Klucz do narodzin czasu - Teoria - Kosmologia

Kosmologia

Patrząc w niebo spoglądamy wstecz w czasie. Najbliższa gwiazda leżąca poza Układem Słonecznym, Proxima Centauri, jest od nas oddalona o 4,3 lat świetlnych. Oznacza to, że światło tej gwiazdy potrzebuje 4,3 lat, aby do nas dotrzeć, lub innymi słowy widzimy ją taką, jaka była 4,3 lat temu. Najbliższa galaktyka spiralna, Andromeda, znajduje się w odległości dwóch milionów lat świetlnych. Światło, które obecnie obserwujemy, wybiegło z Andromedy znacznie wcześniej, niż na Ziemi w wyniku ewolucji pojawił się gatunek ludzki.

Andromeda, jedna z najbliższych galaktyk.

Pewne obiekty, zwane kwazarami, leżące na granicach znanego Wszechświata, oddalone są od Ziemi ponad 10 tysięcy milionów lat świetlnych. Ich światło biegło do nas ponad dwa razy dłużej niż istnieje Układ Słoneczny. Patrzenie na kwazary przypomina spoglądanie wstecz do początku samego czasu. Badanie odległych rejonów Wszechświata pozwala nam się dowiedzieć, jaki był Wszechświat w czasie swojej wczesnej młodości, ale nawet kwazary przenoszą nas wstecz zaledwie o dwie trzecie drogi dzielącej nas od narodzin Wszechświata.

Zdjęcia głębokiego pola sporządzone przez teleskop Hubble'a pozwoliły naukowcom sięgnąć okiem wstecz aż do tysiąca milionów lat po narodzinach Wszechświata. Galaktyki na tym zdjęciu dopiero powstały, a gwiazdy ledwo zdążyły się zapalić.

Dysponujemy jednak metodami uzyskania wiedzy na temat bardzo wczesnego Wszechświata i nie musimy nawet w tym celu opuszczać naszego przytulnego Układu Słonecznego. Aby cofnąć się jeszcze dalej w czasie, poniżej niewielkiego ułamka sekundy od Wielkiego Wybuchu, naukowcy używają usytuowanych na ziemi akceleratorów cząstek, zbudowanych w laboratoriach takich jak CERN.

Pamiętajmy, że dzisiejszy Wszechświat jest bardzo zimny, znaczna jego część ma temperaturę zaledwie 3 stopnie powyżej zera absolutnego (3 kelwiny). Jest to około 270 stopni poniżej temperatury zamarzania wody, lecz naprawdę zaskakujące nie jest to, że Wszechświat jest taki zimny, lecz to, że jest taki gorący! Dlaczego temperatura przestrzeni kosmicznej nie równa się dokładnie zeru absolutnemu?

Przestrzeń kosmiczna nie ma temperatury zera absolutnego, ponieważ od Wielkiego Wybuchu wciąż stygnie. Promieniowanie tła o temperaturze 3 kelwinów przypomina poranne ciepło od stygnącego żaru z palonego poprzedniej nocy ogniska. Co więcej, gdziekolwiek spojrzymy w przestrzeń kosmiczną, widzimy odległe galaktyki oddalające się od nas z wielkimi szybkościami. Świadczy to o tym, że kiedyś wszystkie leżały znacznie bliżej siebie. Fakt, że niezależnie od kierunku, w którym patrzymy, widzimy promieniowanie o temperaturze dokładnie 3 kelwinów, wskazuje na to, że różne obszary przestrzeni kosmicznej mają wspólne pochodzenie. Trudno byłoby inaczej wyjaśnić taką jednorodność.

Zderzając malutkie cząstki w akceleratorach w CERN-ie ściskamy energię w bardzo niewielkiej objętości, a zwiększanie gęstości energii powoduje, że wzrasta temperatura. Pomyślcie, co się dzieje podczas pompowania koła od roweru - gdy sprężacie powietrze, pompka się nagrzewa. W CERN-ie mamy do czynienia ze znacznie mniejszymi objętościami, a zatem temperatury są znacznie wyższe. Nieporównywalnie wyższe. Zderzenia zapisane na tej płycie CD miały miejsce przy temperaturze 1015 K, to znaczy 100 milionów razy wyższej od temperatury jądra Słońca. Jest to temperatura Wszechświata, kiedy miał zaledwie 10-10 sekundy. Zatem badanie zderzeń cząstek przypomina badanie Wszechświata tuż po jego narodzinach.

Obserwacja zderzeń wysokoenergetycznych cząstek to jedyny sposób, by się dowiedzieć, jaki był Wszechświat, kiedy miał mniej niż 300 000 lat. Nawet gdybyśmy mogli zajrzeć tak głęboko w przestrzeń za pomocą teleskopów,  nic byśmy nie zobaczyli, ponieważ w tym czasie cały Wszechświat był nieprzezroczysty. Wypełniały go wówczas  naładowane cząstki, które stale pochłaniały i ponownie emitowały światło. Dopiero w wieku 300 000 lat Wszechświat na tyle wystygł, by wszystkie elektrony i jądra atomowe mogły się związać w atomy. Kiedy tak się stało, światło mogło się swobodnie poruszać i Wszechświat stał się przezroczysty.