Jest taka praktyczna zasada, że w nauce
często na najprostsze pytania najtrudniej jest odpowiedzieć.
Pytania, takie jak: „Gdzie Wszechświat miał swój początek?”.
W zasadzie do całkiem niedawna nauka nie dysponowała narzędziami,
by próbować odpowiedzieć na pytania o pochodzenie Wszechświata.
Ale w ciągu ostatnich stu lat dokonano serii przełomowych odkryć,
które zawdzięczamy mężczyznom i kobietom,
którzy dzięki obserwacji, determinacji lub nawet czystemu łutowi szczęścia
byli w stanie rozwikłać tę epicką tajemnicę kosmosu.
To było prawdziwe astronomiczne złoto.
Zamierzam odtworzyć ich najsłynniejsze odkrycia
i przeprowadzić największe eksperymenty.
Trzydzieści tysięcy kilometrów na sekundę.
Prędkość, która przeniesie nas od największych obiektów we Wszechświecie
do nieskończenie małych.
Aż dotrzemy do granic naszej wiedzy, podróżując w przeszłość,
by odtworzyć początek Wszechświata.
Milionowa część sekundy po powstaniu Wszechświata.
To moment, zanim jeszcze ukształtowała się materia
w jakiejkolwiek znanej nam formie.
Najbliżej stworzenia, na ile możemy liczyć.
Początek czasu.
Początek samego Wszechświata.
Niezwykłą rzeczą jest, że stworzenie teorii tłumaczącej
pochodzenie Wszechświata zajęło nauce setki lat,
co jest tym bardziej zaskakujące
z uwagi na to, jak fundamentalna jest to kwestia.
Jest coś typowo ludzkiego w zastanawianiu się:
skąd się to wszystko wzięło?
Możliwe, że dlatego, że to głębsza, bardziej fundamentalna wersja pytania:
skąd ja się wziąłem?
Przez znaczną część historii ludzkości,
odpowiedzi na te pozornie proste pytania
można było jedynie próbować znaleźć poprzez religię.
Dopiero w połowie XX wieku
nauka stworzyła swoją własną, spójną i przekonywującą historię stworzenia.
Historię bazującą na teorii, przewidywaniu i obserwacji.
Historię, która w końcu tłumaczyła,
co wydarzyło się u zarania dziejów.
Na samym początku istnienia Wszechświata.
Jeszcze ponad 100 lat temu,
jeśli naukowcy w ogóle rozważali o Wszechświecie,
uznawali go za wieczny, nieskończony i stabilny.
Bez początku i końca.
Więc nawet niemożliwe było
sformułowanie pytania o pochodzenie Wszechświata,
ale to zaczęło się zmieniać na początku XX wieku.
Nowe odkrycia wstrząsnęły starymi pewnikami
i utorowały drogę pytaniom o to, skąd wziął się Wszechświat.
Jedna obserwacja zmieniła nasze wyobrażenie o skali Wszechświata.
Zaczęło się od tajemnicy na niebie.
Na początku XX wieku
wiedziano już, że nasz system słoneczny znajduje się na obszarze galaktyki,
Drogi Mlecznej.
Każda gwiazda, którą widać gołym okiem,
znajduje się w naszej galaktyce.
Aż do lat 20. XX wieku wszystkie te gwiazdy,
ta jedna galaktyka była postrzegana jako zawartość całego Wszechświata.
Poza nią znajdowała się próżnia.
Ale również znajdowały się w niej zagadkowe obiekty,
dostrzegalne gołym okiem,
które wyglądały inaczej.
Jednym z najbardziej godnych uwagi jest Andromeda.
Możesz dostrzec Andromedę, jeśli wiesz, gdzie patrzeć.
Jeśli zaczniesz od Kasjopei,
pięciu gwiazd ułożonych jak leżąca bokiem litera M,
i skierujesz wzrok ponad punkty tworzące literę M,
trochę wyżej, odnajdziesz Andromedę.
Użyję do pomocy lornetki.
W pierwszej kolejności...
Jeśli...
przybliżę, tak, udało się.
Można dostrzec, że to nie gwiazda.
To bardzo niewyraźna smuga,
położona między dwiema gwiazdami.
Jest właśnie tam.
To M31, wspaniała mgławica Andromedy.
Nazwano je mgławicami,
ponieważ miały wygląd rozmazanych, strzępiastych chmur.
Angielskie słowo nebula pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego chmurę.
Odkryto wiele takich niewyraźnych obiektów,
rozsianych po niebie.
Teleskopy ujawniły, że wiele z tych mgławic
jest dużo bardziej złożona niż proste chmury międzygwiezdnego gazu.
Wydawały się być ogromnymi zbiorami gwiazd,
a to rodziło dwie intrygujące możliwości.
Czy są to gwiezdne żłobki – miejsca, w których rodzą się gwiazdy,
a zatem przebywają w naszej galaktyce?
Lub bardziej kompleksowo,
czy te piękne, enigmatyczne obiekty same w sobie są galaktykami,
znajdującymi się poza Drogą Mleczną?
Konsekwencje tej drugiej możliwości były ogromne.
Jeśli to prawda, natychmiastowo i całkowicie zmieniłoby to nasze pojęcie
o rozmiarze Wszechświata.
WIELKI TELESKOP KANARYJSKI: LA PALMA
Była to szansa
dla ambitnych astronomów,
by zyskać sławę.
Możliwe, że dla kogoś z wielkim teleskopem.
Ten człowiek zrobił krok naprzód.
Edwin Hubble, człowiek z Missouri.
Gdybyście go poznali, nie przyszłoby to wam do głowy,
bo był postrzegany jako dziwak. Palił fajkę, pijał herbatę,
miał arystokratyczny, sztuczny brytyjski akcent.
Hubble jest prawdopodobnie najsłynniejszym astronomem w historii,
nie tylko z powodu doskonałej umiejętności autopromocji,
ale również z powodu niebywałych pomiarów, które poczynił.
W czasach Hubble'a, jeśli chodziło o obserwacje
i nowe odkrycia, rozmiar miał znaczenie.
Dziś jest to najpotężniejszy optyczny teleskop na świecie.
GTC,
z głównym lustrem o długości 10 metrów
i średnicy 400 cali.
O wiele większy od narzędzi Hubble'a.
We wrześniu 1923 roku
Hubble pracował nad ówcześnie największym na świecie teleskopem.
Stucalowym teleskopem Hooker z obserwatorium na Mount Wilson,
położonym na szczycie gór Sierra,
z widokiem na Los Angeles i Kalifornię.
Używał teleskopu
do badania jednej z najważniejszych mgławic na niebie,
mgławicy Andromedy.
Tej samej, którą wcześniej oglądałem.
Podczas obserwacji
jedna gwiazda przykuła szczególną uwagę Hubble'a.
Taka, która mogłaby ujawnić prawdziwą naturę Andromedy.
Użyję tego teleskopu, by ją teraz znaleźć.
To jest sterownia GTC
i dziś skierowano teleskop na Andromedę.
Zrobią jej zdjęcie.
Aby uzyskać wyraźny obraz, naświetlanie powinno trwać minutę?
- Zgadza się. - Dobrze.
Obraz został zapisany, teraz go otworzymy.
Tu jest Andromeda.
To Andromeda, zgadza się.
To jest oryginalna klisza Hubble'a.
- Tak. - Gwiazda Hubble'a...
jest tu, w rogu.
Możesz ją odnaleźć na obrazie?
Jeśli porównasz oba obrazy...
dostrzeżesz, że widać tylko nieidealny obraz krawędzi galaktyki,
więc musimy...
Musimy nieco się oddalić.
Rozumiem. Więc to wszystko to jedynie krawędź?
To krawędź.
Zakładałem, że to centrum galaktyki.
Nie.
Widać, jak dużo większą rozdzielczość
- może uzyskać twój teleskop. - Tak.
Możemy znaleźć tę konkretną gwiazdę?
Aby odnaleźć tę konkretną gwiazdę, która jest słaba,
musimy poszukać odnośników, które są jaśniejsze.
W tym przypadku dostrzegasz te cztery gwiazdy,
które są tymi czterema gwiazdami,
a gwiazda, którą znalazł Hubble jest tu.
- To jest to. To gwiazda... - Tę malutką gwiazdę
odkrył Hubble.
Niesamowite.
A czy jesteście w stanie ustalić rozmiar gwiazdy?
Tak. Trzeba odrobinę obrobić zdjęcie,
- ale jesteśmy w stanie to ustalić. - Dobrze.
Hubble odnalazł swoją gwiazdę.
Wiedział, że jest wyjątkowa, bo porównał swoją kliszę
z innymi, uchwyconymi w ciągu poprzednich nocy,
i zauważył, że jego gwiazda zmieniała swoją jasność.
Raz była jaśniejsza, innym razem ciemniejsza.
Zdał sobie sprawę, że to gwiazda zmienna,
i wiedział, jak duże ma to znaczenie.
Dostrzegł, że to prawdziwe astronomiczne złoto.
Jego gwiazdą była zmienna cefeida.
W gwiezdnym bestiariuszu cefeidy
mają bardzo specjalne miejsce.
Astronomowie, badając sposób, w jaki zmienia się ich jasność,
są w stanie obliczyć, jak daleko się znajdują.
Cefeida Hubble'a była pierwszą gwiazdą odkrytą w mgławicy,
więc wiedział, że jeśli uda mu się zmierzyć jej okres,
będzie w stanie obliczyć jej odległość od Ziemi.
Więc Hubble zaczął starannie mierzyć,
jak zmienia się jasność jego gwiazdy.
Nie trudno sobie wyobrazić, jak było to dla niego ekscytujące.
Miał na wyciągnięcie ręki okazję,
by rozwiązać fundamentalne, ale proste pytanie.
Czy ta mgławica znajduje się wewnątrz Drogi Mlecznej, czy poza nią?
Odpowiedź przekształciłaby naszą wiedzą o Wszechświecie.
Hubble mierzył jasność swojej gwiazdy
przez wiele nocy i wykreślał tę oto krzywą.
Gdy dziś to zmierzyliśmy, otrzymaliśmy wartość 18,6.
Wczoraj dokonywano pomiaru i gwiazda była ciemniejsza,
więc pomiar spada na tę stronę krzywej,
ale o wiele ważniejszy jest okres,
czas mierzony w dniach z najwyższej jasności do najwyższej jasności.
Z pomiaru Hubble otrzymał 31,415 dni.
To jest krytyczny pomiar.
Mając do dyspozycji to i jej widoczną jasność,
Hubble obliczył odległość do mgławicy Andromedy.
Było oczywiste, że gwiazda znajduje się bardzo daleko,
ale gdy Hubble dokonywał swoich wyliczeń,
doszedł do wniosku, że znajduje się 900 000 lat świetlnych od nas,
co czyni ją najbardziej odległym obiektem, który udało się uchwycić.
To mogło oznaczać tylko jedno.
Nie tylko, że Andromeda sama w sobie jest galaktyką,
ale również, że leży daleko za Drogą Mleczną
i że miriady innych eliptycznych i spiralnych mgławic
to również odległe samotne galaktyki.
To był moment, gdy w ludzkiej świadomości
Wszechświat nagle i drastycznie
urósł w rozmiarach.
Po tej obserwacji
Hubble stworzył nowy obraz obserwowalnego Wszechświata.
Może i nie uderzyło to bezpośrednio w ideę stabilnego Wszechświata,
ale zniszczyło to powszechne przekonania
i otworzyło drogę do rozwikłania innych, większych tajemnic,
na przykład powstania Wszechświata.
Do tego gruntownie poszerzonego kosmosu
wkroczył ktoś, kto, nie zdając sobie z tego sprawy,
dostarczył narzędzi umożliwiających rozwikłanie tej tajemnicy.
Ten gość.
Historia tak wielka, jak ta, tłumacząca pochodzenie Wszechświata,
byłaby czymś niekompletnym bez naukowca
tak wielkiego, jak Albert Einstein.
Więc ma on w niej swoje miejsce,
ponieważ to Einstein dostarczył teoretycznych podwalin potrzebnych
do badania Wszechświata
i powstania kosmologii.
Sto lat temu ogłosił swoją ogólną teorię względności.
Zrewolucjonizowała ona fizykę
i dostarczyła nam całkowicie nowego rozumienia świata.
Ogłosił, że grawitacja
powstaje w wyniku wypaczania lub zaginania czasoprzestrzeni
przez masywne obiekty, takie jak planety albo gwiazdy.
Jego teorie były rewolucyjne.
Einstein był indywidualistą, który ignorował konwenanse,
kierując się własnymi nadzwyczajnymi instynktami.
Raz jeden z jego wykładowców powiedział mu:
„Jesteś bardzo bystrym chłopakiem, Einstein,
ale masz jedną, wielką wadę.
Nie dajesz sobie nic powiedzieć”.
Oczywiście ta właśnie cecha pozwoliła mu
zmienić świat fizyki
i dzięki temu postrzegamy go jako jednego z największych myślicieli
XX wieku.
W 1917 użył swojej ogólnej teorii względności
i zastosował ją do całego Wszechświata.
Podążając za logiką swojej teorii, odkrył coś niepokojącego.
Połączone przyciąganie grawitacyjne całej materii Wszechświata
przyciągałoby do siebie wszystkie obiekty w kosmosie,
zaczynając powoli, ale stopniowo przyśpieszać,
aż...
grawitacja ostatecznie i nieuchronnie
doprowadziłaby do zapadnięcia się Wszechświata.
Ale Einstein wierzył, jak wszyscy inni,
że Wszechświat jest wieczny i statyczny,
i zdecydowanie nie jest niestabilny ani zdolny do zapadnięcia się.
Jego równania mówią wręcz przeciwnie.
Aby zapobiec upadkowi Wszechświata
i zachować wszystko w równowadze,
dodaje do swoich obliczeń lambdę albo stałą kosmologiczną.
To rodzaj siły antygrawitacyjnej,
która działa przeciwko zwykłej grawitacji.
Nie miał na to żadnych dowodów,
ale zapewniło to, że jego obliczenia opisują stabilny Wszechświat.
U jego stóp leżał sekret pochodzenia Wszechświata,
lecz Einstein po prostu nie mógł lub nie chciał zaakceptować
konsekwencji własnych równań.
Z perspektywy czasu wydaje się niezwykłe, że to zrobił.
Oto człowiek, który zrewolucjonizował naukę,
odrzucając konwencjonalną mądrość,
a jednak nie potrafił zaufać własnej teorii.
Czuł się zmuszony, by dopasować swoje równanie do powszechnych poglądów.
Przyznał nawet, że stała kosmologiczna była konieczna
tylko w celu quasi-statycznego rozkładu materii,
w zasadzie tylko by zachować rzeczy takimi, jakimi były.
Jakiekolwiek miał powody,
ten mały symbol lambdy
będzie go prześladował.
Bo chociaż to powstrzymało Einsteina od zrozumienia implikacji,
jego pomysły otworzyły komuś innemu drogę do ogłoszenia
teorii pochodzenia Wszechświata.
Pracował na pół etatu jako młody wykładowca akademicki,
ucząc fizyki teoretycznej.
Jego pomysł był tak radykalny, że wstrząsnął światem fizyki
i podzielił środowisko naukowe.
Zaczął spór, który znalazł swój finał dopiero pół wieku później.
Nazywał się Georges Lemaitre.
Ktoś bystry mógłby zauważyć koloratkę.
Był jednocześnie fizykiem, jak i wyświęconym księdzem.
O swojej najwyraźniej osobliwej podwójnej roli
Lemaitre powiedział: „Były dwie drogi dociekania prawdy.
Zdecydowałem podążać obiema”.
Na bazie teorii względności opracował swoje własne modele kosmologiczne.
Model Lemaitre'a opisywał Wszechświat daleki od bycia statycznym,
który w rzeczywistości rozszerzał się z oddalającymi się od siebie galaktykami.
Co więcej, Lemaitre wiedział, jakie są tego konsekwencje.
Cofając czas,
wydedukował, że musiał istnieć moment,
kiedy cały Wszechświat był ściśnięty w niewielką objętość.
Coś, co nazwał pierwotnym atomem.
Był to pierwszy opis tego,
co jest obecnie znane jako teoria Wielkiego Wybuchu.
Moment powstania Wszechświata.
Były to rewolucyjne teorie, więc opublikował je
w Annales de la Société Scientifique de Bruxelles,
gdzie zostały zignorowane przez środowisko naukowe.
Więc wybrał się w podróż do Brukseli, by zdobyć poparcie dla swojej koncepcji.
W 1927 odbył się w Brukseli kongres Solvaya,
który był prawdopodobnie najsłynniejszym i największym
spotkaniem wielkich umysłów.
Ale najważniejsze dla nas spotkanie
nie odbyło się na kongresie,
nie zostało zaplanowane i doszło do niego poza konferencją.
Miało miejsce tutaj.
PARK LEOPOLDA: BRUKSELA
W tym parku nieznany Lemaitre podszedł do najsłynniejszego,
najbardziej pożądanego naukowca na świecie, Alberta Einsteina.
W końcu miał okazję wytłumaczyć teorię rozszerzającego się Wszechświata
człowiekowi, na którego teoriach ją oparł.
Można sobie tylko wyobrazić, jak drżał, gdy do niego podchodził.
Gdyby Einstein poparł jego radykalną ideę, z pewnością zostałaby zaakceptowana.
Z pewnością ten genialny umysł, ten tytan fizyki,
głęboko oryginalny myśliciel dostrzegłby zalety tej teorii.
Ale po krótkiej dyskusji, Einstein odrzucił jego teorię.
Według Lemaitre'a powiedział: „Vos calculs sont corrects,
mais votre physique est abominable”.
Jeśli chodzi o Einsteina, jego matematyka mogła być poprawna,
ale jego rozumienie tego, jak działa prawdziwy świat,
było okropne.
Po raz kolejny Einstein odrzucił koncepcję dynamicznego Wszechświata.
Artykuł Lemaitre'a powinien wzniecić naukę,
ale bez wsparcia tak ogromnej i wpływowej postaci jak Einstein
jego przełomowa teoria została skazana na zapomnienie,
chyba że pojawi się jakaś obserwacja lub dowód, wspierające jego teorię
rozszerzającego się Wszechświata.
Edwin Hubble wspiął się na wyżyny po swoim odkryciu,
dowodzącym, że istnieją galaktyki, poza naszą własną.
Został uhonorowany w Hollywood, stał się honorowym gościem na Oscarach
i mając dostęp do najpotężniejszego na świecie teleskopu,
był gotowy na kolejne wyzwanie.
Usłyszał o niezwykłych obserwacjach,
że wiele galaktyk oddala się od nas.
Nikt nie rozumiał, dlaczego tak się dzieje.
TELESKOP GALILEO: LA PALMA
Więc w 1928 roku najsłynniejszy na świecie astronom
zwrócił swoją uwagę na tę nową tajemnicę kosmosu
i zaczął mierzyć prędkość,
z jaką galaktyki oddalają się od Ziemi.
Aby zmierzyć prędkość, z jaką galaktyka się od nas oddala,
Hubble wykorzystał przesunięcie ku czerwieni.
To nie jest idealna analogia,
ale efekt jest zbliżony do znajomych nam doznań dźwiękowych,
tonacja silnika samochodu, który się do nas zbliża
jest wyższa, bo fale dźwiękowe są sprężone,
a gdy samochód się oddala, tonacja silnika spada,
bo fale dźwiękowe ulegają rozciągnięciu.
Efekt jest podobny do fal świetlnych. Gdy zbliża się do nas źródło światła,
obserwowana długość fali jest zmiażdżona
w kierunku fioletowego albo niebieskiego końca spektrum.
Ale jeśli źródło światła się oddala, długość fali ulega rozszerzeniu
w kierunku czerwonego końca spektrum, ulega przesunięciu ku czerwieni
w żargonie astronomów,
i im większa jest prędkość cofania się obiektu, tym większe
przesunięcie ku czerwieni.
Wraz ze swoim asystentem Humasonem Hubble spędził kolejny rok,
dokładnie mierząc przesunięcie galaktyk ku czerwieni.
A ja mam okazję teraz zrobić to samo,
używając teleskopu.
W porządku, Massimo, znalazłeś dla mnie galaktykę?
Tak, znalazłem tę galaktykę.
W jakiej jest odległości?
Około 430 megaparseków.
Jeśli zamienić to na lata świetlne, 430 razy 3,26,
więc jest w odległości około półtora miliarda lat świetlnych.
W porządku.
Hubble musiał zmierzyć średnie światło pochodzące z galaktyki,
by obliczyć spektrum, aby móc wyliczyć przesunięcie ku czerwieni.
Humason uczynił to, naświetlając kliszę,
i cały tydzień zajęło mu
zebranie wystarczającej ilości światła, by uzyskać spektrum.
Ale tu, w TNG, teleskopie Galileo,
używa się bardzo wrażliwego czipa,
który może zrobić to samo o wiele szybciej.
Ile zajmuje uzyskanie spektrum?
Około 10, 15 minut.
Więc 10, 15 minut w porównaniu z tygodniem
z czasów Hubble'a.
To o wiele potężniejsze niż cokolwiek, czym wtedy dysponowano.
- Zrobione. - Spektrum jest dość dobre,
jest tutaj...
Więc to jest surowe spektrum, które...
- Tak. - Które uzyskano.
Czy użyjesz jakiejś szczególnej linii emisji
jako odnośnika do pomiaru przesunięcia ku czerwieni?
Tak, na przykład tu.
Masz linię emisji, ale by uzyskać prawdziwe spektrum,
należy ją oczyścić.
To jest wersja oczyszczona.
Tak, tego.
Więc to są linie emisji z galaktyki.
Tak.
A ta jest odnośnikiem.
Zgadza się, z przesunięciem równym zero.
Okej, więc to linia, która się nie oddala w stosunku do nas.
- Tak. - Widać tu bardzo wyraźnie,
jeśli porównać górną linię z tą tutaj,
- że każdy szczyt emisji jest przesunięty. - Tak.
Przesunięty w kierunku czerwieni, linia odniesienia to H-alfa,
można z nich wyliczyć przesunięcie tej galaktyki.
Można z tego wywnioskować,
jak szybko galaktyka się od nas oddala?
W zasadzie można to wyliczyć.
Jaki jest wzór?
Wzór to różnica
pomiędzy długością fali przesunięcia a długością fali obserwowanej,
podzielona przez długość fali odniesienia i pomnożona przez prędkość światła.
To efekt Dopplera.
Spróbujmy to obliczyć.
Tu mamy...
Siedem, dwa, zero, zero, w przybliżeniu.
- Dobrze. - Minus.
- Minus sześć, pięć. - Pięć, sześć, trzy. Sześć, trzy.
- Dobrze. - Przez.
Sześć, pięć, sześć, trzy.
A to jest frakcja prędkości światła.
- Tak. - Więc mogę zrobić tak.
Powinienem użyć kalkulatora, ale...
Siedem, dwa, zero, zero. Sześć, pięć, sześć, trzy.
To daje siedem, trzy...
Sześć...
To dzielimy przez sześć,
pięć, sześć, trzy. Dobrze, więc to daje...
0,1 prędkości światła.
0,1 C.
To około 30 000 kilometrów na sekundę, tak?
- Zgadza się. - Dziękuję.
Jestem całkiem zadowolony z moich wyliczeń matematycznych,
bo byłem pod presją...
Więc ta galaktyka
znajduje się półtora miliarda lat świetlnych
od Drogi Mlecznej,
a z przesunięcia ku czerwieni wyliczyliśmy, że...
oddala się od nas o jedną dziesiątą prędkości światła,
co oznacza, że porusza się od nas z prędkością trzech...
Wybaczcie, 30 000 km na sekundę.
Nauka.
Gdy Hubble wyliczył już prędkość galaktyki,
obliczył, jak daleko się ona znajduje.
Gdy miał już oba pomiary, mógł zacząć nanosić je
na wykres prędkości względem odległości.
Poczynił 46 różnych pomiarów,
a gdy naniósł je na wykres, zauważył pewien schemat.
Poprzez te punkty mógł narysować linię.
Każdy z nich to oddzielna galaktyka.
Zauważył związek pomiędzy prędkością
a odległością galaktyki.
Im dalej od nas się znajdowała, tym szybciej się poruszała.
W stabilnym Wszechświecie
prędkość galaktyk powinna być przypadkowa.
Nie spodziewałbyś się związku
pomiędzy odległością galaktyki a jej prędkością.
Wykres Hubble'a pokazywał, że Wszechświat się rozszerza,
co miało poważne konsekwencje dla koncepcji
dotyczącej początku Wszechświata.
Oznacza to, że nie chodzi tylko o to,
że galaktyki oddalają się od nas i od siebie,
ale jeśli cofnąć by zegar,
to był taki czas, kiedy wszystkie były ściśnięte razem,
w tym samym miejscu.
To była pierwsza obserwacja, pierwszy dowód na to,
że koncepcja Lemaitre'a, dotycząca momentu stworzenia
Wszechświata ewoluującego z Wielkiego Wybuchu, może być poprawna.
Dzięki pracy Hubble'a
Georges Lemaitre, nieznany belgijski kleryk,
teoretyk bez odpowiednich międzynarodowych referencji...
Człowiek, którego fizykę Einstein określił jako obrzydliwą,
został z opóźnieniem słusznie doceniony
za swoją odważną teorię.
Co najważniejsze,
Einstein później zmienił swoje zdanie o tej rewolucyjnej koncepcji.
W 1931 roku, podczas wizyty w obserwatorium Hubble'a,
Einstein wyraził publiczne poparcie dla modelu rozszerzającego się Wszechświata.
Powiedział: „Przesunięcie ku czerwieni odległej mgławicy
zmiażdżyło mój stary konstrukt jak uderzenie młotkiem”.
Einstein porzucił stałą kosmologiczną.
Nawet napisał do Lemaitre'a:
„Odkąd wprowadziłem to pojęcie,
miałem nieczyste sumienie.
Nie jestem w stanie uwierzyć, że tak okropna rzecz
znalazłaby swoje odbicie w naturze”.
Musiało to być dla Lemaitre'a jak rozgrzeszenie.
Będąc praktycznie wyrzutkiem na naukowym pustkowiu,
nagle znalazł się w samym centrum kosmologicznej rewolucji.
Koncepcja Wielkiego Wybuchu w końcu nabierała rozpędu.
Ale pomimo poparcia Einsteina oraz obserwacji Hubble'a
spór trwał w najlepsze.
Nadal istniały poważne zastrzeżenia,
czy koncepcja Wielkiego Wybuchu powinna zostać powszechnie przyjęta.
W naukowej teorii stworzenia
nie chodzi wyłącznie o wytłumaczenie rozszerzania się Wszechświata.
Są trudniejsze kwestie do rozwiązania.
Problem w tym,
że teoria Wielkiego Wybuchu zrodziła tyle samo pytań, na ile odpowiedziała.
Jeśli Wszechświat eksplodował z jednego punktu,
skąd wzięła się cała materia?
By ruszyć dalej, teoria musiała wyjaśnić,
jak powstała materia sama w sobie.
Zanim odpowiemy na to pytanie,
musimy wiedzieć, z czego zbudowany jest Wszechświat.
Podstawowe elementy budulcowe.
Wyjaśnienie tej kwestii było efektem niesamowitej pracy
niezwykłej kobiety.
Cecilii Payne.
Studiowała na uniwersytecie w Cambridge,
ale nie otrzymała dyplomu, ponieważ była kobietą.
Żeby kontynuować studia,
musiała udać się do bardziej oświeconego miejsca.
Wyjechała z Anglii do Ameryki
i właśnie tam odkryła skład Wszechświata.
Gdyby zadać pytanie, który element jest najpowszechniejszy,
naukowiec zajmujący się składem atmosfery powie azot.
W końcu wypełnia ponad trzy czwarte atmosfery.
Geolog mógłby powiedzieć: silikon lub żelazo albo tlen,
co wydaje się bardzo osobliwe i geocentryczne
oraz raczej zaściankowe.
Astronomowie stwierdzili, że lepiej przyjrzeć się Słońcu.
Co ma sens, zważywszy, że większość tego, co widzimy,
gdy patrzymy w kosmos, to gwiazdy.
Pierwsze próby analizy składu Słońca
były dokonane podobnym urządzeniem.
Nie dokładnie tym.
To nowatorski teleskop z XXI wieku.
Ale podstawowa idea była dokładnie taka sama.
TELESKOP SŁONECZNY: TENERYFA
Pomysł był bardzo prosty.
Światło słoneczne ulega odbiciu z tego lustra,
do drugiego lustra.
Odbija się ze szczytu wieży,
aż na samo jej dno, 10 pięter w dół,
gdzie jest skupiane i dzielone na spektrum
oraz poddawane analizie.
To sterownia teleskopu słonecznego.
Podstawa teleskopu jest tam.
Tutaj mam obraz Słońca na żywo.
A tutaj znajduje się zbliżenie
na widmo światła, pochodzącego ze Słońca.
Jest czarno-białe,
ale odpowiada za zieloną część widma.
A te dwie, grube linie odpowiadają za pierwiastek, żelazo.
Mówią nam, że w składzie Słońca znajduje się żelazo.
Tu mam bardziej szczegółowe widmo
i te dwie linie
odpowiadają tym dwóm w widmie absorpcyjnym
w określonych długościach fal.
To żelazo.
Jeśli spojrzę na inne części widma,
zobaczę również inne pierwiastki.
Ta krzywa to jest wodór.
Te dwie reprezentują tlen,
a to nachylenie to jest magnez.
Wszystkie te linie i odchylenia w widmie
wskazują na obecność tych elementów w atmosferze Słońca.
To jest jak odcisk palca składu Słońca.
Dla geologa wszystkie te elementy są znajome.
Na pierwszy rzut oka wydaje się,
że Słońce zbudowane jest z tego samego, co Ziemia.
Że Słońce to po prostu gorąca skała.
Tak byśmy myśleli,
gdyby nie spostrzeżenia Cecilii Payne.
Uświadomiła sobie, że na spektrografy mają wpływ procesy
zachodzące w atmosferze Słońca.
Mogłoby to wpływać na pozorne rozpowszechnienie pierwiastków,
z których składa się Słońce.
Więc ponownie obliczyła względne obfitości elementów
i odkryła, że Słońce składa się prawie wyłącznie z dwóch elementów,
wodoru oraz helu.
Wszystkie pozostałe pierwiastki: węgiel, tlen, sód, żelazo,
które sprawiały, że Słońce wydawało się podobne do Ziemi,
okazały się być jedynie ułamkiem jego składu.
Gdy po raz pierwszy ogłosiła wyniki,
uważano, że to niemożliwe.
W rzeczywistości, kiedy pisała swoją pracę,
została przekonana, by dodać komentarz,
że „ta wyliczona obfitość wodoru i helu
jest prawie na pewno nieprawdziwa”.
Koncepcja została zaakceptowana cztery lata później,
gdy dyrektor prestiżowego obserwatorium
doszedł do identycznych wniosków w inny sposób.
Jak na ironię, to był ten sam człowiek,
który początkowo odrzucił pracę Payne jako coś niemożliwego.
Odkrycie Payne dotyczące stosunku wodoru oraz tlenu
okazało się niezmiernie spójne dla niemal każdej gwiazdy w galaktyce.
To doprowadziło do wniosku,
że Wszechświat jest zdominowany przez dwa pierwiastki.
Najprostsze i najlżejsze:
wodór oraz hel.
Razem tworzą ponad 98% materii Wszechświata.
Innych pierwiastków, które są dla nas istotne:
węgla, tlenu, żelaza jest mniej niż 2%.
Teraz wyzwanie dla zwolenników teorii Wielkiego Wybuchu
było jasne i oczywiste.
Czy teoria Wielkiego Wybuchu może wyjaśnić
stworzenie i obserwowane wskaźniki wodoru i helu znalezionego w gwiazdach?
Ale odpowiedź na to
wymaga fundamentalnej zmiany podejścia.
Zamiast rozważać prawie nieskończony bezmiar Wszechświata,
trzeba było rozważyć
nieskończenie mały świat atomu,
a to wymagało nie astronoma,
ale zupełnie innego rodzaju fizyka.
George Gamow był rosyjskim fizykiem nuklearnym
oraz wielkim zwolennikiem koncepcji Wielkiego Wybuchu.
Skupił swoją uwagę na najwcześniejszych momentach istnienia Wszechświata.
Tutaj czuł, gdzie leży odpowiedź na znalezienie kompozycji Wszechświata.
Wierzył, że jako pierwsze powstały wodór i hel,
i ogłosił, że nastąpiło to wkrótce
po narodzinach Wszechświata.
Zajął się budowaniem matematycznego modelu najwcześniejszych etapów Wszechświata.
Myślał o Wszechświecie przez pryzmat sekund i minut,
a nie miliardów lat.
Rekrutował młodego protegowanego.
Ten gość, Ralph Alpher, mu pomagał.
Po latach ciężkiej pracy, z których część, jak twierdził Alpher,
było wspieranych przez twarde picie w barze,
przedstawili swój pomysł.
Przewijając Wszechświat
wiedzieli dobrze, że swego czasu
wczesny Wszechświat był niezwykle gęsty i fenomenalnie gorący.
Na tym etapie,
który, według ich wyliczeń, miał miejsce trzy minuty po Wielkim Wybuchu,
Wszechświat byłby tak gorący, że same atomy nie mogły istnieć.
Tylko ich części składowe.
Rodzaj superpodgrzanej, pierwotnej zupy
protonów, neutronów oraz elektronów.
Nadali jej nazwę „Ylem”, co w staroangielszczyźnie oznacza materię.
Wtedy przyszedł przełomowy moment.
Czas właściwy
dla jąder pierwszych pierwiastków, które miały zostać uformowane.
W krótkim czasie,
który według ich szacunków wynosił mniej niż 50 minut,
protony jądra wodoru zbliżyły się do siebie,
by utworzyć hel w procesie syntezy jądrowej.
Ponadto stosunek wodoru i helu,
przewidziany przez ich model, pasował do tego mierzonego w gwiazdach.
Ogłosili swoje rezultaty w artykule opublikowanym w 1948 roku.
Gamow dodał kolejnego autora do swojego artykułu.
Słynnego fizyka nuklearnego, Hansa Bethe, który nie miał z tym nic wspólnego.
Gamow dodał jego imię dla żartu.
Uważał, że to tworzyło świetną, naukową grę słów,
ponieważ autorzy artykułu nazywali się: Alpher, Bethe, Gamow.
Młody Alpher, jednakże,
nie był tym pomysłem zachwycony.
Wieść głosi, że w celu pojednania
Gamow wyprodukował dla Alphera butelkę Cointreau,
ale z etykietą zmienioną na napis „Ylem”.
Umiejętność dokonywania obliczeń,
które wyjaśniały pochodzenie materii w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu,
było niezwykłe samo w sobie.
Ale z ich pracy wyłoniła się
znacząca prognoza.
Prognoza, która mogła potencjalnie dostarczyć dowodu,
że Wszechświat zaczął się od Wielkiego Wybuchu.
Alpher kontynuował badanie wczesnego ewoluującego Wszechświata,
koncentrując się na tym, co stało się dalej.
Wyobraził sobie, że Wszechświat na tym etapie przypominał gęstą mgłę
wolnych elektronów i jąder atomowych.
Potem temperatura spadła do stanu krytycznego.
Temperatura wystarczająco zimna, aby elektrony
przyczepiły się do jąder wodoru i helu.
W tym momencie światło zaczęło swobodnie przemieszczać się po Wszechświecie.
Pierwsze światło stworzenia.
To mogło pozostać niczym więcej niż akademicką ciekawostką,
gdyby nie spostrzeżenie Alphera.
Uświadomił sobie, że to światło z początku Wszechświata
powinno wciąż do nas docierać,
po miliardach lat.
Słabe i nikłe, ale widoczne we wszystkich kierunkach.
Wyliczył, że ekspansja Wszechświata
powinna rozciągać długość fali tego światła
poza zakres widzialnego widma,
a teraz powinna docierać jako promieniowanie mikrofalowe.
Więc znajdź ten przewidziany starożytny sygnał mikrofalowy,
a dowiedzie to nie tylko teorii wczesnej ewolucji Wszechświata,
ale całej teorii Wielkiego Wybuchu.
Proste.
Problem w tym, że był rok 1940
i nikt nie potrafił wykrywać tak słabego sygnału.
O tym kluczowym teście zapomniano.
Zwolennicy Wielkiego Wybuchu mieli teraz prognozę i obserwację
rozszerzającego się Wszechświata.
Oraz teorię, jak powstały pierwiastki w pierwszych minutach
po Wielkim Wybuchu.
Ale bez rozstrzygających dowodów na to,
spór o to, czy teoria Wielkiego Wybuchu jest poprawna,
huczał nadal.
Przeciwnicy Wielkiego Wybuchu
stale poprawiali swoje teorie,
by dostosować swoją wizję wiecznego i nieskończonego Wszechświata
do nowych obserwacji.
Środowisko naukowe wciąż było równo podzielone.
Rozstrzygający dowód na teorię Wielkiego Wybuchu
pojawił się 15 lat później.
Został niespodziewanie ujawniony
przez dwóch młodych inżynierów radiowych.
W roku 1964 Arno Penzias oraz Robert Wilson,
tu jest Penzias,
odkryli coś tak doniosłego, że otrzymali za to nagrodę Nobla.
Ten teleskop jest przeznaczony do badania ich przypadkowego odkrycia.
W 1964 Penzias i Wilson pracowali w Bell Laboratories w USA,
gdzie otrzymali to,
dziwaczny i przestarzały zestaw do zabawy.
Dla całego świata to wygląda jak olbrzymia trąbka do słuchania.
Ale kiedy włączyli swój teleskop,
odkryli, że niebo było nasycone promieniowaniem mikrofalowym.
Wszystkie ciepłe ciała emitują promieniowanie mikrofalowe,
czy to z atmosfery, czy z samego narzędzia,
i oczywiście dzisiejsza mobilna komunikacja zalewa tym niebo.
Zanim mogli poczynić użyteczne pomiary,
musieli skalibrować anteny tubowe, by sprawdzić, czy mogą zmniejszyć szum.
Nawet po uwzględnieniu atmosfery i oprzyrządowania,
oczywiście wtedy nie było telefonów komórkowych,
nadal borykali się z uporczywym i głęboko irytującym hałasem w tle.
Urządzenie zarejestrowało
promieniowanie o stałej temperaturze trzech stopni powyżej zera absolutnego,
szum mikrofalowy,
którego nie mogli się pozbyć.
Jeszcze bardziej irytujące dla nich
było to, że znajdował się wszędzie,
gdzie skierowali swoją niebiańską trąbkę.
Mieli zrezygnować, gdy Penzias uczestniczył w spotkaniu,
na którym wspomniał koledze o tej irytującej sprawie.
Kilka tygodni później ten sam kolega zadzwonił do niego
i powiedział, że wie o jakichś badaczach w Princeton,
którzy szukają takiego właśnie sygnału.
Niewątpliwie Penzias i Wilson natknęli się na przewidywane promieniowanie,
rozbłysk światła Alphera, pochodzący z wczesnej ewolucji Wszechświata.
To przynajmniej dowodziło teorii Wielkiego Wybuchu.
Niezwykła jest świadomość, że to promieniowanie mikrofalowe
przebyło drogę z najdalszych zakamarków przestrzeni,
sprzed 13,8 miliarda lat,
gdy w wyniku Wielkiego Wybuchu powstało pierwsze światło.
Jak powiedział sam Penzias, gdy wychodzisz na dwór,
czujesz trochę ciepła z Wielkiego Wybuchu na skórze swojej głowy
i prawdopodobnie ja je czuję bardziej niż większość.
Prawie 40 lat po tym, jak Lemaitre po raz pierwszy ją sformułował,
teoria Wielkiego Wybuchu
weszła w końcu do naukowego głównego nurtu.
Ale odkrycie tego kosmicznego, mikrofalowego promieniowania tła,
w skrócie CMB, oraz dowód dowodzący teorii Wielkiego Wybuchu
to jeszcze nie koniec naszej historii.
Zbadaliśmy pierwsze kilka minut po Wielkim Wybuchu,
a za tym leży nowa granica wiedzy.
Nadal istnieją bardzo ważne kwestie do rozwiązania,
związane z początkami Wszechświata.
Pytania takie jak: skąd wzięła się cała materia
i jak coś wzięło się z niczego?
Odpowiedzi na te pytania leżą znacznie wcześniej,
ukryte za kurtyną CMB.
Sekrety te leżą w pierwotnym Wszechświecie,
w pierwszej sekundzie jego istnienia.
Tutaj leży kres naszego rozumienia
i to tutaj naukowcy skupiają swoje wysiłki,
nie wpatrując się w niebiosa, ale tu,
na granicy Szwajcarii i Francji,
dokładniej w CERN,
przy największym na świecie akceleratorze cząsteczek,
Wielkim Zderzaczu Hadronów, w skrócie LHC.
DETEKTOR ALICE: CERN
Możesz się zastanawiać, jaki związek ma akcelerator cząsteczek
z wczesnym Wszechświatem,
ponieważ powiązanie między nimi nie jest oczywiste.
Warto zapamiętać, że kiedy Wszechświat był bardzo młody,
był o wiele mniejszy.
I cała materia, wszystko, z czego zrobione są gwiazdy,
galaktyki, czarne dziury, wszystko znajdowało się
w ograniczonej, mniejszej przestrzeni.
Na tym etapie Wszechświat był fenomenalnie gorący
i co ważniejsze, gęstość energii była bardzo wysoka.
Wtedy powstała pierwsza materia.
LHC jeszcze nie potrafi powtórzyć tego procesu,
ale pozwala nam zbadać właściwości
tych podstawowych cząstek.
Raz w roku LHC wstrzymuje swoją normalną działalność,
polegającą na zderzeniu wiązek protonów
i zamiast tego używa o wiele masywniejszych cząstek,
by zderzyć ze sobą energię 80 razy większą,
niż wyprodukowana przez dwa protony.
Robią to, przyspieszając atomy ołowiu,
pozbawione wszystkich elektronów,
zbliżając się do prędkości światła i zderzając je ze sobą.
Pozwala to zobaczyć coś wyjątkowego.
Kolizje są tak intensywne,
że na chwile tworzą coś unikalnego.
Świat niezbudowany z atomów, a nawet protonów i neutronów,
ale z kwarków, gluonów i leptonów,
egzotycznie nazwanych cząstek, które zetknęły się, tworząc atomy
w ciągu pierwszej milionowej sekundy po Wielkim Wybuchu
i od tamtej pory są uwięzione.
Tam, pod tą osłoną z ołowiu,
odtwarzamy etap w ewolucji Wszechświata,
zwany plazmą kwarkowo-gluonową.
To jest moment chwilę przed uwięzieniem kwarków przez gluony,
w celu stworzenia protonów i neutronów,
które utworzą jądra atomów.
Często używamy określenia „uwięzienie kwarków”.
Aby uzyskać niezbędną energię,
jądra ołowiu przechodzą przez łańcuch mniejszych akceleratorów,
stopniowo zwiększając swoją energię,
aż w końcu zostaną wprowadzone do największego akceleratora na Ziemi,
Wielkiego Zderzacza Hadronów.
Obecnie maksymalna energia, którą może uzyskać wiązka,
jest związana bezpośrednio z wielkością akceleratora,
a LHC ma obwód 27 kilometrów.
To oznacza, że te oto wiązki
mogą uzyskać energię 1000 tetraelektronowoltów.
To mniej, niż może się wydawać,
bo to ekwiwalent energii, z jaką mucha uderza w szybę,
ale krytyczną różnicą jest to, że ta energia jest skoncentrowana.
Ważna jest gęstość energii.
Wielki Zderzacz Hadronów potrafi ściskać energię
do przestrzeni mniejszej niż jedna trylionowa wielkości atomu.
To nie może zdarzyć się nigdzie indziej w znanym nam Wszechświecie.
Dwie wiązki jąder ołowiu poruszają się wokół pierścienia,
w przeciwnych kierunkach.
Zderzają się głęboko pod tym pomieszczeniem, w detektorze.
Na tym ekranie możemy zobaczyć zdjęcia na żywo z detektora.
Teraz podróżują pod nami
z prędkością 99,9998% prędkości światła.
To oznacza, że pokrywają cały 27-kilometrowy obwód pierścienia
ponad 11 000 razy na sekundę.
Kiedy wiązki osiągają maksymalną energię
i widzimy napis: „Fizyka jonowa: Wiązki stabilne”,
to oznacza, że mogą zostać skrzyżowane,
jak w filmie Pogromcy Duchów.
W tym momencie niewielka frakcja jąder ołowiu zderzy się
i stworzy supergorącą, supergęstą kulę ognia
o temperaturze 400 000 razy gorętszej niż środek Słońca,
i gęstości, która byłaby równoważna ściśnięciu
całej góry Mont Blanc do wielkość winogrona.
Fantastyczny obraz, więc możesz mi powiedzieć, co widzimy?
Niesamowite, prawda?
To dosłownie dziesiątki tysięcy
wylatujących cząsteczek i cząstek antymaterii.
- To następstwo eksplozji. - Zgadza się.
Kolorowe ślady cząsteczek same w sobie nie są kwarkami i gluonami,
ale dowodzą, że plazma kwarkowo-gluonowa powstaje w wyniku kolizji.
Musimy wydedukować jej właściwości, obserwując wylatujące odpadki.
To trochę jak sprawdzanie, jak działa samolot,
poprzez oglądanie gruzów katastrofy lotniczej,
właśnie to widzimy.
Dla mnie niesamowite jest to,
że próbujemy tutaj odtworzyć ten moment z początków istnienia Wszechświata.
Tam, gdzie kwarki i gluony mogły swobodnie dryfować,
bo energia była wysoka, potem chłodziła się i skleiły się ze sobą.
Robisz coś przeciwnego, zaczynamy od normalnej materii,
zderzamy ją ze sobą
i powracamy do tego nieskrępowanego stanu, jakim jest plazma.
Lubię myśleć o tym, jak o maszynie czasu.
Cofamy wskazówki zegara
i to jest jedyny sposób, w jaki możemy zbadać właściwości wolnych kwarków,
ponieważ zostały one uwięzione wewnątrz cząstek takich jak protony i neutrony
na 13,8 miliarda lat.
To niesamowite, prawda?
Wreszcie, po 13,8 miliarda lat można uwolnić te kwarki,
na ułamek sekundy.
Tak.
Chociaż nie wiadomo jeszcze, jak powstaje materia,
badanie tych kolizji pozwala nam
na zrobienie pierwszych kroków w kierunku tego odkrycia.
To, co widzieliśmy, to najwcześniejszy etap istnienia Wszechświata,
który ludzkie oko mogło obserwować.
To moment najbliższy Wielkiemu Wybuchowi
i bądźmy szczerzy, nie jest źle,
jedna milionowa sekunda po Wielkim Wybuchu.
Nawet tak dalekie cofnięcie się w czasie
pozostawia fizykę z pytaniami bez odpowiedzi.
Gdzieś poza tym ukrywają się niektóre
z głębszych tajemnic Wszechświata.
Jak cztery podstawowe siły łączące razem materię,
grawitacja, elektromagnetyzm oraz siły jądrowe,
są ze sobą powiązane.
Jak cząstki, tworzące materię,
są skondensowane z mgły energii,
jak masa generowana jest z siły, która wiąże protony i neutrony razem,
oraz jak Wszechświat sam w sobie
przeszedł superszybką ekspansję
w jednej miliardowej miliardów części sekundy,
by utworzyć strukturę kosmosu.
W tej chwili nie mamy możliwości obserwowania żadnego z tych zjawisk.
To sfera abstrakcyjnych teorii i spekulacji.
Jeśli kiedykolwiek będziemy odtwarzać wczesny etap
ewolucji Wszechświata,
będziemy musieli stworzyć znacznie większe energie.
Szczerze mówiąc, będziemy musieli zbudować większy zderzacz
i to jest problem, nie chodzi tutaj o koszt,
chociaż byłoby to niesamowicie kosztowne.
Chodzi bardziej o znalezienie miejsca budowy.
Pamiętasz, gdy mówiłem, że energia
jest związana z obwodem akceleratora?
Znajdujący się pod nami Wielki Zderzacz Hadronów
ma obwód 27 kilometrów.
Biegnie pod górami Jura
i przecina Francję oraz Szwajcarię.
Aby móc obserwować najwcześniejsze etapy powstania Wszechświata,
musimy zbudować akcelerator
o obwodzie większym niż orbita Plutona.
Przetłumaczone przez: Mariusz Bansleben