Wszechświat na miarę człowieka

Powstaje pytanie - jakie są tego przyczyny, ze wszechświat ma taką właśnie strukturę, że galaktyki oddalają się? Co rządzi dynamiką wszechświata? Jedynie siły, które działają na odległościach międzygalaktycznych - to siły grawitacyjne (siły przyciągania, które znamy z prawa powszechnego ciążenia Newtona). Mamy wprawdzie jeszcze drugie siły, które potrafią działać w nieskończonych odległościach - siły elektromagnetyczne, lecz ponieważ ilość ładunków dodatnich i ujemnych jest taka sama, to ich wzajemne oddziaływania na zewnątrz galaktyk są skompensowane. Siły te na odległościach międzygalaktycznych praktycznie nie odgrywają żadnej roli.

Jedyne siły, które mogą rządzić dynamiką wszechświata to siły grawitacyjne. Doskonałą teorią opisującą siły grawitacyjne jest tak zwana einsteinowska teoria grawitacji czyli ogólna teoria względności. W tej teorii ruch w polu grawitacyjnym może być sprowadzony do ruchu swobodnego (np. spadanie swobodne), ale w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Modyfikację czasoprzestrzeni odbieramy jako działanie sił.

W 1920 roku przeprowadzono obserwację całkowitego zaćmienia Słońca. Obraz gwiazd wówczas sfotografowanych, różnił się od obrazu tych samych gwiazd obserwowanych nocą. Zjawisko takie było spowodowane faktem, że Słońce (obiekt o dużej masie) zakrzywia tor światła. Cały wszechświat wypełniony jest gwiazdami. Zgodnie z powyższym, każda z nich zakrzywia przestrzeń. Gwiazdy skupione są, jak wiemy, w galaktykach. Gęstość galaktyk we wszechświecie jest taka sama, zatem modyfikują one przestrzeń wszędzie tak samo. Wynika stąd fakt, że krzywizna czasoprzestrzeni wszechświata wszędzie jest identyczna. Spróbujmy sobie to wyobrazić. Najprawdopodobniej wszechświat, zgodnie z tą teorią, wygląda następująco: jego struktura jest podobna do powierzchni Ziemi, tylko o jeden wymiar większa. Wiemy, że jeżeli będziemy wędrować na przykład na wschód dostatecznie długo, to wrócimy z zachodu. Analogiczną sytuację mamy we wszechświecie. Istnieje jednak pewna zasadnicza różnica: mianowicie - promień Ziemi jest ustalony, nie zmienia się w czasie. Inaczej rzecz się ma ze wszechświatem, ponieważ on się stale rozszerza. Nawet gdybyśmy poruszali się z prędkością światła, nie bylibyśmy w stanie "obejść" wszechświata z uwagi na to, że jego ekspansja następuje jeszcze szybciej. Mamy trzy rodzaje przestrzeni o stałej krzywiźnie: przestrzeń płaską, sferyczną, i tak zwaną siodłową (hiperboliczną). Jak wykryć, z jakim rodzajem przestrzeni mamy do czynienia? Wystarczy wyznaczyć pole koła. W przypadku przestrzeni płaskiej - pole koła równe jest dokładnie pr2. W przestrzeni sferycznej, pole koła będzie mniejsze od pr2, natomiast w przypadku przestrzeni hiperbolicznej - większe od pr2. Oczywiście o ile większe, to zależy od stopnia zakrzywienia przestrzeni.

Istnieje pozorna sprzeczność miedzy teorią, a obserwacjami astronomicznymi. Obserwacje astronomiczne pokazują, że nasz wszechświat jest płaski, teoria natomiast przewiduje, że raczej sferyczny. Powstaje pytanie, dlaczego tak jest? Prawdopodobnie możemy obserwować tylko bardzo mały wycinek wszechświata o objętości Hubble'a, dlatego wydaje się on nam płaski. Dlaczego tylko znikoma część wszechświata jest dostępna naszym obserwacjom? Aby odpowiedzieć na to pytanie przejdźmy teraz do krótkiego omówienia historii wszechświata. W jaki sposób obserwowana struktura wszechświata mogła powstać?