cz. 1

Hugh Ross
Stwórca i Kosmos [*]

ROZDZIAŁ PIĄTY
ODKRYCIA XXI WIEKU (cz. 1)

W 1998 roku czasopismo Science przyznało „odkryciu stałej kosmologicznej” nagrodę „przełomowego odkrycia roku”. [49] Okazuje się, że ogłoszenie to było przedwczesne. Dopiero w kwietniu 2000 roku stało się jasne, że taka stała musi istnieć.

To, że odkrycie stałej kosmologicznej kwalifikuje się jako przełomowe odkrycie roku, jeśli nie dekady lub stulecia, wynika z tego, że Wielki Wybuch jest czymś najdokładniej zaprojektowanym, co jest znane człowiekowi. Mówiąc słowami fizyka Lawrence'a Kraussa, który deklaruje się jako ateista, stała kosmologiczna „dotyczy najbardziej skrajnego problemu dostrajania, jaki zna fizyka”. [50]

Co to jest stała kosmologiczna?
Kiedy Albert Einstein po raz pierwszy przedstawił swoją ogólną teorię względności, od razu zauważył, że przewiduje ona rozszerzanie się wszechświata od początku z nieskończenie małej objętości. Było to wyraźnie niezgodne z panującym wówczas modelem kosmologicznym. Według tego modelu wszechświat istnieje nieskończenie długo i w tym nieskończonym czasie trwa w stanie statycznym.

Ta idea nieskończenie starego statycznego wszechświata wyrażała kilka filozoficznych przesądów. Jednym z nich było dostarczanie mechanizmom ewolucji przyrodniczej możliwości nieskończenie długiego działania procesów chemicznych, aby przy wyjaśnianiu pojawienia się życia nie trzeba było odwoływać się do Boga. [51]

Aby ocalić statyczny model wszechświata, Einstein wprowadził ad hoc do równań swojej ogólnej teorii względności pewną stałą kosmologiczną, która doskonale znosi efekty grawitacji w całym wszechświecie. [52] Kiedy astronomowie udowodnili, że wszechświat rzeczywiście rozszerza się od pewnego kosmicznego początku, Einstein odrzucił zaproponowaną przez siebie stałą kosmologiczną, nazywając ją „największym błędem w swojej karierze naukowej”. [53]

Dzisiaj, ponad 60 lat później, astronomowie wydobyli stałą Einsteina z zapomnienia. Jednak wartość, jaką jej przypisują, jest zupełnie inna, podobnie jak inne jest uzasadnienie jej przywrócenia.

Czym dokładnie jest stała kosmologiczna? Najlepiej można ją opisać jako własność samorozciągania się czasoprzestrzennej struktury wszechświata. Z istnienia tej stałej wynika, że przestrzeń rozszerza się niezależnie od materii i niezależnie od ciepła lub światła. Co więcej, im większa jest objętość czasoprzestrzenna wszechświata, tym więcej zyskuje on tej rozpychającej energii. Właśnie to powiększanie się energii rozciągającej powoduje, że niektórzy publicyści naukowi traktują stałą kosmologiczną jako czynnik antygrawitacji. Wpływ stałej kosmologicznej na czasoprzestrzenną objętość wszechświata sprawia, że dwa masywne ciała wydają się wzajemnie odpychać. Co więcej, im bardziej te dwa ciała są od siebie oddalone, tym silniej będą się wydawać wzajemnie odpychać. Rezultat działania stałej kosmologicznej skłonił Stephena Hawkinga do żartu, że stała kosmologiczna jest odpychająca w obu znaczeniach tego słowa.

W przeciwieństwie do niej grawitacja działa jako hamulec kosmicznej ekspansji. Na lekcjach fizyki w szkole średniej dowiedzieliśmy się, że zgodnie z prawem grawitacji dwa ciała obdarzone masą przyciągają się nawzajem i że im bliżej siebie się one znajdują, tym silniej będą się przyciągać. Ponieważ wszechświat zawiera dużo masy, grawitacja przyciąga do siebie ciała obdarzone masą, a tym samym spowalnia kosmiczną ekspansję.

Kiedy wszechświat był młody, a zatem bardziej zwarty, wpływ grawitacji na dynamikę kosmiczną był potężny, a wpływ stałej kosmologicznej słaby. Jednak gdy wszechświat jest stary, tym samym bardziej rozległy, efekt stałej kosmologicznej jest silny, podczas gdy rezultat działania grawitacji jest słaby. Tak więc, gdyby na dynamikę koszmiczną wplywała sama grawitacja, astronomowie zaobserwowaliby, że przez całą kosmiczną historię ekspansja wszechświata ciągle zwalnia. Spowolnienie to byłoby coraz mniejsze w miarę starzenia się wszechświata. Jeśli jednak działa zarówno grawitacja, jak i dodatnia stała kosmologiczna, to astronomowie zobaczą przejście kosmicznej ekspansji od spowolnienia do przyspieszenia.

Odkrycie
Do pomiaru ekspansji Kosmosu w przeszłości wybrano supernowe typu Ia (patrz w dalszej części tego rozdziału podrozdział „Supernowe typu Ia”). Supernowe typu Ia są bardzo jasne i dlatego można je zobaczyć z dużych odległości, które odpowiadają chwilom, gdy Wszechświat był miliardy lat młodszy niż obecnie.

Wszystkie supernowe typu Ia mają identyczną jasność. Tak więc astronomowie, porównując
blask, czyli światło, które faktycznie dociera do nas od różnych supernowych typu Ia, mogą określić, jak daleko od nas znajduje się każda z nich. Linie widmowe, które astronomowie mierzą w świetle konkretnej supernowej, mówią im, jak szybko ta supernowa oddala się od nas (patrz w dalszej części tego rozdziału podrozdział „Prędkości przesunięcia ku czerwieni”). Tak więc dzięki pomiarom dziesiątek supernowych typu Ia o bardzo różnym widocznym blasku światła astronomowie mogą określić tempo ekspansji Wszechświata w szerokim zakresie minionego czasu. (Czas miniony określa, jak długo trwa podróż światła od supernowej do nas.)

Wyniki zespołu badającego supernowe pod kierunkiem Adama Riessa [54] doprowadziły do
przyznania w 1998 roku nagrody roku za przełomowe odkrycie. Jednak ich analiza nie podjęła próby uwzględnienia niejednorodnego, grudkowatego charakteru wszechświata (obserwacji, że materia we wszechświecie skupia się w galaktyki, gwiazdy i ciemną materię różnych postaci). Jak kosmologowie zauważyli sześćdziesiąt lat temu, każde odejście od idealnie jednorodnego wszechświata (gładkiego rozkładu materii) spowoduje nieco szybsze tempo ekspansji. [55] Zatem zanim ktoś przypisze sobie odkrycie stałej kosmologicznej, będzie musiał oddzielić szybszą ekspansję spowodowaną kosmicznym skupianiem się materii od ekspansji spowodowanej samą stałą kosmologiczną.

Drugi zespół trzydziestu jeden astronomów współpracujących w ramach projektu zwanego The Supernova Cosmology Project opublikował wyniki swoich badań w numerze Astrophysical Journal z 1 czerwca 1999 roku. [56] Uwzględniając dane o czterdziestu dwóch supernowych typu Ia byli w stanie ustalić efekt zlepiania się materii na małą skalę. Wykazali, że stała kosmologiczna musi istnieć we wszystkich realistycznych modelach kosmicznego skupiania się materii. Również zakres niepewności w ich pomiarach był znacznie mniejszy niż w poprzedniej próbie. Biorąc pod uwagę, że supernowe typu Ia są wiarygodnymi wskaźnikami odległości, nie ma podstaw, by wątpić w istnienie stałej kosmologicznej.

Zaledwie kilka dni po tym, jak ten drugi zespół opublikował swój artykuł, zakwestionowano wiarygodność supernowych typu Ia jako wskaźników odległości. Trzej astronomowie z
University of California w Berkeley i jeden z Mount Stromlo Observatory w Australii
zauważyli, że dla dziesięciu pobliskich erupcji supernowych typu Ia czas potrzebny na osiągnięcie największej jasności był około dwa dni dłuższy niż w przypadku supernowej typu Ia znajdującej się w znacznie większej odległości. [57] W ciągu następnych ośmiu miesięcy pięć innych zespołów badawczych zgłosiło podobne zastrzeżenia oraz wątpliwości dotyczące wpływu pyłu międzygalaktycznego i innych różnic otoczenia na odległe supernowe. [58] W połowie 2000 roku obawy te zostały w dużej mierze rozwiane przez astronomów z Lawrence Berkeley National Laboratory i Space Telescope Science Institute, którzy wykazali, że małe rozbieżności między odległymi i bliskimi supernowymi typu Ia nie miały istotnej różnicy w wiarygodności supernowych typu Ia jako wskaźników odległości. [59]

Obserwacje supernowych typu Ia wykazały, że tempo ekspansji Wszechświata zmniejszalo się przez pierwsze 8-9 miliardów lat jego historii i przyspieszało przez ostatnie 6-7 miliardów lat. Najnowsze dane były na tyle dokładne, że dostarczyły również najlepszych dotychczasowych pomiarów wieku Wszechświata (14,5 lub 14,9 miliarda lat w zależności od metody obliczeń) [60] i gęstości masy w Kosmosie (0,28 tego, co byłoby konieczne do powstrzymania ekspansji wszechświata). [61]

Co ciekawe, w tym samym numerze Astrophysical Journal, w którym ukazał się artykuł zespołu The Supernova Cosmology Project, znalazły się też inne artykuły, które niezależnie potwierdziły pomiary grupy SCP dotyczące wieku i gęstości masy Wszechświata. [62] Trzy dodatkowe artykuły w niedawnych numerach czasopism Astronomical Journal i Astrophysical Journal podają najdokładniejsze, jak dotychczas, pomiary wieku najstarszych gwiazd w naszej galaktyce, w gigantycznej galaktyce M87 oraz w galaktyce karłowatej Fornax. Wiek tych struktur wynosi nieco ponad 13 miliardów lat. [63] Tym samym rozwiązany został głośny niegdyś problem, kiedy to (w 1995 roku) pewne pomiary tempa ekspansji kosmicznej wydawały się wskazywać, że Wszechświat jest miliard lat młodszy od najstarszych gwiazd. [64]

Kanadyjski zespół astronomów kierowany przez Richarda Richera przedstawił niedawno dowody na to, że populacja białych karłów w halo naszej galaktyki jest znacznie większa, niż wcześniej przypuszczano. [65] To by sugerowało, że wszechświat nie może być młodszy niż 14,5 miliarda lat. [66] To z kolei oznacza, że musi istnieć kosmologiczna stała o wartości zbliżonej do podanej przez The Supernova Cosmology Project.

Przypisy:
[*] Oryginał: Hugh Ross, Ph.D., The Creator and the Cosmos, NavPress, Bringing Truth to Life, third expanded edition, Colorado Springs, Colorado 2001, s. 45–48. Z jęz. ang. tłum. Kazimierz Jodkowski.
[49] James Glanz, „Breakthrough of the Year: Cosmic Motion Revealed”, Science 1998, vol. 282, s. 2156–2157; Floyd E. Bloom, „Breakthroughs 1998”, Science 1998, vol. 282, s. 2193.
[50] Lawrence M. Krauss, „The End of the Age Problem and the Case for a Cosmological Constant Revisited”, Astrophysical Journal? 1998, vol. 501, s. 461.
[51] Hugh Ross, The Fingerprint of God, 2nd ed., NavPress, Orange, CA 1991, s. 27–29; Immanuel Kant, „Universal Natural History and Theory of the Heavens”, w: Milton K. Munitz (ed.), Theories of the Universe, Free Press, Glencoe, IL 1957, s. 242–247.
[52] Albert Einstein, „Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie”, Sitzungsherichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften 1917, Feb. 8, s. 142–152. Przeklad angielski znajduje się w: H.A. Lorentz, A. Einstein, H. Minkowski, and H. Weyl, The Principle of Relativity (z uwagami A. Sommerfelda i w tłumaczeniu W. Perretta i G.B. Jeffreya), Methuen and Co., London, UK 1923, s. 175–188; Albert Einstein, „Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie”, Annalen der Physik 1916, vol. 49, s. 769–822. Angielskie tłumaczenie znajduje się w: The Principle of Relativity..., s. 109–164.
[53] A. Vibert Douglas, „Forty Minutes with Einstein”, Journal of the Royal Astronomical Society of Canada 1956, vol. 50, s. 100.
[54] Adam G. Riess et al., „Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant”, Astronomical Journal 1998, vol. 116, s. 1009–1038.
[55] Richard C. Tolman and Morgan Ward, „On the Behavior of Non-Static Models of the Universe When the Cosmological Term Is Omitted”, Physical Review 1932, vol. 39, s. 841–843; John D. Barrow and Joseph Silk, The Left Hand of Creation: The Origin and Evolution of the Expanding Universe, Basic Books, New York 1983, s. 32.
[56] S. Perlmutter et al., „Measurements of Ω and ∧ from 42 High-Redshift Supernovae”, Astrophysical Journal 1999, vol. 517, 565–586.
[57] James Glanz, „Has a Cosmic Standard Candle Flickered?”, Science 1999, vol. 285, s. 19.
[58] Adam G. Riess, Alexei V. Filippenko, Weidong Li, and Brian P. Schmidt, „Is There an Indication of Evolution of Type Ia Supernovae from Their Rise Times?”, Astronomical Journal 1999, vol. 118, s. 2668–2674; Hideyuki Umeda, Ken’ichi Nomoto, and Chiaki Kobayashi, „The Origin of the Diversity of Type Ia Supernovae and the Environmental Effects”, Astrophysical Journal Letters 1999, vol. 522, L43–L47; Anthony Aguirre, „Intergalactic Dust and Observations of Type Ia Supernovae”, Astrophysical Journal 1999, vol. 525, s. 583–593; Tomonori Totani and Chiaki Kobayashi, „Evolution of Dust Extinction and Supernova Cosmology”, Astrophysical Journal Letters 1999, vol. 526, L65–L68; Persis S. Drell, Thomas J. Loredo, and Ira Wasserman, „Type Ia Supernovae, Evolution, and the Cosmological Constant”, Astrophysical Journal 2000, vol. 530, s. 593–617.
[59] Lev R. Yungelson and Mario Livio, „Supernova Rates: A Cosmic History”, Astrophysical Journal 2000, vol. 528, s. 108–117; Greg Aldering, Robert Knop, and Peter Nugent, „The Rise Times of High- and Low-Redshift Type Ia Supernovae Are Consistent”, Astronomical Journal 2000, vol. 119, s. 2110–2117.
[60] Perlmutter et al., „Measurements ...”, s. 581.
[61] Perlmutter et al., „Measurements...”, s. 579.
[62] Bharat Ratra et al., „Cosmic Microwave Background Anisotropy Constraints on Open and Flat-L Cold Dark Matter Cosmogonies with UCSB South Pole, ARGO, MAX, White Dish, and SuZIE Data”, Astrophysical Journal 1999, vol. 517, s. 549–564; Aaron D. Lewis, E. Ellingson, Simon L. Morris, and R.G. Carlberg, „X-Ray Mass Estimates at z ~ 0.3 for the
Canadian Network for Observational Cosmology Cluster Sample”, Astrophysical Journal 1999, vol. 517, s. 587–608; Joseph J. Mohr, Benjamin Mathiesen, and August E. Evrard, „Properties of the Intracluster Medium in an Ensemble of Nearby Galaxy Clusters”, Astrophysical Journal 1999, vol. 517, s. 627–649.
[63] Raul Jimenez and Paolo Padoan, „The Ages and Distances of Globular Clusters with the Luminosity Function Method: The Case of M5 and M55”, Astrophysical Journal 1998, vol. 498, s. 704–709; David S. Graff, Gregory Laughlin, and Katherine Freese, „MACHOs, White Dwarfs, and the Age of the Universe”, Astrophysical Journal 1998, vol. 499, s. 7–19; Judith G. Cohen, John P. Blakeslee, and Anton Ryshov, „The Ages and Abundances of a Large Sample of M87 Globular Clusters”, Astrophysical Journal 1998, vol. 496, s. 808–826; R. Buopnanno et al., „The Ages of the Globular Clusters in the Fornax Dwarf Galaxy”, Astrophysical Journal Letters 1998, vol. 501, L33–L36.
[64] Hugh Ross, „News Report Hypes Cosmic Age Controversy”, Facts & Faith 1994, vol. 8, n. 4, s. 1–2.
[65] The Vancouver Sun, October 1, 1999, A1.
[66] Graff, Laughlin, and Freese, „MACHOs ...”, s. 7, 18.

Nie ma plików w tym folderze