Živimo v posebnem času

O nastanku vesolja vemo precej več kot še pred dvema desetletjema – Neusmiljeno primerjanje skladnosti napovedi z opazovanji.
Objavljeno
19. marec 2014 18.55
Tomaž Zwitter
Tomaž Zwitter

Ob zadnjih odkritjih o nastanku vesolja in o Zemlji podobnih planetih okoli drugih zvezd se ni mogoče izogniti misli, da živimo v posebnem času.

Razlage o nastanku sveta in o mestu človeštva v njem so osnova pogleda na svet, zato ni presenetljivo, da je bil to od nekdaj sestavni del različnih verovanj. V zadnjem stoletju je prišlo do odločilnega premika, ko je o pravilni razlagi mogoče soditi z znanstveno metodo, z neusmiljenim primerjanjem skladnosti napovedi z opazovanji. In o nastanku vesolja vemo precej več kot še pred dvema desetletjema. Zelo raznovrstne meritve kažejo, da je vesolje z velikim pokom nastalo pred 13,8 milijarde leti, da se širi in pri tem celo pospešuje in da vsebuje premalo snovi, da bi se širjenje kdaj ustavilo.

Mejniki

Ko skušamo seči nazaj proti začetkom, si lahko postavimo nekatere mejnike. Naše Sonce je staro 4,6 milijarde let, torej je nastalo, ko je imelo vesolje dve tretjini današnje starosti. Nekatere zvezde so še starejše. Prejšnji mesec so avstralski astronomi pod vodstvom dr. Stefana Kellerja objavili odkritje doslej najstarejše poznane zvezde, ki sodi v drugo generacijo vseh zvezd, ki so nastale v vesolju. Ocenjujejo, da je stara približno 13,5 milijarde let, torej je nastala kakšnih 300 milijonov let po nastanku vesolja. Pred tem se snov še ni imela časa zgostiti v goste kepe plina, iz katerih nastanejo zvezde. Bolj nazaj ko sežemo, gostejše je bilo takrat vesolje. Prvih 300 tisoč let po nastanku sta bili povprečna gostota snovi in temperatura v vesolju tako veliki, da vesolje ni bilo prozorno za svetlobo, potem pa je svetloba imela prosto pot. Večina te svetlobe še vedno blodi po vesolju, ogromno povečanje vesolja odtlej pa je njeno valovno dolžino premaknilo iz vidne svetlobe v področje mikrovalov.

To je mikrovalovno sevanje ozadja, ki sta ga pred pol stoletja odkrila kasnejša nobelovca Arno Penzias in Robert Wilson. Sevanje je bilo nenavadno enako v vseh smereh, česar niso pričakovali. Med širjenjem vesolja se nam namreč odpira pogled na tako oddaljene dele vesolja, da ti pred tem še niso mogli biti niti v svetlobnem stiku. Torej je moral nekdo nastaviti enake pogoje v oddaljenih delih vesolja, ali pa so bili oddaljeni deli vesolja na začetku kljub temu v stiku in so se tako pogoji v njih uravnali.

Inflacija

Alan Guth
je leta 1980 predlagal razlago skladno z drugo možnostjo. Postuliral je obstoj inflacije, to je izjemno hitrega širjenja v prvem delčku sekunde po nastanku. Vesolje se je tako do časa po začetku, ki je za vsaj 32 decimalnih mest krajše od ene sekunde, razširilo na velikost, podobno naši Zemlji. Kosi vesolja, ki so bili pred inflacijo v stiku, so po njej stik izgubili. To prvotno uravnanost vidimo kot enake pogoje v zelo oddaljenih kosih vesolja. Inflacija je lahko razložila še marsikaj drugega, na primer odsotnost magnetnih monopolov, in napovedala stopnjo ukrivljenosti prostora. Tudi majhna nihanja v temperaturi in gostoti snovi v zgodnjem vesolju, ki jo je satelit COBE pred dvajsetimi leti odkril v mikrovalovnem sevanju ozadja, so lahko razložili kot posledico kvantnih fluktuacij v času pred inflacijo. Končno je satelit WMAP potrdil ukrivljenost prostora, kot jo je napovedovala inflacija.

Teorija inflacije ima veliko zagovornikov, saj je pojasnila precej problemov pri razlagi zgodnjega razvoja vesolja. Kljub temu pa nimamo fizikalne slike, ki bi nam pojasnila, zakaj je prišlo do tega izjemno hitrega širjenja in zakaj se je kasneje ustavilo. Omenili smo, da se je inflacijsko širjenje končalo zelo kmalu po velikem poku, ura bi tedaj v sekundah od začetka kazala številko, ki ne bi imela ničle šele na 32. decimalnem mestu. To so nepredstavljivo kratki časi. Čas konca inflacije proti eni sekundi je tako majhen kot čas običajnega prehoda med dvema nivojema elektrona v atomu proti današnji starosti vesolja. In elektron preskoči med nivojema v tisočinki bilijoninke sekunde. Torej pri inflaciji govorimo o zelo neobičajnih pogojih, ki so povsem zunaj okvirov, ki bi jih kdaj lahko poustvarili na Zemlji. Že sama možnost, da lahko o tako neobičajnih pogojih znanstveno razpravljamo, se zdi izjemna.

Eksperiment

Kot vedno v znanosti mora med pravo in napačno razlago razsoditi eksperiment. Vprašanje je torej, ali je naglo inflacijsko širjenje ob začetku vesolja povzročilo še kakšne merljive posledice. Dr. Uroš Seljak, Novogoričan, ki je diplomiral in magistriral na Oddelku za fiziko ljubljanske univerze, nato pa doktoriral na Massachusetts Institute od Technology in je zdaj profesor fizike na Berkeleyju in direktor tamkajšnjega prestižnega Centra za kozmološko fiziko, je leta 1996 pokazal, da je izjemno hitro širjenje vesolja ob inflaciji moralo roditi močne gravitacijske valove, ki so kot periodični vzorec zgoščin in razredčin odmevali v zgodnjem vesolju. Svetloba, ki jo danes zaznamo kot mikrovalovno sevanje ozadja, se je v času, ko je vesolje postajalo prozorno za svetlobo, na teh malenkost gostejših in redkejših območjih sipala. Značilen pojav pri sipanju svetlobe je, da je taka svetloba polarizirana, torej da gre za valovanje, ki niha le v eni ravnini. Pojav poznajo fotografi, ki lahko v polarizirani svetlobi poudarijo oblake, na katerih se v lepem vremenu sipajo sončni žarki. Zgoščine in razredčine pa niso le posledica gravitacijskih valov, ampak običajnih gostotnih nihanj v snovi. Seljak se je tu domislil, kako razpoznati polarizacijo, ki je posledica inflacijskega nastanka gravitacijskih valov. Edino gravitacijski valovi namreč povzročijo, da ima dobljeni polarizacijski vzorec vrtinčnost.

Zdaj čakamo na Plancka

S teleskopom BICEP-2 so, kot vse kaže, to vrtinčnost polarizacije mikrovalovnega sevanja ozadja zdaj izmerili na območju neba okrog južnega pola. Že letos je pričakovati, da bodo objavili rezultate izjemno natančnih meritev polarizacije s satelitom Planck Evropske vesoljske agencije, ki bo premeril vse nebo.

Potrditev ali celo nadgradnja ponedeljkove objave bo pomenila, da dogajanje v prvem delčku sekunde vesolja bolje razumemo. Premik meja je tako velik, da verjetno tega ne bo prezrl niti Nobelov odbor. Vprašanje je le, kako bo razdelil največ tri nagrade med teoretike in eksperimentalce. Z napovedjo, da je opažena vrtinčnost polarizacije posledica zgodnjega inflacijskega širjenja, je med kandidati tudi dr. Uroš Seljak.

Prof. dr. Tomaž Zwitter, Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani