Vesmír z ničeho

Po staletí se mělo za to, že Newtonova teorie gravitace je dostačující pro vysvětlení pohybu veškeré hmoty v našem vesmíru. Na počátku 20. století však Einstein zveřejnil svou teorii relativity, kterou vysvětlil dříve z pohledu gravitace zvláštní chování velmi velkých a velmi vzdálených objektů. Tato teorie (tvořená speciální a obecnou teorií relativity) způsobila převrat ve fyzice a umožnila kosmologům zkoumat a chápat náš vesmír zcela novým způsobem.

Speciální teorie relativity je Einsteinova teorie o struktuře časoprostoru. Stanovila, že prostor a čas nejsou diskrétní entity, ale jsou vzájemně propojeny, takže rychlost, kterou plyne čas, je relativní vůči rychlosti, kterou se pohybuje objekt. Teorie také postuluje, že nic se nemůže pohybovat rychleji než rychlostí světla.

Speciální teorie relativity také prokázala, že hmota se může měnit v energii a naopak, jak popisuje známá rovnice E=mc².

Obecná relativita je Einsteinova teorie gravitace, která ukázala, že hmotné objekty deformují časoprostor. Stejně jako se zakřiví velmi tenká gumová podložka, když na ni položíme kuličku, těžké objekty způsobují zakřivení časoprostoru. Čím je objekt větší, tím více se gumová podložka (nebo časoprostor) kolem něj zakřivuje a tím více přitahuje okolní objekty.

Toto zakřivení časoprostoru potvrzuje jev zvaný gravitační čočkování: když se světlo pohybuje v blízkosti hmotného objektu, například černé díry, může časoprostorové „údolí“ vytvořené objektem ohýbat světlo, které se nachází v okolí daného objektu. Astronomové tuto metodu používají ke studiu hvězd a galaxií, které se nachází za masivními objekty.

Až donedávna byl vesmír považován za statický a věčný, s naší galaxií v jeho středu. Toto vnímání se změnilo, když fyzik George Lemaitre prokázal, že Einsteinova obecná teorie relativity předpovídá vesmír, který není statický a rozpíná se. Tato myšlenka mnoho lidí pobouřila, Sám Einstein se proti ní ve svém slavném výroku ohradil a řekl: „Vaše matematika je správná, ale vaše fyzika je odporná.“ Lemaitrova teorie byla prokázána následným empirickým pozorováním.

Důkaz správnosti této teorie se podařilo získat, když americký astronaut Vest Slipher pozoroval velmi jasné hvězdy ve vzdálených galaxiích, přesněji řečeno barvu světla, které vyzařovaly. Slipher věděl, že světelné vlny ze zdroje, který se od pozorovatele vzdaluje, se prodlouží (tzv. Dopplerův jev), a proto se jeví červenější, protože červená barva je typická pro dlouhé vlny. Stejný efekt lze pozorovat, když se od vás vzdaluje sanitka: zvukové vlny, které vydává její siréna, se prodlouží, a proto není jejich tón tak vysoký.

Pozorováním a měřením míry zčervenání (tzv. červeného posuvu) vzdálených hvězd Slipher odvodil, že většina objektů v jiných galaxiích se od nás vzdaluje, což dokazuje, že vesmír se skutečně rozpíná, jak předpověděla Lemaitrova teorie.

Další průlom v pochopení podstaty tohoto rozpínání nastal v roce 1929, kdy Edwin Hubble prokázal, že čím dále od nás galaxie leží, tím rychleji se vzdaluje. Tento objev, známý jako Hubbleův zákon, znamená, že se vesmír nejen rovnoměrně rozpíná, ale že se rozpínání zrychluje, a musí ho tedy způsobovat nějaká síla.

Zjištění, že vesmír není statický, ale naopak se rozpíná, znamená, že vesmír vznikl v jediném okamžiku v minulosti, v okamžiku tzv. velkého třesku. Vědecké důkazy jsou v souladu s touto teorií.

Jedním z těchto důkazů je pohyb galaxií. Pokud vezmeme v úvahu místa, kde se nyní nacházejí, a jejich dráhy a rychlosti, zjistíme, že v určité fázi byly všechny ve stejnou dobu na stejném místě. Přibližně před 13,72 miliardami let byl celý pozorovatelný vesmír zhuštěn do jediného bodu.

Důkazem mohou být i atomy, které tvoří náš vesmír. V naší teoretické představě velkého třesku byla veškerá hmota ve vesmíru soustředěna do neuvěřitelně horkého hustého plazmatu. Jak se vesmír ochlazoval, protony a neutrony v plazmatu začaly vytvářet jádra atomů. Simulací těchto podmínek můžeme předpovědět, jaké atomy by při tomto procesu vznikly. Ukázalo se, že naše předpověď, že ve vesmíru by v tomto případě byly hojně zastoupeny nejlehčí prvky (vodík, hélium a lithium) přesně odpovídá jejich pozorovanému množství, což je silný důkaz potvrzující naše chápání velkého třesku.

Na základě pohybu hvězd, množství lehkých prvků a dalších důkazů tak vytváří moderní věda konzistentní obraz vesmíru, který má počátek v jediném horkém bodě a od té doby se z tohoto bodu rozpíná.