Nasz inny Wszechswiat - Paul Halpern.pdf

Ty​tuł ory​gi​nału EDGE OF THE UNI​VERSE A VOY​AGE TO THE CO​SMIC HO​RI​ZON AND BEY​OND Co​py​ri​ght © 2012 by Paul Hal​pern All ri​ghts re​se​rved Pro​jekt se​rii Pró​szyń​ski Me​dia Opra​co​wa​nie gra​ficzne okładki Zbi​gniew Larwa Zdję​cie na okładce Fot. NASA Re​dak​tor se​rii Ad​rian Mar​kow​ski Re​dak​cja Anna Ka​niew​ska Ko​rekta An​drzej Massé ISBN 978-83-7961-792-0 War​szawa 2014 Wy​dawca Pró​szyń​ski Me​dia Sp. z o.o. 02-697 War​szawa, ul. Rzy​mow​skiego 28 www.pro​szyn​ski.pl

Dla Fe​li​cii, Eliego i Adena z wy​ra​zami mi​ło​ści

Pro​log Nie​zwy​kłe, nowe gra​nice ko​smo​lo​gii Wszystko, co​kol​wiek są​dzi​li​śmy nie​gdyś o Wszech​świe​cie, oka​zało się błędne. Za​kła​da​li​śmy, że więk​szość ma​te​rii w prze​strzeni ko​smicz​nej jest zbu​do​wana z ato​mów lub przy​najm​niej z ja​kiejś wi​dzial​nej sub​stan​cji. Błąd! My​śle​li​śmy, że roz​sze​rza​nie Wszech​świata ulega spo​wol​nie​niu i że jego po​- więk​sza​nie od mo​mentu Wiel​kiego Wy​bu​chu traci im​pet. Znów błąd! My​śle​- li​śmy, że ga​lak​tyki są roz​miesz​czone sto​sun​kowo rów​no​mier​nie i że nie ma du​żych prze​strzeni, które by​łyby ich po​zba​wione. Było to przed od​kry​ciem ol​brzy​mich pu​stych ob​sza​rów, co oba​liło do​tych​czas ży​wione prze​ko​na​nie, a więc błąd po raz ko​lejny! My​śle​li​śmy, że ist​nieje tylko je​den wszech​świat (ang. uni​verse). Na​wia​sem mó​wiąc, uni ozna​cza je​den. Pod​czas gdy na​sza wie​dza na te​mat tego jed​nego po​zo​staje wciąż nie​pewna, nie​któ​rzy uczeni pró​bują już do​wo​dzić ist​nie​nia wie​lo​świata – zbioru rów​no​le​głych rze​czy​wi​- sto​ści. Tak więc osta​tecz​nie na​wet an​giel​ski ter​min uni​verse może oka​zać się błędny. Wi​tamy w ko​smo​lo​gii XXI wieku, bar​dzo wy​spe​cja​li​zo​wa​nej dzie​dzi​nie, która nie oba​wia się przy​znać, że prze​można część Wszech​świata zbu​do​wana jest z cze​goś, co po​zo​staje jak do​tąd poza na​szą moż​li​wo​ścią poj​mo​wa​nia. Ciemna ma​te​ria, ciemna ener​gia i nie​zmie​rzone pu​ste ob​szary na​leżą dziś do tak sze​roko dys​ku​to​wa​nych pro​ble​mów ko​smo​lo​gicz​nych, że przy​po​mina to se​rial te​le​wi​zyjny z lat dzie​więć​dzie​sią​tych – Se​in​feld – czyli wszystko „o ni​czym”. Kiedy oprócz in​nych źró​deł ba​dane są gi​gan​tyczne luki w prze​- strzeni, pod​czas in​ten​syw​nego prze​cze​sy​wa​nia nieba za po​mocą te​le​sko​pów na​ziem​nych i or​bi​tal​nych, albo do​ko​ny​wana jest szcze​gó​łowa ana​liza sy​gna​- łów ra​dio​wych – po​zo​sta​ło​ści po za​ra​niu dzie​jów – na ra​da​ro​wych ekra​nach ko​smo​lo​gów wi​dać do​słow​nie ni​cość. Mó​wiąc ści​śle, to coś nie jest „ni​co​ścią” – na​sza wie​dza po pro​stu nie wy​-

star​cza, aby​śmy mo​gli po​wie​dzieć, co to jest. Za​zwy​czaj astro​no​mo​wie sku​- piają się na czymś, co można bez​po​śred​nio ob​ser​wo​wać, to zna​czy na gwiaz​- dach i pla​ne​tach. Oce​niają oni, że od czte​rech do pię​ciu pro​cent Wszech​- świata sta​nowi ma​te​ria kon​wen​cjo​nalna. Jed​nakże w opi​nii tych, któ​rzy po​- dą​żają drogą naj​now​szych tren​dów, zwy​kła ma​te​ria jest dwu​dzie​sto​wieczną ra​motą. By​li​śmy tam, ro​bi​li​śmy to, ale te​raz chcemy się za​jąć zgłę​bia​niem wy​ra​fi​no​wa​nej za​gadki nie​wi​dzial​nej więk​szo​ści ko​smosu. Jako na​uka zaj​mu​jąca się ca​łym fi​zycz​nym Wszech​świa​tem ko​smo​lo​gia do​pa​so​wuje swoje cele i za​kres dzia​ła​nia do na​pływu in​for​ma​cji na te​mat prze​strzeni ko​smicz​nej. Dzięki no​wo​cze​snej tech​nice wy​ja​śniono znaczną liczbę wiel​kich ta​jem​nic, które nie​gdyś wpra​wiały w za​kło​po​ta​nie fi​lo​zo​fów i na​ukow​ców. Wszyst​kie ro​dzaje ko​smo​lo​gicz​nych da​nych wska​zują na pier​- wotną erę ko​smosu zwaną Wiel​kim Wy​bu​chem, kiedy pa​no​wało nie​wia​ry​- godne go​rąco i nie​po​jęta gę​stość. Astro​no​mo​wie usta​lili przy​bli​żony wiek Wszech​świata na 13,75 mi​liarda lat (plus mi​nus około 100 mi​lio​nów lat) i od​two​rzyli szcze​gó​łowy ob​raz nie​któ​rych z jego wcze​snych sta​diów. Ak​tu​- alne mo​dele oce​niają śred​nicę ob​ser​wo​wal​nego Wszech​świata (tę część prze​- strzeni, dla któ​rej za po​mocą od​po​wied​nich in​stru​men​tów mo​żemy zmie​rzyć do​cho​dzące stam​tąd sy​gnały) na około 93 mi​liar​dów lat świetl​nych. Jed​- nakże, jak na iro​nię, wy​daje się, że im wię​cej wiemy o ko​smo​sie, tym bar​- dziej zda​jemy so​bie sprawę z tego, jak wiele leży poza na​szym za​się​giem. Pięć stu​leci temu dzielni eu​ro​pej​scy po​dróż​nicy wy​ru​szali na wy​prawy pod ża​glami, prze​kra​czali do​strze​galne mor​skie ho​ry​zonty i na​no​sili na mapy nie​znane im do​tych​czas lądy. Dzi​siaj astro​no​mo​wie po​dej​mują jesz​cze am​- bit​niej​sze cele i dążą do zmie​rze​nia kształtu, ho​ry​zontu i roz​miaru sa​mego Wszech​świata łącz​nie z jego ogrom​nymi nie​wi​docz​nymi ob​sza​rami. W tej ko​smicz​nej wy​pra​wie kom​pasy, sek​stansy i per​ga​mi​nowe zwoje za​stą​piły po​- tężne te​le​skopy, pre​cy​zyjne od​bior​niki pro​mie​nio​wa​nia mi​kro​fa​lo​wego, wy​- ra​fi​no​wane al​go​rytmy kom​pu​te​rowe i ze​staw in​nych na​rzę​dzi zdol​nych do prze​chwy​ty​wa​nia fal świetl​nych z ca​łego widma. Wy​ła​nia​jący się kar​to​- gra​ficzny ob​raz Wszech​świata jest bu​do​wany z nie​zwy​kle za​wi​łych za​pi​sów sy​gna​łów świetl​nych, na​wet gdy pró​bu​jemy wni​kać w se​krety ciem​no​ści. Na​- ro​dzi​nom tej no​wej ko​smo​lo​gii to​wa​rzy​szy bo​gac​two ko​lo​rów świa​teł, które zbie​rane i ana​li​zo​wane przez na​ukę, roz​ja​śnią bez​kre​sną noc. Nasz świat ota​cza ciem​ność prze​ry​wana je​dy​nie roz​pro​szo​nymi punk​ci​- kami świa​tła. Przy​wy​kli​śmy do pustki i nie zra​żamy się za​da​niem gro​ma​dze​-

nia in​for​ma​cji po​cho​dzą​cych z od​le​głych obiek​tów, in​for​ma​cji, które pra​wie nie​do​strze​gal​nie sy​gna​li​zują swoje przy​by​cie każ​dej nocy. Umie​jęt​ność pro​- jek​to​wa​nia kon​cen​tru​ją​cych świa​tło zwier​cia​deł i so​cze​wek umoż​li​wia ma​po​- wa​nie ta​kich czę​ści prze​strzeni ko​smicz​nej, z któ​rych sy​gnały do​cie​rają do nas do​słow​nie po mi​liar​dach lat. Astro​no​mia z ła​two​ścią ra​dzi so​bie te​raz z ta​kimi wy​zwa​niami. Mimo to sta​jemy się co​raz bar​dziej świa​domi faktu, że ciem​ność, opie​ra​jąc się wszel​kim pró​bom zro​zu​mie​nia, bu​dzi co​raz więk​szą kon​ster​na​cję. Pod​- czas gdy praw​dziwą ni​cość, nie​po​wo​du​jącą żad​nych efek​tów, można za​nie​- dbać, o tyle nie można trak​to​wać lekko nie​wi​dzial​nej sub​stan​cji, wy​wie​ra​ją​- cej ja​kiś ukryty wpływ. Co​raz do​bit​niej prze​ko​nu​jemy się, że pewne ob​ser​- wo​wane zja​wi​ska są wy​wo​ły​wane obec​no​ścią sub​stan​cji, któ​rej nie mo​żemy zo​ba​czyć. Droga Mleczna i inne ga​lak​tyki ma​jące w swo​ich cen​trach su​per​- ma​sywne czarne dziury są ste​ro​wane przez ciemną ma​te​rię i roz​py​chane przez ciemną ener​gię. Ist​nieją trzy od​rębne typy ukry​tych od​dzia​ły​wań, a ostat​nie dwa sta​no​wią w su​mie lwią część ca​łej ma​te​rii i ener​gii Wszech​- świata. Wiemy przy​najm​niej, z czego zbu​do​wane są kon​wen​cjo​nalne czarne dziury, które sta​no​wią wy​soce skom​pre​so​wany stan ma​te​rii po​wsta​jący wów​- czas, gdy do​cho​dzi do ka​ta​stro​fal​nego ko​lapsu ją​dra ma​syw​nych gwiazd. Wy​ka​zują się one tak in​ten​sywną gra​wi​ta​cją, że nic nie może wy​rwać się z ich uchwytu, na​wet sy​gnały świetlne. Su​per​ma​sywne czarne dziury – dużo więk​sze niż ich zwy​kła od​miana – ufor​mo​wane z po​zo​sta​ło​ści wcze​śniej​- szych, bar​dziej ma​syw​nych ge​ne​ra​cji gwiazd, praw​do​po​dob​nie ode​grały główną rolę w pro​ce​sie sa​mo​or​ga​ni​zo​wa​nia się ta​kich ga​lak​tyk jak Droga Mleczna. Za​tem, cho​ciaż czarne dziury są ta​jem​ni​cze, astro​no​mo​wie skon​- stru​owali re​alne mo​dele po​ka​zu​jące spo​sób ich po​wsta​wa​nia. Nie mo​żemy tego sa​mego po​wie​dzieć o ciem​nej ma​te​rii; nikt nie zna jej praw​dzi​wego składu. Astro​no​mo​wie wnio​skują o ist​nie​niu ciem​nej ma​te​rii na pod​sta​wie za​cho​wa​nia gwiazd, ga​lak​tyk i gro​mad ga​lak​tyk. Nie​wi​doczna sub​stan​cja po​ciąga gwiazdy po​ło​żone w ze​wnętrz​nych re​jo​nach ga​lak​tyk, zmu​sza​jąc je do okrą​ża​nia cen​trów ga​lak​tycz​nych dużo szyb​ciej, niż czy​ni​- łyby to bez jej wpływu. Po​nadto bez gra​wi​ta​cyj​nego „kleju” po​cho​dzą​cego z nie​wi​docz​nej sub​stan​cji ga​lak​tyki nie by​łyby zdolne do for​mo​wa​nia gi​gan​- tycz​nych gro​mad, które od​naj​du​jemy w prze​stwo​rzach, ta​kich jak gro​mada Coma, gro​mada w Pan​nie i wiele in​nych. Ostat​nie ba​da​nia ciem​nej ma​te​rii

wo​kół gro​mad po​ka​zują, że jej ty​powy kształt przy​po​mina ra​czej wy​dłu​żone cy​garo, a nie sy​me​tryczną sferę. Na​ukowcy oce​niają, że ciemna ma​te​ria sta​- nowi w przy​bli​że​niu 23 pro​cent ca​łej za​war​to​ści Wszech​świata. Wciąż jed​- nak, mimo roz​licz​nych eks​pe​ry​men​tów, jej istota po​zo​staje nie​znana. Na​wet jesz​cze więk​sza część wszyst​kiego, co ist​nieje w ob​ser​wo​wa​nym Wszech​świe​cie, zło​żona jest z zu​peł​nie in​nego, ale rów​nie ta​jem​ni​czego bytu zwa​nego ciemną ener​gią. W prze​ci​wień​stwie do nie​wi​dzial​nego „kleju” ciem​nej ma​te​rii ciemna ener​gia wy​wo​łuje nie​wi​dzialną pre​sję, po​wo​du​jąc wza​jemne od​da​la​nie się ga​lak​tyk. Wie​dzie​li​śmy od końca lat dwu​dzie​stych, że Wszech​świat się roz​sze​rza, ale do​piero w póź​nych la​tach dzie​więć​dzie​sią​- tych astro​no​mo​wie od​kryli, że ta ko​smiczna eks​pan​sja przy​spie​sza, a nie zwal​nia. Nikt nie zna przy​czyn tego przy​spie​sze​nia. Moż​liwe, że jest to tylko mo​dy​fi​ka​cja sa​mego prawa gra​wi​ta​cji, a nie ja​kaś sub​stan​cja. Astro​fi​zyk Mi​- chael Tur​ner stwo​rzył ter​min „ciemna ener​gia” dla od​róż​nie​nia od ciem​nej ma​te​rii, a także w celu od​zwier​cie​dle​nia nie​uchwyt​nej na​tury oby​dwu ro​dza​- jów sub​stan​cji. Astro​no​mo​wie osza​co​wali, że po​nad 72 pro​cent wszyst​kiego, co za​wiera Wszech​świat, sta​nowi ciemna ener​gia. Wiel​kość udziału przy​pi​sa​- nego ciem​nej ma​te​rii i ciem​nej ener​gii ozna​cza, że mniej niż 5 pro​cent Wszech​świata składa się ze zwy​kłej ma​te​rii, któ​rej bu​dul​cem są atomy i wszystko, co wi​dzimy. Na​tura ciem​nej ma​te​rii i ciem​nej ener​gii to obec​nie dwie naj​więk​sze na​ukowe za​gadki wy​ma​ga​jące roz​wią​za​nia. Ogra​ni​cze​nia wie​dzy pro​wa​dzą do na​pię​cia wy​wo​ła​nego nie​za​spo​ko​je​niem na​szej cie​ka​wo​ści. Chcie​li​by​śmy zgłę​bić wszystko, co do​ty​czy rze​czy​wi​sto​- ści fi​zycz​nej i po​dob​nie jak czy​tel​nicy zde​kom​ple​to​wa​nej po​wie​ści, je​ste​śmy za​nie​po​ko​jeni ra​żą​cymi bra​kami. Wiele in​nych py​tań do​ty​czą​cych Wszech​- świata opiera się bie​żą​cym pró​bom zro​zu​mie​nia i sta​nowi wy​zwa​nie dla dal​- szych po​szu​ki​wań, aż do uzy​ska​nia od​po​wie​dzi. Czy był po​czą​tek czasu? Czy coś się zda​rzyło przed Wiel​kim Wy​bu​chem? Czy moż​liwa jest po​dróż do prze​szło​ści? Czy ist​nieją inne wszech​światy? Czy mogą ist​nieć inne wy​- miary po​zo​sta​jące poza na​szą per​cep​cją? Czy hi​sto​ria ko​smosu bę​dzie kie​dy​- kol​wiek zmie​rzała do końca? Je​śli tak, to co zaj​dzie w tej fi​nal​nej erze? W ostat​nich la​tach zy​skała na po​pu​lar​no​ści idea wie​lo​świata, czyli zbioru wszech​świa​tów. Mo​del gwał​tow​nego po​więk​sza​nia na bar​dzo wcze​snych eta​pach Wszech​świata, okre​ślany mia​nem in​fla​cji, su​ge​ruje w swo​ich nie​któ​- rych wer​sjach, że nasz Wszech​świat oto​czony jest przez inne wszech​- światy„bą​blowe”. Mimo że kon​cep​cja ta przy​po​mina science fic​tion, ku na​-

szemu zdu​mie​niu oka​zuje się, że ostat​nie od​kry​cia zdają się po​twier​dzać ideę ist​nie​nia in​nych wszech​świa​tów poza na​szym. W 2008 roku astro​nom Ale​xan​der Ka​sh​lin​sky z Cen​trum Lo​tów Ko​smicz​- nych imie​nia God​darda na​le​żą​cego do NASA opu​bli​ko​wał zdu​mie​wa​jące re​- zul​taty szcze​gó​ło​wych ba​dań ru​chu gro​mad ga​lak​tyk. Wy​ko​rzy​stu​jąc dane ze​brane przez sa​te​litę WMAP (Wil​kin​son Mi​cro​wave Ani​so​tropy Probe – sonda ko​smiczna imie​nia Wil​kin​sona do ba​da​nia nie​jed​no​rod​no​ści pro​mie​- nio​wa​nia mi​kro​fa​lo​wego), jego ze​spół wy​krył, że setki gro​mad ga​lak​tyk pę​- dzą z pręd​ko​ścią mi​lio​nów ki​lo​me​trów na go​dzinę, kie​ru​jąc się w stronę wy​- cinka nieba po​mię​dzy gwiaz​do​zbio​rami Cen​taur i Vela. Ba​da​cze su​ge​rują, że ów „ciemny prze​pływ”, jak na​zy​wają to zja​wi​sko, jest wy​ni​kiem od​dzia​ły​wa​- nia ma​te​rii spoza ob​ser​wo​wa​nego Wszech​świata i wpływa na znaj​du​jące się w nim gro​mady przez wza​jemne przy​cią​ga​nie gra​wi​ta​cyjne. Wy​daje się, że nie​wi​doczne czę​ści Wszech​świata „po​cią​gają nas za rę​kaw”, pró​bu​jąc nam dać do zro​zu​mie​nia, że są tam obecne. Sta​ty​styczna ana​liza mi​kro​fa​lo​wego pro​mie​nio​wa​nia tła (pro​mie​nio​wa​nia re​lik​to​wego) za​pi​sa​nego przez WMAP i inne in​stru​menty po​twier​dziła re​wo​- lu​cyjne zna​cze​nie tego na​rzę​dzia dla astro​no​mii. Ujaw​niła ona wiele oso​bli​- wo​ści, a mię​dzy in​nymi dziwny wzór usze​re​go​wa​nia fal na​zy​wa​nych od​bi​- ciem „osi zła”. In​nym źró​dłem za​mie​sza​nia było zna​le​zie​nie kilku du​żych plam zimna. Są to roz​le​głe wy​cinki nieba po​rów​ny​walne wiel​ko​ścią do Księ​- życa w pełni, w któ​rych śred​nia tem​pe​ra​tura pro​mie​nio​wa​nia mi​kro​fa​lo​wego jest niż​sza niż w in​nych miej​scach. Zna​cze​nie tych zim​nych plam nie jest ja​- sne. Pod​czas gdy jedni na​ukowcy po​mi​jają je, uzna​jąc je​dy​nie za fluk​tu​acje sta​ty​styczne, inni spe​ku​lują, że mogą one re​pre​zen​to​wać bli​zny po od​dzia​ły​- wa​niach z in​nymi wszech​świa​tami. Je​żeli i to nie jest wy​star​cza​jąco dziwne, to do​dam, że na prze​ciw​nym krańcu widma pro​mie​nio​wa​nia po​ja​wia się inna ko​smiczna ta​jem​nica. O ile WMAP ma​po​wał sub​telne róż​nice pro​mie​nio​wa​nia w za​kre​sie ni​sko​ener​ge​- tycz​nych mi​kro​fal, o tyle inny wy​słany w ko​smos in​stru​ment, Ko​smiczny Te​- le​skop Pro​mie​nio​wa​nia Gamma im. Fer​miego, bada pro​mie​nio​wa​nie gamma, naj​bar​dziej ener​ge​tyczną formę świa​tła. Za​wsze kiedy do​cho​dzi do ka​ta​stro​- fal​nego wy​bu​chu ma​syw​nej gwiazdy, co na​zy​wamy eks​plo​zją su​per​no​wej, uwal​nia się ko​lo​salna ilość ener​gii, więk​sza od tej, jaką wy​emi​to​wało Słońce od po​czątku swego ist​nie​nia. Duża część tej ener​gii wy​stę​puje w po​staci pro​- mie​nio​wa​nia gamma. Ta​kie roz​bły​ski pro​mie​nio​wa​nia gamma wy​stę​pują

w po​staci punk​tów na tle sła​bej po​światy pro​mie​nio​wa​nia gamma, zna​nej jako mgła pro​mie​nio​wa​nia gamma. Do nie​dawna astro​no​mo​wie za​kła​dali, że owa mgła jest sumą wy​bu​chów w od​le​głych ga​lak​ty​kach, a także wy​ni​kiem nie​ustan​nej dzia​łal​no​ści su​per​ma​syw​nych czar​nych dziur w cen​trach ga​lak​- tycz​nych, wy​sy​ła​ją​cych wiel​kie ilo​ści pro​mie​nio​wa​nia pod​czas po​chła​nia​nia ma​te​rii. Jed​nakże re​zul​taty z te​le​skopu Fer​miego, które po​ja​wiły się w 2010 roku, wska​zują, że znane źró​dła od​po​wia​dają je​dy​nie za 30 pro​cent mgły pro​- mie​nio​wa​nia gamma. Dla po​zo​sta​łych 70 pro​cent brak wy​ja​śnie​nia, a oso​bli​- wość tę w do​nie​sie​niu na​zwano „smo​kami”. Ja​kiż to ro​dzaj astral​nych be​stii ukrywa się we mgle, zie​jąc ogniem pro​mie​nio​wa​nia gamma? Poza ciemną ma​te​rią, ciemną ener​gią i ciem​nym prze​pły​wem sta​nowi to ko​lejną wielką ta​- jem​nicę ko​smosu. Przy​go​tuj​cie się więc na po​dróż w stronę ko​smicz​nego ho​ry​zontu i jesz​cze da​lej. Strzeż​cie się dziw​nych stwo​rzeń cza​ją​cych się we mgle. Bądź​cie go​- towi na spo​tka​nie z si​łami wy​star​cza​jąco po​tęż​nymi, aby stwo​rzyć całe wszech​światy, i z nisz​czą​cymi ener​giami, zdol​nymi do ich uni​ce​stwie​nia. Że​- gluj​cie z naj​wyż​szą ostroż​no​ścią wo​kół czar​nych dziur, aby się nie dać wcią​- gnąć i aby się w nich nie po​grą​żyć. Pa​mię​tajmy, że w na​szej po​dróży do serca ko​smosu stoi za nami dzie​dzic​- two od​waż​nych że​gla​rzy, ta​kich jak Leif Erik​son i Ma​gel​lan, tra​dy​cja wiel​- kich po​dróż​ni​ków po​li​ne​zyj​skich, że​glu​ją​cych po Pa​cy​fiku na swo​ich dłu​gich ło​dziach, a także spu​ści​zna od​waż​nych wę​drow​ców, któ​rzy przez most Be​- ringa prze​do​stali się do Ame​ryki Pół​noc​nej, i wresz​cie nie​spo​kojny duch wszyst​kich tych po​szu​ku​ją​cych no​wych lą​dów i przy​gód. Wpraw​dzie obec​- nie nie wy​sy​łamy w tę po​dróż ży​wych lu​dzi, lecz po​dró​żu​jemy dzięki na​- szym oczom, na​szym przy​rzą​dom i na​szej wy​obraźni, ale kto wie, co bę​dzie w od​le​głej przy​szło​ści. Jest to hi​sto​ria o ko​smicz​nych smo​kach, bez​den​nych ot​chła​niach i lu​strza​- nych świa​tach wy​po​sa​żo​nych w osie zła i hi​po​te​tyczne por​tale do ukry​tych rze​czy​wi​sto​ści. Opo​wieść tę prze​nika ciem​ność – ciemna ma​te​ria, ciemna ener​gia, ciemny prze​pływ – ale w isto​cie rze​czy jest ona kro​niką opi​su​jącą, jak od​bie​ramy świa​tło z naj​dal​szych za​kąt​ków prze​strzeni, roz​bi​jamy je na ka​lej​do​skop barw i nie​wi​dzial​nych czę​sto​tli​wo​ści i ana​li​zu​jemy si​łami na​- szych in​te​lek​tów. Z tych ob​ra​zów i teo​rii wy​ła​nia się opo​wieść jesz​cze bar​- dziej eks​cy​tu​jąca niż bo​ha​ter​skie przed​wieczne sagi. A więc ru​szajmy na na​- szą ko​smiczną przy​godę!

1 Jak da​leko mo​żemy zo​ba​czyć? Po​dróż na obrzeża zna​nego Wszech​świata Świe​ciła wy​soko na nie​bie oży​wiana wszyst​kimi my​ślami, na​dzie​jami i ma​rze​niami ludz​kiego, żąd​nego przy​gód umy​słu. Tam po​zna​łem ba​- da​czy ko​smosu, pio​nie​rów na​uki go​to​wych te​raz na po​nowne za​ata​ko​- wa​nie mroku i po​ko​na​nie no​wych świa​tów. AL​FRED NOYES, WAT​CHERS OF THE SKY [Ob​ser​wa​to​rzy nieba] (1922) Współ​cze​sna na​uka su​ge​ruje, że prze​strzeń ko​smiczna jest nie​skoń​czona. Po​- miary astro​no​miczne do​wio​dły, że jej geo​me​tria jest pła​ska jak nie​ma​jąca gra​nic płasz​czy​zna, tyle że w trzech wy​mia​rach. To kon​cep​cja na​prawdę trudna do po​ję​cia, po​nie​waż je​śli Wszech​świat jest nie​skoń​cze​nie wielki, to my je​ste​śmy nie​skoń​cze​nie mali. Jed​nakże kiedy na​ukowcy opi​sują za​war​tość Wszech​świata – ma​jąc na my​- śli gwiazdy, ga​lak​tyki i inne obiekty – mó​wią wów​czas o po​zna​wal​nym Wszech​świe​cie, tym, który można ob​ser​wo​wać. Mo​żemy tylko przy​pusz​- czać, co znaj​duje się da​lej. Nie mo​żemy zaj​rzeć poza gra​nicę ob​ser​wo​wal​- nego Wszech​świata, nie​za​leż​nie od tego, jak do​sko​nałe będą na​sze te​le​skopy czy inne in​stru​menty, a więc nie wiemy, jaką re​pre​zen​tuje on część wła​ści​- wego fi​zycz​nego Wszech​świata. Wpraw​dzie mo​żemy spe​ku​lo​wać, że prze​- strzeń roz​ciąga się w nie​skoń​czo​ność, ale nie mo​żemy tego stwier​dzić de​fi​ni​- tyw​nie. A za​tem jak wielki jest nasz ob​ser​wo​walny Wszech​świat, na​sza en​- klawa ciem​no​ści i świa​tła, poza którą nigdy nic nie zo​ba​czymy? Na​ukowcy

sza​cują jego śred​nicę na 93 mi​liardy lat świetl​nych. Ich moż​li​wo​ści do​ko​ny​- wa​nia tak da​le​ko​sięż​nych usta​leń wska​zują na osza​ła​mia​jący po​stęp w dzie​- dzi​nie po​mia​rów astro​no​micz​nych. Pa​trząc w czas mi​niony Ko​smo​lo​gia, na​uka o Wszech​świe​cie, wkro​czyła w złoty wiek. Dzięki po​tęż​- nym te​le​sko​pom, czu​łym od​bior​ni​kom mi​kro​fa​lo​wym, wy​ra​fi​no​wa​nym al​go​- ryt​mom kom​pu​te​ro​wym i nie​zli​czo​nym in​nym na​rzę​dziom do zbie​ra​nia i ana​li​zo​wa​nia pro​mieni świa​tła ba​da​nia ko​smosu osią​gnęły wy​jąt​kową pre​- cy​zję. Moż​liwe stało się roz​cią​gnię​cie wie​dzy astro​no​micz​nej do nie​sły​cha​- nych głę​bin ko​smosu, a także w prze​szłość da​lej niż kie​dy​kol​wiek przed​tem. Osta​tecz​nie na​sza zdol​ność do wi​dze​nia kra​wę​dzi po​zna​wal​nego Wszech​- świata jest ogra​ni​czona tym, jak da​leko na​szymi ob​ser​wa​cjami mo​żemy się​- gać wstecz, do czasu prze​szłego. Dzięki tej nie​zwy​kłej ko​lek​cji da​nych mo​żemy śle​dzić roz​wój na​szego Wszech​świata, co​fa​jąc się w cza​sie i okre​śla​jąc do​kład​nie jego wiek. Ja​kieś 13,75 mi​liarda lat temu wszystko, co nas ota​cza, od Ziemi po ze​wnętrzne gra​- nice ob​ser​wa​cji, uka​zało się na​gle w ogni​stym zja​wi​sku zna​nym jako Wielki Wy​buch. Moż​li​wość wy​po​wia​da​nia się tak au​to​ry​ta​tyw​nie o czymś, co działo się tak dawno temu, mówi o trium​fie pre​cy​zji współ​cze​snej ko​smo​lo​gii. Spró​bujmy oce​nić roz​miar Wszech​świata do​stęp​nego dla na​szych ob​ser​wa​- cji. W pierw​szym przy​bli​że​niu, dla uprosz​cze​nia, przyj​mijmy, że był on sta​- tyczny od sa​mego po​czątku. Wy​obraźmy so​bie, że w mo​men​cie swo​ich na​ro​- dzin wy​strze​lił na​gle, sta​jąc się tym, czym jest te​raz. Od​le​głość stąd do krańca ob​ser​wo​wal​nego Wszech​świata by​łaby równa jego wie​kowi po​- mno​żo​nemu przez pręd​kość świa​tła. Świa​tło pę​dzi w prze​strzeni z pręd​ko​ścią około 300 000 ki​lo​me​trów na se​kundę, nieco po​ni​żej 10 bi​lio​nów ki​lo​me​trów na rok. Dla wy​gody astro​no​mo​wie okre​ślają dy​stans, jaki świa​tło prze​mie​rza w ciągu roku, jako rok świetlny, czyli około 9,5 bi​liona ki​lo​me​trów. Kiedy spo​glą​damy na ja​kiś obiekt od​le​gły o je​den rok świetlny, wi​dzimy go wła​ści​- wie ta​kim, ja​kim był rok temu, po​ko​na​nie od​le​gło​ści jed​nego roku świetl​- nego za​jęło bo​wiem świa​tłu je​den rok. Kiedy spo​glą​damy na obiekt od​le​gły o sto lat świetl​nych, wi​dzimy go ta​kim, ja​kim był przed na​szym uro​dze​niem.

Kiedy pa​trzymy na kra​niec zna​nego Wszech​świata, nie wi​dzimy go ta​kim, ja​- kim jest obec​nie, ale jaki był w erze po​wsta​wa​nia. Dla​tego w sta​tycz​nym sce​- na​riu​szu naj​dal​sze obiekty, które mo​żemy zo​ba​czyć, by​łyby od​le​głe o około 13,75 mi​liarda lat świetl​nych (około 130 mi​liar​dów bi​lio​nów ki​lo​me​trów), po​nie​waż taki byłby dy​stans, jaki po​ko​na​łoby świa​tło od po​czątku czasu. Oto roz​miar po​zna​wal​nego Wszech​świata. Bio​rąc jed​nak pod uwagę, że Wszech​świat się roz​sze​rza, je​ste​śmy w sta​nie zo​ba​czyć ciała po​ło​żone jesz​cze da​lej. Dzieje się tak dla​tego, że po wy​emi​to​- wa​niu świa​tła przez dany obiekt prze​strzeń nadal roz​sze​rzała się, prze​cią​ga​- jąc ten obiekt co​raz da​lej od nas. Do czasu kiedy od​bie​ramy sy​gnał, eks​pan​- sja do​pro​wa​dza do tego, że ciało, które wy​słało świa​tło, jest dużo bar​dziej od​da​lone. Po​nadto eks​pan​sja prze​strzeni ulega przy​spie​sze​niu, po​cią​ga​jąc ciało jesz​cze da​lej. W kon​se​kwen​cji roz​miar do​strze​gal​nego Wszech​świata jest dużo więk​szy niż ten, jaki byłby, gdyby prze​strzeń po​zo​sta​wała w bez​ru​- chu. Nie da​lej niż w 2005 roku wy​bitny astro​fi​zyk pra​cu​jący w Prin​ce​ton – J. Ri​chard Gott III ze współ​pra​cow​ni​kami – wy​li​czył, że pro​mień ob​ser​wo​wal​- nego Wszech​świata wy​nosi w przy​bli​że​niu 46,6 mi​liarda lat świetl​nych1. Jego śred​nica by​łaby po​dwo​je​niem tej war​to​ści, stąd 93 mi​liardy lat świetl​- nych. Ża​den in​stru​ment, choćby nie wiem jak po​tężny, nie wy​chwyci sy​gna​- łów z więk​szej od​le​gło​ści. W po​rów​na​niu z hi​po​te​tycz​nym sce​na​riu​szem, zgod​nie z któ​rym dys​po​nu​- jemy per​fek​cyj​nymi in​stru​men​tami, za​sięg te​le​sko​pów jest nieco bar​dziej ogra​ni​czony. Te​le​skopy zbie​rają świa​tło, które wę​druje w prze​strzeni po wy​- emi​to​wa​niu przez różne źró​dła. We​dług Gotta i jego współ​pra​cow​ni​ków pro​- mień sfery za​wie​ra​ją​cej wszyst​kie po​ten​cjal​nie wy​kry​walne źró​dła świa​tła wy​nosi 45,7 mi​liarda lat świetl​nych. Prze​pro​wa​dzili oni swoje ob​li​cze​nia, co​- fa​jąc się w cza​sie do ery re​kom​bi​na​cji, by okre​ślić gra​nice naj​dal​szych źró​deł świa​tła z tego okresu, który mo​żemy te​raz ob​ser​wo​wać. Uwzględ​nia​jąc szyb​- kość eks​pan​sji Wszech​świata oraz inne dane ko​smo​lo​giczne, usta​lili, gdzie źró​dła te znaj​dują się obec​nie. Era re​kom​bi​na​cji jest okre​sem, który na​stą​pił około 380 000 lat po Wiel​kim Wy​bu​chu, kiedy two​rzyły się atomy, a świa​tło za​częło swo​bod​nie prze​miesz​- czać się w prze​strzeni. Świa​tło z tej ery jest naj​wcze​śniej​szym, ja​kie mo​żemy wy​kryć. Wcze​śniej Wszech​świat był nie​prze​zro​czy​sty, co zna​czy, że nie mo​-

gło ono po​ko​ny​wać wiel​kich od​le​gło​ści. Od​bi​jało się tam i z po​wro​tem po​- mię​dzy elek​tro​nami, do​dat​nimi jo​nami (ato​mami po​zba​wio​nymi elek​tro​nów) i in​nymi na​ła​do​wa​nymi cząst​kami. Tak więc róż​nica mię​dzy dwiema war​to​- ściami pro​mie​nia ob​ser​wo​wal​nego Wszech​świata spro​wa​dza się do tego, czy kie​dy​kol​wiek bę​dzie moż​liwe za​pi​sa​nie nie​świetl​nych sy​gna​łów z okresu ciem​no​ści, po​mię​dzy Wiel​kim Wy​bu​chem a erą re​kom​bi​na​cji. Je​śli uwzględ​- nimy tę moż​li​wość, do​strze​galny Wszech​świat bę​dzie miał pro​mień 46,6 mi​- liarda lat świetl​nych. Gdy zaś weź​miemy pod uwagę tylko źró​dła świa​tła, przyj​miemy jego war​tość wy​no​szącą 45,7 mi​liarda lat świetl​nych. Trudno wy​obra​zić so​bie upływ czasu pod​czas ery ciem​no​ści, skoro wiemy, że świa​tło nie za bar​dzo prze​miesz​czało się w prze​strzeni. Dla​tego też nie ma wi​zu​al​nych za​pi​sów tego, co działo się przez owe 380 000 lat. Je​śli brak ru​- chu, trudno jest zo​bra​zo​wać czas. Jed​nakże ty​ka​ją​cym ze​ga​rem tego okresu było roz​sze​rza​nie się sa​mej prze​strzeni. Dzięki po​mia​rowi składu ma​te​rii Wszech​świata i ogól​nej teo​rii względ​no​ści Ein​ste​ina, która po​słu​żyła do usta​- le​nia zmian pręd​ko​ści eks​pan​sji w cza​sie, współ​cze​śni uczeni po​tra​fili okre​- ślić, ile czasu upły​nęło po​mię​dzy Wiel​kim Wy​bu​chem a erą re​kom​bi​na​cji, kiedy to Wszech​świat stał się wy​star​cza​jąco chłodny, aby mo​gły po​wstać atomy. Do​piero gdy elek​trony i jony ufor​mo​wały się w obo​jętne atomy, Wszech​- świat stał się prze​zro​czy​sty dla świa​tła. Mo​gło ono za​prze​stać od​bi​ja​nia się od cząstki do cząstki i za​częło się po​ru​szać po li​niach pro​stych. Uwol​nione fo​tony (cząstki świa​tła) mo​gły swo​bod​nie po​dró​żo​wać po​przez ko​smos, prze​- miesz​cza​jąc się z pręd​ko​ścią świa​tła na ol​brzy​mie od​le​gło​ści, co umoż​li​wiło póź​niej uczo​nym zmie​rze​nie czasu za po​mocą dzie​le​nia od​le​gło​ści przez pręd​kość. Część z tego świa​tła do​tarła do nas dzi​siaj w po​staci mi​kro​fa​lo​- wego pro​mie​nio​wa​nia tła – ra​dio​wego szumu prze​ni​ka​ją​cego prze​strzeń. Po​nie​waż Wszech​świat wciąż rósł od chwili swego po​czę​cia, Gott i współ​- pra​cow​nicy uwzględ​nili zmianę jego roz​mia​rów w cza​sie. Do okre​śle​nia tempa eks​pan​sji i in​nych ko​smicz​nych pa​ra​me​trów wy​ko​rzy​stali pre​cy​zyjne wy​niki do​star​czone przez sa​te​litę WMAP za​pro​jek​to​wa​nego do gro​ma​dze​nia in​for​ma​cji o mi​kro​fa​lo​wym pro​mie​nio​wa​niu tła. Ana​liza da​nych z sa​te​lity po​zwo​liła po​li​czyć jed​no​znaczne war​to​ści dla tak długo ocze​ki​wa​nych pa​ra​- me​trów jak wiek, kształt, pręd​kość roz​sze​rza​nia i przy​spie​sza​nia Wszech​- świata. Za​nim uzy​skano te in​for​ma​cje, roz​miary do​strze​gal​nego Wszech​- świata oce​niane przez astro​no​mów były sza​co​wane da​leko mniej pre​cy​zyj​nie.

Dzięki uzy​ska​nym da​nym ba​da​cze mo​gli wy​li​czyć za​sięg zna​nego Wszech​- świata z dużo więk​szą dozą pew​no​ści. Gott i jego ko​le​dzy osza​co​wali w swo​jej pu​bli​ka​cji, że do​strze​galny Wszech​świat jest do​mem dla około 170 mi​liar​dów ga​lak​tyk za​wie​ra​ją​cych łącz​nie około 60 try​liar​dów (60 mi​liar​dów bi​lio​nów = 60 × 1021) gwiazd. Now​sze oceny są na​wet wyż​sze – moż​liwe, że ist​nieje aż bi​lion ga​lak​tyk za​- wie​ra​ją​cych setki try​liar​dów gwiazd. Ogrom ob​ser​wo​wal​nej prze​strzeni jest na​prawdę po​ru​sza​jący. Jest wprost zdu​mie​wa​jące, że współ​cze​sne te​le​skopy są w sta​nie son​do​wać dużą część tego bez​miaru. Po​dróż z cen​trum Wszech​świata Kiedy za​sta​na​wiamy się, co znaj​duje się na obrze​żach ob​ser​wo​wal​nego Wszech​świata, mo​żemy rów​nież być cie​kawi, co znaj​duje się w jego cen​- trum. Dość po​wszechne jest prze​ko​na​nie, że ist​nieje ja​kieś miej​sce w prze​- strzeni ko​smicz​nej, w któ​rym na​stą​pił Wielki Wy​buch. Ta​kiego punktu jed​- nakże nie ma, po​nie​waż roz​ra​sta​nie się ko​smosu za​cho​dzi rów​no​mier​nie w każ​dej czę​ści prze​strzeni. Eks​pan​sja bę​dąca wy​ni​kiem Wiel​kiego Wy​bu​- chu od​dala wszyst​kie punkty prze​strzeni od punk​tów są​sied​nich. Je​śli bę​- dziemy pró​bo​wali zre​kon​stru​ować tę eks​pan​sję, co​fa​jąc się w cza​sie, to stwier​dzimy, że wszyst​kie punkty co​raz bar​dziej się do sie​bie zbli​żają. Dla​- tego też nie ma ta​kiego jed​nego miej​sca we Wszech​świe​cie, o któ​rym jed​no​- znacz​nie można po​wie​dzieć, że to tam zda​rzył się Wielki Wy​buch. Jed​nakże Wszech​świat do​stępny na​szym ob​ser​wa​cjom ma na​prawdę cen​- tralny punkt. Jak mo​gli​by​śmy go zna​leźć? Czy jest w tym punk​cie ja​kiś znak, coś jak Mo​nu​ment Czte​rech Ro​gów, gdzie zbie​gają się cztery stany: Ari​zona, Nowy Mek​syk, Ko​lo​rado i Utah? Czy to ru​chliwy wę​zeł jak Pic​ca​dilly Cir​- cus w Lon​dy​nie lub rzym​skie Ko​lo​seum? A może jest to od​da​lone miej​sce, do​kąd trudno do​trzeć, lecz które ma wiel​kie zna​cze​nie ze względu na zbie​ga​- nie się li​nii ry​so​wa​nych przez kar​to​gra​fów, jak, dajmy na to, bie​gun po​łu​- dniowy? W grun​cie rze​czy mo​gli​by​ście sta​nąć w każ​dym z tych punk​tów i wy​krzyk​- nąć: „Je​stem w cen​trum ob​ser​wo​wal​nego Wszech​świata!” – i za​wsze mie​li​- by​ście ra​cję. Z de​fi​ni​cji każdy punkt wi​do​kowy w prze​strzeni ko​smicz​nej jest

cen​trum wi​docz​nego Wszech​świata, po​nie​waż świa​tło przy​bywa do tej lo​ka​- li​za​cji jed​na​kowo ze wszyst​kich kie​run​ków. To tak, jak​by​śmy byli w ło​dzi na otwar​tym mo​rzu i wi​dzieli do​okoła ho​ry​zont – gdzie​kol​wiek łódź znaj​dzie się w ja​kimś mo​men​cie, bę​dzie ona środ​kiem okręgu wy​zna​czo​nego przez ho​ry​zont. Za​tem je​śli usta​wi​cie te​le​skop na Ti​mes Squ​are, na szczy​cie Mo​unt Eve​re​stu lub na czubku naj​wyż​szej góry Ha​wa​jów, Mauna Kea – każde z tych miejsc bę​dzie dla was cen​trum Wszech​świata. (Je​śli już wy​bie​rać po​- mię​dzy nimi, to Mauna Kea by​łaby naj​lep​sza z punktu wi​dze​nia astro​no​mii, jako że po​ło​żona jest z dala od miej​skich świa​teł, jest wy​soka, a jed​no​cze​śnie można tam do​je​chać sa​mo​cho​dem. Dla​tego też wła​śnie na tej gó​rze znaj​dują się ważne ob​ser​wa​to​ria). Wszystko to zdaje się kwe​stią se​man​tyki. Mo​gli​by​śmy da​lej do​cie​kać, gdzie znaj​duje się cen​trum wła​ści​wego fi​zycz​nego Wszech​świata, a nie tylko tego ob​ser​wo​wal​nego. I w tym wy​padku na​ukowcy są prze​ko​nani, że nie ma ta​kiego punktu. Jego ist​nie​nie bo​wiem by​łoby sprzeczne ze zdro​wo​roz​sąd​- kową re​gułą astro​no​miczną – za​sadą ko​per​ni​kań​ską. Za​sada ko​per​ni​kań​ska eks​tra​po​luje re​wo​lu​cyjną kon​cep​cję szes​na​sto​wiecz​- nego astro​noma Mi​ko​łaja Ko​per​nika – że Zie​mia nie jest cen​trum wszyst​- kiego i że Słońce i pla​nety nie krążą wo​kół niej – na cały Wszech​świat. Sta​- nowi ona sku​teczne na​rzę​dzie po​zwa​la​jące na prze​pro​wa​dza​nie lo​gicz​nej de​- duk​cji do​ty​czą​cej wła​ści​wo​ści in​nych ob​sza​rów Wszech​świata dzięki za​ło​że​- niu, że na​sza część prze​strzeni nie wy​róż​nia się ni​czym spe​cjal​nym. Na przy​- kład roz​kład ga​lak​tyk, które wi​dzimy, po​wi​nien być z grub​sza taki sam, jaki mógłby zo​ba​czyć ob​ser​wa​tor w tym sa​mym cza​sie z in​nego układu pla​ne​tar​- nego w in​nej ga​lak​tyce od​le​głej o mi​liard lat świetl​nych. Wszech​świat, w któ​rym każde jego miej​sce wy​gląda bar​dzo po​dob​nie, na​zy​wamy wszech​- świa​tem jed​no​rod​nym. Dzięki ob​ser​wa​cjom te​le​sko​po​wym pro​wa​dzo​nym we wszyst​kich kie​run​- kach mo​żemy wy​po​wie​dzieć na​wet moc​niej​sze stwier​dze​nie. W naj​więk​szej skali, pod każ​dym ką​tem wi​dze​nia, to, co wi​dzimy, wy​gląda tak samo pod wzglę​dem roz​miesz​cze​nia ma​te​rii. Na​zy​wamy to izo​tro​pią. Je​śli wsku​tek czy​stego zbiegu oko​licz​no​ści zna​leź​li​by​śmy się rze​czy​wi​ście we wła​ści​wym cen​trum fi​zycz​nego Wszech​świata, to mo​gli​by​śmy przy​pi​sać ob​ser​wo​waną izo​tro​pię na​szej obec​no​ści w czymś w ro​dzaju wę​zła ko​mu​ni​ka​cyj​nego przy​- po​mi​na​ją​cego śro​dek ronda, od któ​rego ulice roz​cho​dzą się pro​mie​ni​ście we wszyst​kich kie​run​kach. Jed​nakże je​śli za​ak​cep​tu​jemy wie​dzę Ko​per​nika

i przyj​miemy, że nie je​ste​śmy w cen​trum, to izo​tro​pia obecna tu​taj bę​dzie świad​czyła o izo​tro​pii wszę​dzie. W re​zul​ta​cie mamy wy​jąt​kowo mocne twier​dze​nie do​ty​czące geo​me​trii prze​strzeni, bar​dzo po​mocne w na​szym ro​- zu​mie​niu ko​smo​lo​gii. Wszech​świat w swo​jej naj​więk​szej skali jest jed​no​- rodny i izo​tro​powy. Za​dzi​wia​jąca opo​wieść świa​tła To na​prawdę nad​zwy​czajne, że z na​szego skrom​nego punktu ob​ser​wa​cyj​- nego, ja​kim jest Zie​mia, wiemy aż tyle o nie​zmie​rzo​nej prze​strzeni wo​kół nas. Prze​cież do tej pory za​ło​gowe mi​sje ko​smiczne osią​gnęły tylko Księ​życ, mały kro​czek w ko​smicz​nej per​spek​ty​wie (choć we​dług nas był to wielki skok!). Au​to​ma​tyczne sondy ba​dają Układ Sło​neczny, lecz nie prze​rzu​ciły jak do​tąd mo​stu nad ogromną prze​pa​ścią, jaka dzieli wy​prawy oko​ło​sło​- neczne od po​dróży w do​menę gwiazd. Na​sze rze​czy​wi​ste osią​gnię​cia le​d​wie mu​skają naj​drob​niej​szy skra​wek ob​ser​wo​wal​nego Wszech​świata. Na szczę​ście, nie​prze​rwany deszcz czą​stek świa​tła (fo​to​nów) do​cie​ra​jący do Ziemi roz​ta​cza przed nami mo​rze in​for​ma​cji do​ty​czą​cych ko​smosu. Dzięki temu, że te​le​skopy stają się co​raz bar​dziej wy​szu​kane, wy​po​sa​żone w ko​lo​salne, pre​cy​zyj​nie za​mo​co​wane zwier​cia​dła i cy​frowe ka​mery wy​so​- kiej roz​dziel​czo​ści, po​tra​fią one co​raz efek​tyw​niej gro​ma​dzić na​pływ świetl​- nych in​for​ma​cji prze​ka​zy​wa​nych na​stęp​nie do ana​lizy. Ale co może po​wie​dzieć nam fo​ton? Przede wszyst​kim po​ru​sza się on po li​- nii pro​stej ze stałą pręd​ko​ścią – pręd​ko​ścią świa​tła – o ile nie na​tknie się na ma​te​rię. Świa​tło może być emi​to​wane lub ab​sor​bo​wane przez każdą na​ła​- do​waną elek​trycz​nie sub​stan​cję. Może to spo​wo​do​wać zmianę jego trasy oraz ob​ni​że​nie pręd​ko​ści. Na przy​kład ujem​nie na​ła​do​wany elek​tron może wy​emi​to​wać fo​ton, który zo​sta​nie na​stęp​nie po​chło​nięty przez inny elek​tron. Ta​kie gierki sta​no​wią część od​dzia​ły​wa​nia elek​tro​ma​gne​tycz​nego – pro​cesu, w któ​rym prze​no​szone są siły elek​tryczne i ma​gne​tyczne. Oto dla​czego świa​- tło na​zy​wane jest falą elek​tro​ma​gne​tyczną. Inną wła​ści​wo​ścią świa​tła jest jego ja​sność. Ja​sność ob​ser​wo​wana świe​cą​- cego obiektu ta​kiego jak lampa uliczna czy gwiazda za​leży od dwóch głów​- nych czyn​ni​ków. Jed​nym z nich jest ja​sność pro​mie​nio​wa​nia lub in​a​czej moc

świe​cą​cego ciała, którą emi​tuje dane źró​dło. Dru​gim czyn​ni​kiem jest od​le​- głość mię​dzy źró​dłem świa​tła a ob​ser​wa​to​rem. Czyn​nik od​le​gło​ści wy​raża się za​leż​no​ścią, którą opi​suje prawo od​wrot​nych kwa​dra​tów. To, że czyn​nik od​le​gło​ści rzą​dzi się pra​wem od​wrot​nych kwa​dra​tów, ozna​cza, iż je​śli sta​- niemy dwa razy da​lej od świe​cą​cej ża​rówki, wyda się ona czte​ro​krot​nie ciem​- niej​sza. Kiedy można przy​jąć, że cen​tral​nie ulo​ko​wana ża​rówka o mocy 100 wa​tów oświe​tli po​kój o śred​nicy około 10 me​trów, to po​więk​sze​nie tej prze​strzeni do śred​nicy 100 me​trów (roz​miar sta​dionu) wy​ma​ga​łoby umiesz​- cze​nia w tym sa​mym miej​scu ża​rówki o mocy 10 000 wa​tów dla osią​gnię​cia ta​kiego sa​mego oświe​tle​nia. Z ko​lei, je​żeli sie​dzie​li​by​śmy na in​nym, tym ra​- zem ciem​nym sta​dio​nie, i za​uwa​ży​li​by​śmy słabo świe​cącą lampę, o któ​rej wie​dzie​li​by​śmy, że emi​tuje świa​tło o du​żej mocy, to do​szli​by​śmy do wnio​- sku, że znaj​du​jemy się od niej bar​dzo da​leko. Mo​żemy na​wet wy​ko​rzy​stać na​szą zna​jo​mość jej ja​sno​ści, czyli rze​czy​wi​stej mocy, oraz jej wi​docz​nego bla​sku do ob​li​cze​nia od​le​gło​ści, jaka nas od niej dzieli. Astro​no​mo​wie wy​ko​rzy​stują re​la​cję mię​dzy ja​sno​ścią a ob​ser​wo​wa​nym świe​ce​niem obiek​tów o zna​nej mocy, zwa​nych świe​cami stan​dar​do​wymi. Świece stan​dar​dowe od​gry​wają ważną rolę, dają moż​li​wość po​miaru wiel​- kich od​le​gło​ści. Zo​stały one wy​ko​rzy​stane do usta​le​nia ogromu Wszech​- świata i po​mo​gły okre​ślić pręd​kość, z jaką po​stę​puje jego eks​pan​sja. Wśród naj​star​szych i naj​czę​ściej uży​wa​nych świec stan​dar​do​wych są gwiazdy zwane ce​fe​idami zmien​nymi. Mru​gają one z re​gu​larną czę​sto​ścią jak lampki na bo​żo​na​ro​dze​nio​wym drzewku. W 1908 roku Hen​rietta Le​avitt, pra​cu​jąca w Ob​ser​wa​to​rium Har​wardz​kim, do​ko​nała w związku z ce​fe​idami wie​ko​pom​nego od​kry​cia, które zmie​niło bieg hi​sto​rii astro​no​mii. Spo​rzą​dziła mia​no​wi​cie wy​kres czę​sto​ści mru​ga​nia w od​nie​sie​niu do ja​sno​ści grupy ce​- feid w Ob​ło​kach Ma​gel​lana (o któ​rym obec​nie wiemy, że jest sa​te​li​tarną ga​- lak​tyką Drogi Mlecz​nej) i wy​kryła wy​raźną ko​re​la​cję. Im więk​szą moc miała zmienna gwiazda, tym wol​niej mru​gała. Było to tak, jakby ża​rówka o mocy 100 wa​tów miała dłuż​szy cykl mi​go​ta​nia niż ta o mocy 75 wa​tów. Dzięki skru​pu​lat​nym ba​da​niom Le​avitt usta​liła dla każ​dej ce​fe​idy ści​sły zwią​zek mię​dzy dłu​go​ścią cy​klu mru​ga​nia a ja​sno​ścią, którą ob​ser​wo​wała. Wy​li​czoną ja​sność pro​mie​nio​wa​nia da​nej ce​fe​idy można było na​stęp​nie po​rów​nać z ja​- sno​ścią ob​ser​wo​waną ce​lem wy​zna​cze​nia jej od​le​gło​ści od Ziemi. Im słab​sza wy​da​wała się ja​kaś ce​fe​ida o zna​nej ja​sno​ści, tym da​lej znaj​do​wała się ona od Ziemi. Dzięki za​sto​so​wa​niu tej tech​niki ce​fe​idy miały się oka​zać do​kład​-

nym przy​rzą​dem po​mia​ro​wym do wy​zna​cza​nia od​le​gło​ści astro​no​micz​nych. Aby nasz ze​staw na​rzę​dziowy wzbo​ga​cić o do​dat​kowy in​stru​ment, po​- mówmy o jesz​cze in​nej wła​ści​wo​ści świa​tła. Ma ono nie tylko pręd​kość i ja​- sność, lecz także ko​lor. Różne barwy zwią​zane są z ce​chą, którą na​zy​wamy czę​sto​tli​wo​ścią lub liczbą cy​kli na se​kundę. Fale elek​tro​ma​gne​tyczne, prze​- mie​rza​jąc prze​strzeń, cha​rak​te​ry​zują się róż​nymi szyb​ko​ściami oscy​la​cji. Czę​sto​tli​wość tych fal może wy​ka​zy​wać znaczne róż​nice, two​rząc całą pa​letę moż​li​wo​ści zwaną spek​trum lub wid​mem elek​tro​ma​gne​tycz​nym. Naj​bar​dziej znana forma pro​mie​nio​wa​nia elek​tro​ma​gne​tycz​nego, świa​tło wi​dzialne, ma za​kres czę​sto​tli​wo​ści od około 400 bi​lio​nów do 750 bi​lio​nów her​ców (cy​kli na se​kundę). Na​sze oczy od​bie​rają te czę​sto​tli​wo​ści jako barwną tę​czę roz​- cią​ga​jącą się od czer​wieni, przy niż​szych czę​sto​tli​wo​ściach, do fio​letu na krańcu wy​so​kich czę​sto​tli​wo​ści. Jed​nakże oprócz tego, co mogą zo​ba​czyć na​sze oczy, ist​nieją jesz​cze inne ro​dzaje świa​tła. Po​ni​żej czę​sto​tli​wo​ści wła​ści​wej dla czer​wieni wy​stę​puje pro​mie​nio​wa​nie pod​czer​wone, które może być od​bie​rane przez pewne typy nok​to​wi​zo​rów i nie​które ka​mery. Jesz​cze niż​sze czę​sto​tli​wo​ści ce​chują mi​- kro​fale i fale ra​diowe uży​wane w sys​te​mach łącz​no​ści. Prze​cho​dząc do czę​sto​tli​wo​ści po​wy​żej fio​letu, na​po​ty​kamy ul​tra​fio​let, znany nam jako nie​wi​dzialna przy​czyna opa​le​ni​zny i opa​rzeń sło​necz​nych. Na samo za​koń​cze​nie widma elek​tro​ma​gne​tycz​nego wy​stę​pują pro​mie​nie gamma o ul​tra​wy​so​kiej czę​sto​tli​wo​ści. Gdy pa​trzymy na świe​cący obiekt, taki jak na przy​kład lampa, może się wy​da​wać, że wi​dzimy je​den ko​lor lub po pro​stu biel. Je​śli zaś umie​ścimy z przodu pry​zmat lub siatkę dy​frak​cyjną (dwa ro​dzaje urzą​dzeń optycz​nych, które roz​bi​jają świa​tło na jego skła​dowe czę​sto​tli​wo​ści), zo​ba​czymy praw​do​- po​dob​nie pa​ski o róż​nych ko​lo​rach, każdy o wła​ści​wej so​bie ja​sno​ści. W wy​- padku pew​nych ro​dza​jów obiek​tów re​pre​zen​to​wane będą tylko nie​które ko​- lory – na przy​kład żółty i zie​lony, ale już nie nie​bie​ski. Astro​no​mo​wie dzięki li​niom spek​tral​nym uzy​skują mnó​stwo in​for​ma​cji o struk​tu​rze gwiazd i in​nych wy​sy​ła​ją​cych pro​mie​nio​wa​nie obiek​tów. Ana​li​- zu​jąc świa​tło po​cho​dzące z ciał nie​bie​skich, ba​da​cze są w sta​nie usta​lić w nich wła​ściwą pro​cen​tową za​war​tość wo​doru, helu i in​nych ga​zów. Każdy pier​wia​stek ma swój cha​rak​te​ry​styczny wzór spek​tralny, który go iden​ty​fi​- kuje. Wraz z od​kry​ciem pla​net w in​nych ukła​dach przed astro​no​mami sta​nęło nowe za​da​nie – po​zna​nie składu tych od​le​głych świa​tów i ich gwiazd.

Poza moż​li​wo​ścią iden​ty​fi​ko​wa​nia składu che​micz​nego, widma mają jesz​- cze inne ważne za​sto​so​wa​nie. Dzięki uwzględ​nie​niu efektu Dop​plera mogą one także słu​żyć jako do​kładne szyb​ko​ścio​mie​rze. Efekt Dop​plera po​lega na skró​ce​niu mie​rzo​nej dłu​go​ści fali świa​tła, któ​rego źró​dło po​ru​sza się ku ob​ser​wa​to​rowi, i na wy​dłu​że​niu dłu​go​ści fali, je​śli źró​dło od​dala się od ob​ser​wa​tora. Dłu​go​ściami fal świetl​nych na​zy​wamy od​le​gło​ści po​mię​dzy szczy​tami tych fal. Są one od​wrot​nie pro​por​cjo​nalne do czę​sto​tli​wo​ści – im krót​sza fala, tym wyż​sza czę​sto​tli​wość. Gdy źró​dło świa​tła zbliża się, jego fale ule​gają „ści​śnię​ciu”, przez co na​stę​puje skró​ce​nie dłu​go​ści fali. Jego czę​- sto​tli​wość prze​suwa się wy​żej, ku nie​bie​skiej czę​ści widma. Na​ukowcy na​zy​- wają ten efekt dop​ple​row​skim prze​su​nię​ciem do fio​letu. Od​wrot​nie, kiedy źró​dło się od​dala, fale jego świa​tła ule​gają roz​cią​gnię​ciu, dłu​gość fali ro​śnie, na​to​miast jej czę​stość się ob​niża, prze​su​wa​jąc się w kie​runku czer​wo​nego krańca widma – stąd dop​ple​row​skie prze​su​nię​cie ku czer​wieni. Dzięki po​- mia​rowi wiel​ko​ści prze​su​nię​cia do fio​letu lub ku czer​wieni ob​ser​wa​tor może okre​ślić pręd​kość źró​dła świa​tła po​ru​sza​ją​cego się od​po​wied​nio w jego stronę lub na ze​wnątrz od niego. Po​wyż​szą me​todę można zi​lu​stro​wać na przy​kła​dzie ana​lo​gii do fal dźwię​- ko​wych. Przy​pu​śćmy, że sa​mo​chód po​li​cyjny pę​dzi do miej​sca prze​stęp​stwa. Wy​cie jego sy​reny ma pod​wyż​szone tony. Po aresz​to​wa​niu prze​stępcy, gdy sa​mo​chód od​jeż​dża, ton jego sy​reny się ob​niża. Je​śli po​sia​da​li​by​śmy su​per​- czuły in​stru​ment do wy​kry​wa​nia po​ło​że​nia li​nii wid​mo​wych i wy​ce​lo​wali go w stronę re​flek​to​rów sa​mo​chodu, mo​gli​by​śmy wy​kryć prze​su​nię​cie w stronę fio​letu pod​czas zbli​ża​nia się po​jazdu i prze​su​nię​cie ku czer​wieni, gdy od​dala się z miej​sca prze​stęp​stwa. Po​nie​waż świa​tło jest o wiele, o wiele szyb​sze niż dźwięk, efekt tego prze​su​nię​cia byłby o wiele, o wiele sub​tel​niej​szy i to jest po​wód, dla​czego na​sze oczy nie mogą tego za​uwa​żyć. Z ko​lei je​śli prze​stępca ucie​kałby kra​dzio​nym sa​mo​cho​dem, po​li​cja mo​- głaby użyć ra​daru, aby zmie​rzyć jego pręd​kość. Po​li​cyjny ra​dar wy​syła sy​- gnały w stronę sa​mo​chodu czy in​nych po​ru​sza​ją​cych się obiek​tów, od​biera od​bite po​wra​ca​jące fale i mie​rzy róż​nicę mię​dzy ich czę​sto​tli​wo​ścią a czę​sto​- tli​wo​ścią fal wy​sła​nych. To po​rów​na​nie po​zwala usta​lić pręd​kość pi​ra​tów dro​go​wych i nie​kiedy może być wy​ko​rzy​stane jako do​wód prze​ciwko nim. Astro​no​mo​wie wy​ko​rzy​stują po​dobne me​tody do oceny ru​chu gwiazd i in​- nych ciał w sto​sunku do Ziemi. Pew​nym ogra​ni​cze​niem me​tody Dop​plera jest fakt, że okre​śla ona pręd​kość do nas lub od nas, ale już nie w in​nych kie​-

run​kach. Dla​tego je​śli gwiazda po​ru​sza się wy​łącz​nie wzdłuż drogi pro​sto​pa​- dłej do kie​runku ob​ser​wa​cji astro​no​mów, to nie mogą oni zmie​rzyć jej pręd​- ko​ści przy uży​ciu tech​niki dop​ple​row​skiej. W 1915 roku astro​nom Ve​sto Sli​pher opu​bli​ko​wał zbiór da​nych do​ty​czą​- cych dop​ple​row​skich prze​su​nięć obiek​tów zwa​nych mgła​wi​cami, ta​kich jak mgła​wica w An​dro​me​dzie oraz różne inne obiekty spi​ralne i elip​tyczne. Gro​- ma​dził on te dane przez trzy po​przed​nie lata, roz​po​czy​na​jąc od spek​tral​nych ob​ser​wa​cji An​dro​medy w 1912 roku. W owym cza​sie na​uka miała do​piero wy​kryć ist​nie​nie in​nych ga​lak​tyk poza Drogą Mleczną. Spo​łecz​ność astro​no​- mów nie była wtedy prze​ko​nana, czy te mgła​wice skła​dają się z mię​dzy​- gwiezd​nych ob​ło​ków ga​zo​wych w ob​rę​bie Drogi Mlecz​nej, czy też są to nie​- za​leżne „wszech​światy wy​spowe”. Roz​sza​lały się gwał​towne spory na te​mat ich od​le​gło​ści, roz​miaru i zna​cze​nia. Od​po​wie​dzi na te py​ta​nia miał nie​ba​- wem udzie​lić ame​ry​kań​ski astro​nom Edwin Hub​ble. Hub​ble a roz​sze​rza​jący się Wszech​świat Hub​ble był czło​wie​kiem peł​nym sprzecz​no​ści. Uro​dził się w 1889 roku w ro​- dzi​nie na​le​żą​cej do niż​szej klasy śred​niej, za​miesz​ka​łej w rol​ni​czej osa​dzie Mar​sh​field (Mis​so​uri), na​zy​wa​nej też „Szczy​tem Ozar​ków”2. Stał się żar​li​- wym an​glo​fi​lem, gdy otrzy​mał sty​pen​dium Rho​desa ofe​ru​jące mu po​byt w Oks​for​dzie. Przez całe ży​cie pa​lił fajkę, był mi​ło​śni​kiem twe​edo​wych ma​- ry​na​rek, po​słu​gi​wał się wy​twor​nym an​giel​skim ak​cen​tem, który nie​któ​rzy z jego ko​le​gów uwa​żali za pom​pa​tyczny. Jed​nakże w jego ba​da​niach nie było nic pre​ten​sjo​nal​nego. Każdy de​tal, który opu​bli​ko​wał, był so​lid​nie udo​ku​- men​to​wany i ostrożny – po​party skru​pu​lat​nie ze​bra​nymi da​nymi z ob​ser​wa​cji astro​no​micz​nych. W 1919 roku wy​bitny ame​ry​kań​ski astro​nom Geo​rge El​lery Hale za​pro​sił Hub​ble’a do kie​ro​wa​nia nowo skon​stru​owa​nym te​le​sko​pem Ho​okera w Ob​- ser​wa​to​rium Mo​unt Wil​son. Dzięki swo​jemu 254-cen​ty​me​tro​wemu zwier​cia​- dłu był to w owym cza​sie naj​więk​szy te​le​skop na świe​cie. Ob​ser​wa​to​rium umiej​sco​wione w gór​skim pa​śmie San Ga​briel w po​łu​dnio​wej Ka​li​for​nii od​- zna​czało się wspa​niałą wi​docz​no​ścią noc​nego nieba, za​nim po​bli​skie Los An​ge​les roz​ja​rzyło się świa​tłami elek​trycz​nymi. Hub​ble po mi​strzow​sku

skie​ro​wał in​stru​ment na ce​fe​idy w ga​lak​tyce An​dro​medy, wy​ko​rzy​stu​jąc te gwiazdy zmienne w roli świec stan​dar​do​wych do po​miaru ich od​le​gło​ści od Ziemi. Dzięki temu wy​ka​zał, że An​dro​meda znaj​duje się da​leko poza gra​- ni​cami Drogi Mlecz​nej. Na pod​sta​wie wi​docz​nej śred​nicy An​dro​medy osza​- co​wał jej rze​czy​wi​stą wiel​kość i do​szedł do wnio​sku, że jest ona nie​za​leżną ga​lak​tyką, po​dob​nie jak Droga Mleczna, pełną gwiazd. Wkrótce nadano jej na​zwę ga​lak​tyka An​dro​medy za​miast daw​nego okre​śle​nia: mgła​wica w An​- dro​me​dzie. Sto​su​jąc me​todę ce​feid, Hub​ble usta​lił od​le​gło​ści do in​nych tak zwa​nych mgła​wic i wy​ka​zał, że wiele z nich to także ga​lak​tyki. Gdy w 1924 roku Hub​ble opu​bli​ko​wał swoje od​kry​cie, na​sze po​ję​cie o roz​- mia​rach i za​war​to​ści Wszech​świata już na za​wsze zo​stało zmie​nione. Od tego mo​mentu wie​dzie​li​śmy już, że Droga Mleczna jest je​dy​nie kro​pelką w mo​rzu ko​smosu, a nasz Układ Sło​neczny ni​czym wię​cej jak tylko pył​kiem w tej kro​pelce. Zna​cze​nie czło​wieka w tym ca​ło​ścio​wym uję​ciu skur​czyło się jak kostka lodu w go​rą​cej ka​dzi. Zo​sta​li​śmy ska​zani na po​korę dzięki ogrom​- nej pracy dum​nego astro​noma. Gdy oka​zało się, że Wszech​świat roz​ciąga się znacz​nie, znacz​nie da​lej poza gra​nice Drogi Mlecz​nej, Hub​ble wziął swoje wy​niki uzy​skane z ce​feid, wy​- ko​rzy​stał je do spo​rzą​dze​nia wy​kresu w re​la​cji do prze​su​nięć dop​ple​row​skich uzy​ska​nych przez Sli​phera i za​uwa​żył wów​czas ude​rza​jący wzór. Z wy​jąt​- kiem sto​sun​kowo bli​skich, są​sied​nich ga​lak​tyk, ta​kich jak ga​lak​tyka An​dro​- medy, wszyst​kie ga​lak​tyki z od​le​głej prze​strzeni cha​rak​te​ry​zo​wały się prze​- su​nię​ciem świa​tła ku czer​wieni, a prze​su​nię​cie to wzra​stało wraz z od​le​gło​- ścią. Hub​ble na​niósł te​raz na wy​kres pręd​ko​ści tych ga​lak​tyk w od​nie​sie​niu do ich od​le​gło​ści i wy​kre​ślił sko​śną li​nię łą​czącą te punkty. Swoje od​kry​cie Hub​ble opu​bli​ko​wał w 1929 roku, a jego wnio​ski bez​błęd​nie wska​zy​wały, że im da​lej od nas jest po​ło​żona ja​kaś ga​lak​tyka, tym szyb​ciej od​dala się od na​- szej. Po​nie​waż ab​sur​dalna by​łaby myśl, że na​sza ga​lak​tyka jest czymś w ro​- dzaju pa​riasa, uczony do​my​ślił się że, z wy​jąt​kiem naj​bliż​szych są​sia​dów, wszyst​kie ga​lak​tyki w prze​strzeni ko​smicz​nej od​da​lają się od sie​bie na​wza​- jem. Zja​wi​sko to na​zy​wamy te​raz eks​pan​sją Hub​ble’a, a za​leż​ność pręd​ko​ści od od​le​gło​ści – pra​wem Hub​ble’a. Tempo ucieczki ga​lak​tyk w ja​kimś okre​- ślo​nym cza​sie na​zy​wamy stałą Hub​ble’a, co jest nie​zbyt traf​nym ter​mi​nem, jako że zmie​nia się ona w ko​lej​nych erach ko​smicz​nych.

Znie​sie​nie ko​smicz​nego jaja Jesz​cze za​nim Hub​ble sfor​mu​ło​wał swoje prawo ucieczki ga​lak​tyk, kilku teo​- re​ty​ków no​siło się z ideą eks​pan​sji Wszech​świata. Wy​pro​wa​dzali oni swoje do​my​sły z ge​nial​nej ogól​nej teo​rii względ​no​ści Al​berta Ein​ste​ina, opu​bli​ko​- wa​nej w 1915 roku. Ogólna teo​ria względ​no​ści jest ta​kim spo​so​bem ro​zu​mie​- nia gra​wi​ta​cji, w któ​rym ma​te​ria i ener​gia za​warta w ja​kimś ob​sza​rze prze​- strzeni po​wo​dują od​kształ​ce​nie jego geo​me​trii: skrzy​wie​nie, po​fa​lo​wa​nie i wy​gię​cie na wiele róż​nych kształ​tów. Im bar​dziej za​wiły jest roz​kład ma​te​- rii, tym bar​dziej wy​bo​ista staje się struk​tura ta​kiego sek​tora. W kon​se​kwen​cji każdy obiekt prze​miesz​cza​jący się przez to miej​sce może być od​chy​lany przez na​po​tkane bryły ma​te​rii. Jak to zwięźle ujął zna​ko​mity teo​re​tyk John Whe​eler (w książce na​pi​sa​nej ze swo​imi by​łymi stu​den​tami – Char​le​sem Mi​- sne​rem i Ki​pem Thorne’em) – „Prze​strzeń mówi ma​te​rii, jak się po​ru​szać. Ma​te​ria mówi prze​strzeni, jak się za​krzy​wiać”3. Aby zo​bra​zo​wać teo​rię Ein​ste​ina, wy​obraźmy so​bie prze​strzeń jako miękki ma​te​rac. Roz​rzućmy nie​wiel​kie ka​myki na jego po​wierzchni, a pod każ​dym z nich po​wsta​nie małe za​głę​bie​nie. Rzućmy te​raz duży ka​mień, co wy​woła wy​raźne ugię​cie. Od​po​wied​nio ciężki głaz może na​wet ro​ze​rwać ma​te​riał. Wszę​dzie tam, gdzie wy​stę​pują za​głę​bie​nia, doj​dzie do tego, że inne obiekty po​ru​sza​jące się po po​wierzchni będą się prze​miesz​czać po zmie​nio​nych tra​- sach. Kulki, mimo że wy​pusz​czone po​cząt​kowo wzdłuż pro​stej li​nii na pła​- skiej czę​ści ma​te​raca, kiedy osią​gną znie​kształ​cony te​ren, za​czną się po​ru​- szać po za​krzy​wio​nych tra​jek​to​riach. Dzieje się tak dla​tego, że naj​krót​szą moż​liwą drogę w znie​kształ​co​nym re​gio​nie sta​nowi li​nia krzywa, a nie pro​- sta. Po​dob​nie ogólna teo​ria względ​no​ści na​ka​zuje, aby obiekty po​ru​sza​jące się w prze​strzeni i pró​bu​jące po​dą​żać moż​li​wie naj​krót​szą trasą bie​gły dro​gami za​krzy​wia​nymi zgod​nie z roz​miesz​cze​niem ma​te​rii i ener​gii. Je​śli kie​dy​kol​- wiek dzi​wi​li​ście się, dla​czego pla​nety krążą po or​bi​tach elip​tycz​nych wo​kół Słońca, to te​raz wie​cie: są to naj​prost​sze li​nie, po któ​rych mogą się one po​ru​- szać w studni gra​wi​ta​cyj​nej wy​two​rzo​nej przez masę sło​neczną. W 1922 roku ro​syj​ski ma​te​ma​tyk Alek​san​der Fried​mann roz​wią​zał ein​ste​- inow​skie rów​na​nia ogól​nej teo​rii względ​no​ści dla Wszech​świata jako ca​ło​ści. Wy​brał on trzy geo​me​trie moż​liwe dla izo​tro​po​wego, jed​no​rod​nego wszech​-

świata – pła​ską, hi​per​s​fe​ryczną i hi​per​bo​lo​idalną. Wszech​światy pła​skie od​- po​wia​dają stan​dar​do​wej geo​me​trii eu​kli​de​so​wej, w któ​rej pro​ste rów​no​le​głe nigdy się nie spo​ty​kają i cią​gną się w nie​skoń​czo​ność. Sta​nowi ona trój​wy​- mia​rowy od​po​wied​nik płasz​czy​zny. Hi​per​s​fera jest uogól​nie​niem sfery w wyż​szym wy​mia​rze. O ile sfera (kula) ma dwu​wy​mia​rową po​wierzch​nię ze​wnętrzną, jak na przy​kład po​wierzch​nia Ziemi, o tyle hi​per​s​fera ma trój​wy​- mia​rową po​wierzch​nię ze​wnętrzną, która za​gina się do​okoła i łą​czy sama ze sobą. Po​dob​nie hi​per​bo​lo​ida lub kształt sio​dło​waty jest trój​wy​mia​rową płasz​czy​zną – od​po​wied​ni​kiem hi​per​boli w wyż​szych wy​mia​rach. Ze względu na ich formy hi​per​s​fery okre​śla się jako „za​mknięte”, a hi​per​bo​- lo​idy jako „otwarte”. Prawa geo​me​trii umoż​li​wiają pre​cy​zyjne roz​róż​nie​nie po​mię​dzy tymi trzema od​mien​nymi moż​li​wo​ściami. W pła​skich wszech​świa​tach obo​wią​zuje znana za​sada, że pro​ste rów​no​le​głe stale za​cho​wują mię​dzy sobą tę samą od​- le​głość, nigdy się do sie​bie nie zbli​ża​jąc ani od​da​la​jąc. Na​to​miast gdyby wszech​świat miał kształt hi​per​s​fery, li​nie rów​no​le​głe za​wsze by się spo​ty​- kały, jak ziem​skie po​łu​dniki zbie​ga​jące się na bie​gu​nie pół​noc​nym i po​łu​- dnio​wym. Wresz​cie gdyby miał geo​me​trię hi​per​bo​lo​idalną, li​nie roz​cho​dzi​- łyby się jak skrzy​dełka ści​śnię​tego wa​chla​rza. Opi​su​jąc te geo​me​trie w ste​no​- gra​ficz​nym skró​cie, można po​wie​dzieć, że geo​me​tria pła​ska ma krzy​wi​znę ze​rową, za​mknięta geo​me​tria hi​per​s​fe​ryczna ma krzy​wi​znę do​dat​nią, a otwarta geo​me​tria hi​per​bo​lo​idalna – ujemną. Fried​mann włą​czył wszyst​kie trzy geo​me​trie do ein​ste​inow​skich rów​nań ogól​nej teo​rii względ​no​ści. Zna​le​zione przez niego roz​wią​za​nia wska​zy​wały, że we wszyst​kich wy​pad​kach prze​strzeń bę​dzie się roz​sze​rzała, po​cząw​szy od punktu. Nie za​uwa​żył jed​nak jed​nej istot​nej róż​nicy. Pod​czas gdy geo​me​- tria pła​ska i otwarta eks​pan​do​wa​łyby bez końca, za​mknięta geo​me​tria ro​słaby przez pe​wien czas, po czym po za​trzy​ma​niu na​stą​pi​łoby od​wró​ce​nie kursu i kontr​ak​cja, czyli kur​cze​nie się aż do punktu. Ten trzeci przy​pa​dek przy​po​- mi​nałby wie​lo​wy​mia​rową wer​sję ba​lonu, który rósłby pod​czas na​peł​nia​nia po​wie​trzem, a na​stęp​nie kur​czyłby się w miarę jego wy​pusz​cza​nia. Te trzy sce​na​riu​sze mają bez​po​średni zwią​zek z pa​ra​me​trem zwa​nym omega. Omega jest sto​sun​kiem gę​sto​ści ma​te​rii we Wszech​świe​cie do pew​- nej kry​tycz​nej war​to​ści, którą można ła​two wy​li​czyć. Omega może być więk​- sza, mniej​sza lub równa 1. Przy​pa​dek otwar​tego wszech​świata, w któ​rym omega jest mniej​sza niż 1, od​po​wiada ko​smo​sowi o za​ni​żo​nej gę​sto​ści ma​te​-

rii; jej ilość jest nie​wy​star​cza​jąca, aby do​szło do od​wró​ce​nia kie​runku i kontr​ak​cji. W sy​tu​acji wszech​świata za​mknię​tego, przy war​to​ści omegi więk​szej niż 1, mamy do czy​nie​nia z ko​smo​sem su​per​gę​stym. Pod cię​ża​rem wła​snej gra​wi​ta​cji taki wszech​świat w końcu po​wstrzy​małby swoją eks​pan​sję i po​cząłby się kur​czyć, co do​pro​wa​dzi​łoby do miaż​dżą​cego fi​nału, który zy​- skał miano Wiel​kiej Za​pa​ści. W końcu wszech​świat pła​ski z omegą równą 1 eks​pan​do​wałby bez końca, choć wiecz​nie zbli​żałby się do gra​nicy, od któ​- rej mógłby roz​po​cząć się ko​laps – jak co​raz bar​dziej zmę​czony bie​gacz, który wciąż się jed​nak nie pod​daje. Sce​na​riusz ostat​niego sta​dium pła​skiego i otwar​tego wszech​świata zo​stał ob​ra​zowo okre​ślony jako Wielki Sko​wyt. Jed​nakże po​dej​ście Fried​manna było jak naj​dal​sze od my​śli o wi​zu​ali​za​cji rze​czy​wi​stego prze​biegu po​wsta​nia i śmierci fi​zycz​nego Wszech​świata. Był on za​in​te​re​so​wany ta​kimi sce​na​riu​szami wy​łącz​nie jako mo​de​lami ma​te​ma​- tycz​nymi nie​ko​niecz​nie bę​dą​cymi od​bi​ciem na​tury. Nie​mniej jego praca oka​- zała się nie​zwy​kle ważna. Mo​dele te bo​wiem stały się stan​dar​do​wymi ob​ra​- zami więk​szo​ści jed​no​rod​nych ty​pów ko​smicz​nej ewo​lu​cji, wy​pro​wa​dzo​nych z ogól​nej teo​rii względ​no​ści bez sta​łej ko​smo​lo​gicz​nej. Nie​stety, Fried​mann zmarł w 1925 roku w wieku 37 lat, za​nim jego idee stały się po​wszech​nie znane. O wiele sław​niej​szym orę​dow​ni​kiem roz​sze​rza​ją​cego się Wszech​świata był bel​gij​ski ma​te​ma​tyk i ksiądz Geo​r​ges Le​ma​ître. Pra​cu​jąc nie​za​leż​nie, nie zna​jąc wnio​sków Fried​manna, Le​ma​ître w 1927 roku cał​kiem po​dob​nie roz​- wią​zał ein​ste​inow​skie rów​na​nia ogól​nej teo​rii względ​no​ści i za​de​mon​stro​wał, w jaki spo​sób prze​strzeń może po​więk​szać swój roz​miar. Po opu​bli​ko​wa​nia przez Hub​ble’a wy​ni​ków ba​dań Le​ma​ître za​czął udo​sko​na​lać teo​rię opi​su​jącą roz​sze​rza​nie Wszech​świata, aby za​sto​so​wać ją do na​uko​wego opisu aktu kre​- acji. Wy​obra​żał so​bie, że ko​smos roz​po​czął swoje ist​nie​nie jako „pier​wotny atom” – nie​sa​mo​wi​cie skon​den​so​wany obiekt za​wie​ra​jący całą ma​te​rię – obiekt, który na​zy​wał także „ko​smicz​nym ja​jem”. Ro​ze​rwało się ono w wiel​kiej eks​plo​zji, uwal​nia​jąc ma​te​riał, z któ​rego po​wstały ga​lak​tyki i wszystko to, co dzi​siaj wi​dzimy. Ucieczka ga​lak​tyk jest – jak wy​wnio​sko​- wał Le​ma​ître – trwa​jącą wciąż spu​ści​zną po pier​wot​nym wy​bu​chu. Do​póki Hub​ble nie do​ko​nał od​kry​cia ko​smicz​nej eks​pan​sji, Ein​stein z nie​- chę​cią od​no​sił się do sce​na​riu​szy roz​sze​rza​ją​cego się wszech​świata. Był on ra​czej prze​ko​nany do wszech​świata sta​bil​nego. Cho​ciaż już wcze​śniej roz​wi​- nął dy​na​miczną teo​rię gra​wi​ta​cji, miał na​dzieję, że ca​ło​ściowy efekt ma​te​rii