Kontekst odkrycia idei rozszerzającego się Wszechświata

W tej części pracy pokażemy, że na rozwój idei rozszerzającego się Wszechświata miały wpływ obserwacje astronomiczne (czynnik empiryczny nauki), jak i postęp w konstrukcji prostych modeli kosmologicznych na gruncie teorii względności Einsteina (czynnik teoretyczny zwany też apriorycznym⁴). Dopiero uwzględnienie obu tych czynników oraz sprzężenie między nimi pozwala wyjaśnić mechanizm zmian tej fundamentalnej dla kosmologii idei.

Przedstawiając genezę idei rozszerzającego się Wszechświata zacznijmy od wskazania naj-ważniejszych faktów obserwacyjnych.

4 Por. S. Kamiński, Pierwiastki empiryczne i aprioryczne w podstawach nauk fizykalnych, „Roczniki Filozoficzne” 1960, R. 8, z. 3, s. 23–52.

W latach 1912–1917 amerykański astronom Vesto M. Slipher zmierzył przesunięcia linii wid-mowych 25 galaktyk (zwanych wówczas „mgławicami spiralnymi”) i dokonał dopplerowskiej interpretacji tych przesunięć. Cztery z nich miały widma przesunięte ku czerwieni, co oznacza-ło, że te galaktyki się oddalają. Były to pierwsze z wielu astronomicznych obserwacji, których wyniki potwierdziły zjawisko ucieczki galaktyk.

W 1924 r. Edwin P. Hubble, stosując metodę cefeid (gwiazd zmiennych) do pomiaru odle-głości w mgławicy Andromeda, wykazuje, że „mgławice spiralne” są odległymi galaktykami, tj. gromadami gwiazd spoza naszej galaktyki. Georges-Henri Lemaître w 1927 r. znajduje związek pomiędzy przesunięciami ku czerwieni zmierzonymi przez Sliphera i jednorodnym i izotropowym Wszechświatem relatywistycznym wypełnionym materią. Hubble w 1929 r., i następnie z uczniem Harlowa Shapleya, Miltonem Humasonem w 1931 r., publikują prace, w których pokazują, że radialne prędkości galaktyk są proporcjonalne do ich odległości. Hub-ble oryginalnie interpretuje swoje dane na podstawie modelu Willema de Sittera⁵.

Równocześnie rozważania teoretyczne pozwoliły na wyprowadzenie z modeli kosmologicz-nych nowych efektów i obserwabli. W 1922 r. Aleksandr Friedman pokazuje, że równania Einsteina dla jednorodnego i izotropowego ośrodka (z jednorodnym i izotropowym rozkła-dem materii) bez stałej kosmologicznej dopuszczają niestatyczne rozwiązania odpowiada-jące Wszechświatom rozszerzającym się. Znaczenie prac Friedmana nie zostało zauważone do 1930 r. W 1923 r. Hermann Weyl stwierdza, że w modelu de Sittera (jest to stacjonarne rozwiązanie dla pustego Wszechświata z członem kosmologicznym) występuje przesunięcie ku czerwieni punktów na geodezyjnych – hipotetycznych galaktyk, takie, jak to obserwuje Slipher – rosnące z odległością do galaktyki⁶. Wspólnie z Eddingtonem pokazują, że cząstki próbne oddalają się względem siebie. Weyl o tym spostrzeżeniu informuje Einsteina twier-dząc, że w modelu de Sittera pojawia się przesunięcie ku czerwieni. W odpowiedzi na swój

5 John North zauważa, że sama interpretacja przesunięcia linii widmowych ku czerwieni zależy silnie od leżącej u jej pod-staw OTW, por. J. North, Historia astronomii i kosmologii, tłum. Tadeusz i Tamara Dworak, Katowice 1997, s. 351. Inaczej mówiąc każdy fakt teoretyczny, a więc i odkryta zależność pomiędzy przesunięciami ku czerwieni w widmach galaktyk a ich względnymi odległościami, jest uteoretyzowana (nie istnieją nagie fakty). Komentując postawę Hubble’a pisze

„Hubble nie przykładał do tych ostatnich postępów (faktów teoretycznych) specjalnej wagi, chociaż najpierw sądził, że dzięki tym systematycznym prędkościom ucieczki znalazł potwierdzenie dla Wszechświata de Sittera”. North zauważa, że historycznie rzecz biorąc, zależność liniową pomiędzy prędkościami a odległością galaktyk można znaleźć w pracy opublikowanej przez Howarda Robertsona w 1928 r. a jeszcze wcześniej w pracy Georgesa Lemaître’a. Por. L. Calder, O. Lahav, Dark Energy: Back to Newton?, „Astronomy & Geophysics” 2008, R. 49, 1.13–1.18.

6 Chociaż model de Sittera jest stacjonarny (niezmienniczy względem translacji w czasie), gdy rozważamy ruch cząstek próbnych, to ich względny ruch nie jest już stacjonarny.

list Weyl dostaje kartkę pocztową od Einsteina, który pisze znamienne słowa: „If there is no quasi-static world, then away with the cosmological term”⁷.

Jak widzimy, praca wielu naukowców poprzedziła artykuł Hubble’a (1929), w którym wykazał korelację pomiędzy prędkościami radialnymi i odległościami galaktyk. Początkowo Hubble, jak pisze Konrad Rudnicki, próbował dopasować do relacji między prędkościami i odległo-ściami wielomianową krzywą regresji. Gdy dowiedział się, że w modelach relatywistycznych ta relacja jest liniowa, zrezygnował z członów wyższych rzędów wielomianu i przyjął jej postać liniową⁸. Wiedzę tę uzyskał z relatywistycznego modelu Wszechświata i wybrał zależność li-niową, jaka pojawia się w każdym modelu kosmologicznym z metryką Robertsona-Walkera (przestrzeni o stałej krzywiźnie). Bez tej wskazówki Hubble nie zwróciłby uwagi na liniową zależność. Rudnicki zauważa, że Hubble nie łączy z odkrytą zależnością żadnych fundamen-talnych relacji. Jest też daleki od powiązania tego faktu obserwacyjnego z rozszerzaniem się Wszechświata jako całości (ekspansją samej czasoprzestrzeni). Do OTW odnosi się, jak i zresz-tą większość astronomów, z dużą rezerwą.

W pracy powołaliśmy się na Johna Northa, aby wyjaśnić, dlaczego Hubble, po próbach dopa-sowania do danych wielomianu wyższego rzędu, dopasował zależność liniową. Z takim po-glądem nie zgadza się Philip J. E. Peebles, który napisał, że „w świetle pewnej zdrowej ostroż-ności Hubble’a wobec teoretyków (jak to wyraził w Realm of the Nebulae) byłbym zdziwiony gdyby miał na myśli coś więcej, niż najprostsze sensowne wyrażenie swoich wyników”⁹. Hubble z liniową zależnością prędkości radialnej od odległości galaktyk nie wiązał efektu rozszerzania się Wszechświata, o którym mówili teoretycy fizyki. Hubble nie znał podstawo-wych prac teoretyków Friedmana, Lemaître’a, Howarda P. Robertsona i innych, a niechęci do relatywistycznej teorii Einsteina nie ukrywał. W swej pracy z 1929 r. odwoływał się do tzw.

efektu de Sittera, jakim nazywano efekt ucieczki galaktyk teoretycznie wyliczony w rozwiąza-niu stacjonarnym. Chociaż czasoprzestrzeń jest stacjonarna (i pusta), gdy będziemy rozwa-żać ruch cząstek próbnych na geodezyjnych, to będą one wykazywać względne rozbieganie zgodnie z liniową zależnością prędkość vs. względna odległość obiektów pozagalaktycznych.

Shapley wątpił w istnienie takiej prostej zależności i krytykował wynik Hubble’a¹⁰. Sam Hub-ble nie upierał się przy liniowej zależności, argumentując, że odzwierciedla ona tylko

wstęp-7 Por. N. Straumann, On the cosmological constant problems and the astronomical evidence for a homogeneous energy density with negative pressure, „Séminaire Poincaré” 2002, z. 1, s. 6.

8 Por. K. Rudnicki, Zasady kosmologiczne, Bydgoszcz 2002, s. 59–60.

9 J. Turek, op. cit., s. 77.

10 J. Turek, op. cit., s. 80–81.

ną prezentację wyników i nie pretenduje do ostatecznego rozwiązania problemu. Uważał, że gdy będziemy mieli więcej danych, to zostanie ustalona prawdziwa zależność. Jako problem otwarty pozostawiał liniowy charakter tej zależności¹¹.

Turek uważa, że model de Sittera był podstawowym nośnikiem idei Wszechświata ekspandu-jącego¹². Naszym zdaniem, model ten niewątpliwie odegrał ważną rolę teoretyczną poprzez tzw. efekt de Sittera, ale w kontekście odkrycia ekspansji Wszechświata był de facto nośnikiem idei newtonowskiego stylu myślenia. Mógł być bardziej atrakcyjny od modelu Lemaître’a, gdzie pojawia się tzw. osobliwość kosmologiczna. W modelu de Sittera ta osobliwość została odsunięta do nieskończoności, a Wszechświat był wieczny.

Jak wspomnieliśmy, liniowa relacja między przesunięciem ku czerwieni galaktyk i ich od-ległościami została wykazana cztery lata wcześniej przez Lemaître’a (1927)¹³. Oprócz tego, że jego praca była opublikowana po francusku w mało znanym czasopiśmie, inny czynnik odegrał ważną rolę w percepcji autorstwa prawa rozszerzania się Wszechświata. Kolektyw astronomiczny (newtonowski styl myślenia), do którego należał Hubble był liczniejszy niż kolektyw relatywistów. Astronomowie i ludzie interesujący się odkryciami naukowymi dowie-dzieli się o tej relacji z prac Hubble’a i jego współpracowników i w naturalny sposób utożsa-miali to odkrycie z Hubble’em. Lemaître był natomiast znany przede wszystkim wąskiemu kręgowi relatywistów. W ten sposób utrwaliło się przekonanie, że to Hubble jest odkrywcą prawa ucieczki galaktyk, które współcześnie interpretowane jest jako prawo rozszerzania się Wszechświata.

Virginia Trimble, wybitna astronom i historyk astronomii, uważa, że odkrycie prawa

Hubble-’a nie było jednorazowym aktem, ale procesem trwającym wiele lat. Na to odkrycie składały się wyniki prac wielu badaczy i jej punkt widzenia jest zbieżny z antyindywidualizmem Ludwi-ka FlecLudwi-ka¹⁴. Podobnego zdania jest inny znany historyk astronomii i kosmologii John North:

„Prawo powszechnej ekspansji z prędkością proporcjonalną do odległości zostało powiązane z nazwiskiem Hubble’a, a jego wyjątkowo dokładna praca obserwacyjna była zapewne ważna ze względu na możliwość wyprowadzenia tego prawa. W rzeczywistości jednak odgrywał on tylko swoją rolę we wspólnym działaniu intelektualnym astronomów”¹⁵.

11 Por. list Hubble’a do Shapleya z 15 maja 1929 r. cyt. za R. W. Smith, The Origins of the Velocity-Distance Relation, „Jour-nal for the History of Astronomy” 1979, z. 10, s. 152.

12 J. Turek, op. cit., s. 119.

13 Por. G. Lemaître, Un Univers homogene de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nebuleuses extra-galactiques, „Annales de la Societe Scietifique de Bruxelles” 1927, z. 47, s. 49–59.

14 V. Trimble, Anybody but Hubble! 2013 arXiv:1307.2289 [physics.hist-ph].

15 J. North, op. cit., s. 351.