To pierwsza część kolejnego artykułu przedstawiającego Niekonwencjonalną Wizję Wszechświata, stanowiącą treść wspomnianych już książek.
6
Promieniowanie tła A
Wyniki obserwacji astronomicznych, zbieżne z zasadą kosmologiczną, skłaniają nas do przyjęcia tezy (by nie powiedzieć: przekonują), że Wszechświat rozszerza się. Jeśli „teoria” ta jest słuszna, powinna także antycypować efekty obserwacyjne dotąd nie znane, wskazując kierunek przyszłych badań i poszukiwań. Jak wiadomo, materia Wszechświata to nie tylko gwiazdy i planety. To także promieniowanie elektromagnetyczne. Istniało ono z całą pewnością już w bardzo wczesnych fazach ewolucji, już w pierwszych sekundach po „starcie”. W tym czasie jednak było ono w równowadze z materią cząstek. Procesy kreacji cząstek i ich anihilacji przebiegały ze zbliżonym natężeniem. Materia stanowiła kipiącą zupę o bardzo wysokiej temperaturze, z której wyizolowanie promieniowania i oddzielenie go od cząstek masywnych nie było możliwe. Dopiero po około pół miliona lat nieprzerwanej ekspansji (ściślej: 300 – 700 tys. lat) temperatura i gęstość spadły na tyle, by promieniowanie oddzieliło się ostatecznie od materii substancjalnej. To oddzielenie się nazwano rozprzężeniem. Temperatura wynosiła wówczas około 3000K, a Wszechświat stał się przeźroczysty. Poniżej tej temperatury promieniowanie generalnie nie jest bowiem w stanie usunąć elektronów z ich orbit wokół jąder atomowych*. Promieniowanie to powinno istnieć do dziś będąc skamieniałością, reliktem czasów poprzedzających prawie o dwa miliardy lat powstanie galaktyk. Promieniowanie to nie opuściło przecież Wszechświata będąc jego integralną częścią. Dodajmy, tak „na chłopski rozum”, że nie było to możliwe w związku z tym, że prędkość ekspansji (hubblowskiej) równa jest c. Mamy więc przy okazji, jeszcze jeden argument wspierający to twierdzenie**.
Zatem promieniowanie to istnieje cały czas i wypełnia całą przestrzeń (ograniczoną przez horyzont Hubblowski). Powinno więc ono dochodzić do nas zewsząd i manifestować się tym samym natężeniem, zgodnie z zasadą kosmologiczną. By je odnaleźć, powinniśmy przewidzieć długość jego fali, która przecież musiała się zmienić przez te wszystkie lata ciągłego rozszerzania się Wszechświata. „Te same fotony by wypełnić zwiększającą się przestrzeń, powinny ulegać ciągłej zmianie. Powinna wzrastać długość ich fali (długość – jeden wymiar) w stosunku, w którym zwiększa się promień Wszechświata, w którym powiększają się wszystkie wymiary”, tak, jak ruch każdego z nich w jednym z trzech kierunków trójwymiarowej przestrzeni (a nie, jakby się rozszerzał – w trzech wymiarach równoczesnie). Tak na marginesie zauważmy, że podejście to jakby przeczy dzisiejszemu modelowaniu ekspansji Wszechświata w sensie malenia krzywizny przestrzeni, ekspansji nie dotyczącej wcale zawartości Wszechświata (galaktyk, ciał, cząstek). A jednak fotony wydłużają się, pomimo, że nawet galaktyki nie ulegają zmianie, unoszone jak punkciki na powierzchni balonu... W każdym razie tak się to dzisiaj opisuje poglądowo dla poznawczych potrzeb amatorów. Mimo wszystko, czy to nie zastanawia (fotony tak, a galaktyki nie)? Ale to przecież duże uproszczenie. A jak jest w istocie?
"Powinna wzrastać długość ich fali..." Tak na chłopski rozum, choć w latach czterdziestych ub. wieku nie było to wcale tak oczywiste. Właśnie wtedy G. Gamow wraz ze swymi uczniami na bazie przypuszczenia, że na początku temperatura musiała być bardzo wysoka, przewidywał istnienie promieniowania tła stanowiącego relikt najdawniejszych czasów – tuż po Big-Bangu (tak nazwał ten uczony Wielki Wybuch). "Powinno to być promieniowanie cieplne, którego rozkład zgodny ma być z prawem Wiena."
Sądząc po przedstawionym wyżej uproszczonym modelu, stwierdzić można, że długość fali domniemanego promieniowania reliktowego wzrasta proporcjonalnie do rozmiarów Wszechświata, to znaczy do jego promienia. Zapisujemy to następująco:
λ(1)/λ(2) = R(1)/R(2) (&)
Problemem byłoby to, że początkowej (gdy w czasie samego Wybuchu pojawiło się promieniowanie elektromagnetyczne), tej najmniejszej w historii Wszechświata długości fali, nie możemy znać. Oczywiście nie jest możliwe jej obserwacyjne wyznaczenie. Całe szczęście możliwe jest obliczenie po jakim czasie od Wielkiego Wybuchu dojść musiało do separacji promieniowania i materii substancjalnej. Moment ten służyć może za punkt odniesienia. Jak wyżej wspomniałem, promieniowanie odseparowało się od materii substancjalnej, gdy odpowiadało temperturze 3000K. Nastąpiło to po upływie około trzystu tysięcy lat od momentu „wybychu”. Promień Wszechświata równy był tyleż samo lat świetlnych. Nie bierzemy oczywiście pod uwagę wstępnego, bardzo wczesnego, okresu, w którym, zgodnie z przyjętym powszechnie dość uzasadnionym poglądem (który i ja podzielam), miał miejsce wzrost nieliniowy. Trwał on jednak bardzo krótko, wprost drobny ułamek sekundy (zgodnie z naszą subiektywną miarą czasu).
Oszacujmy najpierw długość fali promieniowania termicznego odpowiadającego wspomnianej temperaturze trzech tysięcy kelwinów. Oprzemy się na prawie Wiena:
λ(1) = C/T(1)
Tutaj: C – stała C = 2,898*10^-3m*K, T – temperatura w skali bezwzględnej, którą dla uproszczenia nazwiemy temperaturą promieniowania. W naszym przypadku temperatura ta wynosi 3000K.
Otrzymujemy więc: λ(1) = 0,966*10^-6m. (tu gwiazdka oznacza mnożenie)
Przyjmijmy teraz, że dziś promień Wszechświata [R(2)] równy jest 15 miliardów lat świetlnych (zgodnie z przyjętą przez nas „roboczo” wartością stałej Hubble’a), a w momencie rozprzężenia wynosił 3*10^5 ly. Bazując na równości (&) otrzymujemy: λ(2) = 4, 83*10^-2m
Jest to długość fali promieniowania mikrofalowego. Wynik ten daje tylko oszacowanie rzędu wielkości. Trudno o większe wymagania. Wszak bazowaliśmy w gruncie rzeczy na programie fizyki licealnej. Czy takie promieniowanie w ogóle istnieje?…
Oszacowanie to, jak wspomniałem powyżej, jest dużym uproszczeniem również z tego powodu, że fotony stanowią ogromną przewagę ilościową w stosunku do cząstek masywnych. Na każdy barion przypada bowiem około miliarda fotonów. Zatem nawet jeśli temperatura odpowiadająca maksimum widma jest stosunkowo niska (na przykład 3.000K), bardzo dużo jest fotonów o bardzo wielkiej energii. Nie było więc tak, że jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki Wszechświat nagle stał się przeźroczysty. Oto jedna z przyczyn tego, że obliczenia powyższe są grubym oszacowaniwem, tylko dla potrzeb ogólnej orientacji. Poza tym, choćby z tego samego powodu, sam proces rozprzężenia rozciągnięty musiał być w czasie, nie mógł być aktem przbiegającym w mgnieniu oka. Dodać do tego należy, że sam Wszechświat, już wtedy, jednorodny był tylko w skali globalnej, a niejednorodności lokalne z całą pewnością istniały już. Czym spowodowane? – o tym później.
*) Istniały wówczas tylko trzy pierwiastki: wodór, hel i lit. Warunki dla syntezy pozostałych pierwiastków stworzyły się dopiero z chwilą pojawienia się gwiazd.
**) Tak nawiasem mówiąc, nie jest to argument najmocniejszy. "Argumentem" bardziej dosadnym jest przyjęta za bazę teza, przedstawiona już w poprzednich artykułach, że Wszechświat jest Wszystkością, że nie ma nic poza nim, że nie ma Wszechświatów równoległych, a wszystko, przynajmniej teoretycznie jest obserwowalne – w każdej chwili, z każdego miejsca.