Kosmologia: struktura Wszechświata

Struktura Wszechświata: Pojawianie się Układu Słonecznego

Obrazek: Pojawienie się układu słonecznego

Kosmologia: Struktura Wszechświata, tematy: Czym jest WszechświatRola oddziaływań fundamentalnych w strukturze materii, Globalne własności Wszechświata oraz Zawartość fizyczna Wszechświata.

Współczesna kosmologia jest to nauka o
budowie, ewolucji oraz powstaniu Wszechświata.

Jako taka, jest częścią fizyki – najbardziej fundamentalną z nauk w tym sensie, że jest jedyną nauką, która bada wszystkie poziomy budowy Wszechświata, poczynając od cząstek najmniejszych (poznanych do czasów obecnych), aż do obiektów największych dostępnych poznaniu na obecnym etapie rozwoju nauki.

Wynika stąd, że mówiąc o budowie Wszechświata, trzeba się odwoływać także do innych działów fizyki, a w szczególności do mikrofizyki jako tego działu fizyki, który zajmuje się mikrozjawiskami. Głównym jego składnikiem jest Standardowy Model Cząstek Elementarnych, takich jak protony, neutrony, elektrony, a nawet neutrina, które należą do najmniejszych dotąd poznanych cząstek materii.

1. Czym jest Wszechświat?

W astronomii i kosmologii używa się terminu Wszechświat w trzech podstawowych znaczeniach.

(1) Wszechświat astronomiczny (zwany także Metagalaktyką)

  • obejmuje tę część istniejącego świata, która jest aktualnie obserwowana przez najlepsze teleskopy (optyczne) oraz radioteleskopy.
  • Jego promień wynosi około 13 mld lat świetlnych. Rok świetlny jest to odległość, jaką przebywa światło w ciągu roku (1 rok świetlny = 10¹³ km).
  • Wszechświat astronomiczny jest przedmiotem badań astronomii (stąd jego nazwa), natomiast kosmologia sięga dalej.

(2) Wszechświat horyzontalny (zwany też Wszechświatem obserwowalnym)

  • jest wyznaczony przez tzw. horyzont zdarzeń.
  • Granicą Wszechświata horyzontalnego są galaktyki oraz kwazary oddalające się od nas z prędkością światła: C ≈ 300 000 km/sek.
  • One to właśnie stanowią horyzont zdarzeń naszego świata.

(3) Wszechświat fizyczny obejmuje całą   fizyczną realność (całą materię).

  • Jest on materialnie i przestrzennie nieograniczony (nie posiada materialnej i przestrzennej granicy), lecz nie wiadomo czy jest materialnie i przestrzennie nieskończony.
  • Jego nieograniczoność materialna i przestrzenna oznacza też, że nie posiadając granic, nie ma też środka.
  • Natomiast my znajdujemy się w środku zarówno Wszechświata astronomicznego jak też Wszechświata horyzontalnego, gdyż nasza Galaktyka stanowi przestrzenny wyznacznik ich obu.

(4) W filozofii oraz teologii używa się jeszcze jednego, bardziej ogólnego, pojęcia Wszechświata na oznaczenie wszystkiego co istnieje.

  • Dla ludzi wierzących jest to świat obejmujący przyrodę oraz świat nadprzyrodzony.
  • Natomiast dla ateistów pojęcie Wszechświata w ostatnim sensie (4) pokrywa się z pojęciem Wszechświata fizycznego (3), gdyż dla nich wszystkim co istnieje jest świat fizyczny.
Struktura Wszechświata: Droga Mleczna
Droga Mleczna

2. Rola oddziaływań fundamentalnych w strukturze materii

Wszystkie oddziaływania fizyczne redukuje się do 4 oddziaływań fundamentalnych:

  1. Oddziaływanie silne (jądrowe)
  2. Oddziaływanie elektromagnetyczne
  3. Oddziaływanie słabe (jądrowe)
  4. Oddziaływanie grawitacyjne – najsłabsze

Oddziaływania te różnią się od siebie ogromnie, zarówno siłą jak i zasięgiem.

Oddziaływania elektromagnetyczne oraz grawitacyjnedługozasięgowe, tzn. działają na dowolną odległość, natomiast silne i słabe krótkozasięgowe (ich zasięg wynosi od 10-8  do 10-13 cm, co oznacza, że nie przekracza średnicy atomu).

Zasięg oddziaływania zależy od cząstek pośredniczących, za pomocą których oddziaływanie się odbywa:

Struktura Wszechświata: Galaktyka Andromedy
Galaktyka Andromedy. Obraz z Teleskopu Spitzera wykonany w podczerwieni pokazuje galaktykę Andromedy, sąsiadującą z naszą galaktyką – Drogą Mleczną. Obraz podkreśla kontrast pomiędzy falującymi wzburzonymi falami pyłu (kolor czerwony) w galaktyce a „gładkim morzem” starszych gwiazd (kolor niebieski). Galaktyki spiralne mają tendencję do tworzenia nowych gwiazd w pylistych, pulchnych ramionach, podczas gdy ich rdzenie są zapełniane przez starsze gwiazdy. Teleskop Spitzer pokazuje również ścieżki pyłu Andromedy skręcające aż do centrum galaktyki, regionu pełnego gwiazd. W świetle widzialnym ten centralny obszar zdominowany jest przez światło gwiazd.
  • oddziaływania długozasięgowe realizowane są przez cząstki o masie spoczynkowej równej zero (fotony i grawitony), natomiast
  • oddziaływania krótkozasięgowe – przez cząstki posiadające masę spoczynkową (gluony i inne).
  • Oddziaływania silne mają moc 1040 razy większą niż oddziaływania grawitacyjne.
  • Z kolei oddziaływania elektromagnetyczne są 100 razy słabsze od oddziaływań silnych.
  • Oddziaływania słabe pod względem mocy są usytuowane między oddziaływaniami elektromagnetycznymi a grawitacyjnymi. Są one o 1014 silniejsze od oddziaływań grawitacyjnych i są odpowiedzialne głównie za rozpady atomowe.
  • Oddziaływania silne wyznaczają strukturę materii na mikropoziomie.
  • Oddziaływania elektromagnetyczne wyznaczają strukturę na makropoziomie.
  • Oddziaływania grawitacyjne wyznaczają strukturę materii na poziomie kosmicznym.

Dzięki nim materia skupia się w planety, gwiazdy, galaktyki oraz gromady galaktyk, które stanowią największe stabilne struktury we Wszechświecie.

Zagadkę, dlaczego nie oddziaływania elektromagnetyczne lecz grawitacyjne (słabsze od elektromagnetycznych o 1038 razy) wyznaczają strukturę obiektów kosmicznych wyjaśnia fakt, że atomy i struktury z nich zbudowane są elektrycznie obojętne, natomiast

siła grawitacyjna jest proporcjonalna do masy ciał.

Struktura Wszechświata: Rzeźba neutrina
Rzeźba neutrina w Royal Botanic Gardens, Melbourne

Trzeba dodać, że współcześni fizycy przewidują – poza czterema omówionymi – istnienie także innych  rodzajów oddziaływań fundamentalnych. Jest to związane z faktem, że zachowanie neutrin (l. poj. neutrino) nie daje się do końca wyjaśnić za pomocą poznanych (czterech) oddziaływań, gdyż różnią się one od wszystkich dotąd poznanych cząstek elementarnych tym, że wraz z upływem czasu zmieniają swoje istotne własności. Nawet wówczas, gdy nie zderzają się z innymi cząstkami. Pozostałe (poznane) cząstki elementarne zachowują swoje własności do momentu zderzenia z inną cząstką.

Na przykład, stwierdzono doświadczalnie, że znaczna ilość tzw. neutrin elektronowych wytwarzanych przez Słońce po przybyciu na Ziemię “znika”, to znaczy – jak się przypuszcza – zamienia się w inny rodzaj neutrin, które posiadają inną masę i energię, czyli, jak powiadają fizycy, zmienia swą barwę.

Ani sam fakt istnienia masy spoczynkowej neutrin, ani fakt zmiany ich masy (bez zderzeń) nie dają się wyjaśnić za pomocą czterech poznanych rodzajów oddziaływań fundamentalnych.

3. Globalne własności Wszechświata

Do globalnych własności Wszechświata należą:

  • średnia gęstość materii (masy),
  • temperatura,
  • zakrzywienie przestrzeni oraz
  • własność dynamiczna – tempo rozszerzania się Wszechświata.
Średnia gęstość materii we Wszechświecie jest znikoma i wynosi około 10-29 g/cm³.
Także średnia temperatura Wszechświata jest bardzo niska, gdyż wynosi około 2,7 K (około -270º C), tzn. tyle ile temperatura reliktowego promieniowania tła.
Wreszcie znikoma jest krzywizna przestrzeni, która jest tak mała, że na podstawie współczesnych danych astronomicznych nie jesteśmy w stanie ustalić, czy zakrzywienie czasoprzestrzeni jest dodatnie (Riemannowskie), czy też ujemne (Łobaczewskiego).
Rozszerzanie się Wszechświata jest także własnością globalną, gdyż cały Wszechświat astronomiczny rozszerza się w tym samym tempie.

Globalny charakter mają też najbardziej fundamentalne prawa fizyki odkryte przez OTW i MQ, gdyż działają one od progu Plancka (10-44 sek od momentu WW) w całym astronomicznym Wszechświecie.

4. Zawartość fizyczna Wszechświata

Z obserwacji astronomicznej wynika, że siły grawitacyjne działające w obrębie poszczególnych galaktyk są znacznie większe niż te, które jest zdolna wytworzyć materia świecąca, złożona głównie z gwiazd oraz z mgławic pyłu i gazu, z których gwiazdy powstają.

Struktura Wszechświata: Mgławica
Mgławica

Podobnie siły grawitacji utrzymujące gromady galaktyk są większe, niż grawitacja powodowana przez masy galaktyk.

Z faktów powyższych oraz z teorii inflacji wynika, że oprócz materii świecącej istnieje także inny rodzaj materii zwanej ciemną materią, która również powoduje przyciąganie grawitacyjne.

Trzecim przewidywanym składnikiem fizycznej zawartości Wszechświata jest tzw. ciemna energia, która w odróżnieniu od zwykłej materii (zarówno świecącej jak też ciemnej) powoduje antygrawitację, czyli odpychanie się materii w wielkiej skali.

O istnieniu ciemnej energii świadczy odkryty w roku 1998 fakt przyśpieszonej ekspansji Wszechświata.

Z wyliczeń wynika, że

  • materia świecąca stanowi jedynie 5% całkowitej zawartości fizycznej Wszechświata (w tym same gwiazdy tylko 1%, natomiast pył i gaz kosmiczny 4%),
  • ciemna materia – około 25%,
  • ciemna energia – około 70% .

Znaczy to, że astronomowie obserwują jedynie „wierzchołek góry lodowej”, tzn. 5% całej zawartości fizycznej Wszechświata.

O istnieniu zarówno ciemnej materii jak też ciemnej energii świadczy jedynie grawitacja, dlatego ich istnienie nie jest całkowicie pewne. Tym bardziej, że nie zdołano ustalić, z jakich obiektów fizycznych (z jakich cząstek elementarnych) się one składają.

Iva Kalina, 12.01.2018

Ilustracje

Rzeźba neutrina w Royal Botanic Gardens, Melbourne – źródło: Wikimedia Commons
Galaktyka Andromedy – źródło: Wikimedia Commons

About Achatoja

Kilka słów o autorze.

View all posts by Achatoja →

Dodaj komentarz

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