Początek. Jim Baggott
Читать онлайн книгу.
miały podłoże albo religijne, albo filozoficzne. Dopiero w XX wieku możliwe stało się formułowanie wiarygodnych, naukowych twierdzeń na temat struktury Wszechświata. W chwili ogłoszenia wyników George Smoot, członek zespołu COBE odpowiedzialny za analizę różnic temperatur, dał się nieco ponieść emocjom i zwrócił się do zebranych na sali słowami: „Cóż, jeśli ktoś jest religijny, to jak ujrzenie twarzy Boga”55.
Te niezwykle drobne różnice temperatur zostały od tamtej pory zmierzone z jeszcze większą dokładnością przez sondę Wilkinson Microwave Anisotropy Probe56 (WMAP), umieszczoną na orbicie 30 czerwca 2001 roku. Jej przyrządy były 45-krotnie czulsze od aparatury COBE. Pierwotnie planowano, iż sonda będzie prowadziła obserwacje kosmicznego promieniowania tła przez dwa lata, jednak misja była skutecznie wydłużana najpierw w 2002 roku, a potem jeszcze w 2004, 2006 i 2008. Zespół WMAP czterokrotnie publikował wyniki, w lutym 2003, marcu 2006, lutym 2008 i styczniu 2010 roku. Rysunek IV na wkładce ukazuje mapę nieba z naniesionymi wynikami z całego dziewięcioletniego okresu obserwacji, opublikowanymi w 2010 roku.
W dniu 14 maja 2009 roku Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) ze znaczącym wsparciem NASA umieściła satelitę Planck na orbicie w odległości 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, po stronie planety przeciwnej do Słońca. Zainstalowane na pokładzie instrumenty zapewniały 2,5 razy większą rozdzielczość kątową niż ta, która dostępna była dzięki WMAP. 21 marca 2013 roku naukowcy z ESA opublikowali najświeższą i najdokładniejszą mapę temperaturową nieba w zakresie kosmicznego promieniowania tła. Ona również została zaprezentowana na rysunku IV na wkładce, który pozwala dostrzec, jak z każdą kolejną misją satelitów badawczych poprawiała się rozdzielczość kątowa uzyskiwanego obrazu.
Od wyników pomiarów, na podstawie których powstawały wszystkie przedstawione mapy, zostały odjęte odchylenie dipolowe i interferencja pochodząca od naszej własnej galaktyki – Drogi Mlecznej. Różne temperatury oznaczono umownymi kolorami, a różnice zwielokrotniono o czynnik 100 000, aby uczynić je wyraźniejszymi. Kolor czerwony symbolizuje wyższe temperatury, niebieski – niższe. Całkowita rozpiętość wahań temperatury, od koloru czerwonego do niebieskiego, sięga zaledwie dwustu milionowych części stopnia.
Mamy więc odpowiedź na nasze pytanie. Te małe różnice temperatur zdradzają istnienie drobnych różnic gęstości materii (jasnej i ciemnej) w chwili rekombinacji. Różnic wystarczających, aby uruchomić cały łańcuch zdarzeń, który doprowadzi do wyłonienia się obserwowanej dzisiaj struktury Wszechświata. Gorące punkty wskazują na większą gęstość materii, obszary, które będą zalążkiem przyszłych procesów formowania gwiazd i galaktyk. Zimne punkty oznaczają niższą gęstość materii w obszarach, które staną się pustkami.
MODEL Λ-CDM
Stąd właśnie wiemy, jak to było. Z całą pewnością kosmiczne promieniowanie tła nie jest jedynym obserwacyjnym dowodem przemawiającym za inflacyjnym modelem stworzenia świata w Wielkim Wybuchu, ale jest dowodem w spektakularny sposób rozstrzygającym.
Naukowcy zbudowali konsensus wokół wersji inflacyjnej kosmologii Wielkiego Wybuchu, nazywanej czasami modelem „zgodności”, „modelem standardowym kosmologii Wielkiego Wybuchu” albo określanej mianem modelu Λ-CDM, gdzie Λ oznacza wprowadzoną po raz pierwszy przez Einsteina w 1917 roku stałą kosmologiczną, natomiast litery CDM są akronimem od słów cold dark matter – zimna ciemna materia. Przedstawiona przeze mnie w pierwszych rozdziałach książki wersja wydarzeń stanowi część opisu proponowanego przez ten model.
Model Λ-CDM opiera się na sześciu parametrach. Trzy z nich związane są z gęstością ciemnej energii, która zależy od wartości stałej kosmologicznej, gęstości zimnej ciemnej materii i gęstości materii barionowej, tworzonej przez neutralne atomy wodoru i helu.
Zgodność teorii z obserwacjami jest wprost niezwykła. Rysunek 17 przedstawia „natężenie widma”, otrzymane z podniesienia do kwadratu różnic temperatury kosmicznego promieniowania tła, zmierzonych przez instrument satelity Planck. Podniesienie do kwadratu różnic temperatur oznacza, że chłodne obszary, gdzie temperatura spada poniżej średniej, przestają się różnić od gorących. Można zatem skupić się na absolutnej wielkości odstępstw od średniej temperatury na całym niebie.
RYSUNEK 17. Wielkość fluktuacji temperatury (mierzonych w mikrokelwinach kwadratowych), uzyskana na podstawie pomiarów kosmicznego promieniowania tła dokonanych przez satelitę Planck. Dane obserwacyjne zostały zilustrowane w postaci punktów wraz z dołączonymi przedziałami błędu, natomiast linia ciągła obrazuje przewidywane przez model Λ-CDM najlepsze dopasowanie.
Całe rozumowanie jest dość zawiłe, wystarczy jednak pamiętać, że oscylacje w tym widmie są bezpośrednim następstwem rozchodzenia się w plazmie fal dźwiękowych; zjawisko to zachodziło do chwili rekombinacji. Umiejscowienie tych oscylacji oraz ich tłumienie wraz ze skalą kątową jest bardzo wrażliwe na parametry modelu. Jednak charakterystyczny wygląd wykresu, z wyraźnym, pojedynczym maksimum, po którym następują dwa niemal jednakowej wysokości maksima oraz długi ogon z tłumionymi oscylacjami, da się dość wiernie opisać przez proste modele hydrodynamiczne, służące do opisu plazmy jako cieczy.
Krzywa najlepszego dopasowania wynika z modelu, w którym Wszechświat miał początek 13,8 miliarda lat temu i w którym ciemna energia stanowi 68,3 procent całkowitej masy/energii, natomiast ciemna materia dalsze 26,8 procent. Zwykła materia barionowa – czyli to, co do niedawna uważaliśmy za „Wszechświat” – to tylko 4,9 procent.
Widzialna materia unosi się na grzbiecie ciemnej materii niczym pianka na powierzchni porannego cappuccino. Odpychanie, wynikające z łagodnego przyspieszania ekspansji czasoprzestrzeni przez ciemną energię, i jednoczesne przyciąganie, generowane głównie przez ciemną materię, będą od tej pory kontynuować kształtowanie ewolucji Wszechświata po Erze Fotonowej.
38 Charakterystyczny czas rozpadu swobodnego neutronu został wyznaczony przez Particle Data Group – „czas życia” neutronu wynosi 880,0±0,9 sekundy. Jest to czas, po którym z początkowej liczby neutronów zostanie ich 1/e, gdzie e = 2,71828 jest podstawą algorytmu naturalnego. „Czas połowicznego rozpadu” to czas, po którym z początkowej liczby neutronów zostanie tylko połowa. Można wyliczyć tę wartość z czasu życia, mnożąc go przez ln(2) albo 0,69315. Uzyskuje się w ten sposób czas połowicznego rozpadu o wartości około 610 sekund.
39 Uczęszczałem na te zajęcia pod koniec lat sześćdziesiątych, jednak nasze podręczniki z całą pewnością były pisane w latach pięćdziesiątych XX wieku. Wiele zadań zaczynało się od zdania: „Człowiek wskakuje na stopień boczny jadącego samochodu...”.
40 Jeśli na początku pierwotnej nukleosyntezy było 88 protonów i 12 neutronów na każdą setkę nukleonów (protony i neutrony występowały mniej więcej w proporcji 7 do 1), to 12 neutronów mogło wejść w skład sześciu jąder 4He. Te sześć jąder 4He współtworzyło jeszcze 12 protonów, co znaczy, że 76 protonów zostaje wolnych. Jednak jądra 4He są czterokrotnie cięższe od pojedynczego protonu (przy założeniu, że masy neutronu i protonu są takie same – w rzeczywistości nieznacznie się różnią). Tak więc 76 procent procent masy stanowiły swobodne protony, przy 24 procent masy przypadającej na jądra 4He (ponieważ 6 × 4 = 24).
41 Książkę Pan Tompkins w krainie czarów opublikowano po raz pierwszy w 1940 roku. Cztery lata później, w 1944