Strona głównaPytania → Czy Wszechświat się rozszerza i...

Czy Wszechświat się rozszerza i skąd o tym wiemy?

Pytanie

Pyta Adam B.

Moje pytanie wiąże się m.in. z odpowiedzią na pytanie „Światło z Wielkiego Wybuchu?”. W odpowiedzi na to pytanie znajdujemy stwierdzenie: „długość fali znacznie się wydłużyła ze względu na rozszerzanie się przestrzeni”. Ja jednak nie rozumiem dlaczego długość fali nie jest po prostu większa za przyczyną efektu Dopplera. Gdybyśmy np. ustawili się w centrum po supernowej i spojrzeli na oddalająca się od nas, odrzuconą przez wybuch, otoczkę gazową, która posiadając nadal wysoką temperaturę emitowałaby światło również w naszym kierunku, to przecież przy bardzo dużej prędkości oddalania się, widmo światła tej otoczki będzie przesunięte w kierunku czerwieni. Proces ten nie ma nic z rozszerzaniem się przestrzeni. Dlaczego mikrofalowego promieniowania tła nie interpretuje się podobnie, tj. jako powstałego z oddalającej się materii przed powstaniem z niej galaktyk. Wiadomo, że najdalsze obserwowalne galaktyki są odległe ok. 13,5 mld lat świetlnych, za nimi powinny być np. galaktyki, które jeszcze nie zapaliły gwiazd (i są praktycznie niewidoczne), a jeszcze dalej luźna jednolita bardzo gorąca materia po rekombinacji, uciekająca prawie z prędkością światła. Oczywiste jest tu też, że przy takiej interpretacji wiek Wszechświata należałoby może pomnożyć razy 2 lub więcej, bo przesunięcie od światła widzialnego do mikrofal jest bardzo duże. No i oczywiste pozostaje tu problem jednorodności Wielkiego Wybuchu i tego, że wtedy my musielibyśmy znajdować się w pępku takiego Wszechświata lub co najmniej jego pobliżu. Moim zdaniem, pomimo rejestrowanego mikrofalowego promieniowania reliktowego, teoria Wielkiego Wybuchu bardziej przypomina legendę niż można by uznać ją za prawdę, zwłaszcza wobec „bajek” o osobliwości pierwotnej lub inflacji kosmologicznej.

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Wspomniane pytanie „Światło z Wielkiego Wybuchu?” znajduje się tutaj.

1. Sugeruję zrezygnowanie z założenia o tym, że jesteśmy w „pępku świata” do momentu przedstawienia przez postulującego odpowiednich rozwiązań równań ogólnej teorii względności (OTW), lub przedstawienia teorii alternatywnej, umożliwiającej wykonywanie równie dokładnych przewidywań ilościowych, równie dobrze zgadzających się z obserwacjami astronomicznymi (w tym obserwacjami fal grawitacyjnych). Pisaliśmy o tym też tutaj.

2. Gdy zrezygnujemy z „hipotezy pępka”, to dochodzimy do wniosku, że szczegółowe badania promieniowania reliktowego świadczą jednoznacznie o tym, że około 13.8 miliarda lat temu, w momencie rekombinacji, Wszechświat wypełniony był praktycznie jednorodnie gorącą materią. Średnia gęstość materii barionowej była wtedy rzędu miliarda nukleonów na metr sześcienny, a obecnie wynosi poniżej jednego nukleonu na metr sześcienny.

3. Stosunkowo prosta struktura Wszechświata w momencie rekombinacji umożliwia nam ilościowy opis jego własności w okresie poprzedzającym rekombinację, przy wykorzystaniu dobrze zweryfikowanych praw fizyki. Rozwiązując równania różniczkowe „do tyłu w czasie” dochodzimy w końcu do tak dużych temperatur i gęstości, że znane nam (zweryfikowane) teorie fizyczne przestają być stosowalne. Gdybyśmy zignorowali ten fakt, i nadal stosowali te same równania, to w ciągu ułamka sekundy doszlibyśmy do osobliwości. Nie oznacza to wcale, że osobliwość pierwotna kiedykolwiek istniała. Niezależnie od tego, sam fakt, że Wszechświat był w pewnym momencie bardzo gęsty i bardzo gorący, wystarcza do nazwania opisującej go teorii modelem Wielkiego Wybuchu.

4. Kwestię inflacji kosmologicznej potraktujmy jako jedną hipotez, choć całkiem dobrze pasującą do danych obserwacyjnych, i dość naturalnie wpisującą się w zjawiska, których mogą dostarczać nam pola przyjmujące niezerowe próżniowe wartości oczekiwane, takie jak pole Higgsa.

5. Wróćmy do momentu rekombinacji. W tym momencie Wszechświat wypełniony był jednorodnie promieniowaniem termicznym o temperaturze kilku tysięcy kelwinów. Obecnie wypełniony jest jednorodnie promieniowaniem termicznym (reliktowym) o temperaturze około 2.7 kelwina. To oznacza, że długość fali każdego z fotonów wydłużyła się około 1000-krotnie. Tego rzędu wydłużenie przewidują równania OTW nawet w sytuacji, gdyby Wszechświat wypełniony był wyłącznie promieniowaniem, i nic od niczego nie oddalałoby się. Rozszerzanie się Wszechświata wywołało wzrost długości/odległości o czynnik rzędu 1000, a zatem objętość wzrosła o czynnik rzędu $1000^3 = 10^9$. Z tego właśnie wynika zmniejszenie średniej gęstości nukleonów opisane w punkcie 2.

6. Przesunięcie ku czerwieni linii widmowych odległych galaktyk najprościej jest opisywać w ramach tego samego zjawiska — zwiększania się długości fal fotonowych na skutek rozszerzania się Wszechświata. Ten opis otrzymujemy stosując w równaniach OTW taki układ współrzędnych, w którym żaden punkt Wszechświata nie jest wyróżniony. OTW dopuszcza jednak stosowanie dowolnych układów współrzędnych, również takich, w których pewne punkty są wyróżnione, np. położenie Ziemi. Przy takim (bardziej skomplikowanym) opisie, ilościowe wyznaczenie przesunięcia ku czerwieni wymagałoby uwzględnienia efektu Dopplera, o którym była mowa w postawionym pytaniu. Uwzględniając efekt Dopplera, nadal jednak nie moglibyśmy zapomnieć o efektach wydłużenia fali świetlnej na skutek rozszerzania się Wszechświata.