W poprzednich artykułach wspomniałem już z jak niewyobrażalnie ogromnym [wciąż rozszerzającym się] tworem mamy do czynienia badając wszechświat [8,8 x 10^26 metra /92 miliardy lat świetlnych/]. Skoro więc jest to "obiekt" w jakimś sensie ograniczony, warto zastanowić się jaki ma kształt i co może znajdować się poza nim? Czy mamy na ten temat jakieś naukowe teorie? Oczywiście, że tak – dziś krótko o tym jaki i dlaczego właśnie taki kształt mógłby mieć nasz wszechświat oraz co może znajdować się „poza” nim. A więc jaki kształt ma wszechświat? Jest to pytanie za ‘przynajmniej’ nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Zacznijmy od początku – stan dzisiejszej wiedzy daje nam przekonanie, że wszystko zaczęło się niemal 14 miliardów lat temu od Wielkiego Wybuchu. Pozostałością po tamtych zdarzeniach jest przewidziane w 1948 roku, przez Georga Gamowa „mikrofalowe promieniowanie tła” inaczej zwane też „promieniowaniem reliktowym”, za którego obserwacyjne potwierdzenie 30 lat później Noblem zostali nagrodzeni inni badacze - Arno Penzias i Robert Wilson. Jaki ma to związek z kształtem wszechświata? Definitywnie ogromny – dzięki badaniom promieniowania reliktowego udało nam się zrobić jego „zdjęcie” w wieku zaledwie 380 tysięcy lat i jest to jak na razie jedyna taka mapa jaką dysponujemy. Warto nadmienić, że na stan obecnej wiedzy nie jesteśmy w stanie ‘zajrzeć’ dalej wstecz niż graniczne 380 tysięcy lat, ponieważ wcześniej wszechświat wypełniała plazma [był niewyobrażalnie gorący, o energiach cząstek tak dużych, że nie był przezroczysty dla promieniowania]. Właśnie na podstawie tych danych i tej mapy powstawały kolejne teorie dotyczące kształtu wszechświata, natomiast jest wiele interpretacji, ponieważ badacze wyciągają różne wnioski. Głównym problemem jest fakt, iż ludzie są więźniami dwóch wymiarów – nie jesteśmy w stanie wyobrazić sobie wygiętej powierzchni mającej trzy [lub więcej] wymiarów. Jakie ograniczenia są przez to nałożone? Płaszczyzna rządzi się zupełnie innymi prawami niż zakrzywiona przestrzeń [w niej np. twierdzenie Pitagorasa wcale nie obowiązuje, dwa punkty łączy więcej niż tylko jeden możliwy odcinek, a proste równoległe mogą się przeciąć]. Fakt, iż te fundamentalne w naszym świecie zasady załamują się sprawia nam ogromne problemy przy próbie wyobrażenia, a tym bardziej udowodnienia teorii. Przechodząc do sedna pytania o kształt – jakie są obecnie najbardziej prawdopodobne teorie? Pierwszą z nich jest wszechświat w kształcie dwunastościanu. Co ciekawe jako pierwszy kształt taki sugerował już Platon niemal 2 500 lat temu, natomiast rzeczowe argumenty świadczące o słuszności tej teorii należą do Jeana-Pierra Luminet’a i jego zespołu z Observatorie de Paris, którzy w 2003 roku przeanalizowali dane zebrane z sondy WMAP [rzeczonej mapy rozkładu temperatur i gęstości z wszechświata mającego 380 tysięcy lat]. Drugą ciekawą teorią o której chciałem opisać jest model kosmologiczny wszechświata Friedmana - oparty na jego równaniach opisujących ekspansję. Zawierają stałą „k”, która jest niezależna od miejsca w przestrzeni – jest parametrem opisującym lokalną geometrię. W zależności od wartości jakie przyjmuje ta stała otrzymujemy trzy różne możliwe geometrię. Dla k = 0 wszechświat jest płaski i obowiązuje w nim geometria euklidesowa [są zachowane kąty i odległości]. Dla parametru k większego od zera wszechświat jest zamknięty [przyjmuje kształt sfery, więc obowiązuje w nim geometria sferyczna – np. suma kątów w trójkącie jest większa niż 180 stopni]. Dla k < 0 mówimy, że wszechświat jest hiperboliczny [inaczej zwany otwartym – przyjmuje kształt przypominający siodło] Znamy już możliwe kształty jakie może przyjmować wszechświat, więc zastanówmy się chwile co znajduje się poza jego granicami? [o ile one rzeczywiście istnieją]. Swoją drogą warto wtrącić, że fakt nieposiadania granic przez jakiś obiekt nie determinuje tego, że jest on nieskończony – najłatwiej wyobrazić to sobie patrząc na Ziemię. Poruszając się po niej dowolnie długo w dowolnym kierunku nie natrafimy na żadną granicę [możemy wrócić do punktu startowego], ale obserwator z np. Międzynarodowej Stacji Kosmicznej łatwo stwierdzi, że jest ona obiektem skończonym.
Pierwszą ciekawą teorią jest wieloświat. Kwantowa hipoteza wielu światów Hugh Everetta III jak poprawnie powinna się ją nazywać zakłada, że wszystko co może się zdarzyć, dzieje się w alternatywnej rzeczywistości, która przypomina ogromne rozgałęziające się w każdej chwili drzewo [w prostym ujęciu za każdym razem, gdy cząsteczka ma wybór jaką drogą ma się poruszyć powstają alternatywne wszechświaty i w każdym z nich wybiera ona inną drogę]. Kolejną interesującą teorią multiświata jest ta opisana w M-teorii [unifikującej wszystkie zgodne wersje teorii superstrun]. Od poprzedniej rozróżnia ją to, że w każdym możliwym wszechświecie mogą istnieć różne prawa fizyki. Według obliczeń profesorów Linde i Vanchurin liczba takich uniwersów może wynosić 10^100 [więcej niż liczba atomów w obserwowalnym wszechświecie szacowana na 10^80]. Ciekawą teorię wysnuł również fizyk Lee Smolin, który założył, że każda czarna dziura to zalążek kolejnego wszechświata z lekko innymi prawami fizyki [wedle niej nasze uniwersum to czarna dziura w „wyższym” wszechświecie”]. Ciekawe jest to, że hipoteza w sporej części została potwierdzona wzorami matematycznymi, natomiast duże znaczenie ma w tym przypadku interpretacja, dlatego nie jest ona tak popularna. Inną równie interesującą teorię, co prawda nie wskazującą na to co znajduje się poza granicami widzialnego wszechświata wysnuł zespół Aleksandra Kashlinsky’ego. W 2008 roku zaobserwowali oni wielkoskalowy ruch materii [setki gromad galaktyk zaczęły się przesuwać w stosunku do mikrofalowego promieniowania tła z prędkością dochodzącą do 1000 km/s w kierunku punktu na niebie zlokalizowanego w okolicach gwiazdozbioru Centaura i Żagla]. Teoria nie została potwierdzona, ale zastanawiające jest jak olbrzymi obiekt mógłby spowodować takie nagłe i olbrzymie przyśpieszenie ruchu w swoim kierunku? 😊 Na zdjęciu mapa fluktuacji temperatury mikrofalowego promieniowania tła zmierzonego przez satelitę Planck [przedrostek piko na skali oznacza jedną bilionową – 10^-12] Źródła: Stephen Hawking – „Jeszcze krótsza historia czasu” Michał Heller – „Ostateczne wyjaśnienie wszechświata” Krzysztof Meissner – „Przyszłość wszechświata” – wykład z 15.03.2016 /https://www.youtube.com/watch?v=azHLkRvDhJs/ Tomasz Rożek – „Zrobieni w balona – kształt wszechświata” /http://www.kopernik.org.pl/…/zrobieni-w-balona-ksztalt-wsz…/ Opracowanie własne
0 Komentarze
Stan dzisiejszej wiedzy pozwala nam sądzić, że wszechświat ma średnicę [o ile przyjmiemy że jest w kształcie kuli] równą 8,8 x 10^26 metra. Zapis w tej formie jest o tyle nieintuicyjny, że nie do końca pokazuje nam jak wielka jest to liczba.
8,8 x 10^26 można zapisać w postaci 880 000 000 000 000 000 000 000 000 metrów, co jest równe 880 000 000 000 000 000 000 000 km [880 tryliardów kilometrów]. Jest to tak ogromna liczba, że światło poruszające się z prędkością niemal 300 tysięcy kilometrów na sekundę potrzebuje 92 miliardy lat, żeby pokonać tę drogę. Znów dla porównania skali foton okrąża Ziemię niemal 8 razy w ciągu zaledwie jednej sekundy, a drogę pomiędzy Ziemią a Słońcem [średnio ok. 150 milionów kilometrów] pokonuje w nieco ponad 8 minut. Zastanawiające jest to w jaki sposób wszechświat może mieć 92 miliardy lat świetlnych średnicy skoro jego wiek oceniamy na 13,82 miliarda lat, co pozwalałoby nam sądzić że jego średnica powinna mieć ok. 27,5 miliarda lat świetlnych. Otóż kosmiczne ograniczenie prędkości w postaci prędkości światła nie dotyczy rozszerzającej się przestrzeni. Warto pamiętać, że z prawa Hubble’a wiemy o tym, że wszechświat wciąż się rozszerza, a prędkość ekspansji jest tym większa im dalej znajduje się obiekt. Ciekawe jest co zawiera tak niewyobrażalnie ogromna przestrzeń? Gęstość wszechświata jest niesamowicie mała – 9,9 x 10^-30 gramów na centymetr sześcienny (to mniej więcej 1 atom wodoru na 4 metry sześcienne). Wbrew pozorom to co możemy obserwować – tzw. materia barionowa stanowi niecałe 5%. Zdecydowana większość to ciemna energia (68%) i ciemna materia (27%), o których na ten moment nie wiemy zbyt dużo. Prawo fizyczne to pojęcie określające pewien niezmiennik występujący we wszechświecie najczęściej wyrażony w języku matematyki.
Jakie są te prawa? Przede wszystkim mają one charakter uniwersalny i niezmienny. Co to oznacza? Działają dokładnie tak samo dzisiaj w moim domu, jak będą działać w sąsiedniej galaktyce za miliard lat. A w jaki sposób je formułujemy? Do pewnego czasu ta niezmienność i uniwersalność była niejako wskazówką do dokonania odkryć [na podstawie empirycznych doznań]. Od początku XX wieku działamy trochę inaczej- zakładamy pewną symetrię na podstawie której formułujemy teorię, następnie przeprowadzamy doświadczenie - sprawdzamy czy mieliśmy rację i zwykle wracamy do początku [w kręgu fizyków teoretyków mówi się, że najbardziej przydatnym narzędziem pracy jest kosz na śmieci, ponieważ dokładnie tam ląduje 99,[9]% wszystkich teorii]. Magia tych praw polega na tym, co się za nimi kryje. Einstein zaproponował symetrię na podstawie której sformułował prawa teorii względności, natomiast dopiero później odkryto co tak na prawdę się w nich zawiera [mi. ekspansja wszechświata, akrecja gwiazd, fale grawitacyjne, czarne dziury]. Tak na prawdę do dziś nie znamy ścisłych rozwiązań jego teorii. Moim zdaniem najbardziej fascynujące w prawach fizyki jest ich piękno, elegancja i prostota. Świat materialny, które opisują jest doskonały. Wartości jakie zostały dobrane w "procesie kreacji" są nieprawdobopobnie idealne. Przykładowo jakakolwiek zmiana ładunku elektronu spowodowała by, że Słońce nigdy by się nie zapaliło lub spaliło się zbyt szybko. Czy Ciebie też zastanawia w jakim procesie zostały dobrane te wartości? Istnieje teoria wieloświatów mówiąca o tym, że powstało nieskończenie wiele wszechświatów i każdy z nich próbował dobierać inne wartości. Akurat w naszym się udało i ewoluował do stanu obecnego, natomiast reszta się zapadła. Ale czy to jest dobra teoria? Moim zdaniem nie. Skoro wszechświat mógłby zmieniać wartości stałych na początku istnienia, to dlaczego nie może robić tego później? Z pewnością na swojej ścieżce edukacji spotkałeś się z tą teorią, ale czy na pewno twoje jej rozumienie jest słuszne? Wbrew temu co pewnie słyszałeś Big Bang Theory nie traktuje o rozszerzaniu się wszechświata w pustą przestrzeń. Popularne [niepoprawne] rozumienie tej teorii jest następujące:
"wszechświat powstał 13,7 mld lat temu; w uproszczeniu- był upakowany do czegoś na podobieństwo granatu, nastąpiła eksplozja i zaczął rozszerzać się w pustą przestrzeń". A jak jest na prawdę? O tym jeszcze nie wiemy. Niestety potrafimy używać teorii Einsteina do tyłu tylko do 10^-42 sekundy od umownej chwili zero, ponieważ później teoria względności się załamuje [o tym dlaczego akurat w tym czasie z pewnością jeszcze opowiem]. Natomiast jaka powinna być interpretacja teorii wielkiego wybuchu? Przede wszystkim nie była to ekspansja do pustej przestrzeni, a najprawdopodobniej rozszerzanie jej samej. Wyobraź sobie wielki balon na którym porozmieszczani są obserwatorzy. Wielki Wybuch to proces analogiczny do pompowania tego balonu. Z punktu widzenia każdego "uczestnika" zdarzenia nikt nie znajduje się w środku ekspansji. Każdy spoczywa w miejscu, a inni się od niego oddalają. A z czego wyłonił się wszechświat? Według teorii z osobliwości - czyli takiego miejsca, gdzie gęstość materii lub przyśpieszenie grawitacyjne jest nieskończone.Ciekawi zapytają: co było wcześniej? Z punktu widzenia modelu standardowego jest to błędnie zadane pytanie, ponieważ czas, materia i przestrzeń wcześniej nie istniały. W tej kwestii wciąż szukamy odpowiedzi. |
nawigacja
Grudzień 2018
Kategorie
Wszystkie
|