Vesmír a kosmologické koncepce v proměnách času

Od druhého století až po počátek novověku dominovala geocentrická představa astronoma Ptolemaia Alexandrijského, který pomocí inovativních geometrických nástrojů (epicyklů) dokázal poměrně přesně předpovídat polohy planet v přesvědčení, že Země je nehybným středem vesmíru, a měsíc, planety i Slunce obíhají kolem ní (Grygar 1999, s. 13).

Konkurenční teorii (ale mnohem méně vlivnou) zastával Aristarchos ze Samu, který se už ve třetím století před naším letopočtem domníval, že Zeměkoule a ostatní planety obíhají kolem Slunce (skutečného středu vesmíru) [2] (Weinberg 2016 s. 84). Slavný filozof Aristoteles byl významným předchůdcem Ptolemaiovy koncepce, a jelikož měl později značný vliv na středověké myšlení, přetrvaly jeho myšlenky (i jeho omyly) až do počátku novověku.

Je zajímavé, kolik současných popularizátorů vědy připomíná, jak špatný vliv na vývoj moderní přírodovědy měly omyly starověkých Řeků (zejména Aristotela), kteří byli nepochybně na svou dobu znamenitými dramatiky, básníky, logiky, matematiky či filozofy, ale poměrně neúspěšnými přírodovědci [3], jakkoli to bylo právě antické Řecko, kde se přírodovědné poznání začalo systematicky formovat (srv. Weinberg 2016 s. 38; Hooking 2007 s. 27; Grygar 1989 s. 14).

První kosmologický model, se kterým seznamuji žáky jako úvod k tématu Vesmír:

1. Kosmologická koncepce podle Aristotela (antika, evropský středověk):

    Žáci jsou seznámeni s modelem, ve kterém platí:

• Země je kulatá.
• Země je středem vesmíru.
• Sféra stálic se otáčí kolem nehybné Země, a také Měsíc, Slunce a planety obíhají okolo Země.
• Vesmír představují sféry, tedy kulové plochy [4], které v soustředných vrstvách obklopují Zemi a na nich jsou umístěna vesmírná tělesa jako Měsíc, Slunce, planety a hvězdy stálice. V nadlunárních sférách neplatí stejná fyzika jako na Zemi (ta na Zemi je „nedokonalá“, zatímco fyzika sfér je ideální. A dokonalá je i látka (éter) tvořící tělesa v nadlunárních sférách.
• Vesmír je konečný [5], ukončený poslední sférou stálic.
• Antičtí Řekové ani starověcí učenci naprosto netuší, jaká je skutečná podstata hvězd či planet.

Ilustrační (zjednodušená) ukázka modelu vesmíru podle představ starověkých Řeků:

Další vývojový stupeň koncepcí vesmíru představuje model sluneční soustavy Johannese Keplera, jako vrchol vývoje revolučních heliocentrických modelů sluneční soustavy po Koperníkovi. Samotná koncepce Mikuláše Koperníka obsahovala převratnou představu, že Země – podobně jako jiné planety – obíhá kolem Slunce. Teorii vesmíru se mu ovšem nepodařilo příliš zjednodušit a zbavit ji obtížných geometrických pomůcek (epicyklů), které uměle upravovaly dráhy planet tak, aby model umožnil předpovídat jejich budoucí polohy.

Kepler model sluneční soustavy výrazně zjednodušuje tím, že předkládá objev skutečných tvarů trajektorií planet. Jsou to elipsy (podobné kružnicím), a v jednom společném ohnisku trajektorií všech planet se nachází Slunce (druhé ohnisko je prázdné). Kepler předkládá velmi kvalitní kinematický popis sluneční soustavy, ale stále ještě chybí uspokojivý dynamický výklad. Dosud není jasné, co je příčinou (pohonem) pro pohyb planet.

2. Kosmologická koncepce podle Johannese Keplera

    Žáci jsou seznámeni s modelem, ve kterém platí:

• Planety (včetně Země) obíhají kolem Slunce.
• Planety se pohybují po eliptických trajektoriích (Slunce není ve středu, ale v jednom z ohnisek elips).
• Není ještě známo, proč se planety pohybují.
• Není ještě jasné, jaká je povaha Slunce a hvězd.

Na Johannese Keplera navazuje Isaac Newton, který revolučně proměňuje celý obor fyziky. Jedním z jeho největších objevů je gravitační zákon, ze kterého vyplývá, že za pohyb planet i Měsíce zodpovídá stejná síla, která způsobuje, že běžná tělesa padají svisle ke středu Země (Newton sjednocuje „pozemskou a nebeskou“ fyziku). Newton pomocí gravitačního zákona uspokojivě vysvětluje dynamiku sluneční soustavy a dokazuje, že za eliptický tvar trajektorií planet zodpovídá radiální gravitační síla.

Formuluje pohybový zákon setrvačnosti [6], který je důležitým nástrojem pro pochopení, že planety (které nejsou zpomalovány odporem prostředí), mají-li dostatečnou počáteční rychlost, nepotřebují ke svému dalšímu pohybu žádný „pohon“.

Už Giordano Bruno přišel s koncepcí prostorově nekonečného vesmíru, tato koncepce se pak objevuje u René Descarta i v Newtonovské fyzice. Později se mezi vzdělanci ujme představa, že vesmír je nekonečný nejen v prostoru, ale i v čase (vždycky tady byl a vždycky tady bude).

3. Kosmologická koncepce podle Newtonovské fyziky                                    

    Žáci jsou seznámeni s modelem, ve kterém platí:

• Platí všeobecný gravitační zákon (všechna tělesa se vzájemně přitahují gravitační silou). Na Zemi platí stejná fyzika jako ve vesmíru.
• Planety se pohybují kolem Slunce po eliptických trajektoriích, což je důsledkem platnosti gravitačního zákona a pohybových zákonů.
• Planety pro svůj pohyb nepotřebují žádný vnější „pohon“.
• Vesmír je prostorově nekonečný.
• Slunce je hvězda.
• Stále není uspokojivě vysvětlena fyzikální povaha hvězd.

Newtonovská fyzika, tedy fyzika ukotvená v paradigmatu, které vymezil Newton, se rozvíjí dvě stě let, dokud nenarazí na své meze, tedy na problémy, které není schopná vysvětlit. Postupně je nahrazována novým fyzikálním paradigmatem, které má na jedné straně teoretický základ v obecné teorii relativity, a na druhé straně v teorii kvantové fyziky. U z rodu obou teorií (u první zmíněné výhradně) stojí Albert Einstein.

Jak se ukáže, z obecné teorie relativity vyplývá, že vesmír nemůže být stabilní, že se v čase rozpíná. Později je toto rozpínání pozorováno. Když byly objeveny cizí galaxie, ukázalo se, že se jejich světlo posouvá do červeného spektra. Vysvětlením je Dopplerův jev a důsledkem je zjištění, že se galaxie vzájemně vzdalují. Na počátku těchto objevů stáli především vědci Alexandr Fridman, Edwin Hubble a Georges Edouard Lemaître. Jestliže se vesmír rozpíná, musel být kdysi „hustší“ a teplejší.

Postupně se utváří tzv. teorie velkého třesku, tedy kosmologická koncepce, podle které vesmír (prostor i čas) vznikl před přibližně 13,7 miliardami let událostí, kterou dnes nazýváme Velký třesk. Tato teorie nebyla zpočátku vědci příliš přijímána (sám pojem Velký třesk byl vymyšlen fyzikem Fredem Hoylem jako posměšné označení teorie). Když však začala přibývat empirická data potvrzující tuto teorii, začala být uznávána, a dnes již představuje teorii všeobecně přijímanou astronomy i fyziky. 

4. Kosmologická koncepce Velkého třesku                                   

    Žáci jsou seznámeni s modelem, ve kterém platí:

• Vesmír je konečný v čase v tom smyslu, že má svůj počátek před 13,7 miliardami let.
• Vesmír se neustále rozpíná a chladne.

Další kosmologické poznatky už souvisí s konkrétním učivem pro téma Vesmír (hvězdy):

• Vesmír se vyvíjí. První chemické prvky (téměř výhradně vodík a helium, v minimálním množství také lithium) vznikly po velkém třesku. Ostatní prvky vznikly později ve hvězdách a do volného vesmíru je dostaly až výbuchy supernov.
• Existují kvalitní teorie k fyzikálnímu popisu povahy hvězd a mnoha dalších vesmírných objektů (galaxie, černé díry, neutronové hvězdy, atd.).
• V kosmologické teorii vesmíru se objevují závažné, zatím nevyřešené problémy s takzvanou „temnou hmotou“ a „temnou energií“.

Závěr

Učivo zaměřené na jednotlivé etapy vývoje kosmologických koncepcí má svůj význam nejen jako ukázka proměn fyzikálních paradigmat na základě nahromaděných empirických poznatků o přírodním světě, ale také pomáhá žákům pochopit proměny myšlení lidí v historických kontextech. Tento rozměr fyziky může být užitečný i při studiu humanitních oborů, jakými jsou historie, filozofie či literatura.

[1] Filozof Thalés z Milétu se někdy v šestém století před naším letopočtem domníval, že plochá Země pluje na oceánu. Aristoteles ve čtvrtém století před naším letopočtem už ví, že je Země kulatá (bylo pozorováno, že Země vrhá kulatý stín na Měsíc).

[2] Aristarchos měl správnou fyzikální intuici. Vypozoroval (ze stínu Země na Měsíci), že Slunce je mnohokrát větší než Země, a přišlo mu rozumnější, aby vše obíhalo spíše kolem Slunce.

[3] Světlou výjimku samozřejmě představuje například velký praktik Archimédes.

[4] Není vždy jasné, z jakého materiálu měly vesmírné sféry být. Někdy se uvádí, že to jsou pevné křišťálové plochy, jindy je materiálem éter (a skupenství je nejasné).

[6] Před Newtonem zákon setrvačnosti formuluje už René Descartes.

Literatura a použité zdroje

GRYGAR, J.; ŽELEZNÝ, V. Okna vesmíru dokořán. 1. vyd. Praha: Naše Vojsko, 1989. ISBN 80-206-0126-0.

GRYGAR, J. Vesmír jaký je. 1. vyd. Praha: Mladá fronta, 1999. ISBN 80-204-0637-9.

HAWKING, S. Stručná historie času. 2. vyd. Praha: Argo, 2007. ISBN 978-80-7203-946-3.

WEINBERG, S. Jak vyložit svět (objevování moderní vědy). 1. vyd. Bratislava: Slovart, 2016. 430 s. ISBN 978-80-7529-008-3.