Paradoksy kosmologiczne - Solaris - rozwój osobisty

Paradoksy kosmologiczne

Paradoks Olbersa, czyli dlaczego niebo jest ciemne?

Jeśli nieskończenie wielki wszechświat zawiera nieskończoną liczbę gwiazd, to niebo powinno nieustannie promieniować jednolitą jasnością, gdyż w każdym kierunku obserwacji nasz wzrok napotykałby gwiazdę.
Już w 1610 roku tę zagadkę próbował rozwiązać Joahannes Kepler. Jako pierwszy zauważył, że idea nieskończonego wszechświata kłóci się z rzeczywistością, bowiem patrząc na nocne niebo dostrzegamy pustą przestrzeń pomiędzy gwiazdami. Kolejni uczeni (Halley, Chedeaux) również podawali swoje wyjaśnienia, jednak dopiero w XIX wieku Heinrich Olbers spopularyzował ten paradoks.

Rozważanych było wiele możliwych wyjaśnień, m.in.:
Według Olbersa przeszkodą jest gaz i pył międzygwiezdny, które zatrzymują (absorbują) światło z dalekich gwiazd.
Wszechświat zawiera skończoną liczbę gwiazd.
Rozkład gwiazd nie jest jednolity, np. zakładając, że ich liczba jest nieskończona, jedne gwiazdy mogą być położone za innymi, stąd tylko skończony obszar widoczności może być przez gwiazdy wypełniony.
Wszechświat się rozszerza, mamy więc do czynienia ze zjawiskiem poczerwienienia światła wysyłanego przez gwiazdę (redshift).
Wszechświat ma skończony (określony wiek). Światło z najbardziej oddalonych obiektów nie zdążyło do nas dotrzeć.

Pierwsze wyjaśnienie jest niepoprawne. Olbers nie wziął pod uwagę tego, iż materia międzygwiezdna, pochłaniając światło wysyłane przez gwiazdy, w końcu się nagrzeje do tego stopnia, że sama zacznie oddawać zgromadzoną energię w postaci światła.

Druga przesłanka mogłaby być poprawna – jednak nawet skończona liczba gwiazd jest nadal na tyle duża, że światło docierające z każdej gwiazdy i podgrzewające materię (która zaczyna również świecić) mogłoby wypełnić całą przestrzeń.

Trzecie wyjaśnienie (gdyby było potwierdzone obserwacyjnie) może być częściowo poprawne. Gdyby gwiazdy miały np. rozkład fraktalny, wówczas istniałyby duże połacie przestrzeni nieoświetlonej (pustej) i niebo byłoby ciemne, z wyjątkiem niewielkich obszarów usianych gwiazdami.

Tylko dwie ostatnie możliwości są poprawne. Z obserwacji wynika (np. rezultaty otrzymane przez sondę WMAP), że wiek wszechświata wynosi ok. 14 miliardów lat (14 × 109 lat), dlatego światło gwiazd dociera do nas z odległości co najwyżej 14 × 109 lat świetlnych. Natomiast promień obserwowalnego wszechświata wynosi 4.7 × 1017 lat świetlnych. Widzimy, że światło emitowane przez nawet najstarsze obiekty dociera do nas z odległości o wiele mniejszej (kilka rzędów wielkości). W takim wypadku nie jest możliwe wypełnienie całego wszechświata jednolitym promieniowaniem świetlnym.
Proces ekspansji wszechświata powoduje, że światło z oddalających się galaktyk jest przesunięte w kierunku czerwonej części widma, w związku z tym dociera do nas stamtąd słabsze światło, niż gdyby wszechświat był statyczny. To rozwiązuje paradoks, ponieważ z nieskończonej (lub bliskiej nieskończoności) ilości galaktyk dostajemy skończoną ilość światła obserwowalnego.

Paradoks Seeligera (grawitacyjny), czyli dlaczego nie nastąpiła Wielka Zapaść?

Rozwiązanie paradoksu Olbersa prowadzi do stwierdzenia, że wszechświat nie może być nieskończony. I tutaj pojawia się problem z siłami grawitacji, z którego zdawał sobie sprawę Newton. Wyobraźmy sobie gwiazdę znajdującą się na obrzeżach przestrzeni. Wówczas wszystkie pozostałe obiekty, zajmujące rozpatrywaną przestrzeń, zaczną tę gwiazdę do siebie przyciągać (zgodnie z prawem powszechnej grawitacji). W takich warunkach wszechświat zacznie się powoli zapadać, a po krótkim czasie przestanie istnieć. Newton się z tym nie zgadzał. Twierdził, że taka sytuacja nie będzie mieć miejsca, gdyż „na zewnątrz” będą inne gwiazdy również wytwarzające siły grawitacyjne i zostanie zachowana równowaga. Oczywiście nie miał racji.
Grawitacja mogłaby spowodować kolaps, gdyby nieskończenie duży wszechświat zawierał nieskończoną ilość materii. Dziś wiemy, że wszechświat się rozszerza. Siła wywołująca ekspansję powoduje, że np. planety krążą wokół gwiazd, oddalają się galaktyki i nie nastąpi „Wielka Zapaść”.

Paradoks informacji, czyli co „wie” czarna dziura?

Powszechnie wiadomo, że czarna dziura to taki obiekt, z którego nic nie może się wydostać, nawet światło. A co dzieje się z informacją (np. masa, ładunek, pęd), którą niesie ze sobą materia wpadająca do czarnej dziury? Czy również zostaje utracona?
W myśl zasady mechaniki kwantowej znajomość stanu końcowego układu fizycznego pozwala zrekonstruować stan początkowy – mechanika kwantowa jest odwracalna. W oczywisty sposób własności czarnych dziur łamią tę podstawową zasadę. Mamy do czynienia z paradoksem – z jednej strony prawa przyrody gwarantują zachowanie informacji – z drugiej zaś wiemy, że czarna dziura pochłania i niszczy wszystko, co znajdzie się wystarczająco blisko niej i nie mamy możliwości odzyskania niczego.
Jeszcze w 1976 roku profesor Stephen Hawking wykazał, że powstająca czarna dziura musi emitować promieniowanie, przez co zmniejsza swoją masę. Po upływie dostatecznie długiego czasu wypromieniuje całą swoją energię i zniknie. Wszelka informacja zostaje zniszczona. Sam Hawking przyjmował taką postawę, chociaż gdyby faktycznie miał rację, zostałaby naruszona zasada zachowania energii.
Kluczem do rozwiązania tej zagadki może być teoria strun i kwantowa teoria grawitacji. Istnieje hipoteza mówiąca o tym, że dla obserwatora zewnętrznego materia wpada do czarnej dziury, ale nie zostaje przez nią pochłonięta – jak gdyby zatrzymuje się w obszarze horyzontu zdarzeń. Dodatkowo materia ulega spłaszczeniu w kierunku ruchu (efekty zgodne z teorią względności Einsteina). Natomiast dla obserwatora, który przekroczył już granicę horyzontu zdarzeń, nie dzieje się nic szczególnego, nie jest w stanie nawet zarejestrować tego momentu, dopóki nie osiągnie punktu w osobliwości. Zewnętrzny obserwator natomiast widzi całą materię, która kiedykolwiek została przechwycona przez horyzont zdarzeń i w nim „zamrożona”.
Według teorii strun, każde ciało fizyczne zbudowane jest ze strun o długości 10-33 cm. W myśl tej teorii horyzont zdarzeń zawiera całą masę czarnej dziury w postaci gigantycznej sieci strun. Informacja o obiekcie fizycznym nie zostaje więc pochłonięta przez czarną dziurę, tylko zatrzymana przez horyzont zdarzeń, a w końcu oddana w postaci promieniowania Hawkinga.

Paradoks dziadka, czyli.. ?

Załóżmy, że możliwe są podróże w przeszłość. Cofając się wstecz, np. do czasów sprzed naszych narodzin, pytamy: co by się stało, gdybyśmy zabili swoich rodziców (lub dziadków)? Paradoksalny problem, którego rozwiązanie zależy w tym momencie od naszej wyobraźni :), gdyż nie wiemy czy podróże w czasie są możliwe z technicznego punktu widzenia (teoretycznie przewidział taką ewentualność sam Einstein, jednak był tym faktem, delikatnie mówiąc, przerażony).
Możemy więc założyć, że cofamy się do innego świata (równoległego, o ile taki istnieje), w którym nigdy się nie urodzimy. I paradoks zostanie rozwiązany.

Paradoks wieku, czyli dzieci starsze od rodzica

Jeszcze do niedawna kosmologowie uważali, że wszechświat liczy sobie około 8-15 miliardów lat. Liczby te nie zgadzały się z wynikami obserwacji najdalszych obiektów. Astronomowie twierdzili, że najstarsze gwiazdy powstały 16-19 miliardów lat temu. Paradoks ten nie jest definitywnie rozwiązany, są dwie możliwości: (1) wiek wszechświata został wyznaczony nieprawidłowo albo (2) nasze teorie na temat budowy i ewolucji gwiazd nie są kompletne i wymagają poprawek.

Joanna Darwińska

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona używa cookies.

Czytaj więcej na temat polityki cookies.