Steven Weinberg, The First Three Minutes — Modern View of the Origin of the Universe, Basic Books 1988 (2nd edition)

Utworzono: czwartek, 03 marzec 2016 09:30

Poprawiono: wtorek, 07 kwiecień 2020 06:49

Odsłony: 11232

Takiej książki poszukiwałem od lat, ale dopiero ostatnio wskazał mi ją prof. Łukasz Turski. Dziękuję Łukaszu za tę wskazówkę.

Zawsze fascynowała mnie fizyka kosmosu i sięganie do jego prehistorii. Jednak do tej pory nie trafiłem na książkę, która by w miarę przystępny sposób potrafiła opowiedzieć historię ostatnich 15 miliardów lat naszego wszechświata, choć może i dziesięciu lub dwudziestu, sprawa nie jest do końca wyjaśniona.

Wszystko zaczęło się wtedy, gdy świat miał temperaturę 2 x 10¹² K — dwa biliony stopni Kelvina. Tym którzy zapomnieli już kurs szkolnej fizyki wyjaśniam, że skala temperatury Kelvina, różni się od Celsiusa jedynie położeniem zera. Zero Kelvina to najniższa możliwa temperatura równa na skali Celsiusa -273 stopni. Z kolei temperatura 2 x 10¹² K wiąże się z hipotezą, że jest ona najwyższa, jaka może się zdarzyć we wszechświecie.

Weinberg opisuje w swojej książce rozumowanie, jakie pozwoliło fizykom oszacować wiek wszechświata i jego bliską początku temperaturę. Jak się okazuje, do tych wniosków można dojść wychodząc ze stosunkowo prostych faktów i stosując do nich stosunkowo proste rozumowania matematyczne, choć oczywiście ustalenie tych faktów z pewnością sprawą prostą nie było.

Pierwszy fakt, zwany Zasadą Kosmologiczną, mówi, że w każdym momencie wszechświat widziany przez obserwatora umieszczonego w dowolnej galaktyce i patrzącego w dowolnym kierunku — wygląda tak samo. Wyrażając to innymi słowami — i w wielkim uproszczeniu — wszechświat wszędzie zachowuje się jednakowo. Ta zasada jest powszechnie przyjmowana przez astronomów od czasu Kopernika i pozwala wyciągać wnioski o całym wszechświecie na podstawie tego co obserwujemy na dostępnym naszym badaniom obszarze.

Drugi fakt dotyczy rozprzestrzeniania się wszechświata we wszystkich kierunkach, a wraz z tym, jego stygnięcia. W tej ostatniej sprawie okazuje się, że czas potrzebny na ostygnięcie z temperatury początkowej Tp do końcowej Tk jest proporcjonalny do różnicy odwrotności ich kwadratów, a więc do 1/Tk² - 1/Tp².

Dla wyjaśnienia konsekwencji tego faktu wyobraźmy sobie, że mierzymy czasy pomiędzy kolejnymi temperaturami z których każda jest stukrotnie niższa od poprzedniej, czyli Tk = Tp/100. Przy takich odstępach temperatur można uznać, że czas stygnięcia jest proporcjonalny do odwrotności kwadratu temperatury końcowej, gdyż 1/(Tk²) - 1/((100 Tk)² = 0,9999/Tk². Jeżeli więc jakieś stygnięcie trwałoby jedną sekundę, to następne 10.000 razy dłużej, a więc 10.000 sekund (2,7 godz.), następne 100.000.000 sekund (ponad 3 lata), a jeszcze następne 30.000 lat.

Czasy stygnięcia rosną bardzo szybko, a więc — puszczając film o stygnięciu świata w drugą stronę — równie szybko maleją do zera, podczas gdy temperatura rośnie. Stąd już matematycznie prosty wniosek, że czas, który dzieli nas od chwili dzisiejszej do wielkiego wybuchu, jest skończony, i co więcej — można go oszacować. Dziś szacuje się go na 10 do 20 miliardów lat.

Znając dzisiejszą średnią temperaturę  wszechświata (3 K) można też obliczyć jego temperatury w kolejnych okresach z przeszłości. I to właśnie pokazał Weinberg w swojej książce koncentrując się na okresie pierwszych trzech minut. No może nieco dłużej, jak zobaczymy dalej.

Weinberg rozpoczyna od temperatury 10¹¹K, a więc 2000 razy niższej od maksymalnej. W tym stanie materiał, z którego jest zbudowany wszechświat, Weinberg określa jako zupę cząstek i energii o przeważającej ilości energii w postaci czystej, a więc w postaci fotonów, neutrinów i antyneutrinów. Cięższe cząstki takie jak protony i neutrony powstają w niewielkiej liczbie i na bardzo krótko, bo natychmiast rozpadają się wpadając na siebie z wielkimi energiami. Gęstość wszechświata wynosi 3,8 miliona ton na litr objętości.

Po upływie 0,11 sek świat ostyga do temperatury 3 x 10¹⁰ K (w przybliżeniu jest trzykrotnie chłodniejszy), ale nie ma to zbytniego wpływu na zachodzące zjawiska fizyczne. Nadal energia przeważa nad materią.

Po upływie 0,98 sek temperatura spada do 10¹⁰ K, co powoduje, że najlżejsze cząstki — neutrina i antyneutrina — zaczynają zachowywać się jak cząstki materii.

Kolejny pomiar pokazuje temperaturę 3 x 10⁹ K na co wszechświat potrzebował kolejne 13 sek. Jest już na tyle chłodno, że zaczynają powstawać lekkie jądra atomów izotopów helu i wodoru. Stosunek liczby neutronów do protonów jest jak 17 do 83.

Przy temperaturze 10⁹ K (zaledwie 70 razy gorętszej niż w jądrze Słońca) liczby protonów do neutronów mają się jak 14 do 86. Od fazy pierwszej minęły trzy minuty i dwie sekundy.

Gdy kosmiczny stoper uruchomiony przy temperaturze 10¹¹ K pokazuje 3 minuty i 46 sekund zaczynają powstawać cięższe jądra atomowe.

Po 34 minutach i 40 sekundach temperatura wynosi 3 x 10⁸ K. Pojawia się bardzo dużo protonów i neutronów, ale świat jest jeszcze zbyt gorący, by mogły powstawać atomy.

Po 700.000 lat temperatura świata obniża się na tyle, by elektrony i jądra atomowe mogły tworzyć stabilne atomy. Świat zaczyna być wreszcie przezroczysty dla promieniowania elektromagnetycznego, a w tym dla światła. Zaczynają powstawać gwiazdy i galaktyki. Potrzeba jednak dalszych 10 miliardów lat, by mogło powstać życie.

Czy świat będzie się ochładzał i rozprzestrzeniał w nieskończoność? W tej sprawie istnieją dwie hipotezy. Jedna, że tak właśnie będzie, a druga, że po 50 miliardach lat od dnia dzisiejszego, świat zacznie się kurczyć. Na razie obie są otwarte.

Nam ludziom przyzwyczajonym do tego, że wszystko co obserwujemy na swój początek i koniec, trudno wyobrazić sobie, aby świat mógł się rozszerzać w nieskończoność. Ale to całkiem możliwe. Może też nieskończenie długo stygnąć, skąd jednak wcale nie wynika, że temperatura kiedykolwiek spadnie poniżej 0 K. Matematykowi łatwo jest podać przykład nieskończonego ciągu malejącego do zera, ale nigdy tam nie docierającego.

Perspektywa „do przodu” ma więc dość oczywisty matematycznie model. Gorzej z patrzeniem wstecz. Bo przecież chciałoby się zapytać co było przed wielkim wybuchem. Weinberg nie zadaje tego pytania i nie udziela na niego odpowiedzi. Znalazłem ją jednak w książce innego noblisty — Wernera Heisenberga. Otóż jeżeli zgodzimy się, że czas jest  miarą zmiany, to on „zaczął płynąć” dopiero z chwilą wielkiego wybuchu. Przed tym czas — jako zjawisko fizyczne — nie istniał, a więc pytanie o „przedtem” traci wszelki sens, a w każdym razie nie da się o  nim mówić na gruncie dzisiejszej fizyki. Czesław Niemen miał rację — dziwny jest ten świat.