Zdumiewający wszechświat

Czy Wielki Wybuch wszystko tłumaczy?

KAŻDY poranek to cud. Głęboko we wnętrzu wschodzącego Słońca w temperaturze milionów stopni wodór zamienia się w hel. Z jądra Słońca w kierunku zewnętrznych warstw przedzierają się promienie Roentgena oraz promienie gamma o niewiarogodnej energii. Gdyby Słońce było przezroczyste, owe palące promienie dotarłyby do jego powierzchni w ciągu paru sekund. W rzeczywistości jednak stopniowo tracą swą energię, zderzając się z gęsto upakowanymi atomami słonecznej „otuliny”. Mijają dni, tygodnie i stulecia. Po tysiącach lat to zabójcze niegdyś promieniowanie opuszcza w końcu powierzchnię Słońca w postaci deszczu niegroźnych już, delikatnych promieni świetlnych, w których pławi się i wygrzewa nasza Ziemia.

Cudem jest także każda noc. Z ogromnych przestworzy naszej Galaktyki mrugają do nas inne słońca. Różnią się od siebie kolorem, temperaturą, wielkością i gęstością. Są wśród nich nadolbrzymy, mające tak wielkie rozmiary, że gdyby środek któregoś umieszczono na miejscu Słońca, nasza planeta znalazłaby się w jego wnętrzu. Inna grupa gwiazd to niewielkie białe karły — mniejsze od Ziemi, a mimo to równie ciężkie jak Słońce. Niektóre gwiazdy będą spokojnie świecić jeszcze miliardy lat. Inne niebawem wybuchną jako supernowe, a ginąc, na krótko przyćmią swym blaskiem całe galaktyki.

W zamierzchłej przeszłości opowiadano o potworach morskich i walkach bogów, o smokach, żółwiach i słoniach lub o śpiących bogach i kwiatach lotosu. Później, w tak zwanej erze rozumu, bóstwa zastąpiono „magią” świeżo odkrytych praw Newtona i rachunków. Obecnie żyjemy w czasach odartych z dawnych poetyckich wizji i legend. Wyjaśniając powstanie wszechświata, dzieci teraźniejszej ery atomu nie odwołują się do starożytnego potwora morskiego ani mechanistycznego modelu Newtona, lecz do głównego symbolu XX wieku — bomby. „Stwórcą” jest dla nich eksplozja. Ten kosmiczny fajerwerk nazywają Wielkim Wybuchem.

Co „wyjaśnia” Wielki Wybuch

Według najbardziej popularnej wersji tej teorii, wyrażającej pogląd obecnego pokolenia na „stwarzanie”, jakieś 15—20 miliardów lat temu wszechświat nie istniał. Nie było pustej przestrzeni, czasu, materii ani niczego innego oprócz nieskończenie małego punktu o nieskończonej gęstości, nazywanego osobliwością, która „eksplodowała”, by stać się w końcu dzisiejszym wszechświatem. Po rozpoczęciu się ekspansji w ciągu niezwykle małego ułamka sekundy ów niemowlęcy wszechświat rozszerzał się w sposób bardzo gwałtowny — „inflacyjny” — z szybkością dużo większą niż prędkość światła.

Przez kilka pierwszych minut po Wielkim Wybuchu w całym wszechświecie zachodziły reakcje jądrowe, w wyniku których powstał wodór, hel i lit (lub przynajmniej jego część) w proporcjach dających się obecnie zaobserwować w przestrzeni międzygwiazdowej. Po upływie około 300 000 lat temperatura ognistej kuli stanowiącej ówczesny wszechświat spadła poniżej tej, która występuje na powierzchni Słońca. W tych warunkach elektrony mogły osiąść na orbitach atomów, czemu towarzyszyła emisja fotonów, czyli światła. Wtedy to pojawiło się promieniowanie, które — choć znacznie oziębione — istnieje do dziś jako wypełniające wszechświat mikrofalowe promieniowanie tła o temperaturze 2,7 kelwina.a W gruncie rzeczy właśnie odkrycie tego promieniowania w latach 1964-1965 przekonało większość uczonych do teorii Wielkiego Wybuchu. Owa teoria wyjaśnia także, dlaczego wszechświat zdaje się rozszerzać we wszystkich kierunkach, to znaczy dlaczego odległe galaktyki najwyraźniej oddalają się z wielką szybkością od nas oraz od siebie nawzajem.

Skoro teoria Wielkiego Wybuchu tłumaczy tak dużo, dlaczego podawać ją w wątpliwość? Ponieważ mimo wszystko wielu faktów nie potrafi wyjaśnić. Zilustrujmy to przykładem: Starożytny astronom Ptolemeusz stworzył teorię, według której Słońce i planety krążą wokół Ziemi, poruszając się jednocześnie po mniejszych okręgach zwanych epicyklami. Wydawało się, iż teoria ta dobrze wyjaśnia ruch planet. Kiedy w ciągu stuleci astronomowie gromadzili coraz to więcej danych liczbowych, kosmolodzy ptolemejscy zawsze mogli je „wytłumaczyć”, dodając do już wprowadzonych epicykli jeszcze jeden. To jednak wcale nie świadczyło o poprawności teorii. W końcu trzeba było uwzględnić zbyt dużo danych, a inne teorie — na przykład pogląd Kopernika, iż Ziemia krąży wokół Słońca — objaśniały rzeczywistość prościej i lepiej. Toteż dzisiaj trudno byłoby znaleźć astronoma uznającego system Ptolemeusza.

Profesor Fred Hoyle porównał wysiłki podejmowane przez kosmologów ptolemejskich, by dopasować ich upadający system do nowych odkryć, ze staraniami współczesnych zwolenników Wielkiego Wybuchu, którzy usiłują ocalić swoją teorię. W książce The Intelligent Universe (Rozumny wszechświat) napisał: „Najwięcej wysiłku badacze poświęcają na to, aby ukryć sprzeczności teorii Wielkiego Wybuchu, wskutek czego koncepcja ta staje się coraz bardziej skomplikowana i nieporęczna”. Następnie Hoyle nawiązał do epicykli, których wprowadzanie nie uratowało systemu Ptolemeusza, po czym dodał: „Jestem niemal pewien, że nad teorią Wielkiego Wybuchu zawisły ciemne chmury. Jak już wspomniałem, doświadczenie uczy, że jeśli fakty przeczą teorii, rzadko kiedy udaje się ją obronić” (strona 186).

W podobnym tonie wypowiedziano się w czasopiśmie New Scientist z 22 i 29 grudnia 1990 roku: „Metoda ptolemejska bywa często stosowana (...) w kosmologicznym modelu Wielkiego Wybuchu”. Następnie zapytano: „Jak możemy osiągnąć prawdziwy postęp w fizyce cząstek elementarnych oraz w kosmologii? (...) Musimy być bardziej uczciwi i otwarci, jeśli chodzi o czysto spekulatywny charakter niejednego z najchętniej przyjmowanych przez nas założeń”. Tymczasem ostatnio uzyskano mnóstwo nowych informacji.

Pytania, na które Wielki Wybuch nie daje odpowiedzi

Niemałych trudności przysporzyli teorii Wielkiego Wybuchu badacze, którzy za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (z naprawionym układem optycznym) mierzą odległości do innych galaktyk. Nowe dane wywołują wśród teoretyków konsternację.

Korzystając z teleskopu Hubble’a, pani Wendy Freedman i inni astronomowie obliczyli niedawno odległość do galaktyki położonej w gwiazdozbiorze Panny. Otrzymany wynik sugeruje, iż wszechświat rozszerza się szybciej — i w konsekwencji jest młodszy — niż dotychczas sądzono. „Liczy zaledwie 8 mld lat” — poinformował w sierpniu ubiegłego roku Świat Nauki (polskie tłumaczenie miesięcznika Scientific American). Co prawda osiem miliardów lat wydaje się niesamowicie długim okresem, ale jest to jedynie połowa dotychczas szacowanego wieku wszechświata. Stwarza to szczególny problem, gdyż jak czytamy dalej w tym doniesieniu, „z innych danych wynika, że niektóre gwiazdy żyją już co najmniej 14 mld lat”. Jeżeli wyniki uzyskane przez panią Freedman zostaną potwierdzone, to owe gwiazdy okażą się starsze niż sam Wielki Wybuch!

Innym wyzwaniem dla teorii Wielkiego Wybuchu są coraz silniejsze dowody, iż galaktyki we wszechświecie układają się na brzegach „bąbli” o średnicy 100 milionów lat świetlnych, zawierających wewnątrz pustą przestrzeń. Margaret Geller, John Huchra i inni naukowcy z Harwardzko-Smithsońskiego Centrum Astrofizyki odkryli na niebie północnym tak zwany Wielki Mur — konglomerat galaktyk długości około 500 milionów lat świetlnych. Z kolei astronomowie, którzy stali się znani jako siedmiu samurajów, zgromadzili dowody świadczące o istnieniu innej struktury kosmicznej, nazwanej Wielkim Atraktorem, a położonej na niebie południowym w pobliżu gwiazdozbiorów Hydra i Centaur. Astronomowie Marc Postman i Tod Lauer są przekonani, że za gwiazdozbiorem Oriona musi się znajdować jeszcze większe skupisko materii, które sprawia, iż setki galaktyk, nie wyłączając naszej, zmierzają w tym kierunku niczym jakieś tratwy po „rzece w przestrzeni kosmicznej”.

Istnienie wszystkich tych struktur wywołuje zakłopotanie. Zdaniem kosmologów rozkład materii utworzonej podczas Wielkiego Wybuchu był pierwotnie nadzwyczaj gładki i jednorodny, o czym ma świadczyć promieniowanie tła, uważane za jego pozostałość. Skoro początek był tak gładki, to w jaki sposób mogły się rozwinąć te ogromne i złożone struktury? „Pozostaje (...) zagadką, jak w ciągu 15 miliardów lat istnienia Wszechświata powstały odkryte niedawno ściany i atraktory” — przyznaje Świat Nauki, a sytuację komplikują jeszcze obliczenia pani Freedman i innych, zmniejszające szacowany wiek kosmosu.

„Pomijamy jakiś kluczowy element”

Swoją trójwymiarową mapą, na której tysiące galaktyk układa się w bryły, sploty i bąble, Margaret Geller zmieniła sposób, w jaki naukowcy opisują wszechświat. Nie twierdzi przy tym, że rozumie to, co ujrzała. Istnienia Wielkiego Muru nie da się chyba wyjaśnić samą grawitacją. Pani Geller wyznała ponadto: „Często myślę, że próbując zrozumieć tę strukturę, pomijamy jakiś kluczowy element”.

Tłumacząc swój niepokój, M. Geller powiedziała: „Po prostu nie wiemy, jak interpretować te ogromne struktury, gdy się uwzględni Wielki Wybuch”. Wyjaśnienia budowy kosmosu oparte na obecnych mapach nieba nie są bynajmniej niepodważalne — raczej przypominają próbę opisu całego świata na podstawie badań prowadzonych w jakimś niewielkim zakątku. Następnie pani Geller dodała: „Być może pewnego dnia odkryjemy, iż poszczególne elementy tej układanki zestawialiśmy ze sobą w niewłaściwy sposób, a kiedy już je prawidłowo ułożymy, uznamy to za tak oczywiste, że będziemy się dziwić, dlaczego nie wymyśliliśmy tego znacznie wcześniej”.

Nasuwa się także najważniejsze pytanie: Co mogło być przyczyną samego Wielkiego Wybuchu? Andriej Linde, znany ekspert i jeden z twórców bardzo popularnej inflacyjnej wersji Wielkiego Wybuchu, szczerze przyznaje, że standardowa teoria nie rozstrzyga tej podstawowej kwestii. „Pierwszym i najważniejszym [problemem] jest sam fakt Wielkiego Wybuchu” — oświadczył. „Ktoś mógłby zapytać, co było wcześniej? Jeśli czasoprzestrzeń wtedy nie istniała, to jak mogło wszystko powstać z niczego? (...) Wyjaśnienie tej początkowej osobliwości — gdzie i kiedy to wszystko się zaczęło — nadal pozostaje najtrudniejszym do ugryzienia problemem współczesnej kosmologii”.

W czasopiśmie Discover ukazał się niedawno artykuł, w którym wyciągnięto następujący wniosek: „Żaden rozsądny kosmolog nie będzie twierdzić, iż Wielki Wybuch jest ostateczną teorią”.

A teraz wyjdźmy na dwór, by podziwiać piękno tajemniczych gwiazd, lśniących na sklepieniu niebios.

[Przypis]

[Ramka na stronie 5]

Rok świetlny — kosmiczny metr

Odległości we wszechświecie są tak wielkie, że podawanie ich w kilometrach przypominałoby wyrażanie odległości z Londynu do Tokio w mikronach. Bardziej praktyczną jednostką miary jest rok świetlny, czyli długość drogi przebywanej przez światło w ciągu roku, równa 9 460 000 000 000 kilometrów. Światło, biegnące z największą możliwą prędkością we wszechświecie, na dotarcie do Księżyca potrzebuje zaledwie 1,3 sekundy, a do Słońca około 8 minut, wobec tego rok świetlny może się wydawać odległością przeogromną!