Pismo religijno-społeczne poświęcone polskiemu
      ewangelicyzmowi i ekumenii

Nr 11-12 / 1989

Astronomia jest córką ludzkiej ciekawości, która od czasów starożytnych skłania człowieka do stawiania sobie pytań o ruchy i naturę gwiazd, strukturę i granice wszechświata. Ten wysiłek zrozumienia naszego otoczenia – w najszerszym sensie tego słowa – jest dziś bardzo żywy. Międzynarodowa Unia Astronomiczna skupia około 5000 zawodowych astronomów. Jest to jednak proporcjonalnie skromna liczba, ponieważ odpowiada to średnio około jednemu astronomowi na 100 000 mieszkańców krajów rozwiniętych.

MODELE I OBSERWACJE

Ludzie nauki mówią na ogół raczej o modelach niż o obrazach świata. Dany model astrofizyczny jest jakąś strukturą matematyczną opartą na prawach fizyki, pomyślaną dla opisania własności i ewolucji pewnego obiektu kosmicznego: .planety, gwiazdy, galaktyki, gromady galaktyk, wszechświata.

Obok modeli istotną rolę gra doświadczenie, tj. obserwacja, przede wszystkim jako weryfikator teorii i modeli. M. Schwarzschild, jeden z pionierów teorii ewolucji gwiazd, odnotowuje na ten temat: „Jeśli proste i doskonałe prawa rządzą wszechświatem w jedyny sposób, czyż czysta myśl nie powinna być zdolna do odkrycia tego doskonałego zbioru praw bez odwoływania się do żmudnie zebranych obserwacji? To prawda, prawa do odkrycia mogą doskonale opisywać przyrodę, lecz mózg ludzki doskonały nie jest. Pozostawiony sam sobie ma skłonność do błądzenia, jak wskazują rozliczne i smutne przykłady z przeszłości. Istotnie, uniknęliśmy jedynie niewielu możliwości pomyłek, zanim nowe, świeżo odczytane dane nie sprowadziły nas na właściwą drogę ku następnym etapom”.

Poza rolą weryfikatora, obserwacje stanowią podstawę metody indukcyjnej: stawiają nowe pytania, pobudzają idee i stymulują rozwój nowych teorii, które z kolei będą podlegały próbie faktów.

Głównym nośnikiem informacji o warunkach panujących na gwiazdach jest światło, tj. promieniowanie elektromagnetyczne. Astronomowie doprowadzili do wysokiego stopnia perfekcji metody i techniki obserwacji oraz analizy promieniowania, aby mierzyć różne właściwości gwiazd, takie jak natężenie ich promieniowania, ich odległości, prędkości, temperatury, pola grawitacyjne, skład chemiczny etc. Do dziedziny widzialnej, obserwowalnej przez teleskopy naziemne, sztuczne satelity dorzuciły obserwacje w podczerwieni, ultrafiolecie, promieniach X i gamma. Wszystkie te obserwacje znacznie wpłynęły na wzbogacenie naszego modelu wszechświata.

Liczne, będące w trakcie realizacji projekty badawcze prawdopodobnie znacząco wpłyną na astrofizykę końca XX wieku. Szczególną rolę odegra teleskop satelitarny, wysłany w 1989 roku, który powinien powiększyć około 1000 razy .dostępną obserwacji przestrzeń .wszechświata. Europejska Agencja Przestrzeni Kosmicznej (ESA) wyśle również w 1989 roku satelitę Hipparkusa, przeznaczonego do bardzo dokładnych pomiarów odległości we wszechświecie. ESA przygotowuje wiele innych satelitów dla obserwacji w podczerwieni (ISO), dla promieni X (XMM). Europejskie obserwatorium na kontynencie australijskim (ESO) rozpoczęło konstrukcję czterech teleskopów, sprzężonych w dwu parach, każdy o średnicy 8 metrów, równoważnych jednemu teleskopowi o średnicy 16 metrów, co stanowić będzie największy teleskop świata. Szczęśliwie, Szwajcaria w pełni i aktywnie uczestniczy w tych wszystkich projektach, które zasługują tu na wymienienie, ponieważ to dzięki tym instrumentom odbywa- się odkrywanie, rozumienie wszechświata i budowanie jego modeli.

STRUKTURA WSZECHŚWIATA

Stałe przestrzeni i czasu, charakterystyczne dla wszechświata, są ogromne w zestawieniu z tym, o czym poucza nas wspólne doświadczenie. Życie ludzkie jest jedynie chwilą w porównaniu z czasem ewolucji gwiazd i wszechświata. Np: wiek Słońca (i Ziemi) to około 4,5 miliardów lat, a wiek najstarszych gwiazd – to około 15 miliardów lat, co nam wskazuje szacunkowo na wiek wszechświata; tak więc przez doświadczenie człowieka, które na skali kosmosu jest kwasi-punktem w czasie i przestrzeni, astronom stara się zgromadzić wiedzę ó wszechświecie.

Podajemy niektóre dane o odległościach i strukturze wszechświata: nasza galaktyka, Mleczna Droga, jest płaskim dyskiem o średnicy ok. 100 000 lat świetlnych. Zawiera ona ok. 200 miliardów gwiazd. Nasz przyjaciel – Słońce – jest jedną z nich. Ukażemy lepiej skalę; odległości podkreślając, że dla dotarcia do najbliższej gwiazdy Proxima Centaurii – położonej w odległości 4 lat świetlnych – przy użyciu statku kosmicznego Apollo, który wyniósł ludzi na Księżyc – potrzeba by było 120 000 lat.

Galaktyki tworzą gromady i asocjacje (skupiska gromad) od kilkudziesięciu do tysięcy galaktyk. Lokalne skupienie, którego częścią jest Mleczna, Droga, ma średnicę około 15 milionów lat świetlnych. Gromady są , skupione w asocjacjach około siedem do dziesięciu razy większych. Niedawne prace wykazały obecność dużych pustych przestrzeni między asocjacjami. Rozkład gromad i asocjacji w przestrzeni jest podobny do rozkładu materii w gąbce. Gromady i asocjacje rozdzielone są obszarami ich pozbawionymi.

Widzimy więc, że struktura wszechświata jest niejednorodna poniżej ok. 100 milionów lat świetlnych, podczas gdy powyżej tych rozmiarów obserwacje wskazują, że „gąbka” jest jednorodna i izotropowa. Odnotujmy, że najdalsze z odkrytych obiektów, niektóre kwazary (jądra galaktyk) znajdują się w odległości rzędu 12 miliardów lat świetlnych.

MODELE WSZECHŚWIATA

Kosmologia jest częścią astronomii badającą strukturę, początek i ewolucję wszechświata. Jest to dziedzina pasjonująca – tak pod względem naukowym, jak filozoficznym. W dziedzinie tej należy się wystrzegać dedukcji i konstrukcji umysłowych inspirowanych wspólnym doświadczeniem i tzw. zdrowym rozsądkiem. Historia roi się od modeli kosmologicznych, proponowanych z różnorakich względów, które nie oparły się próbie starannej obserwacji.

Pomiędzy różnymi fundamentalnymi siłami, których działanie wyróżnił fizyk., grawitacja jest jedynym oddziaływaniem, którego wpływ, może być rejestrowany aż do najdalszych części wszechświata Fakt ten wyjaśnia, że to właśnie teoria grawitacji, tj. ogólna teoria względności Einsteina, jest trzonem badań kosmologicznych.

Astronomowie XIX wieku wyobrażali sobie wszechświat, statyczny i nieskończony; również pierwsze modele Einsteina były statyczne, tj. nie uwzględniały ewolucji kosmosu i przyjmowały nieskończoność wszechświata. To przy wiązanie - do. modeli statycznych ma kilka .przyczyn, lecz główna wydaje się być natury filozoficznej: życzono sobie wszechświata nieruchomego i niezmiennego w czasie.

W 1929 roku E. Hubble odkrył wzajemne oddalanie się galaktyk, co położyło kres modelom statycznym. Zjawisko ucieczki galaktyk ma -dwie własności: z jednej strony galaktyki oddalają się od nas z tym większymi prędkościami, im dalej się znajdują (prawo Hubble’a), z drugiej strony – ruch ten jest izotropowy. Oznacza to, że ucieczka odbywa się we wszystkich kierunkach jednakowo. Czy to oznacza, że jesteśmy w centrum wszechświata i jego ekspansji? Istnieje inne, bardziej zadowalające wyjaśnienie: idea ekspansji uogólnionej, której dobrą ilustrację stanowi uproszczony obraz, jaki zawdzięczamy Gamowowi. Wyobraźmy sobie ciasto zawierające suche rodzynki, przedstawiające galaktyki we wszechświecie. W czasie pieczenia ciasto pęcznieje. Każdy obserwator, związany z jedną z tych „galaktyk”, widziałby, że inne galaktyki oddalają się od niego z prędkościami proporcjonalnymi do odległości (prawo Hubble’a); miałby on również wrażenie, że znajduje się w centrum ekspansji (izotropia). Zatem uogólniona ekspansja dobrze opisuje obserwowane własności nie dając obserwatorowi pozycji uprzywilejowanej. Nasza galaktyka (i dworzec w Perpignan, jak sugerowałby Salvador Dali) może uważać siebie za centrum wszechświata, lecz podobnie jest ze wszystkimi galaktykami.

Obserwowana ekspansją wskazuje nam, że w przeszłości galaktyki były sobie bliższe. Sugeruje to, że odpowiednio daleko w czasie musiała .istnieć faza ewolucji, gdzie cała materia wszechświata była nieskończenie skoncentrowana. Jest to hipoteza początkowego wybuchu (Big-Bang) – który miał miejsce około 15 miliardów lat temu – w trakcie którego wszechświat miałby się zrodzić z osobliwości charakteryzującej się stanem nieskończonej koncentracji. Modele wszechświata, jakie uzyskuje ogólna teoria względności, pouczają nas, że nie należy widzieć oddalania się galaktyk jako ruchu galaktyk w istniejącej wcześniej przestrzeni, lecz jako rozszerzanie się samej przestrzeni. Podobnie Big-Bang nie jest wybuchem w przestrzeli, lecz wybuchem samej przestrzeni. Zatem, .na pytanie, gdzie miał miejsce Big-Bang, można w tym kontekście uzyskać jedynie odpowiedź: wszędzie.

Aż do 1965 roku obserwowaliśmy obfitość modeli kosmologicznych, z których każdy na swój sposób starał się interpretować odkrycie Hubble’a. Wiele z tych modeli zrodził opór ich autorów wobec przyjęcia istnienia Big-Bangu. Nowe odkrycie zakwestionowało większość z tych modeli, w szczególności te, które nie opierały się na teorii Einsteina. W tym to roku A. Penzias i R. Wilson, posługując się radioteleskopem rejestrującym fale centymetrowe, odkryli .istnienie promieniowania reliktowego zapełniającego izotropowo wszechświat. To promieniowanie o charakterze termicznym ma bardzo niską temperaturę 3K (-270°C). Szczegółowa interpretacja pokazała, że to promieniowanie powinno by pochodzić od początkowych, bardzo skoncentrowanych i bardzo gorących faz wszechświata – to promieniowanie termiczne wyzwoliło się podczas Big-Bangu. Odkrycie to, tak jak odkrycie Hubble’a, jest jednym z najważniejszych w astronomii. Potwierdza ono ideę o eksplozyjnym charakterze początku wszechświata. Penzias i Wilson otrzymali w 1978 roku nagrodę Nobla z fizyki za swój wkład w tę naukę.

CZY WSZECHŚWIAT JEST SKOŃCZONY CZY NIESKOŃCZONY?

To bardzo stare pytanie, leżące u podstaw badań kosmologicznych, pozostaje, zawsze aktualne. Terminy „skończony” i „nieskończony” odpowiadają według ogólnej teorii względności różnym geometriom czasoprzestrzeni. W istocie, według tej teorii, geometria zależy od rozkładu przestrzennego materii we wszechświecie. Jeśli średnia gęstość materii jest większa od pewnej gęstości krytycznej, mamy wszechświat skończony i zamknięty: podążając za wysłanym promieniem świetlnym obserwator wróciłby do punktu Wyjścia.

Po fazie rozszerzania się takiego zamkniętego modelu wszechświata następuje faza kurczenia się, kończąca się Big-Bangiem końcowym, w którym zdarzenia dzieją się w sposób odwrotny do zdarzeń Big-Bangu początkowego. Wiedzieć, któremu z dwu powyższych modeli (lub ewentualnie modelowi granicznemu, rozdzielającemu . je) odpowiada nasz wszechświat – to jeden z najważniejszych, jak się uważa, problemów kosmologii obserwacyjnej; w celu rozstrzygnięcia tego problemu zostały uruchomione potężne narzędzia obserwacyjne.

Obserwacja ruchów galaktyk w gromadach i asocjacjach wykazała istnienie „ciemnej materii”, której natura nie jest dokładnie znana. Ta ciemna materia, znajdująca się prawdopodobnie w formie cząstek elementarnych, wydaje się być głównym materialnym składnikiem konstytuującym wszechświata. Widać więc, że znaczne luki tkwią w naszej wiedzy o wszechświecie. Odnotujmy, że aktualne wyniki mówiące ó ciemnej materii świadczą na korzyść modelu wszechświata otwartego.

WSZECHŚWIAT POCZĄTKOWY .

Wszechświat początkowy i Big-Bang – to najpoważniejsze problemy kosmologii. Obecnie obserwujemy ogromne zastosowanie fizyki cząstek elementarnych w kosmologii, jak to pokazują np. badania prowadzone w CERN1. W istocie, fazy początkowe wszechświata charakteryzowały się bardzo wysokimi temperaturami (wyższymi niż miliardy stopni), a zatem bardzo wysokimi energiami. Do badań fizyki wysokich energii trzeba dużych akceleratorów cząstek, co oznacza, że kosmologia i fizyka cząstek elementarnych zajmują się tym samym.

Odniesiono już interesujące sukcesy, np. przeprowadzono eksperymenty z energiami charakterystycznymi dla pierwszych trzech minut wszechświata, podczas których powtórzono kosmiczną syntezę pierwiastków ciężkich i lekkich (He, Li, Be, B) w proporcji bardzo dobrze odpowiadającej proporcji obserwowanej we wszechświecie. Było to testowanie praw fizyki pierwszych minut wszechświata i fizycy wysokich energii oraz astrofizycy starają się teraz zrozumieć pierwszą sekundę...

Przedmiotem wszystkich pytań jest oczywiście początkowa osobliwość. S. W. Hawking dostarczył w 1976 roku pewnych istotnych elementów do tej dyskusji. Pokazał on, że osobliwość jest otoczona tzw. absolutnym horyzontem zdarzeń, to znaczy .powierzchnią, poprzez którą nie może być transmitowana żadna informacja. To ograniczenie jest narzucone przez zasadę nieoznaczoności Heisenberga w fizyce kwantowej, która to zasada mówi, że nie można z nieskończoną precyzją znać równocześnie czasu wydarzenia i jego energii. Osobliwość Big-Banga jest więc otoczona powierzchnią (t = 10-41sek.), poprzez którą nie może przenikać żadna informacja. Mówi się, że Einstein, który wcale nie lubił nieoznaczoności mechaniki kwantowej, powiedział: „Bóg nie gra w kości”. W następstwie prac nad osobliwościami Hawking dodaje żartem: „Bóg nie tylko gra w kości, ale czasem rzuca je tam, gdzie nie mnożna ich zobaczyć”.

[„Les Cahiers Protestants” 1988, nr 5]

Tłum. I.G.-S.

1 Europejskie centrum badań energii jądrowej w Genewie – red.