Światopoglądowa zmiana Wszechświata, czyli astrofizycy znowu na medal

Medal noblowski /www.wikipedia.org

Medal Noblowski oczywiście. Po raz trzeci w ciągu ostatniej dekady nagroda Nobla z fizyki powędrowała bowiem w ręce astrofizyków. Za odkrycie, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej, co jak za chwilę zobaczymy ma poważne konsekwencje w sposobie w jaki postrzegamy świat, nagrodę Nobla w tym roku podzielono pomiędzy anglosasów Saula Perlmuttera, Briana Schmidta oraz Adama Riessa.

Korzystając ze sprzyjających okoliczności przyrody przeprowadziłem sondaż wśród doktorów fizyki (na reprezentatywnej grupie dwojga z nich), żeby sprawdzić, co sądzą na temat tej nagrody. Zdania były podzielone, powiedziałbym, pół na pół. Jeden głos zawodu, że znowu nagrodzono astrofizyków, pomimo tego, że wiele innych znamienitych odkryć czeka na nagrodzenie. Z dodatkowym komentarzem na temat tego, w jaki sposób dokonuje się odkryć w tej dziedzinie (cytuję: „Miliony pomiarów i tylko jeden potwierdza tezę”). W tym zdaniu zapewne jest wiele racji, ale oczywiście odkrycie Perlmuttera, Schmidta i Riessa zostało potwierdzone różnymi metodami. Drugi z moich przepytywanych fizyków zaczął się roztkliwiać nad tym, jak wielkie i przełomowe było to odkrycie (a dalej już nie bardzo słuchałem niestety, bo był późny wieczór, a ja się spieszyłem, żeby wyjść z domu). To tyle anegdotycznych reakcji na ogłoszenie. Ale jak dokładnie dokonano tego odkrycia, dlaczego jest takie ważne, i jak się do niego ma tytuł tej notki?

Zacznijmy zatem powoli od początku. W ciągu ostanich dwustu lat ludzkość przeszła długa drogą do zrozumienia, jak powstał Wszechświat, i kiedy powstał, i co się z nim stanie długo po tym, gdy nas już dłużej nie będzie. Pod koniec XVIII i w XIX wieku, rozwijać zaczęły się nauki, które dzisiaj wydawać się może, że istniały od zawsze, m.in. termodynamika i geologia. I nagle okazało się, że Ziemia nie ma sześciu tysięcy lat, ale miliony (jak początkowo sądzono). A potem, wraz z coraz to nowszymi odkryciami geologicznymi i paleontologicznymi, zaczęto sobie uświadamiać, że Ziemia jest jeszcze starsza. Już nawet pierwsze wnioski z teorii Darwina sugerowały, że nawet miliony, to może być za mało.

Krok po kroku doszliśmy do obcnego stanu wiedzy. Mniej niż sto lat temu, na początku lat 20. poprzedniego stulecia uważano, że Ziemia ma 1.6 miliarda lat, a Wszechświat w ogóle istnieje od zawsze w tym samym, niezmiennym stanie. Nawet Albert Einstein, pomimo tego, że jego własna teoria ogólnej względności przewidywała, że Wszechświat musi się albo kurczyć albo rozszerzać, nie potrafił zaakceptować tej dynamiki i wprowadził do swych obliczeń słynną stałą kosmologiczną, dzięki której Wszechświat mógł pozostać niezmienny. Jak wiemy dzisiaj, Einstein wycofał ostatecznie tę stałą, nazywając ją jednocześnie największym błędem w jego karierze. Stało się to po publikacji w połowie lat 20. wyników obserwacji amerykańskiego astronoma Edwina Hubble’a, z których wynikało jednoznacznie, że Wszechświat rozszerza się.

Hubble próbował na podstawie swoich obserwacji obliczyć tę szybkość  rozszerzania Wszechświata, a na jej podstawie także jego wiek, i najsensowniejsza wartość do jakiej udało mu się dojść to 2 miliardy lat. I tu pojawił się pewien problem – geologowie bowiem uważali wówczas, że Ziemia ma co najmniej 3 miliardy lat. Czyli klops.

Ponad 20 lat i wiele pomiarów później kolejny astronom Walter Baade (znany także z opisania po raz pierwszy razem z Fritzem Zwicky supernowych) ogłosił kolejny szacunek oparty na poprawionych danych i poprawionych obliczeniach. Wszechświat postarzał się dzięki temu o kolejne 4 miliardy lat. W 1958 rok Alan Sandage pokusił się o poprawki w wyliczeniach stałej Hubble’a (opisującej szybkość ekspansji Wszechświata), na podstawie których wiek Wszechświata oceniono na 15 do 25 miliadów lat. Przez kolejne dekady wymyślano i testowano nowe metody na wyliczenie tej stałej, próbując poprawić naszą wiedzę o tym, od kiedy istnieje to, co istnieje. Najbardziej wiarygodną metodą okazało się być badanie mikrofalowego promieniowania tła (za którego odkrycie, nota bene, Nobel został przyznany w roku 1978). Ale mimo wszystko do końca stulecia udało się wartość stałej Hubble’a zawęzić jedynie do 12 do 20 miliardów lat.

Początek dwudziestego pierwszego wieku powitaliśmy wysyłając w kosmos sondę WMAP (ang. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), która przez kolejnych kilka lat dokonywała bardzo dokładnych pomiarów mikrofalowego promieniowania tła. W roku 2010 sonda przeszła na emeryturę (czyt. została porzucona na orbicie na śmierć przez rozerwanie przez kosmiczne śmieci). Zanim jednak do tego doszło wyprodukowała dość danych, aby przysporzyć sławy i chwały badaczom kierującym projektem, a także pomóc dość precyzyjnie określić wiek Wszechświata (to znaczy wiecie: plus minus naście milionów) na 13 miliardów 750 milionów lat. Gdy większość z nas była dziećmi, Wszechświat wydawał się wieczny. Nasze dzieci będą znały jego wiek niemal co do minuty. Czyż nie jest to niesamowite?

To jednak tylko odrobinę przybliża nas do tegorocznego Nobla.

Zróbmy zatem mały skok wstecz, z powrotem do ostatniej dekady dwudziestego wieku. Dwie niezależne grupy badały w tym okresie obiekty astronomiczne nazywane supernowymi typu Ia – grupa Saula Perlmuttera, który nad problemem biedził się od 1988 roku oraz grupa Briana Schmidta, w której olbrzymią rolę ostatecznie odegrał Adam Riess, która swoje badania rozpoczęła w roku 1994. Obie grupy wyniki swoich badań opublikowały w roku 1998.

Wyjaśnijmy tutaj podstawowe pojęcia, czyli czym dokładnie są supernowe. Supernowa to nazwa kosmicznej eksplozji. Podział na różne typy wynika z różnej genezy supernowych. W ogólności można jednak powiedzieć, że supernowa to gwiazda, która umarła. Z punktu widzenia tej notki interesujące są supernowe typu Ia. Gdy w układzie gwiazdy podwójnej jedna z gwiazd wypala się i przechodzi w stadium czerwonego olbrzyma, część materii jest niejako zasysana przez jej kompana, który zamienia się w białego karła. Trwa to do momentu, gdy bialy karzeł osiąga pewien teoretyczny limit masy (odpowiadający 1,4 masy Słońca), po przekroczeniu którego następuje zapłon reakcji termojądrowych prowadzący do gigantycznej eksplozji – supernowej typu Ia.

Pozostałość po supernowej typu Ia - nowej Tycho (nazwanej na cześć Tychona Brahe). / źródło: wiki; NASA (dom. publiczna)

Gdy nagrodzeni badacze zaczynali badać supernowe dwadzieścia lat temu, do swoich badań przystąpili z pewnymi wstępnymi hipotezami. Chcieli na podstawie pomiarów supernowych określić, jaka jest szybkość rozszerzania się Wszechświata i spodziewali się, że będzie się ona zmniejszać, tak jakby po początkowym impecie Wielkiego Wybuchu cały Wszechświat stracił już nieco z tej początkowej energii (astrofizycy mają jeszcze kilka innych powodów, dla których wydaje im się to bardziej eleganckie, ale gdybym chciał się w to wdawać, to nie skończyłbym tego wpisu i za rok). Jakież zatem było ich zaskoczenie, gdy okazało się, że jest wręcz przeciwnie: według ich obserwacji Wszechświat rozszerzał się coraz szybciej.

Początkowe niedowierzanie zostało przezwyciężone, gdy wyniki te zostały potwierdzone innymi metodami: pomiarami mikrofalowego promieniowania tła, badaniami nad wielkoskalową strukturą Wszechświata, obserwacjami klastrów galaktyk za pomocą promieniowania X, czy też po prostu lepszymi i dokładniejszymi pomiarami supernowych.

Komitet Noblowski wstęp do materiałów na temat nagrody rozpoczął takim cytatem z wiersza Roberta Frosta „Ogień i lód”:

Mówią, że świat zabije ogień,
Albo, że lód.
(tłum. Maciej Froński)

Cytat ten odnosi się do tego widma, które wisiało nad nami na przełomie stuleci – to znaczy może nie wisiało nad astrofizykami, ale ja jeszcze pamiętam jak dziecięciem będąc zaczytywałem się w jakimś tam Świecie Nauki, że Wszechświat to może się i rozszerzać, ale jeśli zwalnia, to w końcu zacznie się kurczyć, aż się całkiem zwinie i wybuchnie od nowa. Jeśli więc się przestanie rozszerzać i skurczy, zabije go ogień. Jeśli zaś rozszerzać się będzie w nieskończoność, zabije go lód. Tu też dopadła nas wreszcie ta wielka światopoglądowa zmiana.

Otóż, skoro Wszechświat rozszerza się coraz szybciej, to znaczy, że prawdopodobnie rozszerzać się będzie już po wsze czasy. A to prowadzić może do Wielkiej Zmarzliny, termicznej śmierci Wszechświata, gdy entropia nie będzie już w stanie zwiększać się bardziej, materia będzie tak rozrzedzona, że nie będzie mowy o żadnych ruchach termicznych, a wszelkie życie (nasze, czy jakiekolwiek inne) już dawno przestanie istnieć. Pewnie upraszam, na co się fizycy mogą rzucić, ale taki jest telegraficzny skrót teorii o śmierci Wszechświata. Musicie sami przyznać, że dobrej bajki na dobranoc z takiej historii to raczej nie będzie. A ramifikacje teologiczne i filozoficzne są też niemałe.

Znacznie ciekawsze są jednak ramifikacje fizyczne. Pojawia się bowiem nagle pytanie, jak to w ogóle jest możliwe. Nie jesteśmy w stanie wytłumaczyć tego zjawiska na podstawie tego, co możemy zaobserwować czy bezpośrednio pomierzyć. Stąd też modele wyjaśniające ten fenomen posługują się takimi magicznym tworami, jak ciemna energia, energia fantomowa, kwintesencja, które wszystkie znaczą generalnie to samo albo prawie to samo: pewną hipotetyczną formę energii przenikającą całą przestrzeń, która charakteryzuje się ujemnym ciśnieniem i która odpowiada za to, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej (i tu się trochę zapętliłem i wyszło masło maślane. Ale to naprawdę nie moja wina, tylko tematu).

O ile większość z nas, zwykłych zjadaczy chleba, ciemną energię będzie jeszcze prawdopodobnie przez lata traktować jako kreację na miarę najlepszych książek i filmów science-fiction, o tyle fizycy poświęcają jej niezwykle wiele uwagi. I chociaż ja tutaj urwę tę opowieść, to szczerze mówiąc z napięciem będę oczekiwał bardziej kompetentnego wytłumaczenia tematu od blogujących fizyków. Jedno jest jednak pewne: za wyjaśnienie fenomenu ciemnej energii ktoś kiedyś także dostanie nagrodę Nobla.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s