Ostatnie lata to epoka triumfu teorii kosmologicznej inflacji objaśniającej dzieje Wszechświata. Ta teoria narodziła się w postaci idei, modeli i scenariuszy w latach 80-tych ubiegłego wieku, które doprowadziły do przewidywania szeregu sprawdzalnych zjawisk zachodzących we Wszechświecie. Dzisiaj dzięki precyzyjnym pomiarom reliktowego promieniowania i cyfrowemu przeglądowi nieba oraz innym obserwacjom te przewidywania potwierdzają się jedno po drugim.
Wieczny, nieskończony i w zasadzie niezmienny wszechświat – taki kosmologiczny paradygmat ukształtował się stopniowo w XVI-XIX wiekach i trwał do lat 20-tych ubiegłego wieku. Wtedy to okazało się, że rzeczywistość okazała się bardziej skomplikowana: Wszechświat miał początek, rozwija się – ewoluuje i przestanie istnieć w znanej nam aktualnej postaci. Jak wszystko co w sobie zawiera. Panta rhei - wszystko się zmienia.
Kronika pierwszej kosmologicznej rewolucji wygląda następująco:
1915-1917: Albert Einstein formułuje Ogólną Teorię Względności, z której wynika niestacjonarność Wszechświata jako całości.
Einstein uświadamia sobie, że jego równania nie dopuszczają możliwości istnienia statycznego, nieskończonego Wszechświata jednorodnie wypełnionego materią i dodaje do nich dodatkowy wyraz dzięki któremu Wszechświat mógł być statyczny i niezmienny. Później sam mówił, że był to największy błąd jego życia. Teraz wszystko wskazuje na to, ze ów dodatkowy wyraz zwany stała kosmologiczną odpowiada ciemnej energii, a jego inna wartość nie sprawia, że Wszechświat jest statyczny.
1922: Aleksandr Friedman pokazuje, że Wszechświat ze stałą kosmologiczną wprowadzoną przez Einsteina jest niestabilny i publikuje rozwiązania równań Einsteina opisujące niestacjonarny Wszechświat.
W najprostszych rozwiązaniach Friedmana opisujących rozszerzający się Wszechświat istnieje w przeszłości miejsce, w którym znajdowało się wszystko co dziś widzimy tworząc obszar o nieskończonej gęstości. I tak możemy dojść do początku Wszechświata, do teorii Wielkiego Wybuchu. Publikacje Friedmana nie spotkały się jednak z zainteresowaniem świata naukowego łącznie z Einsteinem.
1923-1925: Edwin Hubble widzi w spiralnych mgławicach cefeidy. Niezwykłą i cenną dla astronomów własnością cefeid jest związek pomiędzy ich przeciętną jasnością i okresem pulsacji.
Z ich widocznej jasności wynika gigantyczna do nich odległość. Odległość jest tak wielka, że mgławice, w których znajdują się cefeidy mogą być galaktykami podobnymi do naszej. Tak ustaliła się pozagalaktyczna astronomia, którą zapoczątkował trochę wcześniej amerykański astronom Vesto Slipher.
1912-23: Vesto Slipher w 1912 r. podjął program badań prędkości spiralnych mgławic mierząc je pośrednio metodą spektroskopii, interpretując przesunięcia w częstotliwości przy pomocy efektu Dopplera. Slipher do 1923 r. dokonał analizy widm 36 spośród 41 spiralnych mgławic, które obserwowano w Lowell Observatory w Flagstaff w Arizonie.
Jednak wtedy jeszcze nikt nie podejrzewał reperkusji, jakie uzyskane dane mogłyby spowodować w całej kosmologii, głównie ze względu na debatę na temat tego, czy spiralne mgławice były dalszymi wyspami wszechświata. Przecież odkrycie istnienia innych niż Droga Mleczna galaktyk zostało dokonane dopiero na początku 1925 roku.
1927: Georges Lemaitre, belgijski ksiądz, znakomity matematyk i fizyk teoretyczny, wybitny astrofizyk (uzyskał stopień doktora w MIT bez konieczności ustnej obrony swej pracy doktorskiej), profesor Uniwersytetu Katolickiego w Louvain, niezależnie od Friedmana znajduje rozwiązania równań Einsteina i aktywnie propaguje teorię niestacjonarnego Wszechświata.
Jego model kosmologiczny nadaje wszechświatowi swoją historię i dynamikę. Wszystko zaczyna się w początkowej osobliwości, którą zinterpretował jako „Pierwotny Atom”, a przestrzeń staje się „wypełniona” produktami rozpadu tego atomu.
Pojęcie „pierwotnego atomu” stało się źródłem przyszłej teorii „Big Bangu”. Ta idea sugerowała swoisty początek rozszerzającego się wszechświata. Wysunięta przez kapłana, członka „Bractwa Kapłańskiego Przyjaciół Jezusa” (“Fraternité Sacerdotale des Amis de Jésus”) hipoteza nie budziła wówczas zaufania. Propozycja wywołała początkowo sceptycyzm ze strony ówczesnej społeczności naukowej, a samą hipotezę Lemaitre’a nazywano wręcz odpychającą. Traktowano ją jako próbę wprowadzenia idei stworzenia przez Boga do kosmologii. A przecież poglądy Lemaitre’a na naukę i wiarę należało uznać wtedy za bliskie konkordystycznym, a później zakwalifikować jako metodologiczny separatyzm.
Lemaitre znał pierwsze dane Hubble’a i Sliphera mówiące, że światło emitowane przez większość galaktyk jest przesunięte ku czerwieni. Ten wybitny uczony kapłan, teoretycznie przewidział prawo przesunięcia ku czerwieni: szybkość oddalania się galaktyki jest proporcjonalna odległości do niej. Co więcej, Lemaitre wziął dane Sliphera dotyczące przesunięcia ku czerwieni galaktyk oraz rezultaty Hubble’a dotyczące odległości do galaktyk i potwierdza swoje domysły: liczby świadczyły o ekspansji Wszechświata w tempie 625 km/sek na megaparsek. Nie były to jednak pewne dane i ostatecznie w historii jako autor tego prawa pojawił się Edwin Hubble, a prawo przyjęto jako prawa Hubble’a.
Georges Lemaitre okazał się pierwszym , który był zdolny zrozumieć ówczesne wyniki „ucieczki” galaktyk jako naturalną konsekwencję rozwiązania równań Einsteina.
1929: Edwin Hubble bazując na dużej ilości pomiarów publikuje swoje prawo proporcjonalnej zależności przesunięcia ku czerwieni od odległości myląc się 7 krotnie w określeniu wartości współczynnika tej zależności.
V = H x d
W swoim artykule poświęconym temu zagadnieniu, wiedziony skromnością oznacza ten parametr literą K. Ten przełomowy wzór został nazwany prawem Hubble’a. Lecz już w 1927 r. Georges Lemaitre udowodnił w swoim artykule, który przeszedł bez echa, że z rozwiązania z rozszerzającym się wszechświatem wynika prawo nazwane nazwiskiem Hubble’a: jeśli wszystko oddala się od wszystkiego, to odległe galaktyki powinny od nas uciekać właśnie w taki sposób. Einstein uznaje ekspansję Wszechświata i Wielki Wybuch, a lambda człon w równaniu uznaje za swój błąd. Jednak ten wprowadzony dodatkowo człon począł wisieć jak strzelba na ścianie, aby na dalszym etapie rozwoju kosmologii wystrzelić jak w dobrej sztuce.
Na tym pierwszą rewolucję kosmologiczna można było uznać za dokonaną, chociaż fakt jej zaistnienia dotarł do świadomości niewielu. Sam Hubble nie był pewien, że jego prawo udowadnia rozszerzanie Wszechświata. Błąd w wyznaczeniu stałej Hubble’a wprowadzał wątpliwości: wiek Wszechświata , określany jako moment początku „rozbiegania” się galaktyk wyliczony ze wzoru Hubble’a wychodził bardzo mały – około 2 miliardy lat.
Na błąd Hubble’a składało się kilka czynników z których najważniejszy to nieprawidłowa kalibracja „standardowych świec”, za które przyjęto cefeidy. Cefeidy to wyjątkowo jasne, tysiąc lub nawet dziesięć tysięcy razy jaśniejsze od Słońca gwiazdy regularnie zmieniające swą jasność. Każda cefeida pulsuje - okresowo zmienia swoje rozmiary i temperaturę powierzchni. Okres takich zmian wynosi od kilku dni do kilku miesięcy. Niezwykłą i cenną dla astronomów własnością cefeid jest związek pomiędzy ich przeciętną jasnością i okresem pulsacji - jaśniejsze cefeidy pulsują wolniej od słabszych. Jasność cefeid została zaniżona i odpowiednio odległości do galaktyk z różnymi cefeidami też były zaniżone. A odległość do bardziej oddalonych galaktyk określono przy pomocy ich najbardziej jasnych gwiazd, które uznano za „standardowe świece”. I to był drugi błąd Hubble’a, gdyż to nie były wcale pojedyncze gwiazdy, a ogniska tworzenia się nowych gwiazd, które są jaśniejsze od gwiazdy.
Te i inne błędy spowodowały zmniejszenie wyliczonej odległości do galaktyk. Mniej więcej bardziej prawidłowa ocena stałej Hubble’a została określona w początkowych latach drugiej połowy ubiegłego wieku, chociaż jej oszacowania jeszcze długo różniły się nawet dwukrotnie.
Nowy paradygmat stawał się z trudem panującym w kosmologii przez wiele lat. Sławny kosmolog angielski Fred Hoyle, który kpiąco ukuł termin „Big Bang” do końca nie uznawał modelu Wielkiego Wybuchu.
A sam Hubble – wydaje się – nie do końca zdawał sobie sprawę z rewolucyjnego znaczenia swojego prawa. Często podkreślał, że prawo przesunięcia ku czerwieni ma charakter doświadczalny, a jego interpretacja jest zadaniem dla teoretyków. Nie odrzucał możliwości, że przesunięcie ku czerwieni może być wynikiem nieznanego nauce zjawiska zmniejszenia częstotliwości fal elektromagnetycznych przy ich propagacji na tak olbrzymich odległościach.
W wyniku rewolucji kosmologicznej w pierwszej połowie XX wieku okazało się, że Wszechświat się rozszerza, ewoluuje, ma datę swoich urodzin i horyzont, dalej którego nie jesteśmy w stanie zajrzeć.
Komentarze