martin_rees(badajac_nasz_i_inne_wszechswiaty).pdf

Badajc

nasz i inne

wszechæwiaty

Martin Rees

W nadchodzcym stuleciu kosmolodzy zg¸«bi tajemnic«

narodzin naszego Wszechæwiata Ð a moýe nawet dowiod,

ýe istniej takýe inne wszechæwiaty

adanie kosmosu to bezsprzecznie osigni«cie

XX wieku. Dopiero w latach dwudziestych

uæwiadomiliæmy sobie, ýe nasza Droga Mleczna

wraz z jej 100 mld gwiazd jest tylko jedn spo-

ærd milionw galaktyk. Od tego czasu nasza empi-

ryczna wiedza o Wszechæwiecie stale roænie. Potrafi-

my juý umieæci ca¸y Uk¸ad S¸oneczny w wi«kszym

ewolucyjnym kontekæcie i przeæledzi wstecz drog«

wchodzcych w jego sk¸ad atomw aý do pierwszych

chwil po Wielkim Wybuchu. Jeæli kiedyæ odkryjemy

obce cywilizacje, by moýe jedyn ¸czc nas z nimi

rzecz okaýe si« wsplne zainteresowanie kosmosem,

z ktrego wszyscy si« wywodzimy.

Dzi«ki najnowszym obserwatoriom naziemnym i or-

bitalnym astronomowie mog spoglda w przesz¸oæ

i zbiera rzetelne dowody ewolucji Wszechæwiata.

Wspania¸e zdj«cia uzyskane przez Kosmiczny Tele-

skop HubbleÕa ukazuj galaktyki takimi, jakimi by¸y

w odleg¸ej przesz¸oæci: jako kule æwieccego, rozpro-

szonego gazu, w ktrym dostrzec moýna masywne,

szybko spalajce si« niebieskie gwiazdy. Gwiazdy te

przekszta¸ci¸y pierwotny wodr, pochodzcy z Wielkie-

go Wybuchu, w ci«ýsze atomy, a koÄczc swj ýywot

pozostawi¸y w galaktykach elementarne cegie¸ki, z kt-

rych powsta¸y planety i ýycie Ð w«giel, tlen, ýelazo itd.

Stwrca nie musia¸ kr«ci 92 rýnymi ga¸kami, aby

skonstruowa wszystkie pierwiastki uk¸adu okreso-

wego, ktre naturalnie wyst«puj w przyrodzie. Wyr«-

czy¸y go galaktyki dzia¸ajce jak olbrzymie ekosystemy

wytwarzajce pierwiastki i wykorzystujce ponownie

gaz przez wiele kolejnych pokoleÄ gwiazd. Sam gatu-

nek ludzki zbudowany jest z py¸u gwiezdnego lub,

mwic mniej wznioæle, odpadw jdrowych powsta-

¸ych w wyniku zuýycia paliwa, dzi«ki ktremu gwiaz-

dy æwiec.

Badajc mikrofalowe promieniowanie t¸a, ktre spra-

wia, ýe nawet przestrzeÄ mi«dzygalaktyczna nie jest

ca¸kiem zimna, astronomowie wiele si« dowiedzieli tak-

ýe o wczeæniejszych epokach przedgalaktycznych. Ta

poæwiata stworzenia æwiadczy o tym, ýe ca¸y Wszech-

æwiat by¸ niegdyæ gor«tszy od wn«trza gwiazd. Pos¸u-

gujc si« danymi laboratoryjnymi, naukowcy potrafi

obliczy, jak przebiega¸a synteza termojdrowa w ci-

gu pierwszych kilku minut po Wielkim Wybuchu. Prze-

widywane proporcje wodoru, deuteru i helu zgadzaj

si« dobrze z tym, co obserwuj astronomowie, potwier-

dzajc w ten sposb teori« Wielkiego Wybuchu.

Na pierwszy rzut oka moýe si« wydawa, ýe prby

zg¸«bienia kosmosu s przedwczesne i æwiadcz o na-

szej zuchwa¸oæci, nawet pod koniec XX stulecia. Nie-

mniej jednak w cigu ostatnich lat kosmolodzy poczy-

nili prawdziwe post«py. Najwi«ksze k¸opoty sprawia im

stopieÄ komplikacji zagadnieÄ, a nie sam rozmiar roz-

waýanych obiektw Ð gwiazda jest bowiem uk¸adem

prostszym niý owad. Ogromna temperatura wewntrz

gwiazd i we wczesnym Wszechæwiecie sprawia, ýe

wszystko rozpada si« na najmniejsze sk¸adniki. Znacz-

nie trudniejsze zadanie maj biolodzy, ktrych praca

polega na badaniu z¸oýonej, wielowarstwowej struktu-

ry drzew, motyli czy mzgw.

Post«p w kosmologii spowodowa¸, ýe pojawi¸y si«

nowe zagadki, nad ktrymi astronomowie b«d si«

g¸owi jeszcze przez wiele lat nast«pnego stulecia. Dla-

czego na przyk¸ad Wszechæwiat zawiera akurat t« ob-

serwowan mieszank« sk¸adnikw? I jak to si« sta¸o,

ýe b«dc na pocztku bardzo g«sty zdo¸a¸ si« rozci-

gn do tak olbrzymich rozmiarw? Odpowiedzi na

te pytania zaprowadz nas poza fizyk«, ktr znamy,

i b«d wymaga¸y nowego zrozumienia natury prze-

strzeni i czasu. Aby naprawd« pozna histori« Wszech-

æwiata, uczeni musz odkry g¸«bokie zwizki mi«dzy

kosmicznym krlestwem tego, co bardzo duýe, i kwan-

towym æwiatem tego, co bardzo ma¸e.

Ciemna materia i prognoza d¸ugoterminowa

Wstyd przyzna, ale astronomowie cigle nie wie-

dz, z czego zbudowany jest nasz Wszechæwiat. Obiek-

ty wysy¸ajce promieniowanie, ktre potrafimy obser-

wowa, takie jak gwiazdy, kwazary i galaktyki, stanowi

tylko niewielki u¸amek ca¸kowitej materii Wszechæwia-

ta. Olbrzymia jej wi«kszoæ jest ciemna, a natura tej

46 å WIAT N AUKI StyczeÄ 2000

Wielkoskalow struktur« Wszechæwiata

moýna symulowa, odtwarzajc modele

kosmologiczne na superkomputerach.

W tej symulacji, przeprowadzonej

przez grup« nazywan Virgo Consortium,

kaýda czstka odpowiada galaktyce.

Ten zarys historii

Wszechæwiata przedstawia

jego ewolucj« od

Wielkiego Wybuchu

do chwili obecnej.

W momencie stworzenia Ð

w epoce inflacji Ð

Wszechæwiat rozszerza¸

si« w zadziwiajcym

tempie. Po oko¸o 3 min

plazma z¸oýona z czstek

i promieniowania

och¸odzi¸a si« tak,

ýe mog¸y powsta

proste jdra atomowe,

a po 300 tys. lat

zacz«¸y tworzy si«

atomy wodoru i helu.

Pierwsze gwiazdy

i galaktyki pojawi¸y si«

mniej wi«cej miliard lat

pniej. Ostateczny los

Wszechæwiata Ð czy

b«dzie si« on rozszerza¸

wiecznie, czy teý si«

zapadnie Ð pozostaje

nieznany.

Wielki Wybuch

10 Ð43 sekundy

Epoka kwantowej

grawitacji

10 Ð36 sekundy

Prawdopodobna

epoka inflacji

10 Ð5 sekundy

Tworzenie si« protonw

i neutronw z kwarkw

3 minuty

Synteza

jder atomowych

300 tys. lat

Tworzenie si«

pierwszych atomw

ciemnej materii pozostaje nieznana. Wi«kszoæ

kosmologw uwaýa, ýe sk¸ada si« ona ze s¸abo

oddzia¸ujcych czstek, b«dcych pozosta¸oæci

po Wielkim Wybuchu, ale moýe to by rwnieý

coæ jeszcze bardziej egzotycznego. Niezaleýnie

od tego wiadomo, ýe galaktyki, gwiazdy i pla-

nety s tylko pniejszym dodatkiem we

Wszechæwiecie zdominowanym przez coæ zu-

pe¸nie innego. W nadchodzcym dziesi«cioleciu

poszukiwania ciemnej materii nabior jeszcze

wi«kszego tempa, g¸wnie za spraw precyzyj-

nych, przeprowadzanych pod ziemi ekspery-

mentw, ktrych celem jest wykrycie nieuchwyt-

nych czstek subatomowych. Jest o co walczy:

pozytywny wynik tych po-

szukiwaÄ powiedzia¸by nam

nie tylko, z czego sk¸ada si«

wi«kszoæ Wszechæwiata, ale

umoýliwi¸by prawdopodob-

nie poznanie jakichæ zupe¸nie

nowych rodzajw czstek.

Astronomowie nie s rw-

nieý pewni, ile jest ciemnej

materii. Ostateczny los nasze-

go Wszechæwiata Ð czy b«dzie

si« on rozszerza¸ w nieskoÄ-

czonoæ, czy teý w koÄcu

zmieni kurs i zapadnie si«

w tzw. Wielkim Kolapsie Ð

zaleýy od ca¸kowitej iloæci

ciemnej materii i wywieranego przez ni przy-

cigania grawitacyjnego. Obecne dane wskazu-

j, ýe Wszechæwiat zawiera tylko oko¸o 30% ma-

terii wymaganej do zatrzymania ekspansji.

(W ýargonie kosmologw omega Ð stosunek ob-

serwowanej g«stoæci do g«stoæci krytycznej Ð

wynosi 0.3.) Przes¸anki przemawiajce za dal-

szym rozszerzaniem si« Wszechæwiata nabra¸y

ostatnio jeszcze wi«kszej mocy: obiecujce ob-

serwacje odleg¸ych supernowych sugeruj, ýe

ekspansja Wszechæwiata raczej przyspiesza, niý

zwalnia. Niektrzy astronomowie twierdz, ýe

obserwacje te dowodz istnienia dodatkowej si-

¸y odpychajcej, ktra na skalach kosmicznych

przezwyci«ýa grawitacj« Ð czegoæ, co Albert Ein-

stein nazwa¸ sta¸ kosmologiczn. Wyrok w tej

kwestii jeszcze nie zapad¸, ale jeæli istnienie si¸y

odpychajcej si« potwierdzi, fizycy dowiedz

si« czegoæ zupe¸nie nowego o energii uæpionej

w pustej przestrzeni.

Waýnym tematem badaÄ astronomicznych b«-

dzie rwnieý ewolucja wielkoskalowej struktu-

ry Wszechæwiata. Gdybyæmy mieli odpowiedzie

jednym zdaniem na pytanie ãco wydarzy¸o si«

od czasu Wielkiego WybuchuÓ, naleýa¸oby wzi

g¸«boki oddech i stwierdzi, ýe: od samego po-

cztku grawitacja powi«ksza¸a niejednorodno-

æci, tworzc struktury i zwi«kszajc rýnice tem-

peratury Ð co stanowi¸o warunek konieczny

pojawienia si« z¸oýonoæci, ktra teraz nas otacza

i ktrej jesteæmy cz«æci. Astronomowie dowiadu-

j si« obecnie wi«cej o tym trwajcym 10 mld lat

procesie, tworzc w komputerach ãwirtualne

wszechæwiatyÓ. W nadchodzcych latach b«dzie-

my w stanie odtwarza histori« Wszechæwiata

z jeszcze wi«kszym realizmem, a nast«pnie po-

rwnywa wyniki z tym, co pokaý teleskopy.

Pytania dotyczce budowy Wszechæwiata zaj-

mowa¸y astronomw od czasw Newtona, kt-

ry si« zastanawia¸, dlaczego wszystkie planety

okrýaj S¸oÄce w tym samym kierunku i znaj-

duj si« niemal w tej samej p¸aszczynie. W swo-

im dziele Opticks z 1704 roku pisa¸: ãCzysty przy-

padek nigdy nie mg¸by spowodowa poruszania

si« wszystkich planet w taki sam sposb po kon-

centrycznych orbitach.Ó Newton sdzi¸, ýe tak

niezwyk¸a jednorodnoæ w uk¸adzie planetarnym

musi by rezultatem Boskiej interwencji.

Dziæ astronomowie wiedz, ýe wsplna p¸asz-

czyzna ruchu planet jest naturalnym wynikiem te-

go, ýe Uk¸ad S¸oneczny powsta¸ jako wirujcy

dysk gazu i py¸u. W rzeczywistoæci poszerzyli-

æmy zasi«g naszej wiedzy do duýo wczeæniej-

szych chwil; kosmolodzy potrafi przedstawi

w zarysie histori« Wszechæwiata aý do pierwszej

sekundy po Wielkim Wybuchu. Poj«ciowo jed-

Wielk tajemnic

dla kosmologw jest seria

wydarzeÄ, ktre nastpi¸y

w cigu pierwszej

milisekundy po Wielkim

Wybuchu, gdy Wszechæwiat

by¸ niezwykle ma¸y,

gorcy i g«sty.

48 å WIAT N AUKI StyczeÄ 2000

ZAPADANIE

1 mld lat

Pojawienie si« pierwszych gwiazd,

galaktyk i kwazarw

10Ð15 mld lat

Pojawienie si« obecnie

obserwowanych galaktyk

CIGüA EKSPANSJA

nak jesteæmy w sytuacji niewiele lepszej niý New-

ton. Nasze rozumienie przyczynowego ¸aÄcucha

wydarzeÄ rozciga si« teraz duýo dalej wstecz

w czasie, ale tak samo jak Newton napotykamy

w koÄcu barier«. Wielk niewiadom dla kosmo-

logw jest seria wydarzeÄ, ktre nastpi¸y w ci-

gu pierwszej milisekundy po Wielkim Wybuchu,

gdy Wszechæwiat by¸ niezwykle ma¸y, gorcy

i g«sty. Znane nam prawa fizyki nie na wiele si«

zdaj przy prbach wyjaænienia, co wydarzy¸o

si« w tym krytycznym okresie.

Aby odkry t« tajemnic«, kosmolodzy musz

najpierw, ulepszajc obecne obserwacje, dok¸ad-

nie wyznaczy kilka w¸asnoæci Wszechæwiata,

gdy liczy¸ on sobie jedn sekund«: tempo jego

ekspansji, wielkoæ zaburzeÄ g«stoæci oraz pro-

porcje zwyk¸ych atomw, ciemnej materii i pro-

mieniowania. Aby jednak zrozumie, dlaczego

nasz Wszechæwiat ukszta¸towa¸ si« w taki spo-

sb, musimy si«gn do jeszcze wczeæniejszych

chwil, do pierwszego niewielkiego u¸amka mi-

krosekundy. To zadanie b«dzie wymaga¸o post«-

pu w badaniach teoretycznych. Fizycy musz

znale sposb na po¸czenie oglnej teorii

wzgl«dnoæci Einsteina, rzdzcej oddzia¸ywa-

niami na duýych skalach w kosmosie, z zasada-

mi kwantowymi, ktre obowizuj na bardzo

ma¸ych odleg¸oæciach [patrz: Steven Weinberg,

ãCzy uda si« do roku 2050 zunifikowa fizy-

k«?Ó, strona 38]. Zunifikowana teoria potrzebna

jest do wyjaænienia, co wydarzy¸o si« w pierw-

szych kluczowych momentach po Wielkim Wy-

buchu, gdy ca¸y Wszechæwiat mieæci¸ si« w prze-

strzeni mniejszej niý jeden atom.

rokiem 1965, kiedy moýliwoæ spekulacji by¸a

w¸aæciwie nieograniczona. Odpowiedzi na wie-

le odwiecznych pytaÄ kosmologii znajdziemy

najprawdopodobniej dzi«ki nowym teleskopom,

ktre zaczynaj funkcjonowa. Dwa teleskopy

Kecka na Mauna Kea na Hawajach maj o wie-

le wi«ksz czu¸oæ niý wczeæniejsze obserwato-

ria, a wi«c mog rejestrowa s¸absze obiekty.

Jeszcze wi«cej spodziewamy si« po Very Large

Telescope budowanym w p¸nocnym Chile,

ktry Ð gdy zostanie ukoÄczony Ð b«dzie naj-

lepszym przyrzdem optycznym na Ziemi.

Astronomowie mog takýe korzysta z obser-

watorium rentgenowskiego Chandra, ktre zo-

sta¸o wystrzelone na orbit« zesz¸ego lata, oraz

kilku sieci teleskopw radiowych na powierzch-

ni Ziemi. Za 10 lat za pomoc teleskopw ko-

smicznych kolejnych generacji b«dzie moýna

obserwowa duýo wi«cej niý przez dzisiejszy

Teleskop HubbleÕa.

Jeszcze na d¸ugo przed rokiem 2050 b«dziemy

prawdopodobnie æwiadkami budowy gigan-

tycznych obserwatoriw

w przestrzeni kosmicznej

lub na niewidocznej z Zie-

mi stronie Ksi«ýyca. Czu-

¸oæ i zdolnoæ rozdzielcza

tych urzdzeÄ znacznie

przewyýszy moýliwoæci ja-

kichkolwiek uýywanych

obecnie instrumentw.

Nowe teleskopy zostan

skierowane na czarne

dziury i planety w innych

uk¸adach s¸onecznych. Po-

zwol rwnieý uzyska

zdj«cia kaýdej epoki ko-

smologicznej aý do chwili

pojawienia si« pierwszego

æwiat¸a, czyli do momen-

Wed¸ug niektrych

kosmologw

w multiwszechæwiecie

cigle rodz si«

nowe wszechæwiaty.

Kaýdy z nich

przedstawiono tutaj

jako rozszerzajcy si«

p«cherzyk, ktry

oddziela si«

od ãmacierzystegoÓ

wszechæwiata. Rýne

kolory odpowiadaj

odmiennym prawom

fizyki w poszczeglnych

wszechæwiatach.

Technika roku 2000

Astronomia jest dziedzin, w ktrej krluj

obserwacje. Teraz to samo dotyczy rwnieý ko-

smologii, w przeciwieÄstwie do okresu przed

Obserwatoria na Ksi«ýycu

znacznie zwi«ksz

moýliwoæci badawcze

astronomw XXI wieku.

Niewidoczna z Ziemi

strona naszego satelity

jest idealnym miejscem

dla teleskopw

ze wzgl«du na brak

atmosfery i ca¸kowicie

ciemne noce. (åwiat¸o

s¸oneczne odbite

od powierzchni Ziemi

nie dociera do tej cz«æci

Ksi«ýyca, poniewaý

nie jest ona nigdy

zwrcona w nasz

stron«.) Do budowy in-

strumentw moýna by

wykorzysta zasoby

naturalne Ksi«ýyca.

tu, gdy z rozszerzajcych si« szcztkw Wiel-

kiego Wybuchu uformowa¸y si« pierwsze

gwiazdy (lub moýe kwazary). Niektre z tych

obserwatoriw by moýe b«d potrafi¸y wykry-

wa fale grawitacyjne, dzi«ki czemu naukowcy

uzyskaj szans« badania drgaÄ w strukturze sa-

mej czasoprzestrzeni.

Iloæ danych z tych wszystkich urzdzeÄ b«-

dzie tak olbrzymia, ýe ca¸y proces analizy i od-

krywania zostanie prawdopodobnie w pe¸ni

zautomatyzowany. Astronomowie skupi sw

uwag« na wysoce przetworzonej statystyce dla

kaýdej populacji badanych obiektw, znajdu-

jc, na przyk¸ad, w ten sposb w innych uk¸a-

dach s¸onecznych planety, ktre najbardziej

przypominaj Ziemi«.

Badacze b«d si« rwnieý koncentrowa na

niezwyk¸ych obiektach, ktre mog dostarczy

istotnych wskazwek dotyczcych procesw fi-

zycznych, jeszcze nie w pe¸ni dla nas zrozumia-

¸ych. Przyk¸adem moýe by obiekt wysy¸ajcy

b¸yski promieniowania gamma, ktry w cigu

kilku sekund emituje promieniowanie o mocy

odpowiadajcej miliardowi galaktyk. W coraz

wi«kszym stopniu astronomowie b«d teý wy-

korzystywa niebo jako kosmiczne laboratorium

do badania zjawisk, ktrych nie da si« odtwo-

rzy na Ziemi.

Kolejn korzyæci, wynikajc z automatyza-

cji, b«dzie otwarty dost«p do danych astrono-

micznych, ktre dotd by¸y jawne tylko dla nie-

licznych. Szczeg¸owe mapy nieba otrzyma

kaýdy, kto po¸czy si« z odpowiednim kompu-

terem i æcignie do swojego komputera odpo-

wiednie pliki. Entuzjaæci z ca¸ego æwiata b«d

sprawdza swoje przewidywania, poszukiwa

nowych regularnoæci i odkrywa niezwyk¸e

obiekty.

Czy istnieje multiwszechæwiat?

Kosmolodzy postrzegaj Wszechæwiat jako

skomplikowany uk¸ad, ktry powsta¸ z warun-

kw pocztkowych zadanych w cigu pierw-

szej mikrosekundy po Wielkim Wybuchu.

Skomplikowane struktury i zjawiska wy¸oni¸y

si« z prostych praw fizycznych Ð gdyby tak si«

nie sta¸o, nie by¸oby nas tutaj. Proste prawa nie

musz jednak prowadzi do skomplikowanych

konsekwencji. Rozwaýmy analogi« z dziedziny

matematyki fraktali: zbir Mandelbrota, wzr

o nieskoÄczonej g¸«bi struktury, zapisany jest

w prostym algorytmie, jednak inne proste algo-

rytmy, ktre na pozr wygldaj podobnie, da-

j zupe¸nie nieciekawe wzory.

Struktura w naszym Wszechæwiecie prawdo-

podobnie nie powsta¸aby, gdyby nie rozszerza¸

si« on w szczeglnym tempie. Gdyby w Wiel-

kim Wybuchu powsta¸o mniej zaburzeÄ g«sto-

æci, Wszechæwiat pozosta¸by ciemny i jednorod-

ny, nie by¸oby w nim galaktyk ani gwiazd.

Istniej jeszcze inne warunki konieczne do po-

wstania z¸oýonoæci. Gdyby nasz Wszechæwiat

mia¸ wi«cej niý trzy wymiary przestrzenne, pla-

nety nie mog¸yby pozostawa na orbitach wok¸

gwiazd. Gdyby grawitacja by¸a duýo silniejsza,

ýywe organizmy o rozmiarach ludzi zapad¸y-

by si«, a gwiazdy by¸yby ma¸e i ýy¸yby krtko.

Gdyby si¸y jdrowe by¸y o kilka procent s¸ab-

sze, tylko wodr by¸by pierwiastkiem stabil-

nym: nie by¸oby uk¸adu okresowego, chemii ani

ýycia. Z drugiej strony, gdyby oddzia¸ywania

jdrowe by¸y nieco silniejsze, nawet wodr nie

mg¸by istnie.

Niektrzy utrzymuj, ýe to dobre dopasowa-

nie Wszechæwiata, ktre wydaje si« zamierzone,

nie powinno nas dziwi, poniewaý w przeciw-

50 å WIAT N AUKI StyczeÄ 2000

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: