Liceum Ogólnokształcące

PRACA Z FIZYKI

„Kosmologia - ewolucja wszechświata”

Myśl ludzka jest nieograniczona powstało pytanie, skąd się wzięła owa pierwotna, bardzo gorąca i dość rozrzedzona chmura, z której następnie powstawały gromady galaktyk i ga­laktyki? Tutaj spotykamy się z najpoważniejszym za­pewne problemem współczesnego przyrodoznawstwa, z tzw. problemem kosmologicznym. Kosmologia jest nauką o budowie i rozwoju wszystkich obserwowanych przez nas części Wszechświata. Czy Wszechświat jest skończony, czy nieskończony; jaka jest jego geometria, jaka jest przyczyna ucieczki galaktyk, dającej obser­wowane przesunięcie widm ku czerwieni - oto py­tania, którymi się zajmuje kosmologia.

Zagadnienia te wiążą się z ogólnym problemem ewo­lucji Wszechświata, szczególnie z jego obserwowanym rozszerzaniem się. Jeśli, jak to się obecnie przyjmuje, prędkość ucieczki galaktyk zwiększa się o 75 km/sęk na każdy milion parseków, otrzymamy, przenosząc tę wartość w przeszłość, zaskakujący wynik. Okazuje się, że przed mniej więcej 12 miliardami lat cały Wszech­świat był skupiony w bardzo małym obszarze. Wielu uczonych przyjmuje, że w tym czasie gęstość Wszech­świata wynosiła około 10^{14 -} 10¹⁵ g/cm³, to znaczy rów­nała się gęstości jądra atomowego. Jeszcze wcześniej, gdy wiek Wszechświata wynosił drobne części sekundy, gęstość jego była znacznie większa, niż gęstość jądra. Mówiąc prościej, Wszechświat przedstawiał sobą wów­czas jedną olbrzymią ,,kroplę” o gęstości jądra atomo­wego lub nawet większej. Z pewnych nieznanych przy­czyn w tej „kropli" powstało zachwianie stanu równo­wagi i nastąpił wybuch,,kropli”. Skutki tego wybuchu obserwujemy dziś jako ucieczkę galaktyk.

Czy oznacza to (przyjmując, że przedstawiona hipo­teza jest słuszna), że przed około 12 miliardami lat był „początek" świata? Stąd już tylko jeden krok do poglądu, że świat został stworzony przed 12 miliardami lat... Warto przypomnieć, że Kościół często wykorzy­stywał i wykorzystuje tę jedną z możliwych interpre­tacji obserwowanej ucieczki galaktyk w propagandzie religijnej. Na tym przykładzie widać, w jaki sposób Kościół stara się wykorzystać osiągnięcia współczesnej nauki, odpowiednio spreparowane i wypaczone.

Pamiętajmy jednak, że jeśli słuszny jest wniosek, iż przed 12 miliardami lat cały Wszechświat stanowił jed­ną nadgęstą „kroplę plazmową" (a prawdopodobnie tak było rzeczywiście), mimo to wszelkie domysły o „po­czątku", a tym bardziej o „stworzeniu" świata pozba­wione są podstaw naukowych. Przede wszystkim samo pojęcie czasu wobec ogromnych gęstości może utracić cały swój sens. Zupełnie bezpodstawne jest mówienie w takich warunkach o jakimkolwiek „początku czasu". Nie trzeba chyba dodawać, że we Wszechświecie, który jest „nadgęstą kroplą", żadne życie nie jest możliwe.

Należy jednak zaznaczyć, że nie ma żadnych dowo­dów na to, że obserwowana obecnie ucieczka galaktyk przebiegała z jednakową prędkością i dowolnie dawno. Można raczej przyjąć, że w przeszłości prędkość uciecz­ki galaktyk była inna, mniejsza niż dziś. Kosmologia rozporządza obecnie przesłankami wskazującymi na to, że Wszechświat nie zaczynał rozszerzać się z „punktu" ze stałą prędkością, lecz raczej „pulsował" i „pulsuje". Oznacza to, że w przeszłości prędkość ucieczki galaktyk była mniejsza, niż obecnie, a jeszcze wcześniej układ galaktyk może się kurczył, czyli że galaktyki zbliżały się do siebie z tym większą prędkością, im większa dzieliła je odległość. Również w przyszłości obecną epokę „przesunięcia ku czerwieni" może zastąpić epoka „przesunięcia ku fioletowi".

Jak już wspominaliśmy, współczesna kosmologia rozporządza argumentami przemawiającymi za pulso­waniem Wszechświata. Argumenty te mają jednak cha­rakter czysto matematyczny i w pewnym stopniu ab­strakcyjny. Najważniejszy z nich wynika z koniecz­ności uwzględnienia realnie istniejącej niejednorodności Wszechświata.

Z uwagi na ważność powyższego problemu bardzo interesującą byłaby próba obserwacyjnego potwierdze­nia hipotezy pulsacji. W zasadzie można tego dokonać następująco,:Jeśli będziemy obserwowaną obecnie ucieczkę galaktyk ekstrapolować wstecz (tak, jak to czynili zwolennicy hipotezy nad gęstej kropli będącej początkiem Wszechświata), okaże się, że panujące przed 12 miliardami lat niezwykłe warunki nie pozwalały na jakiekolwiek powstawanie i rozwój gwiazd. Zatem nie powinno być we Wszechświecie żadnej gwiazdy, której wiek przekraczałby czas ekspandującego Wszechświata, czyli 12 miliardów lat. Jeśliby natomiast udało się wy­kryć starsze gwiazdy, hipoteza pulsującego Wszech­świata uzyskałaby istotne potwierdzenie obserwacyj­ne, odgrywające w astronomii rolę kryterium praktyki.

W ostatnio opublikowanych kilku pracach oceniono wiek niektórych gwiazd karłowatych na ponad 20 mi­liardów lat. Nie można jednak jeszcze na tej pod­stawie mówić o zwycięstwie hipotezy pulsacji. W oce­nie wieku gwiazd występuje, bowiem czynnik czysto teoretyczny. Oczywiście, obliczenia te opierają się na dobrze znanych zjawiskach fizyki jądrowej i ich słuszność została potwierdzona przy ocenie wieku wielu gwiazd. Mimo to pozostaje jednak pewien stopień do­wolności i niepewności. Ponadto ocena czasu rozsze­rzania się Wszechświata na 12 miliardów lat może jeszcze okazać się mylna. W ostatnim dziesięcioleciu kilkakrotnie przeprowadzano dość radykalne rewizje odległości międzygalaktycznych. A właśnie na nich opierają się obliczenia wzrostu prędkości wywołującej przesunięcie ku czerwieni ze wzrostem odległości (przyjęliśmy 75 km/sek. na l milion parseków). Błędy w obecnie przyjętych odległościach międzygalaktycz­nych mogą nawet zgodnie z najbardziej optymistyczny­mi ocenami sięgać kilkudziesięciu procent.

Należy omówić jeszcze następujący aspekt tego za­gadnienia. Gdyby nawet hipoteza pulsującego Wszech­świata okazała się słuszna, nie byłaby ona alternatywą hipotezy nad gęstej kropli jako pierwotnego stanu Wszechświata. Trudno, bowiem wyobrazić sobie istnie­nie nieograniczonej ilości pulsacji w środowisku o śred­niej gęstości mniejszej, niż gęstość jądra atomowego.

We Wszechświecie odbywa się stale nieodwracalny proces przemiany wodoru w hel w reakcjach termoją­drowych we wnętrzach gwiazd. W sporej części Wszech­świata, którą możemy obserwować, kilkadziesiąt pro­cent atomów wodoru uległo już przemianie w ato­my helu. Proces ten trwał bardzo długo - prawdopo­dobnie kilkadziesiąt miliardów lat. Gdyby, na przykład, Wszechświat miał przed stu miliardami lat taką postać, jaką ma teraz, byłby on obecnie prawie całkowicie „helowy". Wodór wypaliłby się już dawno, a świe­cenie gwiazd tworzących galaktyki byłoby niewielkie. Tego jednak nie obserwujemy. Innymi słowy, obserwowany przez nas Wszechświat jest pod względem termodynamicznym stosunkowo młody. Pulsacje Wszech­świata, przebiegające z bardzo dużymi zmianami gę­stości, nie potrafią zmienić tempa ewolucji gwiazd. Można, więc z tego wysnuć następujący wniosek:, jeśli nawet pulsacje Wszechświata występowały w przeszło­ści, liczbę ich można wyliczyć na palcach jednej ręki...

Przedstawione wyżej wnioski termodynamiczne są bezpośrednio związane z zagadnieniem śmierci ciepl­nej Wszechświata, rozpatrywanej zwykle w kontekście z przyszłym jego losem. Odwróćmy jednak zagadnienie i wykażmy, że Wszechświat jest w istocie młody.

Można sobie wyobrazić (przynajmniej w sensie mate­matycznym) nieograniczenie dużą liczbę pulsacji, pod­czas których Wszechświat kurczy się przy każdym cyklu, przynajmniej do osiągnięcia gęstości jądra ato­mowego. Jądra helu (podobnie jak innych pierwiast­ków) rozpadają się przy tym na nukleony i jakby „tracą indywidualność". A potem wszystko zaczyna się od nowa... Ten model Wszechświata można w pełni porównać z legendarnym ptakiem Feniksem...

Wątpliwe jest jednak, aby tak było, gdyż powtarzanie się cyklów wyklucza w zasadzie rozwój Wszechświata jako całości, co z filozoficznego punktu widzenia jest absolutnie nie do przyjęcia. Jeśli już Wszechświat kie­dykolwiek „wybuchnął" i zaczął się rozszerzać, to czy nie prościej jest przyjąć; że stało się to tylko raz...

Istotnie, alternatywną koncepcją Wszechświata roz­wijającego się od „nad gęstej kropli", jest hipoteza o niezmiennym Wszechświecie, zachowującym- swoje cechy charakterystyczne. Wyznawcą tej hipotezy jest znany astrofizyk angielski F. Hoyle i niektórzy inni uczeni. Niezmienność Wszechświata (pomimo jego nieustannego rozszerzania się) jest wg tej hipotezy, osiągana poprzez stałe tworzenie się materii z niczego... Ten dziwny pogląd nie posiada podbudowy fizycznej i przeczy w zasadzie teorii względności, (ponieważ mil­cząco zakłada istnienie pewnego wyróżnionego układu odniesienia).

Ostateczne rozwiązanie zagadnienia, czy Wszechświat rozwija się, czy też pozostaje niezmienny, powinny przynieść obserwacje astronomiczne. Obserwacje te po­winny wyjaśnić istotę ogólnych cech Wszechświata (na przykład jego nieskończoność, pochodzenie itp.).

Największe nadzieje w rozwiązywaniu problemów kosmologicznych łączą się z radioastronomicznymi me­todami obserwacji. Współczesne duże radioteleskopy pozwalają badać galaktyki radiowe, tak bardzo odległe, że zaczynają tu już dochodzić do głosu efekty relatywistyczne.

Problem, na przykład, nieskończoności przestrzeni kosmicznej może być w zasadzie rozwiązany przez zmierzenie odległości kątowych między składnikami podwójnych galaktyk radiowych. Jak wiemy, odle­głości między składnikami zmieniają się w bardzo niewielkich granicach i wynoszą około 100 000 parse­ków.

Gdyby przestrzeń kosmiczna była przestrzenią eukli­desową, kąt między składnikami zmniejszałby się w miarę wzrostu odległości galaktyk radiowych. Jeśli jednak przestrzeń ta nie jest euklidesowa (na przykład zamknięta), kąt pomiędzy składnikami będzie się zmniejszał tylko do określonej wartości granicznej (około 20 sekund) i przy dalszym wzroście odległości zacznie się zwiększać.

Dotychczas nie dokonano jeszcze takich obserwacji, (które powinny być bardzo liczne, aby wykluczyć efek­ty przypadkowe). W najbliższym jednak dziesięcioleciu, być może, zostaną one przeprowadzone.

Obserwacje radioastronomiczne pozwalają już obec­nie z dość dużym prawdopodobieństwem wykluczyć hi­potezę niezmiennego Wszechświata. Wynika z nich, bowiem, że gęstość przestrzenna galaktyk radiowych, oddalonych od nas o kilka miliardów lat świetlnych, jest znacznie większa, niż w stosunkowo „bliskiej" nam przestrzeni. Oznacza to, że we wcześniejszych okre­sach ewolucji Wszechświata stosunek liczby galaktyk radiowych do galaktyk wszystkich był znacznie większy, niż obecnie. Przyczyną tego zjawiska mogła być, na przykład, znacznie większa gęstość gazu międzygalaktycznego, wskutek czego dopływ gazu do jąder galak­tyk był znacznie intensywniejszy, niż w obecnym okre­sie rozszerzania się Wszechświata. Jeśli wybuchy w ją­drach galaktyk, które wydają się być przyczyną pow­stawania galaktyk radiowych, są związane z dopływem gazu międzygalaktycznego, obserwowany przez radioastronomów efekt ewolucyjny, zostałby wyjaśniony. Są jednak również możliwe inne wyjaśnienia.

Bardzo ważna byłaby ocena średniej gęstości ma­terii we Wszechświecie. Ocena ta posiadałaby duże znaczenie przy wyborze modelu Wszechświata, to zna­czy przy odpowiedzi na pytanie, czy jest on skończony, czy nieskończony. Okazuje się, że średnia gęstość galaktyk daje wielkość mniejszą niż 10^-30 g/cm³. Nie zostało również dotychczas wyjaśnione, jaka część materii znajduje się we Wszechświecie w postaci gazu międzygalaktycznego.

Astronomia nie dysponuje jeszcze żadną metodą oceny gęstości gazu międzygalaktycznego. Można tylko przyjąć, że temperatura tego gazu powinna być bardzo wysoka, zaś gęstość mała. Jeśli, na przykład, okaże się, że średnia gęstość materii międzygalaktycznej nie jest większa, niż średnia gęstość galaktyk, Wszechświat nie jest ograniczony przestrzennie, (czyli słuszny jest „mo­del nieskończony"). Istnieją podstawy do przypuszczeń, że ten ważny problem gęstości ośrodka międzygalak­tycznego będzie już w niedalekiej przyszłości rozwią­zany metodami radioastronomicznymi. Z materią międzygalaktyczną powinny być, bowiem związane słabe pola magnetyczne. Ich natężenie jest prawdopodobnie kilkadziesiąt lub kilkaset razy mniejsze, niż natężenie pól międzygwiazdowych. Pola te, jak można przypusz­czać, będą skręcały wektor polaryzacji promieniowania radiowego galaktyk o kąt tym większy, im bardziej dana galaktyka jest od nas oddalona. Należy jednak podkreślić, że dokonywanie takich obserwacji jest przedsięwzięciem bardzo skomplikowanym i trudnym. Aby Wszechświat mógł być skończony, średnia gę­stość gazu międzygalaktycznego powinna być mniej więcej sto razy większa, niż średnia gęstość galaktyk. Stan taki jest mało prawdopodobny. Jeśli jednak okaże się, że Wszechświat jest przestrzenią zamkniętą, należy pamiętać, że jest to jedna z cech przestrzenno-czasowego układu czterowymiarowego. Niezrozumienie tej oko­liczności prowadzi często do bezsensownego pytania:

„Jeśli Wszechświat jest skończony, co znajduje się poza jego granicami?" Można byłoby, oczywiście, przyjąć, że znajdują się tam inne Wszechświaty, mniej lub bar­dziej podobne do naszego, gdyby Świat (lub „Super-wszechświat") był tworem o pięciu lub więcej wymia­rach. Nie mamy jednak żadnych podstaw do wysuwa­nia takiego przypuszczenia.

Można się niekiedy spotkać z opinią, że twierdzenie o skończoności Wszechświata jest jakoby sprzeczne z materializmem dialektycznym, co oczywiście nie ma sensu. Podstawową cechą Wszechświata jest, z punktu widzenia filozofii materialistycznej, jego obiektywne istnienie i poznawalność. Nie należy, przeto wiązać tej filozofii z jakąkolwiek konkretną cechą Wszechświata, na przykład z jego skończonością, czy nieskończonością. Prawa rządzące Wszechświatem, dlatego nazywamy obiektywnymi, że nie zależą od poglądów poszczegól­nych osób, błędnie rozumiejących istotę materializmu dialektycznego.

W zagadnieniu powstania i rozwoju życia we Wszechświecie jego ekspansja ma szczególnie duże znaczenie. Jak łatwo wykazać matematycznie, gęstość promieniowania w nieskończonym Wszechświecie, rów­nomiernie wypełnionym obiektami promieniującymi, powinna być niezmiernie duża. Ponieważ gwiazdy po­winny się wówczas wzajemnie ekranować, jasność po­wierzchniowa nieba byłaby identyczna, jak jasność po­wierzchniowa gwiazd lub Słońca. Innymi słowy, niebo byłoby oślepiająco jasne, a temperatura materii wypeł­niającej Wszechświat wynosiłaby około 5000°—10000°K. To, że jasność nieba, na którą się składa promieniowa­nie wszystkich obiektów we Wszechświecie, jest, po­mimo to, niewielka, (chociaż sam Wszechświat może być nieskończony), wymaga specjalnego wyjaśnienia. Problem ten znany był astronomom już przed 150 laty i otrzymał nazwę „paradoksu fotometrycznego". Już w XIX stuleciu starano się wyjaśnić para­doks fotometryczny w oparciu o hipotezy omawiające rozkład obiektów świecących we Wszechświecie. Wyja­śnienia te zawierały jednak cechy sztuczności i okazały się błędne. Równie nieudane były próby wyjaśnienia paradoksu fotometrycznego przez „wprowadzenie" po­chłaniającej materii, która wypełnia cały Wszechświat. Analiza wykazała, że obecność pochłaniającej światło materii zwiększałaby jeszcze paradoks fotometryczny...

Dopiero współczesna kosmologia oparta na teorii względności pozwoliła wyjaśnić paradoks fotometrycz­ny. Decydującym czynnikiem wydaje się być w tym przypadku występowanie przesunięcia ku czerwieni w widmach galaktyk. Dzięki temu zjawisku kwanty światła, fotony, które do nas dochodzą i są wypromieniowane przez bardzo odległe galaktyki, jak gdyby,,de­gradowały" się lub,,chudły". Odpowiadające im dłu­gości fal stają się coraz większe, natomiast ich energie maleją. Promieniowanie najbardziej od nas odległych części Wszechświata ucieka, dzięki przesunięciu ku czerwieni, do długofalowej niewidzialnej części widma, a jego natężenie znacznie się zmniejsza. Można powie­dzieć, że przesunięcie ku czerwieni jak gdyby „obcina" promieniowanie dalekich obszarów Wszechświata, tłu­macząc tym samym paradoks fotometryczny.

Należy wyraźnie podkreślić, że zjawisko przesunięcia ku czerwieni związane z ekspansją, to jest ucieczką ga­laktyk, korzystnie wpływa na ewentualne powstanie i rozwój życia w określonych obszarach Wszechświata. Gdyby Wszechświat się nie rozszerzał, temperatura byłaby w nim tak wysoka, że nawet najprostsze czą­steczki chemiczne nie mogłyby się utworzyć. Jeśli za­tem hipoteza oscylującego Wszechświata jest słuszna, to Wszechświat przed 10-20 miliardami lat kurczył się. W związku z tym, zamiast przesunięcia ku czerwieni występowało wówczas przesunięcie ku fioletowi. Pro­wadziło to przypuszczalnie w niektórych okresach do znacznego wzrostu natężenia krótkofalowego promie­niowania twardego. Również całkowita gęstość promie­niowania była wówczas bardzo duża. W takich warun­kach powstanie-i rozwój życia byłby mało prawdopo­dobny. Jeśli hipoteza oscylującego Wszechświata, jest słuszna, okresy przesunięcia ku czerwieni występowały na przemian z okresami przesunięcia ku fioletowi; można, więc wysnuć następujący wniosek, że powstanie i rozwój życia w sprzyjających temu obszarach Wszechświata jest znacznie bardziej prawdopodobny w okresie przesunięcia ku czerwieni, niż w okresie przesunięcia ku fioletowi. Należy przy tym, oczywiście, pamiętać, że te okresy przesunięć są w historii Wszech­świata oddzielone od siebie odstępami czasu trwającymi wiele miliardów lat, przy czym liczba takich pulsacji powinna być niewielka. W okresie roz­szerzania się galaktyk życie może przejść ogromną ewolucję od najniższych, prymitywnych form, do form najwyższych. W następującym po nim okresie kurcze­nia się Wszechświata życie zacznie prawdopodobnie wygasać i w okresie przesunięcia ku fioletowi zniknie zupełnie, aby ponownie powstać i rozwinąć się w na­stępnym okresie rozszerzania się Wszechświata. Tak się przedstawia najogólniejszy hipotetyczny obraz roz­woju życia w Wielkim Wszechświecie.

Trudno nam wyczuć ogrom skali przestrzenno-czasowej tych cyklów. Nakreślony obraz jest, oczywiście, bardzo ogólny i w miarę rozwoju nauki będzie roz­budowywany i uściślany. Niewykluczone jest również, że zastąpią go inne poglądy, bardziej odpowiadające prawdzie. Podstawowy jednak wniosek, do którego do­prowadził nas rozwój kosmologii i astrofizyki w dru­giej połowie XX wieku, nie ulegnie zapewne większej zmianie. Wniosek ten orzeka, że w historii ewolucji Wszechświata jako całości, były (i najprawdopodobniej będą) okresy znacznie utrudniające, jeśli nie wyklucza­jące zupełnie, powstawanie i rozwój życia. Życie jest prawidłowym etapem rozwoju materii we Wszechświe­cie. Jeszcze bardziej odnosi się to do życia istot rozum­nych.

Literatura:

J.S. Szklowski, Wszechświat, życie, myśl

W. Zonn, Ewolucja gwiazd

K. Bajew i W. Szyszakow, Podstawy nauki o Wszechświecie

2

---