Ewolucja Wszechświata.

Tak oto w Biblii przedstawiono narodziny świata:

"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."

Ks. Rdz. 1,1-4

Od dawien dawna, ludzkość w różnoraki sposób postrzegała otaczający ją świat, a co za tym idzie także Wszechświat w którym się znajduje. Istniało mnóstwo teorii opisujących wygląd Wszechświata, w jaki sposób powstał i z czego, a także gdzie w nim znajduje się nasz świat, czyli Ziemia. Teorie te możemy znaleźć w różnych materiałach, począwszy od legend i mitów, a na historycznych dziełach skończywszy. Wiele z tych teorii, było często opartych na wierzeniach ludzi, na ich religii.

Pierwszą poważną teorią, która to starała się w naukowy sposób opisać Wszechświat i miejsce naszej planety w nim był Ptolomeusz, który to żył w II wieku naszej ery. Powszechnie uważa się, że teoria ta stanowiła podsumowanie wszelkich prac antycznych z tego tematu. Między innymi Ptolomeusz w formułowaniu swojej teorii opierał się na pracy najznakomitszego astronoma świata starożytnego - Hipparcha, który to żył w II wieku p. n. e. Stworzył on jako pierwszy teorię opisującą Wszechświat, w której to wykorzystał tzw. epicykle i deferenty do opisu ruchu ciał w nim. Ptolomeusz wykorzystał dorobek Hipparcha jednocześnie znacznie go rozszerzając. Według Ptolomeusza, niebo stanowiła ogromna kula, we wnętrzu, której znajdować się miał nasz świat. Kula ta miała się obracać z okresem obrotu wynoszącym 24 godziny, a natomiast sam nasz świat powinien pozostawać względem niej w spoczynku i się nie poruszać. Teoria ta jak łatwo się domyślić posiadała pewne niekonsekwencja wynikające z ruchu ciał niebieskich. Jednak wówczas różnice pomiędzy obserwacjami, a teorią, tłumaczono tym, że najprawdopodobniej w teorii uwzględniono złe wartości liczbowe, a nie, że ogólne założenia są błędne.

W początkach ery nowożytnej zainteresowanie poznaniem struktury Wszechświata nie było tak wielkie jak w czasach starożytnych. Głównym tego powodem było stanowisko Kościoła, który nauczał wiernych, że aby osiągnąć zbawienie nie potrzebna jest im wiedza, a tylko i wyłącznie modlitwa. Bowiem wiedza według Kościoła stanowiła jedynie jedno z dóbr doczesnych, które nie są potrzebne do osiągnięcia szczęścia w niebie. Co więcej, pojawiły się raczej poglądy, a niżeli teorie które powodowały cofanie się astronomii do poziomu sprzed setek lat. Wyśmiewano stanowiska uczonych, według których Ziemia była okrągła jak kula. Między innymi Laktancjusz, który żył w III w . n. e. dowodził, że Ziemia jest płaska, a z kolei pewien mnich Kosmac Indikopleustes, podawał cytaty Biblii, które to miały wskazywać na to, że Wszechświat przypomina zamkniętą skrzynię na dnie której znajduje się płaska Ziemia. Dopiero w XII wieku, sytuacja w tym zakresie zaczęła się poprawiać, głównie dzięki uczonym arabskim. Wtedy to chrześcijanie ponownie zwrócili uwagę na dokonania starożytnych uczonych. Postęp w tej dziedzinie doprowadził do tego, że w XIII wieku dostosowano niejako filozofię arystotelesowską, na potrzeby wiary chrześcijańskiej. Wówczas to uznany został przez Kościół podział świata na część niebieską i ziemską.

Ale prowadzeniem obserwacji astronomicznych zajmowali się nie tylko Europejczycy, ale także uczeni arabscy. W wieku XIII i XIV szczególnie zainteresowali się oni teorią ruchu planet. Jako celi postawili sobie oni udoskonalenie teorii, którą wprowadził Ptolomeusz, nadaniu jej większej dokładności, jednak nie wprowadzając zmian do opisu wykorzystującego orbitalne koła. Największym osiągnięciem arabskich astronomów, jest teoria którą przedstawił Ibn asz-Szatira, który to wprowadził opis ruchu planet niemal identyczny z użytym później przez Mikołaja Kopernika. Gdy średniowiecze się zakończyło i nastała epoka odrodzenia, nauka wówczas wyzwoliła się spod jarzma religii i uczeni zwrócili większą uwagę na teorię Ptolomeusza, dostrzegając w niej istotne braki. Błędy w teorii wskazywali już tacy astronomowie jak Georg Peurbach, który to mieszkał w Wiedniu, oraz Johannes Muller. Jednak to dopiero Mikołaj Kopernik sformułował kompletną teorię dotyczącą ruchu Ziemi i Słońca, przez co do dzisiaj jest nazywany tym co ruszył Ziemię, a zatrzymał Słońce. Do momentu teorii ogłoszonej przez Kopernika, powszechnie uważano, że Ziemia znajduje się w centrum Wszechświata, a wszystkie ciała niebieskie krążą wokół niej. Kopernik jednak odwrócił całkowicie ten pogląd i powiedział, że to Ziemia oraz reszta planet krąży wokół Słońca. Jednak samo Słońce nadal przyjmował, że znajduje się w centrum Wszechświata, przez co jego teorię określa się mianem teorii heliocentrycznej. Kopernik, za życia w obawie przed Kościołem nie opublikował swojego dzieła "O obrotach sfer niebieskich", które to zostało wydane dopiero po jego śmierci. Tezy jakie w nim zawarł zostały następnie zweryfikowane i udowodnione przez kolejnego znakomitego astronoma - Galileusza. Jednak teoria Kopernika, o ile w znaczący sposób zrewolucjonizowała postrzeganie otaczającego nas świat, to nie ustrzegła się pewnych istotnych błędów. Kopernik nadal zakładał, że planety poruszają się po orbitach idealnie kolistych, co wymuszało na nim stosowanie w swoim modelu tzw. epicykli, które to miały wprowadzać odpowiednie poprawki do ruchu planet. Dopiero błędy teorii kopernikańskiej poprawił kolejny znakomity uczony - Johannes Kepler, który na podstawie analizy obserwacji prowadzonych przez siebie, a także przez swego mistrza, astronoma duńskiego Brahego prawidłowo opisał ruch planet w Układzie Słonecznym. Sformułował on 3 swoje prawa, formułujące zasady, jakie określają ruch planet.

I prawo Keplera - mówi o tym, że wszystkie planety w Układzie Słonecznym poruszają się po orbitach o kształcie eliptycznym, gdzie w jednym z ognisk takiej elipsy znajduje się Słońce.

II prawo Keplera - opisuje w jaki sposób poruszają się planety po swoich orbitach. Otóż nie poruszają się ze stałą wartością prędkości, ale zmienną. Gdy planeta zbliża się do Słońca, to porusza się z większą prędkością, niż gdy znajduje się w znacznej od niego odległości. Efekt ten jest również opisywany jako zachowanie prędkości polowej planety.

III prawo Keplera - określa ono stosunek okresu obiegu planety do promienia jej orbity. W dokładnym ujęciu mówi ono, że stosunek kwadratu okresu obiegu planety wokół Słońca do sześcianu średniej arytmetycznej największego i najmniejszego oddalenia od Słońca jest stały dla wszystkich planet w Układzie Słonecznym.

Prawo to wskazuje na to, że planety, których orbity są większe od innych, będą wolniej krążyć po nich, niż planety o mniejszych orbitach.

Kepler określił jakie zasady rządzą ruchem planet, jednak dlaczego tak się dzieje dopiero wyjaśnił genialny fizyk, Isaac Newton. Dokonał tego dzięki sformułowaniu przez siebie prawa powszechnego ciążenia. Prawo to głosi, że dwa ciała obdarzone masą przyciągają się do siebie, siłą proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości pomiędzy nimi. Stąd też wynikało proste stwierdzenie, że eliptyczny ruchu planet wokół Słońca, wynika bezpośrednio z istnienia przyciągania grawitacyjnego pomiędzy planetą, a Słońcem.

Gdy Galileusz stworzył pierwszą lunetę, astronomia w XVII wieku zyskała zupełnie nowe możliwości badawcze. Luneta którą Galileusz skonstruował w 1609 roku, mogła powiększać obraz nawet 30 krotnie. Dzięki stworzonemu przez siebie narzędziu, Galileusz mógł dokładniej się przyjrzeć kraterom na Księżycu, zaobserwować, że Droga Mleczna, stanowi nagromadzenie gwiazd, z których większość pogrupowanych jest w skupiska. Mógł również jako pierwszy zaobserwować księżyce Jowisza. W 1610 roku Galileusz spostrzegł przez swoją lunetę pierścienie Saturna, oraz stwierdził, że Merkury i Wenus przechodzą cykl faz swojej widoczności. W miarę jak technika posuwała się coraz bardziej naprzód, także i teleskopy stawały się coraz lepsze, dokładniejsze i były w stanie zapewniać coraz większe powiększenia obiektów na niebie. Dzięki nim odkryto nowe planety Układu Słonecznego: Uran, Neptuna.

Gdy w końcu uznano i stwierdzono, że Ziemia faktycznie krąży wokół Słońca, a nie odwrotnie, zaczęto się zastanawiać nad granicami Wszechświata. Bo jeżeli Ziemia krąży wokół Słońca, po orbicie o bardzo dużym promieniu, a co więcej nie zakłóca ruchu innych planet, a także na zmianę położenia gwiazd, to w takim razie te ostatnie muszą się znajdować bardzo daleko od nas i przy tym być tworami bardzo jasnymi, tak jak Słońce. W początkach badań nad gwiazdami przyjęto, że Słońce jest takie samo jak inne gwiazdy. Uznaje się także, że pierwszym człowiekiem, który zajmował się astronomią gwiazd był Herschel, który posiadał ogromne jak na ówczesne czasy teleskopy. Teleskopy te pozwalały na w miarę dokładne badanie otaczającej nas przestrzeni. Pozwoliły min. Herschelowi na odkrycie układu podwójnych gwiazd, (tzw. gwiazd bliźniaczych), w którym to dwie gwiazdy krążą wokół środka ich masy. Potwierdził także doniesienie niektórych uczonych o tym, że gwiazdy tak naprawdę nie są obiektami stacjonarnymi, ale poruszają się w przestrzeni kosmicznej.

W XX wieku przyszedł czas kolejnej rewolucji w astronomii. W 1932 roku fizyk czeskiego pochodzenia pracujący w USA, Karl Jansky, zarejestrował dochodzące z przestrzeni powtarzające się sygnały radiowe. Był to początek odkrycia tego, że ciała niebieskie mogą także emitować fale radiowe, które z kolei mogą być odbierane na Ziemi. Był to początek radioteleskopii. Pierwszy radioteleskop został skonstruowany w 1939 roku przez Amerykanina Grotego Rebera. Dzięki jego urządzeniu można okazało się że sygnały radiowe docierają do nas z różnych miejsc w przestrzeni, z tzw. kosmicznych radioźródeł.

Powstanie Wszechświata

Jak długo istnieje Wszechświat

W XX wieku, powstanie Wszechświata i jego ewolucję zasadniczo opisywały dwie teorie: Teoria Wielkiego Wybuchu i Teoria Stanu Stacjonarnego. Przez pewien czas obie one były równie prawdopodobne.

Teoria Stanu Stacjonarnego

Według tej teorii Wszechświat jest niezmienny, nie ewoluuje. Nie było jego narodzin, ponieważ istniał od zawsze i także nie będzie jego śmierci. W przeszłości, w teraźniejszości, w przyszłości, Wszechświat był, jest i będzie taki sam. Teoria ta stworzyła także zasadę kosmologiczną, według której biorąc pod uwagę wieloskalowość Wszechświata, to jest on w każdym miejscu taki sam i średnia gęstość materii w nim jest wszędzie taka sama. Problemem dla Teorii Stanu Stacjonarnego, okazały się obserwacje wskazujące na to, że Wszechświat się rozszerza. Próbowano to wytłumaczyć w ten sposób, że we Wszechświecie odbywa się ciągła produkcja wodoru, który to zastępuje materię unoszoną przez oddalające się galaktyki. Jednak rozwiązanie to nie mówiło nic o tym, skąd miałby się brać ten wodór i dlatego też przez większość astronomów teoria ta została odrzucona, ponieważ jej przewidywania nie zgadzały się z obserwacjami. Samo tworzenie się wodoru z niczego, łamało podstawową zasadę przyrody - zasadę zachowania energii, która to jak doskonale wiemy stwierdza, że całkowita energia w układzie izolowanym się nie zmienia i jest stała. Energia może przybierać różne formy, można ją transformować, ale nie da się jej całkowicie zniszczyć, bądź wytworzyć z niczego.

Standardowa Teoria Wielkiego Wybuchu

Według Standardowej Teorii Wielkiego Wybuchu, Wszechświat powstał w wyniku specyficznego wybuchu, który bardziej przypominał nagłe rozszerzanie się, niż eksplozję z fajerwerkami. Wybuch ten nastąpił w pewnym punkcie przestrzeni i od tego momentu Wszechświat cały czas podlega nieustannej ewolucji. Na początku swego istnienia stanowił on skupisko wszelkiej dzisiejszej materii znajdującej się w ekstremalnie wysokiej temperaturze. W miarę jak się rozszerzał, stopniowo się ochładzał, przez co możliwe stało się stopniowe tworzenie protonów, elektronów, neutronów,. Wszystko to odbywało się zaledwie w kilka sekund po wybuchu. W ciągu następnych kilku minut zaczęły powstawać jądra atomowe, które następnie łączyły się z elektronami tworząc w ten sposób pierwsze pierwiastki takie jak wodór i hel. Pierwiastki te z racji oddziaływania grawitacyjnego pomiędzy sobą, zaczęły następnie formować pierwsze gwiazdy, a te następnie łączyły się w gromady tworząc w ten sposób galaktyki. Przez cały ten czas Wszechświat nieustannie się rozszerzał i ochładzał. W dniu dzisiejszym nadal obserwujemy jego rozszerzanie się i powstawanie, oraz umieranie kolejnych gwiazd.

Teoria Stanu Stacjonarnego przegrała na rzecz Teorii Wielkiego Wybuchu. Wynikło to głównie z tego, że ta druga teoria znacznie lepiej opisuje Wszechświat i przede wszystkim zgadza się z prowadzonymi obserwacjami. Dlatego też obecnie praktycznie wszyscy astronomowie uważają ją za jedyną słuszną. Co nie znaczy, że tłumaczy ona wszystko doskonale. Do tej pory istnieje ogrom nurtujących astronomów pytań, z których chyba najważniejsze brzmi: dlaczego Wszechświat powstał i co spowodowało, że nagle wybuchł i zaczął się rozszerzać. Teoria Wielkiego Wybuchu opisuje w miarę dokładnie przeszłość Wszechświata i jego przyszłość, wciąż jednak toczą się gorące dyskusje nad tym, jaka przyszłość go czeka. Jeśli chwilę się zastanowić to można łatwo dojść do wniosku, że kiedyś wodór, który jest spalany wewnątrz gwiazd w końcu się kiedyś skończy - gwiazdy przestaną świecić i Wszechświat stanie się naprawdę ciemnym miejscem. I co wtedy się stanie, czy Wszechświat się zapadnie grawitacyjnie, czy może przewyższy energia ekspansji i nadal będzie się rozszerzał. Na te pytania jak na razie nie znamy ostatecznej odpowiedzi.

Innym mankamentem Teorii Stanu Stacjonarnego, było to, że nie przewidywała ona istnienia promieniowania reliktowego. Natomiast Teoria Wielkiego Wybuchu przewidywało istnienie takie promieniowania, które to miało wypełniać całą przestrzeń kosmiczną i mieć temperaturę ok. 3K. Wykrycie tego promieniowania na początku XX wieku nie było możliwe z powodu ograniczeń technologiczny. Stwierdzono jego obecność dopiero w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy ludzkość dysponowała już odpowiednimi urządzeniami. Odkrycie to, co ciekawe, było dziełem przypadku, ponieważ odkryli je inżynierzy który mieli problem z odpowiednim dostrojeniem anteny. Cały czas odbierała ona szumy, które w rzeczywistości okazały się poszukiwanym promieniowaniem reliktowym.

Czy Wszechświat jest nieskończony?

O wyglądzie Wszechświata mówi zasada kosmologiczna, według której Wszechświat obserwowany z dowolnego jego punktu wygląda dokładnie tak samo. Jeśli zasadę tą potraktujemy jako ograniczenie na wygląd Wszechświata, to wówczas możliwe są tylko trzy rozwiązania:

Wszechświat otwarty

Według tego modelu Wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, w międzyczasie wypali się cały wodór w nim i cały pogrąży się w ciemnościach. Jeśli chodzi o kształt jego, to można go sobie wyobrazić jako dwuwymiarowy odpowiednik siodła. Co więcej to taki Wszechświat powinien być nieskończony, co wynika z ograniczenia związanego z zasadą kosmologiczną. Gdyby był skończony, to istniałby pewien jego brzeg, a obserwator znajdując się na takim brzegu postrzegałby Wszechświat w inny sposób, niż obserwator znajdujący się w jego centrum.

Wszechświat zamknięty

W tym przypadku mamy do czynienia z modelem Wszechświata, w którym ma on kształt powierzchni kuli, z tą różnicą, że posiada jeszcze jeden wymiar. Określa się ten model jako Wszechświat, który ma geometrię trójwymiarowej powierzchni, czterowymiarowej hiperkuli. Jest to model Wszechświata, który sam zamyka się w sobie, nie posiada brzegu, ale ma skończoną liczbę przestrzeni - jest ograniczony. Model ten także spełnia warunek zadany przez zasadę kosmologiczną, ponieważ z każdego punktu przestrzeni wygląda tak samo.

Wszechświat zamknięty narodził się z Wielkiego Wybuchu, jednak nie będzie się on rozszerzał w nieskończoność, ale w pewnym momencie zatrzyma się w wyniku oddziaływania grawitacyjnego i zapadnie się w sobie. Tempo ekspansji Wszechświata zostanie stopniowo zahamowane, w wyniku, czego galaktyki zaczną się do siebie przyciągać i w końcu cała materia zostanie ściśnięta do początkowego gorącego stanu. Pewną modyfikacją tego modelu jest tzw. Wszechświat oscylujący. Według tej hipotezy Wszechświat po tym jak się skurczy do pierwotnych rozmiarów, ponownie zacznie się rozszerzać, przez co powstanie nowy rozszerzający się Wszechświat, który ponownie po pewnym czasie zapadnie się w sobie i tak w nieskończoność.

Wszechświat płaski

W przypadku tego modelu mamy do czynienia ze stanem pośrednim pomiędzy wszechświatem zamkniętym, a otwartym. Według tej hipotezy Wszechświat nie jest w ogóle zakrzywiony tylko płaski i przestrzeń wypełniająca go jest euklidesowa. Tutaj także musi być spełniona zasada kosmologiczna, przez co taki Wszechświat musi być nieskończenie wielki, ponieważ nie może mieć żadnego brzegu. Modelu ten też zakłada, że Wszechświat nie będzie się rozszerzał w nieskończoność, ani też że się zapadnie. Po prostu nastąpi pewien moment w jego ewolucji, w którym w wyniku oddziaływania grawitacyjnego, tempo jego ekspansji zmaleje do zera i Wszechświat się zatrzyma.

Nad postacią i ewolucją Wszechświata pracował także sam Einstein. Tworzył on swoje modele Wszechświata w których wykorzystywał swoją teorię względności i bardzo często otrzymywał wyniki wskazujące na to że Wszechświat się rozszerza. Jednak wydawało się to Einsteinowi totalnym nonsensem, do tego stopnia, że wprowadził nawet pewne zmiany do swojej teorii, które wymuszały istnienie Wszechświata statycznego. Jednakże modele w którym Wszechświat rozszerza się były rozpatrywane przez innych uczonych. Jednym z nich był rosyjski matematyk Aleksander Friedman, który jako pierwszy opublikował pracę dotyczącą ekspansjonującego Wszechświata, a dokonał tego tuż przed swoją śmiercią, w 1922 roku. Na cześć jego prac, dzisiejsze modele Wszechświata rozszerzającego się nazywa się modelami Friedmana.

W czasie, gdy w Europie budowano teorię opisującą ewolucję Wszechświata, w USA prowadzono obserwacje, które to wykazywały, że Wszechświat w istocie się rozszerza. W 1929 roku Hubble opublikował swój słynny artykuł w którym to dowodził, że widmo promieniowania dochodzącego do odległych galaktyk jest przesunięte ku czerwieni, a co więcej, że przesunięcie to jest wprost proporcjonalne do odległości tych galaktyk od Ziemi. Przesunięcie to wynika z istnienia efektu Dopplera, czyli gdy źródło emitujące emituje jakąś falę, jednocześnie poruszając się względem obserwatora, to obserwator ten zarejestruje falę o innej długości. Efekt ten można zaobserwować w przypadku zbliżania się do nas jakiegoś pojazdu, który wydaje dźwięki, jak np. samochód. Tak więc obserwacje te wskazują na to, że w istocie Wszechświat w którym żyjemy, może opisywać jeden z modeli Friedmana. Pozostaje tylko pytanie, którego? Czy Wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, czy też może w pewnym momencie się zapadnie, a jeśli tak, to czy znowu nie zacznie się rozszerzać? Jak na razie nie potrafimy odpowiedzieć jednoznacznie na te pytania. Pewną nadzieję na rozwiązanie tej zagadki mogą przynieść pomiary średniej gęstości materii we Wszechświecie, więc może już wkrótce dowiemy się co się stanie z naszym Wszechświatem.