Wielkie BUM, czyli Wszechświat oczyma fizyki

Paradoksy, które zaorały teorię Newtona

Rok 1687, w którym Izaak Newton opublikował swoje najważniejsze dzieło „Principia”, jest ogólnie uważany za umowny początek fizyki klasycznej. Wyłożone w Principii prawo powszechnego ciążenia za pomocą prostych wzorów potrafi opisać zarówno ruch planet po elipsach w układzie słonecznym, jak i tor wystrzelonego z działa pocisku. Precyzyjne obliczenia matematyczne, których wyniki zgadzały się z eksperymentami i obserwacjami astronomicznymi, robiły wrażenie na współczesnych. Za pomocą teorii grawitacji można było wytłumaczyć wszystkie widoczne ruchy ciał. No prawie wszystkie.

Herb Izaaka Newtona, który jako pierwszy naukowiec w 1705 roku uzyskał tytuł szlachecki.

Gdy Newtonowska rewolucja nabierała rozpędu, Richard Bentley przygotowywał się do wygłoszenia wykładu pod tytułem „Odrzucenie ateizmu”. Zbierając materiały, wysłał do Newtona list, w którym pytał, czy nowa teoria może dostarczyć argumentów, nadających się do wykorzystania w wykładzie. Bentley był wnikliwym badaczem i poruszył w swoich listach wiele kwestii. Jedno z jego pytań było bardzo proste, ale zarazem niezwykle przenikliwe. Angielski uczony z Cambridge wskazał na paradoks będący skutkiem przyjęcia założeń Newtonowskiej teorii grawitacji. Zapytał o to, dlaczego – przy założeniu, że grawitacja jest siłą tylko przyciągająca i działa pomiędzy wszystkimi obiektami kosmicznymi – gwiazdy nie zlepiły się już dawno temu w jedną wielką sferyczną masę, zamiast tego tkwią najwidoczniej nieruchomo na nocnym niebie?

Newton odpisał, że myślał już o tym zagadnieniu i widzi tylko jedno rozwiązanie. W przestrzeni kosmicznej musi istnieć nieskończona ilość nieprzypadkowo rozłożonych gwiazd, których wzajemne oddziaływania precyzyjnie się znoszą. Taki układ byłby wysoce niestabilny i nawet najmniejsza zmiana w rozkładzie masy kosmosu spowodowałaby jego zaburzenie, a w konsekwencji ruch gwiazd. Problem niestabilności Newton ujął metaforycznie. Porównał sytuację równowagi kosmicznej do nieskończonej ilości igieł postawionych szpicem na gładkim, położonym na płaskiej powierzchni lustrze. Nietrudno sobie wyobrazić, że do katastrofy wystarczy upadek tylko jednej z nich. Żeby obejść problem stabilności, Newton użył ulubionego argumentu osób, które stają pod ścianą i nie potrafią wyjaśnić problemów z użyciem metody naukowej. Odwołał się do zjawisk nadprzyrodzonych. To Bóg rozmieścił gwiazdy we Wszechświecie w sposób idealny, a my jesteśmy świadkami „nieustającego cudu”, widząc, jak siła najwyższa na bieżąco koryguje zaburzenia.

No dobra, załóżmy, że przyjmujemy rozumowanie Newtona. Nieskończony Wszechświat rodzi jednak kolejny paradoks, zwany paradoksem nocnego nieba. Jeżeli istnieje nieskończona liczba gwiazd i są one równomiernie rozłożone, to nocne niebo powinno być w całości jasno rozświetlone. Gdziekolwiek byśmy nie spojrzeli, tam powinna znajdować się jakaś odległa gwiazda. Oczywiście nocne niebo wygląda całkowicie inaczej. Na tak przedstawiony problem Newton zareagował, jak każdy inteligentny człowiek w obliczu niewygodnych faktów. Zbył go milczeniem.

W następnych latach podejmowano wiele nieskutecznych prób modyfikacji równań, aby pozbyć się tych paradoksów. Z czasem fizycy doszli do przekonania, że nie da się opisać Wszechświata jako całości za pomocą teorii Newtona bez popadania w niedorzeczności. Był to znak, że w prawie powszechnego ciążenia i wizji stacjonarnego Kosmos tkwi coś fundamentalnie błędnego.

Największy błąd Einsteina

Grawitacja nie jest jedyną siłą, jaka działa w naszym świecie. Ludzie od wieków obserwowali też zjawiska elektryczne i magnetyczne, które opisywano (lub próbowano opisać) za pomocą matematyki. W latach 60. XIX wieku szkocki fizyk James Clark Maxwella przedstawił wzory, według których oddziaływania magnetyczne i elektryczne są ściśle ze sobą powiązanie. Po obliczeniach wyszło, że ta prędkość rozchodzenia się sił elektromagnetycznych jest taka sama jak znana już prędkość świata. Efekt tych ustaleń był piorunujący: Maxwell dokonał największego odkrycia w fizyce od czasów Newtona. Okazało się, że światło jest przykładem fali elektromagnetycznej. Warto dodać, że wykorzystując badania Maxwella, udało się wkrótce zbudować np. radio, co zapoczątkowało rewolucję w komunikacji trwającą do dziś.

No ale co to ma z tym wspólnego grawitacja? Teoria Maxwella zakłada, że istnieje maksymalna prędkość we Wszechświecie, tymczasem w teorii Newtona nie ma takich ograniczeń. Ta rozbieżność zainspirowała Einsteina do poszukiwania nowego rozwiązania problemu grawitacji. Wynikiem jego wieloletnich badań była ogłoszona w 1915 roku Ogólna Teoria Względności (OTW). W teorii Einsteina „przestrzeń mówi materii, jak ma się poruszać, a materia mówi przestrzeni, jak ma się zakrzywiać„.

Georges Lemaître i Albert Einstein

Einstein postanowił sprawdzić, co się stanie, gdy spróbuje użyć nowej teorii do opisu fizycznej rzeczywistości. Założył, że gwiazdy są równomiernie rozłożone i uwzględnił tego typu układ we wzorach opisujących Wszechświat. Wynik, który otrzymał, wcale mu się nie spodobał. Okazało się, że Wszechświat opisany przez OTW jest niestabilny, a przestrzeń musi się kurczyć bądź rozszerzać. Żeby uratować wizję stacjonarnego i wiecznego Wszechświata, w którą wierzył, Einstein wstawił dodatkowy czynnik do wzoru – tak zwaną stałą kosmologiczną lambda. Stała kosmologiczna działa jak antygrawitacja i jej wartość została ustalona wyłącznie w tym celu, aby była zdolna zrównoważyć przyciąganie grawitacyjne i tym samym stabilizować przestrzeń zgodnie z przekonaniami wielkiego fizyka.

W 1924 rosyjski matematyk i meteorolog Aleksander Friedman udowodnił, że dodanie stałej kosmologicznej nie rozwiązuje problemu stabilności Wszechświata. Niestety nie zdążył rozwinąć swoich pomysłów, zmarł w następnym roku na dur brzuszny w Leningradzie. W 1927 belgijski ksiądz katolicki i fizyk Georges Lemaitre niezależnie od Friedmana rozwiązał równania i doszedł do podobnych wniosków, Przestrzeń musi się rozszerzać, a Wszechświat jest skończony w czasie i w przeszłości był skurczny do punktu, który Lemaitre nazwał „pierwotnym atomem” (obecnie zwany początkową osobliwością). Taki wynik nie był zgodny z wizją Einsteina, który nie mogąc zakwestionować obliczeń podczas spotkania z Lemaitre, mógł powiedzieć tylko, że: „z punktu widzenia fizyki, wydaje się to całkowicie obrzydliwe”.

Im bardziej obiekt oddala się od obserwatora tym bardziej jest czerwony.

W 1929 roku amerykański astronom Edwin Hubble opublikował spis galaktyk wraz z określeniem ich kolorów. Znając działanie fal elektromagnetycznych i wykorzystując efekt Dopplera, można obliczyć prędkości odległych źródeł światła w stosunku do obserwatorium na Ziemi. Dane były zaskakujące, prawie wszystkie galaktyki oddalają się od nas, a im bardziej odległa jest galaktyka, tym większa jest jej prędkość ucieczki. Wyglądało na to, że Lemaitre miał rację, a przestrzeń się rozszerza. Niepodważalne dowody obserwacyjne kolejnych astronomów potwierdzających ucieczkę galaktyk zmusiły ostatecznie Einsteina do porzucenia stałej kosmologicznej, a jej wcześniejsze wprowadzenie nazwał „największym błędem swojego życia”. Równania OTW przewidziały zjawiska, w które sam autor nie mógł uwierzyć. Nie po raz ostatni okazało się, że matematyka jest „mądrzejsza” od ludzi.

Blask plazmy na nocnym niebie

W 1948 roku grupa astrofizyków zaproponowała alternatywny model wyjaśniający ucieczkę galaktyk. Według teorii stanu stacjonarnego ekspandujący Wszechświat jest wieczny i niezmienny. Aby ten warunek został spełniony, Wszechświat powinien mieć stałą gęstość. Według obliczeń powstanie kilkuset atomów wodoru rocznie w Drodze Mlecznej kompensowałby rozszerzanie się przestrzeni. Ponieważ rozwiązania Firedmana-Lemaitre były zgodne zarówno z modelem stacjonarnym, jak i początkową osobliwością, większość fizyków uważała model stacjonarny za bardziej prawdopodobny. Dzięki niemu można było się pozbyć kłopotliwej osobliwości początkowej, która łamała jedną z najważniejszych zasad w fizyce – zasadę przyczynowości. Jeden z twórców nowej teorii brytyjski astrofizyk Fred Hoylepodczas wywiadu radiowego w BBC chcąc ośmieszyć swoich przeciwników, nazwał postulowany przez nich początek Wszechświata Wielkim Bum (ang. Big Bang – niezbyt poprawnie tłumaczone jako Wielki Wybuch). Wbrew intencji Hoyle’a prześmiewcza nazwa Big Bang przyjęła się w świecie fizyki, i tak został nazwany wypracowany model kosmologiczny opisujący historię Wszechświata.

 

Wszechświat oczami fizyki, w środku Ziemia i gwiazdy Drogi Mlecznej, dalej najbliższe nam galaktyki, na samych obrzeżach plazma powstała w Wielkim Wybuchu.

Teoria stanu stacjonarnego zaczęła się chwiać już na początku lat 60., kiedy to odkryto kwazary, silne źródła promieniowania radiowego, które występuje prawie wyłącznie w odległych rejonach Wszechświata. Wyglądało na to, że Wszechświat wyglądał inaczej w przeszłości. zabójczy cios dla teorii wiecznego Wszechświata padł z innej strony. Amerykański fizyk rosyjskiego pochodzenia George Gamow rozwinął model Wielkiego Wybuchu, starając się wyjaśnić pochodzenie atomów. Jeżeli w przeszłości cała materia była gęsto ściśnięta w małej przestrzeni to z powodu panującej w tych warunkach wysokiej temperatury rozgrzany gaz ulega jonizacji (elektrony odrywają się od jąder atomowych) i zamienia się w nieprzezroczystą plazmę. Stosując wzory mechaniki kwantowej, można obliczyć, że w wyniku zachodzących reakcji termojądrowych w pierwotnej plazmie powinna powstać mieszanka atomów składająca się z 74% wodoru, 25% helu i śladowych ilości cięższych pierwiastków. Astronomowie badający skład gwiazd odkryli, że we Wszechświecie istnieją prawie identyczne proporcje atomów. W 1965 roku dwójka amerykańskich astrofizyków Arno Allan Penzias i Robert Woodrow Wilson odkryła istnienie promieniowania mikrofalowego o temperaturze ok. 3 Kelwinów równomiernie rozłożonego w każdym punkcie na niebie. Widmo promieniowania i temperatura wskazywały jasno, że to jest światło pierwotnej plazmy sprzed 13 miliardów lat, które uległo takiemu przesunięciu ku czerwieni, że stało się niewidocznymi dla oka mikrofalami. Blask plazmy na nocnym niebie przekonał ostatecznie fizyków, że Wszechświat nie jest wieczny i bez początku (jak zakładali filozofowie i badacze przeszłości), ale że jego historia rozpoczęła się wraz z Wielkim Bum.

C.D.N.