Neviditelný čert

Předchozí část o vývoji modelů vesmíru, v níž na Aristotela navázal Klaudios Ptolemaios a po něm to dovršil svou revoluční hypotézou Mikuláš Koperník, byla zakončena konstatováním, že k dalšímu pokroku je třeba do hry zařadit fyzikální teorii, která bude schopná dostatečně precizně popsat pohyb nebeských těles. Tuto fázi odstartoval Isaac Newton svým gravitačním zákonem a třemi pohybovými zákony. Na astronomické scéně 18. století se však nejdříve objevil Thomas Wright, jehož přírodovědné, natožpak fyzikální vzdělání nedosahovalo nijaké zvláštní úrovně. Byl to však právě on, který jako první pochopil, že ty mlhavé obláčky, které byly pozorovány tehdejšími dalekohledy na noční obloze, mohou být stejně jako Mléčná dráha galaxie. Tuto představu skvělým způsobem rozvinul Immanuel Kant, jenže pak se na scéně objevil Pierre Laplace a na čas ji poslal k ledu. 

Lucifer

V období následujícím po Koperníkovi byl jeho heliocentrický obraz postupně vylepšován a nakonec jej matematicky popsal jistý mladý rodák z Lincolnshiru – Isaac Newton (1643-1727). Newtonův gravitační zákon a jeho tři pohybové zákony dominovaly dalších 250 let pohledu fyziků a inženýrů na svět. Někdejší obrazný popis pohybu se díky těmto zákonům změnil v přesný matematický popis, poskytující rovnice („zákony změny“), jejichž řešení („účinky zákonů“) úspěšně předpovídala to, co se v průběhu času pozoruje, například pohyb Měsíce a planet. Z těchto zákonů také vyplynulo, že planeta se kolem Slunce nepohybuje po kruhové dráze, jak předpokládal Koperník, nýbrž po dráze eliptické, a Slunce se nachází v jednom z ohnisek této elipsy.

Odbočka: Znění oněch tří pohybových zákonů můžete nalézt kupříkladu na Wikipedii (česky pod Newtonovy pohybové zákony, anglicky pod Newton's laws of motion). Ti, kteří ovládají angličtinu, si mohou u prvního pohybového zákona, Zákona setrvačnosti, všimnout rozdílu mezi českou a anglickou verzí. Zatímco v české verzi se praví, že „…těleso setrvává v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu“, v anglické se praví, že „… těleso setrvává v klidu nebo se pohybuje konstantní rychlostí“. To je dost zásadní rozdíl, na který nás studenty fyzikálního oboru na Masarykově univerzitě v Brně upozornil profesor Martin Černohorský.

V původní latinské verzi tohoto zákona od samotného Newtona, která je uvedená stejně jako u obou ostatních zákonů v české verzi na Wikipedii, se praví, že těleso setrvává v klidu nebo „movendi uniformiter in directum“, což se dá přeložit tak, že se pohybuje přímočaře, ale taky že se pohybuje v daném směru. Když Newton formuloval svoje zákony pohybu, vnímal zřejmě jakékoli těleso jako hmotný bod a uvažoval pouze o jeho translačním pohybu. Pokud však bude těleso rotovat na místě, bez přímočarého pohybu, v nějaké inerciální soustavě a nebude na něj působit žádná síla, pak bude rotovat i nadále stejnou rychlostí. Těleso se tedy nenachází v klidu, ale nepohybuje se ani přímočaře. Dalo by se to říct tak, že jeho rychlost zůstane stejná, ve velikosti i ve směru. V tomto případě však máme na mysli úhlovou rychlost („rotační“), jejíž vektor má směr osy rotace. Martin Černohorský tento zákon přeformuloval do češtiny takto: „Těleso, které je v klidu nebo v rovnoměrném stejnosměrném pohybu, setrvává ve svém pohybovém stavu, dokud není interakcemi přinuceno jej změnit“. Konec odbočky.

Když Newton hovoří o tělesech, která se pohybují, vyvstává otázka, vzhledem k čemu jsou v pohybu či v klidu. A má na mysli prostor vyznačený vzdálenými hvězdami, jež, jak předpokládá, jsou neměnné a nepohyblivé vůči „absolutnímu prostoru“. Newtonovy zákony diktovaly tělesům, jak se mají pohybovat a jak na sebe mají působit vzhledem k „jevišti“ absolutního prostoru, který zůstává naprosto neměnný. Newton si nicméně uvědomil, že jen někteří herci na této kosmické scéně budou pokládat jeho zákony za správné. A to ti pozorovatelé, kteří se na ní pohybují nezrychleně a nerotují vzhledem k vzdáleným hvězdám, tedy k referenčním bodům, jež určují neměnný „absolutní“ prostor.

Fyzici a astronomové vyzbrojení Newtonovými zákony mohli začít pátrat po smyslu všech pohybů, které na nebi pozorovali. Mohli se snažit pochopit rozložení hvězd a porozumět tomu, jak se současný stav vyvinul z jednodušších počátků. Nebyli vyzbrojeni tak mohutnými dalekohledy, jaké máme dnes, a proto dosah jejich pozorování byl značně omezený. Přesto vybudovali obraz, který popisoval rozložení hvězd a propojoval tento astronomický popis s fyzikálními vlastnostmi pohybu. A podstatné je, že začali přemýšlet o tom, co nám mohou Newtonovy zákony pohybu říct o změnách vesmíru.

Thomas Wright (1711-1786), hodinář, astronom-samouk, geodet a architekt z Durhamu v severní Anglii, se jako první snažil pořídit detailní obraz Mléčné dráhy, pásu hvězd, plynu, prachu a světla, který znali a obdivovali všichni, kdo od antických dob studovali nebe. Uvědomil si, že už pozorování tehdejšími dalekohledy nenasvědčují tomu, že by hvězdy byly na obloze rozsety náhodně. Že totiž vykazují nápadná seskupení a my se na ně z jednoho takového seskupení díváme. Jaká je ale ta správná třírozměrná struktura, jež dívá Mléčné dráze její vzhled?

Wright navrhl dvě možnosti. Podle první z nich ji tvořily ploché prstence hvězd podobné prstencům kolem Saturnu, seskupené do plochého disku, a tento disk krouží kolem středu Mléčné dráhy. Střed disku byl oním „centrem stvoření“, kde „všechny přírodní zákony měly svůj původ“. Podle druhé možnosti, kterou Wright navrhl, byly hvězdy seskupeny jakoby na povrchu koule. Wrightova představivost však šla ještě dále. Neviděl důvod, proč by mělo existovat jenom jedno takové seskupení hvězd. Představoval si, že ve vesmíru se jich nachází nekonečný počet, některá jsou sférická, jiná podobná disku. Mlhovité obrazy na nočním nebi mu vnukly myšlenku, že by mohlo jít o útvary podobné Mléčné dráze a že by dohromady tvořily „nekonečnou nezměrnost … ne nepodobnou známému vesmíru“.

Zmínka o sluncích a jiných světech ve Ztraceném ráji Johna Miltona inspirovala Wrighta k představě nekonečného vesmíru slunečních soustav, složených z planet kroužících kolem centrální hvězdy. Existence našeho Slunce podle něj ukazovala na existenci jiných sluncí, Země je jen jedna z mnoha planet. Odhadoval, že v Mléčné dráze musí být přes 3 888 000 hvězd a ve vesmíru 60 000 000 takových planetárních světů jako je náš. Myšlenka, že vesmír je naplněn velkým počtem galaxií (či „vesmírných ostrovů“), jako je Mléčná dráha, došla obecného uznání až roku 1920 (viz Hvězdné ostrovy).

Je určitou ironií, že Wrightovo vysoce předvídavé dílo neupadlo v zapomnění hlavně proto, že na ně navázali vědci, kteří měli lepší přírodovědné vzdělání. Wright nepřispěl ničím užitečným k pozorovací astronomii, protože se začal věnovat kariéře architekta, ale jeho obraz vesmíru fascinoval jednoho z jeho nejbystřejších čtenářů. V roce 1751 se tehdy sedmadvacetiletý Immanuel Kant (1724-1804) z jedněch hamburských novin dozvěděl o (ne zcela spolehlivém) popisu Wrightova vesmíru. O čtyři roky později vydal anonymně knihu Univerzální přírodní historie a teorie nebes, v níž předložil svou představu vesmíru z této vize vycházející. Kniha se nedostala do širšího oběhu, protože nakladatel zbankrotoval a většinu výtisků zabavili exekutoři. Do širší povědomosti se dostala až o sto let později; tehdy na ni astronomy upozornil Herman von Helmholtz ve veřejné přednášce v Německu.

Kant přijal Wrightův obraz Mléčné dráhy s nadšením a doplnil jej tím, že prstence hvězd rotují, takže gravitační přitažlivost směrem dovnitř prstence je díky rotaci kolem galaktického středu kompenzována odstředivou silou. Bez gravitace by se disky hvězd rozptýlily a bez rotace by se zhroutily do centra. Navíc Kant soudil, že rotující disky hvězd jsou i všechny mlhoviny. Tato podobnost odrážející se v celém vesmíru byla podle něj důsledkem univerzality Newtonova gravitačního zákona a pohybových zákonů. Systémy hvězd se lišily pouze jasem, což byl důsledek jejich různé vzdálenosti od nás. Jejich rozdílný vzhled na obloze Kant vysvětloval jejich různou orientací vzhledem ke směru pozorování. A Kant šel ještě dále – přemýšlel o útvarech, jež by snad mohly existovat. Jsou-li hvězdy seskupeny v galaxie podobné Mléčné dráze, možná jsou galaxie seskupeny v mohutnější kupy galaxií, ty opět v kupy kup a tak pořád dále.

Nejpřekvapivějším rysem Kantova obrazu vesmíru však bylo to, že šlo o obraz vývojový: měnil se s časem, jak hvězdy přicházely a odcházely. Jeho vesmír byl prostorově nekonečný, takže neměl žádné skutečné centrum. Nacházela se v něm však význačná místa, místa s nejvyšší hustotou hmoty: v jednom takovém místě měla ležet naše sluneční soustava. Život a uspořádanost hvězd se z takového místa měly podle Kanta šířit jako sférická vlna a v její brázdě se měly rodit nové světy. Frontální strana vlny byla plná nových „slunečních soustav“, zatímco za vlnou zůstávaly mrtvé světy, které vyčerpaly své zdroje a upadly do rozkladu. Evoluce nových plodných struktur se měla dít na vnější straně rozpínající se slupky – na tvořivé hranici vesmíru vyplněného hmotou. Starý, rozpadlý materiál v centrální oblasti je pozůstatkem prvních vzniklých struktur. Není to však jen kosmický hřbitov. Tento materiál se může znovu uspořádat a recyklovat a jako „přírodní Fénix“ dá povstat uspořádaným hvězdám a planetárním systémům budoucnosti. Vesmír bude tedy pokračovat věčně.

Kant přispěl i k hlavním soupeřícím kosmickým teoriím té doby. Ve své výše zmíněné knize z roku 1755 načrtl scénář, podle kterého naše sluneční soustava povstala z oblaku plynu a prachu. Jeho myšlenku rozvinul mnohem přesněji francouzský astronom Pierre Laplace (1749-1827) ve své populární knize Exposition du système du monde (Výklad systému světa), vydané v roce 1796. Toto neobyčejně čtivé dílo mělo obrovský dopad na francouzský (a později i celoevropský) intelektuální život.

V poslední kapitole své knihy vysvětloval vznik naší sluneční soustavy kontrakcí rotujícího oblaku materiálu, ze kterého se vytvořil soubor planet, jež všechny obíhají v jedné rovině ve stejném směru a ve stejném směru rotují i kolem svých os. Takový obraz po něm nese jméno „Laplaceova nebulární hypotéza“. Mezi astronomy získala značnou popularitu – každý světelný flíček na nebi začali pokládat za rodící se planetární systém. Laplaceova představa, která se značně liší od Wrightova scénáře, podle kterého tyto světlé skvrny byly celé galaxie podobné Mléčné dráze, se stala standardním viktoriánským modelem vesmíru. Viktoriánský vesmír byl obrovským kolem hvězd tvořících Mléčnou dráhu. Sláva představy, že některá ze světelných skvrn na nočním nebi mohla být plnohodnotnou galaxií, načas pohasla.

Zdroje:

John D. Barrow, Kniha vesmírů

Martin Černohorský, Newtonova formulace prvního pohybového zákona; Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, Vol. 20 (1975), No. 6, 344-349

03.02.2014, 00:00:12   Publikoval Luciferkomentářů: 23