Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Amerykański stronom, Edwin Hubble, wykazał, że nasza galaktyka nie jest jedyna we Wszechświecie, lecz że w rzeczywistości istnieje bardzo wiele innych galaktyk, oddzielonych od siebie ogromnymi obszarami pustej przestrzeni.

Aby to udowodnić, Hubble musiał zmierzyć odległość do innych galaktyk, położonych tak daleko, iż w odróżnieniu od pobliskich gwiazd nie zmieniają pozycji na niebie. Hubble był więc zmuszony do użycia metod pośrednich przy dokonywaniu swych pomiarów. Jasność obserwowana gwiazdy zależy od dwóch czynników: od natężenia światła, emitowanego przez gwiazdę (jej jasności), i od odległości od nas. Potrafimy zmierzyć jasność obserwowaną pobliskich gwiazd i odległość od nich, więc możemy wyznaczyć ich jasność. I odwrotnie, znając jasność gwiazd w odległej galaktyce, potrafimy wyznaczyć odległość do tej galaktyki, mierząc ich jasność obserwowaną. Hubble odkrył, że wszystkie gwiazdy pewnych typów, znajdujące się dostatecznie blisko, by można było wyznaczyć ich jasność, promieniują z takim samym natężeniem. Astronom stwierdził, że jeśli tylko znajdziemy w innej galaktyce takie gwiazdy, możemy przyjąć, że mają one taką samą jasność jak pobliskie gwiazdy tego rodzaju, i korzystając z takiego założenia, jesteśmy w stanie obliczyć odległość do tej galaktyki. Jeżeli potrafimy to zrobić dla znacznej liczby gwiazd w jednej galaktyce i za każdym razem otrzymujemy tę samą odległość, możemy być pewni poprawności naszej oceny. W ten sposób Hubble wyznaczył odległość do dziewięciu galaktyk.

Dziś nawet dzieci wiedzą, że nasza galaktyka jest tylko jedną z setek miliardów galaktyk, które można obserwować za pomocą nowoczesnych teleskopów, a każda z nich zawiera setki miliardów gwiazd. Mleczna Droga jest galaktyką o średnicy stu tysięcy lat świetlnych. Wykonuje ona powolne obroty: gwiazdy w jednym z ramion spirali okrążają centrum galaktyki raz na kilkaset milionów lat. Nasza najbliższa gwiazda – Słońce – jest przeciętną, żółtą gwiazdą w pobliżu wewnętrznego brzegu jednego z ramion spirali.

Po udowodnieniu istnienia innych galaktyk Hubble spędził kolejne lata, mierząc ich odległości i widma. W tym czasie większość  astronomów sądziła, że galaktyki poruszają się zupełnie przypadkowo, oczekiwano zatem, że połowa widm będzie przesunięta w stronę czerwieni, a połowa w stronę niebieskiego krańca widma. Ku powszechnemu zdumieniu okazało się, że niemal wszystkie widma są przesunięte ku czerwieni, co oznacza, że prawie wszystkie galaktyki oddalają się od nas! Jeszcze bardziej zdumiewające było kolejne odkrycie Hubble’a, które ogłosił w 1929 roku. Wielkość przesunięcia widma ku czerwieni nie jest przypadkowa, lecz wprost proporcjonalna do odległości do galaktyki. Inaczej mówiąc, galaktyki oddalają się od nas tym szybciej, im większa jest  odległość do nich. A to oznacza, że Wszechświat nie jest statyczny, jak uważano przedtem, lecz rozszerza się, a  odległości między galaktykami stale rosną.

Odkrycie, że Wszechświat się rozszerza, było jedną z wielkich rewolucji intelektualnych XX wieku. Dziwne, że ani Newton, ani inni uczeni nie zwrócili uwagi na fakt, że statyczny Wszechświat szybko zacząłby zapadać się pod działaniem grawitacji, a jednak wiara w jego statyczność przetrwała aż do początków XX stulecia. Nawet Einstein wierzył weń tak mocno, że już po sformułowaniu ogólnej teorii względności zdecydował się zmodyfikować ją przez dodanie tak zwanej stałej kosmologicznej, wyłącznie po to, by pogodzić istnienie statycznego Wszechświata z tą teorią. W ten sposób wprowadził nową „antygrawitacyjną” siłę, która, w odróżnieniu od wszystkich innych sił, nie jest związana z żadnym konkretnym źródłem, lecz wynika niejako ze struktury samej czasoprzestrzeni. Einstein twierdził, że czasoprzestrzeń obdarzona jest tendencją do rozszerzania się, która może dokładnie zrównoważyć przyciąganie materii znajdującej się we Wszechświecie, i w rezultacie pozostaje on statyczny.

Podczas gdy Einstein i inni fizycy szukali sposobu uniknięcia wynikającego z teorii wniosku, że Wszechświat statyczny nie jest, rosyjski fizyk i matematyk, Aleksander Friedmann, spróbował wyjaśnić ów rezultat. Friedmann poczynił dwa bardzo proste założenia dotyczące struktury Wszechświata: że Wszechświat wygląda tak samo niezależnie od kierunku, w którym patrzymy, i że byłoby to prawdą również wówczas, gdybyśmy obserwowali go z innego miejsca. Na podstawie tylko tych dwóch założeń Friedmann wykazał, iż nie powinniśmy spodziewać się statycznego Wszechświata. Już w 1922 roku, parę lat przed odkryciem Hubble’a, Friedmann przewidział dokładnie, co Hubble powinien był zaobserwować!

Opracowano na podstawie:
Stephen W. Hawking, Krótka historia czasu. Od wielkiego wybuchu do czarnych dziur, Wydawnictwa Alfa, Warszawa 1990.