Ewolucja Wszechświata

Temat: MODELE EWOLUCJI WSZECHŚWIATA.

1.Teoria Wielkiego Wybuchu.
1.1 Wstęp
1.2 Definicja
1.3 Początek
1.4 Dowody Wielkiego Wybuchu
1.5 Wielki Wybuch w laboratorium
2.Modele ewolucji
2.1 Model stacjonarny
2.2 Model Wszechświata rozszerzającego się
2.3 Model Wszechświata pulsującego
2.4 Model Wszechświata zamknietego
3. Stosunek Kościoła do modelu ewolucji Wszechświata


1.Teoria Wielkiego Wybuchu

1.1 Wstęp
Istnieje kilka teorii opisujących początek i ewolucję wszechświata. Spośród nich najszerzej akceptowana jest teoria Wielkiego Wybuchu (zwana inaczej jako Big Bang). Wielki Wybuch to prawdę mówiąc nie jedna teoria, ale cały ich szereg. Wielki wybuch to cała grupa zagadnień, dociekań i przypuszczeń. Część z tych zagadnień zostało udowodnionych, lecz dla większości z nich wielu badaczy wciąż szuka dowodów. Podstawowym problemem jest to, iż żaden chyba człowiek nie może w pełni uwierzyć w to, że powstało coś z niczego. I to chyba całkiem naturalne. Taki wrodzony sceptycyzm posiada chyba każdy z nas. W końcu trudno uwierzyć, by przez jakiś Wielki Wybuch wyłoniły się gwiazdy, planety, galaktyki, a gdzieś tam na szarym końcu życie, które jest tak skomplikowaną formą rozwoju materii, zwłaszcza w przypadku nas - istot rozumnych, że wydaje się to istotnie niedorzeczne. Bardzo trafnie podsumował to dr Edwin Godwin, biolog z Princeton University, porównując szansę pojawienia się planety takiej jak nasza w wyniku Wielkiego Wybuchu do prawdopodobieństwa powstania wielkiego słownika podczas eksplozji w drukarni. Wybitny biolog W. H. Thorpe pisze zaś: "Możemy stanąć wobec możliwości, że kwestia pochodzenia życia, jak również pochodzenia wszechświata, stanie się dla nauki barierą nie do pokonania oraz przeszkodą, która oprze się wszelkim próbom zredukowania biologii do fizyki i chemii". A Albert Einstein zauważa: "Każdy, kto jest poważnie zaangażowany w badania naukowe, nabiera przekonania, że w prawach wszechświata zamanifestowany jest duch - duch znacznie przewyższający ducha człowieka, wobec którego my, z naszymi skromnymi mocami, musimy odczuwać pokorę".

1.2 Definicja
"WIELKI WYBUCH (Big-Bang), gwałtowna eksplozja bardzo gorącego i bardzo skondensowanego Wszechświata 15-20 mld lat temu, po której rozpoczęła się jego ewolucja" - to chyba najkrótsza definicja wielkiego wybuchu, będąca trzonem każdej innej definicji, spotykanych w rożnego rodzajach encyklopediach, słownikach fizycznych itp. Polska nazwa omawianego przez nas zjawiska - Wielki Wybuch, odzwierciedla początkową intensywność procesów, zachodzących we Wszechświecie, ale wprowadza również fałszywe skojarzenia z pospolitą eksplozją. Wybuch np. granatu polega na krótkotrwałym wydzieleniu energii w określonym miejscu przestrzeni, co powoduje powstanie znacznego wzrostu ciśnienia i temperatury, a w następstwie tego - fali uderzeniowej. Wielki Wybuch objął zaś jednocześnie cały Wszechświat - całą przestrzeń; ośrodek pozostawał jednorodny i izotropowy. Wielki Wybuch "zaczął się" wszędzie w tej samej chwili. Również angielska nazwa tego zjawiska - Big Bang, nie jest trafna. 10-43 sekundy po Wielkim wybuchu cały Wszechświat zawierał się w kuli wielkości łebka szpilki, a jego temperatura wynosiła 1032K. Na pewno, więc nie był "Big"(z ang. duży). Jeżeli zaś chodzi o "Bang" (z ang. wystrzał, huk, trzask... - bez wątpienia wyrazy dźwiękonaśladowcze), to próżnia, która go otaczała nie pozwalała mu się rozprzestrzeniać...

1.3 Początek
Początek wszechświata ocenia się na jakieś 15-20 mld lat (wiadomo to tylko ze stałej Hubble'a). Uczeni stworzyli drobiazgowy model powstawania Wszechświata począwszy od chwili, gdy od Wielkiego Wybuchu upłynęło 10-43 s. Co było przedtem? Tego nikt nie wie na pewno. Najprostszą odpowiedzią byłą by odpowiedź- nic. Jednak jedna z teorii mówi, że poniżej czasu Plancka:
(czas, o którym już wcześniej wspomniałam) gdy gęstość przekraczała gęstość Plancka:

(gdzie G - stała grawitacji Newtona
h - stała Plancka
c - prędkość światła)
Klasyczne pojęcie ciągłej czasoprzestrzeni nie stosowały się do rzeczywistości i należy je zastąpić teorią grawitacji, obejmującą efekty kwantowe (podobnie jak elektrodynamika kwantowa zastępuje fizykę klasyczną w opisie zjawisk w skali mikroświata). Powracając jednak do wątku - 10-43 s po Wielkim Wybuchu wszechświat był tak gorący (miał 1032 K), że cztery główne, znane nam dziś oddziaływania tworzyły jedną całość. Kiedy temp. opadła do 1028 K zaczęła powstawać pierwsza materia w postaci kwarków, a grawitacja oddzieliła się od pozostałych trzech oddziaływań. Potem powstaje "pierwotna zupa", której składnikami są mało liczne: kwarki, elektrony, neutrina i fotony, które tworzą materię, oraz ich przeciwne co do ładunku elektrycznego: antykwarki, pozytrony, antyneutrina, które tworzą antymaterię. Pomiędzy 10-35, a 10-32 s Wszechświat szybko się powiększał (jest to tzw. okres inflacji) i w tym czasie materia i antymateria uległy anihilacji, w wyniku, której została wyzwolona energia. Cząstki stają się obojętne łącząc się z odpowiednimi anty-cząstkami, co powoduje w efekcie powstanie dwóch fotonów. Fotony, posiadające wystarczającą energię, powodują na nowo powstawanie par cząstka-antycząstka, które znów się neutralizują... Historia mogłaby się tutaj zakończyć gdyby natura nie miała drobnych preferencji dla materii w stosunku do antymaterii: na miliard antycząstek przypadł miliard i jedna cząstka. Materia zwyciężyła. Podczas tego krótkiego czasu (zegar kosmiczny wskazuje 10-6 sekundy), Wszechświat się rozszerza i ochładza, a piekielny proces tworzenia i destrukcji zamiera: fotony nie mają już wystarczającej energii, aby produkować cząstki. Stając się bardziej stabilnymi, kwarki łączą się po 3, tworząc protony i neutrony. Mijają 3 minuty, niektóre protony skupiają się z innym protonem i dwoma neutronami, tworząc w ten sposób jądro helu. Samotne protony tworzą jądra wodoru. 300 000 lat przemija, w trakcie których Wszechświat kontynuuje swoją ekspansję i ochładzanie (jego temperatura nie przekracza już 10000K!). Jądra, naładowane dodatnio w zależności od liczby ich protonów, łączą się z naładowanymi ujemnie elektronami: 1 elektron dla jąder wodoru, 2 dla jąder helu. Jest to początek narodzin pierwszych atomów, najstarszych we Wszechświecie. Jeden miliard lat wystarczył, aby atomy wodoru (75%) i helu (23%) zgrupowały się dzięki sile grawitacji, tworząc cieplejsze rejony w środku lodowatej przestrzeni kosmosu, dając początek galaktykom...

1.4 Dowody Wielkiego Wybuchu
Szukając dowodów na to, że Wielki Wybuch naprawdę nastąpił, przede wszystkim naukowcy starają się ustalić, co działo się wtedy z materią i co dzieje się z nią dzisiaj. Okazuje się, że materia otacza nas wszędzie dookoła i cała jest w ruchu, wszechświat w specyficzny sposób porusza się. Na przykład naukowcy dokonali zdumiewającego odkrycia. Okazało się bowiem, że wszystkie galaktyki z ogromną prędkością uciekają od Ziemi. Co więcej im galaktyka znajduje się dalej od nas z tym większą prędkością się oddala w pustką. Zależność ta została nazwana Prawem Hubble`a. Najodleglejsze kwazary oddalają się od nas z niesamowitą prędkością bliską 94% prędkości światła. Jedyny rozsądnym wyjaśnieniem jest to, że Wszechświat się rozszerza, a skoro tak jest musiał być kiedyś mniejszy. W wyniku Wielkiego Wybuchu galaktyki rozbiegają się na wszystkie strony. W rzeczywistości jednak to nie galaktyki oddalają się od nas, tylko przestrzeń międzygalaktyczna ulega rozciągnięciu. Prześledzenie wstecz jego ekspansji prowadzi do ciekawych wniosków. Otóż kiedyś Wszechświat był ściśnięty w jednym punkcie i właśnie w tym punkcie, około 15 miliardów lat temu nastąpiła eksplozja dająca początek wszystkiemu. Chociaż część nie do końca zgadza się z teorią Wielkiego Wybuchu, istnieje dowód przemawiający na jej korzyść: obecnie wciąż obserwujemy echa tego zdarzenia. Są to nadchodzące ze wszystkich kierunków przestrzeni nikłe ślady promieniowania mikrofalowego. Jest to tzw. kosmiczne promieniowanie tła lub promieniowanie reliktowe. Obecnie ma ono temp. 2,37 K - tyle, ile jak wyliczono, miałoby w przypadku, gdyby Wszechświat stygł od momentu Wielkiego Wybuchu. Kiedy w 1960 r. po raz pierwszy odkryto promieniowanie tła było ono wielką reklamą dla Wielkiego Wybuchu. Jednak aby mogły powstać galaktyki, we wczesnych stadiach rozwoju Wszechświata musiały istnieć plamy gorąca - drobne fluktuacje gęstości, stanowiące zalążek przyszłych galaktyk. Promieniowanie tła wydaje się jednak jednorodne w całej przestrzeni. Nieco nowości przyniosły w tej dziedzinie wyniki uzyskane przez satelitę COBE (Cosmic Backgropund Explorer), z których wynika istnienie niewielkich niejednorodności temp. promieniowania reliktowego. "Mapa" stworzona przez satelitę COBE jest jak go tej pory najbardziej przekonywującym potwierdzeniem teorii Wielkiego Wybuchu.

1.5 Wielki Wybuch w laboratorium
Fizycy z Narodowego Laboratorium Brookhaven w stanie Nowy Jork wytworzyli materię o gęstości największej, jaką kiedykolwiek dotychczas otrzymano. W tym celu w akceleratorze o nazwie Relativistic Heavy Ion Collider - RHIC (Zderzacz Relatywistycznych Ciężkich Jonów) zderzano ze sobą jony złota rozpędzone prawie do prędkości światła. Uzyskana w ten sposób materia miała nie tylko ogromną gęstość, ale i temperaturę: kilka miliardów stopni (zdjęcie z prawej - Poszczególne kropki oznaczają (szary) kwarki, (zielony) gluony, (czerwony) grudki kwarków i gluonów, (niebieski) piony, (żółty) kaony). Takie warunki panowały we Wszechświecie w ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu. Istniejąca wówczas materia miała postać tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej. Protony i neutrony, które stanowią podstawowy budulec współczesnego świata, nie zdążyły się jeszcze wytworzyć. Normalnie kwark nigdy nie występuje pojedynczo. Jest zawsze połączony z dwoma innymi (jak to ma miejsce w protonach i neutronach) lub ze swoją antycząsteczką - antykwarkiem. Cząsteczkami sklejającymi ze sobą kwarki są pozbawione masy gluony. W zwykłych warunkach w żaden sposób nie można uzyskać swobodnych kwarków, np. poprzez próbę rozbicia protonu czy neutronu. Jedyną metodą jest wytworzenie bardzo gorącej i gęstej materii. Podobny eksperyment zostanie przeprowadzony w europejskim laboratorium CERN w Genewie. Tamtejszy ośrodek buduje największy na świecie akcelerator - Wielki Zderzasz Hadronów LHC (Large Hadron Collider), w którym energia zderzeń rozpędzonych protonów wyniesie może nawet 14 TeV (teraelektronowoltów). Warunki takie panowały we Wszechświecie mniej więcej po jednej bilionowej sekundy od Wielkiego Wybuchu. Produkty zderzeń będą rejestrowane przez dwa wielkie detektory uniwersalne ATLAS i CMS i dwa mniejsze, specjalnego przeznaczenia, ALICE i LHC-B.

2.Modele ewolucji
2.1 Model stacjonarny
Według Hipotezy Stanu Stacjonarnego Wszechświat wygląda tak samo z każdej pozycji przestrzeni. Jest jednorodny. Nie miałby on początku ani końca, istniałby tu zawsze i tak samo wyglądał. Einstein był zagorzałym wyznawcą poglądu Newtona o niezmiennym i nieskończonym Wszechświecie. Natomiast Lemaitre odkrył, że model Wszechświata wynikający z równań Einsteina jest dynamiczny, nie statyczny. Nietrudno się o tym przekonać. Skoro wszystkie obiekty w kosmosie wzajemnie się przyciągają, to w końcu muszą zgromadzić się w jednym miejscu i w konsekwencji cała masa Wszechświata spocznie na dnie ogromnego czasoprzestrzennego dołu. Z takiego rozumowania wynika, że Wszechświat nie może być statyczny. Musi się kurczyć lub rozszerzać. Einstein również zauważył konsekwencję swych równań. Aby naprawić sytuację, Einstein wprowadził dodatkowe założenia, z których wynika, że między galaktykami działa nowy rodzaj siły. Dodał do swoich równań człon, który był czymś w rodzaju niewielkiej siły odpychającej, równoważącej grawitacyjne przyciąganie materii, w rezultacie, czego Wszechświat pozostawał statyczny. Siły te nazwano siłami odpychania kosmicznego, a człon równania stałą kosmologiczną.
Lemaitre natomiast nie widział powodu, by wprowadzać stałą kosmologiczną, ot tak sobie, wziętą z sufitu. Pozostał więc przy modelu rozszerzającego się Wszechświata. Model Wszechświata stacjonarnego Einsteina współczesna nauka traktuje jako nieaktualny, przypisując mu wartość jedynie historyczną. Jednak przyszłość pokaże, warto zapamiętać te słowa, że to właśnie Einstein był najbliższy prawdy.


2.2 Model Wszechświata rozszerzającego się
W modelach wszechświata rozszerzającego się, przyciąganiu grawitacyjnemu przeciwstawia się bezwładność ekspansji Wszechświata. Zakłada się, że jakaś siła nadała materii prędkość początkową. To nie wszystko. Gdyby bezwładność ekspansji Wszechświata przewyższała siłę grawitacji, to Wszechświat rozszerzałby się wiecznie. Oznaczałoby to również, że istniała taka chwila, w której Wszechświat był skurczony do minimalnych rozmiarów. Według Lemaitre'a chwila ta wyznaczała początek Wszechświata.

Znaleziono inne dowody przemawiające za rozszerzaniem się Wszechświata. Hubble wykrył, że widmo galaktyk jest przesunięte ku czerwieni, a to oznaczało - jeśli przyjąć, że efekt ten jest spowodowany przez zjawisko Dopplera - że Wszechświat się rozszerza. Na dodatek dane Hubble'a pozwalały się zorientować w skali czasu, jaka wchodzi tu w grę. Znajomość prędkości ucieczki galaktyk i ich odległości od ziemi, pozwalała wyznaczyć moment w przeszłości, kiedy cała materia Wszechświata była ściśnięta w jeden punkt. Chwila ta, która - jak wynika obecnie z obliczeń - wypadała piętnaście miliardów lat temu, wyznaczała według Lemaitre'a moment stworzenia. Dla tego momentu, Fred Hoyle ukuł nazwę Wielki Wybuch. Pierwsze obliczenia uwzględniające prędkości ucieczek galaktyk oraz odległości od nich, dały wynik 1,8 miliarda lat. Potem ten wynik podniesiono do 5 miliardów lat i w końcu do 15 miliardów. Czy rozszerzanie kiedyś się skończy? Zależy to od ilości materii we Wszechświecie. Jeżeli materii jest za mało do zatrzymania ekspansji, to możliwe są dwa modele wszechświata:
- model wszechświata płaskiego
- model wszechświata otwartego

2.3 Model Wszechświata pulsującego
Pulsujący wszechświat to pomysł amerykańskiego astrofizyka R.H. Dicke'ego. W modelu tym wszechświat przechodzi przez kolejne fazy ekspansji, kontrakcji i ponownej ekspansji. Model ten można traktować jako następujące po sobie Wielkie Wybuchy, z których każdy jest nieodróżnialny od pojedynczego Wielkiego Wybuchu. Model ten cieszy się prawdopodobnie najmniejszą popularnością i ma najmniej zwolenników


2.4 Model Wszechświata zamkniętego
Gdyby tej materii było dostatecznie dużo, to jej oddziaływanie grawitacyjne zatrzymałoby proces ucieczek galaktyk, i po osiągnięciu pewnych maksymalnych odległości między galaktykami, odległości te zaczęłyby się zmniejszać. Świat zacząłby się kurczyć, aż zostałoby osiągnięte pewne maksimum gęstości materii. Taki wszechświat nazywamy wszechświatem zamkniętym.


3. Stosunek Kościoła do modelu ewolucji Wszechświata
Hipoteza Wielkiego Wybuchu nie odpowiada na podstawowe pytania:
• Co było przyczyną Wielkiego Wybuchu?
• Co stało się z czarną dziurą, którą był Wszechświat po Wielkim Wybuchu?
• Nie wyjaśnia zagadki ruchu gwiazd w galaktykach
• Nie wyjaśnia mechanizmu tworzenia się galaktyk, gromad i nadgromad galaktyk
Pomimo tego hipoteza ta przeżywa obecnie czasy triumfu. Dlaczego?
Otóż hipoteza ta sugeruje, że wszechświat powstał
"w dniu, przed którym nie było wczoraj".
Kościół ma model Wszechświata zawierający moment stworzenia, model, który wskazuje, że koncepcja Wszechświata nieskończonego w czasie jest błędna. W tej sytuacji pytanie: " Co było przed Wielkim Wybuchem?" Nie ma sensu, a odpowiedź na pytanie "Kto nadał materii czarnej dziury tak ogromną energię, że się rozleciała?" Staje się proste - Pan Bóg.
Naukowcy przy pomocy teleskopów, spektroskopów, swojej wiedzy i niewątpliwie geniuszu odkryli jednoznaczne ślady daktyloskopijne Pana Boga.
Przejdźmy teraz od świata materialnego do świata transcendentnego. Tutaj jedyną bezdyskusyjną podstawą rozważań jest Pismo Święte, którego autorem jest Pan Bóg.
Gdy św. Piotr wyznaje, że Jezus jest Chrystusem, Synem Boga żywego, Jezus mówi do niego "że nie objawiły mu tego ciało i krew, lecz Ojciec... który jest w niebie".
Jest tutaj zawarty przekaz , że oprócz formy poznania wiedzy poprzez rozum, istnieje poznanie poprzez objawienie boże.
Jezus powiedział również:
Wśród was są tacy, którzy nie wierzą we mnie. Do mnie może przyjść tylko ten, któremu będzie to dane od Ojca.
Najważniejszym objawieniem jest łaska wiary. Gdyby istnienie Boga można było wydedukować z obserwacji i obliczeń matematycznych, porządek poznania poprzez objawienie Boże zostałby zakłócony. Łaska wiary jako dar nadprzyrodzony nie miałaby sensu. Dlatego w Świecie materialnym nie należy szukać jednoznacznych śladów działalności Pana Boga, bo ich tu nie może być.
o: Nieuzasadnione jest również przekonanie że Pan Bóg jest twórcą Świata ograniczonego w czasie. W Piśmie Świętym nie ma opisu powstania Wszechświata. Jest natomiast opis powstania układu słonecznego a dokładniej Słońca i Ziemi. W Księdze Rodzaju jest przedstawiona historia ewolucji Ziemi. I chociaż zaczyna się ona od słów: "Na początku..." to wiadomo że nie należy brać tego dosłownie. Autorem Księgi Rodzaju jest Pan Bóg, ale pisał ją człowiek. Pan Bóg mógł przekazać piszącemu Księgę Rodzaju wiedzę z zakresu ówczesnych wyobrażeń i pojęć o rzeczywistośći, z zakresu ewentualnych pytań jakie piszący potrafił zadać, a działo się to tysiące lat temu - nie zadawano wtedy pytań o sens pojęć wieczność i nieskończoność, a jakoś Księgę Rodzaju trzeba było rozpocząć - najlepiej od słów: "Na początku..."



Bibliografia:
Davies, P.: Bóg i nowa fizyka, Warszawa 1996.
Heller, M.: Ewolucja kosmosu i kosmologii, Warszawa 1985.
Barrow, J.: Początek Wszechświata, Warszawa 1995.
Internet