Fizyka
  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 > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie Boska
Cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

Mikroprzestrzeń/
makroprzestrzeń

Akcelerator z
nieograniczonym
budżetem

Teorie takie i siakie
GUT-y
Susy
Superstruny
Płaskość i ciemna
materia

Charlton, Golda i Guth
Inflacja i cząstka
skalarna

Przed początkiem
czasu

Powrót Greka
Do widzenia
Koniec fizyki?
Obowiązkowe boskie
zakończenie
  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Mikroprzestrzeń/makroprzestrzeń
 
Mikroprzestrzeń/makroprzestrzeń
 
B
y ujrzeć ten gmach we właściwym kontekście, uczyńmy teraz małą wycieczkę w  dziedzinę astrofizyki. Muszę wyjaśnić, dlaczego w  ostatnich latach fizyka cząstek elementarnych i  astrofizyka złączyły się ze sobą, osiągając nowy poziom zażyłości, który kiedyś nazwałem związkem mikroprzestrzeni z  makroprzestrzenią.
       Podczas gdy fachowcy od mikroprzestrzeni budowali coraz potężniejsze mikroskopy-akceleratory, by zajrzeć w  głąb subnuklearnych struktur, nasi koledzy zajmujący się makroprzestrzenią opracowywali dane uzyskiwane dzięki coraz większym teleskopom, wyposażonym w  najnowsze osiągnięcia techniki, pozwalające zwiększać ich czułość i  zdolność rejestrowania drobnych szczegółów ciał niebieskich. Kolejny przełom dokonał się wtedy, gdy w  przestrzeni kosmicznej umieszczono obserwatoria wyposażone w  instrumenty zdolne do wykrywania promieni podczerwonych, ultrafioletowych, rentgenowskich i  gamma; krótko mówiąc, całego zakresu widma elektromagnetycznego, pochłanianego w  znacznej części przez naszą nie do końca przezroczystą, kotłującą się atmosferę.
       Syntezę ostatnich 150 lat rozwoju i  osiągnięć kosmologii stanowi „kosmologiczny model standardowy”. Głosi on, że Wszechświat narodził się około 15 miliardów lat temu jako gorący gęsty, ściśnięty „pierwotny atom”. Wszechświat był wówczas nieskończenie lub prawie nieskończenie gęsty i  nieskończenie lub prawie nieskończenie gorący. Fizycy nie czują się najlepiej, zapoznając się z  tym opisem naszpikowanym nieskończonościami; wszystkie zastrzeżenia mają swe źródło w  nie rozpoznanym do końca wpływie teorii kwantowej. Z  powodów, których, być może, nigdy nie poznamy, Wszechświat kiedyś eksplodował i  od tego momentu nieprzerwanie rozszerza się i  stygnie.
       Jak, u  licha, kosmolodzy mogli do tego dojść? Model Wielkiego Wybuchu pojawił się w  latach trzydziestych na skutek odkrycia, że wszystkie galaktyki – zbiorowiska około stu miliardów gwiazd – oddalają się od pewnego pana, który nazywa się Edwin Hubble, a  który w  roku 1929 zajmował się pomiarami ich prędkości. Hubble musiał zebrać dostateczną ilość światła z  odległych galaktyk, aby rozszczepić je na linie widmowe, które mógłby  porównać z  liniami pierwiastków znajdujących się na Ziemi. Zauważył, że wszystkie linie są przesunięte w  stronę czerwonego krańca widma. W  taki właśnie sposób zachowuje się światło pochodzące ze źródła oddalającego się od obserwatora. Przesunięcie ku czerwieni jest miarą prędkości ruchu źródła względem obserwatora. Po latach pomiarów Hubble stwierdził, że wszystkie galaktyki oddalają się od niego we wszystkich kierunkach. Hubble kąpał się regularnie i  nie mógł tej ucieczki traktować jako demonstracji niechęci, z  jaką galaktyki odnoszą się do niego. Uznał to za przejaw rozszerzania się przestrzeni. Ponieważ rozszerza się cała przestrzeń, astronom Hedwina Knubble, prowadząca swe obserwacje na planecie Twilo w  Wielkiej Mgławicy Andromedy, dostrzegłaby to samo zjawisko: galaktyki oddalają się od niej. Co więcej, im bardziej odległy jest obiekt, tym szybciej się porusza. Na tym polega istota prawa Hubble'a. Wynika z  niego, że gdybyśmy odwrócili bieg wydarzeń, najodleglejsze galaktyki – najszybciej się poruszające – zbliżyłyby się do mniej odległych ciał i  w  końcu wszystko razem stłoczyłoby się i  zlało w  małej, bardzo małej objętości w  chwili, która według obecnych ocen nastąpiła około 15 miliardów lat temu.
       W  jednej ze słynniejszych metafor stosowanych w  nauce proponuje się, byś wyobraził sobie, że jesteś dwuwymiarowym stworem – Płaszczakiem; znasz kierunki wschód-zachód i  północ-południe, ale kierunek góra-dół dla Ciebie nie istnieje. Spróbuj usunąć kierunek góra-dół ze swojego doświadczenia. Żyjesz na rozszerzającym się balonie. Na całej jego powierzchni znajdują się skupiska obserwatorów – planety i  gwiazdy połączone w  galaktyki rozsiane są na powierzchni kuli. Wszystko to jest dwuwymiarowe. Niezależnie od miejsca, z  którego prowadzi się obserwacje, widać, że wszystkie punkty nieustannie się od siebie oddalają, a  powierzchnia stale rośnie. Zwiększa się odległość między każdymi dwoma punktami. Tak też jest z  naszym trójwymiarowym Wszechświatem. Inną zaletą tej metafory jest to, że uzmysławia, iż w  tym płaskim świecie, podobnie jak w  naszym, nie ma żadnego wyróżnionego miejsca. Dowolny punkt na powierzchni balonu jest w  demokratyczny sposób równoważny każdemu innemu. Żadnego środka. Żadnego brzegu. Nie ma niebezpieczeństwa spadnięcia z  krawędzi. Ponieważ znamy jedynie nasz rozszerzający się Wszechświat (powierzchnia balonu), nie może być mowy o  gwiazdach uciekających w  przestrzeń. To sama przestrzeń rozszerzając się niesie z  sobą cały ten majdan. Trudno jest wyobrazić sobie ekspansję zachodzącą wszędzie we Wszechświecie, bez żadnego wnętrza i  zewnętrza. Istnieje tylko rozszerzający się Wszechświat. Gdzie albo dokąd się rozszerza? Pomyśl znowu o  życiu Płaszczaka na powierzchni balonu. W  naszej metaforze ta powierzchnia jest wszystkim, co istnieje.
       Dwa główne wnioski wynikające z  teorii Wielkiego Wybuchu zdołały wreszcie ostatecznie przekonać niemal wszystkich jej przeciwników; obecnie jest już powszechnie akceptowana. Pierwszy z  nich stwierdza, że światło z  początkowego rozbłysku – założywszy, że był on bardzo, bardzo gorący – wciąż jeszcze istnieje w  świecie w  postaci promieniowania reliktowego. Przypomnij sobie, że światło składa się z  fotonów, a  energia fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do długości jego fali. Ponieważ Wszechświat się rozszerza, rozciągnęły się długości wszystkich fal. Dlatego też przewidziano, że długości fal – pierwotnie nieskończenie małe, jak przystało na bardzo energetyczne fotony – rozrosły się aż do długości odpowiadających mikrofalom (kilka milimetrów). W  roku 1965 odkryto gasnący żar Wielkiego Wybuchu – mikrofalowe promieniowanie tła. Cały Wszechświat tonie w  tych falach poruszających się we wszystkich możliwych kierunkach. Fotony, które rozpoczęły podróż miliardy lat temu, gdy Wszechświat był znacznie mniejszy i  gorętszy, wylądowały na antenach laboratorium Bell Telephone w  stanie New Jersey. Co za los!
       Po tym odkryciu trzeba było zmierzyć rozkład długości fal (w  tym miejscu, w  razie potrzeby, proszę sobie powtórnie przeczytać rozdział piąty niniejszej książki odwróconej do góry nogami), co w  końcu zrobiono. Posługując się równaniem Plancka, można odczytać z  tego rozkładu średnią temperaturę wszystkiego (przestrzeni, gwiazd, pyłu, a  nawet zagubionego satelity), co jest skąpane w  tych fotonach. Według najnowszych pomiarów, dokonanych przez NASA za pomocą satelity COBE, temperatura ta wynosi 2,73 stopnia powyżej zera absolutnego (2,73 K). Mikrofalowe promieniowanie tła jest także mocnym argumentem na rzecz teorii gorącego Wielkiego Wybuchu.
       Skoro tak wyliczamy sukcesy, powinniśmy także wspomnieć o  trudnościach, które wcześniej lub później zostały przezwyciężone. Astrofizycy badali promieniowanie mikrofalowe bardzo starannie, aby zmierzyć temperaturę różnych części nieba. Była ona wszędzie jednakowa z  nadzwyczajną dokładnością (powyżej jednej setnej procent), co wywoływało pewien niepokój. Dlaczego? Otóż, jeśli dwa ciała mają dokładnie tę samą temperaturę, można przyjąć, że kiedyś się ze sobą kontaktowały. A  przecież eksperci są pewni, że różne obszary o  tej samej temperaturze nigdy się ze sobą nie zetknęły. Nie – prawie nigdy. Nigdy.
       Astrofizycy mogą się wyrażać tak kategorycznie, gdyż obliczyli, jak daleko od siebie znajdowały się dwa fragmenty nieba wtedy, gdy wyemitowane zostało promieniowanie, które zaobserwował COBE. Stało się to 300 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Nie tak wcześnie, jakby się chciało, ale, niestety, nie możemy się już bardziej cofnąć. Okazuje się, że odległości te były tak wielkie, że obszary nie mogłyby się ze sobą skomunikować nawet z  prędkością światła. A  mimo to mają jednakową, albo prawie jednakową, temperaturę. Nasza teoria Wielkiego Wybuchu nie potrafiła tego uzasadnić. Porażka? Kolejny cud? Problem ten zapisał się w  historii nauki pod nazwą kryzysu przyczynowości lub izotropii. Przyczynowości, ponieważ zdawał się istnieć przyczynowy związek między rejonami nieba, które nie powinny były mieć ze sobą żadnego kontaktu. „Izotropii”, ponieważ gdziekolwiek by nie spojrzeć, w  wielkiej skali ukazuje się mniej więcej ten sam układ gwiazd, galaktyk, gromad i  pyłu. Można by przejść nad tym faktem do porządku dziennego, mówiąc, że podobieństwo miliardów kawałków Wszechświata, które nigdy się ze sobą nie kontaktowały, jest czystym przypadkiem. Ale my nie lubimy przypadków. Cuda są do przyjęcia tylko wtedy, gdy się gra na loterii albo kibicuje drużynie futbolowej, lecz nie w  nauce. Kiedy pojawiają się cuda, zaczynamy podejrzewać, że coś głębszego czyha w  mroku. Jeszcze do tego powrócimy.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
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