Czytaj dalej

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 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.

Ekspansja przestrzeni opisywana przez prawo Hubble'a.
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.

[+]
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

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