Początki wszechświata
Nie wiemy, kiedy dokładnie Wszechświat powstał. Nie wiemy też dlaczego. Patrząc wstecz, umiemy coraz lepiej odtworzyć to, co się działo z materią w kolejnych etapach ewolucji Kosmosu. Jednak gdy dochodzimy do niewyobrażalnie krótkiego czasu (zwanego erą Plancka), wszystkie znane nam zasady fizyki cudownie się załamują. Wciąż nie mamy pojęcia, co się działo między Wielkim Wybuchem a 10–43 s po nim. Co gorsza, nie wiemy, czym był Wielki Wybuch ani jak Wszechświat się skończy.
Przed początkiem
Żyjemy w świecie, w którym każde zdarzenie jest czymś poprzedzone: dorosłość poprzedzona jest dzieciństwem, a pieczenie ciasta z rodzynkami zaczyna się od pójścia do sklepu po składniki. Co się jednak stało, zanim Wszechświat zaczął istnieć? Naukowcy ucinają takie wątpliwości zaskakującą odpowiedzią: pytanie nie ma sensu, gdyż czas powstał razem ze Wszechświatem w tzw. akcie Wielkiego Wybuchu. Przed tym zdarzeniem nie było nic – ani przestrzeni, ani czasu.
Zaczynając od początku
Skąd pomysł, że na początku istnienia wszystkiego był Wielki Wybuch, skoro tak naprawdę nic nie eksplodowało? Zaczęło się niewinnie: astronomowie zauważyli, że obiekty, które wówczas nazywali mgławicami spiralnymi, oddalają się od nas. Teraz wiemy, że tak naprawdę były to galaktyki, które oddalają się nie tylko od nas. Cały Wszechświat się rozszerza, a zanurzona w nim materia oddala się od siebie – tak samo jak rodzynki w cieście, które pod wpływem ciepła rośnie w piekarniku.
Skoro galaktyki są obecnie daleko od siebie (najbliższa – Galaktyka Andromedy – leży ok. 2,52 mln lat świetlnych od Ziemi) i wszystko wskazuje na to, że będą jeszcze dalej, wysunięto przypuszczenie, że kiedyś cała materia musiała być skupiona w niesamowicie małym, gorącym i gęstym punkcie.
Ponad pół wieku temu G. Gamow postawił hipotezę, że na samym początku Wszechświat był dziesięciowymiarowym tworem pełnym niestabilności. Dlaczego więc znamy tylko 4 wymiary (długość, szerokość, wysokość i czas)? Gdzie się podziała reszta wymiarów?
Najbardziej tajemniczy okres
W miarę upływu lat zdano sobie sprawę, że tuż po Wielkim Wybuchu materią nie rządziła zwykła grawitacja, lecz tzw. grawitacja kwantowa. Czym ona jest? Niestety tego nie wiemy. Wiemy jedynie, że opisuje wszystkie znane nam oddziaływania naraz. Kandydatkami na wyjaśnienie tego, jak działa połączenie mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, są tzw. teorie wszystkiego, czyli m.in. teoria strun i M-teoria. Jednak do tej pory są one dopracowywane i na ostateczny opis Wszechświata będziemy musieli jeszcze trochę poczekać. Gamow oraz jego poplecznicy sądzą, że czasoprzestrzeń w erze Plancka (bo tak nazywa się moment tuż po Wielkim Wybuchu) wciąż była dziesięciowymiarowa. Ten malutki ułamek sekundy jest jednym z najważniejszych i zarazem najsłabiej poznanych momentów w historii naszego świata. Era Plancka kończy się 10–43 s po Wielkim Wybuchu, gdy panuje temperatura 1,4• 1032 K. Dalszy opis życia Wszechświata jest mniej tajemniczy, ale nie mniej ciekawy.
Era wielkiej unifikacji
Era Plancka kończy się, gdy pierwsze skrzypce zaczyna grać klasyczna grawitacja, oddzielając się od reszty oddziaływań. Był to moment pożegnania z kwantową grawitacją. Dodatkowo niestabilność struktury Wszechświata spowodowała, że 10 wymiarów rozpadło się na naszą czterowymiarową czasoprzestrzeń, która będzie się intensywnie rozszerzać. Natomiast 6 pozostałych wymiarów zwinęło się do rozmiarów mniejszych od cząstek elementarnych (ok. 10–32 m), dlatego do tej pory nie udało nam się ich zaobserwować. Fizycy mówią, że w erze wielkiej unifikacji była zachowana symetria między cząstkami. Oznacza to, że wszystkie cząstki można traktować jako różne oblicza jednej cząstki (...)
Era puchnięcia Wszechświata
Gdy skończyła się era wielkiej unifikacji, czasoprzestrzeń zaczęła intensywnie puchnąć – objętość Wszechświata zmieniła się ok. 1078 razy, mimo że stało się to zaledwie między 10−36 s a 10−33 s po Wielkim Wybuchu. Naukowcy nazywają ten okres erą inflacji. Dodatkowo teorie przewidują w tym okresie „wygładzanie Wszechświata”, czyli zanikanie fluktuacji. Z drugiej strony takie fluktuacje są niezbędne, by w późniejszych okresach powstały galaktyki, gwiazdy, planety i my. Fizycy szukali różnych sposobów, by „wygładzić Wszechświat”, ale tylko w niewielkim stopniu. W ten sposób teoria inflacji doczekała się w ciągu 15 lat około 50 różnych odmian. W krótkim okresie inflacji geometryczna struktura czasoprzestrzeni zaczęła już bardzo mocno przypominać to, co obserwujemy teraz. Pod koniec epoki puchnięcia ogromna energia wypełniła Wszechświat cząstkami elementarnymi. Oddziaływania jądrowe słabe i elektromagnetyczne oddzieliły się od siebie, dając początek nowej erze w dziejach naszego świata.
Czas tworzenia
Kolejna era trwała ok. 100 s. W tym czasie neutrony rozpadały się oraz łączyły z protonami w jądra pierwszych pierwiastków, które później będą budulcami gwiazd. W tej erze powstały tylko te jądra pierwiastków, które miały maksymalnie osiem nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze. Oznacza to, że najcięższym składnikiem ówczesnego Wszechświata był beryl. Cała reszta składników świata, który obserwujemy teraz, powstała w przemianach wewnątrz gwiazd dużo później – również większość pierwiastków, z których my jesteśmy zbudowani (określenie dzieci gwiazd nie jest więc wcale takie bezzasadne). Era, która dała początek materii, zwana jest pierwotną nukleosyntezą i trwała mniej niż zagotowanie wody na herbatę.
Pierwszy błysk
Po czasie nukleosyntezy Wszechświat nieco się uspokoił – wciąż rozszerzał się i stygł, ale wolniej. Po około miesiącu od Wielkiego Wybuchu do jąder lekkich pierwiastków dołączyły elektrony. Materia przestała być zjonizowana i stała się przezroczysta dla fotonów. Wszechświat zaczął świecić, więc dopiero od tego momentu mają sens jakiekolwiek obserwacje. Relikt tego zdarzenia jest wciąż obecny w naszej przestrzeni w postaci mikrofalowego promieniowania tła.
Wystrzelony w 2001 roku satelita WMAP zrobił bardzo dokładne mapy reliktowego promieniowania, które niemal stuprocentowo potwierdziły teorię ekspandującego Wszechświata. Obecnie Kosmos wypełniony jest promieniowaniem o temperaturze mniejszej niż 3 K. My też możemy zaobserwować promieniowanie tła we własnym domu: wystarczy włączyć telewizor na kanał, który „śnieży”. Około 1% zakłóceń sygnału wywołują właśnie reliktowe fotony.
Beztroskie dorastanie
Przez kolejne 13,7 mld lat materia skupiała się, dając początek galaktykom, wewnątrz których zaczynały świecić pierwsze gwiazdy. Gwiazdy umierały i wybuchały, tworząc dzięki temu coraz cięższe pierwiastki. Materia z wybuchów na nowo się gromadziła, tworząc nową generację gwiazd, a w końcu także planety i nas. Wszechświat wciąż się rozszerzał i stygł, aż osiągnął temperaturę około 3 K, by ludzie na Ziemi mogli zapytać, co będzie dalej.
Przyszłość w zimnych barwach?
Czy Wszechświat umrze? Odpowiedź na to pytanie kryje się w geometrii naszej przestrzeni.
Początkowo uważano, że przestrzeń, w której żyjemy, jest płaska (bez krzywizny) jak kartka papieru bez jednego wymiaru. Jednak później zauważono, że taką kartkę możemy zagiąć, tworząc z niej sferę (krzywizna dodatnia) lub powierzchnię podobną do siod-
ła (krzywizna ujemna). Czym się różnią te opisy Wszechświata? Ze szkoły wiemy, że suma kątów w trójkącie wynosi 180°, a dwie równoległe proste nigdy się nie przetną. W przestrzeni, która ma krzywiznę różną od zera, powyższe postulaty nie będą spełnione. Zupełnie inaczej będziemy też opisywać odległości między punktami.
Niestety nie wiemy, czy Wszechświat ma jakąś krzywiznę. Z równań wynika, że wszystko zależy od gęstości materii we Wszechświecie. O ile rozmiary widzialnego świata dość dobrze znamy, o tyle nie sposób sobie wyobrazić, jak można zważyć wszystkie galaktyki, gwiazdy czy pył kosmiczny. Wszechświat płaski będzie się wiecznie rozszerzał i w nim zmiany będą najmniejsze. Jeżeli geometria będzie podobna do siodła, czyli będzie miała krzywiznę ujemną, dzieje świata zakończą się w wielkim chłodzie.
Wszechświat wprawdzie będzie się rozszerzał, ale materia osiągnie 0 K – wszelki ruch materii zniknie. Natomiast w przypadku dodatniej krzywizny Wszechświata w pewnym momencie przestrzeń rozszerzy się maksymalnie, a później zacznie się kurczyć (jak ciasto z rodzynkami, które rośnie, a później opada, zamieniając się w zakalec). Taki scenariusz oznacza, że galaktyki zaczną się zbliżać do siebie, by w końcu stworzyć obszar bardzo mały i bardzo gęsty. Będzie to niejako obserwowanie losów Wszechświata w drugą stronę. Możliwe też, że później przestrzeń znów zacznie się rozszerzać, a cały cykl będzie powtarzany wielokrotnie. Możliwe, że my żyjemy w czasie jednego z takich cykli. Ale na razie tego nie wiemy.
GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA |
