Artykuł ten, wraz z dwoma wcześniejszymi, w gruncie rzeczy stanowi
tło dla meritum rozważań, które przedstawione zostaną w dalszych artykułach traktujących o zagadnieniach
kosmologicznych, a także dla innego spojrzenia na grawitację i na mikroświat – w artykułach
następnych. Sygnalizują one odejście od tradycyjnego, powszechnie
przyjętego widzenia spraw. Już choćby dlatego nie uważam za celowe
wnikanie tu w szczegóły powszechnie znane. Rzecz opisana została w licznych
książkach, sporo informacji uzyskać można w sieci. Jednakże
poruszam te znane kwestie, by stworzyć i uwypuklić alternatywę dla dzisiejszego
modelowania, dla dzisiejszych koncepcji, a nawet dla percepcji tego,
co rejestrują nasze ukierunkowane zmysły.
Treść
1. Friedmannowskie
modele kosmologiczne
2.
Promieniowanie tła.
3. Ciemna energia.
1. Friedmannowskie modele kosmologiczne
Jak już niejednokrotnie
zaznaczyłem, jeszcze w początkach dwudziestego wieku sądzono powszechnie, bez
intelektualnej penetracji w głąb tego sądu, że Wszechświat jest statyczny i
nieskończony. Z tego właśnie powodu, by zadość uczynić temu powszechnemu
sądowi, tej oczywistości, Einstein w swych równaniach pola (OTW) wprowadził
stałą kosmologiczną, która dziś robi oszałamiającą karierę pomimo, że niedługo
po tym nazwał on ten zabieg swą największą pomyłką. Sądząc po treści artykułu
pierwszego (Zasada Kosmologiczna) i dalszych, nie mylił się (przyznajac się do
pomyłki). Jeszcze zanim się przyznał, powstało sporo modeli Wszechświata, już
uwzględniających tę nieszczęsną stałą.
W roku
1922 Aleksander Friedmann (Rosja) znalazł nowe rozwiązania równań ogólnej
teorii względności, mające modelować Wszechświat, nowe w związku z tym, że nie
uwzględnił już stałej kosmologicznej. Z równań
tych wynika możliwość rozwoju Wszechświata ekspandującego
(być może nawet realnego) zgodnie z jednym z trzech modeli, w zależności nie tyle od jego masy, co
średniej gęstości. Po odkryciu Hubble’a (1929),
uznał Einstein ostatecznie wprowadzenie stałej
kosmologicznej za błąd i przyjął friedmanowskie rozwiązania równań pola za
słuszniejsze. Przebieg rozwoju Wszechświata według trzech wspomnianych modeli
znaleźć można
z łatwością w różnych źródłach. Tu
przedstawię rzecz w sposób skrótowy. Do
zagadnień tych wrócimy w innym miejscu, w kontekście innych rozważań i z
uwzględnieniem prostych środków matematycznych.
Interesujące (z punktu widzenia historii nauki) jest to, że jednak
w koncepcjach kosmologicznych drugiej połowy dwudziestego wieku, ten zarzucony pomysł stałej kosmologicznej powrócił do łask (Czy dlatego, gdyż
wyczerpała się inwencja twórcza?). Czy dlatego, gdyż łatwiej było przyjąć mniej
abstrakcyjny model Wszechświata statycznego i nieskończonego, który... ekspanduje? W sytuacji tej pomysł
ciemnej energii trafił na podatny grunt. Czy dlatego, że
jest słuszny? Chyba raczej nie. Meandry.
Oto
trzy modele friedmannowskie. Model otwarty
– Wszechświat rozszerzać się będzie w nieskończoność, gdyż jego średnia gęstość
jest zbyt mała, (grawitacja jest zbyt słaba), by zahamować nieograniczone
rozszerzanie się. Model krytyczny, graniczny – o nim więcej dalej. Jeśli
średnia gęstość (a więc i masa) Wszechświata jest odpowiednio duża, ekspansja
jego ulegnie zatrzymaniu i rozpocznie się kontrakcja, aż do zapadnięcia się
całości w osobliwość*, od której wszystko się zaczęło (tak
powszechnie się rzecz wyobraża, jeśli
osobliwość można faktycznie wyobrazić sobie) – model zamknięty. Czy właśnie taki jest Wszechświat? Być może
Wszechświat realny pulsuje na przemian ekspansją i zapadaniem się? Model
krytyczny stanowi granicę między otwartym, a
zamkniętym. Sądząc po tym, że matematycznie jest to granica punktowa,
krytyczny rozwój Wszechświata jest właściwie czymś nieprawdopodobnym lub też,
(Uwaga!) rozwój „krytyczny” jest jedyną możliwą opcją. Pozwalam
sobie na taki właśnie sąd choć zgodnie z modelem krytycznym Wszechświat miałby rozszerzać się ku nieskończoności, przy tym byłoby to balansowanie na linie o zerowej grubości – tzw.
problem płaskości. Ja jednak zakładam, że Wszechświat oscyluje. Chodzi
więc nie tyle o krytyczność, co o to, że przestrzeń Wszechświata jest
płaska. Tak się składa, że także model krytyczny zakłada płaskość.
Co
wtedy z pozostałymi dwoma modelami? Jak widać
mamy nowy powod do zastanowień, tym bardziej, że sam „start” Wielkiego Wybuchu nie
jest przewidywany przez ogólną teorię względności. Energia próżni, inflacja, to inny paragraf. Sprawami
początków Wszechświata zająłem się już w serii artykułów poświęconych grawitacji dualnej, zaraz po tym artykule. Jak widać, do kamienia filozoficznego jeszcze daleko.
Problemem dynamiki Wszechświata zajmować się
będziemy w niejednym tekście i w różnych
kontekstach.
Modele
friedmannowskie zakładają, że tempo ekspansji zmniejsza się, w analogii do ciała podrzuconego do góry
– zmniejsza
się jego prędkość. Chodzi tu jednak o zmiany krzywizny przestrzeni, jaką
tworzyć ma Wszechświat. Tempo ekspansji H jest tu zasadniczym parametrem. W tej
pracy jednak nie mniej ważna jest względna prędkość,
prędkość stała dla określonej pary obiektów, prędkość faktycznego ruchu galaktyk (a
nie zmiany czynnika skali), której kresem górnym jest oczywiście prędkość niezmiennicza
c. To właśnie prędkość ekspansji Wszechświata. Mowa o stałej prędkości względnej pomimo, że Wszechświat ma także
pulsować. Jakżesz to? Zobaczymy później, choć już coś zdążyłem wcześniej wypaplać. Do dyskusji na ten temat jeszcze wrócimy.
Trzy
wspomniane modele będące rozwiązaniami równań pola Einsteina-Friedmanna
stanowią do dziś podstawę kosmologii (pomijając zastrzyk heurezy za sprawą stałej kosmologicznej i ciemnej
energii). To, jak realny Wszechświat rozwija się, co „nas”
czeka, zgodnie z friedmannowskim
modelem, zależy od jego gęstości średniej, której stosunek
do gęstości krytycznej nazwano parametrem gęstości W.
[Dlaczego nie uzależnia się od
masy? Otóż masa jest wielkością ekstensywną, czyli zależną od wielkości
układu. Przy założeniu, że Wszechświat jest nieskończony (lub, że
nie jest widoczny w całości – zgodnie z dzisiejszym widzeniem spraw, „masa Wszechświata” jest
czymś nieokreślonym. Dlatego właśnie stosuje się wielkość intensywną,
czyli niezależną od ilościowej zawartości, w naszym przypadku – gęstość
średnią. Jednakże jeśli przyjmujemy, że to, co dane jest obserwacji jest
Wszystkością, rozważania nad masą Wszechświata mają sens, a nawet prowadzą do
ciekawych wniosków. Przekonamy się o tym dalej.]
Okazuje
się, wskazują na to wyniki obserwacji, że realny Wszechświat ewoluuje
(najprawdopodobniej) zgodnie z modelem krytycznym (W = 1). [Mówi się dla pewności, że „bardzo bliski
krytycznemu”. Ja jednak twierdzę, że
krytyczność jest jedyną opcją, zatem trudno to nazywać krytycznością. Jeszcze wrócimy do tych
spraw.]
Wcale nie znaczy to, że
zawsze tak będzie. Kto wie, może ewolucja Wszechświata przebiega tak, że
wszystkie trzy modele są w niej reprezentowane i stanowią określone jej etapy?
Wrócimy jeszcze do tego przypuszczenia, nie koniecznie by je poprzeć.
Jak wiadomo, po siedmiu latach od
opublikowania przełomowej pracy Friedmanna, Hubble dokonał swego odkrycia. Z
równań OTW wynika zmienność (stopniowe malenie) tempa ekspansji. Czy to raptem
nie przeczy odkryciu Hubble'a? Otóż nie, gdyż teoria Friedmanna zajmuje się
dynamiką Wszechświata, zmianami jego stanu, natomiast prawo Hubble'a odnosi się
do przestrzeni w określonym momencie obserwacji.
W
ciągu krótkiego czasu, jeszcze w latach dwudziestych, namnożyło się sporo modeli
Wszechświata, bazujących na ogólnej teorii względności. Stanowiły one doskonałą
bazę intelektualną i heurystyczną dla odkryć, które przyszły potem.
Najwcześniejszym było odkrycie Hubble’a. Modele, którym poświęcony jest ten
rozdział nie straciły na aktualności, nawet uwzględniane są przez najbardziej
współczesne teorie. Innym modelom poświęcam w swej pracy niewiele miejsca, gdyż
na ogół nie korespondują z prezentowaną tu koncepcją, a poza tym mają tylko
znaczenie historyczne. Co innego modele Friedmanna, pomimo, że „ideologicznie”
nie w pełni pasują do mojej wizji świata. Przedstawiłem je między innymi po to,
by uwypuklić swe zapatrywania. Ogólnej teorii względności nie odrzucam. Bez
cienia wątpliwości akceptuję ją, bo lepszej dotąd nie wymyślono. Uważam jednak,
że teoria ta znakomicie opisuje układy, natomiast w odniesieniu do opisu
Wszechświata, który jest sam w sobie absolutną jednością i „wszystkością”,
traci (kto wie) swą adekwatność. Nie ma bowiem skąd przypatrywać się
Wszechświatowi, bo poza nim przestrzeń nie istnieje, nie istnieje układ
odniesienia. Pogląd ten jakby sprzeniewierza się sposobowi myślenia
badaczy, dla których ogólna teoria względności (stosowana do opisu
Wszechświata) jest codziennością ich badawczego warsztatu. Nie ma mowy, by go porzucili, niezależnie od okoliczności. Sądzą oni (intuicyjnie, choć
intuicja w znacznym stopniu bazuje właściwie na tym, co tworzy aktualną
wiedzę), że istnienie wielu wszechświatów lub chociażby materii poza horyzontem
jest jak najbardziej do przyjęcia. Sam horyzont bowiem ma właściwie tylko
znaczenie „łącznościowe” (Wspominałem już o tym w
poprzednim artykule. Będzie też o tym dalej.). Pogląd ten, jak sądzę,
jest także wyrazem kurczowego przywiązania intuicji do wszechświata statycznego
i nieskończonego (to już psychologia). Jeśli chodzi o ogólną teorię
względności, to istnieje jeszcze jeden aspekt ograniczonego zakresu jej
stosowalności. Chodzi o dualność grawitacji i jej konsekwencje w odniesieniu, szczególnie, do
mikroświata w przypadku dużej koncentracji materii. Niebawem odkryjemy to.
Na
zakończenie (i przy okazji) wypada wspomnieć o pracach belgijskiego kosmologa,
Georgesa Lamaître,
który doszedł (1927) niezależnie od Friedmanna i przed odkryciem Hubble`a, do
bardzo podobych wniosków, pomimo, że zachował w swych równaniach stałą
kosmologiczną. W swych dociekaniach próbował też zmodelować sam wielki wybuch.
Tym właściwie zasługuje na miano „ojca wielkiego wybuchu”, choć nie on
wprowadził tę nazwę. Wybuch ten poprzedził, według niego, stan „pierwotnego
atomu” (tak to nazwał) o rozmiarach trzydzieści razy większych niż Słońce. W
wyniku jego eksplozji powstał Wszechświat, który do dziś ekspanduje.
Aktualnie kosmologia czerpać może nadal z dobrodziejstwa niewyczerpanych
możliwości jakie pozostawia do dyspozycji uczonych ogólna teoria względności,
choć ich mnogość bynajmniej nie czyni nas bliższymi jednoznaczności bytu
obiektywnego. Nie ma obawy. Przyroda nie da się nakłonić do wymowy równań jeśli nie będą jej wyrażać w sposób
absolutny. Można więc swobodnie i spokojnie szukać dalej śladów kamienia
filozoficznego.
2. Promieniowanie tła.
Wyniki
obserwacji astronomicznych, zbieżne z zasadą kosmologiczną, skłaniają nas do
przyjęcia tezy (by nie powiedzieć: przekonują), że Wszechświat rozszerza się.
Jeśli „teoria” ta jest słuszna, powinna także antycypować efekty obserwacyjne
dotąd nie znane, wskazując kierunek przyszłych badań i poszukiwań. Jak wiadomo,
materia Wszechświata to nie tylko gwiazdy i planety. To także promieniowanie elektromagnetyczne.
Istniało ono z całą pewnością już w bardzo wczesnych fazach ewolucji, już w
pierwszych sekundach po „starcie”. Tu nie chodzi o szczegóły.
Można oczekiwać, że temperatura w pierwszych
chwilach (nie koniecznie na samym początku) była bardzo wysoka. Jak wiadomo,
materia (ciało) o dowolnej temperaturze bezwzględnej (wyższej od 0K), jest
źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Cechy promieniowania zależą od
temperatury źródła. W tym sensie mówić można o temperaturze promieniowania. W
pełni zasadne jest oczekiwanie, że do dziś istnieje promieniowanie będące
reliktem bardzo wczesnego etapu ekspansji, momentu, w którym pojawiły się oddziaływania
elektromagnetyczne. Wtedy też wyodrębnić się musiały cząstki masywne (leptony i
hadrony), w każdym razie te, które oddziaływują elektromagnetycznie. Od tego
momentu, przez jakiś czas, panowała równowaga między promieniowaniem, a materią
cząstek. Kreacja cząstek i ich anihilacja, przebiegały z jednakową łatwością.
Zgodnie z sugestiami zawartymi w mych pracach, najwcześniej wyodrębniły
się neutrina. Miało to miejsce jeszcze podczas trwania przyśpieszonej
ekspansji, Ureli** (nie inflacji), aż do przemiany fazowej, w wyniku której
wyodrębniły się kwarki i elektrony. Z kwarków utworzyły się od razu protony.
Elektrony i protony są cząstkami trwałymi. Równocześnie, pojawiły
się pozostałe cząstki –
wszystkie nietrwałe, przede
wszystkim skutek oddziaływania z neutrinami. W
szczególności pojawiły się neutrony. O neutrinach, jak wyodrębniły się i o ich
roli, napisałem rzeczy dosyć zaskakujące w eseju im poświęconym. Tak ja to widzę.
Współistniała z tą materią (substancjalną) mnogość fotonów, tworzących środowisko, w którym zachodziły, jak opisałem powyżej, procesy
kreacji i anihilacji par różnorodnych czastek. Z
czasem, w związku z obniżaniem się temperatury, procesy kreacji i anihilacji w zasadzie zanikły i pozostało
promieniowanie elektromagnetyczne odpowiadające coraz niższej temperaturze
(patrz prawa promieniowania we Wiadomościach wstępnych). Istnieje ono do dziś
jako relikt tej wczesnej fazy ekspansji.
Materia
wraz z promieniowaniem na początku stanowiła
kipiącą zupę o bardzo wysokiej temperaturze miliardów,
bilionów kelwinów. Stopniowo, wraz z ekspansją, temperatura obniżała się. Dopiero
po około pół miliona lat nieprzerwanej ekspansji (ściślej: 300 – 700 tys. lat)
temperatura i gęstość spadły na tyle, by promieniowanie oddzieliło się
ostatecznie od materii substancjalnej. To oddzielenie się nazwano rozprzężeniem.
Od tego czasu promieniowanie ilościowo (liczbą
fotonów) nie zmieniło się. Temperatura promieniowania
wynosiła wówczas około 3000K, a Wszechświat stał się przeźroczysty ponieważ promieniowanie nie jest już w stanie usunąć
elektronów z atomów***. Wodór
i hel wypełniały przestrzeń
prawie nie świecąc. Było dosyć ciemno pomimo istnienia promieniowania,
gdyż jego oddziaływanie z materią było znikome...
aż do pojawienia się pierwszych gwiazd po
około 200 milionach lat. Promieniowanie
to powinno istnieć do dziś będąc skamieniałością, reliktem czasów
poprzedzających prawie o dwa miliardy lat powstanie galaktyk. Promieniowanie to
nie opuściło przecież Wszechświata będąc jego integralną częścią.
Dodajmy, tak „na chłopski rozum”, że nie było to możliwe w związku z tym, że
prędkość ekspansji (hubblowskiej) równa jest c. Mamy więc przy okazji,
jeszcze jeden argument wspierający to twierdzenie.
Od
procesu rozprzężenia do pojawienia się pierwszych gwiazd musiało jeszcze upłynąc
sporo czasu. Materia była mimo wszystko zbyt gorąca, by się skupiać we
fluktuacjach gęstości. Gaz będący mieszaniną wodoru i helu (lit stanowił
znikomą domieszkę), nie mógł świecić na tyle, by mogło być to dostrzegalne
nawet dla największych teleskopów. Bazując na
znanych i ugruntowanych modelach ewolucji gwiazd, sądzić można, że pierwsze z
nich pojawiły się dopiero po ok. 200 milionach lat. Czy kiedyś je dostrzeżemy? Chyba jesteśmy na dobrej drodze, by
dostrzec. Dziś zdajemy się dostrzegać,
dzieki teleskopom satelitarnym, coś w rodzaju poświaty, chyba
pierwotnych gwiazd. Najnowsze
obserwacje zdają się wskazywać na coś takiego, ale w znacznym stopniu, jak na
razie, to sprawa interpretacji.
A samo promieniowanie...
powinniśmy je wykryć, z tym, że dziś jego temperatura powinna być stosunkowo
niska – nie powinno to być promieniowanie świetlne, sądząc po tym, że niebo
jest przecież czarne. Jeśli rzeczywiście miał miejsce Wielki Wybuch, to
promieniowanie takie powinno być wykryte. Powinno to być promieniowanie o
charakterze cieplnym. Tak rozumowano już pod koniec lat czterdziestych ub.
Wieku.
Zatem promieniowanie to powinno istnieć cały
czas i wypełniać całą przestrzeń (ograniczoną
przez horyzont Hubblowski). Łączna ilość fotonów nie
powinna ulegać zmianie. Powinno więc to
promieniowanie dochodzić do nas zewsząd i manifestować się prawie tym samym natężeniem, zgodnie z zasadą
kosmologiczną. „Prawie”
w związku z lokalnymi niejednorodnościami materii,
które chyba mają jakiś niewielki wpływ na gęstość promieniowania. Wpływ
niewielki, gdyż fotonów jest znacznie więcej, niż cząstek masywnych.
To promieniowanie
cieplne o określonym widmie. Nie może więc to być promieniowanie
monochromatyczne. By promieniowanie to odnaleźć, powinniśmy przewidzieć
długość jego fali, która przecież musiała się zmienić przez te wszystkie lata
ciągłego rozszerzania się Wszechświata. „Te same fotony by wypełnić zwiększającą
się przestrzeń, powinny ulegać ciągłej zmianie. Powinna wzrastać długość ich
fali (długość – jeden wymiar) w stosunku, w którym zwiększa się promień
Wszechświata, w którym powiększają się wszystkie wymiary”, tak, jak ruch
każdego z nich w jednym z trzech kierunków trójwymiarowej przestrzeni (a nie,
jakby się rozszerzał – w trzech wymiarach równoczesnie). Tak na marginesie
zauważmy, że podejście to jakby przeczy dzisiejszemu modelowaniu ekspansji
Wszechświata w sensie malenia krzywizny przestrzeni, ekspansji nie dotyczącej
wcale zawartości Wszechświata (galaktyk, ciał, cząstek). A jednak fotony
wydłużają się, pomimo, że nawet galaktyki nie ulegają zmianie, unoszone jak
punkciki na powierzchni balonu... W każdym razie tak się to dzisiaj
opisuje poglądowo dla spełnienia poznawczych
potrzeb amatorów. Mimo wszystko, czy to nie zastanawia (fotony tak, a
galaktyki nie)? Ale to przecież duże uproszczenie. A jak jest w istocie?
„Powinna wzrastać długość ich fali...” Tak
na chłopski rozum, choć w latach czterdziestych ub. wieku nie było to wcale tak
oczywiste. Właśnie wtedy G. Gamow wraz ze swymi uczniami na bazie
przypuszczenia, że na początku temperatura musiała być bardzo wysoka,
przewidywał istnienie promieniowania tła stanowiącego relikt najdawniejszych
czasów – tuż po Big-Bangu (tak nazwał ten uczony Wielki Wybuch). „Powinno to
być promieniowanie cieplne, którego rozkład zgodny ma być z prawem Wiena.”
Sądząc
po przedstawionym wyżej uproszczonym modelu, stwierdzić można, że długość fali
domniemanego promieniowania reliktowego wzrasta proporcjonalnie do rozmiarów
Wszechświata, to znaczy do jego promienia. Zapisujemy to następująco:
Problemem
byłoby to, że początkowej (gdy w czasie samego Wybuchu pojawiło się
promieniowanie elektromagnetyczne), tej najmniejszej w historii Wszechświata
długości fali, nie możemy znać. Oczywiście nie jest możliwe jej obserwacyjne
wyznaczenie. Całe szczęście możliwe jest obliczenie po jakim czasie od
Wielkiego Wybuchu dojść musiało do separacji promieniowania i materii
substancjalnej. Moment ten służyć może za punkt odniesienia. Jak wyżej
wspomniałem, promieniowanie odseparowało się od materii substancjalnej, gdy
odpowiadało temperturze 3000K. Nastąpiło to po upływie około trzystu tysięcy
lat od momentu „wybychu”. Promień Wszechświata równy był tyleż samo lat
świetlnych. Nie bierzemy oczywiście pod uwagę wstępnego, bardzo wczesnego,
okresu, w którym, zgodnie z przyjętym powszechnie dość uzasadnionym poglądem
(który i ja podzielam), miał miejsce wzrost nieliniowy. Trwał on jednak bardzo
krótko, wprost drobny ułamek sekundy (zgodnie z naszą subiektywną miarą czasu).
Oszacujmy
najpierw długość fali promieniowania termicznego odpowiadającego wspomnianej
temperaturze trzech tysięcy kelwinów. Oprzemy się na prawie Wiena:
Tutaj: C – stała, C = 2,898·10^-3 [m·K], T – temperatura w skali bezwzględnej, którą dla
uproszczenia nazwiemy temperaturą promieniowania. W naszym przypadku
temperatura ta wynosi 3000K. Otrzymujemy więc: λ(1) = 0,966·10^-6m.
Przyjmijmy teraz, że dziś
promień Wszechświata, R(2) równy jest 15 miliardów
lat świetlnych (zgodnie z przyjętą przez nas „roboczo” wartością stałej
Hubble’a), a w momencie rozprzężenia wynosił 3·10^5ly. Bazując na równości (*)
otrzymujemy: λ(2) = 4,83·10^-2m. Jest to długość fali promieniowania
mikrofalowego. Wynik ten daje tylko oszacowanie rzędu wielkości. Trudno
o większe wymagania. Wszak bazowaliśmy w gruncie rzeczy na programie fizyki
licealnej. Czy takie promieniowanie w ogóle istnieje?…
Oszacowanie to, jak wspomniałem powyżej,
jest dużym uproszczeniem również z tego powodu, że fotony stanowią ogromną
przewagę ilościową w stosunku do cząstek masywnych. Na każdy barion przypada
bowiem około miliarda fotonów. Zatem nawet jeśli temperatura odpowiadająca
maksimum widma jest stosunkowo niska (na przykład 3.000K), bardzo dużo jest
fotonów o bardzo wielkiej energii. Nie było więc tak, że jak za dotknięciem
czarodziejskiej różdżki Wszechświat nagle stał się przeźroczysty. Oto jedna z
przyczyn tego, że obliczenia powyższe są grubym oszacowaniwem, tylko dla
potrzeb ogólnej orientacji. Poza tym, choćby z tego samego powodu, sam proces
rozprzężenia rozciągnięty musiał być w czasie, nie mógł być aktem przbiegającym
w mgnieniu oka. Dodać do tego należy, że sam Wszechświat, już wtedy, jednorodny
był tylko w skali globalnej, a niejednorodności lokalne z całą pewnością już istniały.
Czym spowodowane? – o tym później.
Można przypuszczać,
że podobnie rozumował George Gamow w latach czterdziestych. Uczniowie jego:
Alpher i Herman uznali, że powinno to być promieniowanie mikrofalowe. Pracujący
w różnych ośrodkach Peebls i Zeldowicz oszacowali (w początkach
lat sześćdziesiątych) temperaturę hipotetycznego promieniowania
reliktowego na 5 – 10 K. Jest to temperatura odpowiadająca rzeczywiście
promieniowaniu mikrofalowemu. Nie wiedzieli, że dokładnie w tym samym czasie
dokonuje się największe odkrycie dwudziestego wieku (tak sądzi wielu, choć dziś raczej skłaniają się oni ku ciemnej energii,
moim zdaniem niesłusznie.).
Promieniowanie reliktowe odkryte zostało w
najbardziej odpowiednim momencie, już wiosną 1964 roku. Uczeni tak bardzo zaangażowani w jego przewidywanie nawet o tym
nie wiedzieli. Odkrycia dokonali dwaj radioastronomowie Arno Penzias i Robert
Wilson. W swej codziennej rutynowej pracy zawodowej wcale nie
poszukiwali promieniowania reliktowego. Przypadkiem antena ich odebrała dziwny
szum mikrofalowy o długości 7,35
cm , wyraźnie silniejszy od szumu aparaturowego. Nie
pomogła zmiana orientacji anteny (i jej oczyszczenie). Promieniowanie było
izotropowe. To było to. Odkrycie promieniowania reliktowego przesądziło o
słuszności koncepcji Wielkiego Wybuchu. Za swe odkrycie, wymienieni
astronomowie otrzymali nagrodę Nobla (1978). Cóż,
wpadki zdarzają się nawet czcigodnej komisji noblowskiej, a w dwa tysiące
eleven, to już zupełnie (ciemna energia).
Odkrycie
to zapoczątkowało bardzo intensywne badania. Kosmologia stała się nawet modną
dziedziną fizyki, szczególnie w ostatnim dziesięcioleciu. [Mnie te rzeczy bawiły już w dzieciństwie, ale dopiero na
stare lata zdobyłem się na to, by upublicznić swe popełnienia. A w trakcie tego
upubliczniania, to naturalne, opadła mnie lawina nowych pomysłów, tym bardziej, że zainspirowały mnie nowe odkrycia. Swoją drogą, upublicznić to mogłem
stosunkowo niedawno, gdy pojawił się internet, a ja się go nauczyłem. Wbrew
pozorom, mój wiek nie odegrał żadnej roli. Pod względem pomysłowości nie ustępowałem
młokosom, którzy już trzydzieści lat temu wysłaliby mnie na emeryturę. Może
dlatego w głowie mi bezeceństwa – przekonacie się dalej. Kto chciałby je
opublikować? Chwała internetowi (jak w kolędzie).]
Okazało się, że promieniowanie
tła (to reliktowe) wykazuje cechy promieniowania ciała doskonale czarnego o
temperaturze 2,73K. Jak widać, w naszym grubym
oszacowaniu nie pomyliliśmy się wiele. To by mogło potwierdzać słuszność samego
podejścia.
Co zaskakujące, promieniowanie to jest izotropowe
pomimo, że z wyglądu Wszechświat wcale nie jest jednorodny. Niedawno odkryto
bowiem rozległe obszary, w których koncentracja galaktyk przekracza znacznie
średnią. Jeden z nich nazwano Wielką Scianą. Odkryto także obszary ciemne, a w
nich tylko słabo świecące galaktyki – Wielki Atraktor. Wielkoskalowe obiekty
tego typu wywierają wpływ nie do pominięcia na zachowanie się galaktyk.
Stwierdzono na przykład, że Galaktyka (nasza) porusza się z nadspodziewanie
dużą prękością 600 km/s w kierunku Wielkiego Atraktora****. Okazało się więc, że obszary wyjątkowo zagęszczone rozdzielone są
przez nie mniej rozległe, rzędu setek milionów lat świetlnych, przestrzenie
zdawałoby się puste. Badania z pomocą teleskopu
Hubble'a (w pierwszych latach tego wieku) ukazują Wszechświat jako coś w
rodzaju piany mydlanej, przy czym kondensacje galaktyk na obrzeżach „bąbli”, co ciekawe,
pokrywają się przestrzennie z kondensacją materii
ciemnej, o
której obecności świadczyłby efekt soczewkowania grawitacyjnego. Wskazuje to na konkretny
kierunek badań nad genezą galaktyk. Poświęciłem temu odrębny esej. Porównanie to (piana)
dość często powraca w książkach poświęconych kosmologii. Jak to wszystko
pogodzić z jednorodnością i izotropowością promieniowania reliktowego? Oto jest
pytanie. I nad tym jeszcze podumamy.
Należało więc zbadać jeszcze dokładniej to
promieniowanie. Zadanie to powierzono satelicie COBE (Cosmic Background
Explorer), wysłanemu na orbitę okołoziemską w listopadzie 1989 roku.
Badania te przeprowadzono powtórnie (jeszcze bardziej
precyzyjne) dzięki sondzie WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe),
wyniesionej na orbitę o
specjalnej trajektorii: Orbita Lissajous wokół punktu libracyjnego L2 układu
Zemia-Słońce, przez rakietę delta 2 w czerwcu 2001 roku. Okazało się, że jednorodność promieniowania
reliktowego nie jest absolutna. Oznacza to, że już wtedy, gdy uwolniło się ono
od materii substancjalnej (jakieś pół miliona lat po wybuchu), miało
temperaturę nie w stu procentach jednakową we wszystkich miejscach. Chyba nie
jest to aż tak dziwne zważywszy na to, że proces separacji promieniowania od
materii substancjalnej był rozciągnięty w czasie (300 tys. do 700 tys. lat).
„Dlaczego był rozciągnięty?” Można zapytać. Można przypuszczać, że ta (wykryta przez satelitę) drobna, zdawałoby
się nieistotna, anizotropowość promieniowania, tłumaczy zadziwiający fakt
niejednorodności występowania obiektów galaktycznych. Czy rzeczywiście? Może
chodzi tu tylko o zbieżność faktów posiadających wspólne źródło? Dlaczego ta anizotropowość promieniowania jest tak
znikoma w porównaniu z niejednorodnością wielkoskalową obiektów masywnych? Czy
tylko dlatego, gdyż promieniowanie (liczba fotonów) stanowi ogromną przewagę
nad liczbą cząstek masywnych (miliard razy więcej, niż barionów)?
A
może na istnienie niejednorodności jakiś wpływ ma obecność ciemnej
materii, która nie oddziaływuje elektromagnetycznie,
ale swą grawitacją ma niepomijalny wpływ na samo promieniowanie? Na
wielkość – tak, ale na sam fakt zaistnienia
niejednorodności? Do kwestii tych
ustosunkowałem się też w innym miejscu. Warto zajrzeć do artykułów traktujących ogólnie o grawitacji
i przy tej sposobności, omawiających m. in. pierwsze chwile Wielkiego Wybuchu, w szczególności proces, ktory nazwałem Urelą, a także
przemianę fazową zaraz po tym, stanowiącą przyczynę sprawczą zaistnienia
fluktuacji – tych, które potem ujawniły się w postaci niejednorodności
wielkoskalowych.
Należy do tego dodać, że w skali globalnej, mimo wszystko uważa się, że Wszechświat jest jednorodny w pełni i
potwierdza zasadę kosmologiczną. [Jeszcze bardziej
(niż przypuszczalna jednorodność) potwierdza tę zasadę istnienie takich samych
niejednorodności („pianki”) w oczach każdego obserwatora, niezależnie od jego położenia]
Wyniki uzyskane za pomocą wymienionych wyżej sond
ostatecznie przesądziły o słuszności twierdzenia, że ekspansję poprzedził stan,
w którym cała materia Wszechświata, w tym samym momencie, skupiona była w
bardzo małym obszarze i tworzyła układ samouzgodniony
(tego ostatniego stwierdzenia nie uzgadniałem z nikim). Co prawda, wielu
uczonych przekonanych jest, że była to osobliwość (ja
w tym widzę osobliwość ludzkich nawyków myślowych), ale nie jest to wcale wiążące. Istotne jest
to, że ekspansja była równoczesna dla wszystkich elementów przestrzennie
wchodzących w skład ekspandującego obiektu. W tej chwili w zasadzie nikt w to
już nie wątpi. Swoją drogą, ta równoczesność, jak
wyżej wspomniałem, mogłaby oznaczać absolutne samouzgodnienie własności i
procesów przebiegających w najwcześniejszej fazie Wybuchu pomimo, że paradygmat łącznościowy obowiązuje. Tematowi temu poświęcę też sporo miejsca w dalej.
W artykule
poświęconym zasadzie kosmologicznej przyjąłem za obowiązującą, tezę, że
obserwowalny Wszechświat jest Wszystkim, co istnieje, jest wszystkością. Nie ma
nic poza nią. Nie ma niczego poza horyzontem,
nie ma wszechświatów równoległych nie ma Wszechświatów
przecinających się i skośnych. Jego konkretną, skończoną wielkość wyznacza
współczynnik H i stała c. Świadczy o tym bezpośrednio
promieniowanie reliktowe. „Czyżby?” Jak najbardziej. Oszacowanie temperatury
tego promieniowania już przez Gamowa i potwierdzenie tego przewidywania,
świadczy o tym wymownie. Przecież bazował na właściwościach promieniowania
ciała doskonale czarnego zamkniętego w obszarze o
ograniczonej objętości (we wnęce). [Gdyby Wszechświat był nieskończony, nie byłoby żadnej wnęki
i oczywiście nie byłoby promieniowania reliktowego.] Zmiana temperatury promieniowania zawartego w niej jest wówczas w
przybliżeniu proporcjonalna do zmiennych
rozmiarów liniowych tej „wnęki” (odwrotna proporcjonalność). Znając temperaturę
w epoce rozprzężenia (rzędu 3000K), oraz rozmiary Wszechświata
wówczas, powiedzmy pół miliona lat świetlnych i znając przybliżone dzisiejsze
rozmiary Wszechświata (na bazie prawa H i
prędkości c) mogliśmy, również my, przewidzieć
(z nienajgorszym wynikiem) długość fali promieniowania reliktowego. A teraz Uwaga! Gdyby istniało coś ekstra
(nieobserwowalne), a przy tym należące do
naszego Wszechświata (wielkość
wnęki przekraczałaby rozmiary hubblowskie), to wyliczona z góry
temperatura nie byłaby zgodna z temperaturą promieniowania reliktowego. Byłaby
dużo niższa. O ile? Dobre pytanie. To chyba daje
do myślenia. Przecież dziś uważa się, że
Wszechświat sięga znacznie dalej, niż promień hubblowski. Nawet określono
średnicę Wszechświata na równą ok. 92 miliardów lat świetlnych. To wyraźna (jeśli nie „wprost rażąca”) niekonsekwencja. No tak, ale przecież trzeba uwzględnić współrzędne
współporuszające się. Poza tym miała miejce „inflacja”, która spowodowała to, że Wszechświat jest znacznie
większy, niż jest. Jakąś rolę odgrywa także ciemna energia, za sprawą której Wszechświat jest wiekszy, niż jest... Już w artykułach poświęconych grawitacji
dualnej, w artykułach następnych, opisałem
Urelę i przemianę fazową, a także stwierdziłem (już w pierwszym artykule), że budulcem przestrzeni
jest ruch (nawet bezwładny) materii uformowanej w wyniku tej przemiany. Warto kontynuować lekturę.
[Pod warunkiem, że ciekawość przezwycięży odrazę w
reakcji na głoszone herezje. Obiecuję, że tych herezji będzie znacznie więcej.]
Bazowanie na inflacji i „ucieczce poza
widomy Wszechświat” jego części, w dodatku
bazowanie na paradygmacie łącznościowym – oczekiwanie obiektów dziś na razie nie
widocznych (spoza horyzontu), wywołuje we mnie spory niedosyt (by nie nazywać
tego inaczej). Te nadświetlne dalej sobie uciekają nie dając nam szans dogonienia. Dokąd? W
nieskończoność? Ku innym wszechświatom? Przestrzeń jest nieskończona (i płaska)
– jak wszechświat statyczny? A co z bąblem riemanowskim, majacym modelować nasz
zaścianek? A co z promieniowaniem reliktowym? Spora niekonsekwencja.
Wniosek: Wszechświat
obserwowalny jest Wszystkością. Granica horyzontu hubblowskiego zamyka
wszystko. A co jest dalej? Nie ma sensu o tym mówić. Wszechświat widocznie jest
obiektem o określonych, nie zgłębionych dotąd cechach topologicznych, których
poglądowym (liniowym, a nie przestrzennym) modelem może być wstęga Möbiusa. Ta szczególna topologia narzuca
też określoną, cykliczną zmienność Wszechswiata.
Jeśli Wszechświat obserwowalny
jest wszystkością, a w dodatku jego wielkość jest ograniczona i określona jednoznacznie, jak najbardziej naturalną
kwestią jest określenie jego masy, a rozpatrywanie jedynie parametru
gęstości stwarza niedosyt poznawczy, którego zaspokojenie jest rzeczą jak
najbardziej uzasadnioną. Jednoznaczne określenie jego przestrzennych rozmiarów daje możliwość szacowania masy
Wszechświata. Zaowocuje to zresztą ciekawymi konkluzjami
(jeśli nie ustaleniami). Cierpliwości,
pomimo, że bezeceństwa już dały osobie znać. Ale to dopiero początek.
3. Ciemna energia?
Takie coś nie istnieje...
*) By wykluczyć punktowość, czyli nieskończoną małość,
kłócącą się z realnością bytu materialnego, osobliwość traktować można jako
obszar o rozmiarach plankowskich.
**) Urela – Ultra-relativistic
acceleration.
***) Istniały wówczas tylko trzy pierwiastki: wodór, hel i
lit. Warunki dla syntezy pozostałych pierwiastków stworzyły się dopiero z
chwilą pojawienia się gwiazd.
****) Zaintetresowanych namawiam do lektury
interesującego artykułu przeglądowego: ,,A Map of the Universe”
by J.Richard Gott, Mario Jurić, David Shlegel, Fiona Hoyle, Michael Vogeley,
Max Tegmark, Neta Bahcal, Jon Brinkmann. Praca ukazała się w Astrophysical
Journal (Gott
et al., 2005, ApJ, 624, 463)