© Copyright by Copernicus Center Press, 2021
Copyright © 2020 by Princeton University Press
All rights reserved

Tytuł oryginalny
The Little Book of Cosmology

Konsultacja naukowa
dr Tomasz Miller

Adiustacja i korekta
Mirosław Ruszkiewicz

Opracowanie graficzne okładki i stron tytułowych
Marta Jaszczuk

Grafika na okładce
© Nubenamo/Adobe Stock

Skład
MELES-DESIGN

ISBN 978-83-7886-588-9

Wydanie I

Kraków 2021

Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel. (+48) 12 448 14 12, 500 839 467
e-mail: marketing@ccpress.pl
Księgarnia internetowa: http://ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Dla Lisy i chłopców

PRZEDMOWA

Książka ta zawiera krótkie wprowadzenie do nowoczesnej kosmologii, czyli do badań wszechświata w ekstremalnych skalach przestrzeni, energii i czasu. Mam nadzieję, że przekaże czytelnikowi pewne podstawowe aspekty tego, co wiemy o wszechświecie – w tym jego skład, geometrię, ewolucję i opisujące go prawa fizyki – oraz sposób, w jaki zdobyliśmy tę wiedzę. W kosmologii nietrudno o egzotyczne teorie i spekulacje, ale przesłaniają one jej bodaj najbardziej zdumiewającą cechę: poprzez bardzo dokładne pomiary możemy zrozumieć wszechświat w jego największej skali.

Jak zobaczymy, wszechświat w największych skalach i na najwcześniejszych etapach swojego istnienia jest niezwykle prosty i daje się scharakteryzować za pomocą zaledwie kilku parametrów. Jest znacznie prostszy do zrozumienia niż na przykład fascynująco złożona Ziemia z jej atmosferą, oceanami, poruszającymi się kontynentami i polem magnetycznym, by wymienić tylko kilka jej aspektów. W tej książce spróbuję wyjaśnić nie tylko aktualne obserwacje i pomiary kosmologiczne, ale także sposób, w jaki można je połączyć za pomocą fizycznych teorii w jednolity obraz kosmosu. Obraz, który opiszę, nie jest jedynym możliwym, niemniej tłumaczy dane obserwacyjne przy minimalnym zestawie założeń. Dalsze obserwacje pokażą, czy obraz ten jest poprawny.

Nasza wiedza o wszechświecie doskonale zgadza się z obserwacjami i zawarta jest w tym, co nazywamy standardowym modelem kosmologicznym. Model ten jest predykcyjny, testowalny i daje się go łatwo obalić lub poprawić, jeśli okaże się to konieczne. Mówi on między innymi, że wszechświat składa się w około 5% z materii atomowej, z której jesteśmy zbudowani, w około 25% z „ciemnej materii” i w 70% z „ciemnej energii”. Bazując na Einsteinowskiej teorii grawitacji, standardowy model kosmologiczny określa, w jaki sposób różne składniki wszechświata ewoluowały od najdawniejszych czasów do chwili obecnej. Innymi słowy, z ogólnej teorii względności bierzemy sposób myślenia o przestrzeni i używamy go jako podstawy do opisania, jak składowe kosmosu – promieniowanie, atomy, ciemna materia i ciemna energia – wspólnie tworzą obserwowany przez nas wszechświat. Mimo że posiadamy tak znakomity model wszechświata, wciąż nie rozumiemy dogłębnie jego podstawowych składników. W kosmologii istnieją ekscytujące, otwarte pytania, które nadal są badane przez naukowców na całym świecie, a niektóre z nich omówimy na końcu tej książki.

Podążając moją własną ścieżką nauki kosmologii, w książce tej skoncentruję się na zrozumieniu wszechświata poprzez pomiary mikrofalowego promieniowania tła (MPT; ang. cosmic microwave background, CMB) – słabej termicznej poświaty narodzin naszego wszechświata.

Dowody przemawiające za istnieniem MPT są przytłaczające. Chociaż przypomina ono promieniowanie cieplne pochodzące ze Słońca lub z kuchenki elektrycznej, ma znacznie niższą temperaturę. Wynosi ona bowiem ledwie 2,725°C powyżej zera absolutnego, czyli 2,725 K, co wyraźnie wskazuje na jego zamierzchłe pochodzenie[1]. Niemniej MPT zawiera znacznie więcej informacji niż tylko temperaturę. Rzeczywiście, większość tego, czego dowiedzieliśmy się dzięki MPT, pochodzi z niewielkich różnic w jego temperaturze w różnych obszarach nieba. Na przykład jego temperatura na północnym i południowym biegunie niebieskim (by wziąć dwa dowolne kierunki) nieznacznie się różni. Ponieważ MPT można zmierzyć z niezwykłą dokładnością, jego zrozumienie jest podstawą naszego modelu kosmologicznego. Zanim jednak zagłębimy się w różne aspekty MPT i to, co z nich wynika, najpierw musimy wyrobić sobie pojęcie dotyczące wszechświata jako całości.

W rozdziale pierwszym omówimy parę fundamentalnych pojęć odnoszących się do kosmosu, kierując się dwiema obserwacjami: prędkość światła jest skończona i wszechświat się rozszerza. Połączenie tych dwóch faktów tworzy ramy, których będziemy używać w kolejnych rozdziałach. W rozdziale drugim dokonamy przeglądu składu wszechświata, nie skupiając się na najdrobniejszych szczegółach, lecz raczej na dominujących elementach w różnych epokach naszej kosmicznej historii. To skład wszechświata mówi mu, jak ma ewoluować. Omówimy również, w jaki sposób składniki wszechświata łączą się ze sobą, tworząc gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. W kosmologii nazywamy to po prostu „strukturą” wszechświata. Cały proces tworzenia się struktury ma swoje źródło w Wielkim Wybuchu, a w efekcie dał on początek Ziemi i ostatecznie nam samym. W rozdziale trzecim wyjaśnimy drobne niejednorodności temperatury w MPT, które są pokazane na rysunku 1. Poprzez zrozumienie tego obrazu możemy bardzo dużo nauczyć się o wszechświecie. Następnie w rozdziale czwartym zbierzemy wszystkie części razem i przedstawimy standardowy model kosmologiczny. Mimo że model ten dostarcza znakomitych przewidywań, wiele kwestii pozostaje niewyjaśnionych. Na koniec, w rozdziale piątym, omówimy niektóre współczesne zagadnienia kosmologii teoretycznej i eksperymentalnej.

Kosmologia to żywa i ekscytująca dziedzina. Trwają poszukiwania coraz głębszego zrozumienia zarówno na polu teoretycznym, jak i eksperymentalnym. Obserwatorom kosmosu, takim jak ja, MPT nadal dostarcza nowych informacji – a przyszłe obserwacje mogą spowodować, że na elementy modelu standardowego spojrzymy w nowym świetle, a także mogą przywieść nas do nowych odkryć.

Zanim zaczniemy, pozwolę sobie dodać krótką uwagę na temat poziomu tej książki. Jednym z wyzwań związanych z przedstawieniem najnowszych osiągnięć nauki jest zaprezentowanie idei na odpowiednim dla czytelnika poziomie. Chociaż definiuję różne terminy i pojęcia z naukową szczegółowością, w całej książce robię pewne założenia dotyczące podstawowej wiedzy czytelnika i jego poziomu zainteresowania omawianą tematyką. Na końcu dodałem kilka aneksów, aby w razie potrzeby podać trochę więcej szczegółów co do niektórych zagadnień. Na przykład zakładam, że czytelnicy będą wiedzieć, iż światło jest falą elektromagnetyczną o określonej długości, która niesie energię. Aneks A.1 zatytułowany Widmo elektromagnetyczne zawiera krótki przewodnik po różnych źródłach promieniowania[2] i ich długościach fal, na wypadek gdyby czytelnik chciał uzyskać dalsze informacje na ten temat. Oczekuję również, że większość czytelników będzie wiedzieć, iż prędkość światła jest skończona i stanowi podstawową stałą Natury. Mniej znany fakt mówi, że bez względu na to, gdzie jesteś we wszechświecie lub z jaką prędkością się poruszasz, zmierzona przez ciebie prędkość światła w próżni będzie wynosić 300 000 kilometrów na sekundę. To jeden z fundamentów szczególnej teorii względności Einsteina. W celu zachowania zwięzłości tej książki nie będę zagłębiać się w teorię względności (jest wiele publikacji, które to robią) lub w inne podobne tematy. Niemniej w dalszej części książki wyjaśnię bardziej szczegółowo, niż czytelnik mógł się zapoznać w przeszłości, pewne fizyczne koncepcje związane z naszym rozumieniem kosmosu. Z konieczności czasami opis będzie ilościowy, ale zapewniam, że potrzebna matematyka pozostanie na poziomie: dystans = prędkość × czas, a używać będziemy głównie liczb przybliżonych, gdyż są łatwiejsze do uchwycenia.

Kosmologia ma to do siebie, że odległości i skale czasowe są tak duże, iż trudno je sobie wyobrazić. Aby ułatwić ich zrozumienie, będziemy liczyć rzeczy w „miliardach”. By umieścić tę liczbę w jakimś kontekście: na Ziemi jest nieco ponad siedem miliardów ludzi; koniuszek małego palca zawiera około miliarda komórek; miliard M&M’s-ów nieznacznie przepełniłby sześcienne pudło o około sześciometrowych krawędziach. Ponieważ jest to książka popularnonaukowa (mam nadzieję, że moi koledzy po fachu mi to wybaczą), nie ma w tekście odnośników do publikacji naukowych, a autorzy konkretnych pomysłów i odkryć wzmiankowani są jedynie w minimalnym stopniu.

Mamy wiele do omówienia w tej krótkiej książce – cały wszechświat – więc zaczynajmy!

PODZIĘKOWANIA

Miałem szczęście uczyć się kosmologii od wielu czołowych specjalistów w tej dziedzinie. David Spergel jest moim bliskim współpracownikiem od ponad dwóch dekad. Jim Peebles i Paul Steinhardt odpowiedzieli na liczne pytania i przekazali mi istotne sugestie dotyczące tej książki. Dick Bond uczył mnie, odkąd rozpocząłem pracę jako adiunkt naukowy. Slava Mukhanov wprowadził mnie w tematykę wczesnego wszechświata.

Oczywiście wszystkie błędy biorę na siebie: zawsze można być lepszym uczniem. Zarówno Steve Boughn, jak i Shyam Khanna przeczytali szczegółowo wcześniejsze wersje książki i przedstawili wiele sugestii, które zamieściłem w tekście. Jeff Aumuller doradził, jak uczynić jej treść bardziej przystępną, podobnie jak Kevin Crowley, Oriel Farajun, Bryant Hall, Neha Anil Kumar, Loki Lin, Christian Robles, Allan Shen, Mona Ye i Kasey Wagoner. Ingrid Gnerlich, moja redaktorka, nadała książce jej obecną formę, przekazała mi zbyt wiele cennych sugestii, by je wymienić, a praca z nią była przyjemnością.

Specjalne podziękowania należą się mojemu koledze Steve’owi Gubserowi, który wraz z Fransem Pretoriusem zainicjował serię „krótkich książek” z zakresu fizyki – jedną o teorii strun, a drugą o czarnych dziurach – i tym samym wytyczył szlak, którym podąża niniejsza publikacja. Steve zginął tragicznie podczas wspinaczki w 2019 roku. Ta książka jest jednym z wielu sposobów, w jakie zostanie zapamiętany.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

PRZYPISY

[1] MPT jest często nazywane „tłem trzykelwinowym”, ponieważ 2,725 K to prawie 3 K. Temperatura w skali Kelvina to po prostu liczba °C powyżej zera. Oznacza to, że 1°C powyżej zera absolutnego to 1 K. Przy kelwinach nie zapisujemy znaku „°”. Zmiana o, powiedzmy, 0,01°C jest taka sama jak zmiana o 0,01 K. W systemie, którym będziemy posługiwać się w tej książce, absolutne zero wynosi –273,14°C, woda zamarza w temperaturze 0°C lub 273,14 K i wrze w temperaturze 100°C lub 373,14 K. Słońce ma około 5500°C lub 5773 K, co od teraz będziemy przybliżać temperaturą 6000 K.

[2] Będę używać zamiennie terminów „światło” i „promieniowanie”.