Tytuł oryginalny: THE ORIGIN OF THE UNIVERSE

Projekt okładki: MARIUSZ BANACHOWICZ

Grafika na okładce: © Igor Zh./Shutterstock

Projekt typograficzny: MIROSŁAW KRZYSZKOWSKI

Skład: MELES-DESIGN

© Copyright by Copernicus Center Press, 2016
Copyright © for the translation by Copernicus Center Press
& Wydawnictwo CIS & Stanisław Bajtlik
Copyright © 1994 by John D. Barrow
All rights reserved

ISBN 978-83-7886-190-4

Wydanie drugie (pierwsze tej edycji)

Kraków 2016

Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel./fax (+48 12) 430 63 00
e-mail: marketing@ccpress.pl
Księgarnia internetowa: http://en.ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Dennisowi i Billowi,
kosmologom, dżentelmenom i nauczycielom,
którym wielu dużo zawdzięcza

Pulchra sunt quae videntur

Pulchroria quare scientur

Longe pulcherrima quae ignorantur

Piękne są rzeczy, które widzimy,

Jeszcze piękniejsze te, które rozumiemy,

Ale najpiękniejsze te, których nie ogarniamy.

Niels Steenson (Steno) 1638–1686

Przedmowa

Żyjemy we w pełni ukształtowanym Wszechświecie[1], a najbardziej niezwykłe rzeczy zdarzyły się w nim już dawno temu. Przypatrz się rozgwieżdżonemu niebu, a zobaczysz tysiące gwiazd, z których większość układa się wzdłuż przecinającego nocne ciemności ogromnego pasa, który nazywamy Drogą Mleczną. Oto jak starożytni widzieli Wszechświat. Stopniowo, w miarę jak powstawały coraz to większe teleskopy, osiągające coraz lepszą zdolność rozdzielczą, przed naszymi oczami zaczął ukazywać się Wszechświat o niewyobrażalnej przedtem rozległości. Widzimy miliardy gwiazd skupione w wyspach światła, nazywanych galaktykami, wokół których rozciąga się morze zimnych mikrofal – echo Wielkiego Wybuchu, który wydarzył się jakieś 15 miliardów lat temu i, jak sądzimy, dał początek czasowi, przestrzeni i materii. To z niego wyłonił się nasz dzisiejszy Wszechświat, będący w stanie globalnej ekspansji, powoli stygnący i nieustannie rozrzedzający się.

Na początku Wszechświat był piekłem wypełnionym promieniowaniem, zbyt gorącym, by mogły uchować się w nim jakiekolwiek atomy. W ciągu pierwszych kilku minut ostygł na tyle, że powstały jądra najlżejszych pierwiastków. Setki tysięcy lat później kosmos stał się wystarczająco chłodny i rzadki, by elektrony mogły połączyć się z jądrami, tworząc całe atomy. Wkrótce potem powstały proste cząsteczki. Miliardy lat później złożony cykl procesów doprowadził do skupienia materii w gwiazdy i galaktyki. Dopiero wtedy, po powstaniu stabilnych układów planetarnych, rozpoczęły się procesy biochemiczne, których do końca jeszcze nie rozumiemy. Ale jak rozpoczął się ten skomplikowany cykl wydarzeń? Co mogą powiedzieć o początku Wszechświata współcześni kosmologowie?

Różnorakie starożytne historie o stworzeniu świata nie były teoriami naukowymi w jakimkolwiek współczesnym znaczeniu. Nie próbowały powiedzieć niczego nowego o budowie świata. Miały na celu, po prostu, usunąć z ludzkiej wyobraźni widmo nieznanego. Umiejscawiając się w hierarchii stworzenia, starożytni mogli ustalić swój związek ze światem i uniknąć przerażających rozważań nad nieznanym czy niepoznawalnym. Współczesne, naukowe objaśnienia powinny osiągnąć znacznie więcej. Muszą być wystarczająco dogłębne, by powiedzieć nam o Wszechświecie więcej, niż wiedzieliśmy tworząc je. Muszą też być dostatecznie szerokie, by pozwalać na czynienie przewidywań, które moglibyśmy sprawdzać. Powinny wprowadzać spójność i zgodność w zbiorze oddzielnych faktów obserwacyjnych.

Metody stosowane przez współczesnych kosmologów są proste, choć nie oczywiste dla laików. Przede wszystkim opierają się na założeniu, że prawa rządzące działaniem świata wokół nas, tutaj na Ziemi, stosują się w całym Wszechświecie – chyba że przekonamy się, iż jest inaczej. Bywa, że napotykamy we Wszechświecie warunki, szczególnie w jego przeszłości, w których gęstość i temperatura wykraczają poza nasze ziemskie doświadczenie. Zwykle oczekujemy od teorii, że będą poprawne również wtedy – i w istocie, zwykle nie zawodzimy się. Przy wielu okazjach posługujemy się jednak przybliżonymi prawami przyrody – uproszczeniami, które można stosować w ograniczonym zakresie. Kiedy dochodzimy do kresu ich stosowalności, musimy stworzyć lepsze przybliżenia, które mogą opisywać nowe, niezwykłe warunki, jakie napotkaliśmy. Często z teorii wynikają wnioski, których nie możemy od razu sprawdzić obserwacyjnie. Właśnie teoretyczne przewidywania takiego rodzaju decydują zwykle o konstrukcji nowych typów obserwatoriów czy satelitów.

Kosmologowie często mówią o budowaniu „modeli kosmologicznych”. Rozumieją przez to tworzenie uproszczonego, matematycznego opisu struktury i historii Wszechświata, który uchwyciłby jego główne własności. Tak jak model samolotu przedstawia niektóre, ale nie wszystkie cechy prawdziwego samolotu, tak model Wszechświata nie może zawierać wszystkich szczegółów jego budowy. Nasze modele kosmologiczne nie są zbyt wyszukane. Opisują Wszechświat tak, jakby był on całkowicie gładkim oceanem materii, z której jest zbudowany. Grupowanie materii w gwiazdy i galaktyki jest w tych modelach zaniedbywane. Odstępstwa od całkowitej jednorodności są rozpatrywane dopiero wtedy, gdy badamy bardziej szczegółowe kwestie, takie jak pochodzenie gwiazd i galaktyk. Takie podejście daje zdumiewająco dobre rezultaty. Jedną z najbardziej uderzających własności Wszechświata jest to, że widoczna dla nas jego część bardzo dobrze daje się opisać za pomocą najprostszej idealizacji – modeli jednorodnie rozłożonej materii.

Inną, ważną cechą naszych modeli kosmologicznych jest to, że zawierają pewne parametry – takie jak gęstość czy temperatura – których konkretną wartość można znaleźć tylko na drodze obserwacji, a przy tym tylko niektóre kombinacje tych wielkości są dopuszczane przez model. W ten sposób można sprawdzać, jak dobrze model opisuje realny Wszechświat.

Badając Wszechświat podążamy w różnych kierunkach. Aby pogłębić zrozumienie całego kosmicznego środowiska, oprócz satelitów, sond kosmicznych i teleskopów używamy mikroskopów, akceleratorów, komputerów i angażujemy ludzką myśl. Poza zewnętrznym makrokosmosem – gwiazdami, galaktykami i największymi kosmicznymi strukturami – nauczyliśmy się poznawać subtelny labirynt mikroświata. Na poziomie głębszym niż atomowy znajdujemy w nim mikrokosmos jądra atomowego i jego części – podstawowych cegiełek materii. Jest tych cegiełek niewiele, są proste w swej budowie, ale ich kombinacje prowadzą do niezmiernej złożoności, jaką widzimy wokół siebie i której jesteśmy częścią.

Te dwie granice naszego zrozumienia – mikroświat cząstek elementarnych i astronomiczny kosmos gwiazd i galaktyk – obecnie łączą się ze sobą w nieoczekiwany sposób. Kiedyś badały je dwie różne grupy uczonych. Używając odmiennych metod badawczych usiłowały odpowiadać na różne pytania. Teraz ich zainteresowania i metody są ściśle związane ze sobą. Tajemnica powstawania galaktyk może zostać zgłębiona przez poznawanie najbardziej elementarnych składników materii, przy użyciu detektorów ukrytych głęboko pod powierzchnią Ziemi. Być może tożsamość tych cząstek zostanie ustalona w wyniku analizy światła wysyłanego przez odległe gwiazdy. W miarę jak próbujemy odtworzyć historię Wszechświata, szukając skamielin będących pozostałościami z okresu jego młodości i dojrzewania, kojarząc własności fizycznego świata w największej i najmniejszej skali, jesteśmy pod coraz większym wrażeniem jedności praw kosmosu.

Zadaniem tej małej książki jest dostarczenie skrótowego obrazu n a r o d z i n dla początkujących. Jakie mamy świadectwa dotyczące wczesnej historii Wszechświata? Jakie są najnowsze teorie samego początku jego istnienia? Czy możemy je sprawdzać poprzez obserwacje? Co one mówią o naszym własnym istnieniu? Oto niektóre z pytań, jakie nam będą towarzyszyć w podróży do początków czasu. Przedstawię niektóre z najnowszych teorii na temat czasu, „wszechświata inflacyjnego”, „tuneli”, a po drodze wyjaśnię znaczenie wyników obserwacji uzyskanych przez satelitę COBE, które zostały przyjęte z taką euforią na wiosnę 1992 roku.

Dziękuję moim współpracownikom i kolegom kosmologom za ich odkrycia i dyskusje, które umożliwiły powstanie współczesnej opowieści o pochodzeniu Wszechświata. Pomysł napisania tej książki jest zasługą Anthony’ego Cheethama i Johna Brockmana. Okaże się teraz, czy ich namowy, bym ją napisał, były taką mądrą rzeczą. Dziękuję Gerry’emu Lyonsowi i Sarze Lippincott za ich pomoc edytorską. Wielce pomogła mi moja żona Elizabeth, co umożliwiło doprowadzenie rzeczy do końca bez odsuwania wszystkiego innego w nieskończoność. Jak zawsze, jestem jej wdzięczny za wszystko. Młodsi członkowie rodziny – David, Roger i Louise – wydawali się dziwnie niewzruszeni tym przedsięwzięciem. Ale oni naprawdę lubią Sherlocka Holmesa.

Brighton

marzec 1994

[1] W książce przyjęto zasadę pisania słowa „Wszechświat” z dużej litery wtedy, gdy występuje jako imię własne – nazwa tego wszechświata, w którym żyjemy. Z małej litery piszemy wszechświat mając na myśli jeden z wielu możliwych, matematyczny model (przypis redakcji).

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki