Odpověď na každou otázku

/Otázka Ing.Valentina Weinzettla, Praha/

Máme.li na mysli důkaz "přímý" v tom smyslu, že bychom uměli jiným způsobem měřit rychlost, kterou se vůči nám vzdálené galaxie pohybují, pak je odpověď záporná. Vzdálenosti galaxií nedokážeme určit zdaleka s takovou přesností, abychom dovedli určit její změnu v časové škále řekněme desítek let, za kterou máme příslušná pozorování.

Vzdálenosti hvězd a galaxií se určují řadou na sebe navazujících metod, z nichž každá je použitelná v určitých měřítkách. Nejpříjemnější metodou je určení vzdálenosti z paralaxy, tj. z rozdílu úhlů, pod kterými hvězdu pozorujeme při protilehlých polohách Země na oběžné dráze. Tuto metodu lze použít jen pro nejbližší hvězdy, i pro tu nejbližší je paralaxa rovna jen si jedné úhlové sekundě. Měřitelnou hodnotu má pouze pro hvězdy vzdálené nanejvýš několik set světelných let, jenže pro kosmologii nás zajímají galaxie vzdálené miliony světelných let a metody jejich určování zde nebudeme popisovat. O metodě paralaxy se zmiňujeme jen z toho důvodu, že na ní osvětlíme obecnou obtíž s pojmem "přímé měření".

Abychom určili vzdálenosti hvězdy z paralaxy, musíme znát z jiných měření průměr oběžné dráhy Země a vycházet z koperníkovského, resp. keplerovského systému. Vytrvalý vyznavač Ptolemaia by hledal pro jev paralaxy jiné ad hoc vysvětlení, např. pohyb hvězdy po nebeské sféře, a podle toho, jakou by zvolili amplitudu tohoto pohybu, by mohl hvězdu umísťovat do různých vzdáleností. Tedy i poměrně "přímá" metoda měření vzdálenosti dovoluje různou interpretaci, nebereme-li v rámci určité teorie, která má všem řadu dalších důsledků, jež musí opět potvrdit pozorování.

Ve prospěch modelu expandujícího vesmíru nemůžeme opravdu dát silnější argument, než že jeho důsledky jsou ve shodě s řadou pozorování a není známo pozorování, které by s ním bylo v rozporu - tak je tomu ovšem s každou vědeckou teorií.Takovýmto prohlášením sice zdánlivě otevíráme dokořán dveře možnostem alternativního výkladu, při podrobnějším pohledu však zjistíme, že štěrbina není přinejmenším moc velká.

Uveďme některé důsledky teorie expandujícího vesmíru, které jsou srovnatelné s pozorováním.

Expandující vesmír se vyvíjí v čase, proto díváme-li se do velkých vzdáleností, odkud k nám světlo letí déle, měli bychom vidět jiný obraz, než díváme-li se blíže. A vskutku, kvazary se vyskytují převážně ve velkých vzdálenostech.

V expandujícím vesmíru byla v jeho raném stadiu vysoká hustota hmoty a vysoká teplota. Proto neexistovala jádra složitějších prvků, než je vodík, ta se vytvářela, až když hustota a teplota poklesly. V raném stadiu byly částice ve vesmíru v termodynamické rovnováze s elektromagnetickým zářením. Energie tohoto fotonového plynu s expanzí vesmíru klesala a dnes je toto záření zachováno jako tzv. reliktní záření, které má charakter záření, jež by bylo v tepelné rovnováze s látkou o teplotě 2,7 K. Toto záření, jehož existenci model předpovídal, bylo r. 1964 skutečně objeveno. Co je však ještě důležitější: dnešní teplota záření je v tomto modelu svázána s poměry, v jakých se vyskytují ve vesmíru lehké prvky (deuterium, tritium, izotopy helia, lithium). Zde se pozoruje dobrá kvantitativní shoda s touto teorií.

Vývojové modely hvězd jsou vcelku v dobré shodě s "věkem" vesmíru. I když současná experimentální data měření rychlostí expanze si možná vynucují citlivější vyladění modelu.

Nebudeme se zmiňovat o subtilnějších důsledcích (o tom, že pozorované množství helia ve vesmíru a expandující model vedou k existenci právě tří rodin leptonů, jak dnes potvrzují i laboratorní experimenty, ani o dalších důsledcích). Všimneme si nejstaršího potvrzení expanze vesmíru prostřednictvím Hubblova jevu, tj. posunu spektrálních čar světla ze vzdálených galaxií směrem k větším vlnovým délkám, jehož velikost roste se vzdáleností. Dnes jediné všeobecně uznávané vysvětlení je, že k posunu dochází na základě Dopplerova jevu (vzdaluje-li se od nás zdroj vlnění, vystartuje další hřeben volny ze vzdálenějšího místa, než vyletěl hřeben předchozí, a proto je vzdálenost mezi oběma hřebeny tedy vlnová délka, větší než kdyby zdroj byl vzhledem k pozorovateli v klidu).

Na první pohled je poměrně snadné najít pro kosmologický rudý posuv jiné vysvětlení. Konzervativnější nápad, který neobětuje uznávanou teorii elektromagnetizmu, může být, že světlo mění svou frekvenci díky rozptylu na nabitých částicích v meziplanetárním prostoru. Při rozptylu skutečně dochází ke změněn frekvence, tomuto jevu vděčíme např. za to, že sluneční světlo můžeme nazývat životodárným. Záření totiž vzniká v nitru Slunce termonukleárními reakcemi, při kterých se uvolňuje tvrdé záření gama. Do optických frekvencí se posouvá teprve mnohonásobným rozptylem na své cestě k povrchu Slunce. Narazíme však na několik obtíží. Jednak nutné hustoty mezigalaktického prostředí jsou astrofyzikálně nepřijatelné. Za druhé, při rozptylu se mění nejen frekvence, ale i směr záření, v důsledku toho by byly obrazy vzdálených objektů rozmazané. Hledala se i méně konzervativní vysvětlení, modifikují maxwellovskou elektrodynamiku, tyto pokusy nebyly úspěšné. Velkou potíží jsou různé varianty Olbersova paradoxu. Zmenšování frekvence záření odpovídá tomu, že světlo ztrácí energii. Tato energie by se předávala částicím v mezihvězdném prostoru a toto prostředí by se zahřívalo, takže by nakonec začalo samo zářit. Vyhneme-li se zmíněnému problému předpokladem. že hvězdy začaly zářit teprve před určitou konečnou dobou, stacionárnost vesmíru se nám opět vytratí.

Hlavním argumentem pro expanzi vesmíru ovšem je, že vesmír se rozpínat musí. Přesněji řečeno, podle kterékoli známé empiricky vyhovující teorie gravitace se musí buď rozpínat, nebo se hroutit, nemůže však být stacionární, a to zhruba ze stejného důvodu, proč hozený kámen může buď stoupat nahoru, nebo padat, nezůstane však viset nad Zemí. Připomeňme, že model expandujícího vesmíru historicky nevznikl za účelem vysvětlení Hubblova jevu, nýbrž naopak Hubblův jev byl teoreticky předpovězen před svým objevem.

Již dlouho před Einsteinem se vědělo, že v rámci Newtonovy teorie do nekonečna rozložená hmota s konstantní hustotou nemůže být ve statické rovnováze. Když se Enstein pokusil aplikovat své původní gravitační rovnice na vesmír, zjistil, že statický vesmír nepřipouštějí ani ony. Proto zavedl do rovnic kosmologický člen, a tyto modifikované rovnice statický vesmír připouštěly. V r. 1924 nalezl Friedmann nestacionární řešení rovnic jak bez homologického nestacionární řešení rovnic jak bez kosmologického členu, tak s ním, které představovaly rozpínající se (či hroutící se) vesmír. Eddington aj. pak ukázal, že Einsteinovo statické řešení je nestabilní - malá porucha způsobí, že se začne hroutit. Proto Hubblův objev, který byl cílený a ne náhodný, jen potvrdil očekávání relativistických kosmologů.

Výše jsme označil štěrbinu ve dveřích, kterou by mohla proklouznout zpět teorie stacionárního vesmíru, za velmi úzkou. Odvažuji se dokonce označit dveře za těsně zavřené. Nikdy ovšem nelze zcela vyloučit veliké zemětřesení, které poruší samotné základy, na nichž stojí současná fyzika, a rozbije i tyto metaforické dveře - seizmografy se však chovají vcelku klidně.