váhu jediný: údaje o stáří vesmíru jsou nejisté a jejich rozpětí je takové, že dolní hranice je v rozporu s údaji o stáří některých kosmických objektů. Proti standardnímu modelu by to ovšem svědčilo až tenkrát, kdyby stáří vesmíru podle něho určené bylo se stářím jeho objektů zcela neslučitelné. To se však zatím sotva dá tvrdit. Nejistota v určení stáří vesmíru je dána jednak tím, že je obtížné určit vzdálenosti kosmických objektů, což se promítá do nejisté hodnoty Hubblovy konstanty, jednak neznalostí detailů procesů, které ve vesmíru probíhají (sem lze zahrnout i eventuální nenulovost kosmologické konstanty). Jde tedy spíš o neznalost přesných parametrů modelu než o jeho zásadní nesprávnost.

Je snadné považovat svou osobní intuici za neomylnou a zavrhovat vše, co se jí příčí, těžší už je podložit svůj odpor solidními argumenty a ještě těžší navrhnout něco opravdu lepšího.

Další Weinzettlovy argumenty svědčí o nepochopení standardního modelu a jejich cena je nanejvýš v tom, že dávají čtenáři příležitost uvědomit si možná úskalí při studiu kosmologie. Autor se nejprve pozastavuje nad tím, že byly nalezeny objekty s rudým posuvem větším než 1. Uveďme na vysvětlení, že rudý posuv je definován jako poměr rozdílu původní a pozorované frekvence k pozorované frekvenci. Posuv větší než 1 tedy znamená, že frekvence se zmenšila více než o polovinu, takže podle předrelativistické fyziky by se příslušný objekt od nás vzdaloval rychlostí přesahující rychlost světla. Avšak již podle speciální relativity díky dilataci času roste hodnota rudého posuvu nade všechny meze, blíží-li se rychlost vzdalování rychlosti světla. Standardní model rudé posuvy větší než 1 samozřejmě předpokládá. Divné by bylo, kdyby se nenašly.

Dále pan Weinzettl tvrdí, že galaxie se od nás vzdalují zrychleně, "volným pádem", a je pak záhadou, co je zdrojem síly, která je od nás táhne do neznáma . Podle jeho názoru by tuto sílu musely působit obrovské hmoty neznámého původu, obalující náš vesmír. Z newtonovské i einsteinovské teorie gravitace je ovšem známo, že v dutině se gravitační síly navzájem ruší. Přesto nemusíme mít obavy. Růst rudého posuvu se vzdáleností vůbec neznamená, že se zrychleně vzdalují objekty vesmíru. S časem totiž rychlost rozpínání klesá jako přirozený důsledek gravitační přitažlivosti a rychlost vzdalování konkrétních objektů účastnících se rozpínání se zmenšuje, jak o tom svědčí pozorovaná kladná hodnota tzv. deceleračního parametru.

Ještě je vhodné podotknout, že nejistota v přesné hodnotě Hubblovy konstanty vůbec nebrání testovat její shodnost pro různé frekvence vysílané týmiž objekty (k tomu není třeba znát vzdálenost objektů). Příslušná pozorování (citace lze najít v knize Misnera, Thorna a Wheelera Gravitace) výrazně odporují představě pana Weinzettla, že rudý posuv je pro daný objekt nepřímo úměrný frekvenci.

Přese všechno, co jsem zde napsal, bych se neodvážil tvrdit, že každá snaha nalézt alternativní vysvětlení rudého posuvu je zásadní omyl. Jsou to spíše odpůrci "neklasických" myšlenek vycházejících z teorie relativity, kteří si libují v takovýchto silných slovech. Své oprávnění k tomu čerpají, zdá se mi, hlavně z pocitu, že prostor a čas přece nemohou být jiné, než jak oni to cítí. Je snadné považovat svou osobní intuici za neomylnou a zavrhovat vše, co se jí příčí, těžší už je podložit svůj odpor solidními argumenty a ještě těžší navrhnout něco opravdu lepšího.

Ve 12. čísle píše pan Weinzettl o názorech některých kosmologů, které jsou založeny na nových pozorovacích datech a napovídají, že vesmír by mohl mít střed rozpínání. Soudí, že tito kosmologové vlastně popírají princip relativity, jak jej formuloval Einstein r. 1905. Na základě dřívějších zkušeností bych byl opatrný ve vyvozování definitivních revolučních závěrů z nejnovějších pozorování. Ale i kdyby vesmír, či spíše jeho pozorovaná část měla střed rozpínání, neodporovalo by to Einsteinovu principu relativity ani v nejmenším. Homogenita a izotropie vesmíru předpokládané standardním modelem nejsou důsledkem speciální ani obecné teorie relativity. Byl to předpoklad činěný nejprve jednak z důvodů filozofické povahy (symetrie jako vůdčí princip při zkoumání vesmíru), jednak pro možnost matematického zvládnutí. Teprve později se ukázalo, že tento předpoklad je i v dobrém souladu s pozorováním. Einsteinovo popírání existence "význačné soustavy" znamená, že není možno odlišit klid od rovnoměrného přímočarého pohybu na základě tvaru fyzikálních zákonů, netvrdí se tím ovšem, že ve všech systémech je stejné rozložení hmoty. Speciální teorie relativity připouští, že množství hmoty ve světě je konečné, a pak ovšem její těžišťový systém je jistým způsobem význačný. Vznikem obecné teorie relativity se obsah Einsteinova postulátu zúžil na rovnoprávnost místních inerciálních systémů z hlediska fyzikálních zákonů v nich zkoumaných. Tyto systémy se ovšem liší svým vztahem nejen k reliktnímu záření, ale i ke střednímu pohybu galaxií.

Co se týče čtyřrozměrné geometrie, má Fridmanův vesmír standardního modelu nižší symetrii než speciálně relativistický svět Minkowského: je pouze homogenní a izotropní v prostoru, chybí mu však typicky relativistické symetrie spojené s časem. Obecná relativita sama o sobě ovšem nevyžaduje vůbec žádné globální symetrie prostoročasu. Objevem středu rozpínání by se symetrie vesmíru dále snížila, což by byl objev pro kosmologii jistě pozoruhodný. Nenutil by ji však k žádné revizi principů teorie relativity.