Spis treści

Karta redakcyjna

Dedykacja

Przedmowa

Podziękowania

Rozdział pierwszy. Podstawy

1.1. Rozmiar wszechświata

1.2. Rozszerzający się wszechświat

1.3. Wiek wszechświata

1.4. Obserwowalny wszechświat

1.5. Czy wszechświat jest nieskończony?

1.6. Jak spojrzeć w przeszłość

Rozdział drugi. Skład i ewolucja kosmosu

2.1. Mikrofalowe promieniowanie tła

2.2. Materia i ciemna materia

2.3. Stała kosmologiczna

2.4. Tworzenie struktur we wszechświecie i kosmiczna linia czasu

Rozdział trzeci. Obrazowanie mikrofalowego promieniowania tła

3.1. Pomiar mikrofalowego promieniowania tła

3.2. Anizotropia MPT

3.3. Opis ilościowy MPT

Rozdział czwarty. Standardowy model kosmologiczny

4.1. Geometria wszechświata

4.2. Zalążki formowania się struktury wszechświata

4.3. Łącząc wszystko razem

Rozdział piąty. Granice kosmologii

Podsumowanie i wnioski

Aneks

A.1. Widmo elektromagnetyczne

A.2. Rozszerzanie (się) przestrzeni

A.3. Tabela kosmicznej linii czasu

A.4. Obserwowalny wszechświat a czas

Wkładka zdjęciowa

Przypisy

© Copyright by Copernicus Center Press, 2021
Copyright © 2020 by Princeton University Press
All rights reserved

Tytuł oryginalny
The Little Book of Cosmology

Konsultacja naukowa
dr Tomasz Miller

Adiustacja i korekta
Mirosław Ruszkiewicz

Opracowanie graficzne okładki i stron tytułowych
Marta Jaszczuk

Grafika na okładce
© Nubenamo/Adobe Stock

Skład
MELES-DESIGN

ISBN 978-83-7886-588-9

Wydanie I

Kraków 2021

Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel. (+48) 12 448 14 12, 500 839 467
e-mail: marketing@ccpress.pl
Księgarnia internetowa: http://ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Dla Lisy i chłopców

PRZEDMOWA

Książka ta zawiera krótkie wprowadzenie do nowoczesnej kosmologii, czyli do badań wszechświata w ekstremalnych skalach przestrzeni, energii i czasu. Mam nadzieję, że przekaże czytelnikowi pewne podstawowe aspekty tego, co wiemy o wszechświecie – w tym jego skład, geometrię, ewolucję i opisujące go prawa fizyki – oraz sposób, w jaki zdobyliśmy tę wiedzę. W kosmologii nietrudno o egzotyczne teorie i spekulacje, ale przesłaniają one jej bodaj najbardziej zdumiewającą cechę: poprzez bardzo dokładne pomiary możemy zrozumieć wszechświat w jego największej skali.

Jak zobaczymy, wszechświat w największych skalach i na najwcześniejszych etapach swojego istnienia jest niezwykle prosty i daje się scharakteryzować za pomocą zaledwie kilku parametrów. Jest znacznie prostszy do zrozumienia niż na przykład fascynująco złożona Ziemia z jej atmosferą, oceanami, poruszającymi się kontynentami i polem magnetycznym, by wymienić tylko kilka jej aspektów. W tej książce spróbuję wyjaśnić nie tylko aktualne obserwacje i pomiary kosmologiczne, ale także sposób, w jaki można je połączyć za pomocą fizycznych teorii w jednolity obraz kosmosu. Obraz, który opiszę, nie jest jedynym możliwym, niemniej tłumaczy dane obserwacyjne przy minimalnym zestawie założeń. Dalsze obserwacje pokażą, czy obraz ten jest poprawny.

Nasza wiedza o wszechświecie doskonale zgadza się z obserwacjami i zawarta jest w tym, co nazywamy standardowym modelem kosmologicznym. Model ten jest predykcyjny, testowalny i daje się go łatwo obalić lub poprawić, jeśli okaże się to konieczne. Mówi on między innymi, że wszechświat składa się w około 5% z materii atomowej, z której jesteśmy zbudowani, w około 25% z „ciemnej materii” i w 70% z „ciemnej energii”. Bazując na Einsteinowskiej teorii grawitacji, standardowy model kosmologiczny określa, w jaki sposób różne składniki wszechświata ewoluowały od najdawniejszych czasów do chwili obecnej. Innymi słowy, z ogólnej teorii względności bierzemy sposób myślenia o przestrzeni i używamy go jako podstawy do opisania, jak składowe kosmosu – promieniowanie, atomy, ciemna materia i ciemna energia – wspólnie tworzą obserwowany przez nas wszechświat. Mimo że posiadamy tak znakomity model wszechświata, wciąż nie rozumiemy dogłębnie jego podstawowych składników. W kosmologii istnieją ekscytujące, otwarte pytania, które nadal są badane przez naukowców na całym świecie, a niektóre z nich omówimy na końcu tej książki.

Podążając moją własną ścieżką nauki kosmologii, w książce tej skoncentruję się na zrozumieniu wszechświata poprzez pomiary mikrofalowego promieniowania tła (MPT; ang. cosmic microwave background, CMB) – słabej termicznej poświaty narodzin naszego wszechświata.

Dowody przemawiające za istnieniem MPT są przytłaczające. Chociaż przypomina ono promieniowanie cieplne pochodzące ze Słońca lub z kuchenki elektrycznej, ma znacznie niższą temperaturę. Wynosi ona bowiem ledwie 2,725°C powyżej zera absolutnego, czyli 2,725 K, co wyraźnie wskazuje na jego zamierzchłe pochodzenie[1]. Niemniej MPT zawiera znacznie więcej informacji niż tylko temperaturę. Rzeczywiście, większość tego, czego dowiedzieliśmy się dzięki MPT, pochodzi z niewielkich różnic w jego temperaturze w różnych obszarach nieba. Na przykład jego temperatura na północnym i południowym biegunie niebieskim (by wziąć dwa dowolne kierunki) nieznacznie się różni. Ponieważ MPT można zmierzyć z niezwykłą dokładnością, jego zrozumienie jest podstawą naszego modelu kosmologicznego. Zanim jednak zagłębimy się w różne aspekty MPT i to, co z nich wynika, najpierw musimy wyrobić sobie pojęcie dotyczące wszechświata jako całości.

W rozdziale pierwszym omówimy parę fundamentalnych pojęć odnoszących się do kosmosu, kierując się dwiema obserwacjami: prędkość światła jest skończona i wszechświat się rozszerza. Połączenie tych dwóch faktów tworzy ramy, których będziemy używać w kolejnych rozdziałach. W rozdziale drugim dokonamy przeglądu składu wszechświata, nie skupiając się na najdrobniejszych szczegółach, lecz raczej na dominujących elementach w różnych epokach naszej kosmicznej historii. To skład wszechświata mówi mu, jak ma ewoluować. Omówimy również, w jaki sposób składniki wszechświata łączą się ze sobą, tworząc gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. W kosmologii nazywamy to po prostu „strukturą” wszechświata. Cały proces tworzenia się struktury ma swoje źródło w Wielkim Wybuchu, a w efekcie dał on początek Ziemi i ostatecznie nam samym. W rozdziale trzecim wyjaśnimy drobne niejednorodności temperatury w MPT, które są pokazane na rysunku 1. Poprzez zrozumienie tego obrazu możemy bardzo dużo nauczyć się o wszechświecie. Następnie w rozdziale czwartym zbierzemy wszystkie części razem i przedstawimy standardowy model kosmologiczny. Mimo że model ten dostarcza znakomitych przewidywań, wiele kwestii pozostaje niewyjaśnionych. Na koniec, w rozdziale piątym, omówimy niektóre współczesne zagadnienia kosmologii teoretycznej i eksperymentalnej.

Kosmologia to żywa i ekscytująca dziedzina. Trwają poszukiwania coraz głębszego zrozumienia zarówno na polu teoretycznym, jak i eksperymentalnym. Obserwatorom kosmosu, takim jak ja, MPT nadal dostarcza nowych informacji – a przyszłe obserwacje mogą spowodować, że na elementy modelu standardowego spojrzymy w nowym świetle, a także mogą przywieść nas do nowych odkryć.

Zanim zaczniemy, pozwolę sobie dodać krótką uwagę na temat poziomu tej książki. Jednym z wyzwań związanych z przedstawieniem najnowszych osiągnięć nauki jest zaprezentowanie idei na odpowiednim dla czytelnika poziomie. Chociaż definiuję różne terminy i pojęcia z naukową szczegółowością, w całej książce robię pewne założenia dotyczące podstawowej wiedzy czytelnika i jego poziomu zainteresowania omawianą tematyką. Na końcu dodałem kilka aneksów, aby w razie potrzeby podać trochę więcej szczegółów co do niektórych zagadnień. Na przykład zakładam, że czytelnicy będą wiedzieć, iż światło jest falą elektromagnetyczną o określonej długości, która niesie energię. Aneks A.1 zatytułowany Widmo elektromagnetyczne zawiera krótki przewodnik po różnych źródłach promieniowania[2] i ich długościach fal, na wypadek gdyby czytelnik chciał uzyskać dalsze informacje na ten temat. Oczekuję również, że większość czytelników będzie wiedzieć, iż prędkość światła jest skończona i stanowi podstawową stałą Natury. Mniej znany fakt mówi, że bez względu na to, gdzie jesteś we wszechświecie lub z jaką prędkością się poruszasz, zmierzona przez ciebie prędkość światła w próżni będzie wynosić 300 000 kilometrów na sekundę. To jeden z fundamentów szczególnej teorii względności Einsteina. W celu zachowania zwięzłości tej książki nie będę zagłębiać się w teorię względności (jest wiele publikacji, które to robią) lub w inne podobne tematy. Niemniej w dalszej części książki wyjaśnię bardziej szczegółowo, niż czytelnik mógł się zapoznać w przeszłości, pewne fizyczne koncepcje związane z naszym rozumieniem kosmosu. Z konieczności czasami opis będzie ilościowy, ale zapewniam, że potrzebna matematyka pozostanie na poziomie: dystans = prędkość × czas, a używać będziemy głównie liczb przybliżonych, gdyż są łatwiejsze do uchwycenia.

Kosmologia ma to do siebie, że odległości i skale czasowe są tak duże, iż trudno je sobie wyobrazić. Aby ułatwić ich zrozumienie, będziemy liczyć rzeczy w „miliardach”. By umieścić tę liczbę w jakimś kontekście: na Ziemi jest nieco ponad siedem miliardów ludzi; koniuszek małego palca zawiera około miliarda komórek; miliard M&M’s-ów nieznacznie przepełniłby sześcienne pudło o około sześciometrowych krawędziach. Ponieważ jest to książka popularnonaukowa (mam nadzieję, że moi koledzy po fachu mi to wybaczą), nie ma w tekście odnośników do publikacji naukowych, a autorzy konkretnych pomysłów i odkryć wzmiankowani są jedynie w minimalnym stopniu.

Mamy wiele do omówienia w tej krótkiej książce – cały wszechświat – więc zaczynajmy!

PODZIĘKOWANIA

Miałem szczęście uczyć się kosmologii od wielu czołowych specjalistów w tej dziedzinie. David Spergel jest moim bliskim współpracownikiem od ponad dwóch dekad. Jim Peebles i Paul Steinhardt odpowiedzieli na liczne pytania i przekazali mi istotne sugestie dotyczące tej książki. Dick Bond uczył mnie, odkąd rozpocząłem pracę jako adiunkt naukowy. Slava Mukhanov wprowadził mnie w tematykę wczesnego wszechświata.

Oczywiście wszystkie błędy biorę na siebie: zawsze można być lepszym uczniem. Zarówno Steve Boughn, jak i Shyam Khanna przeczytali szczegółowo wcześniejsze wersje książki i przedstawili wiele sugestii, które zamieściłem w tekście. Jeff Aumuller doradził, jak uczynić jej treść bardziej przystępną, podobnie jak Kevin Crowley, Oriel Farajun, Bryant Hall, Neha Anil Kumar, Loki Lin, Christian Robles, Allan Shen, Mona Ye i Kasey Wagoner. Ingrid Gnerlich, moja redaktorka, nadała książce jej obecną formę, przekazała mi zbyt wiele cennych sugestii, by je wymienić, a praca z nią była przyjemnością.

Specjalne podziękowania należą się mojemu koledze Steve’owi Gubserowi, który wraz z Fransem Pretoriusem zainicjował serię „krótkich książek” z zakresu fizyki – jedną o teorii strun, a drugą o czarnych dziurach – i tym samym wytyczył szlak, którym podąża niniejsza publikacja. Steve zginął tragicznie podczas wspinaczki w 2019 roku. Ta książka jest jednym z wielu sposobów, w jakie zostanie zapamiętany.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

PRZYPISY

[1] MPT jest często nazywane „tłem trzykelwinowym”, ponieważ 2,725 K to prawie 3 K. Temperatura w skali Kelvina to po prostu liczba °C powyżej zera. Oznacza to, że 1°C powyżej zera absolutnego to 1 K. Przy kelwinach nie zapisujemy znaku „°”. Zmiana o, powiedzmy, 0,01°C jest taka sama jak zmiana o 0,01 K. W systemie, którym będziemy posługiwać się w tej książce, absolutne zero wynosi –273,14°C, woda zamarza w temperaturze 0°C lub 273,14 K i wrze w temperaturze 100°C lub 373,14 K. Słońce ma około 5500°C lub 5773 K, co od teraz będziemy przybliżać temperaturą 6000 K.

[2] Będę używać zamiennie terminów „światło” i „promieniowanie”.