| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Skutečný svět a jak se nám jeví
Ivan Havlíček
Vesmír je nepředstavitelně nepředstavitelný. Vše, co o vesmíru víme, jsme se postupně dozvídali prostřednictvím stále složitějších myšlenkových konstrukcí a důmyslných teorií, jejichž předpovědi či důsledky astronomové hledají a ověřují pomocí stále složitějších a dokonalejších přístrojů. Jestliže dnes Vesmír chápeme jako místo, v němž žijeme, jehož jsme součástí a současně také všechno, co je myslitelně ve skutečnosti existující, jde stále o totéž. Jenom k poznávání a k popisu Vesmíru používáme nepatrně odlišné nástroje oproti našim předchůdcům. Astronomům, závislým až do šestnáctého století jen na svém zraku a na nejrůznějších vizírech kombinovaných s úhloměry, nebylo možno ani pomyslet, že by v nadpozemském světě mohlo být, pomineme-li počasí, něco jiného než hvězdy, planety včetně SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. a MěsíceMěsíc – přirozený satelit Země, rotuje tzv. vázanou rotací (doba oběhu a rotace je shodná). Díky tomu stále vidíme přibližně jen přivrácenou polokouli Měsíce. Měsíc je prvním cizím tělesem, na kterém stanul člověk (Neil Armstrong, 1969, Apollo 11). Voda na Měsíci byla objevena v stinných částech kráterů a pod povrchem (Lunar Prospektor, 1998). Povrch Měsíce je pokryt regolitem (drobná drť s vysokým obsahem skla). Malé pevné jádro je obklopené plastickou vrstvou (v hloubce 1 000 km pod povrchem). Velké množství kráterů má rozměry od milimetrů po stovky kilometrů. Několik z nich je pojmenováno i po českých osobnostech (například kráter Anděl). a sem tam nějaká ta kometaKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu.. Díky dalekohledu byly ale už v sedmnáctém století objeveny mlhoviny, z nichž některé byly později rozpoznány jako obrovské soustavy hvězd, a vesmír se musel začít zvětšovat, aby se do něj všechno vešlo. Na začátku století dvacátého se spirální mlhoviny ještě více vzdálily a staly se samostatnými hvězdnými ostrovy podobnými Mléčné dráze a viditelný vesmír se musel opět zvětšit.
Starověkým myslitelům nabízela obloha ve dne oblaka prosvícená sluncem a
v noci
hvězdy. Veškerá kosmologie byla proto z velké části dílem
imaginace.
|
Temný věk – období mezi vznikem atomárních obalů na konci velkého třesku (400 000 let po vzniku vesmíru) a reionizací plynu v důsledku vzniku prvních megahvězd (550 milionů let po vzniku vesmíru). V tomto období látka ve vesmíru nezářila a byla temná. Temná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou. Temná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi vesmíru, která byla objevena na konci roku 1998 (Saul Perlmutter, Adam Riess). Temná energie tvoří 68 % hmoty a energie ve vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakuových fluktuací. |
Století dvacáté bylo, poměřujeme-li je rozvojem techniky a jí odpovídajícím objevům, snad nejhutnějším věkem, kterým dosud astronomie prošla. Svých hrubých obrysů, uchopitelných poprvé v dějinách vědy i experimentálními fyzikálními metodami, dosáhla konečně i kosmologie, která se tak vymanila z říše fantazií a neověřitelných spekulací. Ve dvacátých letech minulého století začal nabývat fyzikálního smyslu pojem „Vesmír jako celek“. První odhady velikosti vesmíru byly všelijaké, o věku vesmíru či stáří jednotlivých vesmírných objektů se kosmologové přeli s astronomy a geology. Naštěstí se ale již v polovině století kosmologové dokázali shodnout alespoň na možnosti popisovat celý Vesmír najednou jako systém, který je možno charakterizovat velikostí, stářím a množstvím obsažené látky. Objevem reliktního zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí). v polovině šedesátých let pak spatřila světlo světa experimentální kosmologie a možnost dohlédnout až na konec vesmíru se zdála býti na dosah. Ve snaze dohlédnout co nejdál byly v posledních desetiletích uskutečněny mnohé přehlídkové projekty v nejrůznějších spektrálních oborech. Celá situace se zdá být v principu velmi jednoduchá. Pokud je reliktní mikrovlnné záření tím, zač jej považujeme, tedy prvním viditelným světlem v nedávno zrodivším se Vesmíru, které jsme schopni dnešními technickými prostředky pozorovat, pak jde o skutečnou hranici Vesmíru potenciálně viditelného. Něco jako obzor, za nějž nám dosud není dáno se podívat. Dřívější astronomové viděli hranici svého Světa ve tmě za hvězdami, v té tmě, na kterou jejich dalekohledy nestačily. Dnes jsme o krůček dál. Nevidíme nebe jen ve světle, které vnímáme očima, ale ve velmi širokém spektrálním oboru od rádiových vln až po záření gama. Rozdílná spektrální pásma jsou dostupná různými přístroji od velkých talířů rádiových teleskopů, přes velká pozemská zrcadla pro viditelný a infračervený obor, až po kosmické observatoře pracující v rentgenovém a gama oboru nad atmosférou, neb ne všechno elektromagnetické záření prochází vzdušným obalem Země beze změn.
Vlevo je vyryt a obtištěn Johannes Hevelius, jeden z posledních hvězdářů, kteří ke zkoumání nočního nebe ještě dalekohled příliš nevyužívali. Hevelius pracoval s velkými úhloměry opatřenými velmi přesnými vizíry a s tehdejšími dalekohledy velmi malé světelnosti experimentoval jen při prohlížení velmi jasných objektů. Na pravém obrázku je Heveliův atlas hvězdné oblohy Firmamentum Sobiescianum z roku 1687, vrcholné astrometrické dílo konce 17. století. Zdroj: University of St Andrews
Rádioteleskopová observatoř ALMA v poušti Atacama na planině Chajnantor ve výšce 5 km sestávající z 66 antén talířového tvaru. Jde o jeden z nejdokonalejších dalekohledů současnosti. Přístroj pracuje v milimetrové a mikrovlnné oblasti a je schopen rozlišení setiny úhlové vteřiny. Zdroj: ESO.
S rozvojem astronomické techniky a s rozšiřováním spektrálních oborů, v nichž se stával okolní vesmírný prostor dostupný, se současně nabízejí i možnosti kombinovat jednotlivá pozorování a vzájemně doplňovat poznatky získané různými metodami. V různých vzdálenostech se prozatím zdálo, že by mělo jít i o různé podrobnosti, jichž je možno dosáhnout. Vše by mohlo odpovídat přibližně tomu, co známe z perspektivy: věci, které jsou v malých vzdálenostech, vypadají větší a je na nich možno pozorovat mnohem víc podrobností než na předmětech, které jsou od nás mnohem dál. Ve velkých vzdálenostech se části vesmíru mohou pozorovateli zredukovat už jen na nezřetelné obrazy bez podrobností, které lze zkoumat jen pomocí spektrální analýzy. Neplatí to tak ale vždycky a závislost zřetelnosti obrazu vzdálených objektů na jeho vzdálenosti nemusí být vždy jen takto jednoduchá. V případě, že je mezi pozorovatelem a pozorovanou částí Vesmíru ještě nějaké jiné prostředí, které sice světlo od zdroje až k dalekohledu propustí, ale současně je signál tímto prostředím nějak pozměněn, může dojít například k tomu, že velmi vzdálené objekty se jeví jako jasnější. Ovlivnění světelného signálu je čitelné ve spektru a je pak nutné rozlišit, která část signálu pochází od samotného zdroje a která je obrazem mezihvězdného nebo mezigalaktického prostředí.
Pohled na velmi vzdálený kvasar, jehož světlo je ovlivněno mezigalaktickým prostředím, kterým prošlo od zdroje až do Hubbleova dalekohledu. Mezihvězdným prostředím, které je v tomto případě rozpoznatelné ve spektru vzdáleného zdroje, jsou oblaka mezigalaktického plynu, nejčastěji vodíku. V závislosti na kosmologické vzdálenosti, a tedy i rozdílné rychlosti vzdalování oblaků zapříčiněné rozpínáním Vesmíru, jsou otisky jejich absorpčních spekter rozmístěny v různých částech celkového výsledného spektra. Takto se můžeme, díky „prosvícení“ prostoru mezi kvasarem a námi, dozvědět mnoho o mezigalaktickém prostředí, které by nám jinak bylo pozorovatelsky nedostupné. Při dostatečně husté síti kvasarů ve vhodných vzdálenostech tak můžeme mapovat jinak neviditelnou strukturu temného prostoru mezi svítícími galaxiemi. Zdroj: NASA/HST.
Gravitačním čočkováním změněné obrazy vzdálených galaxií. Obraz neodpovídá tomu, jak bychom chtěli, aby slušná galaxie vypadala, a současně je jasnější než by se jevila v případě, že by její svit nebyl pozměněn gravitační čočkou. Vlevo je objekt COSMOS0038+4133, vpravo COSMOS0211+1139. Oba snímky byly pořízeny Hubbleovým dalekohledem v rámci projektu COSMOSCOSMOS – Cosmic Evolution Survey, přehlídka oblohy probíhající od roku 2002, které se účastní vesmírné observatoře od infračerveného po rentgenový obor (Spitzer, Hubble, GALEX, XMM-Newton a Chandra) a mnoho pozemských optických dalekohledů. Podrobně je sledováno čtvercové rovníkové pole o hraně 2°. Bylo detekováno přes dva miliony galaxií v nejrůznějších vývojových stádiích. Jde o největší přehlídku tohoto druhu.. Zdroj: NASA/ESA/HST.
Je zřejmé, že s prostorem a možnými cestami, kudy se k nám světlo může ubírat, to není tak prvoplánově jednoduché, jak by se mohlo zdát. Astronomové dosud bojovali, a mnozí stále ještě bojují na poli interpretace s nejistotou, odkud k nám světlo ve skutečnosti přilétlo. Představa, že místopis Vesmíru je geometricky popsatelný pomocí nějaké pravidelné souřadnicové sítě, je sice na základě běžných prostorových zkušeností člověka z ulice pochopitelná, ale v konfrontaci s pozorováním neobstojí. Světlo sleduje prostor a putuje jím podle podmínek, které pro jeho putování vesmírná matérie nabízí.
Průřez reprezentativním kusem Vesmíru. Světlemodrými liniemi je zobrazena dráha světla, které k nám doputovalo od prvního zviditelněného rozhraní v počátečních obdobích mladého Vesmíru. Fialovožlutočerný salám znázorňuje rozdílně hustou vesmírnou matérii a světlemodrooranžový čtyřúhelník vlevo nahoře je hranice reliktního záření. Zdroj: ESA/Planck.
Donedávna přijímaná představa o putování kosmického záření Vesmírem. Podkresbou pro ilustraci je UV snímek galaxie v Andromedě. Částice kosmického záření, zejména ty nabité, putují po všelijak nepolapitelných drahách Galaxií a nám se daří zachytávat jen zanedbatelně krátkou část poslední fáze jejich dráhy. Je zřejmé, že při porovnání s idealizací na hořením snímku jde o úplně jinou situaci. Znamenalo by to, že svět kolem nás je ve skutečnosti něčím úplně jiným, než co nám prostřednictvím přicházejícího světla vyvstává před očima. Zdroj: APS.
Pokud by se nám ale podařilo zrekonstruovat celé časoprostorové dráhy všech elementárních částic, které k nám z Vesmíru přicházejí, dokázali bychom tak uvidět svět, jaký doopravdy je. Porozuměli bychom tomu, co je to skutečnost. Možná bychom se i dozvěděli, jak Vesmír vypadá, a nebyli bychom omezeni jen na nějaké hypotézy o nejkratším čase, který světlo pro lety Vesmírem potřebuje, a díky nimž je Vesmír tím nejrovnějším z možných rovných Vesmírů. Možná by stačilo pro začátek pochytat všechno světlo jen z nějaké menší oblasti – třeba jednoho města, vesnice, nebo možná jen jednoho domu či jedné místnosti. Nedůležitější bude určit správné měřítko, v němž se zvyjevení se toho skutečného Světa, Vesmíru a vůbec má odehrát, abychom dokázali navrhnout nové generace přístrojů a dalekohledů, které nebudou omezeny jen na ty krátké konce světelných drah, jejichž interpretací vznikají iluze o nekonečně nepředstavitelném Vesmíru v jásavě temných barvách. Již v polovině osmdesátých let minulého století čínští vědci opatrně okukovali, kam ve švýcarském středisku pro jaderný výzkum vede CERNý tunel a zda by se nedal napojit na podzemní laboratoře dosud maskované Velkou čínskou zdí a zda by z toho pro ně nevzešel nějaký užitek. V roce 1985 byly v CERN uskutečněny prvé pokusy se zauzlováním a zpětným rozuzlováním světla, které byly se zájmem sledovány čínskými sponzory maskovanými tehdy coby státní návštěva.
Generální ředitel CERN Luciano Maiani (stojící vlevo) sleduje čínského presidenta Jianga Zemina a presidentku Ruth Dreifuss při čtení úsměvného spisku Zábavné historky z CERNého podsvětí v čínském překladu. V pozadí jim přes rameno závistivě nahlíží švýcarský permoník. Z jeho pohledu je zřejmé, že stále ještě neumí čínsky. Zdroj: CERN.
Uzlový experiment v bodě L3 těsně před rozuzlením světelných drah. Zleva doprava: professor Maurice Bourquin, professor Luciano Maiani (nepochopitelně označený L1), presidentka Ruth Dreifuss, president Jiang Zemin, a professor Samuel Ting, nad jehož levicí levituje označení předchozího pravého uzlu R2. Již z tohoto snímku je patrné, že prvotní pokusy se zauzlováním a zpětným rozuzlením světelného svazku jsou přijímány aktéry události sice radostně, ale ne všichni byli připraveni, odkud na ně rozuzlený obraz jejich minulosti vykoukne. President Jiang Zemin evidentně zírá úplně jinam, než kam ukazuje profesor Ting. Zdroj: CERN.
V letošním roce se čínským vědcům podařil klíčový experiment s rozuzlováním světla, který byl pro většinu světa úspěšně maskován Králíkem na Měsíci (viz AB 40/2013). Ve skutečnosti, o kterou jde přeci především, byl ale Králík jen zastíracím manévrem, který měl odlákat pozornost od skutečného obrazu skutečné skutečnosti, která se odehrála na přesně opačné straně světa. Když totiž všichni sledovali Čínu a Měsíc, tak úplně jinde, téměř nepozorovaně předvedl CERNý tunel konečně poprvé pravou tvář svojí hladové díry. Díky několikerému zauzlování a opětovnému rozuzlování, které se již staly pro CERNé Číňany rutinní záležitostí, jsme se mohli o výsledku experimentu největšího tunelu na světě, jdoucího napříč kontinenty a spektrem nejen elektromagnetickým, dozvědět z první ruky přímo v Praze. Tunel, který mají v CERN, je sice na dobu svého vzniku dlouhou, ale dnes již velmi úzkou dírou. V době, kdy se čínská věda vzpamatovávala z kulturního zázraku a začala se stavět na nohy, aby si v novém tisíciletí stoupla na ramena svých západních učitelů, bylo již prozíravým českým politikům zřejmé, kudy by měla propříště téci Žlutá řeka. Tunel Blanka byl proto od počátku koncipován jako několikakanálový komplex a měl se stát součástí moderního čínského vědeckého výzkumu. Sice to vypadá, že v očích Pražanů vede tunel od severu na západ, ale ve skutečném světle skutečné skutečnosti, kterou v něm čínští vědci pod pláštíkem Králíka odkrývají, vede jen a jen od východu na východ. V tomto světle je naprosto marginální, že ho místní politici prodali Číňanům. Je ale obdivuhodné, jak mohutnou imaginaci museli komunální politici vyvinout, aby přišli s tím prostoduše vypadajícím zastíracím manévrem o neplatnosti dodavatelských smluv. Do vědeckovýzkumných komplexů se přeci nepouštějí osobní auta plná lufťáků nikde na světě, leda by v nich seděli členové Aldebaranu. V našich poměrech je téměř jisté, že se soudy potáhnou nejméně tak dlouho, než tunel jako vědecké pracoviště Číňanům doslouží a bude překonán nějakým jiným a ještě větším Králíkem. To je ale milé děti asi již pohádka pro jinou generaci tunelářů. A proto k dalším úspěchům čínské vědy je možno do dalších let již jen popřát soudruhům: Jen tak dál a příště nejlépe někde úplně jinde!
Průjezd tunelem Blanka. Zdroj: Alfa.
Zabednění tunelu – jediná možnost, jak uskutečnit důležité experimenty. Zdroj: Beta.
Odkazy
