Obsah

Předmluva

První část Na počátku

Vznik vesmíru

Cesty vesmírem

Einsteinovy teorie

Stejnorodost ve vesmíru

Rozpínání vesmíru

Jak vznikl život?

Historie života

Genetika

Druhá část Co to je

Co tvoří Zemi?

Jak dlouhý je „den“ na Zemi?

Pozemské oceány

Sopky na Zemi, v naší Sluneční soustavě i mimo ni

Z čeho se skládá Země?

Srážky částic

Neurčitost a Schrödingerova kočka

M-teorie – jedenáct dimenzí!

Stavební kameny života

Třetí část Zkoumání vesmíru

Merkur

Venuše

Mars

Jupiter

Saturn

Uran

Pluto

Menší a nejmenší

Exoplanety

55 Cancri

Andromeda

Vesmírné družice

Teorie mnoha vesmírů

Čtvrtá část Temné stránky

Odvrácená strana Měsíce

Temná stránka vesmíru

Temná hmota a temná energie

Co potřebuješ vědět o černých dírách

Singularity

Černé díry

Pátá část Život ve vesmíru

Proč létáme do vesmíru?

Je život na Marsu reálný?

Stavba rakety k letu na Mars

Jak by se žilo na Marsu

Pohled z výšky

Drakeova rovnice

Lety ve stavu beztíže

Nepilotované lety do vesmíru

Komety

Světlo a jeho cesty vesmírem

Navazování kontaktů s mimo-zemšťany

Šíření zvuku ve vesmíru

Je tam někdo?

Šestá část Cestování časem . . .

Červí díry a cestování časem

Prostor, čas a relativita

Cestování časem a záhada pohybujících se hodin

Sedmá část . . . Pohled do budoucnosti!

Můj robot, tvoji roboti

Roboti a etika

Umělá inteligence

Etika a umělá inteligence

Co je to počítač?

Univerzální Turingův stroj

Co počítač nedokáže?

3D tisk

Samořiditelná auta

Problémy naší planety

Nadějí politiky . . .

Města budoucnosti

Internet: soukromí, identita a informace

Sedm zlatých pravidel

Klimatické změny

Mory, pandemie a zdraví planety: od filmu Nákaza ke covidu-19

Obrazová příloha

Doslov

Slovníček

STEPHEN HAWKING byl teoretický fyzik, který je obecně považován za jednoho z největších světových myslitelů. Byl lukasiánským profesorem matematiky na Cambridgeské univerzitě a autorem světového knižního bestseleru Stručná historie času. Mezi jeho knihy pro širokou veřejnost patří také Stručnější historie času, sbírka esejů Černé díry a budoucnost vesmíru, Vesmír v kostce, Stručné odpovědi na velké otázky a mnohé další. Zemřel 14. března 2018.

LUCY HAWKINGOVÁ představuje široké veřejnosti vědu populární formou příběhů. Spolu se svým otcem, Stephenem Hawkingem, napsala knižní sérii Jirkova vesmírná dobrodružství, která byla přeložena do více než čtyřiceti jazyků. Za svou práci obdržela mnohá ocenění, mezi něž patří mimo jiné i čestný doktorát věd od Queen Mary University of London. Lucy také vytvořila dva úspěšné projekty s Evropskou kosmickou agenturou (European Space Agency) a nakladatelstvím Curved House, jejichž cílem je zvýšit zájem o STEM na základních školách. Lucy rovněž natočila rozhlasové dokumenty pro BBC a film ve virtuální realitě pro Guardian Media Group o autismu u náctiletých dívek (The Party). Je předsedkyní Nadace Stephena Hawkinga.

Stephen and Lucy Hawking

UNLOCKING THE UNIVERSE

Copyright © Lucy Hawking, 2020

First published as Unlocking the Universe in 2020 by Doubleday an imprint of Random House Children’s Publishers, a division of The Random House Group Limited.

All rights reserved

Translation © Helena Šilhánková, 2022

ISBN 978-80-242-8634-1

Dívejte se vzhůru na hvězdy,

a ne dolů na nohy.

Stephen Hawking

Předmluva

Celý život jsem měla to obrovské štěstí, že jsem se mohla stýkat s význačnými vědci a inovátory – přáteli a kolegy svého otce Stephena. Trávila jsem s nimi čas, povídala si a kladla jim otázky. Tatínek byl vynikající vědec, který si uvědomoval, jak důležité je mluvit o své práci formou lidem srozumitelnou. Byl přesvědčený, že všichni mají právo vědět, čemu se vědci věnují a k čemu je to dobré. Ve školním věku pro mě bylo naprosto přirozené ptát se a dostávat odpovědi. Někdy jsem jim nerozuměla, musela jsem o nich přemýšlet nebo mě dokonce rozčilovaly. Vše mi ale vysvětlovali lidé, kteří věděli, o čem mluví. Poslouchala jsme je, doptávala se na podrobnosti a měla pocit, že stačí natáhnout ruku a dotknu se velkolepého vesmíru.

Až v dospělosti mi došlo, že takovou možnost jako já opravdu hned tak někdo nemá. Při práci mi vždy šlo hlavně o jedno. Chtěla jsem se o obrovské životní štěstí, které spočívalo v setkávání se všemi těmi nesmírně zajímavými, výjimečnými, tvůrčími, geniálními a veselými lidmi, podělit s ostatními. Snažila jsem se ho proto zprostředkovat v knihách. Na začátku byla výborná otcova esej v naší první společné knize Jirkův tajný klíč k vesmíru, po něm do téhle i všech dalších dílů série o Jirkovi přispěla a problémy osvětlila řada báječných vědců a odborníků, kteří dokážou vlastní výzkumy a náplň celoživotní práce přiblížit mladým čtenářům.

Dnes jsou samozřejmě na rozdíl od mého dětství informace daleko dostupnější, díky internetu je máme doslova na dosah ruky. Jak nás to ovlivňuje? A jak poznáš, zda je to, co se dočteš na internetu, pravda? S tatínkem jsme si při společném psaní uvědomili, že s pomocí „rodiny“ odborníků a vědců dokážeme informace proměňovat ve znalosti.

V knize Odemčený vesmír máš všechny skvělé populárně naučné texty a faktografické informace pěkně pohromadě. Zařadili jsme do ní i několik nových článků o tématech, která mě vždy zajímala, například o genetice nebo mnohovesmíru, a také dosud nevydaný text o černých dírách. Autoři textů z posledních dílů řady se zabývají mimo jiné etikou umělé inteligence nebo problémem popírání vědy, naše vůbec nej-mladší přispěvatelka píše o změnách klimatu a o tom, jaké to je být teenagerem v době globálního oteplování.

Zdá se to tak dávno, co nás s tatínkem poprvé napadlo napsat příběh o dobrodružstvích malého kluka, který spadne do černé díry. K první společné knize nás inspirovala otázka položená otci na jedné narozeninové oslavě. Touha napsat knihu, která by na otázku odpověděla, nás vyslala na spisovatelskou dráhu. Dnes, nad sedmou a poslední knihou, vám mohu upřímně říct, že jsem nikdy netušila, kam může člověka pokládání otázek zavést. V knize Jirkův tajný klíč k vesmíru píše Aniččin tatínek, vědec Erik, knihu pro děti s názvem „Průvodce pro uživatele vesmíru“. A přesně tím tenhle svazek je.

Je mi potěšením a ctí tě na cestě k poznávání vesmíru doprovázet. Pokud už čtenářem či čtenářkou našich knih jsi, moc ti děkuji! A pokud ne, naskoč na palubu vesmírné lodi a připrav se k odletu! Hodně štěstí při všech vesmírných dobrodružstvích a nezapomeň: černým dírám se na svých cestách zdaleka vyhýbej...

Lucy Hawkingová

První část
Na počátku

Vznik vesmíru

prof. Stephen Hawking

Ovzniku vesmíru existují nejrůznější teorie. Obyvatelé středoafrického království Bakuba například věří, že na začátku byla jen tma, voda a velký bůh Bumba. Jednoho dne Bumbu rozbolelo břicho a vydávil Slunce. To vysušilo část vod a objevila se pevnina. Bumbu však bolesti nepřecházely a on vyzvrátil ještě Měsíc, hvězdy a několik živočichů – leoparda, krokodýla, želvu a nakonec člověka.

V jiných částech světa se zase vyprávějí jiné příběhy. Lidé se odjakživa snažili najít odpovědi na zásadní otázky:

Proč tady jsme?

Kde jsme se tu vzali?

Před nějakými sto lety na ně odborníci poprvé nabídli vědecky podložené odpovědi. Zjistili, že ostatní galaxie se od nás vzdalují. Vesmír se rozpíná a vzdálenost mezi galaxiemi se zvětšuje. Jinak řečeno, v minulosti byly galaxie blíže u sebe. Před necelými 14 miliardami let měl tedy vesmír daleko vyšší teplotu a hustotu. Počátek rozpínání vesmíru nazýváme velkým třeskem.

Po velkém třesku se vesmír začal rozpínat čím dál rychleji. Tento jev nazýváme inflací, tedy stejným slovem, jaké používáme pro rostoucí ceny zboží v obchodech. V porovnání se zvyšováním cen byla ale inflace na začátku existence vesmíru mnohem prudší. O inflaci v obchodech mluvíme jako o vysoké, když se ceny během jednoho roku zdvojnásobí. Vesmír však tehdy během setiny sekundy zdvojnásobil svoji velikost mnohokrát.

Díky inflaci nabyl obrovských rozměrů, byl plochý a velmi hladký. Rovnoměrné rozložení však nebylo absolutní: mezi jednotlivými místy existovaly drobné odchylky v hustotě. V raném vesmíru způsobovaly nepatrné rozdíly v teplotách, které můžeme pozorovat i nyní v tzv. kosmickém mikrovlnném pozadí. Díky těmto odchylkám se některé oblasti vesmíru rozpínaly o něco pomaleji. Po nějaké době jejich rozpínání ustalo, zhroutily se a vytvořily galaxie a hvězdy. Za svou existenci tedy vděčíme právě zmíněným odchylkám. Kdyby byl raný vesmír dokonale hladký, žádné galaxie ani hvězdy by nevznikly a nezrodil by se život.

Velký třesk

Teorie velkého třesku je teorie nebo soustava teorií o vzniku vesmíru. Vědci se snaží své představy podložit důkazy. Většina vědců teorii velkého třesku přijímá.

Cesty vesmírem

Ještě než se na nějakou cestu vůbec vydáme, pojďme si vysvětlit, jak slovům „cesta“ a „vesmír“ rozumíme. Pojmem „vesmír“ ve skutečnosti označujeme „vše, co existuje“. Dějiny astronomie můžeme zároveň brát jako knihu, v níž se v každé další kapitole vesmír zvětšuje. Význam slova „vše“ se tedy postupem času mění.

Většina kosmologů dnes přijímá teorii velkého třesku, podle níž vznikl vesmír přibližně před 14 miliardami let z obrovsky zhuštěného stavu. Znamená to, že vždy dohlédneme pouze do vzdálenosti, kterou od velkého třesku urazilo světlo. Touto vzdáleností je definována velikost pozorovatelného vesmíru.

Jak tedy chápat ono „cestování“? Nejprve si musíme objasnit rozdíl mezi nahlížením do vesmíru a cestováním vesmírem. Nahlížení mají v popisu práce astronomové, a jak uvidíme, jde mimo jiné o pohled zpět v čase. Na cesty vesmírem se vydávají astronauti. Já však mám na mysli ještě cestování v jiném slova smyslu. Při letech ze Země až k hranicím pozorovatelného vesmíru v podstatě kopírujeme dějiny lidských představ o velikosti vesmíru. Pojďme se teď na všechny tři způsoby cestování podívat podrobněji.

Cesta zpět v čase

Astronomové získávají informace z elektromagnetických vln, které se pohybují rychlostí světla (300 000 km za sekundu). Ta je sice extrémně vysoká, limity však má. Astronomové často vyjadřují vzdálenost dobou, za kterou ji překoná světlo. Například od Slunce se k nám světlo dostane za několik minut, od další nejbližší hvězdy mu to ale trvá několik let, od nejbližší velké galaxie (Andromedy) pak miliony let a od nejvzdálenějších galaxií mnoho miliard let.

Zaměříme-li tedy pozorování do větších vzdáleností, nahlížíme zároveň do hlubší minulosti. Galaxii vzdálenou 10 milio-nů světelných let vidíme ve stavu, v jakém byla před 10 mi-liony let. Cesta vesmírem v tomto smyslu tedy není jen cestou prostorem, ale také návratem v čase až k samotnému velkému třesku.

Vše zpětně až k velkému třesku však pozorovat nemůžeme. Raný vesmír byl velmi horký, proto se v něm vytvořila neprostupná mlhovina z částic. Postupným rozpínáním se ochlazoval a teprve přibližně po 380 000 letech od velkého třesku se mlhovina rozplynula. Přesto si můžeme na základě dostupných teorií udělat představu, jak vesmír vypadal ještě předtím. Čím více do minulosti vesmíru jdeme, tím vyšší je jeho hustota a teplota, proto své hypotézy stavíme na teoriích z oboru zvaného fyzika vysokých energií. O dávných podobách vesmíru nám poskytnou poměrně přesný obraz.

Člověk by se mohl domnívat, že cestování časem velkým třeskem skončí. Vědci se však dnes snaží pochopit i fyzikální procesy probíhající před samotným vznikem vesmíru, neboť mechanismus, který stvořil náš vesmír, by v zásadě mohl stvořit i jiné. Někteří lidé se například domnívají, že vesmír prochází cykly rozpínání a smršťování, čímž vznikají další a další vesmíry. Jiní jsou přesvědčeni, že náš vesmír je jen jednou z mnoha „bublin“ rozmístěných v prostoru. Oba názory spadají do „teorie mnohovesmíru“.

Cesta prostorem

Fyzické cestování vesmírem je z důvodu náročnosti na čas mnohem větší výzvou. Fyzik Albert Einstein formuloval dvě významné teorie o prostoru a čase. Ve své speciální teorii relativity (z roku 1905) říká, že se žádná kosmická loď nemůže pohybovat rychleji než rychlostí světla. Přeletět celou galaxii by jí trvalo – alespoň z pohledu pozorovatele na Zemi – minimálně 100 000 let a proletět celým vesmírem 10 miliard let. Ve speciální teorii relativity však Einstein také předpovídá, že pokud jsou pozorovatelé v pohybu, čas jim plyne pomaleji, samotným astronautům by tedy cesta mohla uběhnout daleko rychleji. Kdyby se člověk dokázal pohybovat rychlostí světla, neuplynul by během cesty dokonce žádný čas!

Rychlosti světla žádná vesmírná loď dosáhnout nedokáže, postupným zrychlováním by se ale mohla k maximální rychlosti přiblížit: v lodi by pak uplynul mnohem kratší čas než na Zemi. Pokud by se loď například pohybovala se stejným zrychlením, s jakým vlivem gravitace dopadají tělesa na povrch Země, cesta napříč naší galaxií Mléčné dráhy by pravděpodobně trvala jen nějakých 30 let. Astronaut by se tedy mohl vrátit na Zem ještě za svého života, jeho vrstevníci by ale už v té době byli dávno po smrti. Pokud by opustil galaxii a stále větší rychlostí cestoval celých sto let, mohl by se teoreticky dostat až k hranicím v současnosti pozorovatelného vesmíru!

V další své teorii, obecné teorii relativity (z roku 1915), popsal Einstein ještě neuvěřitelnější možnosti. Astronauti by jednou mohli využívat například červí díry nebo warp pohon, nám dobře známé ze Star Treku či jiných oblíbených sci-fi seriálů, čímž by dosáhli ještě větších rychlostí a po návratu by tu své přátele ještě zastihli. To se však zatím pohybujeme v říši obrovských spekulací.

Cesta dějinami lidských představ o vesmíru

Staří Řekové pokládali za střed vesmíru Zemi a byli přesvědčeni, že planety, Slunce a hvězdy se nacházejí poměrně blízko nás. Geocentrický názor (z řeckého geos = Země) byl vyvrácen v 16. století, kdy Mikuláš Koperník ukázal, že Země a ostatní planety rotují kolem Slunce (řecky helios). Heliocentrický obraz v této podobě však neměl dlouhého trvání. Několik desetiletí po Koperníkovi Galileo Galilei zjistil pomocí dalekohledu, který vynalezl, že Mléčnou dráhu – tehdy považovanou jen za světelný pás na obloze – tvoří velké množství hvězd podobných Slunci. Tento objev jednak připravil Slunce o jeho výsadní postavení, jednak značně rozšířil hranice do té doby známého vesmíru.

V 18. století byl všeobecně přijat názor, že Mléčná dráha (Galaxie) je kotoučem hvězd, které drží pohromadě gravitace. Většina astronomů se však stále domnívala, že mezi Mléčnou dráhou a vesmírem stojí rovnítko. Tento galaktocentrický názor přetrval až do století dvacátého. V roce 1924 změřil Edwin Hubble vzdálenost k nejbližší velké galaxii (Andromedě) a zjistil, že se musí nacházet daleko za Mléčnou dráhou. To znamenalo další výrazný posun našich představ o velikosti vesmíru!

V následujících letech získal Hubble údaje o několika desítkách blízkých galaxií. Vyplynulo z nich, že se všechny galaxie pohybují směrem od nás, a to rychlostí úměrnou vzdálenosti mezi námi. Dobře si to můžeme ilustrovat, když si rozpínání vesmíru představíme jako nafukování balonku, na který jsme předtím nakreslili jednotlivé galaxie. Rozpínání vesmíru popisuje Hubbleův-Lemaîterův zákon, u kterého byla ověřena platnost do vzdálenosti desítek miliard světelných let, tedy pro prostor obsahující stovky miliard galaxií. Své představy o velikosti vesmíru jsme tedy opět museli zásadně poupravit!

Z kosmocentrického pohledu (cosmos = vesmír) je tento poslední posun ve vnímání velikosti vesmíru považován za konečný. Rozpínání vesmíru totiž znamená, že čím dále do minulosti jdeme, tím jsou k sobě galaxie blíže, až nakonec splynou. Pak dále roste hustota až k velkému třesku před 14 miliardami let. Nikdy nedohlédneme dále než do vzdálenosti, kterou od té doby urazilo světlo. V poslední době jsme však uskutečnili zajímavá pozorování. Očekávali bychom, že rozpínání vesmíru se vlivem gravitace bude zpomalovat, ovšem ukazuje se, že ve skutečnosti dochází k pravému opaku. Z teorií, které tento jev vysvětlují, vyplývá, že náš pozorovatelný vesmír by mohl být součástí mnohem větší „bubliny“. A celá tato bublina by mohla být jen jednou z mnoha dalších bublin!

A co dál?

Všechny tři naše cesty – cesta zpět v čase, cesta napříč vesmírem a cesta po stopách dějin lidského myšlení – mají tedy společný konečný bod: vesmíry, které nemůžeme pozorovat. Můžeme do nich nahlížet pouze prostřednictvím teorií a navštěvovat je jen ve své fantazii!

Albert Einstein

(1879–1955)

Fyzik a matematik Albert Einstein se narodil v Německu, rodina se ale přestěhovala nejdříve do Itálie a poté do Švýcarska. O vědu se zajímal od raného dětství – v pěti letech ho nadchl kompas a skutečnost, že ručička ukazuje stále stejným směrem. Ve dvanácti letech si sám osvojil znalosti algebry a geometrie.

V roce 1905 ve věku šestadvaceti let publikoval tři vědecké práce. Jedna z nich nesla název „O elektrodynamice pohybujících se těles“, známější je ale jako „speciální teorie relativity“. O deset let později, v roce 1915, formuloval svoji „obecnou teorii relativity“.

Jako Žid se Einstein v prosinci 1932, měsíc před nástupem Adolfa Hitlera do funkce kancléře, vzdal německého občanství. Odešel do USA a prožil tam zbytek života. Byl pacifista, protestoval proti atomové bombě, toužil po míru mezi všemi národy a jedné celosvětové vládě.

V roce 1921 získal Nobelovu cenu za fyziku. Mnozí ho považují za největšího matematika a fyzika všech dob.

Einsteinovy teorie

Speciální teorie relativity

Vše ve vesmíru se pohybuje. Relativita popisuje souvislosti mezi prostorem, časem a pohybem. Ve své speciální teorii relativity Einstein předpovídá, že rychlost světla ve vakuu je pro všechny pozorovatele stejná, ať je zdroj světla v jakémkoli pohybu. Pro pozorovatele vůči sobě v rovnoměrném pohybu také platí stejné fyzikální zákony. Teorie přináší několik zajímavých závěrů, například ten, že energie a hmotnost jsou zaměnitelné a že nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo. Z této teorie vychází Einsteinova slavná věta:

E = mc2

Obecná teorie relativity

Tato teorie se týká gravitace. Einstein tvrdí, že hmota v prostoru deformuje prostor kolem sebe – zakřivuje ho. Právě zakřiveníje tím, co považujeme za gravitaci. Geometrie, jak ji běžně známe, funguje ale pouze pro rovinné útvary, nelze ji aplikovat na zakřivený prostor. Obecná teorie relativity popisuje, jak gravitace ovlivňuje čas i prostor.

Stejnorodost ve vesmíru

Chceme-li aplikovat obecnou teorii relativity na vesmír jako celek, vycházíme obvykle z následujících předpokladů:

Všechna místa ve vesmíru by se měla chovat stejně (homogenita).

Vesmír by měl všemi směry vypadat stejně (izotropie).

Na jejich základě dojdeme k obrazu vesmíru, který:

je v prostoru homogenní,

má prvopočátek ve velkém třesku

a následně se rovnoměrně rozpíná.

Takový obraz má silnou podporu i v astronomických pozorováních, tedy v tom, co ve vesmíru vidíme dalekohledy umístěnými na Zemi i ve vesmíru.

Prostorová stejnorodost vesmíru však nemůže být absolutní, protože v takovém případě by nic jako galaxie, hvězdy, sluneční soustavy, planety nebo lidé nemohlo existovat. Srážky prvních shluků plynu a temné hmoty a následný vznik hvězd a planet díky působení fyzikálních zákonů není možné vysvětlit jinak než tím, že dokonalou jednolitost narušily drobné vlnky.

Protože plyn a temná hmota jsou na počátku téměř homogenní a protože věříme, že všude platí stejné fyzikální zákony, domníváme se, že i ostatní galaxie vznikají obdobným způsobem. Ve vzdálených galaxiích by se tedy měly vyskytovat typy hvězd, planet, asteroidů a komet podobné těm, které můžeme pozorovat v naší Mléčné dráze.

Dosud nám není úplně jasné, odkud se drobné vlnky na počátku vzaly. Podle v současnosti nejpravděpodobnější teorie je vyvolaly mikroskopické kvantové vibrace. Ty zesílily během velmi prudkého úvodního rozpínání vesmíru zvaného inflace, které proběhlo v nepatrném zlomku první sekundy po velkém třesku.

Více informací o temné hmotě najdeš na stranách 20 a 191.

Edwin Hubble

(1889–1953)

Americký astronom Edwin Hubble na škole vynikal v atletice, dobré známky měl ale s výjimkou pravopisu i z ostatních předmětů. Jako astronom působil na observatoři Mount Wilson v Kalifornii. V roce 1923 pozoroval obrovským Hookerovým dalekohledem o průměru 2,5 m mlhovinu v Andromedě. Objevil zvláštní druh hvězd, tzv. cefeidy, díky kterým zjistil, že mlhovina v Andromedě je od Země vzdálena 900 000 světelných let. Jelikož poloměr naší Galaxie je 52 850 světelných let, bylo jasné, že musí ležet mimo Mléčnou dráhu a že je ve skutečnosti Galaxií v Andromedě. Tento první objev jiné galaxie naznačil, že vesmír se skládá z mnoha dalších galaxií. Některé z nich později objevil také Hubble. Vypracoval systém klasifikace galaxií podle tvaru a zjistil, že čím je galaxie od Sluneční soustavy dále, tím rychleji se pohybuje.

Později sice vědci pomocí výpočtů přišli na to, že Andromeda je od nás vzdálená dva miliony světelných let, přesto byl Hubbleův objev průlomový a dokázal, že Andromeda se nachází mimo naši Galaxii.

Teorie všeho

Už od začátku dějin se lidé rozhlížejí, snaží se pochopit ty úžasné věci, které kolem sebe vidí, a ptají se:

• Co je to za věci?

• Proč se pohybují a proměňují právě takhle?

• Byly tu vždycky?

• Co nám říkají o důvodech naší existence na Zemi?

Vědecky podložené odpovědi jsme schopni nabízet teprve v posledních několika stoletích.

Klasická teorie

V roce 1687 zveřejnil významný anglický matematik a fyzik Isaac Newton zákony pohybu popisující působení sil na pohyb těles. Publikoval také gravitační zákon, který říká, že každé těleso ve vesmíru přitahuje všechna ostatní silou zvanou gravitační, což vysvětluje nejen to, proč nespadneme z povrchu Země nebo proč Země obíhá kolem Slunce, ale také vznik planet a hvězd. Ve světě hvězd, planet a galaxií hraje gravitace roli architekta, který dává podobu impozantní struktuře celého vesmíru. Při umisťování satelitů na oběžnou dráhu a vysílání kosmických lodí k jiným planetám si s Newtonovými zákony vystačíme dodnes. Pro manipulaci s velmi rychlými a velmi robustními tělesy však potřebujeme teorie novější, například Einsteinovu teorii relativity. Ještě jiné teorie pak vysvětlují chování nepatrných zlomků hmoty, jako jsou atomy a částice.

Zákony pohybu

1. Nepůsobí-li na částici žádné vnější síly, setrvává v klidu nebo se pohybuje po přímce konstantní rychlostí.

2. Zrychlení pohybující se částice je přímo úměrné velikosti vnější síly a má s touto silou stejný směr.

3. Částice na sebe vzájemně působí stejně velkou silou opačného směru.

Gravitační zákon

Každá částice ve vesmíru přitahuje každou jinou částici silou směřující podél spojnice mezi nimi. Velikost síly je přímo úměrná hmotnosti obou částic a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzájemné vzdálenosti.

Sir Isaac Newton

(1642–1727)

Isaac Newton byl anglický matematik a fyzik. Jako dítě přišel o otce, vychovávala ho babička. Ve škole ho nadchla výroba slunečních a vodních hodin. Všeobecně známá historka, jak v sadu pozoroval jablko padající ze stromu a inspirovalo ho to k vypracování gravitačních zákonů, se nutně nezakládá na pravdě, faktem naopak je, že téměř všechny své univerzální zákony o gravitaci zformuloval ještě před třiadvacátým rokem života.

Vypozoroval dále, že pomocí optického hranolu můžeme bílé světlo rozložit na jednotlivé barvy. Sestavil také nový typ dalekohledu. Ačkoli se mezi tehdejšími vědci a matematiky těšil všeobecné známosti, své práce publikoval až ke konci života. Dvakrát byl za univerzitu v Cambridge zvolen poslancem parlamentu, v roce 1705 ho královna povýšila do rytířského stavu.

Kvantová teorie

Klasické teorie se dají dobře aplikovat na velká tělesa, jako jsou galaxie, auta, ale třeba i bakterie. Nevysvětlují však, jak fungují atomy. Ve skutečnosti dokonce tvrdí, že atomy existovat nemohou! Na počátku 19. století si fyzikové uvědomili, že potřebují vyvinout zcela novou teorii, která by vysvětlovala vlastnosti velmi malých částí, jako jsou atomy nebo elektrony. Právě to dělá kvantová teorie. Verzi shrnující naše dosavadní poznatky o elementárních částicích a silách nazýváme „standardním modelem“. Operuje s kvarky a leptony (částicemi hmoty), zprostředkujícími částicemi (gluony, fotony, bosony W a Z) a Higgsovým bosonem (potřebným pro vysvětlení části hmotnosti ostatních částic). Mnozí z vědců považují tento model za příliš komplikovaný a volají po jednodušším.

Otázkou je, kde má v tomto modelu místo temná hmota ,kterou objevili astronomové. A co gravitace? Částice, která by měla zprostředkovat gravitační sílu, se nazývá graviton. Do standardního modelu ji však není snadné přidat, protože gravitace je významně odlišná – mění zakřivení časoprostoru.

Teorie vysvětlující všechny síly a všechny částice – tedy teorie všeho – se bude pravděpodobně od dosud známých teorií zásadně lišit, jelikož se bude muset zabývat jak časoprostorem, tak gravitací. Pokud vznikne, měla by vysvětlovat fyzikální fungování celého vesmíru, včetně středů černých děr, velkého třesku a vzdálené budoucnosti kosmu. Podaří-li se ji zformulovat, bude to velkolepý úspěch.

Temná hmota

Temná hmota je hypotetická forma hmoty. Vesmír se chová způsobem, který nelze vysvětlit množstvím viditelné hmoty. Objasnitelný by byl, kdyby Galaxie byla přibližně desetkrát větší, než se nám jeví. Vědci nevědí, co dalšího by mohlo být přítomno, nic jiného nevidí, proto chybějící část nazývají temnou hmotou. Mohou to být částice, menší slabé hvězdy nebo černé díry. Někteří odborníci se domnívají, že temná hmota může být horká, jiní jsou přesvědčeni o opaku. Diskuse i výzkum probíhají dál.

Max Planck

(1858–1947)

Max Planck byl německý matematik a fyzik. Jelikož výborně zpíval a hrál na klavír, varhany i violoncello, mohl se stejně dobře stát hudebníkem, rozhodl se ale pro vědeckou dráhu. Zabýval se termodynamikou, tedy studiem toho, jak tělesa přijímají či pohlcují tepelnou energii a jak ji vydávají či vyzařují. Ve své publikaci o kvantové teorii z roku 1900 Planck vyslovuje hypotézu, že energie je pohlcována nebo vyzařována v malých dávkách, tzv. kvantech. Planckova práce inspirovala v roce 1905 Alberta Einsteina ke zformulování vlastní podobné teorie o světle. V roce 1918 získal Max Planck Nobelovu cenu za fyziku.

Velký třesk

Představ si, že se těsně po vzniku vesmíru ocitáš v jeho středu (mimo něj by ostatně nebylo možné existovat). Vyžaduje to od tebe velkou odolnost, protože teploty a tlaky v tomhle mišmaši po velké třesku jsou extrémně vysoké. Veškerá hmota, kterou dnes vidíme kolem sebe, je stlačena do prostoru mnohem menšího než atom.

Od velkého třesku uběhl teprve zlomek sekundy. Ať se podíváš jakýmkoli směrem, všude to vypadá stejně. Žádná ohnivá koule se neřítí ven, je tu jen žhavá kapka hmoty vyplňující veškerý prostor.

Co je to za materiál? To nedokážeme s určitostí říct – mohou ho tvořit nám už neznámé typy částic, mohou to být i malé smyčky „strun“, rozhodně to však je materiál „exotický“, který dnes už nikde neuvidíme, ani v našich největších částicových urychlovačích.

O částicových urychlovačích se dočteš na str. 91.

Hned po velkém třesku se tato kapka velmi horké exotické hmoty začne rozpínat, současně se zvětšuje i celý prostor, který vyplňuje. Hmota se směrem od tebe rozlévá do všech stran a kapka řídne.

Čím je od tebe hmota dál, tím je mezi vámi více prostoru a tím rychleji se proto hmota vzdaluje.

V této první sekundě po velkém třesku probíhá velkou rychlostí celá řada složitých procesů. Díky rozpínání malého vesmíru může horká exotická tekutina chladnout. To je příčinou náhlých změn podobných těm, ke kterým dochází při ochlazování vody a její přeměně v led.

Raný vesmír je stále mnohem menší než atom. Jedna ze změn v tekutině vede k prudkému zrychlení rozpínání (tzv. inflaci). Velikost vesmíru se zdvojnásobí, pak se zdvojnásobí znovu a znovu, a tak dále, dokud se jeho velikost asi devadesátkrát nezdvojnásobí (tedy celkem 290-x větší než na počátku). Ze subatomárního měřítka dorůstá do lidského. Díky obrovskému napínání se vyrovnávají všechny nerovnosti materiálu – podobně jako když napínáš prostěradlo na posteli –, takže nakonec tu máme vesmír nesmírně hladký a všemi směry téměř stejný.

Zároveň se však v tekutině roztahují a mnohonásobně zvětšují mikroskopické vlnky, které později vyvolají vznik hvězd a galaxií.

Inflace končí velmi prudce, čímž se uvolní velké množství energie a vytvoří nové částice. Exotická hmota je pryč a místo ní se objevují známější částice, jako jsou kvarky (stavební kameny protonů a neutronů, ačkoli ty kvůli vysokým teplotám zatím vzniknout nemohou), antikvarky, gluony (které poletují mezi kvarky a antikvarky), fotony (částice, ze kterých se skládá světlo), elektrony a fyzikům dobře známé další částice. Může jít také o částice temné hmoty, o kterých jsme přesvědčeni, že nutně vzniknout musí, jen zatím nevíme, co jsou přesně zač.

Kam se exotická hmota poděla? Část z ní byla během inflace odmrštěna pryč od nás do oblastí vesmíru, které zřejmě nikdy nespatříme, část se při poklesu teploty rozpadla na méně exotické částice. Hmota kolem nás je teď mnohem chladnější a řidší, stále však o hodně teplejší a hustší než v současnosti kdekoli ve vesmíru (včetně hvězdných jader). Vesmír vyplňuje horká, světélkující mlha (zvaná plazma) složená převážně z kvarků, antikvarků a gluonů.

Při vzájemné reakci dvou částic s různými počty elektronů vzniká tzv. iontová vazba a částice získávají kladný nebo záporný elektrický náboj.

Rozpínání pokračuje dál (mnohem pomaleji než při inflaci) a teplota nakonec klesne natolik, že se kvarky a antikvarky začnou vázat do skupin po dvou nebo po třech a vytváří protony, neutrony a další částice – tzv. hadrony. Vesmír je teď stár jednu sekundu a skrz světélkující mlžné plazma toho stále ještě není moc vidět.

Během několika následujících sekund se začnou objevovat ohňostroje, protože většina do této chvíle vytvořené hmoty a antihmoty se vzájemně ničí a vzniká záplava nových fotonů. Mlhu nyní tvoří hlavně protony, neutrony, elektrony, temná hmota a (zejména) fotony. Nabité protony a elektrony však znemožňují fotonům pohyb do velkých vzdáleností, proto je viditelnost v této rozpínající se a chladnoucí mlze stále mizivá.

Antihmota

Antihmotu tvoří stejné částice jako běžnou hmotu, avšak vše s nimi spojené – včetně jejich elektrického náboje – je opačně. Setká-li se běžná hmota a antihmota, vzájemně se zničí.

Ve vesmíru starém několik minut se přeživší protony a neutrony spojí a vytvoří atomová jádra, z nichž vzniknou především vodík a helium. Ty jsou dosud nabité, takže mlha je i nadále neprostupná. V tomto okamžiku je mlhovitá hmota stejná jako ta, kterou bychom dnes našli uvnitř hvězd, vyplňuje ale celý vesmír.

Po překotném dění v prvních minutách existence zůstává vesmír po několik dalších stovek tisíc let v zásadě neměnný, pouze se dál rozpíná a ochlazuje a horká mlha řídne, slábne a rudne, protože vlnové délky světla se rozpínáním prostoru natahují.

Po 380 000 letech, během nichž se část vesmíru, kterou budeme časem moci pozorovat ze Země, rozrostla do velikosti milionů světelných let, se mlha konečně rozplyne – elektrony se zachytí na jádrech vodíku a helia a vzniknou celé atomy. Elektrické náboje elektronů a jader se vzájemně vyruší, atomy tedy nejsou nabité a nebrání fotonům ve volném pohybu. Vesmír se stává průhledným.

Co po tak dlouhém čekání v mlze spatříš? Ať se koukneš jakýmkoli směrem, vidíš pouze slábnoucí červenou záři, která postupně rudne a pohasíná, protože rozpínáním prostoru se dále prodlužují vlnové délky fotonů. Nakonec světlo zmizí úplně a všude se rozhostí tma – ocitáme se v době kosmického temna.

Fotony z poslední záře se ve vesmíru pohybují dodnes a jsou čím dál červenější. Dnes je lze pozorovat v podobě takzvaného kosmického mikrovlnného pozadí a na Zem přicházejí z oblohy ze všech směrů.

Období kosmického temna trvá několik set milionů let a není během něj opravdu vidět vůbec nic. Vesmír je stále zaplněn hmotou: z velké většiny je to však temná hmota a zbytek tvoří plyny vodík a helium, přičemž nic z toho nevytváří nové světlo. V temnotě však potichu probíhají změny.

Působením mikroskopických vlnek zesílených inflací obsahují některé části vesmíru lehce nadprůměrné množství hmoty. To zvyšuje jejich gravitační sílu a přitahuje další hmotu, přičemž temná hmota, vodík a helium, které se zde již nacházejí, jsou přitahovány blíže k sobě. Vlivem zvýšené gravitace se v průběhu milionů let pomalu formují husté shluky temné hmoty a plynu, které přitahováním další hmoty postupně zvětšují svůj objem a čím dál rychleji se srážejí a splývají s jinými shluky. Se zvětšujícím se množstvím plynu se pohyb atomů v těchto shlucích zrychluje a roste teplota. Čas od času se plyn zahustí natolik, že se zhroutí, stačí-li se ovšem ochladit vyzařováním fotonů nebo nedojde-li ke stlačení při srážce s jiným shlukem hmoty.

Zhroutí-li se plynný oblak dostatečně, rozpadne se na kulovité kapky s natolik vysokou hustotou, že teplo zevnitř již nemůže unikat ven. Po nějaké době jsou jádra vodíku ve středu kapek tak horká a stlačená k sobě, že dojde k jejich fúzi (spojení) do jader helia a uvolnění jaderné energie. Jak si tak sedíš uvnitř jednoho z těchto hroutících se oblaků temné hmoty a plynu (protože právě zde bude jednou existovat galaxie, ve které se nachází Země), možná tě zaskočí, když okolní temnotou pronikne některá z blízkých kapek a rozzáří se jasným světlem. To se právě zrodila jedna z prvních hvězd. Věk kosmického temna je u konce.

Rané hvězdy rychle spalují vodík, přičemž v konečné fázi své existence propojují všechna jádra, která jsou uvnitř, a vytváří z nich atomy těžší než helium: uhlík, dusík, kyslík a jiné těžší atomy, které jsou dnes všude kolem nás (a v nás). Tyto atomy se při velkých explozích rozptýlí ve formě popela zpět do blízkých oblaků plynu a později se stávají součástí další generace hvězd. Proces pokračuje dál – z nahromaděného plynu a popela vznikají nové hvězdy, i ty ale zanikají a znovu po sobě zanechávají popel. Se vznikem mladších hvězd se formuje známý spirálovitý tvar naší galaxie – Mléčná dráha. Totéž se děje v obdobných shlucích temné hmoty a plynu rozesetých po celém viditelném vesmíru.

Za dalších 4,5 miliardy bude platit, že v pořadí třetí planeta od této hvězdy je pravděpodobně stále jediným místem ve známém vesmíru, kde mohou pohodlně žít lidé. Tito lidé – tedy i ty – uvidí hvězdy, oblaka plynu a prachu, galaxie a kosmické mikrovlnné pozadí všude na obloze, ne však temnou hmotu, která ve vesmíru převažuje. Stejně tak neuvidí žádnou z částí, ze které fotony mikrovlnného záření dosud nedorazily. Opravdu mohou existovat oblasti vesmíru, z nichž se na naši planetu světlo nikdy nedostane.

Rozpínání vesmíru

Astronom Edwin Hubble pozoroval noční oblohu dalekohledem o průměru 2,5 metru z observatoře Mount Wilson v Kalifornii. Zjistil, že některé mlhoviny – rozmazané, světélkující skvrny na noční obloze – jsou ve skutečnosti stejně jako naše Mléčná dráha galaxiemi (mohou mezi nimi být obrovské rozdíly ve velikosti) a každá z nich obsahuje miliardy hvězd. Hubble také učinil pozoruhodný objev: ostatní galaxie se od nás vzdalují, a to tím větší rychlostí, čím jsou od nás dále. Z našeho pohledu se vesmír náhle neskutečně rozšířil.

A rozpínání pokračuje: postupem času se vzdálenosti mezi galaxiemi dál zvětšují. Zkus si vesmír znovu představit jako balonek, na který jsme znázornili galaxie jako skvrny. Jak budeme balonek nafukovat, skvrny neboli galaxie se od sebe začnou vzdalovat a čím od sebe budou dále, tím se budou vzdalovat rychleji.

Rudý posuv

Rozžhavené vesmírné objekty, jako jsou například hvězdy, vydávají viditelné světlo. Z důvodu rozpínání vesmíru se však vzdálené hvězdy a jejich domovské galaxie od Země vzdalují a vlnová délka jejich světla putujícího vesmírem se tak prodlužuje – čím delší vzdálenost musí světlo urazit, tím větší je jeho vlnová délka, a nám proto připadá červenější. Tomuto jevu říkáme kosmologický rudý posuv.

Raná atmosféra

✦ Zemská atmosféra neměla vždy dnešní podobu. Kdybychom se vrátili zpět v čase o 3,5 miliardy let (Země měla v té době za sebou přibližně miliardu let existence), nemohli bychom tu dýchat.

✦ Atmosféra před 3,5 miliardy let neobsahovala žádný kyslík. I když složení neznáme přesně, víme, že ji tvořil převážně dusík, vodík, oxid uhličitý a metan. Jisté je, že v tomto období docházelo k obrovským sopečným erupcím, kdy se do atmosféry uvolňovala pára, oxid uhličitý, amoniak a sirovodík. Ten páchne po zkažených vejcích a ve velkém množství je jedovatý.