Wiemy, że wszechświat miał swój początek,
obudził się do życia 13,8 miliardów lat temu,
tworząc rozległy kosmos, który możemy oglądać do dziś.
Teraz gdy odkryliśmy jego źródło,
stajemy w obliczu innego, równie ważnego pytania.
Skoro wszechświat ma swój początek,
czy to oznacza, że w końcu także umrze?
Czy może będzie istniał wiecznie?
Dla nas, zwykłych śmiertelników,
ostateczny los wszechświata
to pytanie zakorzenione w naszej psychice.
Próby odpowiedzi wywołały niewiarygodną rewolucję
w naszym pojmowaniu kosmosu.
W ostatnich latach ukazały także wszechświat,
który jest bardziej niezwykły, niż kiedykolwiek sądzono...
i doprowadziły do jednego z najbardziej szokujących momentów w historii nauki.
To moment zwrotny w opowieści obejmującej ponad 100 lat.
W tym czasie kluczowe eksperymenty i odkrycia...
Proszę bardzo.
Dokładnie w miejscu, które przewidział Hoyle.
...doprowadziły nas bliżej niż kiedykolwiek
do poznania ostatecznego losu wszechświata.
Sama skala wszechświata jest faktycznie oszałamiająca.
Jakim cudem można by przewidzieć przyszłość czegoś tak ogromnego,
tak złożonego,
tak monumentalnego?
Od czasu, gdy po raz pierwszy zaczęliśmy zmagać się z tym pytaniem,
odpowiedź wynikała z jednej prostej idei.
Gdybyśmy mogli zaobserwować i zrozumieć, w jaki sposób wszechświat się zmieniał,
w jaki sposób ewoluował od początku aż do chwili obecnej,
wtedy, na podstawie ekstrapolacji,
moglibyśmy przewidzieć, w jaki sposób będzie ewoluował w przyszłości.
Drobną wadą tego planu jest fakt,
że wszechświat funkcjonuje w okresach
równych milionom i miliardom lat.
My niestety nie.
Aby zrozumieć działanie wszechświata,
musimy spojrzeć poza czas naszego ograniczonego ludzkiego życia.
Okazało się, że w tym przypadku
samą skalę wszechświata można wykorzystać na naszą korzyść.
Wszechświat jest tak ogromny,
że światło z niektórych obiektów, które widzimy w nocy na niebie,
podróżowało na Ziemię miliony, a nawet miliardy lat.
Gdy spoglądamy w górę, patrzymy w przeszłość,
obserwując zapis rozległej historii wszechświata.
Problem tkwi w tym, że mamy tylko jedno ujęcie,
pojedyncze, złożone i zagmatwane zdjęcie całej tej historii.
To jakby wziąć wszystkie słowa z powieści,
pomieszać je i umieścić wszystkie na jednej stronie.
Rozwiązaniem jest wyizolowanie tej historii,
żeby nauczyć się ją czytać, żeby dostrzec ją i zrozumieć.
Astronomowie uświadomili sobie, że gwiazdy mogą pomóc nam odczytać tę historię.
Jeżeli naukowcy byliby w stanie pojąć, jak zmieniają się gwiazdy,
jak ewoluują w czasie,
wtedy mogliby zacząć rozumieć,
jak zmienia się wszechświat,
a tym samym dostrzec pierwsze wskazówki w kwestii jego przyszłości.
Odpowiedź na te pytania uzyskano dopiero w połowie XX wieku.
Odkrycie tajemnic gwiazd było możliwe
dzięki przebłyskowi geniuszu u Freda Hoyle'a.
Hoyle by genialnym matematykiem i fizykiem,
jednym z najlepszych w jego czasach.
Był kreatywny i wysuwał śmiałe teorie.
Nade wszystko uwielbiał problemy,
skomplikowane łamigłówki, których rozwiązania naznaczał swoim imieniem.
Pod koniec lat 40. XX wieku napotkał największą z nich.
Hoyle chciał dowiedzieć się, skąd pochodzą pierwiastki.
Na wczesnym etapie wszechświat był prawdopodobnie mieszanką wodoru i helu,
najprostszych i najlżejszych pierwiastków.
Ale wiemy, że to uległo zmianie.
Rozejrzyjcie się wokół. Świat, w którym żyjemy, nie jest prosty.
Jesteśmy otoczeni przez złożoność
zbudowaną ze skomplikowanych ciężkich pierwiastków, jak tlen, którym oddychamy,
żelazo w naszej krwi
czy węgiel w drzewach i każdej komórce mojego ciała.
Nikt nie wiedział, jak zapełnić tę lukę.
Jak wszechświat zmienił się z tego prostego na początku
w ten otaczający nas dzisiaj.
Właśnie tym problemem zajął się Hoyle.
Hoyle wiedział, że odpowiedź znajdzie w syntezie jądrowej.
Synteza jądrowa polega na tym,
że lżejsze pierwiastki łączą się, tworząc te bardziej złożone.
Wiedziano już, że dochodzi do tego w sercu gwiazd,
w których wodór łączył się, tworząc bardziej złożony hel.
Hoyle zastanawiał się, jak dotrzeć jeszcze dalej.
Jak jądro helu może łączyć się, by stworzyć jeszcze cięższe pierwiastki.
To niezwykle prosta idea.
Oto nasze jądro helu.
Gdyby połączyć dwa jądra helu,
powstałby beryl,
cięższe i bardziej złożone jądro.
Gdy dodamy trzecie jądro helu, powstanie węgiel.
Można kontynuować tworzenie coraz cięższych pierwiastków.
To idealna odpowiedź,
ale nadal istniał poważny powód, dla którego powstawanie węgla,
a tym samym innych pierwiastków, było tak wielką tajemnicą.
Problem stanowił fakt, że fizyka tego procesu po prostu nie działała.
Obliczenia pokazywały, że trzy jądra helu się nie połączą.
Jądro węglowe, które tworzyły, było niestabilne i się rozpadało.
Rozpadało się na poziomie węgla,
więc nie było szans na stworzenie innych cięższych pierwiastków.
To było jak blokada na drodze.
W typowy dla siebie odważny i optymistyczny sposób
Hoyle rozwiązał problem, przewidując zupełnie nowy stan węgla.
Hoyle poszedł za głosem intuicji.
Zdecydował, że jeśli trzy jądra helu połączą się ze sobą w gwieździe,
stworzą węgiel z odrobiną więcej energii niż normalnie.
W tym wyjątkowym stanie
węgiel mógłby się nie rozpaść na dość długo, by stać się stabilnym.
W ten sposób gwiazdy mogły tworzyć węgiel, a blokada na drodze została usunięta.
Jeżeli Hoyle miał rację, oznaczałoby to, że rozwiązał tę tajemnicę.
Pierwiastki powstawały w sercach gwiazd.
Ale chodziło jeszcze o coś więcej.
Hoyle uświadomił sobie, że jego teoria może wykazać, jak gwiazdy się zmieniają.
A ponieważ wszechświat jest stworzony z gwiazd,
otrzymałby potężne narzędzie do przewidywania przyszłości wszechświata.
O proszę...
Astronomowie grupowali już wtedy gwiazdy
na podstawie ich rozmiarów, koloru i jasności,
umieszczając je na wykresie
zwanym diagramem Hertzsprunga-Russella.
Oto diagram, który stworzyli.
Na tej długości znajdują się rozmiar i jasność,
od bardzo dużych, jasnych gwiazd aż do tych mniejszych i ciemniejszych.
W tę stronę biegnie kolor i temperatura,
od bardzo gorących niebieskich gwiazd do zimniejszych czerwonych gwiazd.
Większość średniego rozmiaru gwiazd
wypada na długiej przekątnej na środku diagramu,
z grupą ogromnych, jasnych gwiazd na górze i małych, tak zwanych karłów, poniżej.
Astronomowie byli w stanie dostrzec pewne wzorce,
ale nie potrafili rozszyfrować ich znaczenia,
aż Hoyle zaprezentował w swojej teorii
radykalnie nowy sposób patrzenia na diagram,
który ukazywał cykl życia gwiazdy.
Weźmy za przykład nasze Słońce.
W chwili obecnej znajduje się na środku diagramu
i zadowolone spala wodór, zamieniając go w hel.
Ale jeśli Hoyle miał rację, to gdy Słońcu skończy się wodór,
zacznie łączyć hel, by tworzyć cięższe pierwiastki.
W tym momencie dochodzi do dramatycznej przemiany,
ponieważ zamiast przesuwać się na diagramie w tę stronę,
wielokrotnie zwiększa swój rozmiar
i skacze w to miejsce, by żyć pośród czerwonych olbrzymów.
Na tym etapie zaczyna spalać hel, by wytwarzać znacznie cięższe pierwiastki,
aż w końcu zaczyna produkować węgiel.
W tym momencie, gdy kończy się mu paliwo jądrowe,
przechodzi ostatnią przemianę.
Zrzuca większość swojej zewnętrznej warstwy,
pozostawiając jedynie maleńki biały węgielek tutaj, pośród białych karłów.
Gwiazdy poruszają się po diagramie swoją własną drogą.
Teoria Hoyle'a pozwalała śledzić ewolucję każdej gwiazdy,
napędzaną nagłym zapłonem nowego etapu powstawania pierwiastków.
Oto dostaliśmy odpowiedź na tajemnicę ciężkich pierwiastków,
klucz do cyklu życia gwiazd
i okno wychodzące w przyszłość wszechświata,
a wszystko dzięki nowemu stanowi węgla, który wymyślił Hoyle.
Istniał tylko jeden niewielki problem.
Nikt nigdy nie widział ani nie wykrył specjalnej formy węgla Hoyle'a,
ani w charakterystycznym widmie gwiazd, ani na Ziemi,
ani nawet w eksperymencie laboratoryjnym.
O ile wszystkim było wiadomo, taka forma węgla nie istniała,
a bez niej cała teoria upadała.
To, co stało się potem, świadczy o geniuszu Hoyle'a
i jego niezachwianej wierze w siebie.
W latach 50. XX wieku
Hoyle wstąpił w szeregi Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, Caltech,
który posiadał jeden z niewielu akceleratorów cząstek,
które istniały w tamtych czasach, podobny do tego.
Hoyle chciał wykorzystać akcelerator, aby stworzyć wysokoenergetyczny węgiel.
CYKLOTRON MC40
Instytut nie patrzył na to przychylnie.
Ten nieznany im Brytyjczyk próbował przejąć ich maszynę,
aby znaleźć coś, co w rzeczywistości sam wymyślił.
Podobnie jak Hoyle, jestem teoretykiem.
Fizyka eksperymentalna to zupełnie inny świat
i inna dziedzina wiedzy.
Ale Hoyle był asertywny i na tyle odważny,
by wkroczyć do laboratorium
i zażądać
zaprzestania prowadzonych badań,
aby przeprowadzić skomplikowany eksperyment
i szukać czegoś, w czego istnienie nikt nie wierzył.
Ja nie miałbym odwagi, by zrobić coś takiego.
Hoyle nękał ich,
argumentując, że będzie to ważne i znane odkrycie.
W końcu na to przystali i rozpoczęto poszukiwania.
Dziś chcę odtworzyć ich eksperyment.
Zgodnie z planem, mieli uderzyć w element docelowy wiązką cząstek,
żeby sprawdzić, czy będą mogli stworzyć ten stan węgla.
W czasie eksperymentu pomagać mi będą
Tzany i Robin.
Nasz cel umieścimy w środku tej komory reakcyjnej.
Oni chcieli uzyskać konkretny sygnał,
który pojawiłby się na ich detektorze.
Gdyby ten stan węgla istniał naprawdę,
Hoyle przewidział, że pojawiłby się jako skok energii
równy 7,7 milionom elektronowoltów,
niczym odcisk palca tego wyjątkowego stanu węgla.
My chcemy uzyskać taki sam skok energii.
Czas zamknąć komorę,
zamknąć drzwi promieniochronne
i rozpocząć eksperyment.
To jest panel sterowania, który pozwolono mnie, teoretykowi,
dziś obsługiwać.
Najpierw muszę wystrzelić wiązkę.
Trzeba skierować wiązkę na element docelowy.
Naładowane cząsteczki uderzają w cel.
W latach 50. XX wieku to była dla Hoyle'a chwila prawdy.
Zaraz zaczną napływać dane,
a najważniejsze wyniki zobaczymy na tym ekranie.
Jeżeli Hoyle miał rację,
zobaczyliby jego wzbudzony stan węgla w tym miejscu.
7,7 MLN eV
Zobaczyliby skok energii w tym miejscu.
Proszę bardzo.
Dokładnie w miejscu, które przewidział Hoyle.
Gdy przeprowadzono ten eksperyment 60 lat temu,
naukowcy byli niezwykle zdumieni, że Hoyle miał rację.
To niezwykłe, że pracował jedynie nad swoim przeczuciem w teorii,
przekonał swoich współpracowników do przeprowadzenia eksperymentu i miał rację.
Nie mylił się także w kwestii sławy.
Kierownik laboratorium
otrzymał za odkrycie nagrodę Nobla.
Hoyle jednak nie otrzymał nic.
PRZEGLĄD FIZYKI
Opublikowali swoje odkrycia w najbardziej znanym
i wiarygodnym czasopiśmie naukowym.
Na okładce artykułu
autorzy umieścili cytat z Króla Leara Szekspira:
„Gwiazdy kształtują ludzkich serc naturę”.
To było potwierdzenie istnienia tego wzbudzonego stanu węgla,
które udowadniało, że to w środku gwiazd
powstają wszystkie pierwiastki, które składają się na świat wokół nas
i nas samych także.
Dzięki temu odkryciu
uzyskaliśmy prawdziwy wgląd w cykl życia gwiazd.
Mogliśmy zacząć rozumieć, jak wszechświat zmienia się w czasie,
zarówno w przeszłości, jak i w przyszłości.
Zyskano podstawy do ekstrapolacji w przyszłość
i jedną wyraźną prognozę w kwestii końca istnienia wszechświata.
Gwiazdy powstawały z wodoru i helu
i to właśnie te dwa pierwiastki były pochłaniane przez starzejące się gwiazdy,
by wytworzyć cięższe pierwiastki.
Logiczne wnioski były niepokojące.
Po niemal niewyobrażalnym okresie czasu
gwiazdy zużyją cały istniejący wodór i hel.
Nie będą mogły powstawać nowe gwiazdy,
a istniejącym już gwiazdom skończy się paliwo i umrą.
We wszechświecie zrobiłoby się ciemno.
Wszystko, co ważne dla mnie i dla ciebie,
światło i życie stworzone przez gwiazdy,
to byłby koniec istnienia wszechświata.
Ale istniała inna możliwość, która obiecywała całkiem odmienny los,
i która zaistniałaby na długo przed wyczerpaniem się paliwa gwiazd.
Los, który wiązał się z podstawową siłą we wszechświecie,
grawitacją.
Potencjał grawitacji, by określić ostateczne losy wszechświata,
został dostrzeżony przez jednego z niedocenionych bohaterów nauki,
Vesto Sliphera.
Nielicznym wiadomo, że jego pionierskie, specjalistyczne pomiary
zmienią nasze rozumienie wszechświata.
Na początku XX wieku astronomia wchodziła w swój złoty wiek,
z jeszcze potężniejszymi teleskopami do badania nieba.
Jednym z największych celów w tamtych czasach była mgławica.
Mgławica to obłoki i kłęby świateł, które widoczne były między gwiazdami.
Niewiele wtedy wiedziano o tych tajemniczych obiektach.
W związku z tym astronomowie starali się dowiedzieć o nich jak najwięcej.
Slipher interesował się jednym konkretnym aspektem mgławic,
ich ruchami.
Na cel obrał sobie najbardziej znaną mgławicę, Andromedę.
OBSERWATORIUM UCL, LONDYN
Slipher chciał jako pierwszy zmierzyć, jak szybko porusza się mgławica.
Problem polegał na tym, że nie miał najlepszego teleskopu,
był za innymi daleko w tyle.
Ale Slipher miał jednak jedną wielką przewagę nad konkurentami.
Był znakomitym astronomem.
Ten teleskop ma takie same wymiary jak ten Sliphera.
Ma 24-calowe lustro,
ale Slipher z pewnością chciałby pracować na takim sprzęcie.
Slipher potrzebował uzyskać spektrum.
To wiąże się z rozszczepieniem światła z mgławicy
na różne częstotliwości,
na różne kolory, z których się składa.
Wykorzystałby do tego siatkę dyfrakcyjną,
która odbija światło
i daje mi wszystkie kolory tęczy.
Slipher martwił się, ponieważ musiał zebrać jak najwięcej światła,
żeby uzyskać przydatne spektrum,
a mgławica była wyjątkowo słaba.
Obawiał się, że przy pomocy swojego teleskopu nie uzyska
wystarczającej ilości światła.
Choć ma takie same wymiary,
ten nowoczesny teleskop potrafi wychwycić spektrum Andromedy
w ciągu kilku minut.
Używając swojego teleskopu
Slipher potrzebował 14 godzin, aby otrzymać jedno spektrum,
dwóch dni wyczerpujących starań,
siedmiu godzin każdej nocy, nieustannie regulując teleskop,
aby utrzymać go na Andromedzie.
Slipher chciał dowiedzieć się, jak Andromeda się porusza.
Potrzebował w tym celu nie tylko spektrum ze światła Andromedy,
ale także linii absorpcyjnych.
To te niewielkie przerwy w spektrum, które tu widzimy.
Te linie absorpcyjne powinny znajdować się zawsze w tym samym miejscu,
jeśli źródło pozostaje nieruchome.
Jeśli przesunęły się w prawo, w stronę czerwonego końca spektrum,
oznacza to, że źródło się od nas oddala.
Jeśli przesunęły się w lewo, w stronę niebieskiego końca spektrum,
oznacza to, że źródło się do nas zbliża.
Po dwóch dniach obserwacji
Slipher był gotowy wywołać swoją fotografię.
Nie uzyskał tak pięknego i czystego obrazu jak ten,
ale to zdjęcie.
To jest jego powiększenie.
On uzyskał znacznie mniejszy obraz,
bez tych linii na górze i na dole.
Uzyskał tylko tę rozmazaną plamę w środku.
To było spektrum Andromedy.
Można pomyśleć, że mu się nie udało,
że nie można uzyskać z tego niczego sensownego.
On jednak zdołał nie tylko uzyskać sensowne pomiary,
ale także obliczyć, że Andromeda pokazywała przesunięcie ku niebieskiemu,
czyli że poruszała się w naszą stronę,
w naszym kierunku
z prędkością 300 kilometrów na sekundę,
co jest zgodne ze współczesnymi obliczeniami.
Slipher tego dokonał.
Pierwsze w historii obliczenie prędkości mgławicy.
Jego umiejętności i wytrwałość pokonały ograniczenia jego teleskopu.
Gdy Slipher zaprezentował swoje odkrycie na spotkaniu astronomów w 1914 roku,
otrzymał owację na stojąco.
Łatwo jest zapomnieć, jak ważni są tacy naukowcy jak Slipher.
Że przełomowe odkrycia w nauce
często nie wiążą się z wielkimi ideami czy piękną teorią.
Często uzależnione są od ludzi,
którzy posiadają wyjątkową wprawę w obserwowaniu i mierzeniu świata przyrody.
Dziś wiemy, że mgławica Andromedy jest tak naprawdę galaktyką,
podobną do naszej Drogi Mlecznej.
To ruchy Andromedy
pokazują, w jaki sposób grawitacja kształtuje losy wszechświata.
Od czasu narodzin w Wielkim Wybuchu wszechświat stale się powiększa.
W rezultacie większość galaktyk oddala się od siebie.
Gdy powstały,
Andromeda i Droga Mleczna też się od siebie oddalały,
dopiero działająca na nie grawitacja zahamowała tę ekspansję.
To grawitacja nieubłaganie ciągnie Andromedę i Drogę Mleczną
w swoją stronę.
Pytanie brzmi,
czy jeżeli grawitacji udaje się ta sztuczka w naszej części kosmosu,
to czy potrafiłaby zadziałać w tej sposób na resztę wszechświata?
Jeśli grawitacja może zatrzymać ekspansję, na długo przed wypaleniem się gwiazd
nasz ogromny wszechświat nieuchronnie sam zniknie.
Wszechświat zniknąłby w wyniku Wielkiego Kolapsu.
Gdyby grawitacji się nie udało, wszechświat kontynuowałby ekspansję
na długo po obumarciu ostatniej gwiazdy.
Wszystko zależy od jednego czynnika,
przewidzianego przez teorię względności Einsteina.
Korzystając z teorii względności, wykazano,
że możliwe są dwa bardzo różne losy wszechświata.
Co więcej, możliwe było obliczenie konkretnej liczby,
która wyznaczała granicę pomiędzy tymi dwoma różnymi scenariuszami.
Wartość tę nazwano gęstością krytyczną.
Gęstość krytyczna była w rzeczywistości wartością progową,
opartą na ilości materii i energii
znajdujących się we wszechświecie.
Jeśli ta suma byłaby większa niż gęstość krytyczna,
pod wpływem grawitacji wszechświat by się skurczył
i nastąpiłby Wielki Kolaps.
Jeśli suma ta byłaby niższa niż gęstość krytyczna,
ekspansja wszechświata trwałaby wiecznie.
Losy całego wszechświata sprowadzone zostały do jednego prostego pytania.
W jakim wszechświecie żyjemy?
Takim, który znajduje się powyżej czy poniżej gęstości krytycznej?
By odpowiedzieć na to pytanie, należało przyjrzeć się ekspansji wszechświata.
Jeżeli wszechświat był powyżej gęstości krytycznej
i zmierzał ku upadkowi,
wtedy tempo ekspansji już by zwalniało.
Astronomowie zaczęli więc szukać drogi,
by zmierzyć, w jaki sposób ekspansja wszechświata się zmienia.
Byli pewni swojego sukcesu
do czasu, aż młoda doktorantka, Beatrice Tinsley
dostrzegła w ich planie poważną wadę.
Tinsley, nazywana przez rodzinę i przyjaciół żuczkiem,
była niezwykle utalentowanym muzykiem. Mogłaby zostać profesjonalistką.
Zamiast tego jednak zdecydowała się skupić na swojej drugiej wielkiej pasji,
czyli astrofizyce.
W tej dziedzinie także osiągała doskonałe wyniki.
Ale w latach 60. kobietom nie było łatwo zrobić karierę naukową,
a jej uczelnia, Uniwersytet w Teksasie,
wydawała się zdeterminowana, by ignorować tak znakomitego naukowca w swoim gronie.
Pomimo tego Tinsley zrobiła doktorat
w czasie o ponad połowę krótszym od normalnie wymaganego.
A doktorat ten zapowiadał kłopoty dla pomiarów tempa ekspansji.
Plan zakładał pomiary ruchów galaktyk
w różnych odległościach od Ziemi,
a tym samym w różnych okresach w przeszłości.
Zmiany w tych ruchach
ujawniłyby, w jaki sposób zmienia się ekspansja wszechświata.
Pomiary ruchów były stosunkowo proste.
Problem stanowiły pomiary odległości.
W naszym codziennym świecie otoczeni jesteśmy wizualnymi wskazówkami,
które dają nam poczucie skali, a tym samym odległości.
Ale w bezmiarze wszechświata jest to o wiele trudniejsze.
Choć to wydaje się nietypowe, astronomowie wykorzystali w tym celu światło.
Światło nie jest może oczywistym narzędziem pomiarowym,
a w tej sytuacji wydawało się idealne.
Opiera się to na bardzo prostej zasadzie.
Jak jasne jest dla mnie światło zależy od tego, jak blisko niego się znajduję.
Gdy jestem bardzo blisko,
duża ilość światła wpada do moich oczu, więc wydaje się ono jasne.
Ale gdy się oddalę,
światło może się bardziej rozproszyć,
i mniejsza jego ilość wpada do moich oczu, więc wydaje się, że jest ciemniej.
Co ważne, ta zmiana poziomu jasności
wiąże się z niezwykle precyzyjną relacją matematyczną.
Mogę wykorzystać tę relację, by obliczyć odległość.
Jeśli zmierzę różnicę między jasnością światła obok mnie...
Dwa i dwadzieścia.
...a tego oddalonego ode mnie...
Około półtora.
Nie wiem, czy to widoczne, bo jest tu dość ciemno.
...będę w stanie obliczyć, jak daleko ode mnie światło się znajduje.
Muszę teraz podzielić te dwie liczby,
to około 150.
Teraz muszę wyciągnąć pierwiastek kwadratowy.
Pierwiastek ze 150
wynosi trochę ponad 12.
Około 12,2 metra.
Dobrze.
Teraz sprawdzę moje obliczenia.
Tę zasadę wykorzystywali astronomowie,
by zmierzyć odległość do galaktyk.
Miara pokazuje 11,5 metra.
To nieznacznie mniej niż 12 metrów, które obliczyłem, ale i tak dość blisko.
Jestem zadowolony z wyniku.
Ale ta metoda działa tylko, gdy wiemy, jak jasny powinien być odległy obiekt.
Wtedy możemy zmierzyć, jak ta jasność się zmieniła.
Okazało się to piętą achillesową astronomów.
Astronomowie mierzyli galaktyki w różnych odległościach,
więc w różnych okresach istnienia wszechświata.
Oznaczało to, że galaktyki różniły się wiekiem
o miliony czy miliardy lat.
Aby pomiary odległości były właściwe,
musieli założyć, że wszystkie te galaktyki w różnym wieku
świeciły z taką samą jasnością.
Inaczej mówiąc, że jasność galaktyki nie zmienia się z biegiem czasu.
Ale Beatrice Tinsley
dostrzegła fatalny błąd w samym środku tego założenia.
Tinsley była zafascynowana cyklem życia gwiazd
i tym, jak się zmieniały.
Jej praca doktorancka opisywała wpływ tych zmian
na jasność galaktyk.
Dla Tinsley jasne było, że skoro gwiazdy mają cykl życia,
w czasie którego zmienia się ich wygląd, a tym samym ich jasność,
to ponieważ galaktyki składają się głównie z gwiazd,
jasność galaktyk także zmienia się z biegiem czasu.
Odkrycie Tinsley poraziło naukowców jak uderzenie piorunem.
Jeden z astronomów tamtych czasów
pisał o wyraźnym poczuciu paniki.
Naukowcy poczuli się zagrożeni.
W pomiary ekspansji włożono
dużo czasu, wysiłku i pieniędzy,
a jakaś młoda, nieznana doktorantka,
w dodatku kobieta, kwestionowała ich badania.
Wobec logiki w pracy Tinsley nie znaleziono jednak argumentów,
i w końcu, po czterech latach, została ona zaakceptowana.
Trzeba było zacząć wszystko od początku.
Potrzebny był nowy sposób, by sprawdzić, jak blisko gęstości krytycznej
jest wszechświat i jakie będą jego losy.
Istniała inna możliwość, bardziej bezpośrednie podejście.
Oczywistym sposobem na sprawdzenie, jak blisko gęstości krytycznej
jest wszechświat, jest policzenie obiektów, które się w nim znajdują.
Sama idea jest prosta, ale jej wykonanie jest dość skomplikowane.
Jak w czymś tak niewyobrażalnie rozległym jak wszechświat
policzyć każdą galaktykę, każdą gwiazdę, każdy pyłek międzygwiezdnego gazu?
To niemalże niemożliwe.
Zamiast tego astronomowie ograniczyli pole swoich badań.
Policzyli średnią liczbę obiektów z jednej niewielkiej części,
którą następnie pomnożyli.
Było to możliwe
dzięki jednej z wyjątkowych cech wszechświata.
O ile nam wiadomo, na większą skalę wszechświat
jest taki sam w każdym kierunku, w którym spojrzymy.
Astronom na Ziemi patrzący w kosmos
będzie miał praktycznie taki sam widok,
jak obcy astronom na planecie oddalonej o tysiące lat świetlnych,
który patrzy w zupełnie innym kierunku.
Dlatego zmierzenie ilości obiektów w jednej małej części wszechświata
daje nam dość dokładną liczbę obiektów w całym wszechświecie.
Naukowcy wykorzystali średnie
i uzyskali całkowitą ilość masy i energii we wszechświecie.
Wyniki ich obliczeń były dla wszystkim całkowitym zaskoczeniem.
Wszystkie sugerowały, że wszechświat jest znacznie poniżej gęstości krytycznej.
Najlepsze obliczenia sugerowały, że wszechświat miał tak mało masy,
że jego gęstość znajdowała się bardzo blisko wartości krytycznej.
Jeśli to była prawda,
wtedy nie byłoby mowy o tym, żeby wszechświat zniknął.
Był jednak problem z tym pierwszym obliczeniem,
jak blisko gęstości krytycznej znajduje się wszechświat.
Rezultaty były tak niskie, że nie miały żadnego sensu.
Poproszę kawę z mlekiem.
Nasz wszechświat wyraźnie pełen jest materii, masy i energii.
Nasz świat jest przez nie zdominowany. Nasz świat się z nich składa.
Te odkrycia ukazały obraz wszechświata,
który znacznie różnił się od naszych codziennych doświadczeń,
więc zrozumiałe jest,
że trudno było im to przyjąć do wiadomości.
Co więcej, wyniki wydawały się być w sprzeczności z samym wszechświatem.
Stopień rozbieżności wyników ujawniono,
gdy Margaret Geller z Uniwersytetu Harwardzkiego
sporządziła mapę wszechświata na niespotykaną dotychczas skalę.
Geller i jej zespół przyjrzeli się fragmentowi wszechświata,
o długości 500 milinów lat świetlnych, i szerokości 300 milionów lat świetlnych,
choć była to ciągle niewielka część widocznego wszechświata.
Członkowie zespołu obserwowali jak największą ilość galaktyk,
które narysowali wraz z odległościami.
Każda z tych kropek to oddzielna galaktyka.
Jest ich ponad tysiąc.
To, co wszystkich zaskoczyło, to wzorzec, który dostrzegli,
jakby pęcherzyki czy struktura przypominająca plaster miodu.
Wszyscy zakładali bowiem,
że galaktyki będą rozproszone po wszechświecie bez żadnego ładu.
Oto jednak po raz pierwszy uzyskano dowód na to,
że wszechświat rzeczywiście miał pewną strukturę.
W samym sercu tej nowo odkrytej struktury
znajdowało się przyciąganie grawitacyjne.
Prawie od początku istnienia wszechświata
grawitacja przyciągała materię do siebie.
Najpierw w chmury gazu,
które następnie połączyły się w galaktyki.
Galaktyki łączyły się w gromady galaktyk,
a gromady w supergromady.
Przypomina to dzieło sztuki.
Te supergromady galaktyk połączone są
przy pomocy pyłu i gazu,
na które działają te same nieodparte siły przyciągania.
Mój wszechświat właśnie się rozpadł.
Wyraźnie widać tu, że grawitacja zachowuje się niczym architekt,
kształtując i wpływając na strukturę całego wszechświata
w prawdziwie kosmicznej skali.
Chyba potrafię zrobić to lepiej.
Problem tkwił w fakcie, że szacowana ilość materii we wszechświecie była tak mała...
Tu trzeba otworzyć.
...że umieszczała wszechświat tak bardzo poniżej gęstości krytycznej,
że tak okazałe struktury po prostu nie mogłyby powstać.
To mi się nie podoba.
Zgodnie z obliczeniami, wszechświat jaki znamy nie mógłby istnieć.
Mój wszechświat jest do bani.
W obliczeniach musiało czegoś zabraknąć.
Ale co to było?
I co to oznaczało dla gęstości krytycznej
i losów wszechświata?
Jeden z najbardziej barwnych i kontrowersyjnych naukowców XX wieku
znalazł pierwszy trop.
Fritz Zwicky.
Zwicky był ekscentrykiem, zgryźliwym, ale genialnym naukowcem,
który nazywał resztę swojej grupy zawodowej
bandą sferycznych idiotów.
W zasadzie każdy był dla niego idiotą, nieważne z której strony spojrzeć.
Ale nawet ci, którzy za nim nie przepadali,
musieli przyznać, że jego praca była znakomita.
Zwicky także przyglądał się gromadom galaktyk,
co doprowadziło go do niesamowitego odkrycia.
To zdjęcie przedstawia gromadę galaktyk.
Nazywa się Abell 1689.
Każda z tych żółtych kropek jest częścią gromady.
To niezwykłe wyobrazić sobie,
że każda z nich stanowi całkowicie odrębną galaktykę.
Dzięki temu możemy wyobrazić sobie samą skalę tych obiektów.
Zwicky interesował się tym, co utrzymywało gromady razem.
Odpowiedź to oczywiście grawitacja.
Wyobraźmy sobie, że te kulki to indywidualne galaktyki.
Poruszają się one po chaotycznych orbitach wokół centrum gromady.
Żadna z nich nie porusza się wystarczająco szybko,
by uwolnić się i uciec z gromady.
Dzięki temu Zwicky mógł wykorzystać pomiary ich prędkości
do obliczenia siły grawitacji, które je tam trzymała.
A siła grawitacji powiedziałaby mu, ile materii,
ile obiektów znajdowało się w gromadzie.
W tym momencie zrobiło się bardzo dziwnie,
ponieważ galaktyki poruszały się z ogromną prędkością.
Siła grawitacji potrzebna,
by utrzymać te pędzące galaktyki w gromadzie,
wymagała znacznie większej masy, niż on mógł dostrzec.
I nie była to mała różnica.
W rzeczywistości wymagane było 100 razy więcej masy,
niż on mógł wykryć.
Zwicky nazwał tę tajemniczą masę Dunkle Materie. „Ciemną materią”.
Oto mocny kandydat na brakującą masę wszechświata.
Ale czy przenosi on wszechświat powyżej czy poniżej gęstości krytycznej,
można było dowiedzieć się, rozwiązując jeden poważny problem.
Jak można zbadać coś, czego nie da się wykryć?
OBSERWATORIUM JODRELL BANK, MACCLESFIELD
Odpowiedź na to pytanie uzyskano dzięki odkryciu, którego dokonano
w Obserwatorium Jodrell Bank.
Ten wielki talerz to radioteleskop Bernarda Lovella,
który w 1973 roku dostrzegł coś, czego nikt nigdy wcześniej nie widział.
W tym czasie teleskop badał bardzo odległe, jasne obiekty,
czyli kwazary.
W trakcie badania naukowcy odkryli coś niezwykłego.
Przyjechałem tu dziś, żeby zobaczyć to, co oni zobaczyli wtedy.
Tym razem jednak nie tylko przy pomocy teleskopu w Jodrell,
ale radioteleskopów w całym kraju.
Jesteśmy w pomieszczeniu kontrolnym w Jodrell Bank,
z którego rozciąga się piękny widok na teleskop Lovella.
Na tych ekranach widzimy
bieżące dane pochodzące z różnych teleskopów.
Jeden z nich, Mark 2, to radioteleskop tutaj, w Jodrell Bank,
ale reszta z nich jest rozproszona po całym kraju
i połączona dzięki włóknom optycznym, które przesyłają informację do komputera.
Im dłużej obserwuje się obiekt,
tym lepszą jakość obrazu można uzyskać.
Oto, co uzyskano po 50 godzinach obserwacji.
To ten sam obraz, który ujrzeli 40 lat temu,
pokazujący dwie jasne kropki, dwa kwazary.
Nie po raz pierwszy dostrzeżono wtedy kwazary,
ale z pewnością pierwszy raz dostrzeżono je tak blisko siebie,
jakby były parą.
Para byłą czymś nowym.
Zaczęto zbierać jak najwięcej informacji,
oraz mierzyć ich spektra,
swoiste odciski palców zawarte w ich świetle.
Oto spektra z tych dwóch kwazarów.
Na pierwszy rzut oka widać, że są dość podobne.
A nawet więcej.
Zauważono, że oba przesunięte są w stronę czerwonego końca spektrum,
dłuższe długości fali przesunięte o dokładnie te same wartości.
Można też zauważyć, że szczyty emisji
wypadają dokładnie na tych samych długościach.
Spektra były tak podobne, że naukowcy stwierdzili, że popełnili błąd
i zbadali ten sam obiekt dwa razy.
Ale tak nie było.
Pozostała tylko jedna możliwość.
To, co brano za dwa oddzielne kwazary,
było tak naprawdę jednym pojedynczym kwazarem,
który w jakiś sposób został podzielony na dwa obrazy.
Przypadek podwójnego widzenia astronomicznego.
Istniała teoria, która by to wyjaśniała.
Dziwny efekt przewidziany przez Alberta Einsteina,
czyli soczewkowanie grawitacyjne.
Gdy spojrzymy przez tę soczewkę,
widzimy, że wszystko za nią jest dziwnie odkształcone.
Ten osobliwy efekt uzyskuje się
dzięki temu, że światło przechodzące przez różne grubości szkła
załamuje się, tworząc wypaczony obraz.
Einstein twierdził, że materia także odkształca kosmos,
zmieniając konstrukcję wszechświata.
Gdy światło przechodzi przez obszary kosmosu
z wysokim stężeniem materii,
załamuje się tak samo, jak przechodząc przez tę soczewkę,
i tworzy podobne iluzje.
To, na ile załamuje się światło,
zależy od tego, na ile przestrzeń jest wypaczona,
a to zależy od ilości materii.
Pomiędzy kwazarem a teleskopem musiała znajdować się olbrzymia ilość materii,
która załamywała światło tak bardzo, że obraz się podzielił,
a jeden kwazar wyglądał jak dwa.
Oto sprawca tego zamieszania, a przynajmniej jego część.
Ta plama to jedna galaktyka w całej gromadzie,
która leży pomiędzy nami, a tym odległym kwazarem.
To nie jest tylko niewielka ilość materii.
To setki galaktyk, każda z bilionami gwiazd.
Połączone zakrzywiają światło z kwazara,
dając nam podwójny obraz.
Podwójny obraz był niezbędny do badania ciemnej materii.
Cała masa i materia zawarta w gromadzie galaktyk
nie była wystarczająca, by aż tak zakrzywić światło.
W tym celu potrzebna była tajemnicza, niewidzialna ciemna materia Zwicky'ego.
Szczegółowe badanie ilości zakrzywionego światła
mogło ukazać miejsca, w których znajdowała się ciemna materia.
Otrzymujemy taką mapę.
Na środku znajduje się normalna materia gromady galaktyk,
ale otoczona jest rozciągającą się znacznie dalej,
zaznaczoną tu na czerwono, ciemną materią.
Rozciąga się bardzo daleko.
Całkowicie przyćmiewa normalną materię tej gromady galaktyk.
Tajemnicza ciemna materia Zwicky'ego ukazana przez złudzenie optyczne.
Nie wiadomo było, czym była ta ciemna materia,
ale sporządzanie takich map, które Jodrell sporządza po dziś dzień,
dawało jakieś wyobrażenie o ilości tej ciemnej materii,
której wydawało się być znacznie więcej niż normalnej materii.
Czy było jej wystarczająco, by przenieść wszechświat ponad gęstość krytyczną?
Mimo iż wydawało się, że istnieje dużo więcej ciemnej materii niż tej normalnej,
wszechświat nadal pozostawał znacznie poniżej gęstości krytycznej.
Ale to jeszcze nie koniec tej historii.
Odkrycie ciemnej materii
całkowicie zaskoczyło naukowców.
Starania, by obliczyć, jak blisko gęstości krytycznej znajduje się wszechświat,
pozostawiało więcej pytań, niż odpowiedzi.
OBSERWATORIUM ASTRONOMICZNE
Szokujące nowe odkrycie,
które początkowo obiecywało odkrycie ostatecznego losu wszechświata,
wywołało w fizyce kryzys.
W latach 90. XX wieku te teleskopy były częścią międzynarodowego projektu,
który miał na celu odkrycie losu wszechświata.
Wykorzystywano nową metodę,
by zaobserwować, jak ekspansja wszechświata zmieniała się z czasem.
Będę pracował dziś z tym teleskopem, GTC,
by obserwować obiekt, który znajdował się wtedy w samym sercu tamtych badań.
Ten ogromny teleskop, którego olbrzymie lustro widać z tyłu,
będzie obserwował supernową,
wybuchową śmierć gwiazdy.
Światło, które dotrze do nas od tych odległych imponujących zjawisk,
będzie kluczowe w badaniu, w jaki sposób wszechświat powiększał się w przeszłości.
To pokaże z kolei, co stanie się w przyszłości.
Aby zmierzyć ekspansję,
naukowcy byli zainteresowani pewnym konkretnym rodzajem supernowy.
Naszym celem jest dziś supernowa tej samej klasy, której wtedy szukano,
supernowa typu Ia.
Supernowa typu Ia jest szczególnie pożyteczna,
ponieważ gdy wybucha,
tworzy niezwykle jasne światło.
Przez krótki okres gwiazda świeci jaśniej niż cała galaktyka.
Co więcej, gwiazdy te wytwarzały
niemal identyczny poziom jasności za każdym razem.
To oznaczało, że były widoczne
z ogromnych odległości w odległych galaktykach,
ale także, że naukowcy mogli dokładnie określić miejsce ich położenia.
Gdyby znaleźli wystarczająco dużo tych gwiazd,
mogliby zbadać warunki we wszechświecie
na różnych odległościach i w różnych okresach.
Astronom David Álvarez
celował dziś w stronę niedawno odkrytej supernowy typu Ia.
To bardzo ekscytujące, Dawid. Czy udało ci się zobaczyć te supernowę?
To jest obraz tej supernowy.
- To tutaj? - Tak.
Czy można ten obraz powiększyć?
Gdy go powiększymy, zobaczymy jasną kropkę.
A reszta to galaktyka, tak?
Reszta tego światła to galaktyka, w której znajduje się supernowa.
To niesamowite.
Oto galaktyka z setkami miliardów gwiazd,
ale ta wybuchająca gwiazda świeci jaśniej,
niż cała reszta galaktyki.
Czy wiesz, jak daleko znajduje się ta supernowa?
Zmierzyłeś odległość?
Ta supernowa oddalona jest około osiem miliardów lat świetlnych od nas.
Poza odległością
ważne jest także spektrum supernowy.
Astronomowie potrzebowali spektrum światła,
bo dawało im ono przesunięcie ku czerwonemu.
Gdy światło podróżuje od odległej supernowy na Ziemię,
wszechświat się rozszerza.
Przestrzeń, przez którą podróżuje światło, rozciąga się,
a więc światło także się rozciąga.
Jego długości fal się wydłużają.
Opuszcza supernową na określonej długości fali,
z określonym kolorem,
a gdy przybywa do naszego teleskopu,
znajduje się na dłuższej długości fali.
Przeniosło się w stronę czerwonego końca spektrum.
Przeniesienie światła w kierunku czerwonego końca spektrum
mówi nam, że w tym czasie przestrzeń się powiększyła.
W pewnym sensie daje nam to miarę powiększonego wszechświata.
Dzięki temu zmierzenie przesunięcia ku czerwieni na większych odległościach,
a w rezultacie dalej w przeszłość,
mogłoby stworzyć skróconą historię
zmian w ekspansji wszechświata.
Astronomowie byli przekonani, że grawitacja
przynajmniej zwalniała tę ekspansję.
Pytanie brzmi, jak bardzo.
Wykorzystując odległości
i przesunięcie ku czerwieni w ekspansji
mogli w końcu odpowiedzieć na to pytanie.
Jeżeli wyobrazimy sobie, że wszechświat rozszerzał się w tym samym tempie,
że zawsze rozszerzał się w takim samym tempie, jak robi to teraz,
otrzymamy prostą linię.
Ale astronomowie wiedzieli, że to nie może być prawda,
ponieważ grawitacja hamuje tę ekspansję.
Więc ekspansja wszechświata zwalnia,
a skoro wszechświat powiększa się teraz wolniej,
to znaczy, że w przeszłości powiększał się szybciej.
Bardziej rozciągnięta przestrzeń oznacza większe przesunięcie ku czerwieni.
Co to oznacza dla naszej supernowy?
Wiemy, że znajdowała się osiem miliardów lat świetlnych stąd.
CIEMNY - ODLEGŁOŚĆ
Wiemy, że nie znajdowałaby się dokładnie na tej linii,
która jest równa przesunięciu ku czerwieni o wartości 0,49.
Powinna znajdować się na przesunięciu ku czerwieni większym niż 0,5.
To znaczy, że ta linia powinna zakrzywiać się w dół w ten sposób.
Dokładny kształt tej linii
powiedziałby im, jak bardzo
grawitacja spowalnia ekspansję wszechświata,
a tym samym jego los.
Masz gotowe spektrum, Dawid?
Tak, mamy je.
Pokażę je teraz.
To miara przesunięcia ku czerwieni.
Jaki był wynik pomiarów?
w tym przypadku zmierzyliśmy 0,47.
To znajduje się po tej stronie linii.
To znaczy, że to nie było większe, tylko mniejsze przesunięcie ku czerwieni.
To fascynujące, bo dokładnie to widzieli wtedy astronomowie.
Nie większe, tylko mniejsze przesunięcia ku czerwieni.
Widzieli to raz za razem i mieli tylko jedno wytłumaczenie.
Mniejsze przesunięcia ku czerwieni oznaczały, że w przeszłości wszechświat
rozszerzał się wolniej niż teraz.
Innymi słowy, zamiast zwalniać,
tempo ekspansji wszechświata jest coraz szybsze.
Gdy nakreślono więcej pomiarów supernowych, obraz stał się wyraźniejszy.
Przez pierwszych kilka miliardów lat po Wielkim Wybuchu
tempo ekspansji wszechświata zwalniało tak, jak można by się tego spodziewać.
Ale potem to uległo zmianie
i ekspansja zaczęła przyspieszać.
Trudno opisać, jak wielki był to dla wszystkich szok.
W tamtych czasach wszyscy wiedzieli,
że ekspansja wszechświata musi zwalniać.
To, czy zwolniłaby wystarczająco, by się zatrzymać,
nie było jasne,
ale ekspansja musiała zwalniać.
w końcu musiała działać grawitacja, spowalniająca ekspansję.
Ale tak nie było.
Około sześciu miliardów lat temu ekspansja zaczęła przyspieszać.
Wyraźnie we wszechświecie zaczęło dziać się coś nowego
i niespodziewanego.
Coś, na co nauka nie miała odpowiedzi.
Coś powodowało przyspieszenie ekspansji wszechświata.
To coś nazwano ciemną energią.
Najdokładniejsze obliczenia sugerują,
że 70% wszechświata to ciemna energia.
Oznacza to, że wszechświat nie zniknie w Wielkim Kolapsie.
Zamiast tego to ciemna energia, a nie grawitacja,
określi ostateczny los wszechświata.
Ciemna energia rozszerza wszechświat.
Nie będzie on jednak powiększał się tak miarowo już zawsze.
Ciemna energia zmusza wszechświat, by rozszerzał się w coraz większym tempie.
Galaktyki będą oddalone od siebie tak bardzo,
że światło nie będzie w stanie między nimi podróżować.
Każda z nich skończy
jako indywidualna wyspa gwiazd, samotna w kosmosie.
Może nawet dojść do tego,
że same galaktyki zostaną rozerwane,
a gwiazdy pozostawione same sobie w czarnej nicości.
A może i nie.
W końcu skutki działania ciemnej energii ukazały się nagle
sześć czy siedem miliardów lat temu.
Skąd mamy więc wiedzieć, jak zachowa się w przyszłości?
To może dziwnie zabrzmieć,
ale po odkryciu ciemnej energii wszystko może się zdarzyć.
Trudno jest podkreślić, jak niewiele wiemy o ciemnej energii.
Ma nazwę, ale na tym koniec.
Nie wiemy, z czego się składa, dlaczego przyspiesza ekspansję wszechświata,
ani, co najważniejsze, jak zachowa się w przyszłości,
co pozostawia wielką niewiadomą w naszym rozumieniu wszechświata
i jego ostatecznego losu.
Ciemna energia może być po prostu częścią wszechświata
i jego funkcjonowania.
Może jednak wskazywać na podstawowy problem
w najważniejszych i najbardziej wiarygodnych teoriach naukowych,
leżących w samym sercu
naszego rozumienia świata.
Przewidzieć, jak zakończy się wszechświat, było wielkim wyzwaniem astronomii,
ale los wszechświata jest teraz czymś więcej niż tylko naukowym pytaniem.
Poprzez odkrycie tej dziwnej enigmatycznej energii,
jeśli tym naprawdę jest,
energią przeciwstawiającą się obecnej wiedzy,
pytanie to sięga sedna fundamentalnej fizyki.
Odpowiedź na pytanie, jak wszechświat zakończy swoje istnienie,
może mieć więc daleko idące konsekwencje w naszym pojmowaniu świata.
Przetłumaczone przez: Anna Kurzajczyk