Puls wszechświata

Po pierwszej fazie gwałtownej ekspansji wszechświata, jej tempo zmalało niemal do zera, by potem znowu nabrać przyspieszenia. Jaka siła jest odpowiedzialna za to dziwne zachowanie? - pisze ks. Michał Heller

16.08.2011

Czyta się kilka minut

Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Kitt Peak, Pima County, Arizona, USA / fot. Jim Sugar / Corbis /
Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Kitt Peak, Pima County, Arizona, USA / fot. Jim Sugar / Corbis /

Z lotniska Stansted do Cambridge jedzie się pociągiem ok. pół godziny. Właśnie przylecieliśmy z Krakowa, a ponieważ do odjazdu najbliższego pociągu było jeszcze sporo czasu, wypiliśmy kawę w jednym z lotniskowych barów, zajrzeliśmy do "Smitha", żeby sprawdzić, czy nie ma jakichś specjalnie ciekawych książkowych nowości, pokręciliśmy się po różnych zakątkach lotniska (zawszę lubię to robić) i wreszcie zjechaliśmy windą na dół, na perony.

Czekanie kieruje wzrok na zegar. Właśnie był nad naszymi głowami. I nagle leniwe upływanie czasu zaiskrzyło czymś nieoczekiwanym: na zegarze widnieje godzina 12:90! Nawet w Anglii godzina ma przecież tylko 60 minut. Szybko jednak mała sensacja zredukowała się do zwodniczej rzeczywistości - drobna awaria elektronicznego urządzenia: w cyfrze "pięć" bezprawnie zapaliła się jedna dodatkowa kreseczka i z piątki zrobiła się dziewiątka. To drobne wydarzenie było jednak symptomatyczne. Przyjechaliśmy tu bowiem, by cofnąć się w czasie o 80 lat.

W Cambridge ma się odbyć sympozjum z okazji 80. rocznicy opublikowania przez Georgesa Lemaître’a artykułu, który zapoczątkował teorię Wielkiego Wybuchu. Nie będzie to jednak zwykłe cofnięcie się w czasie. Teoria Wielkiego Wybuchu jest bowiem powszechnie dziś uznawaną teorią kosmologiczną, niezwykle dynamicznie rozwijającą się w ostatnich latach.

Najnowsze generacje teleskopów, kolejne misje satelitarne i wyrafinowana technologia w służbie astronomii dostarczają coraz to nowych danych pozwalających podejrzeć historię wszechświata. Wszystko wskazuje na to, że na sympozjum w Cambridge będziemy uczestniczyć w fascynującym spleceniu się historii ze współczesnością. W nauce i jej historii dzieją się rzeczy znacznie bardziej interesujące niż wydłużenie godziny do dziewięćdziesięciu minut.

***

Najpierw, przez trzysta lat, mieścił się tu klasztor Franciszkanów. Jak głosi wmurowana w ścianę tablica, stąd promieniowała mądrość jednego z mnichów, Dunsa Szkota. Po gwałtownych wydarzeniach związanych z Reformacją miejsce klasztoru na jakiś czas zajęło protestanckie seminarium. Lady Frances Sidney, księżna Sussex, po śmierci męża zapisała znaczną sumę na założenie tu college’u. Jej wola została wykonana w 1596 r. Dziś college nosi nazwę Sidney Sussex College. Leży w samym środku Cambridge.

Zgrzebny mur od ulic Jesus Lane i Sidney Street nie zapowiada, że za nim znajduje się miejsce jakby stworzone do studiów: plątanina starych budynków z nowymi dobudówkami, przetykana ogrodami, tonącymi o tej porze roku w kwiatach i zieleni.

Jesienią 1923 r. przybył do Cambridge z Belgii nowo wyświęcony ksiądz, Georges Lemaître, żeby studiować teorię względności i kosmologię pod kierunkiem sławnego Arthura Eddingtona. Miał za sobą studia inżynierskie na uniwersytecie w Louvain, służbę wojskową w piechocie i artylerii na frontach I wojny światowej, studia matematyczne (również w Louvain) i trzy lata w Seminarium Duchownym w Malines (dla spóźnionych powołań; było takich sporo po wojnie). Kardynał Mercier pozwolił mu na uczenie się teorii względności podczas studiów teologicznych i teraz skierował go na dalsze pogłębianie naukowych kwalifikacji.

Lemaître zamieszkał w St. Edmund’s House. Był to jedynie House, a nie College. Księża katoliccy nie mogli wówczas być członkami żadnego z college’ów, dlatego specjalnie dla nich został zbudowany na peryferiach miasta Dom Św. Edmunda. Dziś Lemaître’a uważa się za najwybitniejszego mieszkańca w dziejach tego Domu, ale niestety nie zachowały się żadne dokumenty świadczące o jego pobycie. "Nie to, co wasze Collegium Maius - napisał do mnie jeden z uczonych z Cambridge - które posiada dokument immatrykulacyjny z podpisem Kopernika".

Lemaître miał naturalne zdolności matematyczne, umiejętność precyzyjnego myślenia i dobre przygotowanie w zakresie matematyki. Współpraca z Eddingtonem (bardzo szybko z ucznia stał się współpracownikiem) oraz naukowo intensywna podróż po Kanadzie i Stanach Zjednoczonych wprowadziły go w sam środek badań wszechświata w jego największej, dostępnej wówczas skali. Te naukowe inwestycje wkrótce zaczęły przynosić owoce.

hhh

W 1927 r. Georges Lemaître opublikował artykuł w mało znanym w świecie naukowym czasopiśmie belgijskim. Przez kilka lat jego praca pozostała niezauważona. A była to praca przełomowa. Kosmologia - nauka o wszechświecie - dopiero nieśmiało wyłaniała się z pierwszych prac teoretycznych związanych z ogólną teorią względności. Znano wówczas praktycznie tylko dwa rozwiązania Einsteinowskich równań pola grawitacyjnego, które mogły pretendować do roli modeli kosmologicznych. Wprawdzie w dalekim Piotrogradzie (już nie Petersburgu, a jeszcze nie Leningradzie) Aleksander Aleksandrowicz Friedman znalazł więcej takich rozwiązań, ale informacje o nich bardzo powoli przenikały na Zachód.

Lemaître nie wiedział wówczas o rozwiązaniach Friedmana, ale jego wcześniejsze zmagania z teorią Einsteina naprowadziły go na ich ślad i odnalazł je na własną rękę. A więc wedle ogólnej teorii względności istnieje wiele modeli kosmologicznych - możliwych wszechświatów. Lemaître opanował jednak naturalny instynkt matematyka, by zagłębić się w analizę możliwości, i zadał sobie bardziej realistyczne pytanie: który z tych możliwych wszechświatów odpowiada rzeczywistemu światu? Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba z możliwych światów, tzn. ze znanych rozwiązań równań Einsteina, wydobyć teoretyczną zależność, którą dałoby się porównać z jakimiś wynikami pomiarów.

Lemaître był dobrze przygotowany, by podjąć to zagadnienie. Jeszcze podczas swojej podróży po Stanach Zjednoczonych i Kanadzie zetknął się z wynikami pierwszych pomiarów przesunięć ku czerwieni w widmach galaktyk (które nazywano wówczas mgławicami) i teraz zrozumiał, że zależność wielkości tych przesunięć od odległości danej galaktyki można wyprowadzić z teorii. Zależność tę istotnie wyprowadził i pokazał, że dla pewnego modelu (zwanego dziś modelem Eddingtona-Lemaître’a) zgadza się ona z tym, co dają pomiary.

Było to osiągnięcie na wielką skalę, gdyż to właśnie dzięki niemu kosmologia przeobraziła się z matematycznych spekulacji w naukę o rzeczywistym wszechświecie. Dwa lata później, w 1929 r., amerykański astronom Edwin Hubble sformułował słynne "prawo Hubble’a", mając do dyspozycji więcej pomiarów przesunięć ku czerwieni (prawo Hubble’a stwierdza, że im dalej galaktyka położona, tym większe jest jej przesunięcie ku czerwieni, tzn. tym szybciej się od nas oddala). W ten sposób prawo Hubble’a zostało odkryte przez Lemaître’a dwa lata wcześniej, zanim to zrobił Hubble. Ale praca Lemaître’a nadal pozostawała nieznana szerszemu ogółowi astronomów. Eddington był w kontakcie z Lemaître’em i gdy zapoznał się z jego pracą, opublikował ją w przekładzie na angielski w prestiżowym czasopiśmie "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society". Czy zatem wreszcie świat dowiedział się o wielkim dokonaniu belgijskiego kosmologa?

Historycy nauki są dociekliwi. Osiemdziesiąt lat potem, zgromadzeni w konferencyjnej sali w Sidney Sussex College, drążą w przeszłości. Czy to sam Eddington dokonał tłumaczenia artykułu Lemaître’a na angielski? Dlaczego w wersji angielskiej pominięto najważniejsze wyniki uzyskane przez Lemaître’a, te mianowicie, które odnoszą się do wyprowadzenia "prawa Hubble’a" i jego porównania z obserwacjami? Czy dlatego, że sam Eddington był bardziej zainteresowany matematyczną stroną pracy Lemaître’a, znalazł w niej bowiem rozwiązanie problemu, nad którym właśnie pracował (niestabilność rozwiązania Einsteina)?

Praca Hubble’a była już wtedy ogłoszona drukiem i może astronomowie z Cambridge nie chcieli drażnić amerykańskiego astronoma, który był bardzo wrażliwy na punkcie własnych osiągnięć? Pytania te nurtowały uczestników konferencji i powracały nie tylko na sali obrad, lecz także przy kawie i podczas spacerów.

hhh

W kosmologii, być może bardziej niż w innych dziedzinach, historia splata się z teraźniejszością. Co więcej, teraźniejszość może niekiedy inaczej odczytać historię; i to bez jej fałszowania, jak się to często zdarza w polityce. Całkiem niedawne pomiary supernowych typu Ia zmieniły nasze poglądy na rozszerzanie się wszechświata. Tempo rozszerzania nie maleje, jak dotychczas sądzono, lecz się powiększa. Najnowsze pomiary pozwalają dość dokładnie określić przebieg ekspansji wszechświata: po pierwszej fazie gwałtownej ekspansji, jej tempo zmalało prawie do zera, by potem znowu nabrać przyspieszenia. Jaka siła jest odpowiedzialna za to dziwne zachowanie wszechświata?

Ta jak najbardziej współczesna historia jest dalszym ciągiem tego, co zdarzyło się w dość już odległej przeszłości. W 1917 r. Albert Einstein zastosował równania swojej nowej teorii grawitacji (ogólnej teorii względności) do opisu całego wszechświata. Ale wyliczony wówczas przez niego model kosmologiczny okazał się niestabilny, nie chciał utrzymywać się w równowadze. Żeby tę równowagę zapewnić, Einstein dodał do swoich równań nowy człon, zawierający tzw. stałą kosmologiczną. Dzięki temu uzyskał statyczne rozwiązanie, opisujące wszechświat, który ani się nie rozszerza, ani nie kurczy.

Potem, gdy nie można już było wątpić, że galaktyki od siebie uciekają, że wszechświat się rozszerza, Einstein żałował, że dodał do równań stałą kosmologiczną. Gdyby jej nie dodał, przewidziałby rozszerzanie się wszechświata, zanim zostało ono stwierdzone obserwacyjnie. Bo dodatnia stała kosmologiczna, jak się wkrótce okazało, ma własności, jakich można by się spodziewać po antygrawitacji - zamiast powodować przyciąganie, powoduje odpychanie. Własność tę wykorzystał Georges Lemaître w swojej kolejnej, ważnej pracy kosmologicznej.

Tym razem w wyborze modelu kosmologicznego Lemaître kierował się nie tylko zgodnością z danymi obserwacyjnymi, lecz również zgodnością z najbardziej podstawową teorią fizyki, jaką była wówczas - i jest do dziś - mechanika kwantowa (w tamtych latach owiana jeszcze atmosferą nowości). Jeżeli wszechświat się rozszerza, to w przeszłości musiał być bardzo gęsty, a jego energia musiała się skupiać w coraz to mniejszej liczbie kwantów. W granicy był to jeden kwant - prakwant, z którego początek wziął cały obecny wszechświat. Lemaître nazwał go Pierwotnym Atomem - nie w sensie dzisiejszych atomów, lecz w sensie greckim, jako najprostszego elementu. Z rozpadu Pierwotnego Atomu narodziły się pierwiastki chemiczne, potem galaktyki i gromady galaktyk. To był początek kosmologii kwantowej - teorii, której ciągle poszukujemy.

Tym razem artykuł o Pierwotnym Atomie Lemaître opublikował w 1931 r. w znanym brytyjskim czasopiśmie "Nature". Jego kosmologiczna hipoteza natychmiast wzbudziła zainteresowanie. Właśnie okrągła rocznica tego artykułu była pretekstem do zorganizowania konferencji w Cambridge.

Ale Lemaître nie tracił z oczu zgodności swojego modelu z danymi doświadczalnymi. Ówczesne dane obserwacyjne (najstarsze skały na ziemi, wiek niektórych układów gwiazdowych) dawały silne ograniczenia na wiek wszechświata: nie może on być mniejszy niż 4-5 miliardów lat. Tymczasem oszacowania wynikające z ucieczki galaktyk dawały tylko ok. 2 miliardów lat. Trzeba więc było wydłużyć "teoretyczny" wiek wszechświata. Lemaître zauważył, że można to osiągnąć, przyjmując w modelu dodatnią stałą kosmologiczną. Daje to w środkowym okresie ewolucji wszechświata zwolnienie tempa jego ekspansji prawie do zera, co oczywiście wydłuża wiek wszechświata. Co więcej, zwolnienie takie jest pożądane także z tego względu, że stwarza warunki do powstawania galaktyk i ich gromad. W okresie zwolnionej ekspansji grawitacja przeważa bowiem nad odpychaniem i mogą tworzyć się zagęszczenia materii.

I oto znowu jesteśmy w naszych czasach. Dziś mamy do dyspozycji znacznie więcej danych, niż mógł mieć Lemaître 80 lat temu (ważne są przede wszystkim dane z obserwacji supernowych typu Ia). Dają one dobrą zgodność właśnie z trójetapowym modelem Lemaître’a: najpierw Wielki Wybuch i faza szybkiego rozszerzania, potem znaczne zwolnienie ekspansji i okres wzmożonego powstawania galaktyk, a następnie przyspieszenie kosmicznej ekspansji. A przyczyną tego wszystkiego w modelu Lemaître’a jest stała kosmologiczna. Wiele się dziś mówi w kosmologii o tzw. ciemnej energii, która miałaby być odpowiedzialna za kosmiczne przyspieszenie. Istnieją poważne racje teoretyczne, by ciemną energię utożsamić z tym, co matematycznie opisuje stała kosmologiczna.

hhh

Kosmologia dysponuje dziś ogromnym materiałem obserwacyjnym. Okazuje się, że dane te najlepiej pasują do modelu Lemaître’a. Nazywa się go dziś concordance model - modelem zgodności. I to jest drugie wejście Georgesa Lemaître’a. Pierwsze odbyło się 80 lat temu, ale wówczas posądzano Lemaître’a, że nie uprawia on bezstronnej nauki, lecz chce do niej przemycić religijną koncepcję początku wszechświata. Lemaître był nie tylko świadom tych zarzutów, ale był na nie szczególnie wyczulony. Często podkreślał, że jeżeli mówi o początku wszechświata, to ma na myśli "początek naturalny" (wynikający z danych czysto naukowych), który wcale nie musi pokrywać się ze stworzeniem świata, o jakim mówi religia; choćby z tego względu, że przed "naturalnym początkiem" wszechświat mógł znajdować się w innej fazie swojej ewolucji.

Zagadnienie "nauka a wiara" jest ciągle dyskutowane i po obu stronach często wielką rolę odgrywają emocje. Obrońcy religii poświęcili mu tony publikacji, ale nawet najlepsze spośród nich po kilkunastu latach tracą swoją aktualność i te same problemy trzeba dyskutować od nowa. Lemaître, po prostu uprawiając naukę i czyniąc to z iskrą geniuszu, przyczynił się sprawie dialogu między nauką a religią bardziej niż wielu zawodowych apologetów. Można sądzić, że jego drugie wejście nie jest wejściem ostatnim.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Kosmolog, filozof i teolog. Profesor nauk filozoficznych, specjalizuje się w filozofii przyrody, fizyce, kosmologii relatywistycznej oraz relacji nauka-wiara. Kawaler Orderu Orła Białego. Dyrektor, fundator i pomysłodawca Centrum Kopernika Badań… więcej

Artykuł pochodzi z numeru TP 34/2011