8. Wszechświat rozszerza się

8. Wszechświat rozszerza się

Około 13,8 miliarda lat temu Wszechświat przeszedł okres gwałtownej ekspansji, zwanej kosmiczną inflacją. Teoria ta sugeruje, że w krótkim czasie po Wielkim Wybuchu Wszechświat rozszerzał się z niezwykłą szybkością, co doprowadziło do rozproszenia materii i energii. W czasie około 10-33 sekundy jego objętość zwiększyła się co najmniej 1078 razy.

Ciąg dalszy – pod reklamą.

Doświadczenia

Wykorzystanie technologii cyfrowej jest konieczne (a z PASCO – także łatwe).

Kodowanie

Naukę programowania najlepiej oprzeć o zjawiska obserwowane na co dzień.

STEM

Jak metodę STEM stosować w szkole wszędzie, nie tylko na informatyce?

PASCO w szkole

Obejrzyj krótkie filmiki przedstawiające różne aspekty nauczania w szkole.

Przyjmuje się, że w najwcześniejszym stadium rozwoju Wszechświat był wypełniony energią i materią o wielkiej gęstości, ogromnej temperaturze i ciśnieniu. Nie istniały atomy ani oddziaływania, a wszystko było jedną wielką symetrią (jak w teorii wielkiej unifikacji). Dopiero potem (to znaczy po 10-35 sekundy) wyodrębniły się oddziaływania silne, a następnie a elektromagnetyczne i słabe, a w dalszej kolejności kwarki zaczęły się łączyć w protony i neutrony.

Fakt, że Wszechświat cały czas się rozszerza (czyli musiał rozpocząć się od Wielkiego Wybuchu) jest potwierdzony obserwacyjnie. Wielki Wybuch pozostawił po sobie kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (CMB). Wyemitowana wtedy wiązka światła cały czas ulega „rozciąganiu” związanemu z rozszerzaniem się Wszechświata, czyli jej długość fali zwiększa się (warto pamiętać, że światło jest zarówno fala jak i cząsteczką). Dlatego coś, co kiedyś było światłem, dzisiaj jest już tylko promieniowaniem mikrofalowym. O jego istnieniu można się przekonać w starych antenowych telewizorach, obserwując „szumy” pojawiające się przy przestrajaniu się z jednego kanału na drugi.

Niejednorodność (ściślej: anizotropia) kosmicznego tła mikrofalowego (CMB) zaobserwowana przez satelitę Planck w misji Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Drobne wahania temperatury odpowiadają zalążkom wszystkich przyszłych struktur: dzisiejszych gwiazd i galaktyk.
Źródło: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2013/03/Planck_CMB (licencja CC BY 4.0).
Źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Redshift_blueshift.svg (licencja CC BY-SA 3.0)

Innym dowodem ekspansji Wszechświata jest tak zwane przesuniecie ku czerwieni. Każdy atom (także w odległych galaktykach) wysyła promieniowanie o ściśle określonej, charakterystycznej dla siebie, długości fali. Ale gdy źródło światła się porusza, występuje efekt Dopplera powodujący, że obserwator rejestruje falę o innej częstotliwości. Dla fal dźwiękowych łatwo to zaobserwować wsłuchując się w zmieniający się ton mijającej nas karetki na sygnale. Fakt, że długość fali światła dochodzącego do nas z odległych galaktyk jest przesunięta ku czerwieni w porównaniu z długością właściwą dla danego pierwiastka dowodzi, że wszystkie galaktyki oddalają się od nas.

Od roku 1929 zjawisko to znamy jako prawo Hubble’a (ściślej – prawo Hubble’a-Lemaître’a), wyrażające się wzorem:

To podstawowe prawo kosmologii, z którego wynika, że galaktyki oddalają się od nas (a także od dowolnej innej galaktyki) z prędkością (v) tym większą im dalej się znajdują (r). Stała Ho nosi nazwę stałej Hubble’a, a jej wartość jest wyznaczana obserwacyjnie, co pewien czas z coraz większą dokładnością. Trudno zrozumieć, jak to możliwe, że każda galaktyka oddala się od każdej, dopóki nie wyobrazimy sobie modelu rozszerzającego się Wszechświata jako balonu z kropkami, który cały czas jest nadmuchiwany.

Źródło: https://hubblesite.org/contents/articles/the-big-bang

Teoria Wielkiego Wybuchu nie wyjaśnia jednak wielu obserwowanych zjawisk. Na przykład, dlaczego wszystkie obszary Wszechświata mają niemal jednakową temperaturę, skoro niektóre nie mogły nigdy mieć ze sobą kontaktu (światło rozchodzi się bowiem ze skończoną prędkością)? Albo dlaczego nie ma monopoli magnetycznych, skoro przewiduje to teoria wielkiej unifikacji, która wydarzyła się na początku dziejów Wszechświata? I tu przydaje się właśnie teoria inflacji kosmicznej (niektórzy mówią: kosmologicznej). Tak szybka ekspansja tłumaczy bowiem obserwowane efekty, na przykład wyjaśnia wzajemny związek zbyt odległych dziś obszarów Wszechświata.

Kosmologia ma jednak spory kłopot z odtwarzaniem minionych wydarzeń. W skali kilku miliardów lat wszystko jest proste, ale gdy cofamy się do początków Wszechświata, zaczynają się problemy. Matematycznie – wszytko można obliczyć. Ale fizycznie Wszechświat zachowuje się inaczej, a co gorsza – często nie wiadomo jak. Dzisiaj nie mamy na przykład pewności, co było pierwsze: Wielki Wybuch czy inflacja kosmiczna. Nie wiemy też, co będzie potem – czy rozszerzający się Wszechświat zacznie się kiedyś kurczyć, czy może ekspansja będzie trwała w nieskończoność. Obecnie wydaje się, że nastąpi drugi scenariusz, ale to zależy, ile na prawdę jest materii we Wszechświecie. A tego dokładnie nie wiemy.

Jednak dużo więcej wiemy na temat inflacji pieniądza niż inflacji kosmicznej…

Udostępnij: