Zasada kosmologiczna i prawo Hubble`a

W notce 1 była mowa o zasadzie kopernikańskiej. Przez świat nauki zasada ta przyjęta została apriori jako rodzaj aksjomatu. Pięćset lat temu już sama myśl stanowiła ogromny przełom. Dziś raczej przyjmuje się to jako rzecz czywistą do tego stopnia, że nawet jej łamanie przez rozliczne hipotezy i teorie nie stanowi problemu. Wprost przestała stanowić kryterium ich oceny. Stała się zdroworozsądkowym marginesem i nie zaprząta umysłów zajętych sprawami "poważniejszymi". Jeszcze trochę, a zajmować się nią będą tylko historycy nauki. Czy słusznie (w związku z tym "tylko")? Dziś bowiem nie mówi się o ruchu galaktyk jako takim. Jak wiadomo, dziś mówi się tylko i wyłącznie o rozszerzaniu się przestrzeni. W tym kontekście zasada kosmologiczna jest jakby nierelewantna. Czy słusznie? Ponawiam pytanie.

Główną konsekwencją przyjęcia tej zasady, w odniesieniu do dynamiki obiektów o znaczeniu kosmologicznym, była (patrz notki 1 i 3) hipoteza o proporcjonalności ich prędkości względnych do wzajemnych odległości. Symbolicznie przedstawia to wyrażenie: v/r = const. To rodzaj antycypacji. Czy badania naukowe ją potwierdzą? Czy możliwe jest wyznaczenie wielkości tej stałej?

Odkrycie Hubble’a

Jedną z najważniejszych metod badawczych astrofizyki jest analiza widmowa, dzięki której poznajemy skład chemiczny badanych obiektów, ich parametry termodynamiczne, a także opisujemy ich ruch. Nim się tutaj zajmiemy. Wiadomo, że linie określonego widma obiektu poruszającego się, przesunięte są względem tychże linii widma laboratoryjnego. Przyczyną tego jest jak wiadomo efekt Dopplera. Dysponując wielkością przesunięcia linii (z) możemy wyznaczyć prędkość obiektu. Znane są też metody pomiaru odległości. "Interesujące, czy istnieje jakiś związek między prędkością obiektów, a ich odległością?" Pytanie to zadać można nawet jako naturalną kolej rzeczy, wprost z nagromadzenia danych obserwacyjnych, bez uświadomienia, że wiąże się ono bezpośrednio z zasadą kosmologiczną. Jeśli żaden związek nie istnieje, to powierzchnia zawarta między osiami prędkości i odległości (OXY) pokryta powinna być równomiernie punktami określonymi przez te dwa parametry, jeśli uwzględnić odpowiednio dużą liczbę obiektów, bo wszelkie pary liczb są możliwe. Wynik taki oznaczałby, że bardziej do przyjęcia jest model drugi z trzech wymienionych w notce 2, mających spełniać zasadę kosmologiczną. Dla przypomnienia, model ten zakłada statyczność nieskończonego Wszechświata. Badanie to przeprowadził Edwin Hubble. Przede wszystkim odkrył, że wszystkie nielokalne (nie należące do lokalnej drupy, w skład której wchodzi nasza Galaktyka) obiekty oddalają się. W roku 1929 ogłosił wyniki swych badań. Pomimo, że dysponował dość ubogim zbiorem danych (kilkanaście wiarygodnych par liczb), okazało się, że już w tym bardzo ograniczonym zbiorze danych istnieje wyraźna liniowa zależność pomiędzy prędkością galaktyki, a jej odległością. Z przeprowadzonego badania wynika więc zależność wprost proporcjonalna między względną prędkością obiektów o znaczeniu kosmologicznym, a ich wzajemną odległością. Choć uczony ten nie dysponował wystarczająco bogatym zbiorem danych, zdecydował się na opublikowanie pracy, przekonany, i słusznie, że dokonał odkrycia. Dalsze obserwacje potwierdziły to. Ciekawe, że odkrycie zaskoczyło świat nauki i nikt (ważny) nie pomyślał, że to "tylko" potwierdzenie znanej od dwien dawna Zasady. Samo spostrzeżenie nazwane zostało prawem Hubble`a. Zapisuje się to w następującej postaci: v = Hr (1). Tutaj: H – to oczywiście współczynnik proporcjonalności widniejący w antycypacji bezpośrednio wynikającej z zasady kosmologicznej, jako "const". Nosi on nazwę stałej Hubble’a. Jej wartość szacuje się dziś na: H = (15-20)km/s/na milion lat świetlnych lub: H = (48,9-65,2)km/s/Mps. [Mps – megaparsek, czyli milion parseków; parsek, to odległość odpowiadająca paralaksie sekundowej i wynosi 3,26 roku świetlnego] H jest zatem właśnie tym szukanym parametrem obserwacyjnym, o którego potrzebie wyznaczenia zasygnalizowałem (antycypacja) w notce 3, w konsekwencji rozważań nad wnioskami z zasady kosmologicznej (model trzeci).

Okazuje się więc, że bardzo odległe galaktyki, wszystkie bez wyjątku, oddalają się od nas, przy czym prędkości ich są proporcjonalne do odległości. Spójne to jest oczywiście z wnioskami wynikającymi z zasady kosmologicznej. Nie psuje tego fakt, że niektóre galaktyki zbliżają się. Na przykład galaktyka M 31 w Andromedzie zbliża się do nas z prędkością ok. 300 km/s. Jest to jednak ruch lokalny jednej z najbliższych galaktyk, bez jakiegokolwiek znaczenia kosmologicznego.

Reasumując możemy stwierdzić, iż odkrycie Hubble’a: a) stanowiło potwierdzenie obserwacyjne zasady kosmologicznej; b) umożliwiło wyznaczenie wartości liczbowej stałej przewidywanej przez tę zasadę; c) sugeruje nawet, że prędkości względne są stałe, a ściślej, stały jest stosunek c/v. To trzecie stwierdzenie, pomimo, że to tylko sugestia, z pewnością zaskoczy niejednego czytelnika, nawet wywoła sprzeciw.

I na tym właśnie polega zasadniczy postęp, jaki dokonał się dzięki odkryciu. Wyniki do jakich doszedł Hubble w swych badaniach, należy to zaznaczyć, choć bezpośrednio wynikają z zasady kosmologicznej, nie w pełni koherentne były z „zastaną” dynamiką badań. Nie dziw, że samo odkrycie, stanowiło rodzaj niespodzianki godząc w „obowiązujące” dotąd modele Wszechświata statycznego i nieskończonego. To na prawdę ciekawy przyczynek do historii nauki. A dzisiaj?