Ogórkowe pytania (II): Skąd wiemy o wielkim wybuchu?

Pytanie Ogórka: Mówi się, że wszechświat miał swój początek w wielkim wybuchu i wciąż się rozszerza. Brzmi to bardzo abstrakcyjnie i trudno mi w to uwierzyć. Skąd w ogóle wzięła się ta idea? Czy naukowcy potrafią ją poprzeć jakimikolwiek przekonującymi dowodami?

Przede wszystkim to świetnie, że nie wierzysz w wielki wybuch. Ja również nie wierzę. Natomiast w świetle obecnej wiedzy opartej o obserwacje, pomiary i obliczenia, jestem przekonany, że wszechświat jaki znamy narodził się kilkanaście miliardów lat temu i wciąż ekspanduje. Zamiast namawiania kogokolwiek do ślepego uznania tej czy innej teorii naukowej, wolę więc przedstawiać fakty i dowody. Te same, które zmusiły uczonych XX wieku do porzucenia dawnego scenariusza, opisującego wszechświat jako miejsce wieczne i statyczne.

Ale zanim powiemy sobie czym jest teoria wielkiego wybuchu, zacznijmy od czegoś z pozoru niewinnego. Dlaczego niebo nocą jest czarne?

Niedorzeczne pytanie.

Nie bardziej niedorzeczne od gadającego ogórka.

Dwieście lat temu niemiecki astronom nazwiskiem Heinrich Olbers, stwierdził, że skoro Ziemia pozostaje zawieszona w bezkresnym, wiecznym kosmosie, wypełnionym dosłownie nieskończoną liczbą gwiazd, to niebo nie ma prawa być czarne. Prosta logika: nieskończenie wiele gwiazd oznaczałoby nieskończoną liczbę punkcików zapełniających dokładnie całą przestrzeń nieba, co eliminuje możliwość zapadnięcia zmroku. Nie powinien istnieć ani jeden pusty obszar. A jednak, nawet w najlepszych warunkach możemy doliczyć się na firmamencie najwyżej kilku tysięcy gwiazd – za mało, aby zasłonić kosmiczną czerń i zdecydowanie mniej niż nieskończoność.

To ma mnie przekonać do wielkiego wybuchu?

Nie, ale to jedna z najwcześniejszych przesłanek wskazujących, że coś tu mocno nie gra. Wśród proponowanych wyjaśnień paradoksu Olbersa pojawiła się wreszcie nieśmiała sugestia, że być może wszechświat wcale nie jest nieskończony w czasie lub przestrzeni (lub jedno i drugie), jak najczęściej zakładano.

Najważniejsze odkrycia nastąpiły nieco później, na początku XX stulecia. Główne role w tej historii odegrali, niedoszły amerykański prawnik oraz belgijski ksiądz.

Tym pierwszym był wielki Edwin Hubble, ten sam, którego imię nosi legendarny teleskop kosmiczny. Bez wątpienia zasłużył na ten zaszczyt. Najpierw dowiódł, że niektóre obiekty astronomiczne uznawane dotąd za mgławice, w rzeczywistości są osobnymi, gigantycznymi i bardzo odległymi skupiskami gwiazd – galaktykami. Następnie przystąpił do gruntownej analizy światła emitowanego przez poszczególne galaktyki[1] i dostrzegł coś co odróżniało je od gwiazd ulokowanych wewnątrz Drogi Mlecznej. Mianowicie światła wszystkich odległych galaktyk okazywały się przesunięte ku czerwonemu krańcowi widma.

Mów jak człowiek do ogórka...

Już pewną tradycją stało się tłumaczenie przesunięcia ku czerwieni, poprzez przywołanie efektu Dopplera, z jakim stykamy się niemal codziennie na ruchliwej ulicy. Gdy mija nas jakiś pojazd i zaczyna się oddalać, emitowane przez niego dźwięki – warkot silnika, czy syrena alarmowa – ulegają zmianie w bardzo charakterystyczny sposób, co ma związek z częstotliwością fali dźwiękowej. W przypadku światła (fali elektromagnetycznej) mamy do czynienia z podobnym zjawiskiem, przy czym tutaj skracanie lub wydłużanie fali manifestuje się zmianą koloru. Światło obiektu zbliżającego się do obserwatora będzie przesunięte ku fioletowi, natomiast światło obiektu uciekającego, ku czerwieni.

Ucieczka galaktyk.

Uciekający autobus będzie dla mnie bardziej czerwony?

W zasadzie tak, ale prędkości na Ziemi są zdecydowanie zbyt małe, abyśmy byli w stanie samodzielnie dostrzec taki efekt.

Kiedy odkryto pierwsze galaktyki i zaczęto badać ich światło, szybko zauważono, że widma są poprzesuwane. Andromeda (M31) i dwie inne sąsiednie nam galaktyki wykazywały przesunięcie ku fioletowi, a wszystkie dalsze, ku czerwieni. Dla fizyków była to oczywista oznaka tego, że galaktyki w zauważalny sposób zmieniają swoje położenie względem Drogi Mlecznej, przy czym trzy zdają się do nas lgnąć, a reszta uciekać.

Teoria wielkiego wybuchu dla początkujących
Przestrzeń puchnie w każdym miejscu, powodując wzajemną ucieczkę galaktyk. W modelu tym każdy obserwator może odnieść wrażenie, że znajduje się w centrum wszechświata.

Dalsze analizy wykazały coś jeszcze. Kiedy Hubble zaczął nanosić na wykres dane dotyczące odległości i przesunięcia ku czerwieni, rzuciła mu się w oczy ewidentna zależność: im bardziej oddalona galaktyka, tym mocniejsze przesunięcie ku czerwieni. Innymi słowy, im większy dzieli nas dystans, tym szybciej się od siebie odsuwamy. Do dziś przeanalizowaliśmy widma dwóch milionów galaktyk i wciąż rejestrujemy tę samą zależność, która trafiła do podręczników pod nazwą prawa Hubble’a-Lemaître’a.

Równanie wyrażające prawo Hubble'a.
Prędkość oddalania galaktyki możemy ustalić mnożąc dzielący nas dystans przez stałą nazwaną na cześć Hubble’a. Stała Hubble’a dotyczy aktualnego tempa rozrostu przestrzeni i wynosi około 70-80 km/s na megaparsek[2], tj. na każde 3,26 mln lat świetlnych.

Odkrycie to nastąpiło w odpowiednim momencie, zaledwie dekadę po zdobyciu pierwszych dowodów potwierdzających słuszność ogólnej teorii względności.

Co teoria względności ma tu do rzeczy?

Albert Einstein należał jeszcze do pokolenia uznającego stacjonarny model wszechświata. Kiedy opracował ogólną teorię względności – stanowiącą de facto unowocześniony opis grawitacji – zaczęły go dręczyć spore wątpliwości. Pytał, dlaczego cała materia wszechświata nie lgnie ku sobie, wabiona siłą przyciągania? Dlaczego wszechświat wygląda jak wygląda, zamiast zawalić się pod własnym “ciężarem”? Wtedy zjawił się Edwin Hubble, który swoim odkryciem zakwestionował model stacjonarny. Pokazał, że kosmos nie uległ zawaleniu, ponieważ galaktyki wciąż uciekają od siebie we wszystkich kierunkach.

Oczywiście to rozumowanie ma swoje dalsze konsekwencje. Załóżmy, że potrafimy zapisać całą ewolucję wszechświata w formie filmu. Skoro normalnie obserwujemy ucieczkę galaktyk, cofając taśmę ujrzelibyśmy zjawisko odwrotne – wzajemne zbliżanie się całej materii ku sobie. Arcypytanie brzmi: co było na początku filmu?

Cudownie logiczne rozważania, na które nie każdy był w tamtych czasach gotowy. Jednym z pionierów okazał się fizyk i zarazem duchowny katolicki, Georges Lemaître. Belg był na tyle śmiały, że zaczął snuć hipotezy o dynamicznym wszechświecie jeszcze przed potwierdzeniem przesunięcia ku czerwieni, w oparciu o same równania ogólnej teorii względności! Praca Hubble’a tylko utwierdziła jego przypuszczenia. W 1930 roku jako pierwszy uczony wysunął propozycję, jakoby cały wszechświat narodził się miliardy lat temu z małego punktu – “pierwotnego atomu”, jak pisał – i ekspandował do chwili obecnej.

Można to uznać za moment sformułowania teorii wielkiego wybuchu, w najogólniejszym zarysie.

Brzmi to rozsądnie, ale wciąż jest jakaś szansa, że doszło do żenującej pomyłki. Przecież może się okazać, na przykład, że nie wiemy czegoś o świetle, albo, że przesunięcie ku czerwieni to rodzaj złudzenia. Różne rzeczy się zdarzają.

Wbrew temu co sądzą niektórzy, uczeni nie rzucają się na każdą ekscytującą hipotezę jak szczerbaty na suchary. Przeciwnie, nawet tak mocny dowód jak ucieczka galaktyk, nie zdołał trafić do konserwatywnych umysłów wielu znamienitych profesorów. Swoją drogą, to właśnie jednemu z takich sceptyków zawdzięczamy efektowną, choć niezbyt precyzyjną nazwę Big Bang.

A co jest złego czy nieprecyzyjnego w wybuchu?

To osobny wątek, któremu nie chcę teraz poświęcać wiele miejsca. Napiszę tylko, że wielki wybuch jest teorią początku wszystkiego co znamy: materii, energii, czasu i przestrzeni. Tymczasem kiedy ogórek słyszy słowo “wybuch” wyobraża sobie dosłowną eksplozję, którą łatwo połączyć z energią i materią, ale znacznie trudniej z czasoprzestrzenią. A to bardzo ważne. Galaktyki nie rozbiegają się po kosmosie tak po prostu, jak odłamki po eksplozji granatu, ale dlatego, że w każdym miejscu, nieustannie puchnie sama przestrzeń.

No dobrze, w takim razie wróćmy do tego, jak przekonano sceptyków? Co sprawiło, że abstrakcyjny wybuch, który nie był prawdziwym wybuchem, zyskał akceptację?

Po drodze ustrzelono jeszcze kilka cennych przesłanek[3], ale kropkę nad “i” postawiono dopiero pokolenie później. Ówcześni teoretycy spędzali sporo czasu na obliczeniach mających pomóc w wyobrażeniu sobie warunków panujących w epoce niedługo po hipotetycznym wielkim początku. Udoskonalając kolejne modele, Robert Dicke, Jim Peebles, George Gamow i inni zasłużeni fizycy, doszli do wniosku, że huczne narodziny wszechświata nie mogły nie pozostawić po sobie pewnego rodzaju echa. Cała niewyobrażalna energia powinna rozproszyć się w przestrzeni i po miliardach lat towarzyszyć nam pod postacią słabego, ale wszechobecnego promieniowania termicznego. W ten sposób Dicke z kolegami ustalili, że cały kosmos musi wypełniać promieniowanie resztkowe o temperaturze około 3 stopni powyżej zera absolutnego.

Czyli teoretycy spodziewali się zobaczyć światło samego wielkiego wybuchu?

Od razu tu doprecyzuję, że to pierwotne promieniowanie zostało wyemitowane nie wcześniej niż 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu. Dopiero wtedy kosmiczny piekarnik ochłodził się na tyle, że protony były w stanie przechwycić brykające elektrony, co sprawiło, że wszechświat stał się przezroczysty, a pierwsze fotony mogły swobodnie pomknąć przez przestrzeń. Ale co do zasady, owszem, właśnie to światło pochodzące z młodego, gorącego wszechświata, pragnęli upolować zwolennicy wielkiego wybuchu.

Mikrofalowe promieniowanie tła jako dowód wielkiego wybuchu
Kiedy temperatura spadła na tyle aby przestać jonizować materię, fotony rozświetliły wszechświat. Po miliardach lat wytraciły energię zmieniając się w delikatne mikrofalowe promieniowanie tła.

I udało się?

Im nie. Za to wiosną 1964 roku dwaj przypadkowi inżynierowie obsługujący jedną z anten należących do Laboratoriów Bella, wpadli na ślad czegoś co uznali za zakłócenia. Nie zdawali sobie sprawy, że znaleźli się o krok od Nobla, a dobiegający z każdej strony irytujący szum, to dowód koronny w śledztwie dotyczącym genezy wszechświata. Na szczęście dla nauki, któryś z ich znajomych wiedział czym żyje nauka i zaalarmował zainteresowanych fizyków.

Był to wielki triumf teorii. Zarejestrowano mikrofalowe promieniowanie tła o temperaturze 2,72 K i charakterystyce dokładnie odpowiadającej temu, co wyliczyli naukowcy.

Mikrofalowe promieniowanie tła WMAP
Oto zdjęcie wszechświata w wieku młodzieńczym. Powstało ono dzięki najdokładniejszych pomiarom promieniowania tła, dokonanym przez wystrzeloną w 2001 roku sondę WMAP. Widoczne różnice w temperaturze nie przekraczają tysięcznych części stopnia.

Robi wrażenie. Ale nadal mam mnóstwo wątpliwości. Przede wszystkim, od czego się zaczęło? Jak wyglądał wszechświat w chwili “zero”? Dlaczego coś wybuchło?

Tu dochodzimy do ogólniejszej kwestii, dotyczącej samego rozumienia pracy fizyków. Naukowiec potrzebuje przedmiotu badania; jest uzależniony od obserwacji, eksperymentów, obliczeń i symulacji. Skoro galaktyki się oddalają, kiedyś musiały być znacznie bliżej. Skoro całą przestrzeń przenika jednorodne promieniowanie o wyliczonej temperaturze, to jest ono echem energii jaka wypełniała niemowlęcy wszechświat dawno temu. Puzzle się zgadzają i składają na spójny obraz teorii wielkiego wybuchu.

Problem polega na tym, że zbliżając się do ułamka sekundy po wielkim wybuchu, docieramy do granicy oddzielającej ścisłą naukę od radosnej krainy spekulacji.

W większości książek przeczytamy, że wszystko wszystko co nas otacza wykiełkowało z jakiegoś rodzaju punktowej osobliwości. W innych znajdziemy pomysł wszechświata pozbawionego brzegu, gdzie u zarania czas w trudny do ogarnięcia sposób plątał się z przestrzenią. Nie brakuje też zwolenników kosmologicznej oscylacji, z wszechświatem rodzącym się i ginącym. Jeszcze gdzieniegdzie trafimy na ideę wieloświatu, zakładającą, że wszechświaty o różnych właściwościach nieustannie pączkują i nikną w większej panwymiarowej hiperprzestrzeni, niczym bąble w garze wrzącej wody.

Może któryś z tych pomysłów okaże się strzałem w dziesiątkę, może żaden, a może nigdy nie zdołamy odkryć prawdy. Nie oznacza to jednak, że powinniśmy ustawać w poszukiwaniach.

Powyższy tekst należy do cyklu “Ogórkowe pytania”. Ogórek jest tu oczywiście tylko metaforą czytelnika kompletnie zielonego w danym temacie, ale na tyle ciekawskiego aby wyrażał wątpliwości i szukał odpowiedzi. Mam nadzieję, że dzięki niskiemu progowi wejścia, seria zainteresuje również najmłodszych oraz tych, którzy zawsze uważali fizykę za dzieło demonów.

[+]
5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji Rosetty Dlaczego wszechświat ma 92 mld lat świetlnych średnicy? Trzy argumenty za Noblem dla Jima Peeblesa