Co było

Alternatywy dla Big-Bangu zaczęły pojawiać się już w latach czterdziestych. Opracowany przez Hoyla, Golda i Bondiego model stanu stacjonarnego, do połowy lat sześćdziesiątych cieszył się w środowisku naukowym większym nawet uznaniem od teorii Wielkiego Wybuchu. Model ten akceptował ucieczkę galaktyk, zakładał jednak kreację materii w miejscu powstającej pustki, tak, by gęstość materii pozostawała stała w czasie. Był to model zgodny z tak zwaną Silną Zasadą Kosmologiczną, która postuluje, że dla odpowiednio dużej skali, kosmos pozostaje jednorodny w czasie i przestrzeni (we wszechświecie nie istnieją wyróżnione miejsca, ani wyróżnione zdarzenia). Po odkryciu mikrofalowego promieniowania tła, teoria stanu stacjonarnego została zarzucona. Nastąpił wtedy trwający aż do połowy lat dziewięćdziesiątych okres, w którym rozmaici uczeni próbowali znaleźć alternatywne sposoby wyjaśnienia poszczególnych fenomenów, dotąd tłumaczonych wyłącznie przez model Big-Bangu. W miarę kompletne teorie pojawiły się dopiero w latach dziewięćdziesiątych, a wśród nich najbardziej obiecującą jest chyba koncepcja kosmosu plazmowego, nazywana też teorią kosmosu elektrycznego.

Początki modelu kosmosu elektrycznego sięgają lat pięćdziesiątych, kiedy to Fermi i Chandrasekhar wysunęli hipotezę, że zakrzywienie ramion galaktyk spiralnych powstaje pod wpływem pola magnetycznego. Ich hipoteza nie była w żadnym razie próbą zakwestionowania modelu Big-Bangu, a jedynie zwróceniem uwagi na trudności w grawitacyjnej interpretacji zjawiska oraz na możliwości jakie daje interpretacja elektromagnetyczna. Jeszcze wcześniej, bo pod koniec lat czterdziestych Ralph Juergens przedstawił koncepcję elektrycznego Słońca. Za twórcę koncepcji kosmosu plazmowego uważa się jednak szwedzkiego astrofizyka i laureata Nagrody Nobla, Hannesa Alfvena. Uczony ten w latach sześćdziesiątych postawił tezę, że zjawiska elektromagnetyczne są dominującym fenomenem w kosmosie (lub przynajmniej odgrywają równie istotną rolę co grawitacja). Koncepcja kosmosu plazmowego zakłada, że zdecydowana większość (99,999%) materii we wszechświecie znajduje się w stanie plazmy oraz, że zjawiska plazmowe (struktury dwuwarstwowe, struktury włókniste, struktury spiralne) obserwowane w laboratorium są dowolnie skalowalne, aż do rozmiarów kosmologicznych. Miały one tłumaczyć formowanie galaktyk (później Alfven uznał, że również supergromad). Teoria Alfvena była jednak niekompletna. Nie tłumaczyła ani zjawiska przesunięcia widma galaktyk ku czerwieni, sposobu powstawania oraz obfitości występowania lekkich pierwiastków, rozkładu i źródła mikrofalowego promieniowania tła, nie rozwikływała Paradoksu Olbersa, ani Paradoksu Grawitacyjnego, nie podawała też żadnych obserwacji, które mogłyby ją sfalsyfikować. Była więc ona bardziej wskazaniem kierunku, intuicją, hipotezą, a nie porządną teorią kosmologiczną.
Idee Alfvena zostały jednak podjęte przez innych badaczy, z których w pierwszej kolejności wymienić trzeba Anthony’ego Peratt’a, Donalda Scotta i Erica Lernera. Ostatnio ważną postacią jest też Ari Brynjolfsson. I choć uczeni ci nie we wszystkim ze sobą są zgodni i żadna z proponowanych przez nich wersji plazmowej kosmologii nie rozwiązuje wszystkich kosmologicznych dylematów, koncepcje ich są jednak znacznie bardziej zgodne z obserwacjami niż kosmologia Wielkiego Wybuchu. Uzupełnienie kosmologii plazmowej koncepcją kosmosu fraktalnego (co robi na przykład Lerner) daje już teorię w przekonujący sposób wyjaśniająca większość kosmologicznych zagadek.

Koncepcja kosmosu elektrycznego wyjaśnia formowanie galaktyk spiralnych bez wprowadzania żadnych dodatkowych tajemniczych bytów. Wyjaśnia powstanie wielkich kosmicznych struktur przy użyciu tego samego mechanizmu, którym wyjaśnia powstawanie galaktyk. Koncepcja ta nie napotyka przy tym na problem braku czasu potrzebnego na ich uformowanie, bo kosmos jest tu wieczny – nigdy nie miał swego początku. Jej przewidywania są zgodne z zaobserwowaną ostatnio fraktalną strukturą wszechświata - zwolenników Big-Bangu obserwacje te wprawiają w przerażenie.

Teoria kosmosu plazmowego – jak pokazuje Lerner - lepiej od teorii Wielkiego Wybuchu wyjaśnia sposób powstania pierwiastków w obserwowanych ilościach. Teoria ta mówi, że pierwiastki powstały w procesie nukleosyntezy w gwiazdach oraz (zwłaszcza izotopy wodoru i litu: deuter i 7lit) w pobliżu gwiazd, pod wpływem emitowanego przez nie promieniowania kosmicznego.
Koncepcja, że źródłem pochodzenia pierwiastków są procesy syntezy jądrowej zachodzące we wnętrzach gwiazd zaproponowana została już pod koniec lat pięćdziesiątych, przez grupę uczonych nazywaną B2FH: Margaret i Geoffrey’a Burbidge, William Fowler oraz Fred Hoyle, jako alternatywa dla teorii Gamova, który uważał, że za proces powstania pierwiastków odpowiedzialny był Wielki Wybuch. Zgodnie z teorią grupy B2FH za występowanie wyprodukowanych w ten sposób pierwiastków w pyle międzygwiazdowym, czy w składzie chemicznym planet odpowiedzialne miały być wybuchy supernowych. Zwolennicy Big-Bangu ostatecznie przyznali, że synteza jądrowa odbywająca się we wnętrzach gwiazd odegrała istotną rolę w tworzeniu pierwiastków cięższych od litu, ale pierwiastki lżejsze powstały ich zdaniem na skutek Wielkiego Wybuchu. Okazuje się jednak, że koncepcja kosmosu plazmowego (nukleosynteza w gwiazdach oraz w plazmie w pobliżu gwiazd) jest o wiele bardziej zgodna z obserwacjami: Lerner1 i Lerner2.

Zwolennicy kosmosu elektrycznego uczciwie przyznają, że nie posiadają takiego wyjaśnienia relacji między odległością galaktyk a przesunięciem ich widma ku podczerwieni, które nie indukowałoby kolejnych pytań, wielu z nich skłania się jednak ku hipotezie, że za to zjawisko odpowiedzialna jest międzygalaktyczna plazma, która oddziałuje ze światłem na zasadzie podobnej do tej, która wywołuje Efekt Comptona. Musi to być jednak jakieś nieco inne zjawisko, bo obraz odległych galaktyk nie ulega rozmyciu (pozostaje „ostry”). Koncepcja taka jest wariantem idei „męczącego się światła”, będącej jedną z wcześniejszych prób alternatywnego wyjaśnienia obserwowanej zależności. Tu - im większa odległość, tym więcej interakcji światła z plazmą, a więc tym większy redshift (przesunięcie widma ku czerwieni). W innych modelach "męczącego się światła", czynnik powodujący „zmęczenie” może być inny. Obrońcy Big-Bangu szansę na skontrowanie wszystkich takich koncepcji odnaleźli w obserwacjach wybuchów odległych supernowych klasy Ia. Dane obserwacyjne zdawały się sugerować, że wraz ze wzrostem dystansu (którego miarą był redshift) wzrasta czas ekspozycji wybuchu: przeciętnie wynosi on około dwóch tygodni, tymczasem dla supernowych z dużym przesunięciem widma wynosił on znacznie więcej – nawet powyżej miesiąca. Uznano to za dowód na przewidziane przez teorię Wielkiego Wybuchu „puchnięcie” przestrzeni: w trakcie przelotu światła przestrzeń, a wraz z nią fala świetlna oraz punkty wyznaczające początek i koniec eksplozji gwiazdy, oddalają się od siebie i docierają do obserwatora dokładnie w tym samym stosunku rozciągnięte. Ta kontra obrońców Big-Bangu została jednak znakomicie zrekontrowana przez Ariego Brynjolfssona, który pokazał, że jeśli uwzględniamy jasność eksplozji, obserwowane dane lepiej pasują do koncepcji plazmowej – potężniejsze eksplozje trwają dłużej i wytwarzają więcej plazmy, przez którą musi przenikać światło wybuchu. Tak więc, niespodziewanie dla obrońców Big-Bangu, obserwacje supernowych Ia mocno uprawdopodobniły hipotezę, że przynajmniej za niektóre przesunięcia ku czerwieni odpowiedzialna jest plazma, przez którą przenika światło.
Koncepcja plazmowego pochodzenia redshiftu supernowych jest koncepcją falsyfikowalną. Eksplozje supernowych w sąsiednich galaktykach lub w naszej Galaktyce mogą w niedługim czasie ją obalić, jeśli tylko ich widma nie wykażą spodziewanego przesunięcia ku czerwieni. Sytuacja przeciwna byłaby zaś gwoździem do trumny dla teorii Wielkiego Wybuchu. Na odpowiednio bliski wybuch supernowej prawdopodobnie nie będzie trzeba długo czekać. Szacuje się, że eksplozji supernowej w którejś z sąsiednich galaktyk (o niedużym przesunięciu ku czerwieni) możemy się spodziewać w najbliższych dwudziestu latach. Brynjolfsson sam podaje kilka sposobów na sfalsyfikowanie jego teorii. Jednym z nich mogłaby być obserwacja gwiazd przez koronę słoneczną - brak redshiftu oznaczałby, że jego plazmowe wyjaśnianie jest błędne.
Teoria Brynjolfssona dotycząca supernowych ma ważne konsekwencje nie tylko dla lansowanej przez niego koncepcji, że za przesunięcie widma galaktyk odpowiedzialna jest międzygalaktyczna plazma, ale też dla wszystkich alternatywnych prób wyjaśnienia tego zjawiska – na przykład dla bardzo ciekawej koncepcji hinduskiego astrofizyka Amitabha’y Ghosh’a, który redshift wywodzi z zasady Macha (zdaniem autora niniejszego blogu Zasada Macha jest najważniejszą i najgłębszą zasadą fizyki).

Jak najbardziej spójna z koncepcją kosmosu elektrycznego, koncepcja kosmosu fraktalnego rozwikłuje nam dwa paradoksy - Paradoks Olbersa i Paradoks Grawitacyjny - których rozwiązywalność uznajemy za test każdej porządnej teorii kosmologicznej.
Idea, że rozkład materii we wszechświecie może nie być jednorodny, a – przy nieskończonej ilości gwiazd – średnia gęstość materii jest zerowa, zaproponowana została już w 1907 roku przez pracującego w Anglii Francuza Fournier'a d'Albe i w 1908 przez Szweda Carla Charliera, jako próba rozwiązania wymienionych paradoksów. W tamtych czasach nie było jednak na to żadnych dowodów. W latach siedemdziesiątych na fraktalną strukturę kosmosu zwrócił uwagę najsłynniejszy badacz fraktali - Benoit Mandelbrot. Jego ideę podchwyciła grupa włoskich astrofizyków: Francesco Sylos-Labini, Marco Montuori, Luciano Pietronero. Prowadzone przez nich badania – analiza rozkładu przesunięcia ku czerwieni widma galaktyk, potwierdza hipotezę Mandelbrota z niemal całkowitą pewnością, przynajmniej w skali kilkuset megaparseków.
Dlaczego kosmos fraktalny rozwiązuje Paradosk Olbersa i Paradoks Grawitacyjny? Dla przykładu przyjmijmy, że pewne ilości galaktyk tworzą skupisko, które nazwijmy supergalaktyką rzędu 2. Supergalaktyki rzędu 2 tworzą supergalaktyki rzędu 3 i tak dalej. Jeśli w każdej supergalaktyce rzędu n znajduje się x supergalaktyk rzędu n-1, a przeciętne odległości między sąsiednimi supergalaktykami rzędu n-1 są y lub więcej razy większe od ich przeciętnej średnicy, a pierwiastek trzeciego stopnia z x jest mniejszy od kwadratu y, wówczas zarówno siła grawitacji pochodząca z dowolnie wielkiego obszaru kosmosu pozostaje skończona, jak też i ilość światła dochodzącego do Ziemi z całego nieskończonego wszechświata nie przekroczy dwukrotności ilości światła dochodzącego z naszej Galaktyki: sumując ilości światła dochodzące do Ziemi z kolejnych supergalaktyk, coraz to wyższych rzędów, otrzymamy zbieżny szereg geometryczny. Ujmując tą zależność inaczej, iloraz promienia supergalaktyki wyższego rzędu do promienia supergalaktyki bezpośrednio niższego rzędu musi być większy od pierwiastka z ilości supergalaktyk niższego rzędu składających się na supergalaktykę rzędu bezpośrednio wyższego. I choć rzeczywisty obraz kosmicznych fraktali nie jest tak prosty jak w podanym przeze mnie przykładzie, jego konsekwencje dla rozwiązywalności kosmologicznych paradoksów zachowują swoją moc.

Wracając do kosmosu plazmowego,Lerner pokazuje, że wyjaśnia on pochodzenie oraz anizotropię rozkładu mikrofalowego promieniowania tła. Lepiej od Big-Bangu tłumaczy też na przykład obserwowane zjawisko absorpcji fal radiowych.

Jeden ze zwolenników kosmosu elektrycznego - Donald Scott, nawiązując do koncepcji Juergens’a rozwinął teorię elektrycznego Słońca. Scott nie neguje, że wewnątrz Słońca zachodzą reakcje termojądrowe, twierdzi jednak, że to nie one są głównym źródłem jego (i innych gwiazd) energii. Polemikę z tą koncepcją podjął Tim Thompson, a Scott odpowiedział. Większość zwolenników plazmowego modelu kosmosu - w tym Eric Lerner - zachowuje dystans wobec koncepcji Scotta, jest ona jednak ciekawą alternatywą dla dominującej dziś wizji.