Krótka historia powstania Wszechświata

Czy Wszechświat (Kosmos) naprawdę kiedyś powstał? Chyba tak, ponieważ istniejemy; inaczej bowiem musielibyśmy powziąć przedziwne podejrzenie, iż jesteśmy — na przykład — „snem szaleńca, śnionym nieprzytomnie…”

* * *

Artykuł ten, jako przeglądowy i pomocniczy do wykładu monograficznego „Wybrane zagadnienia z historii nauki i techniki”, został napisany w ramach badań własnych AGH.

Wprawdzie sam początek świata może być na różny sposób tłumaczony (w zależności od przekonań danego człowieka — nawet uczonego), jednak spośród wielu przypuszczeń najsolidniejsze podstawy ma hipoteza tzw. Wielkiego Wybuchu (Big Bang) nazwanego tak, początkowo ironicznie, przez jej przeciwników, którym jednak niezbyt się powiodła próba ośmieszenia tej „eksplozywnej” idei powstania Wszechświata, a nazwa Wielki Wybuch została ogólnie przyjętym terminem naukowym (astronomicznym, kosmologicznym, fizycznym) i popularnym.

Uznanie Wielkiego Wybuchu za początek powstania Wszechświata stało się możliwe głównie z powodu następujących argumentów (a właściwie dowodów):

1. dzięki słynnemu odkryciu tzw. „ucieczki galaktyk” (przez Edwina Powella Hubble'a w 1929 r.) i kwazarów;
2. odkryciu tzw. promieniowania szczątkowego tła kosmicznego (przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona w 1964 r.), jakie pozostało po bardzo gorącym Wszechświecie w jego pierwszych chwilach istnienia, kiedy eksplodował z oślepiającym błyskiem;
3. oceny tzw. pierwotnej nukleosyntezy, czyli powstania pierwszych pierwiastków z Tablicy Mendelejewa — wodoru (prawie 70%) i helu (ponad 20%);
4. teorii tzw. superunifikacji czterech zasadniczych oddziaływań fizycznych.

Kolejno opiszemy w miarę dokładnie i wytłumaczymy wszystkie cztery punkty. Zauważmy zarazem, że nawet stwierdzenie: „na początku było Słowo” i „Słowo stało się ciałem (materią)” wcale się nie kłóci z nauką, ponieważ oznacza ono ni mniej, ni więcej jak tylko to, iż na początku była Informacja, która w jakiś sposób zainicjowała początek Wszechświata — właśnie ów Wielki Wybuch, który zdarzył się około 15 mld lat temu.

Nie należy przecież wyobrażać sobie, że Wszechświat wybuchł jak, nie przymierzając, granat. Właściwie to wszelkie porównania zawodzą… Do najpopularniejszych objaśnień należą: rozdymanie się balonika, na którym naniesione są punkty obrazujące galaktyki, które „uciekają” od siebie, czyli każda od każdej; drugi model to rosnące ciasto, w które mniej więcej regularnie powtykano rodzynki — w miarę jak ciasto (pod wpływem drożdży) rośnie, rodzynki przedstawiające galaktyki również oddalają się od siebie (każda od każdej) — i nie ma wyróżnionego środka.

Najpierwotniejszy Wszechświat stanowił niemal zerowej objętości zgęstek supermasywnej pramaterii (o stanie której nic prawie nie wiemy) odznaczający się ogromną, niemal nieskończenie wielką temperaturą (czyli świat narodził się z „wysoką gorączką”). Ten dziwny stan nazywamy osobliwością początkową. W miarę rozszerzania się Wszechświata i zmniejszania tej ogromnej gęstości, jego temperatura promieniowania spadała i obecnie wynosi niespełna 3 K (czyli zaledwie około minus 270°C). To właśnie promieniowanie (wypełniające cały Wszechświat), którego wartość określono najpierw teoretycznie, zostało odkryte w 1964 r., co zostało podane w punkcie 2.

Następnie, kiedy — jak to kosmologowie mówią — temperatura pierwotnego Wszechświata spadła do paru tysięcy stopni, promieniowanie oddzieliło się od materii oraz powstały pierwsze najprostsze pierwiastki: wodór i hel. I ponownie obliczenia teoretyczne zgodziły się z wynikami obserwacji, co zostało podane w punkcie 3.

Największy kłopot mamy jednak z punktem czwartym. Jak wiadomo, znamy cztery podstawowe oddziaływania fizyczne:

1. — grawitacyjne, które wiążą z sobą duże masy i dzięki którym mogą istnieć galaktyki, układy gwiazd, układy planetarne (w tym — przede wszystkim Słoneczny);
2. — elektromagnetyczne, które wiążą ze sobą ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym i dzięki którym istnieją np. atomy oraz molekuły;
3. — silne albo jądrowe, krótkozakresowe, dzięki którym istnieją jądra atomowe, ponieważ są to siły wiążące protony z neutronami;
4. — słabe, w których udział biorą osobliwe, niemal bezmasowe cząstki elementarne zwane neutrinami i które przejawiają się w promieniotwórczym rozpadzie jąder atomowych.

Dwadzieścia kilka lat temu Glashowowi Sheldonowi, Abdusowi Salamowi i Stevenowi Weinbergowi udało się uzyskać połączone oddziaływania elektrosłabe (za co otrzymali Nagrodę Nobla w 1979 r.), czyli scalić w jedno oddziaływania słabe oraz elektromagnetyczne. Nie bez powodu uważa się zatem, iż do tego oddziaływania powinno się udać dołączyć oddziaływania silne (co nazywa się Teorią Wielkiej Unifikacji), a następnie — grawitacyjne, czyli otrzymać superunifikację. Niestety, teorie te są dopiero w stadium początkowym, a w dodatku dla ich późniejszego sprawdzenia doświadczalnego brak nam po prostu energii. Niemniej jednak sądzi się, iż to właśnie w prakosmosie, w owej osobliwości początkowej, wszystkie te siły były złączone w jedno oddziaływanie.

Na temat stanu tej pierwotnej osobliwości niewiele można już powiedzieć, ponieważ załamuje się w niej cała znana współcześnie fizyka. Niektórzy nazywają tę „pramaterię w osobliwości” Ylemem, czyli „pierwszą substancją” albo też pierwotnym praatomem. Stanowi ją nadgęsty Obiekt, w którym i gęstość, i temperatura osiągają niemal nieskończenie wielką wartość, natomiast jego rozmiary są niemal zerowe. Być może ten Obiekt wybuchł właśnie dlatego, że fizycznie nie można osiągnąć nieskończonych wartości.

Razem z pramaterią w początkowej osobliwości „zwinięta” była cała przestrzeń i nie istniał praktycznie upływ czasu. Tak więc z powstaniem Wszechświata zaczęła powstawać nie tylko obecna materia, lecz również przestrzeń i czas! Jest to bardzo ważne stwierdzenie: bowiem wynika z niego, że bez materii nie może być ani przestrzeni, ani też czasu (co częściowo wiedzieliśmy już z teorii Einsteina, który wprowadził pojęcie czasoprzestrzeni tworzonej przez materię).

Artystyczna wizja wczesnego etapu kształtowania się Układu Słonecznego. Dominuje w nim obłok kometarny, którego pozostałością jest m.in. Pas Kuipera

Rys. Hardy

Coś pewnego na temat naszego Kosmosu możemy powiedzieć dopiero od tzw. ery Plancka, po upływie niewyobrażalnie małego ułamka sekundy (10^–44s) od „początku świata” (który nastąpił ok. 15 mld lat temu), kiedy to grawitacja odłączyła się — w bliżej nieznany sposób — od pozostałych oddziaływań fizycznych i prawszechświat zaczął się rozszerzać.

Stało się to jednak w dość nieoczekiwany, wręcz fantastyczny sposób, przy którym wszystkie pomysły twórców science fiction zupełnie bledną. Mianowicie już w 10^–32s od Wielkiego Wybuchu Wszechświat nagle przeszedł przez fazę raptownego rozszerzania się, tzw. inflacji (zob. Urania–PA, nr 5/2002), w okamgnieniu zwiększając swoje rozmiary aż 10³⁰ razy! (brak nam po prostu określenia dla tak ogromnej liczby: jedynki z trzydziestoma zerami)1.

Teoria inflacji została wprowadzona do kosmologii, żeby wyjaśnić pewne niepokojące koincydencje (zbieżności) oraz przedziwny charakter obserwowanego obecnie Wszechświata, który jest, jak się okazuje, jednorodny (czyli taki sam w każdym punkcie), izotropowy (taki sam w każdym kierunku), wreszcie… niemal płaski. Oznacza to mniej więcej, iż nadal nie wiemy, jaki będzie koniec Wszechświata: czy będzie rozszerzał się wiecznie, czy znowu stanie osobliwością, tj. czy „zamknie się w sobie”. Zadziwiające jest to, iż owa nieświadomość co do losów Wszechświata trwa — retrospektywnie ujmując — już ponad 15 mld lat. Co więcej, inflacja zakłada obecność próżni fizycznej (w odróżnieniu od pustki!), która ma własne stany energetyczne. Może też istnieć tzw. „próżnia fałszywa” o ujemnym ciśnieniu i odpychającej grawitacji. Właśnie w taki sposób ten wczesny, młody Wszechświat w fazie inflacji realizował niejako marzenia twórców SF o antygrawitacji.

Następnie, w miarę upływu czasu, zmniejszania się gęstości i temperatury, jak również rozszerzania się Wszechświata, nadal odłączały się od siebie kolejne oddziaływania: silne, słabe, elektromagnetyczne.

Reliktami wczesnego stadium Wszechświata mogą być tzw. struny kosmiczne — obiekty jeszcze bardziej egzotyczne od próżni fizycznej. Są to najprawdopodobniej efekty przejścia fazowego przestrzeni, analogicznego do przejścia fazowego wody ciekłej w lód. Istnieje sześć teorii strun, a każda jest inna. W każdym razie próbuje się — przyjmując ich obecność (o wysoce zadziwiających cechach: wysokiej temperaturze, nadgęstości, podświetlnych prędkości, przenoszenia potężnych prądów elektrycznych, dotąd nie obserwowanych, a tylko wydedukowanych) — wyjaśnić powstawanie niektórych realnych obiektów naszego Uniwersum, np. galaktyk, obecność nieświecącej masy, wszystkie wysoce aktywne obiekty (od cząstek subelementarnych do kwazarów, a nawet… monopoli magnetycznych). Te ostatnie jednak okazały się tylko mrzonką. Niestety, również same struny (posiadające przecież tak zadziwiające z punktu naszej fizyki własności) są uważane przez wielu astronomów jedynie za „wymysł teoretyczny” (spójny tylko wewnętrznie) albo będące „najprawdopodobniej bez znaczenia”, czyli poniekąd twory science fiction…

Powróćmy do klasycznego, standardowego modelu ewolucji Wszechświata, potwierdzonego również dzięki rozmaitym misjom astronautycznym! Po upływie około 10 s od początku świata jego rozmiary przekroczyły już rozciągłość (we wszystkich kierunkach) naszego Układu Słonecznego, inflacja osłabła bądź wręcz zanikła, gęstość zmalała do ok. 10 000 ton/m³, a temperatura spadła do 10 mld K. Nastała tzw. era promieniowania, ponieważ główną składową tego wczesnego Wszechświata było promieniowanie elektromagnetyczne, które jako ostatnie odłączyło się od pozostałych oddziaływań fizycznych.

Minął początkowy raptowny etap ewolucji, czyli rozwoju Wszechświata. Tempo jej zmniejszyło się, ale Kosmos nadal się rozszerzał, będąc niemal całkowicie wypełniony promieniowaniem, a potem również plazmą, czyli wysokotemperaturowym zjonizowanym gazem. To w owym gorącym i nieprzezroczystym dla promieniowania gazie rozchodziły się różnej długości fale akustyczne, czyli przemieszczające się zagęszczenia i rozrzedzenia materii.

Okazało się więc, że Wszechświat nie tylko potężnie rozbłysnął, ale powstał również z… wielkim hukiem! (zresztą wyrażenie Big Bang oznacza również „wielki hałas”). Ten „zamrożony krzyk Wszechświata” zaobserwował satelita astronomiczny COBE jako zaburzenia wspomnianej wyżej temperatury promieniowania tła kosmicznego. Zdarzyło się to wtedy, kiedy promieniowanie „odłączyło się” od materii — temperatura spadła poniżej 3000 stopni i powstały neutralne atomy wodoru, a gęstość zmniejszyła się już do niewyobrażalnie małej wartości, ponieważ rozmiary Wszechświata (ciągle jeszcze gazowego) wzrosły do ponad 10 000 000 lat świetlnych. Stało się to po upływie około 1 000 000 lat od początku świata.

Następnie, po upływie mniej więcej miliarda lat od początku świata, zaczęły powstawać z pierwotnego wodoru oraz helu galaktyki (skupiające się z reguły w gromady). Proces ten jest jeszcze niedostatecznie rozpoznany. Wielki obłok gazowy protogalaktyki uległ — na skutek szybkiego ruchu wirowego — znacznemu spłaszczeniu (chociaż znamy również galaktyki elipsoidalne i nieregularne — tych ostatnich jest najmniej). Wiemy również, że z ogromnych obłoków gazowych, na które dzieliła się protogalaktyka, zaczęły się formować gwiazdy — i to wcale nie pojedynczo! Jako pierwsze, co najmniej 14 mld lat temu, powstały tzw. gromady kuliste — sferyczne skupiska gwiazd liczące od kilkudziesięciu tysięcy do 10 mln składników. Jedna z nich jest niemal widoczna nieuzbrojonym okiem, a już na pewno przez lornetkę. Jest to gromada kulista M 13 w gwiazdozbiorze Herkulesa, do której została wysłana słynna „depesza z Arecibo” komunikująca o naszym istnieniu.

W naszej Galaktyce powstały też ramiona spiralne będące zagęszczeniami gazu (i pyłu), najprawdopodobniej na skutek przebiegu w ośrodku międzygwiezdnym (na początku złożonego głównie wodoru i helu) tzw. fal gęstości. W ramionach spiralnych mamy najwięcej gwiazd młodych.

Dopiero we wnętrzu gwiazd powstawały kolejne pierwiastki. Te z gwiazd (zwłaszcza masywne), które zakończyły ewolucję jako nowe albo supernowe, nasycały właśnie tymi pierwiastkami — jako gazem lub pyłem — przestrzeń wewnątrz Galaktyki (jej częścią jest Droga Mleczna i wszystkie widoczne gołym okiem gwiazdy). Dodajmy jeszcze, że tylko podczas wybuchu gwiazdy jako supernowej mogą powstać wszystkie pierwiastki, do uranu włącznie. Gwiazdy mniej masywne, które spokojnie kończą swój żywot, mogą w swoim jądrze wytworzyć pierwiastki tylko do żelaza włącznie.

Potem powstawały gwiazdy następnego pokolenia — grupowo bądź jako gwiazdy wielokrotne, podwójne, albo też pojedyncze. Niektóre z nich znowu, pod koniec swego istnienia, wybuchały jako nowe lub supernowe, wzbogacając materię międzygwiezdną w ciężkie pierwiastki.

Wreszcie przeszło 5 mld lat temu, w odległości ponad 30 000 lat świetlnych od środka Galaktyki, w jednym z jej ramion spiralnych zaczął się kurczyć pod własną grawitacją pewien obłok gazowo–pyłowy. Wybuch bliskiej supernowej przyspieszył proces kurczenia i nasycił obłok ciężkimi pierwiastkami. Po upływie około pół miliarda lat wybuch innej supernowej spowodował dalsze przyspieszenie kurczenia się już… protosłońca (bo to nim mowa!) oraz wytworzył w meteoroidach — będących wtedy tzw. planetozymalami — mikrodiamenty! Odnajdujemy je w meteorytach, które spadły na Ziemię.

Natomiast planetozymale to pierwotne bryły materii w dysku protoplanetarnym otaczającym Słońce ponad 4,5 mld lat temu, z których następnie powstały planety: w tym również Ziemia. Jak widać, nie tylko Galaktyka przybrała płaski kształt, lecz również Układ Słoneczny — najpierw w postaci dysku protoplanetarnego (ze Słońcem pośrodku). Natomiast obecnie planety obiegają Słońce po orbitach nachylonych względem siebie pod niewielkimi kątami, czyli niemal w tej samej płaszczyźnie. Wyjątek stanowi Pluton, ale ostatnio został „zdegradowany”. Stanowi on największy obiekt tzw. pierścienia Kuipera rozciągającego się poza orbitą Neptuna. W skład tego pierścienia wchodzą planetoidy i jądra komet. Poznaliśmy już kilkaset takich ciał.

A zatem znowu mamy w naszym Układzie osiem planet: cztery typu ziemskiego (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars) i cztery olbrzymy (Jowisz, Saturn, Uran, Neptun), czyli niejako po równo…

Okazało się również, iż tak jak najczęściej występującym pierwiastkiem jest wodór H₂, to najczęściej występującym związkiem chemicznym jest H₂O, czyli woda w różnych stanach skupienia, głównie stałym (to tylko na Ziemi woda występuje przeważnie w stanie ciekłym i jedynie na Ziemi, spośród znanych planet, występują otwarte zbiorniki wodne).

Powracając więc do początku można stwierdzić, że oto powstaliśmy z ognia i lodu!

Dr hab. Tadeusz Zbigniew Dworak, profesor nadzwyczajny AGH — fizyk, astronom, specjalista w dziedzinie inżynierii środowiska, a także pisarz SF — pracuje w Zakładzie Kształtowania i Ochrony Środowiska Wydziału Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska Akademii Górniczo–Hutniczej w Krakowie.