Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Edwin Hubble
(20.11.1889 - 28.09.1953)

Narodowość: Amerykanin

Edwin Hubble był astronomem, ale jego odkrycie miało ogromne konsekwencje dla fizyki, a szczególnie jej działu - kosmologii. W 1929 roku, po wielu żmudnych i skrupulatnych pomiarach, stwierdził on, że widmo danej galaktyki jest tym bardziej przesunięte ku długim falom czerwonym, im bardziej jest ona od nas odległa. Przesunięcie ku czerwieni świadczy o tym, że galaktyka się od nas oddala. Emituje ona po prostu fale elektromagnetyczne, których długość zwiększa się wskutek ruchu źródła w kierunku „od” odbiornika (obserwator na Ziemi). Jest to tzw. efekt Dopplera. Hubble stwierdził, że patrząc w każdym kierunku, galaktyki oddalają się od nas jednakowo (izotropowo). Prawie wszystkie galaktyki cechuje taki ruch. Tylko te bliskie, np. Andromeda, przybliżają się, a więc ich widma wykazują przesunięcie w kierunku krótkich fal fioletu (ale powodem jest przewaga tzw. prędkości własnych tych galaktyk).

Hubble ujął swoje obserwacje w postaci prawa (prawo Hubble'a):

v = H · r

gdzie: v – prędkość oddalania się galaktyki, r – odległość galaktyki od Ziemi, H – stała Hubble'a (stała proporcjonalności).

Prawo powyższe mówi, że galaktyki oddalają się od nas z prędkościami proporcjonalnymi do ich odległości. Znaczy to, że im dalej od nas znajduje się galaktyka, z tym większą prędkością od nas „ucieka”. Oddalają się one nie tylko od nas, lecz również od siebie nawzajem. Jest to tzw. ekspansja jednorodna.

Jakie są konsekwencje tego prawa ? Otóż wynika z niego, że Wszechświat nie jest statyczny i rozszerza się. Skoro wszystkie galaktyki się oddalają, musi pojawić się dla nich wszystkich miejsce w postaci rozszerzenia przestrzeni, tak jak w przypadku punktów na nadmuchiwanym balonie. Gdyby balon nie rozszerzał się, część punktów oddalając się, przybliżałoby się do innych (można to sprawdzić na zwykłym baloniku).

Coraz dokładniejsze z czasem pomiary wartości stałej Hubble'a H dały jej wartość w zakresie 50 – 80 km/s/megaparsek (megaparsek to jednostka odległości równa 3260000 lat świetlnych). Widać więc, że ze wzrostem odległości o 3260000 lat świetlnych, notujemy wzrost prędkości ucieczki galaktyki o 50-80 km/s. Można było więc wykorzystać prawo Hubble'a do ekstrapolacji, przewidywania wstecz. Trzeba było tylko zadać sobie pytanie:
Jak dawno temu wszystkie galaktyki oddalające się od siebie były skupione w jednym punkcie ?
Ten zakres wartości stałej Hubble'a (i szacowany zakres wartości gęstości materii we Wszechświecie podany poniżej) pozwalają szacować, że było to 6-20 mld lat temu i tyle lat liczy Wszechświat. Jest to tzw. czas Hubble'a i można utożsamić go z wiekiem Wszechświata, przy czym musimy tu pamiętać, że obliczany jest on przy pewnym wyidealizowanym założeniu, że prędkość oddalania się galaktyk była zawsze taka sama.

W każdym razie naukowcy zgadzają się, że Wszechświat zaczął swoją ekspansję od małego, prawie punktowego, supergęstego i supergorącego stanu. Teoria wskazująca na taki początek to teoria Wielkiego Wubuchu (ang. Big Bang). Jest ona teraz powszechnie przyjęta, bo jest zgodna z obserwacjami.

W 1965 roku A. Penzias i R. Wilson odkrywają kosmiczne promieniowanie tła (tzw. promieniowanie reliktowe), które wydaje im się zupełnie izotropowe (→ jednakowe we wszystkich kierunkach). Wystrzelony w 1991 r. satelita COBE potwierdza istnienie takiego promieniowania, odpowiadającego promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,7 K (-270,3oC) i jednolicie wypełniającego przestrzeń Wszechświata. Promieniowanie to jest z pewnością pozostałością po Wielkim Wybuchu. Jego zmierzona temperatura jest dokładnie zgodna z przewidywaniami teorii Big Bangu.

Ponadto, COBE wykrył bardzo drobne fluktuacje w tym promieniowaniu (różnice rzędu 1 na 100 000), które wyjaśniają istnienie obecnych, lokalnych nierównomierności w rozkładzie materii, czyli po prostu galaktyk.

Następnym, spektakularnym potwierdzeniem teorii Big Bang są, zgodne z nią, pomiary procentowej zawartości pierwiastków we Wszechświecie. Przewiduje ona dokładnie, że Wszechświat powinien składać się z ponad 74 % wodoru, 25% helu-4 i śladowych ilości helu-3, deuteru i litu-7. I tak jest. Zostały one zsyntetyzowane prawie na samym początku Wszechświata.

W 1979 roku Alan Guth zaproponował teorię Wszechświata inflacyjnego, która mówiła, że Wszechświat prawie na samym początku swego istnienia przeszedł fazę wykładniczej (niezwykle szybkiej) ekspansji, podczas której powiększył swe rozmiary przynajmniej 1025 razy w czasie szacowanym na 10-30 sekundy. Wszechświat na początku cechowały tzw. pola Higgsa o zerowych wartościach i bardzo wysokich gęstościach energii. Ze spadkiem temperatury pola te nie zmniejszały gęstości energii, tylko trwały w tym stanie względnie długo. Były w stanie tzw. przechłodzenia. Nosi on nazwę fałszywej próżni. Ze względu na ujemne ciśnienie, które ją cechuje, wywiera ona też wewnętrznie ujemną siłę grawitacyjną na siebie. Wskutek tego odpychania grawitacyjnego nastąpiło gwałtowne rozdęcie wczesnego Wszechświata – inflacja. Po czasie 10-30 s fałszywa próżnia zamieniała się w zwykłą próżnię o małych gęstościach energii i niezerowych polach Higgsa (patrz rozdział o Stevenie Weinbergu). Dalsza ekspansja była już taka, jaką przewiduje standardowy model Big Bangu.

Teoria inflacji pozwoliła rozwiązać trzy podstawowe problemy kosmologii. Pierwszy problem to tzw. problem płaskości: dlaczego przestrzeń naszego Wszechświata na dużych odległościach wydaje się być gładka i niezakrzywiona ?
Otóż wskutek rozdęcia o czynnik 1025 prawie idealnie wygładziła się, tak jak wygładzają się ścianki balonu wraz z jego nadmuchiwaniem (tzn. lokalnie wydają się prawie płaskie).

Problem horyzontu dotyczy tego, dlaczego Wszechświat jest tak termicznie jednorodny, skoro wiele jego obszarów jest zbyt oddalonych, by mogło się ze sobą kontaktować ? Otóż, zgodnie z teorią inflacji Wszechświat zaczął się jako 1025 razy mniejsza kulka, niż przewiduje standardowa teoria Wielkiego Wybuchu. Był więc tak mały, że w obrębie tego obszaru można było osiągnąć jednorodność, a dopiero potem się nadął do ogromnych odległości.

Trzeci problem: monopole magnetyczne. Nie jest pewne czy istnieją, ale niektóre współczesne teorie przewidują istnienie tych osobnych ładunków magnetycznych. Podczas Big Bangu produkowane one były w dużych ilościach i mogły być wyprodukowane tylko wtedy, bo ich masa szacowana jest na 1017 razy większą od masy protonu. Nie są one we współczesnym Wszechświecie obserwowane, bo wskutek rozdęcia inflacyjnego, zostały rozproszone w ogromnej objętości i prawdopodobieństwo ich napotkania jest śladowe.

Jak na razie, nie jest również pewne, czy Wszechświat będzie rozszerzał się w nieskończoność, czy po pewnym czasie zacznie kurczyć się i nastąpi Wielki Kolaps (Wielki Kres). Modele matematyczne Friedmana, oparte na ogólnej teorii względności, wskazują, że będzie to zależało od średniej gęstości materii we Wszechświecie. Graniczna gęstość potrzebna do tego, by nastąpiło kurczenie – tzw. gęstość krytyczna zawiera się w zakresie: 4,5 · 10-31 do 2 · 10-29 g/cm3. Nie jest ona konkretnie znana, bo zależy od stałej Hubble’a, a jej wartość też szacujemy tylko w zakresie. Gęstość mniejsza od krytycznej oznaczać będzie wieczne rozszerzanie się. Najnowsze szacunki tej gęstości, obejmujące również nieświecącą ciemną materię: pył, planety, brązowe karły, czarne dziury, neutrina, wskazują na jej zakres (10-33 g/cm3 - 10-28 g/cm3). Uważa się, że ciemna materia może stanowić 90-99% całej materii Wszechświata. Kwestia „końca” pozostaje zatem nierozstrzygnięta.

Trzeba tu też zaznaczyć, że Hubble jako pierwszy odkrył obiekty poza naszą galaktyką (→inne galaktyki) w tym sensie, że stwierdził, że znajdują się one poza jej obrębem. Obecnie, liczbę galaktyk we Wszechświecie szacuje się na około 100 miliardów.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski