Trzęsienie w czasoprzestrzeni

Już wiadomo, co wydarzyło się w momencie Wielkiego Wybuchu! Za pomocą teleskopu umieszczonego na biegunie południowym naukowcom udało się uchwycić sygnały z chwili narodzin Kosmosu. Jedyne w swoim rodzaju pomiary potwierdzają najśmielsze ludzkie wyobrażenia o tym, co stało się w sekundzie zero.

– Nie ma piękniejszego sposobu zmarnowania urlopu – mówi Andrei Linde z rozpromienionym wyrazem twarzy. Fizyk z kalifornijskiego Uniwersytetu Stanford i jego żona byli już myślami na wakacjach, kiedy nieoczekiwanie w ich drzwiach stanął kolega Lindego Chao-Lin Kuo. Bez długich wstępów zakomunikował nowinę: "r = 0,2!". Na karaibskiej plaży Linde nie mógł już myśleć o niczym innym.

Niewielu ludzi wiedziałoby, co począć z tak zaszyfrowaną wiadomością. Dla Andreia Lindego jednak od początku wszystko było jasne: Kuo i jego współtowarzysze za pomocą swojego radioteleskopu na Antarktydzie odebrali sygnał z chwili stworzenia Wszechświata. ”r” to parametr, który opisuje niejako impet Wielkiego Wybuchu – zespół Kuo wpadł na trop istoty tego wydarzenia.

 

66-letni Linde czekał na tę chwilę od ponad trzydziestu lat i oto nagle stanął w obliczu ukoronowania dzieła swojego życia. Fizyk ten jest ojcem tak zwanej teorii inflacji, która opisuje, jak w pierwszych ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu ustawione zostały decydujące zwrotnice dla dalszego rozwoju. Wraz z odkryciem, o jakim poinformował Kuo, teoria ta została praktycznie potwierdzona.

Po kilku niespokojnych dniach wakacji Linde poleciał do Bostonu. Chciał być przy tym, jak Kuo i jego koledzy przedstawią swoje spektakularne dane.

Wiadomość ta przyciągnęła do audytorium Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics również wielu innych badaczy. Na przykład 78-letni Robert Wilson też nie chciał przegapić takiego wydarzenia. Pięćdziesiąt lat temu jako pierwszy wychwycił w Kosmosie szum elektromagnetyczny. Teraz nadsłuchiwał, jakie nowe tajemnice z owego echa Wielkiego Wybuchu udało się odszyfrować jego kolegom.

– Osiągnęliśmy jeden z najważniejszych celów kosmologii – oznajmił John Kovac, fizyk z Harvardu, szef eksperymentu na biegunie południowym. On i jego zespół zmierzyli tak zwaną polaryzację kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła i wyśledzili przy tym ślad wielkiego trzęsienia w Kosmosie.  Radioteleskop Bicep2 pozwala po raz pierwszy zajrzeć do warsztatu Stwórcy.  Naukowcy analizowali owe dane ”z mieszaniną bojaźni, zachwytu oraz silnego stresu” – opowiada  Kovac.

Środowisko fizyków na całym świecie, skądinąd mało znane ze skłonności do popadania w euforię, nie posiadało się z radości. – To jedno z największych odkryć w historii nauki – zachwycał się kosmolog z MIT-u  Max Tegmark. – Tak wspaniałe, jak tylko można sobie wyobrazić – wtórował mu Marc Kamionkowski  z Johns Hopkins University.

Sporo wielkich misteriów fizycznych ukazało się nagle w zupełnie nowym świetle. Co było tą pierwotną siłą, która kryje się za początkiem wszelkiego istnienia? W jaki sposób rozwinęły się z niej w owym żarze początku światów siły, jakie obserwujemy dzisiaj? A przede wszystkim: jaką rolę odegrała przy tym najpotężniejsza, a jednocześnie najbardziej zagadkowa z tych sił, czyli grawitacja? Do odpowiedzi na owe pytania dane z teleskopu Bicep2 dostarczają w tej chwili niezwykle cennych wskazówek.

Odkrycie to jest ze wszech miar godne Nagrody Nobla – zachwycał się fizyk z MIT-u Alan Guth, myśląc przy tym odrobinę również o sobie. W końcu jest on, obok Andreia Lindego, również twórcą idei inflacji. (…)

Na początku była książka. Jeszcze w szkole John Kovac natknął się na ”Pierwsze trzy minuty”, klasyczne dzieło, w którym fizyk teoretyczny Steven Weinberg zaznajamia laików ze szczegółami stworzenia światów. Pokazuje, jak astrofizycy wychwycili na niebie szum elektromagnetyczny i wywiedli zeń zaskakująco dokładną kronikę Wielkiego Wybuchu.

Kovac z zafascynowaniem czytał tę legendarną już dziś historię, jak Robert Wilson i jego kolega Arno Penzias po raz pierwszy zarejestrowali ów szum i uznali go za błąd urządzenia pomiarowego. Ustawili je więc dokładnie, skalibrowali, owinęli każdy kant folią aluminiową i oczyścili teleskop z odchodów gołębich. Szum jednak trwał uparcie nadal.

Dopiero ich koledzy wpadli na pomysł, że może tu chodzić o realne zjawisko – jedyny w swoim rodzaju sygnał z nieba, pochodzący z samego początku istnienia Wszechświata. Wilson i Penzias wychwycili rodzaj echa Wielkiego Wybuchu, powstałego około 380 tysięcy lat od chwili początku czasu.  – To mnie absolutnie zauroczyło – wspomina John Kovac. – Znaczyło bowiem, że można zbudować taki zwariowany teleskop jak ten i dotrzeć do samego sedna wszystkich pytań.

Lata później, gdy studiował w Princeton, w jego programie zajęć pojawiła się budowa detektora mikrofalowego. - I nagle zrozumiałem: to jest dokładnie to, o czym czytałem jeszcze jako uczeń - opowiada. Gdy potem dowiedział się jeszcze, że są plany umieszczenia na biegunie południowym mikrofalowego teleskopu, wiedział ostatecznie, gdzie jest jego przeznaczenie.

Od tamtej pory już 23 razy był na Antarktyce. W wielkim obozie National Science Foundation w Nowej Zelandii stale wypożyczał kombinezon dla badaczy polarnych i wyruszał do jednego z najbardziej nieprzyjaznych miejsc na naszej planecie - do Amundsen-Scott South Pole Station. Tak nazywa się obecne laboratorium, w którym glacjolodzy, geofizycy, badacze atmosfery, fizycy  wysokich energii  i astronomowie pracują nad rozwiązaniem wielkich zagadek ludzkości. Stację nazwano od imion obu pionierów, którzy przed stu laty ruszyli do wyścigu o zdobycie tego najbardziej południowego skrawka Ziemi.

Od wyścigu zaczęła się również kariera badawcza Johna Kovaca. Dwie rywalizujące ze sobą grupy naukowców starały się zbadać strukturę kosmicznego promieniowania tła. (…) Grupa z bieguna południowego poniosła wówczas porażkę. Wygrał krążący wokół Ziemi satelita Cobe. Kiedy ten zespół zaprezentował pierwsze zdjęcia Wielkiego Wybuchu, świat wstrzymał oddech, a Kovac dopiero wtedy tak naprawdę zrozumiał, jak wielkie znaczenie miał problem, nad którym pracował. Nie przeczuwał, że za dwadzieścia lat on sam wejdzie na scenę z równie spektakularnym odkryciem.

Teraz wszystko wyglądało prawie tak, jak gdyby powtarzał się znów tamten wyścig. Również tym razem celem było wyrwanie promieniowaniu w tle nowych tajemnic, tyle że już za pomocą wyrafinowanej techniki. I znowu doszło do rywalizacji między przywiązanym do Ziemi teleskopem a zwiadowcą w Kosmosie. Zespół europejskiego satelity Planck śledził te same sygnały co grupa Kovaca na biegunie południowym. (…) Tym razem szybszy okazał się zespół teleskopu Bicep2.

Dla 67-letniego dziś Alana Gutha opublikowanie danych uzyskanych przez ową grupę badaczy miało szczególne znaczenie. Jego życie naukowe było ściśle związane ze sformułowaną przezeń 35 lat temu teorią inflacji kosmologicznej. (…) Wiedział od razu, że jest to spektakularne odkrycie.

Czym innym było jednak przekonanie kolegów po fachu o słuszności owej idei. Teoria ta wysadzała bowiem w powietrze wszystko, co myślano dotychczas. W ciągu jednej stutysięcznej miliardowej części sekundy świat rozszerzył się z subatomowej do kosmicznej wielkości. Czy tak groteskowo brzmiąca teza mogła mieć w ogóle sens? A przede wszystkim - czy kiedykolwiek uda się ją potwierdzić?

Wielu badaczy mocno w to powątpiewało. Za sprawą teorii Gutha - krytykowali - konkretna, jasna i obliczalna fizyka zmieniała się w płynną, spekulacyjną i nieudowodnioną metafizykę. Z rzeczywistością, której opisanie było właściwym zadaniem nauk fizycznych, taki mistycyzm o dziele stworzenia nie miał zupełnie nic wspólnego.

Sceptycy się mylili. Są już eksperymentalne testy teorii inflacji. Przez trzy lata Bicep2 na biegunie południowym zbierał konkretne dowody. Wyniki pomiarów z Antarktyki umożliwiły wgląd w eksplozyjnie rozszerzający się Kosmos tuż po jego powstaniu. Na niekończącej się lodowej pustyni badacze zbliżyli się do pierwszego ze wszystkich momentów tak bardzo, jak tylko można to sobie wyobrazić.

Aby dojść do głębszej wiedzy, ludzie od zarania szukali samotności. Gdy fizycy wycofują się do tego oddalonego od świata miejsca, by zgłębiać tajemnice istnienia, przynosi to niekiedy tak spektakularne efekty. Powody są także czysto praktyczne. Astrofizycy wybierają biegun południowy, bo nie ma bardziej suchego skrawka na Ziemi i tu właśnie, na antarktycznej pokrywie lodowej, na prawie trzech tysiącach metrów nad poziomem morza, widok mącą tylko nieliczne zjawiska atmosferyczne.

(…) Sygnał odbierany przez teleskop był bardzo wyraźny. Żaden z fizyków nie miał odwagi wierzyć, że czułość sprzętu okaże się wystarczająca, by go w ogóle rozpoznać. Okazało się jednak, że był silniejszy, niż przewidywały nawet najbardziej śmiałe prognozy.

Zgodnie z obliczeniami teoretyków inflacja miała pozostawić w promieniowaniu w tle coś w rodzaju odcisku stopy, którego siła zależała od tego, jak wysokie było podczas owej inflacyjnej ekspansji Kosmosu zagęszczenie energii - to właśnie ta wielkość, którą fizycy opisują jako parametr "r".

Podczas analizy danych badacze stwierdzili, że "r" równa się 0,2 - a to jest wartość, która przeszła najśmielsze oczekiwania. Inflacja promieniowania w tle pozostawiła bardzo wyraźną sygnaturę. Jak określił to jeden uniwersyteckich kolegów Kovaca: "Szukaliśmy igły w stogu siana, a znaleźliśmy łom".

John Kovac znał naturalnie przewidywania teoretyków. Ale pojąć je za pomocą własnego umysłu to coś zupełnie innego, niż potwierdzić konkretnymi pomiarami. Miał uczucie wielkiej doniosłości chwili, w której wzory polaryzacyjne na zdjęciach z teleskopu Bicep2 zaczęły nabierać kształtów. Pomału stawało się dla niego jasne, że ma oto przed sobą bardzo wyraźną wiadomość z samego początku czasu.

Zgodnie ze scenariuszami teoretyków w pierwszym mikroskopijnym ułamku sekundy Wszechświat doznał wszechogarniającego wstrząsu, pod wpływem którego zaczął się rozszerzać. Czasoprzestrzeń trzęsła się i wibrowała. Fale grawitacyjne były wszechobecne i rozchodziły się we wszystkich kierunkach.

Chodziło tu o szczególny rodzaj fal, który fascynował fizyków od czasu, gdy sto lat temu przepowiedział go Albert Einstein. Każda masa - twierdził w swojej teorii względności - zmienia czasoprzestrzeń w swoim otoczeniu. Gdy masa ta dozna przyspieszenia, powoduje wgniecenie, które z prędkością światła zaczyna wędrować przez czasoprzestrzeń.

Tak powstałe fale grawitacyjne są w rzeczywistości ogromnie słabe. Ziemia na przykład emituje je, okrążając słońce, z mocą trzech 60-watowych żarówek - to o wiele za mało, by można było je zmierzyć.

Z tej właśnie przyczyny astronomowie wolą trzymać się spektakularnych procesów: na przykład eksplozja supernowej czy okrążające się nawzajem z ogromną szybkością gwiazdy neutronowe są nieporównywalnie silniejszymi źródłami fal grawitacyjnych. Ale nawet powodowane przez te wydarzenia wstrząsy czasoprzestrzeni są tak niewielkie, że dowiedzenie ich zalicza się do największych wyzwań techniki pomiarowej.

Nowoczesne interferometry sprawiają, że taka zapierająca dech w piersiach dokładność staje się możliwa. Fizycy pracujący przy detektorach Ligo (USA), Virgo (Włochy) i Geo600 (Hanower) wierzą, że już wkrótce będą mogli dostarczyć potrzebne dowody.

Ich praca byłaby oczywiście znacznie łatwiejsza, gdyby mogli prowadzić swoje pomiary we Wszechświecie istniejącym zaledwie od ułamka sekundy. Inflacyjne wstrząsy były bowiem znacznie silniejsze niż te każdej dzisiejszej supernowej. W ciągu 13,8 miliarda lat od Wielkiego Wybuchu pierwotne fale grawitacyjne tak bardzo już przebrzmiały, że wymykają się wszelkim ludzkim wysiłkom pomiarowym. Kosmiczne trzęsienie aż do odległej przyszłości musi pozostać niesłyszalne dla ziemskich narzędzi.

Mimo to badacze znaleźli drogę, by dowieść bezpośrednio wielkiego trzęsienia. 380 tysięcy lat  po Wielkim Wybuchu, a więc w czasie, gdy powstało mikrofalowe promieniowanie kosmiczne, wszechobecne fale grawitacyjne były jeszcze  na tyle silne, że pozostawiły po sobie ślady w promieniowaniu tła.

Rezultatem tego są charakterystyczne wzory polaryzacyjne, jakie zaprezentowali światowej opinii publicznej naukowcy pracujący z teleskopem Bicep2. Alan Guth i Andrei Linde, dwaj ojcowie duchowi teorii inflacji kosmologicznej, pochylają się teraz, uskrzydleni nowymi danymi, nad swoimi starymi formułami.

Obu badaczy fascynuje przede wszystkim zaskakująco wysoka wartość parametru "r". Przemawia ona bowiem za tym, że inflacja przebiegała jeszcze bardziej gwałtownie , niż uznawali to za możliwe nawet płomienni zwolennicy owej teorii. (…)"Jestem tak podekscytowany, że dostałem wrzodów żołądka“ - mówił Linde w dniu konferencji prasowej na seminarium kosmologicznym. Z okazji owej sensacji energiczny i dowcipny Rosjanin zaproszony został tam jako mówca.

(…) Wygląda na to, że fizycy są nienasyceni. Ledwie potwierdziła się jedna hipoteza, już rozglądają się za kolejną, jeszcze bardziej śmiałą ideą. Tak jest również i teraz - tym razem hasło brzmi: "Multiversum". Wiele modeli inflacyjnych ma bowiem to do siebie, że nie tylko opisują powstanie jednego Universum, lecz - jako nieuchronny efekt uboczny - tworzą jednocześnie nieskończenie wiele kolejnych.

Tak, jak nasz Wszechświat powstał z innego, podobnie może w każdej chwili stać się i z nim. Formuły matematyczne opisują przychodzenie i odchodzenie całych światów. Teoretycy przedstawiają owe "Multiversum" jako garnek z kipiącą wodą, tyle że tu zamiast bąbelków powietrza pojawiają się maleńkie kosmosy.

Szczególny urok tej koncepcji polega na tym, że w każdym z tak powstałych światów w wyniku spontanicznych procesów tworzą się własne prawa natury.  Zgodnie z poglądem zwolenników tej idei  mogłoby to rozwiązać jedną z wielkich, wciąż niewyjaśnionych zagadek: dlaczego prawa natury są skonstruowane dokładnie tak, by umożliwić powstawanie nowego życia? Gdyby choć jeden z wielu parametrów owych praw odrobinę zmienić, w naszym Wszechświecie niemożliwy stałby się wszelki rodzaj życia - i nigdy nie powstaliby ludzie, którzy mogliby łamać sobie głowy nad takimi problemami. (…)

Już wkrótce odkrycie Johna Kovaca znajdzie się we wszystkich podręcznikach - podobnie jak już od dziesięcioleci są w nich dokonania Robert Wilsona, jego sąsiada z pokoju na Harvardzie. W bezchmurne rozgwieżdżone noce obaj badacze spotykają się niekiedy na dachu instytutu astrofizyki. Budują tam dla swoich studentów odbiorniki mikrofal, jakie dziś można już kupić za mniej niż sto dolarów. Gdy dokładnie się wsłuchać, można rozpoznać szum nieporównywalny z niczym innym. To jest właśnie to echo Wielkiego Wybuchu, którego istnienie Robert Wilson udowodnił przed pięćdziesięciu laty.

 

Autor: Johann Grolle

Źródło: Der Spiegel

 

Sieci społecznościowe

Tagi