Już od czasów starożytnych Kosmos i wszelkie zjawiska z nim związane stanowił przedmiot ogromnego zainteresowania mieszkańców Ziemi. Zanim poziom rozwoju nauki i techniki pozwolił na konstrukcję specjalistycznych przyrządów do obserwacji ciał niebieskich zajmowano się opisem tych obiektów, które widać na niebie gołym okiem. Gdy został skonstruowany pierwszy teleskop astronomia wzbogaciła się o wiedzę na temat nowych obiektów w przestrzeni kosmicznej.

Podobnie jak historia powstania naszej planety tak i ewolucja całego Wszechświata stanowiła temat wielu spekulacji i hipotez naukowych.

Warto prześledzić jak rozwijała się astronomia na przestrzeni wieków i jak naukowcy doszli do teorii Wielkiego Wybuchu jako początku całego Wszechświata.

Astronomia jako gałąź nauki istniała już w starożytnym Egipcie i Mezopotamii. Długość roku na 365 dni ustalono już około 3000 roku p.n.e. Dokonano także podziału najpierw nocy , a potem i dnia na 12 odcinków. Takie ma pochodzenie nasza doba trwająca 24 godziny.

Na terenie starożytnej Mezopotamii znaleziono tabliczki gliniane z zapisem nazw pierwszych gwiazdozbiorów.

Część tych nazw funkcjonuje także w naszych czasach. Chodzi tutaj o gwiazdozbiory Byka, Lwa i Skorpiona.

Najstarsze babilońskie teksty astronomiczne datuje się na przełom osiemnastego i siedemnastego wieku p.n.e. Natomiast najstarszy zabytek astronomiczny stanowi dzieło p.t. "Enuma Anu Enlil" , które zawiera opis położenia Wenus na niebie i okresach jej widoczności.

To , że akurat na terenie Mezopotamii doszło do rozwoju astronomii wiązało się ściśle z rolą , jaką odgrywała astrologia w życiu społecznym i politycznym tego kraju.

W piątym wieku p.n.e. na terenie Babilonii został wprowadzony do astronomii zbiór konstelacji - zodiak. Oprócz tego do dnia dzisiejszego zachował się stopień jako jednostka miary kątowej oraz system sześćdziesiętny.

Poza tym zachowane pisma obfitują w opisy zjawisk astronomicznych takich jak np. zaćmienie Słońca. Wszelkie zjawiska były skrupulatnie liczone i spisywane, co dostarczyło współczesnym naukowcom szerokiej wiedzy na temat częstości występowania niektórych zjawisk.

Pozostałością astronomii babilońskiej są także takie parametry jak miesiąc synodyczny, rok zwrotnikowy oraz wzajemne stosunki okresów poszczególnych planet.

Już około piątego wieku p.n.e. na terenie Babilonii zaczęły powstawać pierwsze modele matematyczne, dzięki którym można było przewidzieć czas występowania wielu zjawisk. Można było tego dokonać na podstawie opracowanych algorytmów oraz wyznaczonych parametrów. I tak możliwe stało się przewidywanie pełni Księżyca, zaćmień oraz pozycji poszczególnych planet na niebie.

Na terenie starożytnej Grecji rozwijała się astronomia oparta na teorii wykorzystującej geometrię oraz na przewidywaniu położeń poszczególnych ciał niebieskich.

Za pomocą pierwszych opisowych teorii próbowano z wyjaśnić istotę wielu zjawisk, m.in. naturę promieniowania świetlnego. Jako autorzy takich teorii do historii nauki wpisali się Tales z Miletu, Pitagoras i Anaksymander.

Pitagoras uchodzi za pierwszego człowieka , w koncepcjach którego pojawił się kulisty kształt Ziemi. To również on wprowadził pojęcie Kosmosu. Jego model Wszechświata zakładał, że ruchy ciał niebieskich są jednostajne i kołowe. Problem ten kontynuował jego uczeń Eudoksos, który skonstruował model Wszechświata w ten sposób, że planety umieszczone były na współśrodkowych sferach, które wirowały wokół Ziemi. Ziemia znajdowała się w środku, nieruchomo. Kolejni uczeni czyli Kallipos i Arystoteles próbowali rozwinąć ten model zwiększając liczbę

współśrodkowych sfer. Okazało się jednak, ze nie jest to zbyt szczęśliwy model do opisu ruchu planet.

W trzecim wieku p.n.e. po raz pierwszy zaczęto wyznaczać parametry modeli planetarnych na podstawie obserwacji astronomicznych. I tak np. Arystarch z Samos opisał metodę pomiaru odległości z Ziemi do Księżyca i Słońca. Uczony twierdził, że odległość Ziemi od Słońca jest około 19 razy większa niż odległość Ziemi od Księżyca. Późniejsze badania pozwoliły na zweryfikowanie tego założenia. Okazało się ono błędne.

Inny uczony, Apoloniusz z Pergi skonstruował dwa geometryczne modele orbit planetarnych. Pojawiła się również teza, że Ziemia porusza się wokół Słońca i dodatkowo wiruj wokół własnej osi.

Pierwszy z modeli Apoloniusza zakładał, że planeta krąży wokół Ziemi ruchem jednostajnym po torze kołowym. Jednak Ziemia nie leżała w środku okręgu i tym tłumaczono zmienne odległości między planetami.

Drugi model zakładał, że planeta porusza się ruchem jednostajnym po malutkim okręgu. Z kolei środek tego okręgu także porusza się ruchem jednostajnym po okręgu o dużym promieniu. W środku tego dużego okręgu miała znajdować się Ziemia.

Na podstawie tych modeli Hipparch obliczył parametry orbity Słońca krążącego wokół Ziemi oraz parametry orbity Księżyca. Hipparchowi przypisuje się także odkrycie precesji astronomicznej oraz autorstwo pierwszego katalogu gwiazd.

Badania Hipparcha kontynuował Klaudiusz Ptolemeusz. Stworzył on bardzo dokładny system do opisu położenia Słońca, planet i Księżyca na niebie w dowolnej chwili w przeszłości lub przyszłości.

Ptolemeusz ustalił też długo potem obowiązujący porządek planet. I tak w kolejności wymieniał: Ziemię, Księżyc, Merkury, Wenus, Słońce, Mars, Jowisz i Saturn.

Swój model Wszechświata Ptolemeusz przedstawił w dziele p.t. "Założenia teorii planet" . Według niego ruch każdej z planet odbywał się w sferycznej powłoce. Przy czym dolna granica powłoki planety położonej bardziej na zewnątrz stanowiła równocześnie górną granicę powłoki planety bliższej Ziemi.

Średniowiecze rozwój astronomii następował głównie dzięki krajom islamu a także astronomom europejskim, którzy starali się ulepszyć system Ptolemeusza. Później założenia ówczesnej astronomii islamu przedostawały się do krajów europejskich. Ten okres zaowocował wprowadzeniem do astronomii wielu pojęć pochodzących z języka arabskiego takich jak np. zenit, azymut, nadir. Powstawały wówczas również liczne obserwatoria astronomiczne, konstruowano nowe przyrządy do obliczeń astronomicznych. Próbowano również udoskonalić model Ptolemeusza, poprzez wprowadzenie dokładniejszych parametrów orbit. Podejmowano również próby opracowania lepszych modeli Wszechświata.

W Krajach europejskich po pewnym czasie zarzucono tradycje astronomii greckiej. Powstałe w tym czasie prace nie nawiązywały do dawnych odkryć. Dopiero W jedenastym i dwunastym wieku począwszy od Hiszpanii następowało odradzanie się astronomii. Zaczęły powstawać dzieł propagujące idee Ptolemeusza. Począwszy od piętnastego wieku w Europie zaczął się tworzyć nowy model wszechświata. Zasadniczą rolę odegrali naukowcy z ośrodka krakowskiego oraz wiedeńsko - norymberskiego. Z grupą krakowską związany był również Mikołaj Kopernik. Pobierał on nauki na uniwersytecie w Krakowie a także we Włoszech. Na początku szesnastego wieku przedstawił nowy porządek Wszechświata. Zawarty on był w traktacie " Commentariolus". Były to rozważania czysto teoretyczne przedstawiające nowy, heliocentryczny system. Natomiast model matematyczny przedstawiający planety krążące wokół Słońca został przez Kopernika przedstawiony w dziele "De revolutionibus".

Pod koniec szesnastego wieku na wyspie Hven powstało duże obserwatorium astronomiczne gdzie pracował

astronom Tycho Brahe. Podczas licznych obserwacji zarejestrował on dokładne położenia planet i gwiazd. Następnie na dworze cesarza Rudolfa II doszło do spotkania Brahe z Keplerem., który był zwolennikiem teorii Mikołaja Kopernika. Dzięki obserwacjom poczynionym przez Brahego Kepler odkrył prawdę o orbitach planetarnych. Pozwoliło mu to na sformułowanie trzech praw ruchu planet, zwanych prawami Keplera.

Pierwsze z nich mówi, że orbity wszystkich planet mają eliptyczne kształty, a Słońce znajduje się zawsze w jednym z ognisk tych elips.

Według drugiego prawa linia łącząca Słońce i daną planetę zakreśla równe pola w równych odstępach czasu.

I wreszcie trzecie prawo Keplera mówi, że stosunek sześcianów wielkich półosi orbit dowolnych dwóch planet jest równy stosunkowi kwadratów ich okresów obiegu.

Ewolucja Wszechświata.

Początki obecnie uznawanego modelu Wszechświata zaczęły powstawać dopiero w latach 20 - tych ubiegłego wieku. Wówczas woje obserwacje prowadził Erwin Hubble, amerykański astronom, który odkrył, że nasza Galaktyka nie jest ewenementem w przestrzeni kosmicznej, ale jest jedynie jedną z wielu galaktyk. Takich tworów jest bowiem w przestrzeni kosmicznej dużo więcej. Są one oddzielone w Kosmosie pustymi przestrzeniami. Aby udowodnić to odkrycie astronom musiał zmierzyć odległości od innych galaktyk. Aby tego dokonać przyjął założenie, że gwiazdy danego typu znajdujące się w galaktykach charakteryzują się taką samą jasnością. Tak więc , jeśli znana jest informacja na temat jasności gwiazd znajdujących się w odległej galaktyce możliwe jest obliczenie jej odległości na podstawie pomiaru jasności.

Na tej podstawie Hubble wyznaczył odległości od dziewięciu galaktyk. W obecnych czasach wiadomo, że liczba galaktyk istniejących w przestrzeni kosmicznej sięga setek miliardów. Nasza galaktyka ma średnicę około sto tysięcy lat świetlnych.

Badania Hubble'a przyniosły jeszcze jeden rezultat. Uczony ten udowodnił bowiem, że galaktyki ciągle oddalają się od naszej Galaktyki a tempo oddalania się galaktyk zależy od tego w jakiej odległości od nas się one znajdują.

Badania te wykazały ewidentnie, że Wszechświat nie stanowi statycznego, zamkniętego układu lecz stale się rozszerza. Była to rewolucyjna teoria nawet w świetle teorii względności Einsteina. Uczony ten bowiem tak bardzo przywiązany był do myśli o statyczności Wszechświata, że do swojej teorii wprowadził specjalną stałą kosmologiczną, aby pogodzić nowoczesną teorię z dotychczasowym myśleniem o Wszechświecie.

Obecnie za najbardziej wiarygodne opisy kształtu Wszechświata przyjmuje się trzy modele. Pierwszy z nich to model otwartego Wszechświata. Model ten zakłada ciągłą ekspansję Wszechświata. Wraz z tym procesem będzie następowała utrata blasku Wszechświata. Drugi z modeli zakłada , że Wszechświat jednak jest zamknięty. Precyzyjniej mówiąc założenie to geometria trójwymiarowej powierzchni czterowymiarowej hiperkuli. Występuje więc analogia do sfery ale z jeszcze jednym dodatkowym wymiarem. Model ten zakłada ograniczoność Wszechświata ale jednocześnie brak brzegów. W każdym punkcie geometria wygląda identycznie.

Trzeci z modeli zakłada, że Wszechświat jest płaski. Nie ma wiec zakrzywień geometrii. Rozmiary Wszechświata muszą być na tyle duże, aby nie istniał jego brzeg.

Tak naprawdę nie wiadomo, czy któryś z tych modeli opisuje rzeczywisty Wszechświat czy jest to tylko czysta teoria. Jedno tylko jest pewne. Wszystkie te modele mają jeden punkt wspólny. Jest to punkt, w którym odległość między galaktykami miała zerową wartość. Punkt ten nazwany został Wielkim Wybuchem. Zakłada się , że w

tamtej chwili gęstość materii i krzywizna czasoprzestrzeni przyjmowały nieskończoną wartość. Do tego punktu czasowego nie stosuje się teoria względność. Nazwano go zatem osobliwością.

Przyjmuje się także założenie, że wszystko co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem nie ma żadnego praktycznego znaczenia dla ewolucji Wszechświata i dlatego moment Wielkiego Wybuchu nazywa się "chwilą zero" czyli początkiem czasu.

Oczywiście jak to zawsze bywa w przypadku nowych teorii pojęci osobliwości wzbudziło wiele kontrowersji. Poddawano w wątpliwość ich istnienie. Dowodem rozstrzygającym panujące wątpliwości były badania prowadzone w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku przez Penrose'a. Mianowicie wyniki tych badań wskazują , że gwiazda może zapadać się pod wpływem własnej grawitacji. Obszar w którym się znajduje maleje do zera, zatem w takiej sytuacji zarówno gęstość materii jak i krzywizna czasoprzestrzeni przyjmują nieskończoną wartość. Zatem pojawia się osobliwość zwana w tym przypadku czarną dziurą.

Tak więc, zapadające się ciało zmierza do osobliwości. Można więc założyć także sytuację odwrotną. Mianowicie jeśli jakiś układ w tym momencie się rozszerza to jego początek musiał stanowić punkt zwany osobliwością.

Niedługo potem naukowcy założyli, że początek Wszechświata faktycznie stanowił Wielki Wybuch pod warunkiem prawdziwości ogólnej teorii względności.

Zatem Wielki Wybuch stanowił początek wszystkiego. Od tamtego momentu Wszechświat przyjmuje geometrię czasoprzestrzeni przedstawioną przez Friedmanna. Rozszerzający się Wszechświat emituje promieniowanie oraz obniża swoją temperaturę. W chwili początkowej temperatura bowiem miała nieskończoną wartość. Dopiero wraz ze wzrostem promienia Wszechświata wartość temperatury malała. Szacuje się, że sekundę po Wielkim Wybuchu temperatura miała wartość dziesięciu miliardów stopni. Przy takiej temperaturze Wszechświat tworzyły fotony, elektrony, neutrina, antycząstki oraz protony i neutrony, które były w zdecydowanej mniejszości.

Cały czas miało miejsce rozszerzanie się Wszechświata. Dochodziło również do zmniejszania tempa procesów kreacji par elektron - pozyton w stosunku do anihilacji. W końcu anihilacja zwyciężyła. Stąd wzięła się rosnąca liczba fotonów i malejąca ilość elektronów. Nie doszło natomiast do zaniku neutrin i antyneutron ze względu na ich słabe oddziaływanie.

Do około 100 sekundach od "chwili zero" temperatura Wszechświata wynosiła około miliard stopni. Taka temperatura panuje obecnie we wnętrzu niektórych gwiazd. Przy takiej temperaturze dochodzi do łączenia się protonów i neutronów w jądra deuteru. Te z kolei przyłączają kolejne cząstki i w ten sposób dochodzi do powstania jąder helu a także niewielkiego procentu cięższych jąder. Tylko około jedna czwarta ilości protonów i neutronów łączy się w jądra helu. Z pozostałej ilości neutronów w wyniku rozpadu tworzą się protony.

Wszystkie przedstawione powyżej założenia dotyczące początków Wszechświata ujrzały światło dzienne w roku 1948 dzięki dwóm uczonym: Gamowowi i Alphererowi.

Wówczas także powstała koncepcja pierwotnego promieniowania istniejącego po dzień dzisiejszy. Późniejsze badania dowiodły istnienia takiego promieniowania w przestrzeni kosmicznej do dziś.

W ciągu kilku pierwszych godzin po Wielkim Wybuchu doszło do utworzenia m.in. helu i innych pierwiastków. W ciągu następnego okresu trwającego około miliona lat dochodziło tylko do nieustannego rozszerzania się Wszechświata. Nie dochodziło jednak do żadnych procesów chemicznych. Dopiero spadek temperatury do około paru tysięcy stopni pozwolił na zapoczątkowanie syntezy atomów z jąder i elektronów.

Wszechświat w dalszym ciągu zwiększał swoją objętość i zmniejszał temperaturę. Zaczęły wyodrębniać się miejsca, które charakteryzowały się wyraźnie większą gęstością. I również wolniej się rozszerzały. Proces rozszerzania był bowiem hamowany dzięki oddziaływaniom grawitacyjnym. Od pewnego momentu obszary te zaczęły się kurczyć i jednocześnie rotować. Wraz z kurczeniem się tych rejonów prędkość ruchu rotacyjnego rosła. Trwało to do momentu, aż siła ciężkości została zrównoważona przez siłę odśrodkową. W tym momencie kurczenie się zostało zatrzymane. W ten sposób powstały galaktyki rotujące.

Drugą grupę galaktyk stanowią galaktyki eliptyczne. Są one nieruchome, ale poszczególne części składowe galaktyk wykonują ruch wokół wspólnego środka.

W następnych etapach ewolucji Wszechświata rozpoczęło się gromadzenie helu i wodoru w wielu miejscach. W wyniku działania grawitacji te obłoki zaczęły się kurczyć. Proces ten z kolei prowadził do wzrostu temperatury. Gdy osiągnęła ona pewną graniczną wartość zostały zapoczątkowane reakcje jądrowe stanowiące główne źródło energii powstałych obiektów. W trakcie reakcji emitowane były duże ilości ciepła dzięki czemu możliwy był wzrost ciśnienia i zahamowanie procesów zapadania się chmur gazowych. W taki sposób doszło i ciągle dochodzi do powstawania gwiazd. I taki również początek miało nasze Słońce..

W zależności od masy gwiazdy w różnym tempie dochodzi do wyczerpywania się paliwa jądrowego w jej wnętrzu.

Może to się stać już po stu milionach lat. Gdy paliwo jądrowe się wyczerpie obiekt zaczyna się kurczyć. Jednocześnie zaczyna rosnąć temperatura, a z helu syntetyzowane są inne pierwiastki. W dalszej kolejności centralna część gwiazdy ulega przekształceniu w gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. Natomiast zewnętrzne powłoki gwiazdy są często odrzucane w wyniku gwałtownych eksplozji. Skutkiem tego część pierwiastków, które zostały utworzone w gwieździe rozprasza się w przestrzeni kosmicznej i stanowi surowiec do budowy kolejnych gwiazd.

Ciekawym zjawiskiem we Wszechświecie są tzw. czarne dziury. Wprawdzie pojęcie czarnych dziur istnieje dopiero od roku 1969 ale ich istnienie przewidywano już w wieku osiemnastym.

Obecnie wiadomo, ze natura światła jest korpuskularno - falowa. Początkowo sądzono, że światło ma nieskończoną prędkość. Wówczas oddziaływania grawitacyjne nie mogłyby mieć wpływu na ruch światła. Gdy jednak stało się jasne, że prędkość światła ma skończoną wartość wówczas problem wpływu grawitacji na światło powrócił.

Pierwsza teoria dotycząca tej kwestii powstała już w roku 1783. Zakładała ona, że mogą istnieć gwiazdy o takiej wartości masy i gęstości, że emitowane przez nie promieniowanie nie jest w stanie opuścić powierzchni gwiazdy, jest bowiem zawracane przez przyciąganie grawitacyjne. Takich gwiazd nie można zobaczyć, ale można badać ich oddziaływania grawitacyjne. W dzisiejszych czasach takie właśnie obiekty noszą nazwę czarnych dziur.

Jednak prawidłowy opis działania grawitacji na ruch światła był możliwy dopiero po powstaniu ogólnej teorii względności. Przewiduje się , ze czarne dziury mogą powstawać w końcowym etapie ewolucji niektórych gwiazd. Warunkiem, aby powstała czarna dziura jest tzw. masa gwiazdy większa od tzw. masy krytycznej Chandrasekhara.

Takie gwiazdy właśnie w końcowym etapie swojej ewolucji zaczynają grawitacyjnie się zapadać. Pod wpływem grawitacji następuje zakrzywienie promieni świetlnych w czterowymiarowej przestrzeni. W pewnym momencie po osiągnięciu przez kurczącą się gwiazdę promienia mniejszego od promienia krytycznego pole grawitacyjne staje się tak silne, że światło w ogóle nie może się wydostać. A jako że nic nie może poruszać się z prędkością większą od prędkości światła można więc wnioskować, że żaden obiekt nie może opuścić obszaru czarnej dziury.