Scenariusze ewolucji wszechświata

SPIS TREŚCI

1. Istota kosmologii.
2. Modele kosmologiczne.
3. Jaki los czeka Wszechświat?

1. ISTOTA KOSMOLOGII.

Zajmując się zagadnieniem ewolucji wszechświata, należy zacząć od tego, że nauka o wszechświecie jako całości, czyli o jego budowie i ewolucji jest istotą kosmologii. Kosmologia zarówno w przeszłości, jak i teraz wiąże się z filozoficznym poglądem na świat. Wraz z rozwojem nauki na przestrzeni wieków zmieniały się owe poglądy. Ulegały one pogłębianiu. I tak zagadnienia kosmologiczne przeszły od rozważań o charakterze filozoficznym, do oparcia o fizykę teoretyczną.
Obecnie wiadomo, że wszechświat jest w ruchu. Cały czas się rozszerza, a galaktyki oddalają się od siebie. Patrząc wstecz dochodzimy do określonego punktu w przeszłości, gdy galaktyki były coraz bliżej siebie, aż do momentu, gdy cała masa wszechświata była skupiona w obszarze przestrzeni mniejszym od atomu. Ten moment był około 10 – 20 miliardów lat temu i nazywany jest Wielkim Wybuchem.

Powstanie wszechświata poczynając od Wielkiego Wybuchu można podzielić na następujące ery:

• Plancka
• Hadronowa
• Leptonowa
• Promienista
• Materii (galaktyczna)

Przyjmuje się również, że podstawową jednostką skali kosmicznej, jest galaktyka. Galaktyka to izolowany układ, który składa się z około 100 miliardów gwiazd i ma średnicę koło 100 000 lat świetlnych. Mówiąc o ewolucji wszechświata należy wyróżnić okresy, w których pogląd na ten temat ulegał zmianie.

Wyróżniamy poglądy o wszechświecie według:

• Mitów kosmologicznych
• Arystotelesa
• Kopernika
• Newtona
• Einsteina

Charakterystyka powyższych tez na temat powstania i ewolucji wszechświata ukazuje, jak wraz z rozszerzaniem się horyzontów myślowych i poznawczych człowieka zmieniały się poglądy ludzi na nurtujące ich pytanie czym jest świat i skąd się wziął. Problematyka kosmologii stara się wyjaśnić nie tylko skąd wziął się wszechświat, ale i jak on się rozwija.

2. MODELE KOSMOLOGICZNE.

Enuma Elisz to wczesny mit kosmologiczny, który obrazuje silną potrzebę ludzkości porządku i stabilności. Mit ten związany jest ze starożytną wazą, na której przedstawieni są dwaj bogowie. Marduk to bóg trzymający topór, obok jest bogini chaosu Ti’amat. Według najstarszych podań wszechświat narodził się jako wodny chaos. Jako ostatnie narodziły się ziemia i niebo, ale zostały uwięzione w ciele bogini Ti’amat. Marduk walcząc z Ti’amat zabija ją i toporem przecina jej ciało na dwie części. Z jednej utworzył niebo a druga część stała się ziemią.
Ten obraz powtarza się również w innych podaniach kosmologicznych. Z czasem wierzenia kosmologiczne uległy zmianie i ustąpiły miejsca teoriom fizycznym, zawsze jednak wyrażały poglądy danej kultury mając odbicie w ideach religijnych i filozoficznych.
Wszechświat według Arystotelesa był zbudowany z następujących elementów: wody, ziemi, powietrza, ognia i eteru. W jego koncepcji wszystko miało swoje miejsce a Ziemia była centrum wszechświata. Cząstki podobne do ziemi miały tendencję do podążania w kierunku środka wszechświata. W świecie arystotelesowskim eter to substancja niezniszczalna i boska, mieszcząca się w niebiosach, w których występują ciała niebieskie zbudowane z eteru.
W modelu Arystotelesa nieruchoma Ziemia spoczywała w centrum wszechświata, a wokół niej po idealnych okręgach poruszały się Słońce, planety i gwiazdy przyczepione do sztucznych sfer. Wszechświat ten jest wieczny, bez początku i końca.
Poza tym ten grecki filozof żyjący 340 lat przed Chrystusem w swej książce „O niebie” potrafił przedstawić dwa dobre argumenty na poparcie tego, że Ziemia nie jest płaszczyzną tylko kulą. Jako pierwszy argument podał to, że zaćmienie Księżyca powoduje Ziemia, zasłaniając Słońce. Cień Ziemi widoczny na Księżycu jest zawsze okrągły, co jest dowodem na to, że Ziemia musi być kulą. Kolejnym dowodem jest to, że Grecy dzięki podróżom wiedzieli, iż obserwując Gwiazdę Polarną z rejonów południowych widać ją niżej nad horyzontem niż obserwując ją na północy. Innym przykładem jest fakt, że najpierw widać pojawiające się nad horyzontem żagle statków a dopiero potem kadłuby.

Z czasem model kosmologiczny Arystotelesa uległ zmianom. Ptolemeusz rozwinął model Arystotelesa uzupełniając go w ten sposób, że Słońce i planety krążyły po małych okręgach, których środki krążyły wokół Ziemi, jako centrum. Ta modyfikacja pozwalała wyjaśnić zmianę jasności planet – spowodowaną różną odległością planet od Ziemi (odległość zmieniająca się w czasie). Jednak model podany przez Ptolemeusza zakładał, że Księżyc porusza się po takiej orbicie, że gdy znajduje się najbliżej Ziemi to jego odległość od niej jest dwa razy mniejsza niż wtedy, gdy znajduje się najdalej od Ziemi. Znaczyło to, że czasem Księżyc powinien być dwa razy większy niż gdy jest w innym położeniu. Mimo tego model został zaakceptowany.

Tak było do czasu, aż model zaproponowany przez Mikołaja Kopernika, ujrzał światło dzienne...
We wszechświecie przedstawionym przez polskiego astronoma, został obalony arystotelesowski, czyli geocentryczny obraz świata. Kopernik zaprezentował model heliocentryczny, czyli taki, w którym Słońce jest w centrum Układu Słonecznego. Ziemię natomiast umieścił na orbicie współsłonecznej, tak jak pozostałe planety. Teoria ta, wywarła duży wpływ na ludzi jemu współczesnych, zanim została ona poparta obserwacjami Galileusza. Swoje obserwacje i spostrzeżenia umieścił w dziele „ O obrotach sfer niebieskich”. Co prawda Kopernik wiele zmienił w modelu wszechświata, ale nadal planety umieszczone były na orbitach jako doskonałych okręgach. Poza tym wierzył, że gwiazdy są ustalone i niezmienne, wręcz boskie.

Jednak i ten model, nie był ostatecznym...Model przedstawiony przez Kopernika został wyparty przez obraz świata, zaprezentowany przez Izaaka Newtona. W swojej koncepcji wszechświata, umieszczał on wszystkie zjawiska natury na jednym poziomie, łącznie z gwiazdami. Podłożem dla poglądów Newtona, były postacie włoskiego filozofa Bruno i angielskiego astronoma Diggesa, którzy postulowali nieskończony wszechświat. W koncepcji tej, gwiazdy rozrzucone zostały w nieskończonej przestrzeni i nie przymocowane do zewnętrznej sfery niebieskiej. To spojrzenie, spowodowało zwrócenie uwagi na gwiazdy, zaczęto traktować je jak planety. Podlegały tym samym prawom fizycznym.
Pisząc o spojrzeniu Newtona na wszechświat, nie można pominąć postaci Kartezjusza (francuski matematyk i filozof), którego poglądy wywarły tak duży wpływ na ukazany przez Newtona model. Kartezjusz w swoim dziele „Podstawy filozofii” przedstawił wszechświat stworzony nie dla człowieka. Było to zupełnie nową ideą. Porównał go do gigantycznego zegara, stosującego się do praw mechaniki.

Zanim jednak doszło do znaczących zmian w postrzeganiu wszechświata należy zwrócić uwagę na wydarzenia, które miały na to wpływ. Galileusz po raz pierwszy zastosował w astronomii teleskop, za pomocą którego rozłożył „chmurę" Drogi Mlecznej na pojedyncze gwiazdy. Odkrył kratery na Księżycu i widział inne księżyce, krążące wokół Jowisza. Był to dowód również na to, że Ziemia nie jest centrum kosmosu. Odkrył również, że mgliste białe plamy są zbiorowiskami gwiazd. Teleskop po raz pierwszy umożliwił pomiar wielkości układu słonecznego. Pomiaru tego dokonał włoski astronom Cassini - zmierzył odległość do Marsa stosując metodę paralaksy.
Izaak Newton obliczył odległość do najbliższej gwiazdy. Założył, że jaskrawość własna gwiazdy, jest taka jak Słońca. Porównując jej jasność pozorną z jasnością Słońca, określił odległość wynoszącą 5 lat świetlnych. Metoda ta nie może być powszechnie stosowana pomimo tego, że to dobre określenie odległości, ze względu na to, iż gwiazdy mają znaczny rozrzut jaskrawości własnych.
Dzieło „Principia” wraz z teorią grawitacji i prawami ruchu, przyczyniło się do poglądu Kartezjusza, że wszechświat to gigantyczny, mechaniczny zegar. Newton ocenił, że grawitacja jest najważniejszą siłą, dzięki której można zrozumieć strukturę i zachowanie się wszechświata. Twierdził również, że wszechświat jest statyczny. Podał argumenty w wypowiedzi:

„Jeżeli wszechświat miałby się globalnie rozszerzać lub kurczyć, to musiałoby istnieć jakieś centrum ruchu; lecz materia rozmieszczona równomiernie w całej nieskończonej przestrzeni nie wykazuje żadnego centrum - dlatego wszechświat musi być statyczny.”

Równania Newtona przewidują, że wszechświat musi być w ruchu rozszerzając się lub kurcząc. Błędem było założenie, że globalny ruch wymaga, by został wyróżniony środek ruchu. Poza tym pomimo tego, że gwiazdy są w ruchu cały układ jest w stanie równowagi i trwałości. Wszystkie swe spostrzeżenia odnośnie wszechświata, umieścił w kosmologii zatytułowanej „Powszechna historia naturalna i teoria nieba”.
Rewolucją dla spojrzenia na wszechświat była teoria grawitacji przedstawiona przez Alberta Einsteina w 1915 roku. Teorię tę zastosował również do kosmologii. Czytając jego artykuł z 1917 roku widzimy jak od początku zakłada, że wszechświat jest w stanie równowagi statycznej i szuka warunków wymaganych do jej utrzymania.
Negując możliwość istnienia układu Newtona (po zastosowaniu prawa Boltzmanna, dotyczącego rozkładu cząsteczek gazu do gwiazd) pokazał, że izolowany układ gwiazd nie może pozostawać w stanie równowagi. Gwiazdy będą wtedy uciekać w odległą przestrzeń, (tak jak woda z wolna wyparowuje do otaczającego powietrza). Potrzebne są odpowiednie warunki nałożone na zewnętrzne pole grawitacyjne. Przy odpowiednim zewnętrznym polu grawitacyjnym, układ gwiezdny słowami Einsteina „nie byłby narażony na ryzyko rozproszenia się w nicość". Stwierdza to pod wpływem drugiej zasady termodynamiki głoszącej: „Jakikolwiek układ zamknięty będzie w miarę upływu czasu coraz bardziej nieuporządkowany, by w końcu przestać istnieć.”
Einstein zakładał, że nasz układ gwiezdny trwa nieskończenie, więc znajduje się w nieewolucyjnym stanie równowagi i gdyby jakiś proces miał tę równowagę naruszyć, to do tej pory już by to uczynił. Nie brał pod uwagę możliwości, że wszechświat mógłby być skończony w czasie i nie znajdować się w stanie równowagi. Jako potwierdzenie otrzymał statyczne rozwiązania swoich równań.
Można zadać sobie pytanie dlaczego Einstein zakładał, że model kosmologiczny musi być statyczny? Jedną z możliwości odpowiedzi, jest fakt, że kosmologia statyczna jest mniej skomplikowana niż kosmologia ewolucyjna, lub ewentualność, iż podobnie jak inni naukowcy, widział te zmiany jako dezintegracje, które były nie do przyjęcia ze względów m.in. filozoficznych.
Rozwiązaniem kosmologicznych równań Einsteina zajął się rosyjski matematyk Aleksander Friedman i jako wynik otrzymał rozwiązania, które opisywały rozszerzający się i kurczący wszechświat, rozwiązania które ewaluowały w czasie.
Friedman wyszedł z tego, że założenie Einsteina o statycznym wszechświecie jest rzeczywiście tylko założeniem i nie potrzebuje żadnych obserwacji. Einstein podważył słuszność obliczeń Friedmana stwierdzając, że dowodzą one niezależności od czasu. Następnie przyznał rację tym obliczeniom, które według Einsteina przedstawiały alternatywny, w stosunku do jego własnego model kosmologiczny. W ten sposób Einstein odrzucił zależne od czasu rozwiązania Friedmana, uznając je jako nie fizyczne. Sześć lat później amerykanin Hubble znalazł rozstrzygający dowód na to, że wszechświat naprawdę ekspanduje i zmienia się w czasie. W tym momencie skończyła się wiara Einsteina w statyczny wszechświat.
W celu zrozumienia odkrycia Hubble'a należy zacząć od nawiązania do mgławic. Wiele mgławic jest w ruchu i oddalają się od Ziemi. Ruch mgławic, powodujący zwiększanie się ich odległości, został określony za pomocą przesunięcia Dopplera. Kiedy źródło dźwięku lub światła jest w ruchu, to zmienia się częstotliwość - zwiększając się wtedy, gdy źródło zbliża się i zmniejszając się, gdy źródło oddala się. Odpowiednikiem tonu dźwięku jest barwa światła. Dopóki źródło światła nie porusza się z prędkością bliską prędkości światła, dopóty przesunięcia te są zbyt małe, by można je było wykryć gołym okiem. Świadectwa „przesunięcia ku czerwieni" barw mgławic przedstawił po raz pierwszy Slipher wykorzystując 24-calowy teleskop w stanie Arizona.
Jednakże jego obserwacje nie zostały wtedy docenione, gdyż nikt nie miał pojęcia, czym naprawdę są mgławice. Nie znano odległości od mgławic, ponieważ w astronomii, bardzo trudno jest wyznaczyć odległości. Największym problem stanowi to, że gwiazdy posiadają bardzo szeroki przedział jaskrawości własnej. Gwiazda, którą postrzegamy jako jasną, może albo znajdować się blisko i posiadać małą jaskrawość własną, albo być daleko i mieć dużą jaskrawość własną. W drugiej połowie XX wieku Leavitt, odkryła metodę określania jaskrawości własnej pewnych gwiazd, zwanych cefeidami. Mierząc okres oscylacji światła cefeid możemy określić jej jaskrawość własną. Mierząc z kolei jej jasność pozorną możemy określić jej odległość. Po znalezieniu w jakimś regionie przestrzeni cefeidy, możemy ją wykorzystać w celu określenia odległości do tego regionu. W 1924 r. Hubble znalazł cefeidę w Mgławicy Andromedy. Mierząc jej odległość odkrył, że cefeida znajduje się daleko poza naszą Galaktyką wykazując, że mgławice są całymi galaktykami, a nie małymi zgrupowaniami pobliskich gwiazd w obrębie naszej Galaktyki. Galaktyki a nie gwiazdy, są podstawowymi jednostkami materii we wszechświecie. Wszystkie te galaktyki są w ruchu, jednocześnie oddalając się od nas. W 1929 roku, przy wykorzystaniu teleskopu znajdującego się w Kalifornii, Hubble znalazł dowód, że prędkość oddalania się galaktyk jest wprost proporcjonalna do ich odległości. Galaktyki odległe dwa razy dalej uciekają od nas dwa razy szybciej. W celu zrozumienia sposobu, w jaki rozszerza się wszechświat, wyobraźmy sobie, że galaktyki są plamkami namalowanymi na powierzchni balonu. Jeżeli balon rozszerza się, to z punktu widzenia każdej plamki - na przykład naszej plamki - Drogi Mlecznej - wydaje się, że wszystkie inne plamki oddalają się. Obraz taki jest widoczny z każdej plamki. Nie istnieje żadna wyróżniona plamka. Nie ma środka ekspansji. To był błąd Einsteina.

3. JAKI LOS CZEKA WSZECHŚWIAT?

Około 1931 roku wielu astronomów zrozumiało, że obserwacje Hubble'a oznaczają, że wszechświat rozszerza się. Wszechświat rozszerzający się był wszechświatem zmieniającym się. Ekspandujący wszechświat miał najprawdopodobniej jakiś początek i będzie miał pewnie jakiś koniec. Ekspansja wszechświata jest prawdopodobnie najbardziej doniosłym odkryciem, jakiego kiedykolwiek dokonano w astronomii. Wielu z krytycznych pytań dzisiejszej kosmologii - takich jak: jaki jest ostateczny los wszechświata, dlaczego w wielkiej skali kosmos jest tak jednorodny, jakiego rodzaju olbrzymia, jednolita siła istniała w pierwszym ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu — nie byłoby, gdyby wszechświat był statyczny. Jest bardzo prawdopodobne, że ekspansja ulegnie spowolnieniu i wreszcie zatrzyma się a wszechświat zapadnie się ostatecznie w siebie, w podobny sposób jak doszło do wybuchu. Jeżeli jednak prędkość ta jest większa od prędkości ucieczki, ekspansja będzie trwała wiecznie dążąc w coraz bardziej osamotnioną przyszłość.

BIBLIOGRAFIA

1. J. Narlikar - „Struktura Wszechświata” PWN. W-wa 1985r.
2. J. M. Kreiner - „Astronomia z astrofizyką” PWN W-wa 1988r.
3. E. Rybka - „Astronomia ogólna” PWN W-wa wyd. V zm. 1975r.
4. „Tajemnica Wszechświata” pod red. J. Cornella Pandora wyd.II 1995r.
5. S. Hawking - „Ilustrowana krótka historia czasu” Zysk i S-ka wyd.I 1996r.