Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 15

Artykuły

Trzy relikty wielkiego wybuchu

22nd Mar '14

Już prekursor idei wielkiego wybuchu – duchowny katolicki i fizyk Georges Lemaître – nie wierzył aby tak dramatyczne wydarzenie mogło nie pozostawić po sobie widocznych do dziś śladów. Według Belga, początkowym produktem rozkładu „pierwotnego atomu” musiało być coś w rodzaju promieniowania korpuskularnego. Dopiero upływ czasu pozwolił na wytrącenie z niego pierwszych atomów, które wypełniły kosmos w formie gazu. Tuż przed swoją śmiercią, Lemaître dowiedział się, że od początku miał rację a postulowane przez niego promieniowanie resztkowe można wytropić.

Relikt mikrofalowy

Na wery­fi­kację swoich prze­wi­dywań, Lemaître musiał czekać aż do lat 60. ubie­głego stulecia. Dla kosmo­logów były to mroczne czasy. Takie tuzy ówcze­snego świata nauki jak George Gamow, Hans Bethe, Robert Dicke czy Vera Rubin musiały znosić częste szy­der­stwa płynące ze strony kolegów po fachu, nie­chęt­nych do zerwania z uprzednią epoką i kurczowo trzy­ma­ją­cych się hipotezy wszech­świata sta­cjo­nar­nego. 

Dziś często mówi się o tym, że gdyby nie atmos­fera tamtego okresu i wyraźny opor­tu­nizm reno­mo­wa­nych uczelni, konieczne odkrycia mogły nadejść nawet dekadę wcze­śniej. W związku z tym, poważnym tro­pie­niem śladów wiel­kiego wybuchu zaj­mo­wała się zaledwie garstka naukowców; a żeby było zabaw­niej, osta­teczny sukces osią­gnęli młodzi badacze w ogóle nie zain­te­re­so­wani tematem. To jeden z naj­bar­dziej znanych epizodów w dziejach kosmo­logii: Arno Penzias (cie­ka­wostka: jego rodzice posia­dali polskie korzenie) i Robert Wilson obsłu­gu­jący antenę pra­cu­jącą na 7,35-centymetrowych falach, natra­fili na szum unie­moż­li­wia­jący im wyraźne nasłu­chi­wanie sygnałów docho­dzą­cych z mgławicy Cas­sio­peia A. Prze­kie­ro­wy­wali antenę, spraw­dzili ziemskie źródła pro­mie­nio­wania, w końcu zabrali się za wybi­janie miej­sco­wych gołębi. I co? I nic, zakłó­cenia pozo­stały takie same i dobie­gały dosłownie zewsząd. Szczę­ście, że Penzias głośno narzekał na swoją niedolę przy kumplach. Jeden z nich, Bernard Burke z MIT, sko­ja­rzył fakty i nagło­śnił sprawę. Teo­re­tycy z radością i nie­skry­waną satys­fakcją mogli obwie­ścić nie­zno­śnym scep­tykom triumf: jacyś nieznani radio­astro­no­mowie z Labo­ra­to­riów Bella potknęli się o wie­ko­pomne odkrycie.
WMAP

Zdjęcie wszech­świata w wieku mło­dzień­czym wykonane przez WMAP.

Co dokładnie zare­je­stro­wano? Naj­pro­ściej mówiąc błysk pocho­dzący z samego wiel­kiego wybuchu. Słysząc „błysk” zazwy­czaj myślimy o rodzaju bardzo jasnego światła, musimy być jednak świadomi, że światło nie jedno ma imię. Każde ciało emi­tu­jące choć odrobinę ciepła tak naprawdę świeci, tyle że nie zawsze w sposób dla nas widoczny. Zależnie od energii nie­sionej przez fotony, pro­mie­nio­wanie elek­tro­ma­gne­tyczne przy­biera postać promieni gamma, ultra­fio­letu, światła widzial­nego, pod­czer­wieni i w końcu mikrofal. Tak też w toku ewolucji wszech­świata, zmie­niało się jego pier­wotne pro­mie­nio­wanie: od silnych promieni gamma (których część zrodziła ist­nie­jącą materię) do ledwie dostrze­gal­nego pro­mie­nio­wania mikro­fa­lo­wego. Szczę­śliwe odkrycie z roku 1964 dowiodło – zgodnie z wcze­śniej­szymi prze­wi­dy­wa­niami Gamowa i Dicke’a – że prze­strzeń kosmiczną wypeł­niają fotony nadające jej tem­pe­ra­turę rzędu kilku stopni powyżej zera abso­lut­nego.

Relikt grawitacyjny

Mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wanie tła odsło­niło również inną tajem­nicę. W 2001 roku sonda Wil­kin­sona przyj­rzała się echu wiel­kiego wybuchu znacznie dokład­niej i wykazała, że jest ono niemal dosko­nale jed­no­lite; różnice między naj­cie­plej­szymi miej­scami na zdjęciu (czerwone) i naj­chłod­niej­szymi (nie­bie­skie) wynoszą mniej niż tysięczna część stopnia. Naukowcy od lat 80. obawiali się takich wyników i nawet wymownie nazwali je pro­blemem jed­no­rod­ności. Dlaczego to kłopot? Moim zdaniem nie istnieje naprawdę dobre, w pełni przy­stępne wyja­śnienie pozwa­la­jące pojąć wagę tej sprawy, więc sięgnę do naj­czę­ściej sto­so­wanej metafory.

Wyobraźcie sobie, że wlewacie kubek wrzątku do wanny zimnej wody. Jak pod­po­wiada intuicja, przy­jemne ciepełko będzie roz­cho­dzić się po zbior­niku stop­niowo. Zasta­na­wia­jąca byłaby sytuacja, w której tem­pe­ra­tura całej wody zrów­na­łaby się w ułamku sekundy – w końcu na prze­ka­zanie każdej infor­macji, w tym prze­trans­fe­ro­wania energii, potrzeba ściśle okre­ślo­nego mini­mal­nego czasu. Kosmo­lo­gowie w odpo­wiedzi na ten oraz kilka innych wsty­dli­wych pro­blemów ukuli model infla­cyjny wszech­świata. Bez wdawania się w szcze­góły (mogące stanowić treść kilku całkiem dorod­nych, osobnych arty­kułów), wyszli oni z zało­żenia, iż cały kosmos na samym początku ist­nienia zawierał się w tak nie­wielkim obszarze, że możliwym było jego kom­plek­sowe prze­mie­szanie i ter­ma­li­zacja. Pisząc „nie­wielkim” mam na myśli znacznie, znacznie mniej­szym od poje­dyn­czego atomu; zresztą wszystkie wartości, o których teraz mówimy oscylują w gra­ni­cach setek miejsc po prze­cinku. Zgodnie z postu­la­tami inflacji kosmo­lo­gicznej po złamaniu symetrii między oddzia­ły­wa­niem elek­tro­słabym a silnym, w ciągu trudnego do wyobra­żenia ułamka sekundy nastą­piła jeszcze trud­niejsza do wyobra­żenia eks­pansja wszech­świata, nawet 1040 razy. Bez żadnej przesady, to jedna z naj­więk­szych wiel­kości na jakie natknęła się fizyka. To tak jak gdyby w mgnieniu oka maleńki proton urósł do roz­miarów bliskich Mgławicy Oriona. Wraz z nie­praw­do­po­dobną inflacją prze­strzeni roz­cią­gnięciu uległa jej ujed­no­li­cona struk­tura.
Dowód na to, że inflacja kosmo­lo­giczna naprawdę miała miejsce, uzy­ska­liśmy dopiero ostatnio. Jeżeli obecny obraz kosmosu jest w istocie powięk­sze­niem jego stanu sprzed 13,82 mld lat, to kolejny ślad powinna pozo­stawić gra­wi­tacja. Naj­bar­dziej znana nam wszystkim siła oddzie­liła się z pier­wot­nego „elek­tro­sła­bo­sil­nie­gra­wi­ta­cyj­nego oddzia­ły­wania” jako pierwsza, więc istniała już w chwili inflacji. Maleńkie różnice w zagęsz­czeniu energii/materii widoczne w mikro­fa­lowym pro­mie­nio­waniu tła, powinny więc stworzyć możliwe do prze­wi­dzenia fałdy w cza­so­prze­strzeni. Tutaj naukowcy wykazali się nie lada prze­bie­gło­ścią: wie­dzieli, że fale gra­wi­ta­cyjne pozo­stałe po wielkim wybuchu muszą być nie­zwykle słabe, a na pewno słabsze od tych, które dobie­gają do Ziemi od strony wszel­kich masyw­nych obiektów. Zbadano je więc pośrednio, poprzez postu­lo­wany wpływ wczesnej gra­wi­tacji na pola­ry­zację pro­mie­nio­wania relik­to­wego. W dużym uprosz­czeniu, fotony niczym małe strza­łeczki, powinny być poobra­cane w okre­ślony sposób i dać się nałożyć na mapę młodego wszech­świata.

Tu chciałbym dodać pewne spro­sto­wanie bzdurnej infor­macji kopio­wanej przez 99% mediów. Otóż głównym osią­gnię­ciem badaczy z Harvard-Smi­th­so­nian Center for Astro­phy­sics nie jest wcale samo wykrycie fal gra­wi­ta­cyj­nych. Niewiele mniej nama­cal­nego dowodu na ist­nienie zmarsz­czek cza­so­prze­strzeni dostar­czyła nam ekipa Josepha Taylora… przeszło 20 lat temu! Tego­roczny eks­pe­ry­ment posiada nie­ba­ga­telne zna­czenie z co najmniej trzech innych powodów. Po pierwsze, potwierdza nasze przy­pusz­czenia doty­czące kolej­ności wyod­ręb­niania się kolej­nych oddzia­ływań pod­sta­wo­wych podczas narodzin wszech­świata; może więc pomóc fizykom cząstek ele­men­tar­nych w pracach nad teorią wielkiej uni­fi­kacji (GUT). Po drugie, to pierwsza doświad­czalna wery­fi­kacja modelu infla­cyj­nego, do tej pory spraw­dza­ją­cego się tylko na papierze. Wreszcie po trzecie, skoro wyniki potwier­dzają inflację to również wzmac­niają teorię wiel­kiego wybuchu.

Relikt neutrinowy

Pozo­staje nam do roz­wa­żenia trzeci, wciąż cze­ka­jący na uchwy­cenie relikt big bangu – neu­tri­nowe pro­mie­nio­wanie tła. Neutrina (głównie elek­tro­nowe) to naj­bar­dziej roz­po­wszech­niony po fotonach składnik wszech­świata (pomi­jając problem ciemnej materii). Jest ich miliardy razy więcej od budu­ją­cych nasze ciała leptonów i kwarków; w każdym cen­ty­me­trze sze­ściennym prze­strzeni znajduje się nawet 300 neutrin. Skąd pochodzą? Dosłownie zewsząd: cząstki przy­la­tują do nas z centrum Drogi Mlecznej, z innych galaktyk, eks­plozji super­no­wych oraz przede wszystkim ze Słońca. Dokład­niej, aż 2% całej emi­to­wanej przez naszą gwiazdę energii stanowią właśnie neutrina. Jednakże naj­więcej neutrin ma ten sam rodowód co fotony pro­mie­nio­wania relik­to­wego – pochodzą z pra­sta­rego ognia wiel­kiego wybuchu.

Tu jednak czai się pułapka, gdyż owe „kosmo­lo­giczne” neutrina jak dotąd istnieją jedynie w głowach naukowców. Zgodnie z tym co napi­sałem możecie być nieco sko­ło­wani. Bo jak to – nasze ciała prze­ni­kają biliony drobin, których nikt nie widział? Aż tak źle nie jest, ponieważ istnieją detek­tory; tyle tylko że pozwa­lają one reje­strować tylko nie­wielki ułamek neutrin i to nie tych naj­cen­niej­szych. Wszystko staje się bardziej klarowne po bliższym poznaniu tych nie­zno­śnych skur­czy­byków. Posia­dają masę co najmniej 3/4 mniejszą od elek­tronu i zerowy ładunek elek­tryczny; w efekcie nie reagują na oddzia­ły­wanie silne, elek­tro­ma­gne­tyczne i ledwo na gra­wi­ta­cyjne. Jeżeli dodamy do tego fakt, iż neutrina relik­towe niosą ze sobą znacznie niższą energię niż ich odpo­wied­nicy rodzący się np. we wnę­trzach obecnych gwiazd – zro­zu­miemy w jak bez­na­dziejnej sytuacji znajdują się stru­dzeni eks­pe­ry­men­ta­torzy.

Macie prawo zapytać: ale po co nam do diaska jeszcze jeden odcisk wiel­kiego wybuchu? Tu musicie mi wybaczyć drobne kłamstwo z pierw­szego akapitu, mia­no­wicie mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wanie tła nie jest błyskiem pocho­dzącym z samego momentu stwo­rzenia. Wczesny wszech­świat był jeszcze zbyt gorący aby fru­wa­jące w te i we wte nukleony oraz elek­trony mogły ufor­mować stabilne atomy, co sku­tecznie blo­ko­wało drogę fotonom. Przy­po­mi­nało to tłoczne przy­jęcie, w czasie którego mniej postawnym gościom (fotonom) bardzo trudno było się prze­drzeć do wyjścia, zwłaszcza, że co chwile byli zaga­dy­wani i czę­sto­wani winem przez napo­ty­ka­nych przy­ja­ciół (elek­trony). W efekcie kwanty światła skła­da­jące się na mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wanie tła, wyrwały się na wolność dopiero gdy w lokalu zrobiło się luźniej, tj. 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu.
Pamię­tając o naszych narze­ka­niach na nie­uchwyt­ność neutrin, okazuje się że ich naj­większa wada może roz­bu­dzić u naukowców wielkie nadzieje. Praw­do­po­dobnie te drobne cząstki niczym kul­tu­ralni abs­ty­nenci, nie­re­agując na zaczepki elek­tronów, opuściły kosmiczny bal znacznie wcze­śniej. Przy odro­binie szczę­ścia, neu­tri­nowe pro­mie­nio­wanie tła może nam ukazać obraz wszech­świata powstały już w pierw­szych sekun­dach jego ist­nienia. Czekamy z nie­cier­pli­wo­ścią.
Literatura uzupełniająca
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, Warszawa 2014; 
M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii, Warszawa 1985; 
M. Hilkiewicz, Doświadczenia z neutrinami akceleratorowymi i wpływ przesyłania wiązek neutrinowych na środowisko, Warszawa 2005.



Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Ano­ny­mous

    Piękny artykuł. Warto było czekać 🙂 Problem tylko w tym, że czym więcej wiem, tym większy głód mam..dlatego oby takich arty­kułów było tutaj więcej.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/04842367139356695435 Hubert Michalak

    Pierwsze zdanie drugiego akapitu – zamiast „opor­tu­nizm” powinno być „kon­ser­wa­tyzm” ew. „kon­for­mizm”.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Moja myśl była nastę­pu­jąca: jeżeli główną zasadą jaką powinni się kierować naukowcy powinien być scep­ty­cyzm, dążenie do odkrycia prawdy – to blo­ko­wanie nowych teorii jest opor­tu­ni­zmem.

      „Opor­tu­nista 1. człowiek łatwo zmie­nia­jący zasady w celu odnie­sienia oso­bi­stych korzyści; kon­for­mista.” Słownik Współ­cze­snego Języka Pol­skiego pod red. Anny Sikor­skiej-Michalak, Warszawa 1998.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/17600166906892597594 Unknown

      I zawsze znajdą sie skost­niali „naukowcy”,ktorzy będą dys­kre­dy­tować nowe teorie i młodych naukowców,zadufani w swojej”wiedzy”nie dopusz­czaja innych rozwiązań.Są prze­step­cami ‚ponieważ opóź­niają i wyha­mo­wuja rozwój nauki!!!

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Tańczący z gamo­niami

    … a i tak znajdą się kolejni twier­dzący że wiel­kiego wybuchu nie była a dowody nie istnieją.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Pisząc „nie­wielkim” mam na myśli znacznie, znacznie mniej­szym od poje­dyn­czego atomu; zresztą wszystkie wartości, o których teraz mówimy oscylują w gra­ni­cach STEK miejsc po prze­cinku. lite­rówka…

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Jak zawsze ciekawie… Oby takich arty­kułów było więcej!

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    „Jest ich miliardy razy więcej od budu­ją­cych nasze ciała leptonów i kwarków; w każdym cen­ty­me­trze sze­ściennym prze­strzeni znajduje się nawet 300 neutrin.”

    Chyba jakaś lite­rówka. 300 to byłoby nie­zwykle mało, a już nie­po­rów­nanie mniej niż elektronów/kwarków.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      A gdzież tam. Już w dwóch źródłach spo­tkałem podobne szacunki, mówiące że na cen­ty­metr sze­ścienny wszech­świata przypada ok. 500 fotonów, 300 neutrin, a na każdy metr sze­ścienny 1 atom wodoru. 

      Może nie wziąłeś pod uwagę olbrzy­mich rejonów kosmicznej pustki?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/17862131089661623118 Prze­my­sław Biel

    Hej,
    ja trochę nie w temacie wpisu, ale jestem właśnie pod wra­że­niem „Kosmicz­nego kra­jo­brazu” Sus­skinda, a ten blog to naj­lepsze miejsce jakie znam do wery­fi­kacji prze­my­śleń, nie stu­diując fizyki:]

    Od pewnego czasu roz­my­ślam nad tematyką cząstek wir­tu­al­nych. Jak wiadomo, ich ist­nienie jest kon­se­kwencją wystę­po­wania fluk­tu­acji kwan­to­wych. Z naszego- ludz­kiego punktu widzenia cząstki te wyła­niają się „z niczego”, a następnie szybko znikają, nie pozo­sta­wiając żadnych śladów. 

    Susskind we wspo­mnianej wyżej książce opisuje, że wła­ści­wości cząstek ele­men­tar­nych są bez­po­średnio związane z czę­sto­tli­wo­ściami drgań hipo­te­tycz­nych strun. Ponadto wskazuje, że struny powinny drgać nie tylko w 3 wymia­rach z jakimi mamy do czy­nienia na co dzień, ale także w dodat­ko­wych 6 znaj­du­ją­cych się w stanie kom­pak­ty­fi­kacji.

    Rozważmy sytuację, w której stoimy na 2-wymia­rowej planecie, zamiesz­ki­wanej przez Płasz­czaka. Płasz­czak patrząc w naszym kierunku stwierdzi ist­nienie nie­prze­kra­czalnej „ściany” w miejscu, w którym stykamy się butami z podłożem. Jeśli w tym momencie pod­sko­czymy i z powrotem wylą­du­jemy- Płasz­czak zauważy rzecz prze­dziwną- najpierw „ściana” roz­pły­nęła się w nicości, a następnie „ex nihilo” wyłoniła się na powrót w jego świecie. Jeśli będziemy szybko pod­ska­kiwać, doty­kając stopami podłoża na czas rzędu czasu Plancka, Płasz­czak będzie nas postrzegał w ana­lo­giczny sposób w jaki my, trój­wy­mia­rowe istoty, postrze­gamy cząstki wir­tu­alne. Czy jest zatem możliwe, że cząstki wir­tu­alne nie wyła­niają się „z niczego”, a ich fluk­tu­acje są kon­se­kwencją drgań strun w skom­pak­ty­fi­ko­wa­nych wymia­rach?

    Krytyka i wytknięcie błędów w rozu­mo­waniu mile widziana:)

    Pozdra­wiam

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/04842367139356695435 Hubert Michalak

      Wszystko jest możliwe; wystarczy to tylko udo­wodnić 😉

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Małe kosmologiczne FAQ | Kwantowo.pl()

  • Pingback: Janusze nauki #1: fizyka na Wykopkach | Kwantowo.pl()

  • Pingback: LIGO-Virgo i fale grawitacyjne – rozmowa z Adamem Kutynią |()

  • Pingback: Była sobie osobliwość |()