Dobra kosmologia

By umożliwić sobie przejście do naszkicowania alternatywnych kosmologii, napiszę teraz w kilku punktach, o ogólnych postulatach, które odnoszą się do każdego porządnego modelu kosmologicznego.
Dobry model kosmologiczny, który miałby szanse uzyskać zasłużone uznanie środowiska naukowego powinien:
1) opisywać mechanizmy funkcjonowania przynajmniej większości obserwowanych w kosmosie obiektów (planety, komety, gwiazdy, pulsary, mgławice, kwazary, galaktyki, gromady galaktyk etc...)
2) wyjaśniać sposób powstania obserwowanych w kosmosie struktur (galaktyki, supergromady...)
3) wyjaśniać sposób powstania występujących we wszechświecie pierwiastków (a także obserwowanych przez nas związków chemicznych)
4) wyjaśniać występowanie zjawiska przesunięcia widma odległych obiektów ku podczerwieni (redshift)
5) wyjaśniać paradoks Olbersa, czyli fakt, że niebo jest w nocy ciemne, a nie jasne, jak powierzchnia Słońca
6) wyjaśniać występowanie, rozkład widma i rozkład ewentualnych fluktuacji mikrofalowego promieniowania tła
7) rozwiązywać Paradoks Grawitacyjny (zarówno paradoks zapaści jak i paradoks związany z nieskończonością i wektorem siły)
8) powinien on zawierać możliwe do przeprowadzenia obserwacje, które byłyby go w stanie sfalsyfikować

Pierwsze cztery oraz szósty z tych postulatów są oczywiste nawet dla laików nie mających z naukami ścisłymi nic wspólnego. Ostatni z tych postulatów, to oczywiście słynna zasada Poppera, która odnosi się do każdej naukowej teorii.

Postulat piąty odwołuje się do dość oczywistej obserwacji matematycznej, ale warto go wyjaśnić. Otóż zakładając, że kosmos jest nieskończony, ilość gwiazd nieskończona, a ich rozkład - przy odpowiednio dużej skali - jest jednorodny i jeśli do tego światło rozchodzi się w przestrzeni kosmicznej bez strat energii, wówczas, dla każdej odpowiednio dużej kuli o promieniu r, otaczającej Ziemię, dociera do nas z jej wnętrza ilość światła proporcjonalna do ilości gwiazd w tej kuli, a więc do trzeciej potęgi r i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu średniej odległości (co jest rzędu r do kwadratu), bo tak maleje natężenie światła. Oznacza to, że ilość światła docierającego do Ziemi jest wprost proporcjonalna do promienia takiej kosmologicznej kuli. Promień ten zaś w nieskończonym kosmosie o nieskończonej ilości gwiazd może być dowolnie duży, co oznacza dowolnie wielką jasność całego nieba. Nawet zakładając, że jedne gwiazdy będą przesłaniały inne, otrzymujemy jasność nocnego nieba równą jasności tarczy słonecznej, a to sprzeczne jest z naszym doświadczeniem.

Paradoks Grawitacyjny - o którym mówi postulat siódmy - przypisywany jest dwóm królewieckim astronomom – Hugonowi Seeligerowi i Karolowi Neumannowi. W latach 1894 – 1896 opublikowali oni swoje rozważania nad sprzecznościami, w jakie popadają wszelkie oparte na klasycznych newtonowskich założeniach modele kosmologiczne. Jeśli bowiem wszechświat miałby skończoną ilość gwiazd, dziwne jest, że po dostatecznie długim czasie nie zapadł się on w jedno miejsce środka masy wszystkich gwiazd. Kosmos nieskończony i jednorodny pozwalałby wprawdzie na utworzenie swoistej kosmologicznej równowagi (gwiazdy byłyby przyciągane mniej więcej z tą samą siłą ze wszystkich stron, a środek ciężkości by nie istniał), jednak pojawiłby się wtedy inny paradoks. Jeśli - zgodnie z założeniami Newtona - siła grawitacji maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości, kosmos jest nieskończony i ma nieskończoną ilość jednorodnie (przy odpowiednio dużej skali) rozmieszczonych gwiazd, wówczas możemy wybrać pewien duży promień r i dowolny punkt w kosmosie odległy od Ziemi o to r, a następnie wyobrazić sobie kulę o promieniu r i o środku w tamtym wybranym punkcie. Miliardy gwiazd, które znalazły się we wnętrzu tej kuli przyciągałyby Ziemię z siłą proporcjonalną do trzeciej potęgi r (masa kuli) i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu r (prawo Newtona), a więc z siłą proporcjonalną do promienia r. Gwiazdy spoza tej kuli działałyby na Ziemię z siłą wzajemnie się równoważącą, a więc zerową (jest to proste do obliczenia zadanie, na poziomie kursu fizyki ze szkoły średniej). Łączna siła działająca na Ziemię byłaby więc skierowana ku wybranemu punktowi i miała wartość proporcjonalną do r. Środek kuli wybraliśmy jednak dowolnie. Mogliśmy go przecież wybrać w innym kierunku – na przykład prostopadłym do poprzednio wybranego. Również promień mogliśmy wybrać przykładowo dwa razy większy od r. Otrzymalibyśmy wtedy siłę dwa razy większą od poprzedniej, w dodatku działającą w innym kierunku. Sprzeczne wnioski dowodzą sprzeczności przyjętych przez nas założeń.
Istnieje też drugie ujęcie Paradoksu Grawitacyjnego odwołujące się do potencjału grawitacyjnego, a nie do siły, ale rozumowanie jest tu dokładnie analogiczne. Paradoks ten pokazuje, że albo wzory Newtona są błędne, albo model kosmologiczny, jaki tu przyjęliśmy jest błędny – wzory fizyki nie mogą przy prawidłowych założeniach prowadzić do wzajemnie sprzecznych wniosków.

Paradoks Olbersa i Paradoks Grawitacyjny są więc trudnymi wyzwaniami dla każdego modelu kosmologicznego, który przyjmuje nieskończony kosmos z nieskończoną ilością gwiazd.