To, co stanowi bazę dla dzisiejszego modelowania Wszechświata.

     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)