BADAJĄC NAS I INNE WSZECHŚWIATY.pdf
(
353 KB
)
Pobierz
Badaj¹c nasz i inne wszechœwiaty
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
B
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:
MAXXDATA
Inne pliki z tego folderu:
TRUDNA WALKA Z E-HAZARDEM.doc
(5024 KB)
WPŁYW MORZA I GÓR NA KLIMAT NA LĄDZIE 1.exe
(627 KB)
ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII DO OKREŚLANIA TECHNIKI POWSTAWANIA OBRAZÓW.doc
(1347 KB)
ZAPOMNIANE HISTORIE.doc
(87 KB)
ZALEŻNOŚĆ PRZEWODNICTWA OD STĘŻENIA.doc
(279 KB)
Inne foldery tego chomika:
DLA KOMÓREK
FILMIKI
FILMY
FOTKI
HUMOR
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin