Jakim czasem mierzymy wiek Wszechświata?

Pytanie

Pyta Andrzej

Gdy mówimy, że wiek Wszechświata wynosi ok. 13,8 mld lat, to jakim pojęciem czasu posługujemy się? Czy pojęciem czasu kosmicznego, związanym z OTW, czy w sensie STW, w którym układem odniesienia jest Słońce, czy w jeszcze jakimś innym?

Odpowiedź

Odpowiada Andrzej Okołów

Wiek Wszechświata jest pojęciem, które definiujemy zazwyczaj w oparciu o tzw. jednorodne i izotropowe modele wszechświata. Modele te zakładają, że czterowymiarową czasoprzestrzeń utworzoną ze wszystkich zdarzeń składających się na cały Wszechświat można przedstawić jako zbiór trójwymiarowych jednorodnych i izotropowych przestrzeni — jednorodność oznacza tu, że warunki fizyczne w dowolnych dwóch punktach należących do takiej przestrzeni są jednakowe, a izotropowość oznacza, że w każdym punkcie takiej przestrzeni warunki fizyczne nie wyróżniają żadnego kierunku. W szczegółności oznacza to, że rozkład materii wypełniającej taką przestrzeń nie wyróżnia ani punktów ani kierunków.

Modele jednorodnego i izotropowego wszechświata mają jedna wspólną cechę: otóż w tych modelach Wszechświat ma swój początek zwany Wielkim Wybuchem. A skoro tak, to pojawia się pytanie, jak określić czas, który upłynął od Wielkiego Wybuchu do ustalonego zdarzenia $Z$, czyli jaki jest wiek Wszechświata w momencie zachodzenia tego zdarzenia.

Naturalna odpowiedź na to pytanie polega na wprowadzeniu hipotetycznego obserwatora, którego linia świata rozpoczyna się w Wielkim Wybuchu i przechodzi przez zdarzenie $Z$ i który niezmiennie pozostaje w spoczynku względem tej części materii wypełniającej Wszechświat, która znajduje się w jego najbliższym otoczeniu. Upływ czasu pomiędzy Wielkim Wybuchem a zdarzeniem $Z$ zmierzony przez zegar tego obserwatora jest z definicji wiekiem Wszechświata w momencie zachodzenia zdarzenia $Z$.

Zakładając, że rzeczywisty Wszechświat jest z dobrym przybliżeniem jednorodny i izotropowy można próbować wyznaczyć jego wiek w sensie określonym powyżej. Oczywiście tak rozumiany wiek Wszechświata nie jest wielkością bezpośrednio mierzalną, ale w jednorodnych i izotropowych modelach istnieje zależność pomiędzy wiekiem Wszechświata a wielkościami, które można oszacować na podstawie obserwacji astronomicznych, co pozwala na określenie tego wieku.

Jako uzupełnienie tej odpowiedzi warto przeczytać odpowiedzi na pytania „Jak obliczyć wiek wszechswiata?” oraz „Wiek wszechświata a teoria względności”.