I. Jak powstaje model Wszechświata
Czytałem kiedyś o lekarzu w starożytnych Chinach, który badał żonę cesarza ukrytą za zasłoną. Przykładała do różnych części ciała jeden koniec nici i on trzymając w ręku jej drugi koniec obserwował tylko drgania. Na podstawie obserwacji wibrującej nici stawiał diagnozę. Wydawało mi się wtedy, że ustalenie prawidłowej diagnozy w takich warunkach jest prawie niemożliwe. Przy badaniu kosmosu jesteśmy jednak w podobnej sytuacji, jak starożytny chiński lekarz. Nie możemy podejść bliżej, aby coś zbadać. Jedyne, co możemy zrobić, to obserwować różne fale docierające do nas i wytężać nasz umysł.
Zwykle sobie nie uświadamiamy tego, że nasz model Wszechświata powstaje na podstawie bardzo dziwnej mieszaniny obserwacji i założeń teoretycznych. Same obserwacje są niewystarczające. Mogą być nawet mylące. Jeżeli pominiemy wszystko, czego nauczyli nas w szkole i spróbujemy stworzyć sobie wyobrażenie o Wszechświecie tylko na podstawie tego, co bezpośrednio obserwujemy, to co otrzymamy? Ziemia wydaje nam się nieruchoma i mniej więcej płaska, w ciągu dnia Słońce porusza się po niebie ze wschodu na zachód, nocą nad nami obraca się sfera niebieska z gwiazdami. Nawet do wyjaśnienia, w jaki sposób Słońce rano pojawia się ponownie na wschodzie, trzeba przyjąć jakieś założenia, bo nie wynika to bezpośrednio z obserwacji. Musimy wymyśleć jakąś teorię i w oparciu o nią interpretować to, co obserwujemy. Jest tu pewne zapętlenie, które może prowadzić do tego, że przez długi czas możemy podążać w niewłaściwym kierunku, utwierdzając się jednocześnie w przekonaniu, że mamy rację. Nowe obserwacje można jakoś tłumaczyć w ramach naszego dotychczasowego modelu, dodając nowe pojęcia i zależności, albo można też szukać nowego modelu.
Przed rozpoczęciem tworzenia nowego modelu warto przypomnieć sobie, jak powstawało i zmieniało się wyobrażenie o Wszechświecie od najdawniejszych czasów. W oparciu o jakie obserwacje i argumenty ludzie zmieniali zdanie o świecie i tworzyli kolejne modele.
Dawno temu, na podstawie bezpośrednich obserwacji, ludzie wyobrażali sobie, że Ziemia jest nieruchoma a niebo z gwiazdami obraca się wokół niej, przy czym wzajemne odległości pomiędzy gwiazdami się nie zmieniały. Wydawało się logiczne, że gwiazdy znajdują się na obracającej się sferze. Słońce i Księżyc można było umieścić na oddzielnych sferach, problem pojawiał się przy próbie wyjaśnienia ruchu planet. Próbowano na różne sposoby, w końcu Ptolemeusz zaproponował model, w którym planety dodatkowo poruszały się po okręgach zwanych epicyklami. Była to dosyć karkołomna konstrukcja i Ptolemeusz chyba sam nie do końca był z tego modelu zadowolony, ale model był na tyle zgodny z obserwacjami, że przetrwał ponad tysiąc lat.
Czy były jakieś inne propozycje? W sytuacji, kiedy wszyscy uważali, że Ziemia jest nieruchoma, co było zgodne z doświadczeniem, trudno było wpaść na pomysł, że może być inaczej. Pomimo tego Arystarch z Samos już kilkaset lat p.n.e. zaproponował heliocentryczny model układu Słonecznego. Pomysł był genialny, tylko nie zgadzał się z obserwacjami. Pozycje planet były inne, niż wynikało z obliczeń.
Jak widać, nie zawsze trzeba odrzucać model, który nie zgadza się z obserwacjami. Czasem może wystarczyć jego niewielka modyfikacja lub tylko zmiana interpretacji wyników pomiaru. Dlaczego wyniki obliczeń nie zgadzały się z obserwacją? Ponieważ nikomu wtedy nawet nie przyszło na myśl, że planety mogłyby poruszać się po innych torach niż po okręgu i na dodatek ze zmienną prędkością. Nie obserwowano także przesunięcia paralaktycznego gwiazd, które powinno pojawić się w przypadku obiegu Ziemi wokół Słońca. Jeszcze w XVI wieku Tycho Brahe, po przeprowadzeniu dokładnych obserwacji, podważał z tego powodu teorię heliocentryczną opublikowaną przez Mikołaja Kopernika. Wynikało to z innego błędnego założenia. Tycho Brahe nie przypuszczał, że odległości gwiazd mogą być tak duże, że przesunięcia paralaktyczne są poza zasięgiem nawet najdokładniejszych instrumentów pomiarowych używanych w tamtym czasie. Wynika z tego, że wyniki obserwacji mogą być mylące. Jeżeli je interpretujemy niewłaściwie, możemy dojść do błędnych wniosków.
Model heliocentryczny zaczął być traktowany poważnie dopiero wtedy, kiedy Johannes Kepler po analizie ogromnej ilości danych doszedł do wniosku, że planety poruszają się po orbitach eliptycznych, ze zmienną prędkością i obserwacje zaczęły zgadzać się z obliczeniami.
Nie wiedziano, skąd wziął się taki na pozór dziwny ruch planet. Wyjaśniła to dopiero teoria grawitacji Isaaca Newtona.
Dopóki ludzie uważali, że sfera niebieska obraca się wokół Ziemi, wydawało się oczywiste, że odległość wszystkich gwiazd musi być jednakowa. Kiedy jednak okazało się, że ruch gwiazd po niebie jest tylko pozorny, natychmiast przestała być koniecznością jednakowa odległość gwiazd od Ziemi. Wręcz przeciwnie, różna obserwowana jasność gwiazd sugerowała, że te odległości mogą być różne. Tylko, w jaki sposób je ustalić i jakie są rozmiary całego Wszechświata? Sama obserwacja nie wystarcza. Ponownie potrzebne są jakieś dodatkowe założenia teoretyczne. Newton pokazał, że dla ciał niebieskich obowiązują takie same prawa, jakie obowiązują na Ziemi. W przypadku gwiazd pojawił się jednak nowy problem. Jeżeli wszystkie ciała się przyciągają, to dlaczego wszystkie gwiazdy nie wpadają na siebie?
Ponownie widzimy, że obserwacje mogą wprowadzać nas w błąd. Gwiazdy wydają nam się nieruchome jedynie dlatego, że ich odległości są bardzo duże. Wszechświat wcale nie jest statyczny. Usiłowano znaleźć rozwiązanie tego problemu i tak powstała koncepcja nieskończonego Wszechświata.
Zgodnie z zasadami geometrii Euklidesa, jakie nam wpojono, nieskończona, niezakrzywiona przestrzeń wydaje nam się czymś naturalnym. Nieskończoność nie może być jednak potwierdzona żadną obserwacją ani żadnym eksperymentem i istnieje właściwie tylko w naszej wyobraźni. Oprócz tego okazało się, że nieskończona przestrzeń wcale nie załatwia sprawy stabilności Wszechświata. Dla zapewnienia stabilności nieskończonego, statycznego Wszechświata potrzebna byłaby modyfikacja teorii grawitacji w stosunku do bardzo odległych obiektów. Jak zobaczymy później, modyfikacja teorii grawitacji Newtona jest potrzebna także w przypadku skończonego Wszechświata, ponieważ została sformułowana dla nieskończonej, niezakrzywionej przestrzeni.
Przeciw koncepcji nieskończonego Wszechświata podawano też inny argument. Nieskończona ilość gwiazd mniej więcej równomiernie rozmieszczona w nieskończonej przestrzeni powinna powodować, że niebo będzie jasne również w nocy. W jakiś sposób trzeba było wyjaśnić, dlaczego jest ciemne. Jednym z możliwych wyjaśnień było założenie, że gwiazdy nie świecą od zawsze. W tym przypadku powstaje jednak pytanie, kiedy i w jaki sposób zaczęły świecić?
Kiedyś wydawało się, że na ten temat można tylko spekulować. Gwiazdy wydawały się tak odległe i tak niedostępne, że były tylko światełkiem na niebie. Okazało się jednak, że i z tej niewielkiej ilości światła, które do nas dociera, można uzyskać bardzo dużo informacji. Badając spektrum gwiazd można ustalić ich skład chemiczny i z porównania różnych stadiów gwiazd wywnioskować, do jakich reakcji w nich dochodzi.
Trzeba jednak nieustannie analizować i rozróżniać, co jest bezpośrednią obserwacją a co modelem teoretycznym i w jaki sposób na ich podstawie wyciągamy wnioski o rzeczywistym Wszechświecie. Jeżeli zaobserwowano przesunięcie ku czerwieni w spektrach oddalonych obiektów i to tym większe, im bardziej obiekt jest od nas oddalony, to można zinterpretować to, jako rozszerzanie się Wszechświata. Nie jest to natomiast obserwacja rozszerzania się Wszechświata, więc można próbować zinterpretować to w inny sposób.
Jeżeli przyjmiemy fakt, że Wszechświat rozszerza się, to wydaje się logiczne, że wcześniej był mniejszy i kiedyś powstał z bardzo małego obszaru. Przyjmuje się jakiś “początek”, który nazywamy “Wielkim Wybuchem”. Nie da się tego potwierdzić za pomocą bezpośrednich obserwacji, zarejestrowano jednak promieniowanie reliktowe, które można interpretować jako pozostałość po Wielkim Wybuchu. Istnieje też matematyczny model, który opisuje Wszechświat zgodnie z tymi założeniami. Czy to oznacza, że nasz współczesny obraz Wszechświata jest prawidłowy? Wiemy, że nie jest. Już to, że jest sprzeczny z teorią kwantową sygnalizuje, że coś jest nie tak. Coraz dokładniejsze obserwacje powodują, że potrzebujemy coraz dziwniejszych konstrukcji, aby te obserwacje wytłumaczyć. Aby pogodzić obserwacje z teorią, wymyślono kosmiczną inflację (rozpychającą Wszechświat biliony bilionów razy w ułamku sekundy), ciemną materię i ciemną energię (o których nic nie wiadomo oprócz tego, że są potrzebne w ramach istniejącego modelu). Pojawiają się jednak następne obserwacje, których współczesna teoria nie potrafi wytłumaczyć, na przykład ogromne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie.
Chyba już czas zatrzymać się i zastanowić, które nasze założenia mogą być błędne i zbudować model Wszechświata od nowa.