Era Plancka, stożek świetlny i obserwowany ułamek Wszechświata

Pytanie

Pyta Grażyna

Od razu: jestem kompletnym laikiem — to apel o możliwie łopatologiczne odpowiedzi, co wiem, że dla fachowca trudne :). Jeśli era Plancka byłaby bezczasowa, a to przecież poważne przypuszczenie, to jak może ona trwać określony czas? Nawet tak minimalny. Nie rozumiem (było w jednym z wykładów jako coś oczywistego) dlaczego jesteśmy w stanie poznać tylko ułamek Wszechświata. Tam było, że widzimy tylko stożek, bo tak biegnie światło, podobnie jak widzimy oczami. Ale jak się lekko odwrócę, to już widzę następny kawałek. No i gdyby tak umieścić teleskopy wokół Ziemi w odpowiednich odstępach, to nie widzielibyśmy całości?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Piotr Sułkowski

Za tzw. erę Plancka uznaje się pierwszy niezwykle krótki okres istnienia Wszechświata, który (wg naszej obecnej wiedzy) trwał ok. $10^{-43}$ sekundy (tzn. 10 do potęgi -43, czyli liczbę postaci 0,00…..001, gdzie jedynka po przecinku pojawia się na 43. miejscu). Co się działo od tego mniej więcej momentu jesteśmy w stanie jakoś wydedukować z różnych obserwacji astronomicznych i jest to zgodne z różnymi teoriami które znamy (teorią cząstek elementarnych, ogólną teorią względności, etc.). Natomiast nie wiemy co mogło się dziać przez ten pierwszy ułamek sekundy i żadna obecnie znana i potwierdzona doświadczalnie teoria tego nie jest w stanie opisać. Natomiast przytoczone określenie, że era Plancka miałaby być „bezczasowa”, pojawiło się zapewne podczas wykładu prof. Hellera, w podobnym kontekście jak np. na dole strony w takim artykule (który oczywiście warto przeczytać w całości) także jego autorstwa.

Ułamek Wszechświata jesteśmy w stanie poznać dlatego, że nic — w tym światło — nie może poruszać się szybciej niż ok. 300000 km/s (czyli właśnie prędkość światła). Wiemy skądinąd, że Wszechświat istnieje ok. 14 miliardów lat — zatem z naszego punktu widzenia możemy analizować tylko to światło, które w czasie tych co najwyżej 14 miliardów lat zdążyłoby do nas dolecieć. Odległość którą światło pokonuje w ciągu jednego roku nazywana jest rokiem świetlnym — zatem odległość, którą światło może pokonać w ciągu 14 miliardów lat, to 14 miliardów lat świetlnych. Jeśli jakiś obiekt znajdowałby się dalej niż ta odległość, to w dotychczasowym czasie istnienia Wszechświata po prostu światło od niego nie zdążyłoby jeszcze do nas dotrzeć, więc nie bylibyśmy się w stanie w żaden sposób go dojrzeć. W tym sensie możemy obserwować tylko kawałek Wszechświata i z tego też powodu nie wiemy (i można mniemać, że nigdy się nie dowiemy), co może się znajdować dalej niż 14 miliardów lat świetlnych od nas.

Wspomniany w pytaniu stożek odnosi się do tzw. stożka świetlnego, który graficznie reprezentuje fakt rozchodzenia się światła ze skończoną prędkością. Nie jest to zatem stożek tylko „przestrzenny” (w takim sensie, w jakim w przestrzeni np. trójwymiarowej wyobrażamy sobie bryły geometryczne), lecz istnieje on w czasoprzestrzeni, tzn. przestrzeni uwzględniającej przestrzeń oraz czas. Więcej szczegółów na ten temat (w tym ilustrację stożka świetlnego) znaleźć można tutaj. Jeśli  wierzchołek takiego stożka oznacza punkt (w przestrzeni i czasie) w którym emitowane jest światło (punkt A na rysunku stożka świetlnego w tym odnośniku), to nie jest możliwa obserwacja tego zjawiska (czyli emisji światła) w punktach znajdujących się na zewnątrz tego stożka (np. w punkcie C). W tym sensie stożka świetlnego można użyć do ilustracji, które zjawiska mogą być z sobą połączone w sposób przyczynowo-skutkowy, a które nie.