Být ve správném čase na správném místě

Kapitola první

Být ve správném čase na správném místě Vím, že to vše se odehrává jen v naší mysli, ale mysl je něco velmi mocného. Colin Cotterill1 (britský spisovatel)

11

Dva muži na procházce Vždy mě udiví, když se mi nějaký mladík svěří, že by chtěl pracovat v kosmologii; kosmologie je něco, čemu se prostě propadne, ne něco, co jsme si zvolili. William H. McCrea2

Starý pán kráčející ulicí vypadal stejně jako vždy – distingovaně, ale malin­ ko neupraveně, tak trochu bohémsky. Nezdálo se však, že tento poněkud za­ smušilý a zaujatě se tvářící Evropan kráčející po americké hlavní třídě příliš vnímá, kam vlastně jde. Budil pozornost kolemjdoucích i obchodníků, které míjel, a zdvořile si hledal cestu mezi nimi i v protiproudu studentů, kteří se snažili nezmeškat přednášky. Zdálo se, že všichni vědí, kdo to je, on se však vyhýbal jejich pohledům. Dnes měl nového společníka – muže velmi urost­ lého, také nepříliš pečlivě ustrojeného, ale poněkud jinak než on. Oba byli hluboce ponořeni do konverzace, šli, rozprávěli a vůbec si nevšímali výklad­ ních skříní kolem. Starší pozorně naslouchal, občas se lehce zamračil; mlad­ ší mluvil s velkým entuziasmem skoro neustále a svá slova podtrhoval živou gestikulací. Bylo znát, že angličtina není rodnou řečí ani jednoho z nich, co do výslovnosti se ovšem velmi lišili. Došli na křižovatku, zastavili se na okraji chodníku a čekali na zelenou. Když naskočila, začali přecházet ulici a na chvíli se soustředili na okolní světla, zvuky a relativní pohyb. Náhle vyš­ ší z obou mužů začal zase něco vykládat, ruku stočenou do kornoutu jako megafon. Starší muž se zastavil a vůbec nevěnoval pozornost ostatním chod­ cům, snažícím se přejít, ještě než se auta znovu rozjedou. Slova jeho společ­ níka ho zcela zaujala. Oba muži tak zůstali uvězněni mezi auty, jež je z obou stran objížděla jako živý ostrov. Starý pán se hluboce zamyslel nad tím, co právě slyšel, a mladší svou myšlenku stále rozváděl. Nakonec sice zase získali kontakt s vnějším světem, ale starý pán zapomněl, kam vlastně jdou, a začal se vracet na chodník, který před chvílí opustili, a tak pokračovali v cestě tam, odkud přišli, zcela zabráni do diskuse o vyslovené myšlence.

12

kapitola první

Muži hovořili o vesmírech.3 Událo se to v Princetonu v americkém státě New­ Jersey za druhé světové války. Mladší z obou byl George Gamow, či ­G­-G,­ ruský vědec, který krátce před válkou emigroval do Spojených států, ten starší byl Albert Einstein. Albert Einstein strávil předchozích třicet let snahou ukázat, že chování ves­míru jako celku lze porozumět pomocí jednoduché matematiky. Gamow po­chopil, že vesmír musel mít minulost nepředstavitelně rozdílnou od pří­ tomnosti. To, že na přechodu riskovali, způsobila Gamowova myšlenka, že zá­kony fyziky by mohly popisovat vznik něčeho z ničeho. Mohlo jít o jednot­ livou hvězdu, ale třeba i o celý vesmír.

být ve správném čase na správném místě

I tím se zabývá moderní kosmologie. Nesnaží se jen popsat pozorovaný ves­mír co nejpřesněji a nejúplněji, snaží se i zasadit tento popis do širšího kon­textu možností, jak by snad vesmír vypadat mohl. Jistě, nakonec bychom moh­li i zjistit, že žádný jiný vesmír než ten náš není možný (tedy vesmír, je­ hož obsah, strukturu a zákony, jimiž se řídí, si dovedeme představit). Dlou­ hou dobu kosmologové takový výsledek předpokládali – a doufali v něj. Dnes nabývá na síle opačný názor – zdá se, že existuje mnoho různých vesmírů, které přírodní zákony připouštějí. A co víc, tyto odlišné vesmíry nemusí být jen možné: snad existují v každém smyslu, který přikládáme existenci tako­ vých obyčejných věcí, jako jsme zde a teď vy a já.

Vesmíry jsou podivná věc

Důležitost místa

Historie je souhrn věcí, jimž se dalo vyhnout.

I viděl [Jákob] ve snách, aj, žebřík stál na zemi, jehožto vrch dosahal nebe; a aj, andělé Boží vstupovali a sstupovali po něm.

Konrad Adenauer

Co je to vesmír? Kde se vzal? Kam směřuje? Otázky znějí jednoduše, ale patří k těm nejhlubším, které kdy byly po­ loženy. Na otázku, co rozumíme pod pojmem „vesmír“,4 existuje mnoho od­ povědí – závisejí na stupni našich znalostí. Je to vše, co můžeme vidět kolem nás s přídavkem prostoru mezi tím? Nebo je to vše, co fyzicky existuje? Když začneme sestavovat seznam všech věcí, které chceme do tohoto „vše, co exis­ tuje“ zahrnout, narazíme na „něco“, čemu fyzici říkají „přírodní zákony“, či na další těžko postižitelné věci, jako je prostor a čas. Třebaže se jich nemůžeme dotknout, cítíme jejich účinky, jsou velmi důležité a v nějakém smyslu exis­ tují – podobně jako například pravidla fotbalu –, a proto je raději také zařa­ díme do svého seznamu. A co například budoucnost a minulost? Zaměřit se jen na to, co existuje teď, se zdá trochu diskriminující. A pokud budeme po­ kládat za součást vesmíru vše, co kdy existovalo, proč nezahrnout stejně tak i budoucnost? Tím dospíváme k definici, že vesmír je vše, co kdy existovalo, existuje a bude existovat. Chceme-li být skutečně pedantičtí, můžeme přijmout ještě širší koncepci vesmíru a říct, že do něj patří i vše, co by existovat mohlo – a nakonec snad i to, co existovat nemůže. Některé středověké filozofy5 takové pojetí úplnosti přitahovalo a vše, co existovalo, existuje a bude existovat, zařadili jako to, co bylo, jest a bude. Takový přístup jen zvyšuje množství problémů v oblasti, kde už tak je jich ažaž. Znovu se ale vynořil v moderních studiích vesmíru, třebaže v trochu jiném převleku. Moderní kosmologové se nezajímají jen o strukturu a historii našeho vesmíru, zaměřují se i na vesmíry, které by mohly existovat. Náš vesmír má řadu speciálních a (alespoň pro nás) udivujících vlastností a my chceme zjistit, zda by nějaký vesmír mohl vypadat i jinak. To znamená, že jsme schopni nalézt příklady „jiných vesmírů“, abychom mohli učinit srovnání.

Kniha Genese6, překlad Bible kralická

O vesmíru lidé hovořili už před tisíciletími. Byl to ovšem jejich vesmír, ne náš, to nesmíme zaměňovat. Pro mnohé z nich to byla prostě jen země, kam až mohli putovat. Možná k němu patřilo i nebe s hvězdami a planetami, viditel­ nými prostým okem. Většina starých kultur si vytvořila obraz – nebo báji – o tom, co vidí kolem sebe, ať už na nebi nebo na zemi či pod mořem.7 Vytvá­ ření tohoto obrazu nepramenilo ze zájmu o kosmologii; bylo prostě důležité přesvědčit sebe i ostatní, že vše má nějaký smysl a účel a my do tohoto řádu patříme. Připustit, že existuje nějaká realita, o níž nemáme povědomost a kte­ rou nemůžeme nějak ovlivňovat, by vnášelo do lidské mysli pocit nebezpečné ne­jistoty. Právě proto se staré mýty o přírodě vždy zdají tak úplné: vše v nich má své místo a je v nich místo pro vše. Nejsou v nich žádná „možná“, žádná varování, žádné nejistoty a žádný prostor pro budoucí zkoumání. Tyto „teorie všeho“ nesmíme ale zaměňovat s vědou. Čas a místo, v nichž člověk na Zemi žil, měly vliv na jeho představu vesmíru kolem. Jestliže žil blízko rovníku, zdánlivý pohyb hvězd během noci byl pro něj jasný a jednoduchý. Každou noc byl stejný a člověk měl pocit, že je ve středu tohoto hvězdného pohybu. Pokud ovšem žil daleko za obratníkem, viděl zcela jiné nebe. Některé hvěz­ dy vystupovaly nad obzor a později v noci zase zapadaly, jiné zase nevychá­ zely ani nezapadaly. Opisovaly kruhy kolem středu na nebi, jako by byly při­ poutány ke společné ose. To vedlo k úvahám o zvláštnosti místa, kolem kte­ rého hvězdy obíhají. Mezi obyvateli severnějších zeměpisných šířek vzniklo mnoho mýtů a legend o velikém mlýnském kameni na nebi, jež měly noční pohyb hvězd vysvětlit. Příčinou změn vzhledu nočního nebe je náklon rotační osy Země (obrázek na straně 14). Spojnice mezi severním a jižním pólem není kolmá k rovině, ve

13

14

kapitola první

být ve správném čase na správném místě

Osa zemské rotace procházející severním a jižním pólem je skloněna o 23,5 stupně vzhledem ke kolmici k rovině oběžné dráhy Země.

které se Země pohybuje na své dráze kolem Slunce.8 Sklon zemské osy činí asi 23,5 stupně. Tato skutečnost má řadu důležitých důsledků, mimo jiné je příči­ nou střídání ročních období. Kdyby byla zemská osa k oběžné rovině kolmá, ne­nastávala by žádná sezonní změna klimatu. Kdyby byla naopak o hodně větší, rozdíly v jednotlivých ročních obdobích by byly mnohem dramatičtější. Třebaže o pohybu Země kolem Slunce a sklonu její osy nic nevíte, stačí jen pohled na noční nebe, abyste zjistili rozdíly v noční obloze na různých země­ pisných šířkách. Když zemskou osu prodloužíme na oblohu, vymezí na ní takzvaný severní a jižní nebeský pól. Jak se Země otáčí, vidíme stálice na obloze rotovat kolem této prodloužené osy v opačném směru. Zůstávají-li viditelné, opíšou na oblo­ ze obrovský kruh při každé denní otočce Země. Všechny kruhové dráhy nebudou však na nebi viditelné v celku, protože le­ží částečně pod obzorem. Obrázek na straně 15 ukazuje, co uvidí astronom­-po­zorovatel na L-tém stupni severní zeměpisné šířky za jasné noci.9 Jeho ob­ zor dělí nebe na dvě poloviny. Jenom ta polovina, jež je nad obzorem, je po­zorovatelná. Pozorování z L-tého stupně zeměpisné šířky znamená, že se­ verní nebeský pól se nachází L stupňů nad obzorem a jižní leží L stupňů pod ním. Otáčení Země způsobuje, že obloha jako by rotovala západním směrem kolem severního nebeského pólu. Hvězdy vidíme vycházet nad východním obzorem, pak se pohybují po obloze, dosáhnou nejvyššího bodu, zenitu, a na­ konec zapadnou pod západní obzor.10 Dvě skupiny hvězd se však tímto jízdním řádem neřídí. Hvězdy uvnitř kru­hu, který se rozkládá k L-tému stupni kolem severního nebeského pólu, opi­sují na nebi kruhy, nikdy však pod obzor nezapadnou.11 Pro dnešního ev­rop­ského pozorovatele k nim patří například hvězdy kolem Velkého vozu a Kassiopeje. Podobně se kolem jižního nebeského pólu nacházejí hvězdy, které pozorovatel na našem obrázku nikdy neuvidí, protože se nikdy neob­ jeví nad jeho obzorem.12 Obyvatelé severní Evropy nikdy neuvidí Jižní kříž. Podstatné je, že rozměr stále viditelných i nikdy neviditelných oblastí roste

Jak vidí astronomové hvězdné nebe na severní zeměpisné šířce L stupňů. V kterémkoli oka­ mžiku mohou pozorovat jen polovinu oblohy. Některé – severní cirkumpolární hvězdy – jsou k severnímu nebeskému pólu tak blízko, že nikdy nezapadají za obzor. Astronomové v těchto oblastech nikdy nevidí podobnou skupinu hvězd kolem jižního nebeského pólu, jižní cirkum­ polární hvězdy, neboť ty se nikdy nad jejich obzor nevynoří.

se zeměpisnou šířkou pozorovatele – jsou tím větší, čím více se vzdalujeme od rovníku. Obrázek na straně 16 ukazuje, jak se nebe jeví pozorovatelům na třech značně rozdílných zeměpisných šířkách. Na rovníku, kde se zeměpis­ná šířka rovná nule, pro pozorovatele neexistují žádné oblasti stále viditelných či naopak nikdy neviditelných hvězd. Pozorovatel na rovníku může kaž­dou noc zahlédnout každou jasnější hvězdu, i když severní a jižní pól jsou pro něj prakticky neviditelné. Hvězda vyjde a stoupá k nejvyššímu bodu své drá­hy. Směr, ve kterém vychází, zůstává poměrně konstantní, hvězda proto může při plavbě po moři i na pozemské pouti sloužit jako maják. Takové hvězdy nevykazují téměř žádný boční pohyb, takže nebe se zdá krásně symetric­ ké a jednoduché. Náš pozorovatel oblohy získá dojem, že se ocitl ve středu veškerého dění, pod nebeským baldachýnem jednotného a předvídatelného pohybu, baldachýnem, jenž se nad ním klene pro jeho pohodlí. Cítí se stře­ dem vesmíru.

15

16

kapitola první

být ve správném čase na správném místě

Na snímku s dlouhodobou expozicí ve směru severního nebeského pólu vidíme kruhové dráhy hvězd kolem pólu, který leží nad špičkou stromu ve středu obrázku.

Vzhled nočního nebe v různých zeměpisných šířkách na Zemi. Liší se díky různé poloze severního nebeského pólu, kolem něhož hvězdy zdánlivě rotují: (a) na rovníku, (b) na země­ pisné šířce Stonehenge v Anglii, (c) na severním pólu.

Pozorovatelé na severním pólu, tedy na zeměpisné šířce 90 stupňů, zažíva­ jí druhý extrém. Viditelné hvězdy pro ně nikdy nevycházejí ani nezapadají, opisují nad jejich hlavami kruhy kolem severního nebeského pólu. Severní nebeský pól se tak zdá být ústředním bodem vesmíru a oni stojí přímo pod ním. Ve středně velkých zeměpisných šířkách, například na 51. stupni, na němž leží Stonehenge v Británii, je situace tak uprostřed mezi dvěma extrémy. Ně­ které hvězdy opisují plný kruh kolem severního nebeského pólu. Jiné vyjdou nad obzor, vystoupí do svého zenitu a pak opět zapadnou. Nebe se zdá pokři­ vené. Různé hvězdy sledují mezi svým východem a západem rozdílné drá­ hy. Nejpozoruhodnějším rysem je však vír hvězd kolem severního nebeského pólu, které jako by byly upevněny na kole s osou v tomto bodě (obrázek na této straně). Pozorovateli neznalému astronomie, který nic neslyšel o pohy­ bech Země, se bude zdát, že pól je speciálním místem na nebi. Proto se také od sebe liší mýty o nebi vzniklé v různých zeměpisných šířkách. Daleko od rovníku, ve Skandinávii a na Sibiři, se v legendách vypráví o velkém kruhu na nebi, mlýnském kameni, v jehož středu sídlí bohové. A obzvláště důležitá je hvězda nejblíže nebeskému pólu: hostí trůn pána vesmíru, kolem něhož se seskupují všechny ostatní hvězdy.13

17

18

kapitola první

(a)

(b)

Zdánlivý pohyb planety Mars, jak jej pozorujeme ze Země. (a) Oběžné dráhy Země a Marsu předpokládáme jako kruhové, poloměr dráhy Marsu je při­ bližně 1,5krát větší než poloměr dráhy Země (dráhy jsou ve skutečnosti elipsy, ale s velmi malou výstředností, takže kružnice je dobře aproximují). Marsu trvá oběh přibližně 2 roky (687 pozemských dní). (b) Dvouletá dráha Marsu pozorovaná ze Země má tvar křivky nazý­ vané „Pascalův limaçon“; je to srdcovitá smyčka. Mars se z našeho pohledu pohybuje nejpr­ ve dopředu a dosáhne své maximální vzdálenosti 2,5 poloměru zemské dráhy, když Mars a Země jsou na opačných stranách od Slunce. Pak se Mars vrací ke své nejmenší vzdálenosti od Země a začne se opět vzdalovat. Přitom se mění směr jeho zdánlivého pohybu po nebi. Na tomto příkladu názorně vidíme, jak obtížné je interpretovat pozorovaný pohyb, když ne­ máme celkový obraz – či teorii – pohybu planet. Když staří astronomové po­zorovali pohyb Marsu po dobu dvou let, viděli, jak se k nám blíží a pak se najednou začne vzdalovat, jako by jej něco odpuzovalo. Jaké síly to mohly způsobit? Proč mě­ní směr svého pohybu? Zodpovědět tyto otázky je velmi obtížné, zůstáváte-li na Zemi a nevíte, že všechny planety (a tedy i vaše pozorovací stanoviště) obíhají kolem Slunce s různou oběžnou dobou.

být ve správném čase na správném místě

Podrobněji se těmito mýty zabývat nebudeme. Chtěli jsme jen zdůraznit, jak těžké bylo najít správný obraz vesmíru z pozemských pozorování. Ne­ví­ me­-li nic o hvězdách a otáčení ani o orientaci Země, jsme zatíženi silnými před­ sud­ky. I pokročilé staré civilizace, které začaly s přesnějšími astrono­mickými pozorováními, stále narážely na překážky, jež jim do cesty kladla naše spe­ ciální pozorovací pozice. Jsme připoutáni k malé planetě, která s řadou dal­ ších objektů obíhá svou hvězdu. Dnes už naši sluneční soustavu známe dost podrobně a víme o řadě dalších hvězd (dnes už je jich více než 500), ko­lem nichž obíhají planety. Jako příklad obtíží, které při budování obrazu sluneční sou­stavy způsobovala skutečnost, že pozorování provádíme ze Země, uveď­ me, jak vypadají pozorování Marsu. Předpokládejme pro jednoduchost, že Země i Mars se kolem Slunce pohybují po kruhových drahách, přičemž polo­ měr drá­hy Marsu je asi 1,5krát větší než poloměr dráhy Země. Zemi trvá oběh rok a předpokládejme, že doba oběhu Marsu je dvojnásobná (ve skutečnosti je o ně­co kratší). Vynesme teď do grafu rozdíly poloh obou planet v různých oka­mžicích. Získáme tak obraz zdánlivého pohybu Marsu, jak jej pozoruje­ me ze Země. Výsledek ukazuje graf na straně 18. Tato podivná srdčitá smyčka s překřížením (limaçon) je zajímavá. Postupu­ jeme-li od jejího vrcholu doleva, vidíme, že se Mars od Země vzdaluje. Bod -5 na horizontální ose odpovídá situaci, kdy se obě planety ocitnou na opačných stranách od Slunce – jsou tedy od sebe v největší možné vzdálenosti. Když se pak Mars začne k Zemi opět přibližovat, stane se něco zvláštního – blíží se k Zemi, jako by se s ní chtěl srazit. Pak ale směr svého pohybu obrátí a za­ čne se od ní opět vzdalovat – následuje dlouhá perioda zpětného pohybu od Země. Tento „retrográdní“ pohyb Marsu můžeme pozorovat i prostým okem po několik nocí v periodě největšího přiblížení. K tomu dochází vždy, když se dvě planety k sobě přiblíží na nejmenší vzdálenost. Když se podívá­me nao­ pak na některou ze vzdálených vnějších planet, například Saturn, jehož oběž­ ná doba je 29,5 pozemského roku, dochází během oběhu Saturnu k největší­ mu přiblížení několikrát. Proto by v obdobném obrázku, jaký jsme nakreslili pro Mars, muselo být hned smyček několik.14

Aristotelův sférický vesmír Expert je člověk, který se na cestě k velkému klamu vyhýbá drobným omylům. Benjamin Stolberg (americký novinář)

Když se kolem roku 350 před naším letopočtem Aristoteles pokusil vše zjedno­ dušit svým filozofickým pohledem, vznikl velmi komplikovaný obraz. Aristote­ les věřil, že svět nevznikl v nějakém okamžiku, nýbrž že existoval vždy a vždy­ existovat bude. Kladl veliký důraz na symetrii a soudil, že nejdokonalejším­

19

20

kapitola první

být ve správném čase na správném místě

existovat,­ právě­ tak jako nemohly podle tehdejšího názoru existovat ani žád­ né ne­konečné fy­zikální veličiny.15 Stacionární sférická Země zaujímala při své rotaci vždy stej­nou oblast prostoru. Kdyby měla tvar krychle, tak by to nepla­ tilo.16 Ovšem koule není jediné těleso, které by splňovalo požadavek zaujímat při rotaci stá­le stejnou oblast prostoru – pro vinnou sklenku rotující kolem svislé osy by to platilo také.17 Aristoteles neuvažoval o pohybu jako o něčem vyvolaném silami mezi těle­ sy, tak jak dnes (díky Newtonovi) na pohyby vyvolané gravitací pohlížíme. Příčina pohybu se místo sil spatřovala ve vnitřních vlastnostech těles, tělesa se měla pohybovat tak, jak je to pro ně „přirozené“. A za ten nejdokonalejší ze všech pohybů se považoval pohyb kruhový. (a) Rotující sféry zaujímají vždy stejný objem v prostoru, ale mnohostěnné tvary vytvářejí svou rotací „prázdnotu“. Tento aristotelovský „důkaz“ kulového tvar Země zachytil obrázek Roberta Recordea v knize Castle of Knowledge (Hrad vědomostí, 1556). Ovšem i vesmír tva­ ru vinné sklenky rotující kolem svislé osy (b) by vyhovoval Aristotelově požadavku, aby jeho rotace nerušila prázdný prostor a nevytvářela žádný nový.

tvarem je koule. Tedy – vesmír musí být sférický. Aby tuto představu sladil s tím, co vidíme na nebi, navrhl komplikovanou „cibulovitou“ strukturu tvo­ řenou ne méně než 55 sférickými slupkami z průhledného křišťálu se stře­dem na Zemi, u níž též předpokládal kulový tvar (nebylo vůbec snadné sladit to s naší běžnou zkušeností!). Každé z pozorovaných nebeských těles bylo podle něj připoutáno k jedné z křišťálových sfér, které se otáčely různými úhlovými rychlostmi. Mezi sférami, jež nesly planety, existovaly i různé sfé­ry další. Tak se Aristotelovi podařilo vysvětlit jevy, které byly tehdy pozoro­vá­ny, i předpo­ vědět některé nové jevy, které by bylo možné pozorovat. Jeho myšlenky nesou řadu rysů moderní vědecké teorie, i když většina z nich nedovoluje srovnání s pozorováním. Vnější sféra, na níž byly umístěny stálice, před­stavovala říši, kde hmotné objekty nemohou existovat – říši spirituální. Všechny pohyby hmotných objektů vděčily za svůj vznik prvotnímu hybateli, který sídlil na hranici této říše a vyvolával pohyb vnější sféry. Rotace se přenášela směrem dovnitř, sféru od sféry, až se celý vesmír ocitl v dokonalém rotačním pohy­ bu. Upravováním rychlosti rotace jednotlivých sfér se Aristotelovi podařilo vysvětlit řadu vlastností pohybů na nočním nebi. Aristotelovu filozofii nakonec absorbovali a přetvořili středověcí křesťanští myslitelé: prvotního hybatele ztotožnili se starozákonním Bohem a vnější sfé­ ru s křesťanským nebem. Centrální poloha Země byla ve shodě s ústřední rolí lidstva ve středověkém obrazu světa. Důležitým důsledkem kulového tvaru Země a všech dalších vnějších sfér bylo, že se při své rotaci nezakusují do prázdného prostoru, ve kterém není žádná hmota, ani za sebou žádný prázdný prostor nezanechávají (viz obrá­ zek na této straně: takto viděl situaci v 16. století význačný tudorovský mate­ matik a lékař Ro­bert Recorde, 1510–1558). Vakuum nebylo možné, nemohlo

Ptolemaiův překomplikovaný vesmír Býval jsem astronomem, jenže jsem uvízl na denních směnách. Brian Malow18 (americký „vědecký bavič“)

Už jsme uvedli, že v naší sluneční soustavě, v níž planety obíhají okolo Slun­ ce různými rychlostmi, pozorujeme ze Země podivné tvary drah ostatních pla­net – zdá se nám, že některé planety se po nějakou krátkou dobu pohy­ bují zpět. Taková iluze vzniká díky našemu pohybu vzhledem k pozorova­ ným planetám. Naše oběžná rychlost je jiná než jejich, a proto občas vidí­ me jejich podivný protipohyb. Tento efekt potřeboval vysvětlit i Aristoteles a jeho ná­sledovníci. První řešení nalezl kolem roku 130 našeho letopočtu Klaudios Ptolemaios. Jeho vysvětlení bylo blízké jakési „teorii všeho“ starého světa a vládlo před­ stavám o vesmíru víc než tisíc let. Ptolemaios stál před problémem, jak sladit pozorování s aristotelovskými představami, že: Země je ve středu vesmíru, planety se pohybují po kruhových drahách různou úhlovou rychlostí kolem Země a žádné vesmírné těleso nemění svou svítivost či jiné vnitřní vlastnosti (viz obrázek na straně 22). Byla to pro něj opravdu veliká výzva. Problémem se Ptolemaios zabýval v knize Almagest (Největší). Předpokládal, že pohyb planet či Slunce je určen pohybem bodu po kružnici kolem Země. Té­ to kružnici se říkalo deferent. Tento bod však byl jen středem jiné menší kruž­ nice, zvané epicyklus; teprve po té se pohybovala planeta.19 Celkový pohyb pla­ nety byl tedy kombinací těchto dvou kruhových pohybů; výsledek připomínal kruh se spojitými vývrtkovitými otáčkami, jak vidíme na obrázku na straně 23. Kdyby byly dráhy planet kruhové, Mars by se při pohledu ze Země pohy­ boval po kruhové dráze kolem Slunce a to by zase obíhalo po kružnici kolem Země. Ptolemaios pak svůj model vylepšoval tím, že přidával další epicykly; teprve po těchto epicyklech se planety pohybovaly a po původním epicyklu se pohybovaly středy těchto druhotných epicyklů.

21

22

kapitola první

být ve správném čase na správném místě

Epicykly. Planeta se pohybuje po malé kružnici, jejíž střed C se pohybuje po větší kruhové dráze kolem Země (Z).

­ btížnými problémy. Proč není Země dokonale kulová? Proč je centrální po­ o stavení Země tak podstatné a proč naopak nevadí, že planety se pohybují po epicyklech, jež nemají střed v Zemi? Proč byla přijatelná myšlenka, že defe­ renty planet nemají střed přesně v Zemi? Posuv středu deferentů vzhledem k Zemi se předpokládal sice malý, ale Země buď středem vesmíru skutečně je, nebo jím není.

Koperníkovská revoluce Kdyby se mě byl Všemohoucí před stvořením světa zeptal, byl bych mu poradil něco jednoduššího. Alfons X. Kastilský21

Aristotelův a Ptolemaiův model vesmíru.

Ptolemaiovi středověcí následovníci ve snaze dosáhnout co nejlepší shody s pozorováním přidávali stále další a další epicykly.20 Lepší shody s pozorová­ ním pohybu planet a Slunce model dosahoval i změnou dalších parametrů.­ Přidání epicyklů dobře vysvětluje retrográdní pohyby planet. Planeta se po polovinu doby, kdy po epicyklu krouží, pohybuje ve stejném směru jako její střed na deferentu, po druhou část svého oběhu nabírá směr opačný, a pro­ to pozorujeme retrográdní pohyb. Při pozorování ze Země planeta svůj po­ hyb občas zpomalí, zastaví se a začne se pohybovat nazpátek. V Ptolemaiově modelu (kde se předpokládá, že Země je v klidu) jde o skutečný zpětný po­ hyb, ne o iluzi, vyvolanou různými oběžnými rychlostmi planet, jak je tomu v modelu současném. Toto dávné vysvětlení komplikovaného pohybu planet a Slunce z hledis­ ka pozorovatelů na Zemi ukazuje, jak je těžké dospět ke správnému popisu vesmíru z pouhých pozorování, či naopak jen z velmi obecných filozofic­ kých principů. Kdyby byli aristoteliáni kritičtější, museli by zápolit s dalšími­

Ptolemaiův model vesmíru byl komplikovanou lidskou představou. Nebyl si­ce správný, připouštěl však takové množství úprav za účelem vysvětlení no­ vých pozorování planetárních drah, že se mu podařilo přežít bez zásadních změn až do 15. století. Díky jeho „elasticitě“ se „epicykly“ staly pejorativním termínem pro neurčitou či překomplikovanou vědeckou teorii. Jestliže teorii stále poopravujete, jakmile je třeba vysvětlit nová experimentální fakta, která vyvstanou, pak má taková teorie jen malou vysvětlující sílu. Je to podobné, jako kdybyste vytvořili teorii o automobilech a na jejím základě předpověděli, že všechna auta jsou červená. V pondělí ráno pak vyjdete na ulici a zahlédne­ te auto černé. Pozměníte proto svou teorii: všechna auta jsou červená s výjim­ kou pondělí, kdy se vyskytnou i auta černá. Kolem vás projede­ řada červe­ ných a černých aut a vše se zdá v pořádku. Jenže pak vás mine zelené auto. A vy svou teorii znovu pozměníte – v pondělí až do deseti hodin dopoledne jezdí auta červená a černá, pak vyjedou i zelená. Už víte, kam mí­řím? Vaše teorie barvy aut má řadu korekčních „epicyklů“. Objev každého nového faktu vás donutí základní představu korigovat. V jistém okamžiku ale pochopíte, že musíte začít úplně znova.

23

24

kapitola první

To je samozřejmě velmi přehnaný příklad, Ptolemaiova teorie byla mnohem­ důmyslnější. Přidaný epicyklus znamenal vždy jen malou korekci, jež zlepšila shodu s drobnými detaily pozorovaných pohybů. Tato teorie byla prvním pří­ kladem konvergentního aproximačního procesu. Každý nový přídavek k teo­ rii je menší než ty předchozí a vede k lepší shodě s pozorováním.22 Pro mnoho účelů fungovala Ptolemaiova teorie velmi dobře, přestože pracovala­ s chyb­ ným celkovým obrazem sluneční soustavy a do jejího středu kladla nesprávné těleso! A jen velmi přesvědčivý argument by obrátil obecné mínění proti ní. Obecně je Mikuláš Koperník pokládán za revolucionáře – vždyť lidstvo se­sadil z trůnu ústřední polohy ve vesmíru. Skutečnost je značně složitěj­ší a mé­ně dramatická; byl-li vůbec revolucionářem, tak určitě značně vá­havým. Koperníkovo velké dílo O obězích nebeských sfér (De revolutionibus orbium coeles­ tium) vyšlo v roce 1543, krátce před jeho smrtí, a setkalo se jen s malým ohla­ sem. Nebylo vytištěno mnoho kopií a z toho mála kopií jich jen pár ně­kdo skutečně přečetl.23 Časem se však Koperníkovo dílo stalo tím základním bo­ dem zvratu v našem pohledu na vesmír. Nakonec zcela zvrátilo ptolemaiov­ skou představu sluneční soustavy se Zemí jako centrem a nastolilo model s cent­rálním Sluncem, jenž platí dodnes.24 Pokrok knihtisku v raném 16. století dovolil, aby se do Koperníkovy knihy tiskly diagramy v textu u míst, kde se o nich hovořilo. Jeho nejznámější diagram (viz obrázek na straně 25) ukazuje jednoduchý model naší sluneční soustavy se Sluncem ve středu. Kruh na vnější hranici obrázku představuje „nehybnou sfé­ru stálic“, nacházející se mimo sluneční soustavu. Při pohledu zvnějšku do­ vnitř jsou tam zachyceny planety Saturn, Jupiter, Mars, Země (s dorůstajícím Měsícem), Venuše a Merkur. (O Měsíci se předpokládalo, že obíhá Zemi.) Ptolemaiův a Koperníkův systém nebyly jedinými obrazy uspořádání Slun­ ce a planet, které se v 16. a 17. století objevily. Obrázek na straně 26, převzatý z knihy Giovanniho Riccioliho Almagestum novum (Nový Almagest)25 z roku 1651, názorně shrnuje obrazy světa, které nabízela postkoperníkovská éra. Ukazuje šest různých modelů naší sluneční soustavy (označených I–VI). Model I je Ptolemaiův systém. Země je ve středu a Slunce ji obíhá vně drah Merkuru a Venuše. Model II je platonský systém s centrální Zemí, kolem níž krouží ostatní planety i Slunce, jenže dráha Slunce leží uvnitř drah Merkuru i Venuše. Model III byl nazván egyptským systémem. Merkur a Venuše v něm obíha­ jí Slunce a to spolu s vnějšími planetami obíhá Zemi. Model IV představuje tychonovský systém, tedy systém vytvořený velkým dánským astronomem Tychonem Brahe (1546–1601). Podle tohoto vědce je středem soustavy pevná Země a kolem ní obíhá Měsíc a Slunce, všechny ostat­ ní planety však krouží kolem Slunce. Dráhy Merkuru a Venuše se tedy částeč­ ně nacházejí mezi Zemí a Sluncem, zatímco dráhy Marsu, Jupiteru a Saturnu v sobě uzavírají jak Zemi, tak Slunce.

být ve správném čase na správném místě

Koperníkův heliocentrický obraz sluneční soustavy publikovaný v roce 1543. Diagram je popsán latinsky a ukazuje koncentrické sféry kolem Slunce. Pevná vnější sféra stálic (I) obklo­ puje rotující sféry, s drahami Saturnu, Jupiteru, Marsu, Země (s Měsícem označeným jako dorůstající srpek), Venuše a Merkuru.

Tvůrcem modelu V, semitychonovského systému, je Giovanni Riccioli sám. V jeho představě Mars, Venuše a Merkur obíhají Slunce a to zase spolu s Jupite­rem a Saturnem obíhá Zemi. Riccioli chtěl tím Jupiteru a Saturnu při­ řknout ji­né postavení než Merkuru, Venuši a Marsu, protože Jupiter a Saturn mají měsíce jako Země (o dvou malých měsíčcích Marsových se tehdy ještě nevědělo), proto jejich dráhy musí být centrovány Zemí, ne Sluncem. Model VI je systém koperníkovský; ilustruje jej obrázek nahoře. Z tohoto výběru starých astronomických pohledů na vesmír vychází prosté poučení – není lehké porozumět struktuře vesmíru jen na základě pozorová­ ní. Jsme připoutáni k povrchu planety určitého druhu, která spolu s dalšími planetami obíhá kolem hvězdy středního věku.

25

26

kapitola první

být ve správném čase na správném místě

Jak se naše poznání světa rozšiřuje, vzrůstají i problémy s vybudováním správ­ného modelu. Abychom na této cestě pokročili, musíme být schop­ni před­povídat nebeské pohyby, které v naší části vesmíru pozorujeme. Naším cílem je však poznat vesmír jako celek. První rozhodující kroky, jak uvidíme dále, udělali astronomové 18. století.

Šest velkých systémů světa podle knihy Giovanniho Riccioliho Nový Almagest z roku 1651.

Proto to, co vidíme na nočním nebi, podstatně závisí na tom, kde se nachá­ zíme na zemském povrchu, kdy se díváme a jakou máme předem danou před­ stavu o našem místě v celkovém uspořádání světa. Náš světový názor předur­ čuje model světa.

27