Prostor, světlo a čas

Historie fyziky, astronomie a kosmologie je příběhem překračování hranic lidských představ o přirozeném světě. To však neznamená, že nová poznání a nové teorie, třeba i převratné, musí vést k úplnému popření náhledů našich předchůdců či „naivních“ představ našich vlastních; často jen omezují obecnou platnost těchto náhledů, nechávajíce jim roli pouze lokálně platných aproximací. Uvedu dva příklady, jeden hodně starý, druhý současný – oba v něčem vlastně podobné.

Nezkažené dítě otevře oči a vidí celý svět naráz. Dovedu si to představit a vzpomínám si, jak jsem se kdysi divil, když mi dědeček vysvětloval, že světlu to chvilku trvá, než ke mně dorazí. Že Slunce na nebi je teď už o osm minut starší, hvězdy o mnoho let. Že by i ten pták, co se právě chystá vzlétnout, už vlastně letěl? Dnes vím, že nikdy nevidím svět, jaký je právě teď, ale vím také to, že mi to může být celkem jedno. Moje teď a teď věcí v mém okolí jsou prakticky stejná. ²⁾ Jako by k šíření světla nebylo třeba času.

To by pak ovšem představa, že světelné paprsky přicházejí ze světa do našich očí, byla rovnocenná opačné představě, že zdrojem takových paprsků jsou naše oči. Nedivme se proto, když řečtí myslitelé od Empedokla přes Eukleida, Platona až k Ptolemaiovi zastávali takzvanou emanační teorii, dle níž světelné paprsky vycházejí z našich očí a ohmatávají okolí. ³⁾ Známe to ostatně i z pohádky o Bystrozrakém. Dnes už víme, jak to je, známe konečnou rychlost světla a máme ji i velmi dobře změřenu – přesto ji pro všechny běžné činnosti v našem dostatečně malém okolí můžeme považovat za nekonečnou. V tom malém okolí mohou ještě tak poletovat ptáci; pro globální navigační systémy už je třeba s rychlostí světla počítat.

Učiňme teď obrovský skok až k našemu vůbec největšímu vědecky myslitelnému „okolí“, jímž se zabývají současné kosmologické teorie. Zde už se nevyskytují ptáci ani hvězdy; galaxie a kupy galaxií nejsou víc než nepatrné hmotné body. Čas se měří v miliardách let a vzdálenosti v miliardách světelných let. Vhodná chvíle, abyste si přečetli (chci říct: prostudovali) v tomto čísle článek Jiřího Jersáka o rozpínání vesmíru (s. 40).

Opět je hlavním protagonistou světlo, ⁴⁾ ale vše je trochu jinak. V kosmologických škálách pojednou přestává platit mnohé z toho, na co si fyzikové 20. století pod vlivem speciální teorie relativity již začali zvykat: že rychlost světla ve vakuu je nejvyšší myslitelná rychlost jakéhokoliv fyzického pohybu, že nemá smysl mluvit o pevných bodech v prostoru ani o nějakém společném teď pro celý vesmír a že zákon zachování energie je univerzální a nedotknutelný. Zmínka o kosmologických škálách – v oněch miliardách let a miliardách světelných let – je ovšem důležitá. V našem „nedalekém okolí“ s blízkými galaxiemi (stejně jako v každé jiné malé oblasti vesmíru) je speciální teorie relativity dobrou lokální aproximací, podobně jako je newtonovská fyzika dobrou aproximací speciální teorie relativity pro pohyby podstatně pomalejší než světlo.

Na dnešní kosmologii mne zvlášť zaujalo pojetí prostoru jakoby měl svůj vlastní globální život – rozpíná se všude stejně, ⁵⁾ a přitom v něm přibývá tajemné temné energie. Vzdálené objekty (kvazary, galaxie a shluky galaxií) jsou v tomto prostoru lokálně v klidu, a přesto se od sebe a od nás rychle vzdalují – právě a jen díky rozpínání prostoru. Existují tedy dva druhy „pohybu“, nám známý pohyb z místa na místo (v kosmologických škálách zřejmě zanedbatelný) a unášení vlivem rozpínajícího se prostoru. A teď to hlavní: dostatečně vzdálené objekty se mohou od sebe (a od nás) vzdalovat rychleji než světlo a pokud se rozpínání vesmíru nezpomalí, už nebudeme mít šanci je ještě někdy spatřit.

Jsou četné další zajímavosti, ale nechci zde opakovat to, co je daleko lépe popsáno v citovaném Jersákově článku, kde jsou rovněž zmíněna pozorování, která tyto nové představy potvrzují. Jen bych se rád zmínil o jistém užitečném konceptuálním rozlišování. Jako odchovanci světa, v němž vidíme všechno kolem sebe „naráz“, musíme si teprve zvyknout, že při pohledu do velké dálky mohou mít výrazy „vidět něco“ či „pozorovat něco“ různé významy podle toho, zda pod tímto „něco“ máme na mysli „tehdejší něco“ – to, co k nám kdysi vyslalo světelný signál a mělo tehdy jisté vlastnosti, mimo jiné i určitou vzdálenost od nás, – anebo „dnešní něco“ s vlastnostmi, které to má dnes, kdy už je to daleko starší a notně vzdálenější (pro homogenní a isotropní vesmír má smysl mluvit o jednom společném dnes). Je ovšem ještě třetí možnost, mluvit o tom, jak se něco jeví zde dnes našim očím (například vzhled souhvězdí).

Profesor Jersák nám doporučuje, abychom si každých 10 let zjistili, co je v kosmologii nového. Jsem opravdu zvědav, do jaké míry to bude rozšířením a do jaké míry popřením teorií dnešních.