První a snad dosud nejvýznamnější aplikací obecné relativity je její využití v kosmologii. Kosmologie je vědní obor na rozhraní astronomie, teoretické fyziky a filozofie, který se zabývá otázkami vzniku, stavby a vývoje vesmíru jako celku. Zvláštností kosmologie je, že v dosahu našeho pozorování a tedy i vědeckého zkoumání máme jeden jediný vesmír. Existenci jiných vesmírů můžeme sice připustit, nemůžeme je však studovat ani porovnávat, jak to děláme u jiných typů objektů – např. hvězd nebo soustav nebeských těles. Kosmologie využívá astronomických pozorování. Vždyť světlo z nejvzdálenějších koutů vesmíru nám říká, jak hvězda vypadala před několika miliardami let. Těch několik miliard let totiž trvá, než světlo dorazí k nám.
V minulosti bylo vytvořeno velké množství nejrůznějších modelů vesmíru. Zde se budeme zabývat pouze fyzikálně podloženými modely. Každý model vesmíru musí být v souladu s pozorováním a musí splňovat tzv. kosmologický princip (vesmír je ve všech směrech a místech stejný).
Albert Einstein.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.
Když Albert Einstein hledal řešení rovnic své obecné teorie relativity pro vesmír s konstantní hustotou, tak zjistil, že gravitace by musela způsobovat zmenšování vzdáleností mezi objekty vesmíru, jejímž následkem by byl kolaps vesmíru. Tedy něco nemyslitelného. Proto své rovnice doplnil o tzv. kosmologický člen, který pomohl udržet rovnováhu a zajistit stacionární řešení – neměnný vesmír. Hodnotu kosmologického členu lze měnit pomocí kosmologické konstanty. Pak se kosmologický člen při určité hodnotě konstanty chová jako odpudivá síla, která kompenzuje sílu gravitační.
Einstein tak představil model uzavřeného vesmíru vyplněného galaktickým prachem. Dodatečný člen v rovnicích v podobě kladné kosmologické konstanty Λ byl nutný k tomu, aby Einsteinův model mohl být statický. Bezprostředně poté našel Wilhelm de Sitter další řešení Einsteinových gravitačních rovnic, které popisuje model prázdného rozpínajícího se vesmíru s kosmologickou konstantou Λ. Jenže Alexandr Fridman svými detailnějšími výpočty zjistil, že rovnováha mezi gravitačním přitahováním a kosmologickým členem je nestabilní. Stačí jakákoli malá porucha a vesmíru se bude rozpínat nebo smrskávat. Fridman nalezl rovnice pro tzv. expanzní funkci, která popisuje expanzi nebo kontrakci vesmíru i bez kosmologického členu. Einstein na Fridmanův článek reagoval záporně a jeho výpočty uznal až o rok později, v květnu 1923. Podle Fridmana hraje velkou roli hustota vesmíru. Pokud je její hodnota vyšší než tzv. kritická hustota, pak převládne gravitace a v budoucnu dojde ke kolapsu vesmíru.
Georges Lemaître v roce 1927 navíc přišel s ideou „prvotního atomu“: uvědomil si, že expandující vesmír musel mít svůj časový počátek, dnes nazývaný velký třesk, a byl první, kdo se snažil popsat fyzikální procesy probíhající ve velmi raném vesmíru.
Alexandr Fridman.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Ve 20. letech se díky rozmachu astronomických pozorování prokázalo, že vesmír je velký, hierarchický a opravdu se rozpíná. Kolem roku 1920 probíhala tzv. „velká debata“, zda spirální mlhoviny jsou vzdálené galaxie či ne. Harlow Shapley a další pokládali spirální mlhoviny za útvary patřící do Mléčné dráhy, opačný tábor vedený Heberem Curtisem je považoval za vzdálené ostrovy miliard hvězd. Mléčná dráha je jen jednou z mnoha galaxií. To se opravdu prokázalo, když Edwin Hubble v roce 1923 změřil vzdálenosti M31 pomocí cefeidy. Následná pozorování dala za pravdu stoupencům velkého strukturovaného vesmíru, jehož hvězdy se seskupují do obřích a navzájem oddělených galaktických rodin. V roce 1929 Hubble a Milton Humason objevili rudý posuv spekter galaxií, který díky Dopplerovu jevu odpovídá rychlosti jejich vzdalování. Počátkem 30. let tedy bylo zjevné, že vesmír je plný galaxií a opravdu expanduje, v souladu s příslušným modelem obecné teorie relativity.
Albert Einstein byl na základě Hubbleova měření údajně nucen nazvat své zavedení členu s kosmologickou konstantou „největším vědeckým omylem svého života.“ Nedávno byla Einsteinova kosmologická konstanta znovu vzkříšena. Při výzkumu důsledků energie fluktuací vakua v kosmologickém měřítku byl odhalen tzv. paradox kosmologické konstanty – pro některé moderní teorie je její hodnota nenulová. V současnosti je hlavním úkolem kosmologického programu měření Hubblovy konstanty, které by mohl přijít s odpovědí na otázku stáří vesmíru, zda je vesmír uzavřený, otevřený nebo něco mezi.
