Da ima čas začetek, si je prav tako težko predstavljati kot to, da ga nima. Obe možnosti sta povsem enako nenavadni in sta dolga stoletja mučili najrazličnejše učenjake. Pomemben napredek pri tem zapletenem vprašanju se je zgodil pred nekaj manj kot sto leti, ko so se odprle možnosti, da lahko tudi eksperimentalna znanost odločilno poseže v to zanimivo, a na prvi pogled povsem nerešljivo razpravo o problemu začetka časa.
Kako daleč so zvezde?
Prvo veliko odkritje, ki je povsem spremenilo našo predstavo o vesolju, sega v obdobje med obema svetovnima vojna. Takrat je ameriški astronom Edwin Hubble prvi izmeril, kako daleč od nas so nekatere druge galaksije, prav tako mu je uspelo določiti hitrosti, s katerimi se te galaksije premikajo v smeri proti nam ali stran od nas. Ena najbolj navdušujočih ugotovitev, ki je sledila iz teh meritev, je bila, da so lahko na tej podlagi znanstveniki dokaj natančno določili tudi starost vesolja oziroma starost samega časa.
Prva velika težava, ki jo je moral na začetku svojih meritev rešiti Hubble, je bila, kako sploh izmeriti razdaljo do galaksij. Edina možnost, ki jo je imel na voljo, je bila medsebojna primerjava svetlosti zvezd v galaksijah. Če imamo recimo ponoči v popolni temi prižganih več povsem enakih žarnic, ki so od nas različno oddaljene, lahko iz njihove svetlosti ocenimo, katera nam je bliže in katera je bolj oddaljena. A zvezde na žalost ne svetijo vse enako svetlo kot žarnice enake moči. Nekatere zvezde svetijo veliko močneje kot druge, tako da jih ne moremo neposredno primerjati med seboj.
Utripajoči zvezdni svetilniki
Hubblu seveda ne bi uspelo izmeriti razdalje do galaksij, če mu na pomoč ne bi priskočilo odkritje posebnega tipa zvezd, imenovanih kefeide, ki svojo svetlost periodično spreminjajo v obdobju nekaj dni. Kefeide so kot nekakšni zvezdni svetilniki, ki se prižigajo in ugašajo. Njihova najpomembnejša lastnost pa je, da je perioda njihovega prižiganja in ugašanja odvisna od njihove svetlosti. Če se vrnemo k žarnicam, so te utripajoče zvezde nekaj podobnega, kot da bi ugotovili, da je perioda utripanja posamezne žarnice odvisna od njene moči. Žarnica z močjo 60 W bi utripala drugače kot žarnica moči 100 W. Ko bi tako iz utripanja žarnice lahko ugotovili, kako močno žarnico opazujemo, bi iz moči njene svetlobe, ki bi prispela do nas, zelo preprosto izračunali, kako oddaljena je.
Hubblu je s takrat največjim teleskopom na svetu uspelo najti prav te utripajoče zvezde v nekaterih bližnjih galaksijah, tako da jih je lahko neposredno primerjal s povsem enako svetlimi zvezdami v naši galaksiji. Tako je lahko določil, kako daleč so sosednje galaksije od naše. Meritev je bila v tistem času zelo pomembna, saj je končala veliko let trajajočo razpravo o tem, ali je naša galaksija v vesolju edina, ali pa so različne »meglice«, ki so jih na nebu opazili s teleskopi, tudi samostojne galaksije, podobne naši. Hubble je leta 1924 z meritvijo oddaljenosti Andromedine galaksije, v kateri je najprej opazil utripajoče zvezde, jasno pokazal, da je veliko bolj oddaljena kot katera koli zvezda naša galaksije.
Kako izmeriti hitrost galaksij?
Vsakdo med nami je kdaj že slišal avtomobil s sireno, ko je dirjal mimo po cesti. Spomnimo se, da je zvok sirene veliko višji, ko se vozilo približuje, kot kadar se oddaljuje. Najbolj se ta sprememba v višini zvoka sirene opazi v trenutku, ko zdrvi vozilo ravno mimo nas. Takrat se zvok naenkrat iz visokega spremeni v nizkega.
Pri zvoku sirene ta sprememba višine zvoka ni nič nenavadnega. Zvok ni nič drugega kot valovanje zraka, in če se zvočni vir giblje, se pač zvočni valovi v smeri gibanja zgostijo, saj jih vozilo s svojim gibanjem lovi, kar okoliški ljudje slišijo kot povišan zvok sirene. Po enaki logiki se zvočni valovi za vozilom redčijo, saj jim poskuša vozilo uiti, to pa se sliši kot nižji zvok sirene.
Podoben pojav kot pri zvoku gibajoče sirene je zaznati tudi pri zelo hitro gibajočem se viru svetlobe. Običajno belo žarnico, ki bi se zelo hitro oddaljevala od nas, bi videli, kot da je rdeče barve, saj bi se podobno kot pri zvoku sirene zaradi gibanja svetila valovna dolžina svetlobe malo spremenila, kar bi opazili kot spremembo barve. Ker vidimo od nas hitro odmikajočo se belo svetilo rdeče obarvano, so znanstveniki ta pojav poimenovali rdeči premik.
Vesolje se napihuje
Hubble je idejo rdečega premika uporabil pri opazovanju svetlobe iz oddaljenih galaksij. Ko je primerjal svoje meritve oddaljenosti in hitrosti gibanja galaksij, je presenečen ugotovil, da obstaja med oddaljenostjo galaksij in hitrostjo njihovega gibanja očitna povezava. Bolj ko je galaksija oddaljena, večja je hitrost njenega oddaljevanja.
To spoznanje, ki ga danes imenujemo Hubblov zakon, je močno spremenilo našo predstavo o vesolju. Vesolje ni nespremenljivo, ampak se napihuje. V povprečju drvijo galaksije stran druga od druge, kar seveda pomeni, da so bile nekoč bliže skupaj. In ker poznamo hitrost njihovega medsebojnega oddaljevanja, lahko iz tega podatka izračunamo, kdaj so bile vse galaksije povsem skupaj. Ocenimo lahko, kdaj se je napihovanje vesolja začelo oziroma drugače rečeno: izračunamo lahko, kako staro je vesolje.
Hubblov zakon je bil prvi fizikalni zakon, iz katerega se je dalo dokaj natančno oceniti starost vesolja. Brez pretiravanja lahko rečemo, da je s tem zakonom kozmologija kot veda, ki proučuje vesolje kot celoto, končno postala empirična znanost, ki postavlja hipoteze, preverljive z meritvami. Vendar imamo danes poleg Hubblovega zakona na voljo še drug zelo pomemben vir informacij o vesolju kot celoti, ki nam omogoča, da lahko starost, pa tudi druge lastnosti vesolja kot celote še natančneje določimo.
Šum v anteni za Nobelovo nagrado
V šestdesetih letih preteklega stoletja sta ameriška znanstvenika Arno Penzias in Robert Wilson iz Bellovih laboratorijev v ZDA poskušala usposobiti občutljivo anteno, ki so jo izdelali za komunikacijo s sateliti. Zelo ju je jezilo, ker se nikakor nista mogla znebiti nenavadnega šuma, ki se je pojavil pri vsaki meritvi, ki sta jo opravila z novo anteno. Iz strahu, da se morda nekje v delovanju antene skriva okvara, sta sistematično pregledala vse njene dele. Splezala sta celo v samo anteno in iz nje postrgala golobje iztrebke, ker bi lahko bili vir šuma. A klub vsem prizadevanjem se šuma nikakor nista mogla znebiti. Ker je bil šum enak ne glede na to, kam v nebo sta anteno usmerila, sta sklepala, da ne prihaja samo iz enega vira. V zadregi, ker jima ni uspelo najti vzroka te nenavadne motnje, sta na koncu znanstvenega poročila o svoji anteni težavo le bežno omenila.
A še sreča, da sta šum v svojem članku sploh omenila, saj sta prav za njegovo odkritje leta 1978 prejela Nobelovo nagrado. S svojo anteno sta namreč ulovila signale iz zelo zgodnjega vesolja. Zaznala sta sevanje, ki je nastalo kmalu po nastanku vesolja in je več milijard let potovalo po medzvezdnem prostoru, dokler se ni ustavilo v njuni anteni. V bistvu sta zaznala najstarejše svetlobo, ki sploh potuje po vesolju. Nastala je nekaj sto tisoč let po velikem poku, ko se je vroče mlado vesolje že dovolj ohladilo, da se je svetloba lahko po njem prosto gibala. Prej je bilo vesolje namreč pogreznjeno v nekakšno meglo, ko svetloba po prostoru ni mogla prosto potovati, temveč se je ves čas zaletavala v atome.
Kaj vemo o vesolju kot celoti?
Danes znanstveniki prasevanje vesolja oziroma »šum«, ki sta ga odkrila Penzias in Wilson, skrbno zbirajo tudi s sateliti, ki krožijo okoli Zemlje. Še posebej so pozorni na majhne razlike v sevanju, ki prihaja z različnih koncev vesolja. Prav na podlagi teh majhnih razlik oziroma variacij v temperaturi prasevanja, za njihovo odkritje je bila leta 2006 podeljena Nobelova nagrada za fiziko, lahko o našem vesolju kot celoti izvemo zelo veliko. Različni teoretični modeli razvoja vesolja namreč napovedujejo različne variacije v temperaturi prasevanja. Z natančnimi meritvami tega sevanja, ki prihaja iz globin vesolja, lahko tako astronomi ugotovijo, kateri modeli vesolja se najbolje ujemajo z dejanskimi opazovanji.
Po najboljšem modelu vesolja, ki se najbolje ujema z najrazličnejšimi meritvami, je vesolje staro 13,7 milijarde let, običajne snovi v obliki atomov, iz katere smo zgrajeni mi, pa tudi planeti in zvezde, je le za štiri odstotke vsega vesolja, 22 odstotkov je temne snovi, 74 pa skrivnostne temne energije. Kaj natančno sta temna snov in temna energija, ki skupaj sestavljata kar 96 odstotkov našega vesolja, pa danes prav dobro ne ve še nihče.
