Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 24

Artykuły

Małe kosmologiczne FAQ

24th Lip '14

Struktura wszechświata oraz mechanizmy wielkiego wybuchu zawsze wzbudzają wielkie zainteresowanie, i to nie tylko w społeczności fizyków. Wystarczy prześledzić komentarze pod pierwszym lepszym artykułem poświęconym powyższym zagadnieniom, aby zauważyć jakie pytania stale rozpalają ludzką ciekawość. Na szczycie znajdują się niezmiennie zagadnienia podstawowe, dotyczące rozmiaru, wieku i kształtu kosmicznej areny. 


1. Gdzie jest środek wszechświata?

kosmologiczne faq3Mam dobrą i złą wia­do­mość. Dobra brzmi naprawdę zna­ko­micie: Ty, właśnie Ty we własnej osobie, znaj­du­jesz się teraz w samym centrum odmóż­dża­jąco wiel­kiego wszech­świata. Gdybyś dys­po­nował dobrej jakości tele­skopem i spojrzał w niebo, zauwa­żyłbyś to samo co w 1924 roku Edwin Hubble – oddalone o miliardy lat świetl­nych galak­tyki oddalają się od Ciebie. Powstrzymaj się jednak z obwiesz­cza­niem tej nowiny rodzinie i usta­wia­niem eks­ta­tycz­nego statusu na fece­booku. Zła wia­do­mość jest bowiem taka, że Twoja mama, sąsiad i każdy z kolegów, również stanowi pępek wszech­świata. Aby zro­zu­mieć o czym piszę, musisz wyobrazić sobie, że wybrana przez Ciebie osoba udaje się na wycieczkę do odległej galak­tyki X. Kiedy ona użyje tele­skopu, zobaczy to samo zjawisko co Ty, odnosząc wrażenie, że to od niej uciekają galak­tyki, w tym nasza Droga Mleczna. Które z was rze­czy­wi­ście stoi w „punkcie zero”, tj. miejscu pamię­ta­jącym moment wiel­kiego wybuchu?

Obaj. I żaden. Cały kłopot z „poszu­ki­wa­niem” mitycz­nego centrum wszech­świata bierze się ze zbyt dosłow­nego trak­to­wania nazwy teorii wiel­kiego wybuchu. Słowo wybuch jest bardzo mylące, a do samej nauki – o czym wielu zapomina  prze­nik­nęło za sprawą szy­derstw ser­wo­wa­nych przez scep­tyków tej kon­cepcji, niedługo po jej powstaniu. Kiedy myślimy o wybuchu, mamy przed oczyma kla­syczną eks­plozję, czyli gwał­towne zda­rzenie mające swój początek w kon­kretnym miejscu i towa­rzy­szące mu emisję energii, zmiany ciśnienia, falę ude­rze­niową, kulę ognia i tak dalej. Prze­ciętny człowiek spo­dziewa się więc jakiegoś, moż­li­wego do wska­zania palcem śladu po wielkim wybuchu, czegoś na kształt krateru po ude­rzeniu mete­orytu lub eks­plozji bomby.
bigbang
Rów­no­mierne roz­miesz­czenie galaktyk oraz obser­wacje mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wania tła (Zob. też: klik!), wskazują, iż cała eks­pansja wszech­świata prze­bie­gała i nadal prze­biega według innego schematu. Prze­cha­dzając się z licz­ni­kiem Geigera po poli­gonie, na którym testo­wano kiedyś broń jądrową, z łatwo­ścią doj­dziemy do mocniej napro­mie­nio­wa­nego centrum eks­plozji. Tym­czasem kosmiczne pro­mie­nio­wanie relik­towe cechuje nie­sa­mo­wita jed­no­rod­ność. Wszystko dlatego, że wielki wybuch nie odbył się w prze­strzeni – on prze­strzeń zrodził. Produkty tego procesu, czyli prze­strzeń i wypeł­nia­jąca ją energia, rosły i rosną w każdym miejscu rów­no­miernie. Moment począt­kowy nie przy­po­minał deto­nacji dynamitu, a raczej roz­cią­ganie gumy bądź nadmu­chi­wanie balonu. A gdzie leży punkt cen­tralny równo wzra­sta­jącej powierzchni balonu?  Oczy­wi­ście wszędzie. I nigdzie.

2. Gdzie wszechświat ma granicę?

dwunastoscianNa początek warto roz­różnić dwa terminy: wszech­świat jako całość i wszech­świat obser­wo­walny. Ten drugi bez wąt­pienia posiada ściśle okre­ślony, kulisty kształt oraz możliwą do wyzna­czenia granicę. Nie stanowi ona żadnej fizycznej zapory a tylko swego rodzaju horyzont, oddalony od każdego obser­wa­tora o około 46 miliardów lat świetl­nych (zob. też: klik!). Jego nie­ma­te­rial­ność nie zmienia faktu, że jest on jak naj­bar­dziej istotny, ponieważ bez względu na to jakiego sprzętu optycz­nego użyjemy, nie zajrzymy dalej. A niemal na pewno byłoby na co popa­trzeć.

Zasad­niczo istnieją dwie moż­li­wości: albo cały wszech­świat jest nie­skoń­czony, albo „tylko” o wiele większy od wszech­świata widzial­nego. Praw­do­po­dobnie ta nie­do­strze­galna część uni­wersum nie różni się swą struk­turą od tej widzialnej. Zna­leź­li­byśmy tam kolejne miliardy galaktyk, biliony gwiazd i odno­to­wali iden­tyczną tem­pe­ra­turę mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wania tła – ale te dywa­gacje odstawmy na bok. Bardziej inte­re­su­jące, że w obu przy­pad­kach kosmos może nie posiadać natu­ral­nych granic. O ile w sce­na­riuszu mówiącym o nie­skoń­czo­ności to rzecz oczy­wista, o tyle kon­cepcja skoń­czo­nego wszech­świata pozba­wio­nego brzegów, wymaga drobnego wyja­śnienia.

W kla­sycznym eks­pe­ry­mencie myślowym, podaje się przykład mrówki cho­dzącej po powierzchni przy­wo­ła­nego już wcze­śniej balonu. Owad może masze­rować ile tylko chce, ale nigdy nie spadnie poza krawędź swojego świata – bo taka nie istnieje. Prąc na przód po prostu w końcu trafi do punktu wyjścia. Chyba, że zaczniemy nadmu­chiwać balon, a jego powierzchnia będzie rosła na tyle szybko aby mrówka nigdy go nie okrążyła. Bez względu na to, guma budująca balon posiada skoń­czoną i możliwą do zmie­rzenia powierzchnię, ale żadnego brzegu. Kosmo­lo­gowie widzą wszech­świat w sposób podobny, z tą różnicą, że „zawi­nięta” nie jest dwu­wy­mia­rowa płasz­czyzna, a trój­wy­mia­rowa prze­strzeń. (Na mar­gi­nesie: warunek braku brzegu dotyczy również czasu, ale o tym innym razem.) Trudno wyobrazić sobie taki kon­strukt bez sięgania po jakiś czwarty wymiar prze­strzenny, ale sama idea wydaje się całkiem prosta. Gdyby nie ogra­ni­czenia fizyczne i gigan­tyczne odle­głości, patrząc w daleki zakątek kosmosu powin­niśmy zobaczyć Drogę Mleczną; czy mówiąc bardziej obrazowo, tył własnej głowy. Mate­ma­tyczne szcze­góły doty­czące modelu pozba­wio­nego brzegu, pozo­stają przed­miotem dyskusji.

Wypada wspo­mnieć choćby o młodej kon­cepcji Jeana-Pierra Lumineta, według którego czę­sto­tli­wości pro­mie­nio­wania relik­to­wego wskazują na skoń­czony wszech­świat o kształcie zbli­żonym do dwu­na­sto­ścianu. Niestety bez­po­śred­nich dowodów obser­wa­cyj­nych raczej się nie docze­kamy, z uwagi na to, iż nasza kula wszech­świata obser­wo­wal­nego, nie styka się w żadnym miejscu ze ścian­kami rosną­cego dwu­na­sto­ścianu. Z tego też powodu, jeżeli nie zbu­du­jemy pojazdu potra­fią­cego poruszać się z dowolną pręd­ko­ścią, nigdy nie uda nam się „okrążyć” prze­strzeni kosmicznej wracając w miejsce startu.

3. W czym rozszerza się wszechświat?

multiuniMyśląc o wielkim wybuchu  jak wspo­mniałem, nie­słusznie koja­rzonym z eks­plozją – instynk­townie zadajemy pytanie o to, gdzie do niego doszło i w czym wszech­świat się roz­szerza. Nie powinno Cię zdziwić kiedy napiszę, że żadne obser­wacje i doświad­czenia nie pozwa­lają na wyj­rzenie „poza” wszech­świat. Wszakże nie mamy nawet moż­li­wości badania tego co znajduje się za hory­zontem wszech­świata obser­wo­wal­nego, a co dopiero mówić o czymś więcej.

Współ­czesne modele fizyczne oferują trzy możliwe roz­wią­zania, z których co najmniej dwa nie zadowolą złak­nio­nego fascy­nu­ją­cych odpo­wiedzi laika. Pierwsza pro­po­zycja brzmi wręcz non­sza­lancko: w nic. Prze­strzeń to cha­rak­te­ry­styczny i obwa­ro­wany prawem autor­skim wytwór wiel­kiego wybuchu, podobnie do czasu, materii czy stałych fizycz­nych, i sam pomysł ist­nienia jakiegoś „poza” nie ma sensu. To może wydać się dziwne, ale nie istnieje jakiś fizyczny powód, dla którego musia­łaby istnieć zewnętrzna strona wszech­świata. Drugą odpo­wiedź usły­szycie od więk­szości naukowców pod­cho­dzą­cych do tematu w sposób prak­tyczny: to nie­istotne w co roz­szerza się wszech­świat. Co naj­lepsze, trudno takiej postawie odmówić racji. Fizyka z defi­nicji zajmuje się badaniem naszej rze­czy­wi­stości i jej wła­ści­wości. Nawet gdyby „poza” kosmosem znaj­do­wało się coś nie­zwy­kłego, to raczej i tak nie wpły­wa­łoby na nasz świat, a my nie znaj­dziemy sposobu aby tam zajrzeć. Odpo­wiedź trzecia naj­bar­dziej zadowoli fan­ta­stów i fanów Michio Kaku: nasz wszech­świat, jako jeden z wielu, może roz­sze­rzać się w czymś na kształt hiper­prze­strzeni. Niczym bąbel w garze gorącej wody, trój­wy­mia­rowe uniwersa powsta­wa­łyby i znikały w wyższym, czte­ro­wy­mia­rowym obszarze. Należy tu uściślić, iż obecnie nie istnieją abso­lutnie żadne godne uwagi dowody potwier­dza­jące tę hipotezę. Innym man­ka­mentem jest to, że żadna forma mul­tiu­ni­wersum nie roz­wią­zuje naszego problemu do końca. W końcu, skoro nasz wszech­świat znajduje się w hiper­prze­strzeni, to w czym znajduje się sama hiper­prze­strzeń?

Powyższy FAQ ma cha­rakter szcze­gólny, ponieważ niemal wszystkie zawarte w nim odpo­wiedzi to tylko hipotezy. Zawsze oparte na obser­wa­cjach i obli­cze­niach, ale jednak hipotezy. Mamy tego pecha, że kosmo­lo­gowie siłą rzeczy kroczą drogą indukcji, zbie­rając elementy ukła­danki i dopiero na ich pod­stawie budując cało­ściowe modele. Zdobycie pewnych odpo­wiedzi na naj­bar­dziej fun­da­men­talne pytania będzie więc sumą setek drobnych, osobno nie budzą­cych szer­szego zain­te­re­so­wania pro­jektów i badań.
Literatura uzupełniająca:
Belle Dumé, Is the universe a dodecahedron?, [online: http://physicsworld.com/cws/article/news/2003/oct/08/is-the-universe-a-dodecahedron/];
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014;
K. Ferguson, Ogień w równaniach. Nauka, religia i poszukiwania Boga, przeł. P. Amsterdamski, Poznań 2001;
W zasadzie każda lepsza książka dot. kosmologii.
czarny-podpis

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

  • Fevan

    Dzięki za ten tekst. Niby coś tam się na te tematy czytało, ale dobrze, że ktoś to w sposób zwięzły i czytelny wyłożył.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ni­mowy

    W końcu, skoro nasz wszech­świat znajduje się w hiper­prze­strzeni, to w czym znajduje się sama hiper­prze­strzeń?

    W kolejnej hiper­prze­strzeni, a ta w kolejnej i w kolejnej… Czy jest jakiś jakiś powód, dla którego taka nie­skoń­czona ukła­danka nie mogłaby istnieć?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ni­mowy

      Inny słowy, żółw stoi na żółwiu, a ten na kolejnym. 🙂

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Jan Rzym­kowski

    Wypada wspo­mnieć choćby o młodej kon­cepcji Jeana-Pierra Lumineta, według którego czę­sto­tli­wości pro­mie­nio­wania relik­to­wego wskazują na skoń­czony wszech­świat o kształcie zbli­żonym do dwu­na­sto­ścianu.

    Lumi­ne­towi chodzi o prze­strzeń Poincaré. Można ją otrzymać utoż­sa­miając prze­ciw­ległe ścianki dwu­na­sto­ścianu, obrócone o 36 stopni, podobnie jak można otrzymać torus utoż­sa­miając prze­ciw­ległe brzegi powierzchni bocznej cylindra. Który z kolei można uzyskać utoż­sa­miając ze sobą parę brzegów pro­sto­kąta.
    Ale powie­dzieć, że prze­strzeń Poincaré jest zbliżona do dwu­na­sto­ścianu to dość nie­for­tunne, bo w tym samym stopniu torus ma kształt zbliżony do kwadratu.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl Adam Adamczyk

      Ależ jak naj­bar­dziej. W tym miejscu popeł­niłem celowe uprosz­czenie tematu, który chciałem tylko zasy­gna­li­zować. Podobnie wolałem nie poruszać wątku „otwar­tości” wszech­świata.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Anonim

    W kla­sycznym eks­pe­ry­mencie myślowym, podaje się przykład mrówki cho­dzącej po powierzchni przy­wo­ła­nego już wcze­śniej balonu. Owad może masze­rować ile tylko chce, ale nigdy nie spadnie poza krawędź swojego świata – bo taka nie istnieje. Prąc na przód po prostu w końcu trafi do punktu wyjścia. Chyba, że zaczniemy nadmu­chiwać balon, a jego powierzchnia będzie rosła na tyle szybko aby mrówka nigdy go nie okrążyła

    Nie­prawda! Mrówka go i tak okrąży. http://en.wikipedia.org/wiki/Ant_on_a_rubber_rope

    Poza tym, bardzo inte­re­su­jący artykuł. Pod­sta­wowe pytania są naj­cie­kawsze.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Hubert Michalak

      Nie, nie okrąży.
      Lina z przy­wo­ła­nego artykułu z Wiki­pedii wydłuża się ze stałą pręd­ko­ścią 1 km/s; podczas gdy powierzchnia balona z artykułu ze stale wzra­sta­jącą.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Nonimowy

    @Jan Rzym­kowski:
    „Ale powie­dzieć, że prze­strzeń Poincaré jest zbliżona do dwu­na­sto­ścianu to dość nie­for­tunne, bo w tym samym stopniu torus ma kształt zbliżony do kwadratu.”

    Nie znam się na geo­me­trii, ale się pocze­piam 😛
    Skoro napi­sałeś, że ta prze­strzeń Poincare to skle­jenie dwu­na­sto­ścianu ścian­kami, to porów­nanie z torusem (oponką) i kwa­dratem jest słabe, bo potrze­bu­jemy dwóch sklejeń – najpierw lepimy rulon – cylinder, a potem oponkę – torus.
    Więc bardziej ade­kwatne byłoby powie­dzenie, że torus ma kształt zbliżony do cylindra, bo potrze­bu­jemy jednego skle­jenia, jak w przy­padku tego dwu­na­sto­ścianu i Poincare. Pewnie są na to jakieś fajnie brzmiące fachowe terminy 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Stretch

    Bardzo fajny artykuł, widzę że Ogień w rów­na­niach w użyciu 🙂

    Takie artykuły, w tej formie, na różne tematy (fizyczne) byłyby bardzo poży­teczne.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • JamesVoo

    Odbie­gając trochę od tematu wpisu.
    Nie myślałeś o wrzu­ceniu Disqusa jako system komen­tarzy? 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl Adam Adamczyk

      Myślałem =). A na Disqusie nie mogą przy­pad­kiem pisać tylko zare­je­stro­wani? Bo jeśli tak, to raczej odpada – dosta­tecznie mało osób pisze, nie chcę dodat­kowo utrud­niać.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • JamesVoo

    http://s16.postimg.org/u6fiarn0l/Przechwytywanie.png

    To powinno rozwiać Twoje wąt­pli­wości 😉
    A aktu­alnie i tak trzeba maila podać, a tak jest wygodny system powia­do­mień także na innych stronach, z Disqusa korzysta wiele, sam z pamięci kojarzę AntyWeb, Dziennik Inter­nautów, WPWorld, więc dla samych komen­tu­ją­cych by to było uła­twienie 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Anonim

    Do tej pory myślałem, że te 46 mld lat świetl­nych to już jest „wszystko”. Ale ja głupi jestem 🙁

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Anonim

    A może po prostu nasz wszech­świat roz­szerza się w innym (zachodzi inkluzja)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Kwantowo 2014 | Kwantowo.pl()

  • Konrad

    Dyletant ze mnie w tych sprawach, ale swego czasu u Hellera zdajesię, czytałem, że nasz cza­so­prze­strzenny Wszech­świat (a dokład­niej równania którymi staramy się go opisać) ma brzegi w miej­scach oso­bli­wości. Jednym rodzajem oso­bli­wości w osi czasu jest Wielki Wybuch (i ewen­tu­alnie naj­praw­do­po­dob­niej nie­ist­nie­jący Wielki Kolaps), a drugim w osiach prze­strzen­nych są oso­bli­wości w centrach czarnych dziur. Patrząc na to przez ten pryzmat można powie­dzieć, że Wszech­świat ma brzegi i to całkiem ich sporo.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • bpr

    Naj­prost­szym wyja­śnie­niem, moim zdaniem, jest to, że nasz wszech­świata, prze­strzeń jaką znamy, roz­szerza się po prostu w próżni. Idealnej, nie­skoń­czonej próżni, bez mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wania tła itp. – bez żadnych, naj­mniej­szych śladów materii. Nie traktuję tego, oczy­wi­ście, jako naukowej prawdy, ale po prostu to jest moim zdaniem naj­prostsze, naj­bar­dziej praw­do­po­dobne wytłu­ma­czenie. Bo skoro wszech­świat defi­niu­jemy po prostu jako „coś” (czy raczej zbiór różnych rzeczy będących czym­kol­wiek), to brak wszech­świata (coś poza jego gra­ni­cami) powinno być niczym. Skoro coś nie jest czymś, to jest niczym. Kom­pletnie nie­nau­kowa hipoteza, ale dla mnie brzmi logicznie i prze­ko­nu­jąco.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Janusze nauki #2: mądrości z YouTube | Kwantowo.pl()

  • egerg5

    napisz do Bajtlika. kiedys postu­lował 12 scian foremny jako wyglad wszech­swiata. obliczal to na pod­stawie wlasnie mikro­fa­lo­wego p. mial doliczyc jak beda lepsze dane

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://madreksiazki.org Mądre Książki

    Świetna książka, która omawia zagad­nienia wspo­mniane w powyż­szym wpisie: http://madreksiazki.org/granice-kosmosu-granice-kosmologii/

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Krzysztof Bryś

    Czyli fotony wyzna­czają granice Wszech­świata?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://mathspace.pl/ MathSpace.pl

    Taka ciekawostka,dziś znamy miliardy cyfr liczby pi, ale wystarczy ich tylko 39 aby policzyć obwód obser­wo­wa­nego wszech­świata z dokład­no­ścią do 1 atomu wodoru 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Kura domowa, która odkryła wszechświat |()

  • hufu

    Jaki jest promień Schwarz­schilda dla całego Wszech­świata o średnicy R = 4,6 ×10^10 ly ?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0