1. Zasada kosmologiczna

Zasada kosmologiczna…

…Orzeka, że obserwowane, ogólne cechy Wszechświata wszędzie są jednakowe, nie są zależne od tego w jakim rejonie Wszechświata obserwator znajduje się. Zasada ta bazuje na przeświadczeniu, że my nie zajmujemy miejsca wyjątkowego. Pierwszym w czasach poprzedzających współczesność, który dokonał zmiany układu odniesienia w badaniach astronomicznych, czyniąc Słońce obiektem centralnym, detronizując Ziemię do roli satelity, był Mikołaj Kopernik (1473 – 1543). Pracą swą dokonał on przewrotu epokowego w sposobie myślenia, stworzył bazę dla rozwoju nauki uwolnionej z teologicznych impera-tywów, sprawił, że przyrodę zaczęto postrzegać jako byt obiektywny. Zasada kosmologiczna jest tego wyrazem dobitnym, dlatego często utożsamia się ją z osobą Kopernika, choć w sposób bardziej jawny i dosadny jej sens wyraził Giordano Bruno, za co, mocą wyroku Świę-tej Inkwizycji, w roku 1600 spalony został na stosie.

     Zasadę tę przyjmujemy a priori jako aksjomat (właściwie jedyny w tej pracy) odpowiadający głębii ludzkiej intuicji poznawczej. Intuicja ta, w przeciwieństwie do niektórych sądów pochopnych, odzwierciedla właściwie istotę bytu obiektywnego, nie zawsze zresztą w zgodzie z racjonalizmem działań o charakterze poznawczym.

   Na bazie zasady kosmologicznej spróbujemy, w kolejnych artykułach, zbudować Wszechświat, to znaczy odgadnąć jego zasadnicze, immanentne cechy. Czy wszystkie potwierdza (i potwierdzi) obserwacja astronomiczna? Czy wszystkie te cechy spójne są z dzisiejszymi zapatrywaniami? Także temu poświęcimy nieco uwagi.   

     Zatem, jakich charakterystycznych cech Wszechświata powinniśmy oczekiwać bazując na zasadzie kosmologicznej? W pierwszej kolejności oczekiwać powinniśmy tego, że w całym Wszechświecie budowa materii jest jednakowa, oczekiwać powinniśmy istnienia tych samych pierwiastków chemicznych, tych samych cech promieniowania, tych samych właściwości fizycznych materii. Obserwacja astronomiczna potwierdza słuszność tych oczekiwań, a więc pośrednio spójność faktów obserwacyjnych z zasadą kosmologiczną.

     Wynikać też stąd może (choć nie musi) wniosek o istnieniu wspólnoty genetycznej wszystkiego, co stanowi sobą Wszechświat, pomimo tak znacznego oddalenia większości obiektów. Uświadomienie tego prowadzi do konieczności rozważenia dwóch opcji. Zgodnie z pierwszą cechy ciał, substancji, promieniowań są zdeterminowane i wieczne (czy zachodzą wówczas jakiekolwiek zjawska?). W przypadku tym sprawa jest raczej zamknięta dla dalszych dociekań, choćby przez to, że sam czas, manifestujący się istnieniem ciekawości, raczej nie ma racji bytu (pomijając wątpliwą możliwość istnienia podmiotu). Zgodnie z drugą istnieje globalny proces ewolucyjny, zmienność, wskazująca właśnie na istnienie czasu. Wspólnota cech fizycznych materii Wszechświata w tym drugim przypadku świadczyć by mogła o tym, że kiedyś, dawno temu, wszyscy byliśmy razem, gdyż rozwój identycznych cech materii wymaga uzgodnienia, może nawet samouzgodnienia całości. A dziś? Odległości są ogromne. W takim razie ma miejsce ekspansja. Oczywiście to jeszcze nie wniosek. Kurczenie powszechne też wymaga czasu, zmienności, a jeśli przy tym ma miejsce, to wcześniej musiała zachodzić ekspansja (w związku ze wspólnotą cech i koniecznością uzgodnienia). W tej sytuacji wprost narzuca się myśl o cykliczności Przyrody. To przymiarka. Swoją drogą, tak niewiele nam było potrzeba, by dojść do powyższych „ustaleń”. Wystarczyło przyjęcie zasady kosmologicznej i najbardziej elementarna obserwacja (m.in. widm). Także stwierdzenie naszego istnienia za fakt.

     Wbrew pozorom nie jest to takie oczywiste (Że istniejemy?). Patrząc ku odległym obiektom widzimy Wszechświat już nie dzisiejszy [Nie koniecznie z powodu tego, że należy jakiś czas czekać, aż fotony stamtąd dotrą do nas. Dalej (w innym artykule) zobaczymy, że powód dla takiego sądu może być zgoła inny.] Czy to, co widzimy jest identyczne z tym, co znamy z naszego otoczenia? Raczej chyba nie. Wydatny przykład tego stanowią kwazary, istniejące tylko i wyłącznie bardzo daleko (bardzo dawno). Świadczy to o istnieniu ewolucji, zmienności. Nie jest więc słuszna tak zwana mocna zasada kosmologiczna, zgodnie z którą Wszechświat, nie tylko wszędzie, lecz także zawsze był i będzie taki sam. Wszechświat nie jest statyczny. Ta Wszystkość jednak się zmienia. Właściwie dopiero odkrycie kwazarów stworzyło obserwacyjną bazę dla obalenia „mocnej” („uogólnionej”, „drugiej”) zasady kosmologicznej. Czy zmienność ta godzi także w zasadę kopernikańską? Sądzę, że nie. Jeśli tak, to wnioski bazujące na niej doprowadzą nas do sprzeczności z wynikami obserwacji. Uznajmy więc, przynajmniej roboczo, zasadę kosmologiczna (kopernikańską) za bazę dla dalszych przemyśleń.

     Przede wszystkim powinniśmy się liczyć z możliwością, a nawet koniecznością istnienia kosmologicznego czasu uniwersalnego, którego pomiar możliwy jest jedynie z naszego stanowiska, jako nasz czas. Dla nas bowiem wszystkie obiekty oddalone, są młodsze, zegary tam wskazują NAM godzinę wcześniejszą. Zasada kosmologiczna mówi, że każdy obserwator stwierdza to samo, co my. Stwierdza on, zgodnie z tym, co zaznaczyłem powyżej, także to, że odległe (dla niego) obiekty zasadniczo różnią się od tych z jego otoczenia. Zatem mieszkańcy kwazarów wcale nie sądzą, że ich galaktyka jest kwazarem, czyli protogalaktyką. Sądzą o nas to, co my o nich. Zasada kosmologiczna kategorycznie wyklucza możliwość naruszenia tej symetrii.

Tak nawiasem mówiąc oznaczać to może (jeśli nie powinno), że wszystkie obiekty całego Wszechświata łączy wspólne pochodzenie, wspólna historia, a jeśli kiedyś powstały, to wszystkie razem w tym samym momencie. Interesujące, że do tak daleko posuniętego wniosku dojść można już w wyniku przyjęcia (a priori) zasady kosmologicznej. W gruncie rzeczy jej przyjęcie pociąga za sobą konieczność przyjęcia tezy, że historia Wszechświata jest wspólna dla wszystkiego, co stanowi jego zawartość, że istnieje powiązanie wszystkich jego elementów. Czy to nie zastanawia?

     Spróbujmy teraz, bazując na zasadzie kosmologicznej wyciągnąć wnioski dotyczące dynamiki obiektów mających znaczenie kosmologiczne. Jaki jest ich ruch? Od razu zauważamy możliwość istnienia trzech modeli spełniających naszą zasadę. Oto one:

1.Wszystkie obiekty poruszają się z tą samą prędkością (Z jaką? Dobre pytanie.), niezależnie od odległości dzielącej obiekty. Nie chodzi tu oczywiście o „wewnętrzne” prędkości obiektów w układach lokalnych, tylko o prędkości w skali kosmologicznej, powiedzmy 100 milionów lat świetlnych co najmniej. Dzięki temu nasze miejsce nie jest wyjątkowe. Czy jednak istnienie innych, tych lokalnych, prędkości nie kłóci się trochę z tą jedyną i wspólną? Co ze względnością ruchu? W dodatku pytanie: „Ile wynosi ta wspólna prędkość?”, nie jest pozbawione sensu, a odpowiedź na nie, nie wydaje się możliwa.

2. Prędkości są zróżnicowane, z tym, że nie charakteryzuje ich określony rozkład przestrzenny, co oznacza, że w każdym kierunku patrzenia prędkość średnia w zbiorze obiektów jest jednakowa. Od razu jednak pytamy: Ile wynosi ta średnia prędkość? Odpowiedzią może być albo zero, albo prędkość światła, gdyż każda inna prędkość („Jaka? Dlaczego ta, a nie inna z nieskończonego zbioru prędkości?”) niewątpliwie jest bardzo wątpliwa. Zauważmy, że druga możliwość spośród obydwu tu wymienionych odpada, gdyż prędkość światła zarezerwowana jest tylko dla fotonów, tym bardziej nie może więc być prędkością średnią. Może więc prędkość średnia równa jest zeru? Obserwacje astronomiczne potwierdzają istnienie ruchów względnych galaktyk (w każdym razie ruchów galaktyk względem nas). Na przykład słynna galaktyka w Andromedzie (M 31) zbliża się do nas z prędkością około 300 km/s. Zasada względności ruchu byłaby więc także tu nieubłagana gdyby nie to, że mowa tu o prędkości średniej, a nie faktycznie zerowej prędkości wszystkich obiektów. Zatem możliwość ta jest mimo wszystko do przyjęcia. Czy zatem model ten odpowiada rzeczywistości? Roztrzygnięcie dać może tylko obserwacja, choć jeśli opowiemy się za tym właśnie modelem, sprawa jest zakończona. Dalsze poszukiwania nie mają sensu. Co będziemy potem robić? Pocieszać może tylko to, że założona tu ,,zasadnicza statyczność” trochę kłóci się z naszym, bardzo zresztą zmiennym istnieniem, z istnieniem ewolucji w przyrodzie, starzeniem się i (bardziej naukowo) sukcesywnym wzrostem entropii. Kłóci się też z ustaleniem (powyżej), że Wszechświat zmienia się. Z jednej strony przyroda wykazuje, wszędzie i we wszystkich skalach, te same cechy ogólne, z drugiej zaś, cechy te charakteryzują się zmiennością. Przyroda rozwija się, ewoluuje. Zmienność jest jej cechą swoistą. Wynika to z obserwacji, także nas samych. Jak się to ma do modelu drugiego, zaprezentownego powyżej, zakładającego przezcież ogólną, powszechną statyczność? W każdym razie zgodność jest dość problematyczna. Na szczęście mamy w zanadrzu jeszcze jedną możliwość:

3. Prędkości radialne są różne i zależą od odległości, w sposób matematycznie zdefiniowany. W najprostszym przypadku (te najprostsze przypadki przy opisie przyrody należy preferować, nie bacząc na człowieka, który zgodnie ze swa naturą wszystko komplikuje) prędkości są stałe dla danej pary obiektów i proporcjonalne do ich wzajemnej odległości. [Dalej uznamy, że stały w czasie jest stosunek v/c prędkości obiektu do prędkości światła.] Im dalej od nas znajduje się określona galaktyka, tym prędkość jej względem nas jest większa. Tendencja odwrotna nie jest realna, gdyż stworzyłoby to sytuację, w której najbliżsi sąsiedzi powinni byli poruszać się z prędkością podświetlną (jeśli nie z prędkością światła), co jest absurdem. Możliwe są jednak dwa zwroty prędkości: do nas lub od nas. Roztrzygnięcie dać może obserwacja astronomiczna. Już ta możliwość (odwołania się do obserwacji) stanowi o przewadze trzeciego wariantu. Zatem Wszechświat zgodnie z tym modelem bądź się rozszerza, bądź też kurczy. Model taki nie jest już modelem statycznym. Wszechświat rozwija się bowiem w określonym kierunku, ewoluuje. Sama zmienność sugerowałaby przy tym bądź istnienie absolutnego początku (kiedyś w przeszłości) lub dążenie, od nieskończonego dawna ku ostatecznemu końcowi, sprowadzającemu się do punktu lub też...cykliczność zmian. Co lepsze? To trop godny uwagi. Na możliwość cykliczności zwróciłem uwagę już powyżej. Dodać do tego można, że pomimo postulowanej tu proporcjonalności prędkości do odległości, prędkość ta nawet nie osiąga prędkości światła. Jakżesz to? Zobaczymy dalej. Najpierw jednak należy udowodnić, że taki model jest w ogóle zgodny z zasadą kosmologiczną.

     Wyobraźmy sobie cztery galaktyki: A, B, C, D, równooddalone od siebie, tworzące jedną linię prostą. My zamieszkujemy galaktykę B. Jeśli ruch tych galaktyk ma charakter kosmologiczny (realizują określoną wspólną dla wszystkich ogólną tendencję), to albo wszystkie oddalają się, albo też wszystkie zbliżają się. Przyjmijmy, że się oddalają. Galaktyka C oddala się od nas z prędkością v. Z tą samą prędkością oddala się galaktyka D od galaktyki C (w związku z założoną proporcjonalnością prędkości do odległości). Wynika stąd, że galaktyka D oddala się od nas z prędkością 2v. Galaktyka A oddala się od nas w kierunku przeciwnym, także z prędkością v. To stwierdzamy my. A co stwierdza mieszkaniec galaktyki C? Otóż my oddalamy się od niej z prędkością v, tak samo jak galaktyka D w przeciwną stronę, a galaktyka A z prędkością 2v. Według mieszkańców galaktyki A galaktyka D oddala się z prędkością 3v. To samo stwierdzają mieszkańcy galaktyki D w odniesieniu do galaktyki A. Zatem, niezależnie od tego, na której galaktyce znajduje się obserwator, rozkład prędkości galaktyk sasiednich jest identyczny. Mamy więc zgodność z zasadą kosmologiczną. Można przypuszczać, że spełniają ją właściwie wszystkie modele zbudowane na bazie proporcjonalności.

Czy również model, w którym proporcjonalne do odległości jest przyśpieszenie? Pytanie to zbija z tropu wzbudzając wątpliwość, gdyż źródłem przyśpieszenia jest siła, która jest wielkością wektorową. Kłóci się to z założoną izotropowością Wszechświata. Poza tym, zgodnie z zasadą kosmologiczną, siły pochodzące od obiektów znajdujących się po przeciwnych stronach (gdziekolwiek), powinny kompensować się. Siła wypadkowa działająca na każdy obiekt powinna być więc równa zeru, a to jednak prowadzi do wniosku o stałości prędkości (określonego obiektu), do zgodności, tak by stwierdził uczeń, powszechnego ruchu kosmologicznego z pierwszą zasadą dynamiki. Mielibyśmy do czynienia z ruchem bezwładnym. Do tego stopnia?? Czy mielibyśmy wtedy do czynienia z "kosmologią naiwną"? Powiedzmy, że chodziłoby właściwie o stałość stosunku prędkości obiektu do prędkości światła w związku z tym, że prędkość radialną wyznacza się obserwacyjnie, bazując na efekcie Dopplera. Tym wracamy do roboczego założenia, od którego zaczęliśmy opis modelu trzeciego.

     Dziś sądzi się powszechnie, że rozwiązaniem kwestii jest przyjęcie, że ewentualne rozszerzanie się (lub kurczenie się) nie jest związane z faktycznym ruchem, lecz jest wynikiem zmian metryki przestrzeni. Czy słusznie? Będzie o tym mowa niejeden raz dalej. Ale dajmy na to, że w związku z tym własnie możliwe jest przyśpieszenie (daje tę możliwość doktryna o rozszerzającej się przestrzeni, czyli odejście od modelu newtonowskiego). Samo przyśpieszenie byłoby, zgodnie z zasadą kosmologiczną, proporcjonalne do odległosci. W sytuacji tej narzuca się od razu pytanie: Jaka jest przyczyna przyśpieszenia? Czy chodzi o przyśpieszenie „na zewnątrz”? Pomimo, że grawitacja działa w przeciwną stronę, pomimo, że ogólna teoria względności opisuje wyłącznie przyciągające działanie grawitacji? Czy samo przyśpieszenie w danym momencie obserwacji rośnie wraz z odległością? Chyba raczej maleje... Nowy byt do mnożenia bytów? „Już nie trzeba mnożyć. Przecież istnieje (?) ciemna energia”. Oto spontaniczna reakcja większości z Was, czytelnicy. W kontekście naszych aktualnych rozważań stwierdzenie takie jest jednak gołosłowne. Przecież budujemy wszystko od zera. A „ciemna energia”? W jednym z kolejnych artykułów sprowadzę ją do niebytu, wskazując na możliwość zgoła innego wyjaśnienia efektów obserwacyjnych, rzekomo świadczących o przyśpieszeniu ekspansji. Wróćmy jednak do naszych aktualnych dociekań.

     Chyba, że Wszechświat się zapada... Teoretycznie możliwa jest także ta opcja. Uprzedzając tok wynurzeń, jakie by się pojawiły w związku z tą możliwością stwierdzam rzecz wiadomą dziś szerokiej publiczności. Z obserwacji wynika, że Wszechświat (aktualnie) rozszerza się. Wariant zapadania się w tym kontekście odpada. [Jak się przekonamy później, to wcale nie takie oczywiste.]

     Zatem jak się rozszerza? Czy zgodnie z modelem przedstawionym powyżej (galaktyki A, B, C, D), to znaczy z prędkościami proporcjonalnymi do odległości? Może jednak przy tym przyśpiesza? Na razie jednak możliwość tę, a także możliwość przyśpieszonej kontrakcji, odłóżmy na później. Być może już ten prostszy model, w którym prędkość względna dwóch określonych obiektów jest stała, zbieżny będzie z danymi obserwacyjnymi. Jeśli nie, będzie jeszcze o czym rozprawiać, będziemy też dysponować bazą ku temu.

     A teraz zwróćcie uwagę. W przypadku prędkości bardzo dużych, relatywistycznych, w odniesieniu do obiektów najbardziej oddalonych, prędkość względną obliczamy w inny sposób. Również odległość wzrasta (od obiektu do obiektu) inaczej, wolniej, w sposób zsynchronizowany ze wzrostem prędkości, przy zachowaniu proporcji, którą postuluje zasada kosmologiczna. Chodzi o to, że w związku z ograniczeniem możliwej prędkości do prędkości światła c, także odległość ma swój kres górny. Oznacza to, że rozmiary Wszechświata są też ograniczone. Wszechświat nie może być nieskończony w swych rozmiarach! Zauważmy istnienie zbieżności rozwoju, ewolucji, ukierunkowanego jednoznacznie ruchu, ze skończonością, z ograniczonością przestrzenną Wszechświata. Z całą pewnością to nie przypadek. 

     Czy bazując na powyższym ustaleniu można wyznaczyć rozmiary Wszechświata? Otóż można, w związku z założoną proporcjonalnością prędkości radialnej (względem nas) galaktyk do ich odległości, oraz w związku z istnieniem kresu górnego prędkości (c). Oczywiście pod warunkiem, że tę proporcjonalność wykryjemy obserwacyjnie. Proporcjonalność tę zapisać można w następujący sposób:  v/r = const. Rozmiary Wszechświata (R) odpowiadałyby prędkości światła (c). By je wyliczyć, należałoby jedynie... wyznaczyć wielkość współczynnika proporcjonalności (tej stałej – const).

     Do tego wszystkiego można było dojść już w wiekach szesnastym, siedemnastym. Inna sprawa, że model ostatni (trzeci) z całą pewnością nie byłby preferowany. Nawet w początkach XX wieku nauka dotrzegała właściwie tylko możliwość drugą za jedynie istniejącą (nie jako fakt, lecz jako bezwzględnie preferowaną możliwość). Na poglądzie tym bazował Eintein wprowadzając w swych równaniach pola (OTW) stałą kosmologiczną (z czego się po niedługim czasie wycofał). Wiedza o Wszechświecie była bowiem wówczas zbyt uboga. Nawet nie wiedziano, że poza naszą Galaktyką istnieją miliardy innych, a co dopiero dawniej, na przykład w czasach Galileusza. To, że Giordano Bruno fantazjował (i źle skończył), jeszcze niczego nie zmienia. Niezalenie od tego zmiana nawyków myślowych jest procesem bardzo powolnym. Tak nawiasem mówiąc, to jedna z przyczyn kryzysu jaki czeka nas (jego pierwsze forpoczty już dają się nam we znaki), niewątpliwie w konsekwencji intensywnego rozwoju technologicznego. Złapał nas ten rozwój nie przygotowanych mentalnie. Apokalipsa? Nie, tylko kryzys, jedynie w skali pewnej małej planety. Wróćmy do Wszechświata. Doszliśmy do wniosków daleko idących, zbudowaliśmy w zasadzie zręby modelu Wszechświata. A tak niewiele nam było do tego potrzeba. Wszystko teraz zależy od wyników obserwacji astronomicznych. Jeśli nie potwierdzają słuszności naszego modelu, to albo należy poszukać innego rozwiązania sprawy, zgodnego z zasadą kosmologiczną, albo zasada ta nie jest słuszna. Ten wniosek pozostawiłbym jednak na sam koniec.