W naturze ludzkiej leży zadawanie pytań o naturę rzeczy, które nas otaczają. Chcemy wiedzieć co, jak i dlaczego, chcemy znać przyczynę, przebieg i skutki zjawisk występujących w naszym świecie. Począwszy od tych najbardziej podstawowych, na tych zupełnie fantastycznych skończywszy. Jednym z takich pytań jest to dotyczące powstania naszego Wszechświata. Co sprawiło, że to wszystko wokół nas w ogóle istnieje? Czy jesteśmy w stanie prześledzić proces tego powstawania? A jeśli tak, to w jaki sposób? Odpowiedzi nie są proste, w większości przypadków nie są również pewne, ale są wszystkim, co aktualnie oferuje nam nasz stan wiedzy.
Na początku chciałbym pozwolić sobie na odrobinę prywaty. Czytacie właśnie trzydziesty odcinek tej popularnonaukowej serii – od stycznia co praktycznie każdy weekend staram się dostarczyć kilka ciekawostek o otaczającym nas świecie. Ze względu na własne zainteresowania dotyczą one głównie kosmosu i fizyki, aczkolwiek część zahacza także o szeroko rozumianą technologię. Nie opisuję rzeczy bardzo skomplikowanych (bo sam nie jestem specjalistą i nie zamierzam się na takiego kreować), natomiast te, o których piszę, zazwyczaj wymagają chociaż chwili zastanowienia się nad problemem.
I to jest jednym z moich głównych celów, jakie założyłem w momencie, gdy rozpoczynałem pisanie. Ekstremalnie cieszy mnie, gdy w komentarzach zadajecie pytania, na które nie umiem od razu odpowiedzieć. Mam również nadzieję, że choć kilkoro z Was zachęciłem do samodzielnych poszukiwań wiedzy o danym temacie. Bo wiecie, w dzisiejszym świecie, w morzu informacji fałszywych i niesprawdzonych, umiejętność znajdywania rzetelnych faktów jest naprawdę cenna. A nie da się jej nauczyć, kiedy nie szuka się niczego. Także tego – dzięki, że jesteście. I aby nie przedłużać – zapraszam na kolejny odcinek.
Rozciągnij swój umysł
Zacznijmy od prostego ćwiczenia myślowego. Wyobraźcie sobie kawałek spiralnej sprężynki o jakiejś długości – sprężyna będzie odwzorowaniem fali elektromagnetycznej, wędrującej z punktu początkowego do punktu końcowego. Teraz rozciągnijcie nieco sprężynę – odległość między dwoma punktami zwiększyła się, chociaż sprężyna cały czas pozostaje ta sama. Gdyby sprężyna rzeczywiście była falą elektromagnetyczną, nastąpiłoby przesunięcie ku czerwieni – innymi słowy, zwiększyłaby się długość fali (odległość między dwoma punktami w takiej samej fazie, na przykład dwoma wierzchołkami), a zmniejszyła jej częstotliwość. Dla ułatwienia zerknijcie na powyższą grafikę, powinna ułatwić zrozumienie zagadnienia rozciągania się fali elektromagnetycznej.
Przyjmijmy teraz, że na obu końcach sprężyny znajdują się galaktyki – wraz z ich oddalaniem się następuje przesunięcie do czerwieni obserwowanego promieniowania. To efekt Dopplera; taki sam, jaki możemy zaobserwować przy zbliżaniu się do nas karetki na sygnale, a potem przy jej oddalaniu się. Częstotliwość dźwięku dynamicznie się zmienia i wynika to nie tylko z odległości karetki względem nas, ale też z jej prędkości poruszania się. Okazało się, że takie właśnie zjawisko obserwujemy, gdy patrzymy na galaktyki – jednoznacznie dowodzi to ich oddalania się od nas, a tym samym rozszerzania się Wszechświata. Zjawisko to dotyczy wszystkich fal.
Najważniejszy jest jednak płynący z tej obserwacji wniosek. Skoro galaktyki się oddalają, oznacza to, że kiedyś musiały być bliżej siebie. Cofając się do początków osi czasu, otrzymujemy stan, w którym materia całego Wszechświata skupiona jest w jednym punkcie o nieskończenie małym rozmiarze; taki twór nazwany został osobliwością. Ba, w zasadzie to nie cała materia, a cały Wszechświat, bowiem galaktyki nie oddalają się siłą jakiegoś dziwnego rozpędu, tylko poprzez „rozciąganie” się czasoprzestrzeni. Do tego zjawiska jeszcze wrócę.
Georges Lemaître
Cała ta historia rozpoczęła się od Georgesa Lemaître’a, belgijskiego duchownego i katolickiego księdza. Ironiczne, że teorię o powstaniu Wszechświata zapoczątkował duchowny, prawda? Utnę wszelkie domysły już na tym etapie – Kościół otwarcie akceptuje tę teorię. Ale wróćmy do nauki – Lemaître dokonał obserwacji i wysnuł na ich podstawie logiczny wniosek, natomiast udowodnienie takiego stanu rzeczy przypadło w zaszczycie Edwinowi Hubble’owi. To on przeprowadził konkretne pomiary i wykazał, że niemal wszystkie galaktyki, które znajdują się poza Grupą Lokalną, oddalają się zarówno od nas, jak i od siebie nawzajem.
Pomiary ustanowiły jedno z podstawowych praw kosmologii, czyli Prawo Hubble’a. Zastosowana we wzorze Stała Hubble’a w prosty sposób określa tempo rozszerzania się Wszechświata; jako wyznacznik przyjęto liczbę kilometrów, o jaką zwiększa się jeden megaparsek w ciągu sekundy. Nasuwa się tutaj na myśl ten suchar o Hanie Solo, który przebył Kessel Run w 12 parseków (czyli przebył odległość w inną odległość, choć tak naprawdę chodziło tu o coś innego), niemniej jednak wzór jest do bólu wręcz logiczny. Nie znaczy to jednak, że Stała Hubble’a jest łatwa do oszacowania.
Lemaître określił prędkość rozszerzania się Wszechświata na 625 kilometrów na sekundę na każdy parsek. Edwin Hubble zmniejszył tę wartość do 500, zaś mniej więcej od nowego tysiąclecia wartości wynosiły 70 plus minus kilka kilometrów. Najnowsze (tegoroczne) wyniki oparte o dane z sondy Planck mówią, że Stała Hubble’a wynosi 67,66 ± 0,42 kilometra na sekundę na każdy parsek, natomiast z obserwacji przeprowadzonych przez Teleskop Hubble’a wynika, że wartość ta wynosi 73,52 ± 1,62. Przyznaję, określenie „stała” jest tutaj nieco mylące, ponieważ jej wartość jest różna w zależności od obserwacji, niemniej chodzi tutaj o uogólnienie. Najistotniejszy jest fakt, że z wszystkich pomiarów płynie jeden, zawsze ten sam wniosek; Wszechświat rozszerza się, w którym kierunku byśmy nie spojrzeli.
Osobliwa osobliwość
Hipoteza Wszechświata, który swoje istnienie rozpoczął z nieskończenie niewielkiego punktu, niosła ze sobą kilka konsekwencji. Jedną z nich była konieczność obserwacji czegoś w rodzaju jednolitego promieniowania, które wypełniałoby cały Wszechświat w sposób równomierny. Aby dojść do tego wniosku, trzeba prześledzić pierwsze momenty istnienia wszystkiego, przy czym zaznaczam, że momenty obejmują tutaj okresy tak krótkie, że w zasadzie niemożliwe do wyobrażenia. Postanowiłem w tym miejscu nie przepisywać źródeł naukowych, by oszczędzić Wam tych wszystkich cyferek podniesionych do dużych potęg. O niektórych rzeczach muszę jednak wspomnieć.
Pierwsza – pojęcie początkowej osobliwości jest bardzo niejasne. Musicie bowiem wiedzieć, że obecnie opisujemy świat za pomocą dwóch głównych teorii – teorii względności dla świata makroskalowego i mechaniki kwantowej dla świata mikroskalowego. Innymi słowy, ruch dużych obiektów (jak planety, galaktyki) opisujemy równaniami teorii względności Einsteina, natomiast konsekwencje i zachowanie cząstek przewidujemy za pomocą fizyki kwantowej. W osobliwości ten podział nie występuje i – mówiąc wprost – przy obecnej wiedzy nie mamy zielonego pojęcia, w jaki sposób to wszystko się zaczęło. Obserwacje i logika podpowiadają, że w czasie równym zero osobliwość była nieskończenie mała i nieskończenie gorąca.
Jednakże, ponieważ teraz Wszechświat zdecydowanie nie jest nieskończenie gorący, ta temperatura musiała gdzieś się podziać. I tutaj na scenę wkracza inflacja, czyli moment, w którym ta osobliwość rozszerzyła się 10^50 razy. Adam z Kwantowo.pl zastosował tutaj idealne porównanie – to tak, jakby proton w ułamku sekundy urósł do rozmiarów bliskich Mgławicy Oriona. Nie był to oczywiście koniec – Wszechświat rozszerzał się i rozszerzał, a ten proces trwa do dzisiaj. Po drodze pojawiły się takie etapy, jak powstanie pierwszych atomów, anihilacja materii z antymaterią (którą to walkę wygrała najwyraźniej materia, ale o tym niżej), czy wreszcie pojawienie się oddziaływań takie, jakie znamy.
Gdy czyścisz antenę z odchodów gołębi
W 1987 roku Arno Penzias i Robert Wilson otrzymali nagrodę Nobla za odkrycie wspomnianego wcześniej jednorodnego promieniowania. Ponieważ odkryto coś, co było przewidywane przez modele teoretyczne, od tego momentu świat zaczął przychylniej patrzeć na teorię zapoczątkowaną przez Lemaître’a. Ów belgijski duchowny miał szczęście, że dzieło jego życia zostało zaakceptowane, gdy jeszcze żył, bowiem na początku traktowany był z pobłażliwością, jak jakiś nieszkodliwy głupiec. Wracając – dwójka astronomów odkryła coś, co obecnie nazywamy mikrofalowym promieniowaniem tła (bądź promieniowaniem reliktowym), natomiast najciekawsze w historii jest to, że odkrycia dokonano dosłownie przez przypadek.
W ówczesnym czasie przeprowadzano testy tak zwanego Projektu Echo, czyli pierwszej próby eksperymentalnego systemu komunikacji satelitarnej. Ów projekt polegał na wykorzystywaniu balonów do odbijania wysyłanych sygnałów. Więcej szczegółów możecie sobie doczytać sami, natomiast dla naszej historii istotne jest, że Penzias i Wilson próbowali w swoim laboratorium odbierać fale radiowe odbite od takiego właśnie balona. Z uwagi na bardzo niską energię fal, konieczne było wyeliminowanie wszystkich zakłóceń; na ich antenę nie miała wpływu ani radiofonia, ani nawet ciepło własne odbiornika. Pomimo tego cały czas antena odbierała dziwny, bardzo słaby, a przy tym stały w każdym kierunku sygnał. Penzias i Wilson posunęli się nawet do oczyszczenia gołębich odchodów nagromadzonych w antenie, a także do „przepędzenia” pobliskich stad gołębi. Jak się domyślacie, nie zmieniło to absolutnie nic.
W ten właśnie sposób obaj naukowcy doszli do wniosku, że odbierany sygnał musi pochodzić nawet spoza naszej galaktyki. Skontaktowali się wtedy z Robertem H. Dicke, który w tym samym czasie opracowywał teoretyczne podstawy istnienia tego wszechobecnego promieniowania. Po wielu analizach doszli do wniosku, że zarejestrowany w antenie stały szum to właśnie to. Mikrofalowe promieniowanie tła stało się jednym z głównych dowodów słuszności teorii wielkiego wybuchu i, co ciekawe, prawdopodobnie większość z nas miała je okazję obserwować na własnym telewizorze. Te czarno-białe mrówki, które obserwowaliśmy, gdy próbowaliśmy odebrać coś z niezajętego kawałka pasma, to właśnie pozostałości Wielkiego Wybuchu. Promieniowanie na tyle słabe, że nie zakłóca pracy urządzeń, ale na tyle mocne, że odbieramy je na częstotliwościach, na których nie nadajemy własnych sygnałów.
Na zakończenie tematu mikrofalowego promieniowania tła podrzucam zdjęcie wykonane przez sondę WMAP wysłaną właśnie w celu zmierzenia temperatury promieniowania reliktowego. Z uzyskanych danych przygotowano taką oto grafikę. Nie sugerujcie się dużym kontrastem kolorów – różnice między częścią najzimniejszą a najcieplejszą, są mniejsze niż setne części stopnia. Gdyby zastosować minimalnie mniej szczegółową skalę, cały ten obszar byłby wypełniony jednolitym kolorem.
Inflacja szybsza niż światło
Jedną z niejasności związanych z Wielkim Wybuchem jest tempo początkowej inflacji. Wspomniałem na początku, że obszar wielkości protonu w ułamku sekundy powiększył się do rozmiarów Mgławicy Oriona; ewidentnie wynika z tego, że tempo rozszerzania się przestrzeni było większe niż prędkość światła. A przecież nic nie może być szybsze od światła, prawda? Prawda, jeśli mówimy o przestrzeni już istniejącej; pełna definicja mówi, że nic, co porusza się w przestrzeni, nie może poruszać się szybciej od światła. Tylko w momencie inflacji przestrzeń nie poruszała się w przestrzeni; przestrzeń była rozciągana.
Aby najlepiej zobrazować to zjawisko, wyobraźmy sobie balon. Na jego powierzchni, obok siebie, zaznaczmy dwie kropki, a potem napompujmy balon. Efekt? Kropki oddaliły się od siebie, chociaż nie zmienialiśmy ich położenia na balonie. W tym układzie balon jest naszą przestrzenią, zaś napompowanie odwzorowuje rozszerzanie się Wszechświata, a więc również początkową inflację. Ścianki balonu są granicą przestrzeni, a zasada dotycząca prędkości światła obowiązuje tylko w przestrzeni. Zaznaczone na balonie kropki mogłyby się oddalić od siebie z prędkością większą niż prędkość światła.
Gdzie jest ta cała antymateria?!
Teoria Wielkiego Wybuchu zakłada, że z początkowej osobliwości powstały takie same ilości materii oraz antymaterii. Jak wiemy, zetknięcie się cząstki z jej antycząstką powoduje ich natychmiastową anihilację, podczas której wydzielane są olbrzymie ilości energii. Jednakże, skoro początkowo istniało dokładnie tyle samo cząstek, co antycząstek, dlaczego we Wszechświecie istnieje cokolwiek? Z matematyki wynika, że idealna symetria powinna doprowadzić do całkowitej anihilacji obu przejawów materii, tymczasem ewidentnie tak się nie stało.
Odpowiedź na to pytanie jest… trudna. W zasadzie to naukowcy nadal nie mają pojęcia, dlaczego tak się stało. Albo błędne jest nasze założenie, albo brakuje nam jakiegoś istotnego elementu układanki. Aktualnie uważa się, że winowajcą przewagi materii nad antymaterią może być niestabilność tej drugiej. Innymi słowy, niektóre cząstki antymaterii mogły rozpaść się przed zderzeniem z cząstkami materii, w efekcie czego we Wszechświecie pojawiła się delikatna przewaga tej ostatniej. Ponownie cytując Adama z Kwantowo.pl: obecnie przyjmuje się, że nadwyżka materii nad antymaterią wynosiła jedną cząstkę materii na miliard cząstek antymaterii. I jeśli te wyliczenia są prawdziwe (bo liczby przecież nie zostały wzięte z, hehe, kosmosu), to możemy odetchnąć z ulgą, bo bardzo niewielkie brakowało, by cały Wszechświat stał się całkowicie pozbawionym jakiejkolwiek materii miejscem.
Co było przed Wielkim Wybuchem?
Nic. Po prostu. Moment Wielkiego Wybuchu był momentem, w którym została stworzona nie tylko przestrzeń, ale także czas; skoro więc stworzony został czas, to nie istnieje moment przed jego stworzeniem. Nie mamy absolutnie żadnych podstaw naukowych do zbadania przyczyn powstania ani tego, co było przed nim. Przez naukę przewijają się takie pojęcia, jak wszechświat cykliczny (pierw wybucha, potem się rozszerza, a potem nagle zapada w sobie) czy multiwszechświat (początkowa osobliwość wzięła się z osobliwości obecnej na przykład w czarnej dziurze), natomiast są one tylko i wyłącznie domysłami, o których można wspomnieć w ramach ciekawostki, ale które nie mają żadnych stabilnych podstaw. Choć może nie wszystkie – spekuluje się również, że Wszechświat mógł powstać w wyniku kwantowej fluktuacji, ale to opowieść na osobną historię.
To, co w Wielkim Wybuchu jest najfajniejsze, to nasze konsekwentne dążenie do zrozumienia. Naukowcy w czasach Lemaître’a byli mocno związani z modelem Wszechświata stacjonarnego; takiego, który ani się nie powiększa, ani nie pomniejsza, tylko po prostu sobie jest. Tak było łatwiej. Zamieszanie, które do świata wprowadził belgijski duchowny, na zawsze zmieniło nasze postrzeganie miejsca, w którym żyjemy, ale jednocześnie pokazało, że nawet teorie uznawane za kompletnie oderwane od rzeczywistości, mogą okazać się prawdziwe. Bo w tym momencie Wielki Wybuch jest niemal pewnikiem, nawet pomimo faktu, że rozumiemy bardzo niewiele jego aspektów.
I kto wie, być może taka sama sytuacja pojawi się w przypadku tych dziwnych teorii, które powstają obecnie. Może teoria strun, która do poprawności matematycznej wymaga istnienia dwudziestu wymiarów, rzeczywiście jest prawdziwa, tylko wciąż czekamy na kogoś, kto znajdzie sposób, by doświadczalnie wykazać jej prawdziwość? I tym pytaniem bez odpowiedzi zakończę dzisiejszy odcinek. Do następnego!
źródła: kwantowo, universetoday, astronomycast, wiki, wiki
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.
