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
  • 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