Los wszechświata i jego wiek. Wszechświat otwarty, zamknięty czy płaski?

Na początku Bóg stworzył niebo i ziemię.
Ziemia zaś była bezładem i pustkowiem:
ciemność była nad powierzchnią bezmiaru wód,
a Duch Boży unosił się nad wodami.
Wtedy Bóg rzekł: "Niechaj się stanie światłość!"
I stała się światłość. Bóg widząc, że światłość jest
dobra, oddzielił ją od ciemności.

(BT) Rdz 1,1-4



Teorie na temat powstania, wyglądu oraz natury wszechświata od starożytności do współczesności.


Jak świat światem ludzie mieli rozmaite wyobrażenia o wszechświecie; na temat jego pochodzenia, kształtu, rozmieszczenia materii oraz miejsca Ziemi
w nim. Znalazło to wyraz w obecnych w każdej starożytnej kulturze mitów kosmogonicznych.

Jedną z pierwszych, „poważnych” teorii( tzn. nie kosmogonicznych) była geocentryczna teoria Klaudiusza Ptolemeusza ( ok. 100- 168 r.). Jego teorię uważa się za ukoronowanie i podsumowanie dorobku astronomii antycznej. Oparł się przy konstruowaniu swoich nauk na pracach Hipparcha (ok. 190-125 p.n.e.) uważanego za największego astronoma starożytności, twórcę teorii budowy wszechświata, zwaną teorią epicykli i deferentów. Ptolemeusz rozszerzył naukę Hipparcha Wierzył on, że niebo to ogromna kula obracająca się jednostajnie wokół osi stałej w ciągu 24 godzin. Ziemia znajduje się w jej środku i jest kulą nieruchomą. Ptolemeusz nie uznawał nawet ruchu obrotowego Ziemi, bo gdyby Ziemia się obracała, "chmury ani wszystko co fruwa, ani też rzucane przedmioty nie mogłyby poruszać się na wschód, gdyż Ziemia zawsze by wyprzedziła ruch ich wszystkich w tym kierunku". Nadzwyczaj skomplikowana teoria Ptolemeusza nie wyjaśniła pojawiających się czasem w ruchu ciał niebieskich niekonsekwencji, jednak tłumaczono je przyjęciem złych danych liczbowych, a nie błędnych założeń teoretycznych.

Na początku ery nowożytnej astronomia nie rozwijała się tak szybko jak
w starożytności. Istotny wpływ na naukę miał Kościół, który twierdził, że wiedza nie jest człowiekowi potrzebna, służy bowiem życiu doczesnemu, a nie zdobyciu wiecznej szczęśliwości w niebie. Głoszono poglądy cofające astronomię wiele stuleci wstecz: np. Lucius Coecilius Firmianus Lactantius zwany Laktancjuszem (ok. 250-330 r.) wyśmiał twierdzenie o kulistości Ziemi i dowodził, że jest ona płaska, a aleksandryjski mnich Kosmas Indikopleustes na podstawie informacji zawartych w Biblii uznał, że wszechświat to gigantyczna skrzynia, na której dnie leży płaska Ziemia. Sytuacja poprawiła się w XII wieku, kiedy chrześcijaństwo zainteresowało się za pośrednictwem arabskich uczonych dokonaniami nauki antycznej. W następnym stuleciu dominikanin Albert Wielki (ok. 1193-1280) oraz jego uczeń Tomasz z Akwinu (1225-1274) dostosowali filozofię arystotelesową do wymagań nauki chrześcijańskiej. Kościół uznał arystotelesowski podział wszechświata na dwie odmienne części (ziemską i niebieską), odrzucił jednak teorię sfer homocentrycznych, ponieważ teoria epicykli i deferentów Ptolemeusza lepiej tłumaczyła ruchy planet na niebie.

W XIII i XIV wieku teorią ruchu planet zainteresowali się astronomowie arabscy. Ich celem było znalezienie sposobu nadania nauce Ptolemeusza większej dokładności - przy zachowaniu geocentryzmu i systemu kół orbitalnych. Do szczytowych osiągnięć nauki arabskiej należy teoria Ibn asz-Szatira (1304-1375 r.), astronoma z Damaszku, który zaproponował niemal taką samą konstrukcję, jaką posłużył się później Mikołaj Kopernik w teorii heliocentrycznej.
Wraz z początkiem odrodzenia, którego charakterystyczną cechą było wyzwolenie ludzkiej myśli z religijnych okowów, pojawiły się głosy, że teoria Ptolemeusza ma braki. Wykazali je m.in. astronom wiedeński Georg Peurbarch
i Johannes Mller zwany Regiomontanusem. Jednak rola tego, który "wstrzymał Słońce, ruszył Ziemię", przypadła Mikołajowi Kopernikowi (1473-1543).
Układ heliocentryczny Kopernika wywodzi się z założenia, że środek wszechświata stanowi nie Ziemia, ale większe ciało niebieskie - Słońce. Dookoła niego krążą planety w jednym i tym samym kierunku, wśród nich także Ziemia, obracająca się w ciągu doby wokół własnej osi i wykonująca roczny obrót wokół Słońca. Oś obrotu Ziemi nie jest stale skierowana w ten sam punkt sfery niebieskiej, ale wolno zatacza w przestrzeni niewielki krąg. Pociąga to za sobą zmianę położenia biegunów niebieskich oraz przesuwanie się punktów równonocy wiosennej i jesiennej. Prawidłowość tezy Kopernika o obrocie planet wokół Słońca potwierdził w swoich obserwacjach astronomicznych Galileo Galilei zwany Galileuszem (1564-1642).
Błędem Kopernika było pozostanie przy fałszywej tezie antycznej
o doskonałości jednostajnego ruchu kołowego i dlatego musiał on zastosować
w swoim modelu wiele małych epicykli, które miały tłumaczyć inne odchylenia w ruchu planet. Te ciemne plamy teorii kopernikańskiej zlikwidował dopiero Johannes Kepler (1571-1630) po analizie bogatego materiału obserwacyjnego zebranego przez sławnego astronoma duńskiego Tycha Brahego (1546-1601) w ciągu wielu lat żmudnej pracy.

Pierwsze prawo Keplera głosi, że orbity planet nie są kołami, tylko mają kształt elips, przy czym Słońce znajduje się zawsze w jednym z ich ognisk. Po orbicie poruszają się - jak mówi drugie prawo - nie ruchem jednostajnym, ale ze zmienną prędkością; największą wtedy, gdy dana planeta znajduje się najbliżej Słońca, najmniejszą - gdy maksymalnie się od niego oddali. Trzecie prawo wyraża stosunek, jaki zachodzi między rozmiarami orbity jakiejś planety a czasem jej obiegu po tej orbicie; dalsza planeta wolniej się porusza po orbicie i więcej czasu zużywa na jej pełny obieg niż planeta krążąca bliżej Słońca.
Kepler wyjaśnił, dlaczego planety krążą tak, a nie inaczej, natomiast, jakie zasady rządzą tym ruchem, wytłumaczył dopiero Isaac Newton (1642-1727), genialny fizyk angielski, odkrywając prawo powszechnego ciążenia. Mówi ono, że dwa obiekty materialne przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu ich wzajemnej odległości. A zatem ruch planet po eliptycznych orbitach jest po prostu wynikiem działania siły grawitacyjnej między nimi a Słońcem.
Początek XVII wieku otworzył przed astronomią nowe możliwości związane
z wynalezieniem przez Galileusza jesienią 1609 roku lunety powiększającej obraz 30-krotnie. Galileusz dzięki swojemu urządzeniu zaobserwował góry na Księżycu oraz odkrył, że Droga Mleczna jest "nagromadzeniem niezliczonych gwiazd tworzących skupiska". Odkrył również księżyce Jowisza. W miarę udoskonalania teleskopów astronomowie rozszerzali swoją wiedzę. W 1610 roku Galileusz zaobserwował pierścień Saturna oraz cykl faz Merkurego i Wenus, co stanowiło potwierdzenie obiegu tych planet wokół Słońca. W 1781 roku brytyjski astronom Frederick William Herschel (1738-1822) odkrył przypadkowo nieznanego wcześniej Urana, w 1846 Niemiec Johann Gottfried Galle, na podstawie obliczeń Francuza Urbana Jeana Josepha Le Varriera wykrył Neptuna, a w 1930 roku młody Amerykanin Clyde Tombaugh-Plutona.

W konsekwencji uznania ruchu Ziemi zaczęto opracowywać model wszechświata z rozszerzonymi granicami. Skoro bowiem Ziemia krąży wokół Słońca po bardzo dużym promieniu, a nie wpływa to w widoczny sposób na zmiany położenia gwiazd, muszą być one bardzo oddalone od Ziemi i bardzo jasne, jak Słońce. Przyjęto, że Słońce nie różni się od gwiazd. Za ojca astronomii gwiezdnej uznano Herschela, którego teleskopy, ogromne na owe czasy, pozwalały prowadzić dość dokładne badania kosmosu. Herschel odkrył m.in. istnienie gwiazd bliźniaczych (czyli dwóch gwiazd krążących wokół wspólnego środka masy), a także potwierdził doświadczalnie wcześniejsze przekonanie uczonych, że gwiazdy poruszają się we wszechświecie.

Następna rewolucja w astronomii miała miejsce dzięki odkryciu, którego
w 1932 roku dokonał pracujący w USA fizyk czeskiego pochodzenia Karl Jansky. Zaobserwował on powtarzające się regularnie w ciągu doby zakłócenia radiowe i ustalił, że ich źródło znajduje się wśród gwiazd. Opierając się na tym odkryciu, w 1939 roku Amerykanin Grote Reber skonstruował pierwszy radioteleskop. Dowiódł, że sygnały radiowe dobiegają z wielu miejsc na niebie, tzw. Kosmicznych radioźródeł.


XX-wieczne koncepcje na temat powstania wszechświata.
Wiek wszechświata.

Jeszcze w poprzednim stuleciu funkcjonowały dwie równorzędne teorie dotyczące powstania wszechświata. Pierwsza mówiąca, iż powstał on w wyniku Wielkiego Wybuchu oraz druga, tak zwana teoria Stanu Stacjonarnego.

Teoria Stanu Stacjonarnego.

Głosi ona, że wszechświat nie ewoluuje, tzn. nie zmienia się w czasie. Nie było początku w przeszłości i nie będzie końca w przyszłości. W przeszłości, obecnie,
w przyszłości- wszechświat jest zawsze taki sam.
Teoria ta zakłada doskonałą zasadę kosmologiczną, według której wszechświat jest w dużej skali wszędzie i przez cały czas taki sam. Zachowuje on przez cały czas tę samą średnią gęstość materii.
Aby wyjaśnić obserwacje wskazujące na to, że wszechświat się rozszerza, model Stany Stacjonarnego głosi , że w pustej przestrzeni kosmicznej stale powstaje nowy wodór, w tempie dostatecznym do zastąpienia materii unoszonej przez oddalające się galaktyki. Teoria ta nie wyjaśnia jednak skąd ów wodór pochodzi.
Większość astronomów odrzuca model Stanu Stacjonarnego, ponieważ stoi on
w sprzeczności z obserwacjami. Tworzenie się w niewyjaśniony sposób nowej masy, czyli pewnej formy energii, zadaje gwałt prawu przyrody – zasadzie zachowania energii, zgodnie z którą całkowita energia w układzie izolowanym jest zawsze taka sama. Energia nie może być stworzona lub zniszczona, chociaż może ulec transformacjom
w obrębie układu.
Dla jej rzeczników teoria Stanu Stacjonarnego była interesująca od strony filozoficznej. Definiowała wszechświat, który był w przeszłości i będzie zawsze istniał
w przyszłości. Hipoteza tej teorii głosząca, że ciężkie pierwiastki musiały powstać
w wybuchających gwiazdach, wprowadzona aby wyjaśnić ich istnienie bez Wielkiego Wybuchu, przetrwała nietknięta w modelach ewolucyjnych.


Standardowa teoria Wielkiego Wybuchu.

Standardowa teoria Wielkiego Wybuchu głosi iż wszechświat zaistniał około 15 bilionów lat temu w wyniku potężnego wybuchu w jednym punkcie przestrzeni i od początku eksplozji stale ewoluuje, powiększa swe rozmiary i ochładza się. W ciągu kilku sekund utworzyły się protony(jądra wodoru), neutrony i elektrony. Po upływie kilku minut powstał pierwszy deuter i jądro helu oraz śladowe ilości lekkich pierwiastków. Kilka milionów lat później materia i promieniowanie rozdzieliły się. Zaczęły powstawać galaktyki i gwiazdy. Wszechświat kontynuował rozszerzanie się
w czasoprzestrzeni, a galaktyki ciągle oddalały się od siebie. Obecnie obserwujemy iż wszechświat nadal się rozszerza. Wewnątrz galaktyk wciąż tworzą się gwiazdy, wykorzystując pierwotny wodór z Wielkiego Wybuchu.


Podsumowanie obu teorii

Obecnie naukowcy uznają teorię Wielkiego Wybuchu za poprawną
( w nauce żadne prawo nie jest uznawane za niezmienne, istnieje więc możliwość, że pojawią się nowe dowody, które obalą tę koncepcję), jednak brak jest odpowiedzi na wiele nurtujących pytań, np. o wydarzenia przed Wielkim Wybuchem czy też, dlaczego wszechświat eksplodował w obecną formę istnienia. Większość astronomów akceptuje teorię Wielkiego Wybuchu w części dotyczącej przeszłości i teraźniejszości wszechświata. Różnią się natomiast w swych przewidywaniach co do tego co nastąpi
w przyszłości, gdy pierwotny wodór ulegnie zużyciu w gwiazdach i wszystkie one przestaną świecić. Ostateczny los wszechświata zależeć będzie od tego, czy przeważy energia jego ekspansji na zewnątrz, czy siła ciążenia skierowana do wewnątrz.

Teorię Stanu Stacjonarnego uznano za niepoprawną, gdyż wykluczała ona istnienie promieniowania szczątkowego, którego istnienie zakładała teoria Wielkiego Wybuchu. Założenie to ( gdyby wszechświat rozpoczął się od eksplozji promieniowanie reliktowe powinno odpowiadać promieniowaniu o temperaturze około 3 stopnie większej od zera absolutnego ( -270 stopni Celsjusza), możliwie najniższej temperatury) było nie do potwierdzenia pod koniec lat trzydziestych i na początku lat czterdziestych dwudziestego wieku, kiedy to je powzięto, z powodu niedostatecznego rozwoju ówczesnej technologii. Dopiero w latach sześćdziesiątych owa technologia stała się dostępna, a interferencja przeszkadzająca grupie naukowców z New Jersey w USA badających sygnały z poszczególnych części Drogi Mlecznej okazała się
w rzeczywistości poszukiwanym kosmicznym promieniowaniem szczątkowym, którego istnienie zakładała teoria Wielkiego Wybuchu.

Wszechświat otwarty, zamknięty czy płaski?

Zasada kosmologiczna mówi, iż geometria wszechświata w danym momencie musi wyglądać tak samo dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od ich położenia. Jeśli przyjmiemy to za ograniczenie to pozostają tylko trzy możliwe kształty wszechświata.

1. Wszechświat otwarty

Model wszechświata otwartego głosi, że wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, tracąc swój blask i pogrążając w ciemności. Jego dwuwymiarowym odpowiednikiem jest powierzchnia przypominająca kształtem siodło. Wszechświat ten musiałby być nieskończenie wielki, aby nie mieć brzegu ( który naruszyłby zasadę kosmologiczną, ponieważ obserwatorzy blisko brzegu widzieliby obraz znacznie różniący się od widzianego z dala brzegu).W tym wszechświecie istnieją geodezyjne, które leżąc w jednej płaszczyźnie nie przecinają się. Geodezyjne takie rozbiegają się
w nieskończoność.

rys.1 Dwuwymiarowy odpowiednik otwartego wszechświata Friedmana


2. Wszechświat zamknięty

Model wszechświata zamkniętego jest analogiczny do powierzchni kuli, ale
z dodanym jeszcze jednym wymiarem. Mówimy, że wszechświat ten ma geometrię trójwymiarowej powierzchni( strefy) czterowymiarowej hiperkuli. Taki wszechświat zamyka się w sobie. Zawiera on skończoną „ilość przestrzeni” (jest ograniczony), ale nie ma brzegu. Ponadto jego geometria wygląda tak samo ze wszystkich punktów. W takim wszechświecie wszystkie linie geodezyjne leżące w jednej płaszczyźnie przecinają się.

rys.2 Powierzchnia kuli jest dwuwymiarowym odpowiednikiem zamkniętego wszechświata Friedmana

Wszechświat ów zaczął się Wielkim Wybuchem, ale nie będzie rozszerzał się wiecznie. Grawitacja powstrzyma jego ekspansję i wymusi zapadnięcie się. Jeśli wszechświat jest zamknięty to, jak wynika z obserwacji, jesteśmy w fazie rozszerzania się. W przyszłości zwolni on tempo ekspansji, zatrzyma ją całkowicie, a następnie zacznie się kurczyć. W miarę tego procesu galaktyki zbliżą się do siebie do tego stopnia, że cała materia zostanie ponownie ściśnięta do ekstremalnie gorącego stanu. Wariantem tego modelu jest wszechświat oscylujący, w którym po Wielkim Zgniataniu nastąpi kolejny Wielki Wybuch. Z tej samej materii zrodzi się wówczas nowy, rozszerzający się wszechświat. Według tego modelu wszechświat oscyluje wiecznie. Historia wszechświata zamkniętego charakteryzować się będzie bogaztwem zjawisk optycznych.


3. Wszechświat płaski

Model wszechświata płaskiego jest przypadkiem pośrednim między dwoma pierwszymi opisanymi modelami. Geometra tego wszechświata w ogóle nie jest zakrzywiona, lecz jest „płaska” lub euklidesowa. Musi on być przy tym nieskończenie wielki, aby nie miał brzegu, a odległość między dwiema nie przecinającymi się geodezyjnymi leżącymi w tej samej płaszczyźnie ( liniami równoległymi) jest wszędzie taka sama.



Dwuwymiarowy odpowiednik wszechświata płaskiego.



Model tego wszechświata głosi, że wszechświat ten nie będzie się ani rozszerzał
w nieskończoność ani się nie zapadnie. Grawitacja spowoduje, że opóźnienie i prędkość ekspansji osiągną wartość zerową w tym samym czasie.


Kiedy Einstein po raz pierwszy próbował budować modelowe wszechświaty wykorzystując swoja teorię, stwierdził, że nie mogą one trwać w spokoju, lecz muszą się rozszerzać albo zapadać. Wydawało mu się to tak absurdalne, że zmienił swoją teorię, aby dopuścić istnienie wszechświata statycznego. Modele rozszerzającego się wszechświata zostały bardziej poważnie potraktowane przez rosyjskiego matematyka Aleksandra Friedmana, który w 1922 roku, tuż przed śmiercią opublikował swą pierwszą pracę. Dlatego tez modele ekspandujących wszechświatów noszą nazwę modeli Friedmana.

Podczas gdy w Europie rozwijano teorię, amerykańscy astronomowie odkrywali, że wszechświat rzeczywiście się rozszerza. Praca ta doprowadziła do słynnego artykułu Hubble'a z 1929 r., w którym wykazał, że światło dalekich galaktyk jest "poczerwienione" (ma większą długość fali) o wielkość proporcjonalną do odległości tych galaktyk. To przesunięci ku czerwieni jest spowodowane oddalaniem się galaktyk od nas, podobnie jak obniża się ton gwizdka lokomotywy oddalającego się pociągu. Jeśli przyjmiemy tę interpretację, to wynika z niej, że żujemy w którymś z ekspandujących wszechświatów opisanych przez Friedmana. Jeśli wszechświat rozszerza się i jeśli występuje wzajemne przyciąganie grawitacyjne całej materii, pojawia się nowe pytanie. Czy wszechświat będzie ekspandował zawsze, czy też grawitacja spowoduje jego zahamowanie i zapadnięcie się. Odpowiedź na to pytanie zależy od tego, który z wyżej opisanych modeli pasuje do rzeczywistego wszechświata


rys.4 Skala wszechświata zmienia się w czasie na różne sposoby, w zależności od użytego modelu Friedmana.



Według Friedmana kształt wszechświata nie ulega zmianie, zmienia się jedynie jego całkowity rozmiar albo skala. W momencie wielkiego wybuchu rozmiar wynosił zero, a w chwili obecnej powiększa się. W przypadku wszechświata zamkniętego osiągnie on maksymalną wielkość, a potem zmaleje do zera. Teoria Einsteina mówi, że jeśli wszechświat jest zamknięty, gęstość materii musi być większa od krytycznej gęstości równej ok. 10-29g/cm3. Oznacza to, po prostu, że zamknięcie geometrii Wszechświata wymaga pewnej minimalnej masy. Ta krytyczna gęstość jest taka sama, jaka jest potrzebna, aby grawitacyjnie zatrzymać i odwrócić ekspansję. W przypadku wszechświata otwartego rozszerzanie się nigdy nie ustaje. Przypadek ten zachodzi, kiedy gęstość masy jest mniejsza niż gęstość krytyczna. W przypadku płaskim ekspansja ustaje po nieskończonym czasie, a to wymaga gęstości masy równej dokładnie równej wartości krytycznej.

Nie wiadomo jeszcze, który z tych trzech modeli (i czy którykolwiek) opisuje rzeczywisty wszechświat. Proponowano wiele sposobów wybrania spośród nich właściwego modelu. Jednym z nich jest określenie całkowitej gęstości materii. Ostatnie pomiary, choć nie rozstrzygające, wskazują, że gęstość jest 10 do 100 razy mniejsza niż gęstość krytyczna. Jeśli okazałoby się to prawdą, znaczyłoby, że wszechświat jest otwarty, nieskończenie wielki i wiecznie ekspandujący.