Wszechświat

Z Wikipedii

Mapa mikrofalowego promieniowania tła, pokazująca obraz wczesnego wszechświata (na podstawie danych zebranych przez sondę WMAP)

Wszechświat - wszystko co fizycznie istnieje: cała przestrzeń, czas, wszystkie formy materii i energii, oraz prawa fizyki i stałe fizyczne określające ich zachowanie. Słowo "wszechświat" może być też używane w innych kontekstach, jako synonim słów kosmos, świat czy Natura.

Obserwacje astronomiczne pokazują, że wszechświat istnieje od 13,73 ± 0,12 miliarda lat^[1]. Jego obecny rozmiar to co najmniej 93 miliardy lat świetlnych, czyli 8,8 × 10²⁶ metrów. Zgodnie ze współczesną wiedzą, wszechświat powstał z grawitacyjnej osobliwości nazwanej Wielkim Wybuchem - punktu w czasoprzestrzeni, w którym była skupiona cała jego materia i energia. Od tego momentu wszechświat powiększył się do obecnej postaci, prawdopodobnie przechodząc przez krótki okres kosmologicznej inflacji^[2]. Wielki Wybuch i ekspansja wszechświata zostały potwierdzona przez różne niezależne obserwacje. Odkryto także, że ekspansja wszechświata przyspiesza, oraz że większość materii i energii wszechświata ma całkowicie inną postać niż to co bezpośrednio obserwujemy (patrz ciemna materia i ciemna energia).

Według współczesnej wiedzy, wszechświatem kierowały te sama prawa fizyki a stałe fizyczne nie zmieniały się przez cały czas jego istnienia. Dominującą siłą na odległościach kosmologicznych jest grawitacja. Pozostałe siły: elektromagnetyzm, oddziaływanie silne i oddziaływanie słabe mają dominujące znaczenie w małych odległościach. Wszechświat ma trzy obserwowalne wymiary przestrzenne i jeden czasowy, choć niewykluczone że ma więcej wymiarów zwiniętych do mikroskopijnych wielkości. Czasoprzestrzeń jest gładką i spójną rozmaitością, a jej przeciętna krzywizna jest bardzo mała, co oznacza że w dużej skali jej geometria jest w przybliżeniu euklidesowa.

Z powyższej definicji wszechświata wynika, że nic nie może istnieć poza nim. Istnieją jednak alternatywne definicje, dopuszczające że nasz "wszechświat" jest jednym z wielu "wszechświatów", których zbiór określa się jako wieloświat. Przykładowo teoria chaotycznej inflacji dopuszcza istnienie nieskończenie wielu wszechświatów różniących się obowiązującymi w nich stałymi fizycznymi. Wieloświatowa interpretacja mechaniki kwantowej mówi natomiast, że każdy pomiar kwantowego układu w superpozycji powoduje powstanie osobnego wszechświata dla każdego wyniku pomiaru. Ponieważ z definicji takie wszechświaty są rozłączne z naszym, tych spekulacji nie da się przetestować eksperymentalnie.

[edytuj] Wielkość, struktura i zawartość wszechświata

Uważa się że wszechświat składa się głównie z ciemnej energii i ciemnej materii, których natury nie znamy. Zaledwie 4% wszechświata to zwykła materia.

Współczesna nauka nie potrafi podać górnych ograniczeń na wielkość wszechświata. Możliwe że jego rozmiary są nieskończone. Potrafimy podać dolne ograniczenie, wynikające z ekstrapolacji oddalania się od nas najdalszych obserwowanych obiektów. Wynika z niego, że wszechświat ma średnicę co najmniej 93 miliardów lat świetlnych^[3]. Dla porównania, średnica przeciętnej galaktyki to 30 000 lat świetlnych, a przeciętna odległość między dwiema sąsiadującymi galaktykami to 3 miliony lat świetlnych^[4].

W skalach powyżej 300 milionów lat świetlnych, obserwowalna materia jest rozłożona równomiernie w przestrzeni^[5]. W mniejszych skalach materia skupiona jest w hierarchiczną strukturę: atomy formują gwiazdy, gwiazdy skupiają się w galaktyki, galaktyki skupiają się w gromady i supergromady, a supergromady układają się w włókna rozdzielone pustkami. Obserwowalna materia jest również rozłożona izotropowo, co oznacza, że w każdym kierunku jest jej mniej więcej taka sama ilość^[6]. Wszechświat wypełnia dodatkowo bardzo równomierne mikrofalowe promieniowanie odpowiadające równowadze termicznej ciała doskonale czarnego o temperaturze około 2,725 stopni Kelvina^[7].

Obecna średnia gęstość wszechświata wynosi około 9,9 × 10⁻³⁰ gramów na centymetr sześcienny. Energia we wszechświecie istnieje w większości w postaci ciemnej energii (73%) i ciemnej materii (23%). Jedynie 4% to materia barionowa, którą jesteśmy w stanie bezpośrednio obserwować. Gęstość atomów we wszechświecie wynosi średnio jeden atom wodoru na cztery metry sześcienne^[8]. Właściwości ciemnej materii i ciemnej energii są w dużym stopniu nieznane. Wiadomo że ciemna materia oddziałuje grawitacyjnie tak jak zwykła materia, spowalniając ekspansję wszechświata, natomiast ciemna energia przyspiesza tę ekspansję.

Najdokładniejsze obecnie oszacowanie wieku wszechświata opiera się na obserwacji promieniowania tła przez sondę WMAP. Według tych obserwacji wszechświat ma 13,73±0,12 miliarda lat^[9]. Inne pomiary, oparte na radiodatowaniu podają zgodne wyniki, choć mniej precyzyjne: 11-20 miliardów lat^[10] i 13-15 miliardów lat.^[11]

Cząstki elementarne z których zbudowana jest znana materia: sześć leptonów i sześć kwarków, oraz bozony cechowania przenoszące oddziaływania. Diagram przedstawia również dotychczas niezaobserwowany bozon Higgsa, mający nadawać masę cząstkom z którymi oddziałuje.

Częstość występowania pierwiastków we Wszechświecie jest prawie identyczna do tej jaka była w momencie ich powstania, co oznacza że procesy tworzenia pierwiastków w gwiazdach i supernowych do tej pory tylko nieznacznie ją zmieniły.^[12] Wszechświat zawiera wielokrotnie więcej materii niż antymaterii. Ta asymetria jest prawdopodobnie związana z łamaniem parzystości CP^[13]. Wszechświat wydaje się nie posiadać sumarycznego ładunku elektrycznego ani momentu pędu. Ich wystąpienie oznaczałoby złamanie odpowiednio prawa Gaussa i zasady zachowania momentu pędu, jeśli wszechświat jest skończony^[14].

Prawa fizyki, wedle współczesnej wiedzy, nie zmieniały się od początku istnienia wszechświata^[15]. Zgodnie z obowiązującym obecnie Modelem Standardowym, cała materia składa się z trzech generacji kwarków i leptonów, oddziałujących poprzez cztery siły podstawowe: elektromagnetyzm (przenoszony przez fotony), oddziaływanie słabe (przenoszone przez bozony W i Z), oddziaływanie silne (przenoszone przez gluony) oraz grawitację (której mechanizm przenoszenia jest nieznany). Nie istnieje obecnie teoria wyjaśniająca wartości podstawowych stałych fizycznych, takich jak stała Plancka czy stała grawitacji. Zidentyfikowano kilka praw zachowania, którym podlegają wszystkie procesy we wszechświecie: np. zasada zachowania energii czy zasada zachowania ładunku elektrycznego. W większości te prawa są konsekwencjami symetrii praw fizyki.

[edytuj] Historyczne modele wszechświata

Główny artykuł: Kosmologia

W historii ludzkości powstało wiele hipotez na temat tego jak wygląda i jak powstał wszechświat. Większość z nich oparta jest na opisywaniu aktów stworzenia dokonanych przez różne bóstwa. Z upływem czasu, rozwój technik obserwacyjnych i teorii fizycznych pozwolił na stworzenie dokładniejszych modeli wszechświata i weryfikowania hipotez dotyczących jego wieku i wielkości. Współczesne modele opierają się głownie na ogólnej teorii względności, która umożliwia ilościowe przewidywania dotyczące początków, kształtu i dalszej ewolucji wszechświata jako całości. Obecnie brak teorii opisujących własności ciemnej materii i ciemnej energii uniemożliwia stworzenie spójnego modelu weryfikowalnego eksperymentalnie.

[edytuj] Mity

Zobacz też: Kosmogonia.

Wiele kultur stworzyło własne mity dotyczące powstania wszechświata. Większość tych mitów można zaliczyć do kilku kategorii. Pierwsza obejmuje mity, w których wszechświat wykluwa się z jaja: motyw ten pojawia się w fińskim poemacie Kalevala, chińskiej historii o Pan Gu czy hinduskiej Brahmanda Purana. Druga grupa to mity, w których wszechświat jest samostwarzającym się bóstwem, jego fragmentem bądź emanacją, jak w buddyjskiej koncepcji Adi-budda, starogreckiej historii Gaji, azteckiej Coatlicue czy staroegipskim Atum. W kolejnej grupie mitów wszechświat powstaje z ciała martwego bóstwa, np. Tiamat w mitologii sumeryjskiej czy Ymir w mitologii nordyckiej. Wedle innych mitów wszechświat został powołany do istnienia przez akt kreacji, np. przez staroegipskiego boga Ptah bądź biblijnego JHWH. Ostatnia grupa to mity, w których istnienie wszechświata nie wynika ze świadomego aktu woli, a jest jedynie konsekwencją fundamentalnych praw, jak w hinduskiej koncepcji Brahman czy yin i yang w Tao.

[edytuj] Modele filozoficzne

Najstarsze znane filozoficzne modele wszechświata można znaleźć w Wedach, napisanych w 2 tysiącleciu p.n.e. Opisują one mitologię hinduską, w której wszechświat przechodzi przez cykle powstania, zniszczenia i odrodzenia, a każdy cykl trwa 4 320 000 lat. Występuje tam też teoria pięciu żywiołów tworzących wszechświat: Waju (powietrze), Ap (woda), Agni (ogień), Prythiwi (ziemia) i Akaśa (eter). W VI wieku p.n.e., indyjski filozof Kanada opracował teorię atomizmu, i twierdził że światło i ciepło są przejawami tej samej substancji.^[16] Koncepcja ta przeniknęła później do starożytnej Grecji i została rozwinięte przez Leucypa, Empedoklesa i Demokryta.

W Europie, pierwsze znane modele wszechświata pochodzą od filozofów przedsokratejskich. Zauważyli oni, że to co widzimy może być mylące, w szczególności że materia może zmieniać swoją formę (np. lód w wodę, woda w parę). Pojawiły się koncepcje mówiące, że wszystkie istniejące substancje są formami jednej, pierwotnej, arché: u Talesa była to woda, u Anaksymenesa powietrze, u Heraklita ogień, u Pitagorasa były to liczby, a u Anaksymandera chaotyczna substancja, którą nazwał apeironem.

W odróżnieniu do starożytnych filozofów, którzy uważali wszechświat za istniejący wiecznie i nie posiadający początku, filozofowie średniowieczni uznawali, że miał on swój początek. Było to zainspirowane podstawami religii abrahamowych: judaizmu, chrześcijaństwa i islamu. Bazując na niemożliwości istnienia aktualnej nieskończoności, żydowski filozof Saadja ben Josef oraz arabscy filozofowie Al-Kindi i Al-Ghazali, dowodzili że wszechświat istniejący bez początku jest logicznie niemożliwy^[17]. Argumenty te zostały później przejęte przez chrześcijańskich filozofów i teologów.

[edytuj] Modele astronomiczne

Astronomiczne modele wszechświata powstały równocześnie z początkami astronomii w starożytnym Sumerze. Pierwsze modele zakładały, że świat składa się z płaskiej ziemi unoszącej się na oceanie. Model ten był uznawany potem przez wczesnych greckich filozofów, np. Anaksymandera i Hekatajosa. Późniejsi greccy filozofowie, obserwując ruch ciał niebieskich, budowali modele w większym stopniu oparte na faktach obserwacyjnych. Najstarszy znany taki model zaproponował Eudoksos z Knidos. W tym modelu przestrzeń i czas są nieskończone, Ziemia jest sferyczna i spoczywa w centrum wszechświata, a pozostała materia jest ograniczona do koncentrycznych sfer obracających się wokół niej. Model ten został rozwinięty przez Arystotelesa, a później bardzo uściślony przez Ptolemeusza. Odniósł on wielki sukces dzięki dużej precyzji przewidywań, możliwej z matematycznego powodu: dowolną funkcję (jak np. położenie planety) można przedstawić za pomocą sumy orbit (patrz szereg Fouriera).

Model geocentryczny nie był jedynym uznawanym przez Greków. Arystarch z Samos, według relacji Archimedesa, prawdopodobnie jako pierwszy zaproponował model heliocentryczny, w którym gwiazdy byłyby umieszczone na sferze ze Słońcem w środku. Nie zdobył on jednak szerokiego poparcia, między innymi z powodu pozornej sprzeczności z brakiem paralaksy gwiazd (w rzeczywistości powodowanej przez znacznie większą odległość do nich niż wtedy zakładano). Jedynym znanym astronomem, który w tych czasach poparł model Arystarcha był Seleukos z Seleucji^{[18] [19]}.

W czasach średniowiecznych podobny model był proponowany w Indiach przez Aryabhata, a w krajach arabskich przez Albumasara i Al-Sijzi^[20].

Kopernikański model wszechświata w ilustracji Thomasa Diggesa z 1576 roku, rozszerzony o koncepcję, mówiącą że gwiazdy nie znajdują się na sferze, ale są równomiernie rozłożone w przestrzeni otaczającej planety.

Mikołaj Kopernik był pierwszym, który użył modelu heliocentrycznego do opracowania prostszego sposobu wyliczania położenia planet, co spowodowało stopniowe zaakceptowanie tego modelu w cywilizacji zachodniej. Model Kopernika zakładał, że Ziemia obraca się wokół własnej osi, co pozwoliło z czasem odejść od pojęcia sfer niebieskich. Thomas Digges wprowadził do tego modelu poprawkę, stwierdzając że gwiazdy są rozmieszczone równomiernie w przestrzeni^[21]. Giordano Bruno rozwinął dalej tę ideę, postulując, że przestrzeń jest nieskończona i zawiera nieskończenie wiele gwiazd, wokół których krążą planety podobne do Ziemi.

Koncepcja ta została później zaakceptowana przez naukowców takich jak Isaac Newton i Christiaan Huygens^[21], choć prowadziła do kilku paradoksów. Po pierwsze, zakładała że gwiazdy o skończonej wielkości w nieskończoność świecą, co oznacza że produkują nieskończenie wiele energii. Po drugie, jak zauważył Edmund Halley^[22] i niezależnie Jean-Philippe de Cheseaux^[23], w nieskończonym wszechświecie nocne niebo powinno świecić blaskiem równie jasnym jak powierzchnia Słońca (jest to dzisiaj znane jako paradoks Olbersa)^[24]. Po trzecie, jak zauważył Newton, nieskończona ilość materii w takiej przestrzeni przyciągałaby się grawitacyjnie z nieskończoną siłą, co powinno spowodować jej natychmiastowe zapadnięcie się^[21]. Paradoksy te zostały ostatecznie rozwiązane przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina^[25] oraz uznanie rozszerzania się wszechświata. Wszystkie współczesne modele wszechświata buduje się w oparciu o tę teorię.

[edytuj] Współczesne modele wszechświata

Artystyczna wizja testowania ogólnej teorii względności za pomocą sondy Cassini. Sygnały radiowe przesyłane między Ziemią a sondą są opóźniane przez zakrzywienie czasoprzestrzeni wywoływane przez Słońce.

Spośród czterech oddziaływań podstawowych, grawitacja jest uznawana za jedyną która odgrywa istotną rolę na odległościach astronomicznych. Ponieważ każda masa przyciąga grawitacyjnie, jej efekt kumuluje się dla dużych obiektów. W oddziaływaniu elektromagnetycznym taki efekt nie następuje, gdyż różnoimienne ładunki łatwo łączą się w neutralnie elektrycznie obiekty i z tego powodu duże obiekty nigdy nie posiadają istotnego sumarycznego ładunku. Pozostałe dwa oddziaływania, silne i słabe, mają tak mały zasięg, że odgrywają istotną rolę wyłącznie na odległościach subatomowych.

[edytuj] Ogólna Teoria Względności

Zobacz też: Ogólna teoria względności, Równanie Einsteina.

Ponieważ grawitacja odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu wszechświata, dokładne określenie jego przeszłości i przyszłości wymaga dokładnej teorii ją opisującej. Najlepszą obecnie znaną nam teorią grawitacji jest ogólna teoria względności. Do tej pory wszelkie przeprowadzone doświadczenia zgadzają się z jej przewidywaniami. Ponieważ jednak mamy bardzo niewielkie możliwości przeprowadzania eksperymentów na kosmologicznych odległościach, istnieje możliwość że nie jest ona w takich warunkach poprawna. Dotychczas jednak nie istnieją dane pozwalające zastąpić ją lepszą teorią.

Ogólna teoria względności udostępnia zestaw nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych dla tensora metrycznego czasoprzestrzeni (są to równania Einsteina). Parametrami tych równań jest rozłożenie masy i energii oraz pędu we wszechświecie, a ich rozwiązaniem, kształt wszechświata. Ponieważ nie możemy obserwacyjnie wyznaczyć tych wielkości dla odległych rejonów wszechświata, modele kosmologiczne tworzy się w oparciu o zasadę kosmologiczną, mówiącą że w dużych skalach wszechświat jest jednorodny i izotropowy. Zakłada się zatem, że grawitacyjny efekt materii rozmieszczonej we wszechświecie jest identyczny do wywoływanego przez pył o tej samej średniej gęstości, rozsiany równomiernie w przestrzeni. Założenie to pozwala łatwo rozwiązać równania Einsteina i przewidywać przeszłość i przyszłość wszechświata w kosmologicznych skalach czasowych.

Równania Einsteina zawierają stałą kosmologiczną (Λ),^[25][26] określającą gęstość energii pustej przestrzeni.^[27] W zależności od znaku, stała kosmologiczna może albo spowalniać (gdy jest ujemna) lub przyspieszać (gdy jest dodatnia) rozszerzanie się wszechświata. Mimo że wielu fizyków, z Einsteinem na czele, zakładało że Λ ma wartość zerową^[28], ostatnie obserwacje supernowych typu Ia sugerują, że ekspansja wszechświata rzeczywiście przyspiesza^[29]. Istnieje obecnie kilka możliwych wytłumaczeń tego zjawiska, jednym z nich jest dodatnia wartość Λ^[30].

[edytuj] Wielki Wybuch

Zobacz też: Wielki Wybuch, Nukleosynteza, Model Lambda-CDM.

Współcześnie uznawany model powstania i ekspansji czasoprzestrzeni.

Ogólna teoria względności pozwala na stworzenie wielu możliwych modeli wszechświata. Spośród nich za obowiązujący uważa się ten, który najlepiej odpowiada danym obserwacyjnym. Obecnie najistotniejsze te dane to: korelacja między odległością i przesunięciem ku czerwieni odległych galaktyk, jednakowy stosunek ilości wodoru do helu we wszystkich obszarach wszechświata oraz izotropowość mikrofalowego promieniowania tła.

Pierwsza obserwacja jest wyjaśniana przez rozszerzanie się przestrzeni. Według teorii względności, w miarę rozszerzania wszechświata, długość fali każdego fotonu powoli się zwiększa, co zmniejsza jednocześnie jego energię. Tym samym im dłużej dany foton istnieje, tym bardziej jest przesunięty ku czerwieni. Stosunek ilości pierwiastków jest wyjaśniany przez model pierwotnej nukleosyntezy. W miarę rozszerzania się wszechświata energia promieniowania maleje szybciej niż energia materii. Można z tego wnioskować że choć obecnie większość energii ma postać materii, w przeszłości większość była w postaci promieniowania. Rozszerzanie powodowało spadek temperatury tego promieniowania, aż w którymś momencie cząstki elementarne mogły zacząć się łączyć w coraz większe struktury. W początkowym okresie dominacji materii powstały protony i neutrony, które następnie łączyły się w jądra atomowe. Materia wszechświata była wtedy głównie w postaci gorącej, gęstej plazmy, złożonej z elektronów, neutrin i jąder atomowych. Reakcje jądrowe w tej plazmie doprowadziły do obecnie obserwowanej ilości lekkich pierwiastków: wodoru, deuteru i helu. Po wystarczającym ostygnięciu, elektrony i jądra połączyły się w atomy, co sprawiło że wszechświat stał się przezroczysty dla światła. Ten moment był źródłem izotropowego promieniowania tła obserwowanego dzisiaj.

[edytuj] Wieloświat

Zobacz też: Wieloświat.

Obserwacje wszechświata nie mogą wykluczyć, że to co obserwujemy jest jedynie jednym z wielu rozłącznych wszechświatów, wspólnie tworzących wieloświat. Wtedy słowo "wszechświat" nie będzie oznaczać wszystkiego co istnieje, a jedynie wszystko co jesteśmy w stanie zaobserwować.^[31] Z tej definicji wynika, że nie istnieje sposób na jakiekolwiek oddziaływanie z innym wszechświatem. Gdyby taka możliwość istniała, ten inny wszechświat stanowiłby faktycznie część naszego. Dlatego choć w fantastyce naukowej spotyka się podróże między równoległymi wszechświatami, formalnie nie powinno się w takiej sytuacji używać słowa "wszechświat". Pojęcie równoległego wszechświata zakłada że jest on fizyczny, w tym sensie że posiada swoją własną czasoprzestrzeń, swoją materię i energię oraz własny zbiór praw fizyki. Dlatego taką koncepcję należy odróżnić od metafizycznego pojęcia innych poziomów egzystencji, które nie są uważane za fizyczne.

Współczesna nauka podaje przynajmniej dwie możliwość w jakich może powstać wiele wszechświatów. Pierwsza to rozłączenie czasoprzestrzeni, powodujące że żadna postać materii ani energii nie może przedostać się z jednego obszaru do drugiego. Przykładowo niektóre teorie łączące inflację kosmologiczną z teorią strun dopuszczają takie zjawiska^[32]. Druga możliwość wynika z wieloświatowej interpretacji mechaniki kwantowej. W tej interpretacji, każdy kwantowy pomiar powoduje że wszechświat dzieli się na tyle wersji, ile jest możliwych wyników takiego pomiaru. Ten motyw jest często wykorzystywany w fantastyce naukowej. Obie te możlwiości są jednak całkowicie spekulatywne i są uznawane raczej za nienaukowe. Fakt że równoległe wszechświaty nie mogą w żaden sposób wpływać na nasz oznacza w szczególności, że nie da się ich istnienia przetestować eksperymentalnie, co oznacza że teoria o ich istnieniu nie spełnia warunku weryfikowalności.

[edytuj] Zobacz też

• Abiogeneza
• Astronomia
• Fałszywa próżnia
• Hipoteza Gai
• Hipoteza jedynej Ziemi
• Kształt Wszechświata
• Kosmologia
• Kosmologia obserwacyjna
• Rzeczywistość
• Skala Kardaszewa
• Wielki Wybuch
• Zasada antropiczna

[edytuj] Przypisy

[edytuj] Linki zewnętrzne

Zobacz w Wikicytatach kolekcję cytatów
o Wszechświecie

Zobacz galerię na Wikimedia Commons:
Wszechświat

• Atlas Wszechświata
• Age of the Universe (en)
• Stephen Hawking's Universe (en)
• Cosmology FAQ (en)
• Cosmos – An "illustrated dimensional journey from microcosmos to macrocosmos" (en)
• Illustration comparing the sizes of the planets, the sun, and other stars (en)
• Logarithmic Maps of the Universe (en)
• My So-Called Universe (en)
• Parallel Universes (en)
• The Dark Side and the Bright Side of the Universe (en)
• Universe – Space Information Centre (en)
• Exploring the Universe (en)