Prawda ostateczna. Jak odkryliśmy narodziny Wszechświata

Najważniejszą rzeczą w nauce jest to, że teoria kwantów zgadza się dokładnie z kosmologią opartą na ogólnej teorii względności. Dzieje się tak, pomimo że obie teorie powstawały całkowicie niezależnie i nikomu dotąd nie udało się ich zunifikować w grawitację kwantową.

Jednak fakt, że oddzielnie dają poprawne rozwiązania tego samego zagadnienia, mówi nam, iż całość fizyki jest z gruntu poprawna, a wraz z nią cała nauka. To wszystko działa.

Jak możemy się przekonać, że obie teorie są zgodne? Dzięki temu, że wiek Wszechświata obliczony przez kosmologów na 13,8 miliarda lat jest odrobinę większy niż wiek istniejących w nim gwiazd, obliczony przez astrofizyków. To tak ważne spostrzeżenie, że powinno się je obwieszczać całemu światu.

Jak czuliby się uczeni, gdyby było odwrotnie – gdyby gwiazdy okazały się starsze niż sam Wszechświat? Wskazywałoby to, że jedna z ich umiłowanych teorii, fizyka kwantowa albo ogólna teoria względności, musi być błędna.

John Gribbin to jeden z najwybitniejszych współczesnych pisarzy popularnonaukowych, autor bestsellerów, m.in. „W poszukiwaniu Multiświata”, „Podróż do granic Wszechświata”, „Dlaczego jesteśmy”, „Skąd się wziął kot Schrödingera” czy „Kubity i kot Schrödingera”. Słynie ze zdolności prostego wyjaśniania złożonych zagadnień. Twierdzi, że w twórczości pisarskiej stawia sobie za cel dzielenie się z czytelnikami swoim zachwytem nad osobliwościami Wszechświata. John Gribbin studiował astrofizykę w Cambridge.

Wstęp
Najważniejszy fakt

Wszechświat rozpoczął swe istnienie. Początek tego wszystkiego, co widzimy wokół siebie – gwiazd, planet, galaktyk, ludzi – można ustalić, cofając się do określonego momentu, od którego minęło 13,8 miliarda lat. Za naszego życia została udzielona odpowiedź na „ostateczne” pytanie, które filozofom, teologom i uczonym sprawiało kłopot przez tysiąclecia. Pół wieku trwało, poczynając od odkrycia kosmicznego promieniowania tła w połowie lat sześćdziesiątych, nim hipoteza o skończonym wieku Wszechświata od statusu prawdopodobnej – lecz równie prawdopodobnej co ta, że jest wieczny i nieskończony – stała się wreszcie faktem naukowym. Wiek Wszechświata został zmierzony z wyjątkową precyzją dzięki obserwacji kosmosu w misjach takich jak ta o kryptonimie Planck. Jednak w sprawozdaniach o tym tryumfie nauki często pomija się fakt, że jest jeszcze drugi etap misji. Istnienie tego drugiego etapu sprawia, że odkrycie początku Wszechświata tak przykuwa uwagę.
Najważniejszą rzeczą dotyczącą nauki jest to, że teoria mikroświata – teoria kwantów – zgadza się dokładnie z teorią makroświata – kosmologią opartą na ogólnej teorii względności. Dzieje się tak, pomimo że obie teorie powstawały całkowicie niezależnie i nikomu dotąd nie udało się ich zunifikować w jeden pakiet, grawitację kwantową. Natomiast fakt, że oddzielnie dają „właściwe” rozwiązania tego samego zagadnienia, mówi nam, iż całość fizyki jest z gruntu poprawna, a wraz z nią cała działalność naukowa. To wszystko działa. Ale co to za zagadnienie? Jak możemy się przekonać, że obie dają takie samo rozwiązanie? Dzięki temu, że wiek Wszechświata obliczony przez kosmologów na 13,8 miliarda lat jest odrobinę dłuższy niż wiek istniejących w nim gwiazd, obliczony przez astrofizyków. To tak ważne spostrzeżenie, że powinno się je obwieszczać całemu światu, a zamiast tego zostało przyjęte za pewnik. Mam zamiar przywrócić tu równowagę.
Ostatnie zdarzenia pokazały, w jaki sposób ta zgodność umknęła powszechnej uwagi. Zostałem sprowokowany do napisania tej książki, gdy w nagłówkach gazet latem 2013 roku znalazły się wiadomości o danych z obserwacji sondy Planck. Media trąbiły o tym, że „Wszechświat jest starszy, niż myśleliśmy”. Wywołało to gorzkie rozbawienie wśród kosmologów. Choć to prawda, dane te wskazują tylko, że szacowany wiek Wszechświata zwiększył się z 13,77 miliarda do na 13,82 miliarda lat, a ta różnica to mniej niż pół procent (później zredukowano to do 13,80 miliarda lat). Bardziej zdumiewające w tych danych jest jednak to, że znamy wiek Wszechświata z taką dokładnością. Pokolenie wstecz (nawet wtedy wiedzieliśmy, że Wszechświat miał początek) mogliśmy jedynie stwierdzić, że ma on od 10 do 20 miliardów lat. Precyzja nowych pomiarów to tylko połowa tego niezmiernie ważnego faktu, jeśli chodzi o fizykę, na której skupia się moja książka, jak i szerszy kontekst myśli ludzkiej. Rozważanie filozoficznych i teologicznych implikacji tego odkrycia pozostawiam innym.
Wiek najstarszych gwiazd wskazuje na to, że są odrobinę młodsze od Wszechświata. To nie robi wrażenia, ale wyobraźcie sobie, jak czuliby się uczeni, gdyby było odwrotnie – gdyby gwiazdy okazały się starsze niż sam Wszechświat! Wskazywałoby to, że jedna z ich umiłowanych teorii, fizyka kwantowa albo ogólna teoria względności, musi być błędna.
W istocie nie musimy się martwić tym, co czuliby uczeni, gdyby gwiazdy okazały się starsze od Wszechświata. Konsensus, jaki dopiero opisałem, pojawił się pod koniec drugiej wojny światowej, co przypadkowo oznacza, że nastąpiło to za mojego życia. A ja byłem nie tylko członkiem jednego z zespołów badających wiek Wszechświata, ale także znałem osobiście wielu ludzi mających związek z tymi wydarzeniami.
Gdy byłem dzieckiem, astronomowie istotnie zorientowali się, że według ich oszacowań pierwsze gwiazdy powstały przed Wszechświatem. Była to jedna z podstaw modelu „stanu stacjonarnego”, według którego Wszechświat jest nieskończony w czasie i przestrzeni oraz w istocie niezmienny. Gdy wytłumaczę doniosłość rezultatów misji Planck oraz to, jak jawna sprzeczność z lat czterdziestych XX wieku teraz okazała się zgodną opinią, stanie się jasne, jak wielkie znaczenie ma ów konsensus. Cofnę się do „prehistorii” kosmologii i astrofizyki, do odkryć wieku XIX, które doprowadziły nas do zrozumienia natury gwiazd i Wszechświata, co stanie się zapowiedzią najważniejszego faktu.
John Gribbin
1 czerwca 2015 roku

Prolog

2,712
Wyznaczenie temperatury Wszechświata

Pół wieku temu, w 1965 roku, amerykańscy astronomowie Arno Penzias i Robert Wilson ogłosili, że przypadkiem odkryli w zakresie radiowym słaby szum fal elektromagnetycznych pochodzący z całej otaczającej nas przestrzeni. Chociaż wówczas nie byli świadomi tego, że więcej niż dekadę wcześniej George Gamow i jego współpracownicy przewidzieli w modelu Wszechświata zwanym Wielkim Wybuchem takie „kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła”. Co dziwniejsze, Penzias i Wilson nie byli świadomi tego, że w 1965 roku inna grupa astronomów, kierowana przez Jima Peeblesa, wpadła także na taki pomysł (też nie wiedząc o pracy Gamowa i współpracowników) i budowała urządzenie do detekcji promieniowania. Gdy wiadomość o odkryciu dotarła do Peeblesa, ten szybko zorientował się, że to dowód na istnienie Wielkiego Wybuchu, lecz Penzias i Wilson w swej publikacji rozmyślnie powstrzymali się od takiego stwierdzenia, ponieważ faworyzowali konkurencyjny model wszechświata stacjonarnego. Pomimo to publikacja ta wyznacza moment, gdy idea Wielkiego Wybuchu stała się głównym paradygmatem kosmologii. Temperatura promieniowania tła wyznaczona obecnie na 2,712 K albo –270,288ºC, wskazuje, jak „na początku” gorący był Wszechświat, i stanowi przekonujący dowód na to, że początek jednak był.
Penzias i Wilson nie mieli pojęcia, jak ważne było ich odkrycie. W należących do American Telephone and Telegraph Company (AT&T) Laboratoriach Bella za pomocą specjalnie zaprojektowanej anteny zajmowali się badaniem globalnej komunikacji satelitarnej. Antena znajdowała się w Crawford Hill w New Jersey i dzięki mądrej polityce kierownictwa AT&T naukowcy z Laboratoriów Bella mogli dokonywać pomiarów ściśle naukowych jednocześnie z prowadzeniem badań nad telekomunikacją.
Laboratoria Bell Telephone powstały 1 stycznia 1925 roku jako filia naukowa AT&T. Już dwa lata później dwaj pracujący w nich naukowcy, Clinton Davisson i jego asystent Lester Germer, potwierdzili falową naturę elektronu, dla fizyki kwantowej kluczowy fakt. W rezultacie Davisson został w 1937 roku pierwszym naukowcem z tej instytucji, który otrzymał Nagrodę Nobla. I nie będzie ostatnim. To tu został wynaleziony tranzystor, za który John Bardeen, William Shockley i Walter Brattain otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla w 1956 roku. We wczesnych latach sześćdziesiątych Laboratoria Bella zdobyły szerokie uznanie za wybitne wyniki naukowe i dlatego wielu młodych naukowców było bardzo zainteresowanych pracą tutaj. Jednym z tych młodych naukowców był Arno Penzias. Urodził się w żydowskiej rodzinie w Monachium 23 kwietnia 1933 roku, tego samego dnia, w którym powstało gestapo. Jego ojciec był polskim Żydem (ale urodzonym w Niemczech), a matka Niemką. Był najstarszym dzieckiem w zamożnej rodzinie z klasy średniej. Burzliwe wydarzenia lat trzydziestych w Niemczech omijały go aż do 1938 roku, gdy naziści zaczęli przeprowadzać obławy na Żydów nieposiadających niemieckiego obywatelstwa i odsyłać ich do Polski. Polskie władze zaś, niechętne wobec Żydów, zamknęły granicę dla tego exodusu 1 listopada 1938 roku. Pociąg, którym podróżowała rodzina Penziasów, dotarł do granicy kilka godzin później i dlatego zostali odesłani z powrotem do Monachium, gdzie ojcu Arna dano sześć miesięcy na wyjazd z rodziną z Niemiec, w przeciwnym razie spotkają go poważne konsekwencje. Mając sześć lat, Arno musiał zaopiekować się swym młodszym bratem, gdy obaj zostali wysłani pociągiem do Anglii. Rodzice trochę później dostali wizy i uciekli przed wybuchem wojny. Pan Penzias był tak dalece przewidujący, że wiele miesięcy przedtem wykupił bilety do Nowego Jorku, rodzina więc wsiadła na pokład statku pasażerskiego w grudniu 1939 roku, spędzając Boże Narodzenie i Nowy Rok na jego pokładzie.
Chociaż pod względem finansowym życie uchodźcy w Ameryce było znacznie cięższe niż w Niemczech, to, jak wskazał sam Penzias w nocie autobiograficznej dla komitetu Nagrody Nobla: „było pewne, że będę studiować nauki ścisłe na studiach wyższych”. Jedynym możliwym wyborem był City College of New York, gdzie Arno spotkał swą przyszłą żonę, Anne. Gdy rodzina przybyła do Nowego Jorku, dzieci przyjęły imiona amerykańskie: Arno stał się Allenem, a jego brat Günter Jimem. Ponieważ Anne znała już jakiegoś Ala, zaczęła nazywać swego narzeczonego Arno, aby uniknąć pomyłki. Tak odzyskał z powrotem swe imię i począł podpisywać się jako Arno A. Penzias. Arno i Anna pobrali się w 1954 roku, gdy on ukończył studia w City College. Po spędzeniu dwóch lat w Korpusie Łączności Armii USA Arno przeniósł się na Uniwersytet Kolumbii, gdzie pod kierunkiem Charlesa Townesa, laureata Nagrody Nobla w 1964 roku za badania nad maserami i laserami, w 1961 roku przygotował i obronił dysertację doktorską. Townes pracował w Laboratoriach Bella od 1939 do 1947 roku. I to właśnie on zarekomendował w 1961 roku Penziasa. Penzias zamierzał w dłuższej perspektywie zajmować się radioastronomią i planował wykorzystywać do pomiarów antenę tubową usytuowaną w Crawford Hill, ale w tym czasie była ona zarezerwowana do łączności z satelitami, głównie Telstarem (zaprojektowanym w Laboratoriach Bella i przygotowywanym do wystrzelenia w 1962 roku), dlatego początkowo zajął się innym projektem naukowym. Okazało się wkrótce, że antena tubowa nie jest wcale potrzebna do łączności z Telstarem i została przekazana do użytku radioastronomów w tym samym czasie, gdy drugi radioastronom, Robert Wilson, dołączył do Penziasa. Współpracę naukową obaj nawiązali na początku 1963 roku.
Wilson był trochę młodszy od Penziasa. Urodził się w Houston w Teksasie 10 stycznia 1936 roku. Jego ojciec pracował w przemyśle naftowym, przy wydobyciu, ale jego hobby była radioelektronika, co spowodowało, że Robert w dzieciństwie zdobył podstawowe wiadomości z elektroniki. Przeszedł cały cykl nauki szkolnej jako uczeń dobry, ale nie wybitny, a potem w 1953 roku wstąpił na Uniwersytet Rice’a, „osiągnąwszy zaledwie minimum wymagane do przyjęcia”, jak podał w autobiografii dla komitetu Nagrody Nobla. Z przyjemnością uczęszczał na wykłady i „w radosnym uniesieniu osiągał sukcesy”, co spowodowało, że studia ukończył z wyróżnieniem. W 1957 roku przeniósł się do Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (Caltech), aby zrobić doktorat z fizyki, lecz nie miał pomysłu, co chce badać. Tam trafił na wykłady Freda Hoyle’a z kosmologii, co spowodowało, że stał się entuzjastą modelu wszechświata stacjonarnego (więcej o nim później), ale co ważniejsze, skorzystał z sugestii Davida Dewhirsta (tak jak Hoyle profesora z Cambridge), aby zająć się radioastronomią. Zanim to uczynił, powrócił latem 1958 roku do Houston, gdzie ożenił się z Elizabeth Sawin.
Projekt naukowy Wilsona obejmował stworzenie radiomapy Drogi Mlecznej za pomocą nowo zbudowanego radioteleskopu w obserwatorium radiowym w Owens Valley. Praca ta była idealnym dla niego połączeniem elektroniki z fizyką. Dysertację ukończył w 1962 roku. Początkowo promotorem Wilsona był John Bolton, Australijczyk, który odegrał główną rolę przy budowie radioteleskopu, a kiedy Bolton powrócił do Australii, promotorem został Maarten Schmidt. Podczas pracy nad dysertacją Wilsonowi „spodobały się Laboratoria Bella” ze względu na wyprodukowaną w nich parę wzmacniaczy maserowych używanych w radioteleskopie w Owens Valley, a także ze względu na antenę tubową. Dołączył do zespołu z Crawford Hill w 1963 roku. Bardziej sensownym wyborem niż badania samodzielne wydała mu się praca nad wspólnym projektem razem z Arno Penziasem, jedynym radioastronomem w zespole. Współpraca wiązała się z wyrzeczeniami, gdy bowiem cięcia spowodowały ograniczenie finansowania radioastronomii w Crawford Hill do jednego pełnego etatu naukowego, obaj zgodzili się podzielić go na pół etatu dla radioastronomii i pół dla bardziej bezpośrednich praktycznych zastosowań. Działo się to jednak już po odkryciu, za które zdobyli Nagrodę Nobla.
Kształt anteny tubowej ma za zadanie minimalizować zakłócenia pochodzące z Ziemi i zapewnić najlepszy pomiar natężenia szumu w zakresie radiowym (podobnie jak światło, jest to część spektrum fal elektromagnetycznych) przychodzącego z różnych kierunków w przestrzeni. Pierwotnie chodziło o sztuczne satelity Ziemi, ale potem także i szum w zakresie fal radiowych pochodzący od takich obiektów jak gwiazdy i mgławice gazowe. Natężenie szumu radiowego wyraża się w jednostkach temperatury i ma to związek z temperaturą promieniowania ciała doskonale czarnego. Obiekty doskonale pochłaniające fale elektromagnetyczne (stąd czarne) są także, gdy się je podgrzeje, doskonałymi emiterami promieniowania (zob. rozdział 1) i stąd pojawiło się to przeczące intuicji określenie promieniującego obiektu. Własności promieniowania takiego obiektu zależą ściśle od jego temperatury.
Naukowcy mierzą temperaturę w kelwinach, oznaczanych K (bez znaku stopnia, o). Jeden stopień Celsjusza odpowiada jednemu kelwinowi, ale obie skale są tak przesunięte względem siebie, że 0 kelwinów, najniższa możliwa temperatura, odpowiada –273,15 stopnia Celsjusza. Temperatura Ziemi w przybliżeniu wynosi 300 K. Znakomita konstrukcja anteny tubowej pozwala na zredukowanie wpływu powierzchni Ziemi na radioteleskop do około 0,05 K. Aby należycie przedstawić zalety anteny, trzeba podkreślić, że Penzias i Wilson, zanim zaczęli obserwacje astronomiczne, zamierzali zbudować odbiornik, elektroniczną końcówkę teleskopu (radiometr), który byłby równie lub przynajmniej możliwie jak najbardziej czuły. Wzmacniacze użyte w odbiorniku (podobne do tych, jakie Wilson stosował w Kalifornii) były chłodzone do temperatury 4,2 K za pomocą ciekłego helu i Penzias opracował „zimne obciążenie”, chłodzone ciekłym helem w temperaturze około 5 K, do kalibracji układu. Przełączając antenę z obserwacji zimnego obciążenia na obserwację nieba, badacze mogli mierzyć pozorną temperaturę Wszechświata (szacowaną na zero K), a potem uwzględniać w pomiarze znane czynniki, takie jak zakłócenia z atmosfery znajdującej się nad radiometrem. To, co pozostawało, jak myśleli, byłoby szumem własnym anteny, który jakoś mogliby wyeliminować (choćby za pomocą jej polerowania). Oczywiście mieli nadzieję, że nie pozostaną żadne szumy resztkowe, że teleskop nie będzie miał wad ukrytych i że będą mogli czegoś dokonać w radioastronomii.