Читать книгу Opowieść o początku. Wielka historia wszystkiego - David Enßlen Christian - Страница 16

Energia swobodna doprowadziła do powstania pierwszych dużych struktur: galaktyk i gwiazd. Strategicznym źródłem energii swobodnej dla tej części naszej historii początku była grawitacja. Jak kosmologiczny pies pasterski grawitacja lubi skupiać swoje stado. A obiekty, które udało jej się zebrać, były prostymi formami materii powstałymi w wyniku Wielkiego Wybuchu. Grawitacja wraz z materią stworzyły warunki Złotowłosej konieczne do wyłonienia się gwiazd i galaktyk.

Badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła pokazują, że we wczesnym wszechświecie w skalach makro struktur było niewiele. Pomyślcie o cieniutkiej niczym pajęczyna mgle wodoru i atomów helu pływających w ciepłej kąpieli ciemnej materii przesyconej fotonami światła. A wszystko to w mniej więcej tej samej temperaturze. Ponieważ na podstawie CMBR jesteśmy w stanie zmierzyć różnice temperatury, wiemy, że wczesny wszechświat miał charakter jednorodny. Odkrywamy mianowicie, że najgorętsze elementy wczesnego wszechświata były tylko o jedną setną stopnia cieplejsze niż elementy najchłodniejsze. Brakowało w nim użytecznych gradientów temperatury, nie było żadnych wodospadów energii, które mogłyby budować nowe struktury. W tej chwili znacznie większą różnicę temperatur możemy wygenerować poprzez pocieranie palcem po twarzy.

Wówczas to grawitacja zaczęła kształtować ten, bądź co bądź, mało obiecujący materiał w coś bardziej interesującego. Podczas gdy Wielki Wybuch rozdzielał przestrzeń na drobniutkie elementy, grawitacja krążyła wokół, próbując połączyć energię z materią.

Idea grawitacji była kluczową kwestią w sposobie pojmowania wszechświata przez Newtona i stanowiła jedną z głównych idei jednoczących myślicieli rewolucji naukowej. To, w jaki sposób grawitacja funkcjonuje, Newton wyjaśnił w jednej z najważniejszych prac naukowych wszech czasów: Phiosophiae Naturalis Principia Mathematica (w Matematycznych zasadach filozofii naturalnej) wydanych w roku 1687. Newton postrzegł grawitację jako uniwersalną siłę przyciągania, która działała pomiędzy wszystkimi obiektami mającymi masę. Dwa i pół wieku później Einstein wykazał, że sama energia może wytwarzać siłę przyciągania grawitacyjnego, ponieważ energia jest tym, z czego również złożona jest materia.

Einstein wysnuł jeszcze jedną ważną prognozę dotyczącą grawitacji, mianowicie że jest ona formą energii, więc podobnie jak siły elektromagnetyczne czy dźwięk powinna generować fale. Jednak Einstein obawiał się, że fale będą tak małe, iż nikomu nie uda się ich wykryć. We wrześniu 2015 roku w spektakularnym pokazie naukowym w najlepszym wydaniu fale grawitacyjne zostały w końcu wykryte przez dwie olbrzymie maszyny — jedna stała w Luizjanie, a druga w stanie Waszyngton. Były one obsługiwane przez laserowy detektor fal grawitacyjnych (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) inaczej LIGO. W 2017 roku trzej panowie, którzy wnieśli znaczący wkład w ten projekt, zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Wykryte za pomocą LIGO fale grawitacyjne zostały wygenerowane około sto milionów lat temu, kiedy dwie czarne dziury zderzyły się w odległej galaktyce gdzieś na południowym niebie. (Kiedy doszło do tego zderzenia, dinozaury wciąż panowały na naszej planecie). Na Ziemi obie maszyny LIGO dzieliły wiązki światła na dwie części i wysyłały je nawzajem do siebie pod kątem prostym, w tę i z powrotem dwiema czterokilometrowymi rurami, na których końcach zainstalowano zwierciadła. Kiedy te wiązki laserowe wróciły po prawie trzystu podróżach, okazało się, że nie dotarły dokładnie w tym samym czasie. Małe fale grawitacyjne biegnąc w jednym kierunku, rozciągały te rury, a skracały je, biegnąc w drugim o odległość znacznie mniejszą niż średnica protonu. Teraz, kiedy astronomowie wiedzą, że fale grawitacyjne istnieją, pojawiła się nadzieja, iż będą mogli wykorzystać je jako nowy sposób badania wszechświata.

Z punktu widzenia grawitacji wczesny wszechświat był zbyt jednorodny. Trzeba było go zbrylić. Taka tendencja grawitacji do zmiany wszechświata wyjaśnia, dlaczego możemy myśleć o wczes­nym wszechświecie jako środowisku o niskim poziomie entropii, o takim rodzaju uporządkowania, w którym entropia może dopuszczać się wielorakich manipulacji przez kolejne kilka miliardów lat. Kiedy już to się zaczęło, grawitacji potrzeba było zaledwie kilkuset milionów lat, aby zamienić delikatną mgiełkę, z jaką mieliśmy do czynienia we wczesnym wszechświecie, w bardziej chaotyczną i bardziej zwartą przestrzeń pełną gwiazd i galaktyk.

Jak wykazał Newton, siła grawitacji wzrasta tam, gdzie następuje wzrost masy i gdzie obiekty znajdują się blisko siebie. Dlatego Ziemia ma znacznie większe przyciąganie grawitacyjne względem różnych obiektów niż ty, i dlatego przyciąga cię dużo słabiej, jeśli przebywasz z dala od jej powierzchni — dajmy na to na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Teraz skupmy się na niewielkim sześcianie mgiełki swobodnych cząstek, jaka charakteryzowała obraz wczesnego wszechświata. Wyobraźmy sobie, że ciemna materia i atomy zostają zupełnie przypadkowo nieco bardziej skoncentrowane w jednym rogu sześcianu niż w innym. Zasady Newtona mówią, że grawitacja będzie silniejsza w gęstszym narożniku, więc tutaj materia zostanie skompresowana mocniej, a różnica pomiędzy gęstszymi a słabiej skoncentrowanymi obszarami będzie się zwiększać. W ten sposób — sześcian po sześcianie — grawitacja przez miliony lat sprawiła, że wszechświat stawał się coraz bardziej ziarnisty i zbity.

Gdy grawitacja wymusiła powstanie pierwszych atomów, zderzały się one ze sobą częściej i harcowały niestrudzenie. To z kolei doprowadziło do wzrostu temperatury w obszarach o większym skupieniu, ponieważ więcej ciepła koncentrowało się w mniejszej objętości przestrzeni. (Ta sama zasada tłumaczy, dlaczego opona staje się cieplejsza, gdy ją napompujesz). Podczas gdy większość wszechświata wciąż ulegała ochłodzeniu, zbite okruchy zaczynały się ponownie nagrzewać. W końcu niektóre grudki stały się tak gorące, że protony nie mogły już dłużej utrzymać swoich elektronów. Atomy rozpadały się, tworząc na nowo naładowaną plazmę wewnątrz każdego skupiska materii trzaskającą elektrycznością, która kiedyś przenikała cały wszechświat.

Gdy grawitacja potęgowała ciśnienie, gęstsze obszary stawały się jeszcze gęstsze, a ich rdzenie stawały się jeszcze gorętsze, i w ten sposób siła grawitacji zaczęła na nowo generować wysokie poziomy energii obserwowane we wczesnym stadium rozwoju wszechświata. W przybliżeniu było to dziesięć milionów stopni Celsjusza, bo tyle energii mają protony, gdy gwałtownie się ze sobą zderzają, przezwyciężając odpychanie się ładunków dodatnich. Po pokonaniu tej bariery protony zaczęły się łączyć w pary siłą energii jądrowej, która działa tylko na niewielkie odległości. Pary protonów tworzyły tym samym jądra helu, tak jak to było już wcześniej, zaraz po Wielkim Wybuchu.

Kiedy protony uległy połączeniu, część ich masy zamieniła się w czystą energię, a — jak już obserwowaliśmy to wcześniej — nawet niewielka ilość materii ma przeogromną ilość energii. Taka sama kolosalna energia zostaje uwolniona w momencie wybuchu bomby wodorowej, która czerpie siłę, tak jak każda gwiazda z fuzji protonów. Tak więc, gdy jądro gęstej chmury materii przekracza krytyczny próg około dziesięciu milionów stopni, tryliony protonów zaczynają się spajać w jądra helu, pełniąc rolę pieca, który uwalnia olbrzymie ilości energii. Gdy już się napali w tym piecu, ogień w nim nie zagaśnie dopóty, dopóki nie zabraknie opału w postaci wolnych protonów gotowych do syntezy.

Ogromna energia uwolniona przez fuzję protonów rozgrzeje rdzeń materii tak, że zacznie się on rozszerzać i rozpychać wbrew grawitacji. Wówczas ta cała nowa struktura ustabilizuje się na miliony lub miliardy lat. Właśnie jesteśmy świadkami narodzin gwiazdy.