Dlaczego kosmos jest czarny?
Kiedy słońce zachodzi i nastaje mrok, mamy okazję popatrzeć w wszechświat - ocean czerni naznaczony jasnymi punktami. Wśród tych punktów znajdują się całe galaktyki oddalone o miliardy lat świetlnych. Wydaje się, że jak daleko byśmy nie spojrzeli, to może tam być coś warte zaobserwowania. Ale gdyby tak było, to czy kosmos nie powinien być jasny?
Gdybyśmy mogli posłać swój wzrok w dowolnym kierunku, prędzej lub później trafialibyśmy na jakieś źródło światła. Gwiazdy, galaktyki, cokolwiek. Nieważne, że im dalej, tym światło byłoby ciemniejsze, dlatego że wraz ze wzrastającą odległością, coraz więcej różnych obiektów mieściłoby się w tym jednym punkcie, na który patrzymy. Efekt byłby taki, że jeśli nic nie zasłaniałoby nam nieba, to w nocy byłoby ono pokryte światłem. Widzielibyśmy blask całego wszechświata, a jednak oglądamy mrok. Światło oczywiście potrzebuje czasu, żeby do nas dotrzeć. Moglibyśmy więc powiedzieć, że po prostu tych najdalszych obiektów jeszcze nie widzimy, bo nie minęło wystarczająco dużo czasu.
Przed stu laty dominującym poglądem na wszechświat był jego wieczny i nieskończony charakter, istniejący od zawsze. Gdyby to był prawdziwy obraz rzeczywistości, światło z najbardziej oddalonych obiektów dawno już by do nas dotarło. Obserwowalibyśmy więc nieskończoność, a tymczasem nasze pole widzenia jest mocno ograniczone. Na horyzoncie majaczą widma galaktyk, oddalonych o miliardy lat świetlnych. Dalej nie widzimy już nic. Czy coś nam zasłania? Czy tam dalej po prostu nic już nie ma? A może wszechświat wcale nie jest wieczny i nieskończony? Być może to, co widzimy, miało swój początek, pierwszy moment, przed którym nie było niczego, a po którym jest wszystko. Kiedy rozważamy różne aspekty kosmosu, wracamy często do teorii Wielkiego Wybuchu. Skąd więc bierze się nasze przekonanie, że wszechświat miał swój początek i rozpoczął się w taki, a nie inny sposób?
W 1910 roku zaobserwowano, że ogromne spiralne mgławice położone daleko poza Układem Słonecznym, stopniowo oddalają się od Ziemi. Wówczas nieznane były powody tego zjawiska ani nawet to, że owe mgławice w istocie są galaktykami - spektakularnymi zbiornikami gwiazd skupionymi wokół masywnego środka. Przez kolejne dwie dekady wyjaśnienie tego zjawiska stanowiło wyzwanie dla badaczy kosmosu. Często przychodzi mi na myśl, że jednym z największych wyzwań w nauce jest wyjście poza ustalone schematy myślenia, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Niektóre rzeczy są po prostu tak intuicyjne, tak naturalne, że do głowy nie przychodzi nam nawet je podważać. Tak przez lata było z przekonaniem, że wszechświat jest po prostu stały. Cała nauka była zanurzona w założeniu, że kosmos jest ogólnie stabilny, niezmienny i wieczny. Każde wyjaśnienie musiało więc być do tej wizji dopasowane. Wyobrażenie, że wszechświat się rozszerza, które teraz jest uznawane za prawdziwe, to, że sama przestrzeń puchnie i oddala od siebie obiekty, było po prostu poza zasięgiem. Wydawało się absurdalne, nieintuicyjne. Dopiero po 20 latach wykonano obserwacje oraz obliczenia, które nie tylko potwierdzały to, że owe mgławice to galaktyki i że się od nas oddalają, ale jednoznacznie wskazywały też na to, że im dalej jest galaktyka, tym szybciej rośnie dystans, który nas od niej dzieli. Było to idealnie proporcjonalne i nieprzypadkowe. Wiadomo było, że ruch nie bierze się znikąd. Musi być jakaś przyczyna tego ruchu - coś, co poruszyło, lub nieustannie porusza, te obiekty.
Każda galaktyka ma swoją indywidualną historię, swój własny kierunek ruchu i prędkość, co jest naturalną zmiennością. Jednakże fakt, że wszystkie galaktyki poruszają się wspólnie w tym samym kierunku i w identyczny sposób, wskazuje na istnienie jednego wspólnego wydarzenia lub procesu, który wprawił je w ruch. Czasem ten ruch jest tak szybki, że galaktyki wydają się oddalać od nas w tempie większym niż pozwalałaby na to prędkość światła, coś co fizycznie wydaje się niemożliwe. 
Wytłumaczenie tego zjawiska zwykłym, klasycznym poruszaniem się nie ma więc prawa bytu, ale jeśli przyjmiemy, że to nie galaktyki są w ruchu, tylko przestrzeń pomiędzy nimi się rozszerza, to wszystko nagle działa. Im więcej przestrzeni, tym większa zmiana w odległości. Możemy to policzyć, a wyniki pokrywają się idealnie.
Ekspansja, to pewien proces, a jeśli proces postępuje w niezmienny sposób, to możemy przewidywać, co się wydarzy za miliony lat. To tak jak z tabelkami w Excelu, jak wpiszecie w kolumnie 2, 4, 6, 8 i potem przeciągniecie w dół, to program już rozumie tę zależność, że dalej będzie 10, 12, 14, 16, zakładając, że nic się po drodze nie zmieni, można tak w nieskończoność. Można też iść w drugą stronę. 0, minus 2, minus 4, minus 6. Skoro obserwujemy, że Wszechświat się rozszerza, to możemy zakładać, że rozszerzał się już wcześniej. I jeśli możemy przewidywać do przodu, możemy też przewidywać do tyłu. Widząc, że wszystkie galaktyki oddalają się z tego samego powodu, musimy prześledzić ten ruch wstecz, aby poznać przyczynę tego zjawiska.
Cofając się w ten sposób, widzimy, że wszystkie obiekty zbliżają się coraz bardziej, aż osiągają punkt, w którym są tak blisko siebie, jak to tylko fizycznie możliwe - nieskończenie gęsty punkt zawierający w sobie wszystko. To właśnie Wielki Wybuch. Oczywiście to jeszcze nie koniec. Obserwujemy, że obiekty oddalają się od siebie, co jest efektem
rozszerzania się wszechświata. Możemy przypuszczać, że skoro teraz są coraz dalej od siebie, to kiedyś musiały być bliżej. Jednak o ile bliżej? Skąd mamy pewność, że ekspansja trwała od zawsze i że gdybyśmy cofnęli taśmę, to obiekty zbliżałyby się do absolutnego limitu, a nie zatrzymały się w pewnym momencie? 
Taki jest problem z przewidywaniem zarówno przyszłości jak i przeszłości. Wszystko wydaje się logiczne, dopóki zakładamy, że nic się po drodze nie zmieniło.
Potrzebujemy więc kolejnych dowodów. Tylko jakich? Jakie ślady mogłoby po sobie zostawić takie wydarzenie jak Wielki Wybuch? Jeśli w przeszłości materia znajdowała się bliżej siebie, możemy się zastanowić, jakie mogło to mieć konsekwencje, jak wyglądał taki wszechświat, biorąc pod uwagę znane nam obecnie prawa fizyki. Na samym początku, gdy
gęstość wszystkiego była ogromna, cały wszechświat przypominał wnętrze słońca. Przy ogromnej temperaturze i chaosie, cząstki wzajemnie się odbijały. Fotony były absorbowane, emitowane i znów absorbowane. Energii było mnóstwo, ale gdybyśmy tam byli, nie widzielibyśmy nic. Bulgoczący wszechświat był zbyt dynamiczny, żeby jakiekolwiek światło miało okazję gdziekolwiek dotrzeć, jego energia była prawie natychmiast pochłaniana. Wraz z ekspansją wszechświata, temperatura spadała, aż do kluczowego momentu. Miliardy lat później temperatura spadła do takiego poziomu, że mogły powstać pierwsze atomy. Proton i elektron, które wcześniej pędziły na oślep, bez celu, w tej pierwotnej zupie, połączyły się. Wraz z nimi kolejne i kolejne miliardy ich klonów, formując najprostsze pierwiastki – atomy wodoru. W tym samym czasie fotony zyskały wolność, mogąc przemierzać większe odległości. Wszechświat, sprzątnięty nieco z paradujących po nim swobodnie elektronów, zrobił więc miejsce dla fotonów. Mogły teraz przemierzać dłuższe dystanse. W mgnieniu oka narodziło się więc światło. Z każdego miejsca, z każdego zakątka wszechświata fotony wyruszyły w podróż przed siebie. 
Jeśli wszechświat jest nieskończony lub przynajmniej wystarczająco duży, te fotony powinny wciąż do nas docierać z tych obszarów, które są na tyle dalekie, że ich podróż nie została jeszcze zakończona. Przez ten cały czas fotony jednak płynęłyby pod prąd, walczyłyby z nurtem rozszerzającej się przestrzeni, a więc nie tylko ta podróż zajęłaby więcej czasu niż powinna, ale nie dotarłyby one też do nas nienaruszone. Tak samo jak oddalające się od nas galaktyki, tak i te starożytne fotony zostałyby rozciągnięte i przesunięte ku czerwieni.
Podróż tych starożytnych fotonów byłaby jednak znacznie dłuższa, a ich przesunięcie wykraczałoby daleko poza czerwień, aż do formy niemożliwej do zauważenia gołym okiem, ale nadal wykrywalnej. Światło stopniowo zmieniałoby się, stając się coraz bardziej czerwone, a ostatecznie przechodząc w zakres mikrofal. Nadal nadciągałoby ze wszystkich kierunków, bo w każdym momencie docierałyby do nas kolejne i kolejne ślady, pozostałości stygnącego wielkiego wybuchu. Ale czy kilkanaście miliardów lat temu wszechświat był wszędzie jednakowo rozgrzany, gęsty i wypełniony energią?
Kosmiczne promieniowanie o znikomej temperaturze napływa z każdego zakątka nieba, jest rozciągnięte dokładnie w takim stopniu, jak wskazywałoby na to tempo ekspansji i wszystkie inne elementy układanki. Jego obecność jest prawdziwa, jest czymś, co musimy w jakiś sposób wytłumaczyć. Każda teoria musi uwzględniać jego istnienie i mówić, skąd się wzięło. Teoria Wielkiego Wybuchu nie tylko pozwalała uwzględnić takie promieniowanie, ona wręcz go wymagała. Jeśli początek wszechświata wyglądał tak, jak zakładamy, to musielibyśmy być w stanie znaleźć po nim ślad. I w końcu znaleźliśmy.
Pozostaje oczywiście pytanie, jak to jest z tymi teoriami? Czy to, co zebraliśmy, jednoznacznie oznacza, że Wielki Wybuch miał miejsce i że wszystko rozegrało się zgodnie z opisem? Aby mieć stuprocentową pewność, musielibyśmy przenieść się w czasie i po prostu zobaczyć wydarzenia. Żyjemy tu i teraz, a nie w przeszłości, tak więc jedyne, co możemy mieć, to jakieś ślady, które sugerują nam, jak ta przeszłość wyglądała. Obecnie nie ma żadnych danych, które kwestionowałyby teorię Wielkiego Wybuchu. Każdy potencjalny dowód, który można by było znaleźć, zostałby odkryty. Dopóki tak jest, a dowodów przybywa, nasze przekonanie o prawdziwości teorii jedynie rośnie.
To ogromny postęp w stosunku do całkiem niedawnych czasów, kiedy mogliśmy jedynie snuć domysły. Układanka powoli nabiera kształtów, lecz to dopiero początek odkrywania historii naszego wszechświata.
Grafika:
Komentarze [0]
Jeszcze nikt nie skomentował. Chcesz być pierwszy?
