Otázka vývoje vesmíru vyvolala v průběhu historie fyziky řadu debat. Na počátku 20. století se utvořily dva tábory mezi vědci. Na jedné straně stáli zastánci stabilního vesmíru, který vždy existoval. Na straně druhé byli fyzici, kteří podporovali model primitivního atomu, předsunutého našemu dnešnímu pojetí Velkého třesku.
V průběhu 20. století byla kosmologie zásadně ovlivněna dvěma konkurenčními pohledy na kosmos. Georges Lemaître navrhl hypotézu primitivního atomu jako předchůdce Velkého třesku, podle které má vesmír historii a začátek. Naopak Fred Hoyle, Thomas Gold a Hermann Bondi v roce 1948 obhajovali alternativní názor: stacionární stav, což je model, ve kterém se vesmír v expanze nemění na velkých měřítkách, díky neustálému vytváření hmoty.
Stacionární model: Věčný a neměnný vesmír
V roce 1948 představili Fred Hoyle, Thomas Gold a Hermann Bondi svůj kosmologický model stacionárního stavu. Jejich přístup se opírá o dva základní principy. Prvním je dokonalý kosmologický princip: vesmír je homogenní a izotropní nejen v prostoru, což znamená, že na velkých měřítkách má vesmír stejné vlastnosti na všech místech a ve všech směrech pozorování, ale také v čase – jeho vlastnosti jsou obecně stejné v každé epoše. Druhým principem je postulát o neustálém vytváření hmoty, které by kompenzovalo pozorovanou expanzi vesmíru, jak to prokázal Hubble; hmota je neustále vytvářena velmi malým tempem (přibližně jeden atom vodíku na krychlový metr každých miliardy let).
Tento model se vyhýbá začátku vesmíru, a tudíž otázce filozofické a vědecké tvorby něčeho z ničeho. Nabízí elegantní, statický rámec na velkých měřítkách, v němž vesmír nemá ani počátek, ani konec. Z filozofického pohledu zapadá do tradice věčné vize kosmu, která byla převládající mezi vědci od antiky až do 18. století, a kterou už obhajovali stoikové nebo Aristoteles. Je pozoruhodné, že Aristoteles zkoumá limity vesmíru a odmítá pojem nekonečného vesmíru, který považuje za fyzicky neudržitelný.
Proč model stacionárního stavu zaujal?
Model stacionárního stavu si dlouho získával prestiž z několika důvodů. Za prvé je to jeho filozofická jednoduchost, kterou jsme již popsali. Dále zajímavostí je také jeho matematická stabilita, jelikož se zakládá na jednoduchých řešeních kosmologických rovnic formulovaných Einsteinem v rámci jeho obecné relativity. Nakonec ho také podporuje jeho vědecká estetika: neměnný vesmír v čase se jeví jako harmonický a předvídatelný.
Model stacionárního stavu měl tedy svůj podíl na úspěchu. Fred Hoyle, mající velkou důvěru ve svou teorii, se v roce 1949 během rozhlasového vysílání BBC posmíval modelu primitivního atomu, o němž si myslel, že je absurdní, a vytvořil tak termín Velký třesk. A přesto…
Model primitivního atomu Lemaître: Předchůdce Velkého třesku
Před tím, než byl moderní Velký třesk formulován tak, jak jej dnes chápeme, vyvinul belgický kněz a fyzik Georges Lemaître v roce 1931 odvážnou hypotézu: model primitivního atomu. Podle něj byl vesmír vytvořen z rozpadlého „kozmického atomu“, hustého a horkého bodu, který byl zdrojem expanze prostoru. Tímto způsobem doplňuje model, který začal formulovat už v roce 1927, kdy již navrhoval expanzivní vesmír.
Lemaître se opírá o dynamická řešení Einsteinových rovnic a o pozorování Edwina Hubblea, amerického astronoma, který objevil, že se galaxie od sebe navzájem vzdalují. Navrhl expanzivní vesmír s fyzickou minulostí a počátkem. Lemaître si představoval primitivní atom jako jádro obsahující veškerou hmotu vesmíru, jehož štěpení vyvolalo kosmickou expanzi. Interpretoval kosmické záření, které bylo nedávno objeveno, jako pozůstatek této počáteční disintegrace. Tato hypotéza se ukázala být nepřesná, protože ve skutečnosti pochází z astrofyzikálních jevů nacházejících se v našem blízkém kosmickém prostředí.
Na rozdíl od Hoylea přijímá pojem počátku bez jakéhokoli náboženského kontextu, který považuje jako eklesiastik jako filozofický koncept, nikoli za konkrétní událost. Model primitivního atomu je přímým předchůdcem toho, co se později na základě následných objevů považovalo za model Velkého třesku, který se později prosadil zejména díky svým pozorovatelným predikcím.
Pozorovací důkazy proti stacionárnímu modelu
Navzdory původní přitažlivosti model stacionárního stavu začal zakolísat před stále přesnějšími daty. Nejsilnější úder přišel v roce 1964, když Arno Penzias a Robert Wilson náhodně detekovali radio signál, který přicházel ze všech pozorovacích směrů. Tento šum, známý jako kosmologické záření, je vlastně fosilní zářící pozůstatek z velmi mladého vesmíru, přesně jak předpověděli zastánci Velkého třesku. Stacionární model neměl žádný způsob, jak takový pozůstatek vysvětlit. Kosmické mikrovlno pozadí, objevené v roce 1965, je nejpřímějším svědectvím Velkého třesku. Jeho detaily byly následně zkoumány družicemi COBE (1992), WMAP (2003) a Planck (2009).
Další důkazy směřují stejným směrem: vzdálené galaxie, jejichž obraz k nám dorazil z doby, kdy byly ještě mladé, nevypadají stejně jako současné galaxie. Kromě toho byly kvazary, což jsou hyperaktivní galaxie, v minulosti mnohem početnější než dnes. Tyto rozdíly ukazují, že vesmír se v čase vyvíjí, na rozdíl od tvrzení stacionárního modelu.
Nakonec Velký třesk s velkou přesností predikuje poměry lehkých prvků (helium, deuteriový, lithium), které vznikly během prvních minut. Měření fosilních prvků, které se k nám dostaly, toto tvrzení potvrzují. Stacionární model, který nezahrnuje počáteční horkou a hustou fázi, není schopen je vysvětlit.
Vývoj moderní kosmologie
Vzhledem k těmto pozorováním se vědecká komunita postupně přiklonila k modelu Velkého třesku jako standardnímu modelu. Přesto Fred Hoyle v 90. letech, odmítající opustit svou hypotézu, navrhl model, který nazval téměř stacionárním, ale to zůstalo na okraji.
Dnes je model ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), rozšířená verze Velkého třesku, která zahrnuje kosmologickou konstantu a myšlenku, že existuje minimální energie vakua, která je identická na všech místech a vytváří tlak, jenž akceleruje expanzi vesmíru. Tento model, který byl představen Einsteinem v roce 1917 na vyrovnání účinků gravitace v vesmíru, o němž sám myslel, že je statický, byl rehabilitován pod názvem temná energie k vysvětlení pozorované akcelerace, a je považován za nejkompletnější rámec pro popis vývoje vesmíru.
Model stacionárního stavu ilustruje typický případ teoretické elegance konfrontované s přísností experimentace. Tato kontroverze podnítila debaty, inspirovala matematické rozvoje a umožnila lepší pochopení toho, co tvoří dobrou vědeckou teorii: musí být koherentní, testovatelná a hlavně, falzifikovatelná.
Také nám připomíná, že věda se vyvíjí ne prostřednictvím dogmatu, ale konfrontací s realitou kosmu. A ačkoli některé teorie jako ta o simulaci nebo multivesmíru dnes flirtují na hranici toho, co jsme schopni testovat, udržují tisíciletou tradici: pokoušejí se pochopit, co nás odjakživa přesahuje.
