Delta
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Delta > Astronomia - spis artykułów >  KOSMICZNA SUPERPANORAMA  
  Jesteś tutaj
Wybór artykułów z miesięcznika "Delta"
"Delta" to miesięcznik popularyzujący matematykę, fizykę i astronomię na bardzo wysokim poziomie, wydawany od 1974 roku.
Wirtualny Wszechświat prezentuje wybór tekstów publikowanych w "Delcie" od pierwszego numeru po początek XXI wieku.
  Szukacz
Delta 01/1994
Michał HELLER
KOSMICZNA SUPERPANORAMA

Ludziom trudno zgodzić się na cokolwiek. Jeśli w jakiejś sprawie możliwych jest kilka poglądów, to prędzej czy później każdy z nich znajdzie swoich zwolenników. Wystarczy przekartkować podręczniki historii filozofii - "tyle doktryn, ile głów". Wystarczy posłuchać politycznych dyskusji - nierzadko stanowisk jest więcej niż uczestników debaty (bo przecież polityczne poglądy można zmieniać zależnie od okoliczności). Wystarczy posłuchać rozmów w pociągu lub na ulicy - ci, co się zgadzają, na ogół milczą.

W nauce również prowadzi się zacięte dysputy, ale stosunkowo często osiąga się coś bardzo przypominającego jednomyślność. Jak do tego dochodzi? Ktoś (bodaj Planck) powiedział, że nowe poglądy stają się powszechne, gdy wymiera pokolenie tych, którzy byli zwolennikami starych zapatrywań. Dlaczego jednak tylko jeden pogląd rozpowszechnia się w nowym pokoleniu?

W latach siedemdziesiątych naszego stulecia zaczął się utrwalać pewien powszechny pogląd na strukturę i ewolucję świata w jego największej skali. Z czasem wręcz zaczęto mówić o standardowym modelu kosmologicznym. Standard ten obejmował, jako swoje geometryczne tło, jedno z rozwiązań równań Einsteina, przedstawiające ekspandujący świat od początkowego Wielkiego Wybuchu aż do obecnego stanu przestrzeni równomiernie wypełnionej galaktykami. Na to geometryczne tło z czasem "naniesiono" rekonstrukcję procesów, sterujących kosmiczną ewolucją. Jest rzeczą zdumiewającą, że jedynie pierwsze ułamki sekundy (o ile czas w ogóle można wówczas mierzyć jakimikolwiek jednostkami) rozmywają się w domysłach i niepewnościach. Cała reszta, w swoich zasadniczych wątkach, odznacza się dużym stopniem wiarygodności, choć, oczywiście, pozostawia sporo otwartych możliwości i stawia szereg nowych znaków zapytania.

t jest czasem odmierzającym ewolucję świata, a R(t) - tzw. czynnikiem skali; reprezentuje on typową odległość między sąsiednimi galaktykami. Według modelu standardowego jedno z tych rozwiązań z dobrym przybliżeniem przedstawia ewolucję Wszechświata.>

Nie jest prawdą, że zwolennicy starych koncepcji (np. teorii stanu stacjonarnego czy symetrycznego świata Alfvena) wymarli. Żyją i niekiedy nadal usiłują propagować swoje idee. Ale u ogromnej większości fizyków i astronomów nie znajdują posłuchu. Nie należy w tym upatrywać jakiegoś gigantycznego spisku (istnieje również spiskowa koncepcja nauki!). Myślę, że można to wyjaśnić prościej i bardziej przekonywająco. Po pierwsze, wymową faktów - model standardowy przeszedł pomyślnie tak wiele prób konfrontacji z obserwacjami astronomicznymi (czego nie można powiedzieć o żadnym z modeli konkurencyjnych), że musi to dawać do myślenia.

Niewątpliwie najważniejszą z tych prób było odkrycie mikrofalowego promieniowania tła i jego późniejsze badania, w szczególności przez satelitę COBE. Po drugie, model standardowy do tego stopnia wrósł we współczesną fizykę, że jego usunięcie z niej spowodowałoby trudne do uleczenia rany.

Model standardowy to nie tylko imponujący obraz kosmicznej ewolucji, lecz również zbiór metod, dzięki którym stworzenie tego obrazu stało się możliwe. W metodach tych uderza niezwykła współpraca (czasem więcej niż współpraca - rodzaj swoistej symbiozy) technik obserwacyjnych i matematycznych narzędzi. Stosowane metody są nie mniej imponujące niż obraz uzyskany za ich pomocą. Ponieważ jednak metody mogą przemówić tylko do kogoś, kto w wieloletnim procesie uczenia się ich i praktykowania zetknął się z ich skutecznością, w dalszym ciągu ograniczę się tylko do obrazu. Zapraszam zatem Czytelnika do superpanoramicznego kina, w którym postaram się pokazać dzieje Wszechświata tak, jak je widzi współczesna nauka. Niech naszym ekranem będzie wyobraźnia; pamiętajmy jednak, że to, co zobaczymy, nie jest wynikiem swobodnego błądzenia imaginacji, lecz dziełem mozolnego układania szczegółów z fragmentów informacji uzyskiwanych wspólnym wysiłkiem zmatematyzowanej teorii i kontrolowanego eksperymentu.

Z pierwszymi kadrami naszego superpanoramicznego filmu mamy poważne kłopoty. Nawet nie wiemy, czy to jest film. Bo film to seria następujących po sobie, a więc rozwijających się w czasie, ujęć. A wszystko wskazuje na to, że "stan początkowy" Wszechświata nie rozgrywa się w czasie. Nic się nie dzieje, wszystko jest. Wszystko, co potem przejawi się w bogactwie ewolucyjnych procesów, jest zawarte w Pierwotnej Symetrii. Ale symetria ta nie stanowi pustki i martwoty; przeciwnie, jest pełna dynamiki, wrze harmonią i rozmaitością możliwych struktur. Nie są to tylko poetyckie określenia. Jeżeli znane nam dziś teorie supersymetrii choć w części są podobne do tej Prasymetrii, której Wszechświat zawdzięcza swoją historię, to mamy prawo sądzić, że odznaczała się ona niezwykłą dynamiką i pięknem.

Ale Pierwotna Symetria nie była stabilna. Uległa złamaniu. Dopóki nie będziemy znali szczegółów jej matematycznej architektury, nie będziemy mogli odpowiedzieć na pytanie, dlaczego. Pierwsze łamanie symetrii wyglądało jak gigantyczna eksplozja - eksplozja Wszystkiego. Wiemy już dziś, że jako pierwsze z Wszystkiego wyłoniło się pole grawitacyjne, czyli to, co - na mocy równań Einsteina - stanie się czasoprzestrzenią, zgniecioną jeszcze w ogromnych gęstościach Wielkiego Wybuchu, poszarpaną w konwulsjach rodzenia, ale stopniowo - w miarę gwałtownego spadania gęstości i temperatury - przechodzącą w gładką, choć ciągle jeszcze silnie zakrzywioną, arenę fizycznych procesów.

Wygładzanie pola grawitacyjnego odpowiada pojawieniu się czasoprzestrzeni w formie, jaką zakłada einsteinowska teoria względności. Teraz już możemy używać znanych nam pojęć przestrzeni i czasu. Zaczął się proces przemijania.

Możemy więc uruchomić kosmiczny zegar, którym będziemy odmierzać kolejne etapy historii Wszechświata. Ale wygodnie jest nie rozpoczynać odliczania czasu od godziny zero, lecz nastawić jego wskazówki na 10-44 sekundy i dopiero teraz zwolnić przycisk kosmicznego stopera. Czynimy to małe fałszerstwo po to, by nasze równania, które opisują ewolucję świata, ale które nie wiedzą, co naprawdę zdarzyło się na początku, funkcjonowały zgrabnie i elegancko. Dopóki nie będziemy znali teorii unifikującej całą fizykę (czyli teorii Pierwotnej Symetrii) i kwantowej teorii grawitacji, nie będziemy wiedzieli, czy świat miał początek czy nie, a nawet, czy pytanie o jego początek ma w ogóle jakikolwiek sens. Ale wygodnie jest przyjąć, że wszystko zaczęło się od stanu z dosłownie nieskończoną gęstością (czyli od początkowej osobliwości) i przypisać temu stanowi chwilę zero (cokolwiek to znaczy). Wówczas warunki spójności (narzucone przez równania) wymagają, by uznać, że era Plancka miała miejsce 10-44 sekundy po "początku". W erze tej gęstość materii, panująca we Wszechświecie, jest - z naszego punktu widzenia - ciągle gigantyczna i wynosi 1093 g/cm3, ale gwałtownie spada. Potem już wszystko toczy się gładko.

Godzina: 10-35 sekundy. Gęstość: 1070 g/cm3. Temperatura spadła do wartości 1027 K, co odpowiada energii 1014 GeV. Jest to temperatura, w której następuje kolejne łamanie symetrii. Tym razem od tego, co było kiedyś Pierwotna Symetrią, oddzielają się silne oddziaływania jądrowe.

Istnieją poważne racje, by sadzić, że proces odłączania się silnych oddziaływań jądrowych istotnie wpływa na zmianę kwantowego stanu, zwanego kwantową próżnią, co z kolei powoduje gwałtowne, niejako nadprogramowe, rozdęcie i tak już rozszerzającego się Wszechświata. Zjawisko to nazywa się kosmiczną inflacją. W ciągu małego ułamka sekundy rozmiary Wszechświata powiększają się 1050 razy! Wszechświat gwałtownie ochładza się, ale gdy inflacja dobiega końca i ekspansja wraca do swej standardowej prędkości, następuje ponowne podgrzanie materii i wszystko toczy się dalej zgodnie ze standardowymi równaniami.

Zjawisko inflacji wyjaśnia kilka trudności standardowej kosmologii, ale samo stawia pewne znaki zapytania. Na skutek inflacji cały obecnie obserwowany Wszechświat kiedyś, w epoce ogromnego zgniecenia, stanowił mały "element objętości". Tłumaczy to, dlaczego dzisiejszy Wszechświat jest tak dobrze "zsynchronizowany", tzn. dlaczego jego nawet bardzo odległe od siebie części mają takie same cechy fizyczne (np. taką samą temperaturę promieniowania tła). Ale najprawdopodobniej sam mechanizm inflacji wymaga "specjalnego dopasowania" warunków początkowych. Trzeba więc odpowiedzieć na pytanie: co wymusiło właśnie takie a nie inne warunki początkowe? A także kosmologowie bardzo chcieliby dysponować jakimiś obserwacyjnymi potwierdzeniami idei inflacji. Dotychczas pozostaje ona jedynie teoretyczną hipotezą. Hipoteza ta jest bezpieczna w tym sensie, że jej przyjęcie lub odrzucenie nie zmienia zasadniczego toku wydarzeń, jakie nastąpiły w późniejszych epokach, nie narusza więc całości standardowego modelu. Możemy zatem spokojnie powrócić do oglądania dalszych sekwencji superpanoramicznego filmu.

Godzina: 10-12 sekundy po Wielkim Wybuchu, gęstość spada do 1025 g/cm3, a temperatura do 1015 K (około 100 GeV). Następuje kolejne łamanie symetrii. To, co pozostało po Pierwotnej Symetrii, rozpada się na słabe siły jądrowe i siły elektromagnetyczne. Od tego momentu we Wszechświecie funkcjonują "niezależnie" cztery fundamentalne oddziaływania, znane współczesnej fizyce, tzn. oddziaływania grawitacyjne, jądrowe silne, jądrowe słabe i elektromagnetyczne. Ten fragment kosmicznego scenariusza nie jest już tylko teoretyczną spekulacją. Fizykom w CERN-ie koło Genewy udało się, za pomocą akceleratora, w bardzo małej objętości odtworzyć temperatury, jakie panowały we Wszechświecie 10-12 sekundy po Wielkim Wybuchu. W takich temperaturach oddziaływania jądrowe słabe i elektromagnetyczne rzeczywiście występują jako jedno oddziaływanie fizyczne (zwane elektrosłabym).

Kolejny kadr kosmicznej superpanoramy - czas: 10-6 sekundy po Wielkim Wybuchu, gęstość: 1013 g/cm3, temperatura: 1013 K. Tak "niska" temperatura pozwala już cząstkom fundamentalnym, zwanym kwarkami, łączyć się w protony i neutrony. W ten sposób rodzą się podstawowe składniki, z których zbudowana jest "nasza materia", ale stanowią one jeszcze morze "niezależnych" cząstek, nie mogących połączyć się w jądra atomowe. Gdy tylko jakiś neutron i proton zbliżają się do siebie, chcąc stworzyć "parę", są natychmiast rozbijane przez wszędzie obecne, gorące promieniowanie. Dopiero gdy temperatura spadnie do 1011 K (ma to miejsce około 1 sekundy po Wielkim Wybuchu, gęstość wynosi wówczas około 1010 g/cm3), rozpocznie się proces nukleosyntezy, czyli powstawania jąder atomowych. Proces ten w dziejach świata trwał zaledwie kilka minut, ale były to kluczowe minuty dla przyszłej ewolucji i dla naszego zaistnienia. To wówczas decydował się skład chemiczny przyszłego Wszechświata, a przecież chemia węgla to my.

W epoce nukleosyntezy świat był wielkim tyglem, w którym - jak w bombie wodorowej - wodór był spalany na hel i niewielkie ilości jąder innych lekkich pierwiastków, takich jak: deuter, lit i beryl. Jądra wszystkich innych pierwiastków powstaną potem we wnętrzach gwiazd i podczas ich wybuchów zostaną stamtąd wyrzucone w przestrzeń kosmiczną. Dokładna analiza tych procesów wykazuje, że nie wszystkie pierwiastki chemiczne mogły powstać w gwiazdach. Kluczową rolę odgrywał hel. Gwiazdy były zdolne wyprodukować jedynie około 30% helu istniejącego dziś we Wszechświecie. Pozostałe 70% jąder helu zrodziło się kilka minut po Wielkim Wybuchu. Wyniki badań rozprzestrzenienia helu i jego obfitości w obecnym Wszechświecie stanowią niezależny argument na rzecz standardowego modelu kosmicznej ewolucji.

Wszechświat rozszerza się nadal, temperatura i gęstość gwałtownie spadają. Ale ciągle jest jeszcze za gorąco i za gęsto, by mogły istnieć atomy, tzn. jądra atomowe otoczone powłokami elektronów. Gęsta mieszanina jąder atomowych silnie oddziałuje z gorącym promieniowaniem, dzięki czemu materia jest dla promieniowania całkiem nieprzezroczysta (podobnie jak obecnie wnętrze Słońca). Gęstość promieniowania przewyższa gęstość innych postaci materii i to właśnie promieniowanie rządzi dynamiką Wszechświata. Stąd też tę epokę nazywa się erą promienistą.

Sytuacja zmienia się radykalnie dopiero około 35 000 lat po Wielkim Wybuchu; gęstość materii wynosi wówczas już tylko 10-14 g/cm3, a temperatura około 10 000 K. Następują dwa ważne wydarzenia: jądra wodoru zaczynają już wychwytywać elektrony, tworząc atomy wodoru i promieniowanie przestaje oddziaływać z cząstkami. Od tego momentu materia, głównie w postaci atomowej, i promieniowanie elektromagnetyczne ewoluują niezależnie. Ośrodek kosmiczny staje się przezroczysty dla promieniowania. Świat wkracza w erę galaktyczną.

Promieniowanie, odłączone już od materii, ciągle stygnie na skutek rozszerzania się Wszechświata. Dziś obserwujemy je jako promieniowanie tła. Przynosi nam ono informacje z epoki, w której po raz ostatni oddziaływało z materią, jest jakby skamieliną z bardzo wczesnego etapu kosmicznej historii.

U progu ery galaktycznej gęstość materii zaczęła przewyższać gęstość promieniowania i ta ostatnia przejęła sterowanie dynamiką Wszechświata. Po wyjściu z ery promienistej materia była bardzo równomiernie rozłożona w przestrzeni (w przeciwnym razie w momencie ostatniego oddziaływania z materią promieniowanie uległoby rozproszeniu na nierównomiernościach i dziś nie widzielibyśmy go tak gładkim, jakim go obserwujemy), ale tu i ówdzie musiały istnieć pewne drobne zagęszczenia - zarodki przyszłych galaktyk i ich gromad. Resztę sprawiła niestabilność siły grawitacyjnej, czyli coraz silniejsze przyciąganie sąsiednich cząstek przez ustawicznie wzrastające zagęszczenia materii. Ale nieustanna ekspansja Wszechświata, zmuszająca cząstki do oddalania się od siebie, przeciwdziałała temu procesowi. Niezmierne bogactwo struktur galaktyk, ich gromad i supergromad, obszarów pustki i nieznanych nam jeszcze konfiguracji ciemnej materii jest wynikiem gry między powszechnym ciążeniem i globalną ucieczką. Tworzy się wiele koncepcji, proponuje wiele mechanizmów, które byłyby w stanie wyjaśnić to, co astronomowie ciągle jeszcze odkrywają na niebie. Standardowy model nie jest zamkniętą strukturą...

I wreszcie kosmiczne dziś - 15 lub 20 miliardów lat po Wielkim Wybuchu; średnia gęstość materii 10-31 - 10-28g/cm3; średnia temperatura panująca w międzygalaktycznej przestrzeni 2,735 K (temperatura promieniowania tła). Obraz z trudem mieszczący się na naszym superekranie. Trzeba go sklejać, jak dziecinną układankę, z kawałków dostarczanych przez teleskopy, radioteleskopy, sondy kosmiczne i satelitarne obserwatoria.

Scenariusz ewolucji Wszechświata

  Czas Gęstość w g/cm3 Temperatura w K
Kosmologia kwantowa ???????? ?????????? ??????????
Era Plancka
Oddzielenie się grawitacji
10-44 s 1093 1033
Oddzielenie się silnych oddziaływań jądrowych - inflacja 10-35 s 1070 1027
Oddzielenie się słabych oddziaływań jądrowych i elektromagnetycznych 10-12 s 1025 1015
Powstanie protonów i neutronów 10-6 s 1016 1013
Nukleosynteza kilka minut 1010 - 101 1011 - 109
Koniec ery promienistej - początek ery galaktycznej 35 000 lat 10-14 104
Era obecna 15 - 20 mld lat 10-31 - 10-28 2,735

Na ekranie jeszcze tylko wykaz autorów scenariusza i ich wkładu do oglądanego filmu. Długa lista nazwisk i osiągnięć, dziwnie przypominająca spisy treści naukowych czasopism z ostatnich kilkunastu lat.




[góra strony]
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach