4 lipca Stany Zjednoczone Ameryki świętują swoje 250. urodziny, upamiętniając rocznicę Deklaracji Niepodległości i uzyskania suwerennego narodu.
Dziś ten stosunkowo młody kraj przoduje w naszym rozumieniu wszechświata. To tam lubi wielu głównych graczy w nauce o kosmosie NASACalifornia Institute of Technology (Caltech), Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Northwestern University, żeby wymienić tylko kilka.
Aby uczcić 250. rocznicę powstania Stanów Zjednoczonych jako niepodległego narodu, Space.com zabiera Cię w podróż przez powszechne nieporozumienia dotyczące wszechświata na przestrzeni lat oraz rolę, jaką amerykańscy naukowcy odegrali w wyjaśnieniu tego kosmicznego zamieszania.
Do roku 1776, Sir Izaak Niutonprawa ruchu obowiązują od około 89 lat, od czasu publikacji Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Matematyczne zasady filozofii naturalnej) w 1687 r. Pięć z nich układ słoneczny planety odkryli starożytni Grecy na długo przed narodzinami Stanów Zjednoczonych. Ponadto, po długiej walce i wielu próbach stłumienia tej wiedzy, ludzie uświadomili sobie, że Ziemia krąży wokół Słońca, a nie odwrotnie, a ostatni gwóźdź do tej trumny nieporozumień został wbity przez polskiego astronoma Mikołaja Kopernika w 1543 r. i Galileusza w 1610 r., otrzymując dodatkowy cios młotkiem od Newtona w 1687 r.
Galileusz dał nam także do zrozumienia, że miejsce Ziemi w Układzie Słonecznym jest nie tylko wyjątkowe, ale że nie jest to nawet jedyna planeta posiadająca księżyce, przy czym księżyce Jupiter, Io, Europy, Ganimedes I Kalisto odkryta w 1610 r.
Jest oczywiste, że zanim narodziły się Stany Zjednoczone, zaczynaliśmy już rozumieć wszechświat i nasze w nim miejsce, ale nadal utrzymywały się pewne poważne nieporozumienia. Jeden z największych z nich otaczał naturę samego słońca.
Słońce jako płonąca bryła węgla
Ameryka powstała w „epoce pary”, okresie industrializacji trwającym od 1770 do 1914 roku. Napędzaną rewolucją był węgiel, napędzający lokomotywy, statki i fabryki, zmieniając kształt przemysłu, transportu i produkcji. W tamtym czasie węgiel był najgęstszym i najpotężniejszym źródłem paliwa znanym ludzkości, nic więc dziwnego, że wielu wczesnych naukowców snuło teorie, że Słońce jest w rzeczywistości niezwykle masywną bryłą płonącego węgla.
Następnie jeden z najstarszych i najbardziej znanych periodyków naukowych na świecie, wywodzący się z USA „Scientific American”, napisał: Artykuł z 1863 roku który jako pierwszy rozpoczął odpychanie słońca w postaci płonącej bryły węgla.
„Gdyby słońce składało się z węgla, trwałoby w obecnym tempie tylko 5000 lat. Słońcenajprawdopodobniej nie jest ciałem płonącym, lecz żarzącym się. Jego światło przypomina raczej żarzący się roztopiony metal niż płonący piec. Niemożliwe jest jednak, aby słońce stale oddawało ciepło, nie tracąc go ani nie zaopatrując się w nowe paliwo” – stwierdzono w artykule w „Scientific American”. „Zakładając, że ciepło słoneczne było zatrzymywane przez wpadające w nie meteoryty, na podstawie masy Układu Słonecznego można w przybliżeniu określić okres, w którym słońce świeciło. Granice wynoszą od 100 milionów do 400 milionów lat.”
Chociaż szacunki te były wciąż bardzo odległe, obecnie wiemy, że wiek Słońca wynosi około 4,6 miliarda lat; rozwój ten nastąpił w czasie rewolucji geologicznej, która odsłoniła dowody na to, że nasza planeta była znacznie starsza, niż teologiczne szacunki mówiły o zaledwie kilku tysiącach lat.
Około 57 lat później, w 1920 roku, brytyjski naukowiec Arthur Eddington po raz pierwszy zasugerował, że gwiazdy takie jak Słońce są w rzeczywistości zasilane przez fuzję jądrową wodoru z helem. Pomysł został opublikowany przez Eddingtona w jego książce z 1926 r. „The Internal Constitution of the Stars”. Dwanaście lat później fizyk jądrowy Hans Bethe sformułował pierwsze wyjaśnienie procesu syntezy jądrowej, opisując szczegółowo reakcję łańcuchową proton-proton oraz cykl węgiel-azot-tlen (CNO).
Idea słońca jako płonącej bryły węgla ostatecznie wypaliła się 162 lata po powstaniu Stanów Zjednoczonych w wyniku reakcji łańcuchowej zapoczątkowanej przez amerykańską publikację.
Eter czy…?
W początkach Stanów Zjednoczonych w XIX wieku naukowcy zrozumieli, że światło jest falą. Stosując to do wiedzy o innych falach, logiczne było założenie, że światło również potrzebuje ośrodka, w którym może się rozchodzić. Ośrodek ten musiałby być wszechobecny i posiadać pewne unikalne właściwości, aby umożliwić światłu rozprzestrzenianie się przez nie z prędkością światła.
W związku z tym zaproponowano, aby przestrzeń była wypełniona ośrodkiem zwanym eterem świetlnym, przy czym słowo świetliste oznacza „nośący światło”. Fakt, że musiałby to być niewidzialny i nieskończony materiał, który nie oddziałuje z obiektami fizycznymi, sprawił, że istnienie świetlistego eteru było wysoce kontrowersyjne.
Teraz wiemy, że to medium nie istnieje, a to dzięki dwóm amerykańskim fizykom, Albertowi A. Michelsonowi i Edwardowi W. Morleyowi, którzy w 1887 roku dokonali najważniejszego zerowego wyniku w historii nauki: obalili istnienie świecącego eteru.
Gdyby istniał świetlisty eter, naukowcy doszli do wniosku, że skoro Ziemia krąży wokół Słońca z prędkością około 66 000 mil na godzinę (106 216 kilometrów na godzinę), nasza planeta powinna poruszać się przez eter, który uznano za nieruchomy. To oznaczało Ziemię musieć poruszają się względem nieruchomego eteru. A jeśli eter jest ośrodkiem, przez który falują fale świetlne, powinno to oznaczać, że prędkość światła różni się nieznacznie w kierunku, w którym porusza się Ziemia.
Eksperyment Michelsona-Morleya, przeprowadzony w Cleveland w stanie Ohio, wykorzystał zestaw zwany interferometrem Michelsona-Morleya do zbadania różnic w prędkości fali światła przemieszczającej się prostopadle do Ziemi i fali światła poruszającej się równolegle do Ziemi. Michelson i Morley spodziewali się zaobserwowania wzoru interferencji spowodowanego różnymi czasami podróży fal świetlnych.
Tak się dzieje, gdy światło o tej samej długości fali dociera do detektora w bardzo nieznacznie różnych momentach, co oznacza, że szczyty i doliny fal nie są już idealnie wyrównane. Jednak ku zaskoczeniu amerykańskich fizyków nie wykryto żadnych zakłóceń. Oznaczało to brak różnicy w prędkości przemieszczania się światła, zasadniczo obalając istnienie eteru.
Negacja świetlistego eteru miała ogromne znaczenie, ponieważ otwierała drzwi do Alberta EinsteinaSzczególna teoria względności z 1905 r ogólna teoria względności w 1915 r., przy czym ten ostatni zrewidował nasze rozumienie grawitacji i doprowadził do naszej wiedzy o grawitacji czarne dziury I fale grawitacyjne na długo przed eksperymentalną obserwacją takich obiektów.
Inne galaktyki!
Chociaż naukowcy zdawali sobie sprawę, że przed narodzinami Stanów Zjednoczonych Ziemia nie znajdowała się w centrum Układu Słonecznego, istniało inne rażące błędne przekonanie. Wierzono, że Droga Mlecznazaproponowana po raz pierwszy w teorii „Wyspy Wszechświata” Immanuela Kanta w 1755 r., nadal zajmuje wyjątkowe miejsce we wszechświecie — a istnienie innych galaktyk jest tematem gorąco dyskutowanym. Uważano również, że sam Układ Słoneczny znajduje się w centrum Drogi Mlecznej.
W 1785 roku astronom William Herschel przystąpił do tworzenia mapy naszej galaktyki, poprawnie określając dyskowy kształt Drogi Mlecznej, ale błędnie umieszczając Układ Słoneczny w jej sercu. Obraz ten zmienił się w 1918 roku, kiedy amerykański astronom Harlow Shapley ustalił, że gęste grupy gwiazd zwane gromadami kulistymi skupiają się w odległym jądrze w kierunku konstelacji Strzelca. To umieściło Układ Słoneczny poza centrum galaktyki. Dzisiaj rozszerzyliśmy ten temat, przenosząc nasz układ planetarny 27 000 lat świetlnych od Centrum Galaktyki na jedno z ramion spiralnych naszej galaktyki.
Pięć lat później, w 1923 r., wyjątkowość Drogi Mlecznej została zniszczona. Używając 100-calowego (2,5-metrowego) teleskopu Hookera w Obserwatorium Mount Wilsonamerykański astronom Edwina Hubble’a wykonał zdjęcia mgławicy Andromedy (Messier 31) i ustalił, że znajduje się ona w odległości co najmniej miliona lat świetlnych. Choć obecnie wiemy, że odległość ta jest bliższa 2,5 miliona lat świetlnych, wciąż była ona wystarczająca, aby umieścić M31 poza granicami Drogi Mlecznej.
Fakt, że mgławica Andromedy jest w rzeczywistości Galaktyka Andromedyodległej i odrębnej od naszej galaktyki, ogłoszono opinii publicznej za pośrednictwem „The New York Times” w listopadzie 1924 roku. Nie byliśmy już sami w galaktyce – ale Hubble nie skończył.
Wszechświat nie jest statyczny
Innym ówczesnym założeniem było to, że Wszechświat jest statyczny, co potwierdził Einstein w 1917 r. Jednak w 1929 r. Hubble odkrył, że światło odległych galaktyk ulega przesunięciu ku czerwieni. Innymi słowy, długości fal światła emanującego z tych źródeł ulegały rozciąganiu w miarę przemieszczania się w naszą stronę. Wskazywało to, że galaktyki te oddalają się od nas. Przekonany o tym Einstein porzucił swój model statycznego wszechświata.
Jednak amerykańscy naukowcy nie skończyli z rewizją całego naszego obrazu kosmosu. W 1998 roku amerykańscy badacze, tacy jak Saul Perlmutter, Adam Riess i Robert Kirshner, byli częścią dwóch międzynarodowych zespołów badaczy, które odkryły, że Wszechświat nie tylko się rozszerza, ale wręcz przyspiesza.
Ciemna energia została wprowadzona jako tajemnicza siła napędzająca tę przyspieszającą ekspansję. Pozostaje dziś jedną z najbardziej palących tajemnic kosmosu.
Być może do czasu, gdy Stany Zjednoczone będą obchodzić swoje 300. urodziny, zagadka ciemnej materii zostanie rozwiązana wraz z innymi kosmicznymi zagadkami, takimi jak natura ciemnej materii. Jeśli tak jest, jest wysoce prawdopodobne, że amerykańskie projekty, takie jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbai nadchodzące Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace postawi amerykańskich innowatorów i naukowców na czele tych osiągnięć, tak jak ich poprzednicy czynili to przez ostatnie 250 lat.
