Dlaczego wszechświat się rozszerza?

To jedna z największych tajemnic kosmologii czy astrofizyki. Co takiego powoduje, że wszechświat się rozszerza? I jak to rozumieć? Że galaktyki mają jakiś napęd? Że odpychają się od siebie?

Wprowadzenie

Pytanie o rozszerzanie się wszechświata pochodzi z mojej najnowszej książki pt. „Pytania z Księżyca”, którą możecie kupić w sklepie Nauka. To Lubię.

Dlaczego wszechświat się rozszerza? No i to jest pytanie, na które nie mamy jasnej odpowiedzi. Domyślamy się, że chodzi o tajemniczą ciemną energię, ale czym ona jest – to już raczej kwestia spekulacji niż pewności.

Przez długi czas uważano, że wszechświat jest stacjonarny, że w swoim ogromie nie zmienia się. Był o tym głęboko przekonany m.in. Albert Einstein. Koncepcje teoretyczne mówiące o tym, że wszechświat się rozszerza, że był kiedyś jego początek, Einstein i wielu jemu współczesnych zbywali żartem albo kpiną.

Tutaj kupisz książkę „Pytania z Księżyca”

Co ciekawe, o tym, że wszechświat jest dynamiczny, równania matematyczne mówiły także Albertowi Einsteinowi. Ale ten był tak głęboko przekonany, że w kosmosie wszystko jest stałe, że uznał te wyliczenia, własne wyliczenia,  za niedoskonałe. On i wielu innych opierali się faktom nawet wtedy, gdy swoimi obserwacjami podzielił się wybitny astronom Edwin Hubble.

W latach 20. XX wieku jako młody naukowiec zauważył, że galaktyki oddalają się od siebie. Jeżeli dzisiaj są dalej od siebie niż wczoraj, a wczoraj dalej niż miesiąc temu, można się pokusić o obliczenie, jak dawno temu były w jednym punkcie. I tutaj obserwacje Hubble’a i wyliczenia teoretyczne belgijskiego księdza, ale przede wszystkim wybitnego matematyka Georgesa Lemaitra spotkały się z sobą. Argumenty matematyczne i dowody leżały na stole. Wielu musiało przyznać się do błędu. 

Jak rozszerza się wszechświat?

No dobrze, rozszerza się. Ale będzie się rozszerzał zawsze, czy może w którymś momencie przestanie? To było pytanie, na które przez kilkadziesiąt lat nikt nie znał odpowiedzi. Generalnie koncepcje były trzy. Pierwsza, że to rozszerzanie to wciąż efekt Wielkiego Wybuchu, którego impet z czasem będzie malał. A więc rozszerzanie będzie zwalniało, aż wszechświat zatrzyma się w miejscu. I wtedy do głosu zacznie dochodzić grawitacja, która spowoduje, że wszystko zacznie się do siebie zbliżać.

Niektórzy upatrywali w tym nawet piękna i elegancji „mechaniki wszechświata”. Bo to zbliżanie miało się zakończyć (tak jak rozpoczęło rozszerzanie) w jednym punkcie, który… mógłby być nowym Wielkim Wybuchem. 

Druga koncepcja mówiła, że rozszerzanie się wszechświata ma stałe tempo. No i trzecia koncepcja, że ono przyspiesza. W tych dwóch ostatnich nie bardzo było (jest) wiadomo, co konkretnie powoduje, że wszechświat się rozszerza. Sprawa częściowo wyjaśniła się w 1990 roku, bo to wtedy grupa astrofizyków dokonała obserwacji i obliczeń z których wynikało, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej. 21 lat później, w 2011 roku, ci sami fizycy zostali za to odkrycie wyróżnieni Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Jak będzie wyglądał koniec świata?

Co nam mówi ta wiedza? Po pierwsze mówi dość sporo o końcu wszechświata. Będzie coraz zimniej, coraz ciemniej i coraz samotniej. To mało optymistyczna wizja. Ale wciąż nic nie mówi o tym, jaki mechanizm powoduje, że wszechświat rzeczywiście puchnie. Siła, która za tym stoi, działa odwrotnie niż grawitacja. Siła grawitacji przyciąga do siebie obiekty które mają masę i im bliżej one są, tym jest ona większa.

Innymi słowy, dwa jabłka są silniej do siebie przyciągane, gdy są bliżej, a słabiej przyciągane, gdy są od siebie daleko. Ale ciemna energia działa inaczej. Im dalej są od siebie obiekty, tym ta mocniej je rozpycha. Przy czym warto zwrócić uwagę na jeszcze jeden szczegół. A może to wcale nie szczegół? Rozszerzanie kojarzy się z nadawaniem obiektom jakiejś prędkości. W naszym świecie, gdy dwa obiekty oddalają się od siebie, znaczy to, że przynajmniej jeden z nich zmienia swoje położenie.

W kosmosie tak nie jest. Hubble miał rację, że odległość pomiędzy galaktykami rośnie, ale te… nie zmieniają swojej pozycji. Jak to rozumieć? Najłatwiej przez analogię. Gdy na nienapompowanym baloniku namalujemy mazakiem dwie kropki w odległości powiedzmy centymetra, a następnie zaczniemy ten balonik nadmuchiwać, odległość pomiędzy kropkami zacznie się zwiększać. Ale przecież, kropki nie zmieniły swojego położenia. To, co się zmieniło (wraz z nadmuchiwaniem), to rozszerzanie się przestrzeni.

Tak! Rozszerzanie się wszechświata, to raczej pączkowanie, pęcznienie przestrzeni niż poruszanie się całych gromad galaktyk. Z jaką prędkości „puchnie” zatem przestrzeń? Z obserwacji cefeid, czyli pulsujących gwiazd, wynika, że ta prędkość to 74 kilometry w sekundę na megaparsek. Co to znaczy? Megaparsek, to odległość 3,3 milionów lat świetlnych. W ciągu każdej sekundy odcinek 3,3 mln lat świetlnych wydłuża się o około 74 kilometry.