V atmosféře neustálého technologického pokroku a v době, kdy záhady hlubokého vesmíru přinášejí odpovědi, které byly dříve nepředstavitelné, jste si pravděpodobně i vy položili otázku, jak velký je vesmír. Jestliže jsme si díky závodům v dobývání vesmíru uvědomili, že naše planeta je pouhým smítkem v bezbřehé vesmírné poušti, pak ne každý přesně ví, jak velký je vlastně vesmír, alespoň podle nejrozšířenějšího kosmologického modelu, a to díky gigantické a hřmotné explozi Velkého třesku.
Exploze, která zřejmě proběhla před více než 13 miliardami let a která dala vzniknout všemu, co známe, a také všemu, co zatím zůstává neznámé. S rozvojem technologií jsou astronomové schopni nahlédnout do doby těsně po této zásadní události, ale stále jsou omezeni v kvantifikaci velikosti vesmíru, která je samozřejmě dána řadou různých faktorů, mezi něž patří, nikoli překvapivě, tvar a rozpínání.
Co je vesmír
Předtím, než zjistíme, pokud to vůbec víme, jak je vesmír velký, je základním krokem pochopit, co se vlastně pod tímto pojmem skrývá. Ve vědecké literatuře, zejména v té, která se týká astronomických jevů, se název vesmír používá pro označení celého prostoru a všeho, co obsahuje. Konkrétně se jedná o hmotu, energii, planety a hvězdy, galaxie a obecněji obsah mezigalaktického prostoru. V podstatě jej můžeme definovat jako "souhrn všeho, co existuje", a jen jeho velmi malá část je viditelná pouhým okem.
Počítáme-li z našeho místního časového rámce, vesmír vznikl přibližně před 13,8 miliardami let díky zmíněnému velkému třesku, což je v současnosti mezi vědci nejpřijatelnější hypotéza, i když má svá zjevná omezení. Podle tohoto modelu hrály v "prostorové genezi" klíčovou roli čtyři základní síly: silná jaderná, slabá jaderná, gravitační a elektromagnetická. To vše bylo spojeno se vznikem protonů, elektronů a neutronů, které s klesající teplotou daly vzniknout jádrům helia, deuteria a atomům.
V této fázi se vesmír nadále ochlazoval a rozpínal, čímž se vytvořily vhodné podmínky pro vznik galaxií a hvězd. Skutečná cesta expanze po velkém třesku, která našla svou zvláštní rovnováhu díky přítomnosti gravitační přitažlivosti, jež má tendenci zmenšovat vzdálenost mezi galaxiemi a bránit nekonečné expanzi. Vědci dnes mají dvě různé teorie o budoucím vývoji vesmíru: teorii uzavřeného vesmíru a teorii otevřeného vesmíru.
Podle první teorie by měl vesmír tendenci se rozpínat a poté smršťovat do velmi malé hmoty s vysokou hustotou; podle druhé teorie by se naopak vesmír rozpínal donekonečna, protože množství přítomné hmoty nestačí rozpínání zastavit. Na počátku 80. let 20. století se objevil nový model, známý jako inflační vesmír, podle kterého se průměr vesmíru oproti nejrozšířenější tradiční teorii rychle zvětšil 1050krát.
Jak velký je vesmír
Pozorovatelná část vesmíru ze Země s technickým vybavením, které máme k dispozici, má celkový průměr 93 miliard světelných let. Právě vědecké a pečlivé pozorování vesmíru a jeho pohybů nám umožnilo pochopit, že se vesmír po většinu své historie a v celém svém pozorovatelném rozsahu řídí stejnými fyzikálními zákony a konstantami, a to se zřejmými závěry v jeho počáteční a nejjemnější fázi. Abychom byli konkrétnější, můžeme říci, že pozorovatelný vesmír je oblast vesmíru viditelná ze Země a je to přibližně nekonečně velká koule o poloměru 43 miliard světelných let.
Aby bylo srovnání srozumitelné i méně zkušeným, musíme vzít v úvahu, že průměr typické galaxie je 30 000 světelných let a typická vzdálenost mezi dvěma sousedními galaxiemi je 3 miliony světelných let. Například naše Mléčná dráha má průměr asi 100 000 světelných let a nejbližší galaxie k naší planetě, Andromeda, je vzdálená přibližně 2,5 milionu světelných let.
Je samozřejmé, že v kosmologii je skutečně pozorovatelný vesmír "očesán" jako obrovská oblast prostoru uzavřená koulí, v jejímž středu je pozorovatel. Koule, která ve skutečnosti obklopuje vše, co může pozorovat. Obecně řečeno pak máme na mysli celou část vesmíru, kterou může lidstvo zkoumat, a tedy sféru soustředěnou kolem naší Země, ale zároveň je snadné pochopit, že každá pozice ve vesmíru má nevyhnutelně svůj vlastní specifický pozorovatelný vesmír.
Pokud by se vesmír, jak už bylo řečeno, nerozpínal neustále, mohli bychom na otázku "jak velký je vesmír?" snadno odpovědět triviálním výpočtem: v praxi by se poloměr pozorovatelného vesmíru rovnal vzdálenosti, kterou urazilo světlo za dobu mezi počátkem vesmíru, což odpovídá 13,8 miliardám světelných let, a velkým třeskem. Vzhledem k tomu, že rozpínání ve skutečnosti pokračuje, je však skutečná vzdálenost tohoto horizontu nyní podstatně větší a nelze ji určit s absolutní přesností.
Dnes je podle nejspolehlivějších odhadů tentýž bod vzdálen 46 miliard světelných let, což z pozorovatelného vesmíru činí kouli o průměru asi 93 miliard světelných let, jak se tvrdí v úvodním odstavci. Tato velikost by mohla obsahovat asi 7×1022 hvězd, uspořádaných do asi 2×1012 galaxií, tedy dvou bilionů galaxií, které jsou zase seskupeny do skupin a kup galaxií a nadkup.
Nejnovější a přesnější pozorování však poskytla nové odhady, podle nichž je hypotetický počet galaxií ve vesmíru extrapolovaný ze struktury v současnosti známého kosmického optického pozadí jen zlomkem skutečného počtu. S číslem následně vyšším nejméně o jeden až dva řády, nepočítaje dalších 90 % galaxií v pozorovatelném vesmíru, které nelze detekovat teleskopy, jež máme k dispozici a které bohužel zatím nejsou dostatečně výkonné.
Stáří vesmíru
Všechny výše uvedené úvahy nám umožňují pochopit, že není jednoznačně možné určit, jak velký vesmír je. Vesmír, jehož nezadržitelná expanze se nyní zrychluje, omezuje svou pozorovatelnou část. "Hranice" jsou vyznačeny tzv. kosmologickým horizontem, který je definován jako oblast vesmíru, za níž se každý objekt vzdaluje od pozorovatele rychlostí větší než světlo. Je samozřejmé, že tento horizont představuje a ohraničuje maximální vzdálenost, s níž již nelze navázat kauzální kontakt: podle tohoto astronomického principu nebude nikdy možné pozorovat nebo si vyměňovat jakýkoli signál či informaci generovanou od nynějška s oblastmi za horizontem, přičemž prvky pro samotného pozorovatele "odcházejí mimo realitu".
Ve skutečnosti, jak již mnozí z vás vědí, je horizont fyzikální limit daný konečnou rychlostí světla nebo jiného záření vyzařovaného nebeskými objekty, přičemž tomuto záření trvá určitý čas, než dosáhne pozorovatele, a který je nekonečně mnohem delší než průměrná délka lidského života.
Skutečné potíže souvisejí s velikostí vesmíru a které vznikají i při pokusech o určení jeho stáří, i když jsme dospěli k poměrně "přesné" konvenci, pokud je to možné. Tato terminologie obecně označuje dobu, která uplynula od velkého třesku do současnosti, tj. přesně 13,82 miliardy let po modelu velkého třesku. Existují však různá měření, která nám umožňují alespoň odhadnout stáří vesmíru. Mezi nejběžnější patří především měření záření kosmického pozadí a rozpínání vesmíru. V prvním případě, abychom to vysvětlili co nejjednodušeji, uvažujme dobu ochlazování vesmíru od velkého třesku. Studium rozpínání vesmíru naproti tomu umožňuje vypočítat pravděpodobné datum počátku samotného rozpínání.
Jistě chápete, že vzhledem k tomu, že přesně nevíme, co předcházelo velkému třesku, může být skutečné stáří vesmíru mnohem vyšší, než jsou odhady dnešní vědecké komunity. Na druhou stranu právě kvůli nevyhnutelnosti vesmíru, a to jak z hlediska času, tak z hlediska velikosti, se pojem vesmír v běžné mluvě velmi často nesprávně používá pro označení pozorovatelného vesmíru. Je to proto, že, jak jsme již vysvětlili, nepozorovatelné fyzikální jevy jsou pro lidské vědecké poznání paradigmaticky nepopsatelné.