Dostał się nam najlepszy ze wszechświatówNasz Wszechświat tak jak ludzie ma kilka liczb, które określają jego naturę, temperaturę, wiek, witalność, a nawet... płodność. Oto najważniejsze z jego parametrów życiowych w kolejności, w której uświadamialiśmy sobie ich wagę i znaczenie
Wzrost, waga, wiek, obwód biustu, klatki, bioder czy kołnierzyka, ciśnienie krwi, poziom cukru - to parametry, które nie tylko nas opisują, ale niekiedy pozwalają nawet przewidzieć naszą przyszłość. Nasz Wszechświat też ma kilka takich liczb, które go określają. Jeszcze nie wszystkie udało się dokładnie poznać. Oto najważniejsze parametry życiowe Wszechświata.
"Naprawdę interesuje mnie, czy Bóg, stwarzając świat, miał jakikolwiek wybór" - zastanawiał się Albert Einstein. Okazuje się, że nawet drobna zmiana w wartościach stałych fizycznych lub w prawach natury sprawiłaby, że powstałby świat albo pusty, albo znikający w ułamku sekundy, a już na pewno nieprzyjazny dla życia. Przykłady?
Gdyby siły jądrowe zespalające w jądrach atomowych protony i neutrony były odrobinę słabsze, Wszechświat wypełniałby jedynie wodór. Jądra cięższych pierwiastków - tlenu lub węgla - nigdy by nie powstały. I nie powstałoby życie, jakie znamy. Ale gdyby siły jądrowe były silniejsze, to w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu cały wodór zamieniłby się w hel. I życia też by nie było.
Gdyby grawitacja działała mocniej, tworzyłyby się gwiazdy o wiele większe od Słońca. Tak duże gwiazdy szybko się spalają. Umierają w gwałtownym wybuchu supernowej, zmiatając w podmuchu eksplozji całe swe otoczenie i nie pozostawiając dość czasu ani na wykształcenie się planet, ani na powstanie wokół nich życia. Z kolei gdyby grawitacja była słabsza, niż jest, zmalałaby liczba supernowych. Tymczasem wybuchy supernowych rozsiewają w przestrzeni międzygwiezdnej pierwiastki cięższe od wodoru i helu, które są budulcem planet i organizmów.
Jeśliby więc zestaw stałych fizycznych był nieco inny, to być może powstałyby jakieś światy istniejące dłużej niż ułamek sekundy, ale niemal na pewno nie byłoby w nich istot, które mogłyby je podziwiać. Wybierając wszystkie parametry stałych fizycznych na chybił trafił, szansa, że "zrobi się" kosmos, w którym mogłyby zaistnieć - nie, wcale jeszcze nie ludzie - przynajmniej gwiazdy, to 1 do 10^229 [10 do potęgi 229, a więc liczba, która w zapisie dziesiętnym po 1 ma aż 229 zer!].
Jak to się więc stało, że mamy takie niewiarygodne wręcz szczęście? Amerykański fizyk Lee Smolin uważa, że to wynik kosmicznego doboru naturalnego, czegoś na kształt Darwinowskiej teorii ewolucji. Gwiazdy, zapadając się, tworzą czarne dziury. Materia, która tam wpada, zostaje ściśnięta do stanu ogromnej gęstości, takiej samej, jaka charakteryzowała na samym początku nasz Wszechświat. I tam w środku dochodzi z czasem do podobnej eksplozji, jaka zdarzyła się u zarania naszych dziejów i zapoczątkowała nasz kosmos, pączkuje nowy wszechświat, rodzą się nowe gwiazdy i planety.
Wszechświat zrodzony z czarnej dziury różni się od macierzystego - podobnie jak my jesteśmy inni od naszych rodziców. W każdym potomnym wszechświecie kluczowe stałe fizyki będą więc nieco inne. Znakomita większość światów nie odniesie jednak sukcesu reprodukcyjnego. Będą takie, w których w ogóle nie narodzą się gwiazdy, a także czarne dziury - a więc bezpotomne. To ślepa ścieżka ewolucji kosmicznej.
Ale będą też takie, w których własności cząstek i spajających je sił dostroją się prawie idealnie - tak że narodzą się gwiazdy, a z nich liczne czarne dziury i nowe wszechświaty. Ta ścieżka ewolucji wygra. Tylko takie wszechświaty zdominują multiwersum. W nich też szansa na rozwój cywilizacji podobnej do naszej jest największa.
Jeśli Smolin ma rację, to nie mieliśmy większego wyboru. Żyjemy w typowym wszechświecie. Najlepszym z możliwych. I o najlepszych z możliwych parametrach.
Pozwala określić siłę przyciągania grawitacyjnego dwóch mas. Pojawia się w prawie ciążenia sformułowanym przez Izaaka Newtona, a później - w ogólnej teorii względności Einsteina.
W 1665 roku Londyn i okolice opanowała epidemia dżumy. Zamknięto uniwersytet w Cambridge, a studenci i pracownicy rozjechali się na wieś, żeby uniknąć zarazy. Sielskie otoczenie sprzyjało eksplozji energii twórczej Newtona, a obfitość sadów i spadających jabłek mogła być inspiracją dla fizyka, który właśnie w latach 1666-68 osiągnął decydujące wyniki w analizie matematycznej, optyce i mechanice oraz opracował podstawy grawitacji. Samą stałą wyznaczył Henry Cavendish, badając, z jaką siłą przyciągają się dwie ołowiane kulki.
Ostatnich parę pomiarów wprawiło fizyków w konfuzję, bo wartość stałej grawitacji okazała się większa niż w poprzednich eksperymentach. Czy oznacza to, że stała grawitacji może zmieniać się w czasie? Tego nie jesteśmy pewni. Z pewnością jednak zmiany stałej grawitacji nie usprawiedliwiają waszego przybierania na wadze.
Niemałym zaskoczeniem dla ludzi było odkrycie w wiekach średnich, że błysk wystrzału z armaty zauważyć się dało na chwilę wcześniej, zanim uszy rozrywał towarzyszący mu huk. Oznaczało to, że dźwięk rozchodzi się ze skończoną prędkością (w końcu kiedy mówimy do siebie, słyszymy się od razu, a nie po chwili, nieprawdaż?). Że podobne ograniczenie może dotyczyć prędkości światła, podejrzewał już Galileusz, ale wszystkie próby pomiaru spełzały na niczym. Galileusz wraz z pomocnikiem wychodzili za miasto na odległe wzgórza, dawali sobie sygnały świetlne odsłaniając i zasłaniając trzymane latarnie. Jedyny wniosek, do jakiego doszli, był taki, że albo światło jest bardzo szybkie, albo ich refleks dość ospały. Albo jedno i drugie.
Żeby dokonać pomiaru, trzeba było prowadzić obserwacje na dużo dłuższym odcinku niż "odległość między wzgórzami". Kosmicznie długim. W 1676 roku, obserwując zaćmienia księżyca Jowisza, Duńczyk Ole Romer stwierdził, że światło przebywa 13 tys. km w mniej niż sekundę. Sto lat później angielski astronom James Bradley oszacował prędkość światła na 301 tys. km na sekundę.
Gdyby wszystkie nasze osiągnięcia naukowe miały być zagubione i zapomniane, gdyby cała wiedza, jaką gromadzimy, miała zostać stracona przy zagładzie cywilizacji i moglibyśmy przekazać tylko jedno zdanie następnym pokoleniom, co powinniśmy zachować? "Uważam, że najcenniejsza jest myśl, że cała materia zbudowana jest z atomów, małych obiektów, które pozostają bezustannie w ruchu" - powiedział Richard Feynman. Atomy poszczególnych pierwiastków różnią się masą i budową (składają się z większej lub mniejszej liczby elektronów, protonów i neutronów). Łącząc się ze sobą wiązaniami chemicznymi, atomy tworzą cząsteczki budujące wszelkie znane nam substancje. Ile cząsteczek mieści się - dajmy na to - w szklance wody? Albo w hauście powietrza?
Byłoby ogromnie niepraktyczne liczyć te cząsteczki tak, jak zliczamy jabłka lub stoły - czyli na sztuki. Ba, nawet jajka kupowało się przecież kiedyś na tuziny (12 sztuk) lub kopy (60 sztuk). Odpowiednikiem chemicznej "kopy" jest liczba Avogadra - 6,02214129 x 10^23, czyli nieco ponad 602 tryliardy sztuk, nazwana na cześć włoskiego chemika Amadeo Avogadro, który postawił hipotezę, że przy tym samym ciśnieniu i temperaturze, w danej objętości gazów mieści się ta sama liczba cząsteczek, niezależnie od tego, z jakim gazem mamy do czynienia.
8,3144621 J/(mol K) - stała gazowa
W XVII wieku zaczęto badania własności trzech stanów skupienia materii - ciał stałych, ciekłych i gazowych (stan czwarty - plazma - był jeszcze pieśnią przyszłości). Odkryto zależność między ciśnieniem a objętością gazu, a potem - między objętością i temperaturą. Nie były to bynajmniej badania prowadzone w zaciszu wygodnych laboratoriów. Badając magnetyzm, ciśnienie, temperaturę i wilgotność powietrza, chemik francuski Joseph Louis Gay-Lussac wzleciał balonem na 7016 m, bijąc rekord, który utrzymał się przez ponad pół wieku. M.in. dzięki jego przebojowości wiemy, że temperatura proporcjonalna jest do iloczynu ciśnienia i objętości, a współczynnik proporcjonalności to właśnie stała gazowa.
- 273,15 st. C, czyli zero Kelwinów. Zero absolutne. Bezwzględne
Najniższa możliwa temperatura we Wszechświecie, minimum energii, bezruch. Wyznaczona w 1848 roku przez Lorda Kelvina na podstawie teoretycznych obliczeń temperatury kryształu doskonałego, w którym ustały wszelkie drgania tworzących go cząsteczek.
Choć na co dzień tak o sobie nie myślimy, to jednak jesteśmy stworzeniami miłującymi chłód. Zamieszkujemy obszary o temperaturze dość zbliżonej do najniższych, a nie najwyższych możliwych do osiągnięcia w kosmosie. Naszemu ciału (36,6 st. C) bliżej do chłodu absolutnego niż żaru gwiazd. Najwyższą temperaturę powietrza odnotowano na Ziemi w Dolinie Śmierci. Było to "zaledwie 56,7 st. C" (zaledwie 329,85 st. powyżej zera bezwzględnego). Najniższe temperatury panują na Antarktydzie - 10 sierpnia 2010 roku w tamtejszych górach było -92,3 st. C. Temperatura powierzchni dużych gwiazd jest o 50 tys. stopni wyższa.
Spowalniając atomy za pomocą laserów, umiemy chłodzić układy atomów do temperatury zaledwie o kilka milionowych stopnia przekraczających zero bezwzględne.
1,3806488x10^-23 J/K - stała Boltzmanna
Odpowiada za pecha, bałagan i za to, że co było, nie wróci i szaty rozdzierać próżno. Poruszaniem się po przestrzeni rządzi grawitacja - to ona sprawia, że położona na zboczu góry piłka turla się zawsze w dół, nie na szczyt. A co powoduje, że w czasie podróżować możemy tylko w jedną stronę - w przyszłość? Czy czas ma swoją grawitację ściągającą nas tylko w jedną stronę? Dlaczego setki razy rozlewa się mleko, ale nigdy nie zdarzyło się, żeby ktoś zaobserwował proces odwrotny - by mleczna kałuża posprzątała się do szklanki?
Skoro każde z praw mechaniki opisujące ruch cząsteczek jest symetryczne, jeśli idzie o czas, dlaczego więc sam czas ma wyróżniony jeden kierunek? Ta zagadka związana jest z pojęciem energii cieplnej, nieporządku i ze sposobem, w jaki rozpraszana jest energia. Ze wszystkich ścieżek życia Wszechświat wybiera te, które są najbardziej prawdopodobne, czyli mogą się zrealizować na jak najwięcej sposobów.
To dlatego, jeśli coś może pójść źle, to pójdzie! (Pójść dobrze może na tylko jeden, wskazany sposób, a fatalnych scenariuszy są całe setki). To dlatego trudniej o porządek niż o chaos (jest tylko jedno właściwe uporządkowanie i setki metod na zrobienie bałaganu). Stała Boltzmanna ujmuje ilościowo tę zależność.
6,62606957 x 10^-34 Js - stała Plancka
Jeśli idea mówiąca o tym, że materii nie można dzielić w nieskończoność i że jej najmniejszymi składnikami są atomy i cząsteczki, jest - jak deklarował znakomity fizyk Richard Feynman - najważniejszym osiągnięciem ludzkości, cóż powiedzieć o teorii kwantów? Hipotezę, zgodnie z którą podobna zasada, jaka dotyczy materii, obowiązuje też energię, wysnuł Max Planck. Najmniejsze "pakunki energii", nazwane kwantami, są proporcjonalne do stałej h, zwanej na jego cześć stałą Plancka.
Teorii kwantów zawdzięczamy lasery, komputery, smartfony, urządzenia do obrazowania magnetycznego, wszelkie elektroniczne zabawki oraz... niewiarygodne poszerzenie wyobraźni, bo świat kwantów rządzi się prawami całkowicie odmiennymi od naszych intuicji. Dziś dopiero zaczynamy się oswajać z myślą, że to, co dotąd było tylko domeną fantastyki - teleportacja, wszechświaty równoległe - jest równie realne jak bułka z parówką, którą zjadamy na śniadanie.
3x10^30 kg, czyli 1,44 masy Słońca. Granica Chandrasekhara; maksymalna masa białego karła
Skąd się biorą pierwiastki we Wszechświecie? Te najprostsze, najlżejsze powstały dawno temu, tuż po Wielkim Wybuchu. Cięższe produkowane są w kosmicznych fabrykach - gwiazdach. Pierwiastki cięższe od węgla powstają podczas wybuchów supernowych - eksplozji gigantycznych gwiazd. To rzadkie, spektakularne i jakże potrzebne zjawiska - bez nich nie byłoby świata, jaki znamy - życie jest wprawdzie oparte na węglu, ale potrzebuje całej masy innych pierwiastków.
Los gwiazdy jest wyznaczony przez jej masę. Niewielkie gwiazdy, podobne Słońcu, prowadzą stosunkowo spokojne życie (stosunkowo, bo przecież za miliardy lat nasze Słońce rozedmie się i pochłonie najbliższe planety, w tym Ziemię). Gwiazdy nieco większe od Słońca staną się białymi karłami, gorącymi, niewielkimi, które powoli ostygną i umrą. Im większa jest masa białego karła, tym silniej zapada się on pod działaniem własnej grawitacji i tym staje się mniejszy. Jeśli jądro wypalonej gwiazdy przekroczy 1,44 masy Słońca (granicę Chandrasekhara), karzeł wybuchnie jako supernowa i stanie się gwiazdą neutronową, albo skończy jako czarna dziura.
74,3 (km/s)/Mpc - stała Hubble'a
Edwin Hubble - dzięki niemu wiemy, że Wszechświat się rozszerza
Jeśli Wszechświat urodził się podczas Wielkiego Wybuchu, a nie trwał niezmienny od zawsze, to jak dawno temu miało miejsce to zdarzenie? I jak zdążył urosnąć świat od tamtego czasu? Amerykański astronom Edwin Hubble zauważył, że wszystkie galaktyki oddalają się od nas tym szybciej, im dalej się znajdują. Współczynnik proporcjonalności tempa ucieczki to właśnie stała Hubble'a.
Stała Hubble'a nie jest w zasadzie stałą, bo... zmienia się w miarę starzenia się Wszechświata. Jest miarą jego wieku (dokładnie - odwrotnością wieku).
Promień Schwarzschilda, czyli czy żyjemy w środku czarnej dziury?
Idea czarnej dziury, obiektu, który jest tak gęsto upakowany materią, że ściąga do swego wnętrza wszystko, nawet światło, znana była już w XVIII wieku. Istnienie takich masywnych ciał rozważali wówczas angielski geolog John Michell oraz francuski matematyk Pierre Simon de Laplace. W XIX wieku idea upadła, bo światło uważano za falę niepodlegającą grawitacji. Dopiero w 1905 roku Einstein wrócił do rozważania wpływu grawitacji na światło. Kopia pracy Einsteina poświęconej ogólnej teorii względności dotarła na front rosyjski w czasie I wojny światowej, gdzie w jednostce artyleryjskiej służył niemiecki fizyk i astronom Karl Schwarzschild. W samym środku wojennej zawieruchy udało mu się znaleźć niezwykle eleganckie rozwiązania równań Einsteina i określił rozmiary kuli, do której należy ścisnąć daną masę, by otrzymać czarną dziurę. Promień tej kuli nazywamy dziś jego imieniem. Powszechne wyobrażenie każe nam uważać czarne dziury za obiekty niewielkie i bardzo gęste. Faktycznie, promień Schwarzschilda dla Ziemi wynosi zaledwie 1 cm (żeby Ziemia miała zostać czarną dziurą, trzeba by ją ścisnąć do objętości mniejszej niż rozmiary piłeczki tenisowej!). Ale można sobie wyobrazić również bardzo wielkie czarne dziury. Gdyby masę naszej galaktyki rozłożyć równomiernie wewnątrz jej promienia Schwarzschilda, otrzymalibyśmy czarną dziurę o gęstości równej zaledwie 0,0002 gęstości ziemskiej atmosfery.
Między 0,98 a 1,1. OMEGA. Bliżej ciągle nie znana
Aleksander Friedmann - wykazał, że Wszechświat jednorodnie wypełniony materią musi się zmieniać
Podejrzewamy, w jaki sposób mógł się narodzić Wszechświat i zgadujemy - chyba dość dokładnie - ile ma lat. A jaka czeka go przyszłość? Ile jeszcze będzie trwać? Kiedy nadejdzie jego koniec?
Jeśli początkowy Wielki Wybuch nadał materii dość impetu, galaktyki będą się od siebie wciąż oddalać i oddalać, w nieskończoność. Jeśli impetu im nie starczy, zaczną zwalniać, zwalniać, zatrzymają się, a potem ich ruch się odwróci, i pod wpływem grawitacji będą zbliżać się do siebie, aż pod koniec czasu nastąpi Wielka Zapaść - proces odwrotny do Wielkiego Wybuchu. Który ze scenariuszy się ziści? To zależy od masy (oraz energii, która jest zgodnie z wzorem Einsteina przeliczalna na masę) całego Wszechświata. Wystarczy, by średnio na każdy metr sześcienny przestrzeni przypadała masa równa masie pięciu atomów wodoru, by doszło do Wielkiej Zapaści. Stosunek całkowitej masy Wszechświata do masy minimalnej ilości materii wystarczającej do odwrócenia rozszerzania określamy parametrem omega. jeśli jest ona mniejsza od jedynki, nasz świat będzie się rozszerzał w nieskończoność, jeśli większa - skurczy się i zapadnie.
Niestety, na razie najdokładniejsze pomiary pozwalają szacować wartość omegi pomiędzy 0,98 a 1,1. Przeznaczenie jest okryte tajemnicą.
http://wyborcza.pl/1,75476,15538783,Dos ... iatow.html