Początek. Jim Baggott
Читать онлайн книгу.
przeze mnie podtytuł tego rozdziału jest zapewne mylący. Fotony istniały we Wszechświecie niemal od samego początku, rzecz jasna, tak więc ten moment rekombinacji43 trudno uznać za sygnał dający początek elementarnym cząstkom światła. Jednak teraz fotony zostały uwolnione z więzów materii i będą trwać całą wieczność, swobodnie przemierzając Wszechświat w sposób, w jaki światło dociera do nas ze Słońca. Może moment ten nie wyznacza początku istnienia cząstek światła, ale z pewnością symbolizuje początek zjawiska światła takim, jakie je znamy.
I jest to najstarsze światło w całym Wszechświecie.
Wszechświat staje się teraz przezroczysty, zalewany przez światło uwolnione przez rekombinację. Część tego światła leży w zakresie widzialnym, choć, oczywiście, nie ma nikogo, kto mógłby je zobaczyć. Jego widmo rozciąga się w bardzo szerokim zakresie częstotliwości lub długości fal, notując maksymalne natężenie w podczerwieni. Wszechświat dosłownie skąpany jest w ciepłym blasku, „pobrzasku” aktu stworzenia.
Światło przestaje odgrywać jakąkolwiek rolę, po prostu coraz bardziej stygnie, unoszone dalej przez rozszerzającą się czasoprzestrzeń. Jednak w jego własnościach zamknięte są wskazówki dotyczące okoliczności jego powstania. Jak cząstki ciemnej materii i neutrina, światło to jest niemym świadkiem bardziej burzliwych czasów we wczesnej historii Wszechświata. Jednakże, w przeciwieństwie do cząstek ciemnej materii i neutrin, pewnego dnia głos tego świadka będziemy w stanie usłyszeć.
MIKROFALOWE PROMIENIOWANIE TŁA
Alpher popadł we frustrację, ponieważ opracowany przez niego i Gamowa model pierwotnej nukleosyntezy nie przewidywał wytworzenia żadnych pierwiastków cięższych od helu. Tymczasem Gamow posunął badania teoretyczne do przodu, skupiając się na innych aspektach fizyki okresu zaraz po Wielkim Wybuchu. Latem 1948 roku wysłał Alpherowi rękopis artykułu, który niedawno złożył w redakcji brytyjskiego pisma „Nature”. Praca dotyczyła problemu gęstości materii i promieniowania w chwili rekombinacji.
Gamow spędził letnie miesiące w Los Alamos, pracując w amerykańskim ośrodku badań jądrowych. Kiedy Alpher i jego kolega, Robert Herman44, zdali sobie sprawę, że obliczenia Gamowa zawierają poważne błędy, czym prędzej poinformowali go o tym w telegramie. Gamow uznał, że już za późno, aby wycofać artykuł. Zamiast tego nalegał, aby Alpher i Herman złożyli w redakcji notę korygującą jego błędy, która zostałaby opublikowana w następnym numerze.
Alpher i Herman zdecydowali się wykorzystać nadarzającą się okazję, aby zrobić coś więcej niż zwykłe sprostowanie. W krótkim artykule wysunęli tezę, iż promieniowanie uwolnione w chwili rekombinacji mogło przetrwać do dnia dzisiejszego w formie kosmicznego „promieniowania tła”, przenikającego Wszechświat i wypełniającego całą przestrzeń. Należało się spodziewać, że będzie ono miało charakterystykę tak zwanego ciała doskonale czarnego.
Jeśli ogrzejemy dowolne ciało do wysokiej temperatury, zyska ono energię i będzie emitować światło. Zwykliśmy używać zwrotów: ciało „rozgrzane do czerwoności” albo „rozżarzone do białości”. Wraz ze wzrostem temperatury obiektu rośnie natężenie emitowanego przezeń światła i następuje przesunięcie maksimum krzywej blasku ku wyższym częstotliwościom (krótszej długości fali). W miarę rozgrzewania ciało najpierw jaśnieje czerwonym blaskiem, potem pomarańczowożółtym, później jasnoniebieskim, a następnie jaskrawobiałym.
„Ciało doskonale czarne” jest czysto teoretycznym obiektem, który w ogóle nie odbija światła (co znaczy, że jest całkowicie czarny), pochłaniającym i emitującym promieniowanie świetlne bez faworyzowania jakiejkolwiek szczególnej długości fali. Natężenie promieniowania ciała doskonale czarnego jest więc bezpośrednio związane z ilością zgromadzonej w nim energii, gdy znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej z otoczeniem. To właśnie badania promieniowania ciała doskonale czarnego w 1900 roku pozwoliły Planckowi odkryć coś, co później zostanie nazwane przez Einsteina „kwantami światła”, czyli fotonami.
Alpher i Herman postawili tezę, że jeśli plazma złożona z jąder atomów, elektronów i fotonów, zgodnie z oczekiwaniami, aż do momentu rekombinacji pozostawała w równowadze termodynamicznej, to promieniowanie wyemitowane w tej chwili powinien opisywać rozkład długości fal charakterystyczny dla ciała doskonale czarnego o temperaturze 3000 kelwinów (rysunek II na wkładce). Po uwolnieniu od materii, w miarę ekspansji Wszechświata, kosmiczne promieniowanie tła powinno stygnąć. Alpher i Herman oszacowali, że dzisiaj promieniowanie to miałoby średnią temperaturę zaledwie 5 stopni powyżej zera bezwzględnego, czyli 5 kelwinów. Choć nie stwierdzili tego w swojej pracy, promieniowanie ciała doskonale czarnego o temperaturze 5 kelwinów charakteryzowałby rozkład natężenia w zależności od długości fali z maksimum w zakresie promieniowania mikrofalowego i podczerwieni45.
Był to nieoczekiwany wniosek, wysnuta z teoretycznych rozważań prognoza, która mogła pojawić się wyłącznie na gruncie kosmologii przyjmującej za punkt wyjścia gorący Wielki Wybuch. Dowód na to, że nasz Wszechświat miał swój początek w ognistej kuli Wielkiego Wybuchu, powinien znajdować się wszędzie wokół nas, pod postacią niewidzialnego, a mimo to możliwego do wykrycia promieniowania mikrofalowego.
Wydaje się, że prognoza ta została w dużej mierze zignorowana. Kosmologia nie stała się jeszcze poważną dziedziną nauki, w najlepsze trwały spory wokół wyników obserwacji astronomicznych, z których wynikało, że Wszechświat jest – jakkolwiek absurdalnie by to zabrzmiało – młodszy od Ziemi, i były jeszcze inne teorie, które obchodziły się bez Wielkiego Wybuchu. Alpher i Herman zastanawiali się też później, czy swojej roli przypadkiem nie odegrało to, że Gamow miał reputację żartownisia. Steven Weinberg zawarł swoje refleksje w tej sprawie w książce popularnonaukowej Pierwsze trzy minuty. Znakomicie podsumował sytuację słowami46:
Tak właśnie bywa w fizyce – błędy nasze nie polegają na tym, że zbyt poważnie traktujemy własne teorie, ale na tym, iż nie traktujemy ich wystarczająco poważnie.
Niezależnie od powodów, nawet biorąc pod uwagę fakt, że technologia potrzebna do odkrycia mikrofalowego promieniowania tła raczej nie była dostępna w latach pięćdziesiątych XX wieku, nie odnotowano wielkiego zainteresowania rozpoczęciem systematycznych poszukiwań.
Tak więc kiedy latem 1964 roku fizyk z Uniwersytetu Princeton, Robert Dicke, wysunął sugestię: „Czy nie byłoby zabawnie, gdyby ktoś zajął się szukaniem tego promieniowania?”, wcześniejsza prognoza Alphera i Hermana poszła w dużej mierze w zapomnienie. Dicke niezależnie odkrył możliwość istnienia kosmicznego promieniowania tła i powierzył dwóm młodym radioastronomom, Peterowi Rollowi i Davidowi Wilkinsonowi, zadanie znalezienia sposobu jego wykrycia. Zwrócił się też do Jima Peeblesa, młodego teoretyka z Manitoby, słowami: „Może zastanowiłbyś się nad implikacjami teoretycznymi?”47.
Peebles wrócił do domu i przemyślał sprawę. Ponownie opracował wersję modelu Wielkiego Wybuchu, którą Gamow, Alpher i Herman rozwinęli i wykorzystali do prognozowania istnienia kosmicznego promieniowania tła o temperaturze około 10 kelwinów. Kiedy jednak złożył pracę do druku, redakcja pisma odmówiła publikacji z uzasadnieniem, że zagadnienie zostało już wyczerpująco opisane kilka lat wcześniej przez Alphera, Hermana i Gamowa. Dla Peeblesa to niespodzianka.
Niecałe pięćdziesiąt kilometrów dalej, w ośrodku badawczym Laboratoriów Bella w Holmdel w stanie New Jersey, radioastronomowie Arno Penzias i Robert Wilson głowili się, co może być źródłem dość dokuczliwej interferencji