nobel z fizyki 2006.vp

wspólny cel...
strona 1/2
Nobel 2006 z fizyki
Krzysztof Fia³kowski
Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyzna³a nagrodê Nobla z fizyki na rok 2006 Johnowi C.
Matherowi z Centrum Lotów Kosmicznych NASA i George’owi F. Smootowi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley „for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave
background radiation”. T³umaczenie tego zwiêz³ego uzasadnienia na jêzyk polski nastrêczy³o dziennikarzom wiele trudnoœci; czytaliœmy o „odkryciu cia³a doskonale czarnego”, o anizotropii tego cia³a itp.
Wydaje siê, ¿e dla wyjaœnienia sensu tego uzasadnienia trzeba zrezygnowaæ ze zwiêz³oœci i przet³umaczyæ zwrot jako „za odkrycie, ¿e kosmiczne mikrofalowe promieniowanie t³a ma postaæ promieniowania
cia³a doskonale czarnego i za odkrycie anizotropii tego promieniowania”.
Pierwsz¹ reakcj¹ ogromnej wiêkszoœci fizyków po us³yszeniu nazwisk laureatów by³o zaskoczenie,
bo nie s¹ to nazwiska powszechnie znane. Dopiero uzasadnienie wywo³ywa³o z regu³y jednakow¹
reakcjê „ach tak, oczywiœcie, to za eksperyment COBE”. Co to by³ za eksperyment i dlaczego na ogó³
œrodowisko fizyków nie wi¹za³o z nim dot¹d ¿adnych konkretnych nazwisk?
Od roku 1964 wiemy, ¿e Wszechœwiat wype³nia tzw. „promieniowanie t³a”, za odkrycie którego
Arno Penzias i Robert Wilson otrzymali w 1978 roku nagrodê Nobla. Istnienie tego promieniowania by³o
przewidziane w tzw. modelu Wielkiego Wybuchu. Jest ono reliktem czasów, gdy gêstoœæ materii i energii we Wszechœwiecie oraz jego temperatura by³y tak wielkie, ¿e powstaj¹ce z rekombinacji elektronów
i protonów atomy wodoru by³y natychmiast jonizowane — rozbijane na sk³adniki. Mówimy, ¿e istnia³a
wówczas równowaga termiczna miêdzy promieniowaniem elektromagnetycznym i plazm¹ protonowo-elektronow¹. Gdy temperatura tego promieniowania spad³a poni¿ej wartoœci odpowiadaj¹cej energii
jonizacji atomu wodoru, nast¹pi³o „odprzêgniêcie” promieniowania od materii — Wszechœwiat sta³ siê
nagle „przezroczysty” dla fotonów tego promieniowania. Zaczê³y wiêc one kosmiczn¹ podró¿ w losowo
dobranych kierunkach, a rozszerzanie Wszechœwiata sprawi³o, ¿e ros³a ich d³ugoœæ fali. Zachowany by³
kszta³t rozk³adu tej d³ugoœci, odpowiadaj¹cy tzw. promieniowaniu cia³a doskonale czarnego, ale mala³a
temperatura zwi¹zana ze œredni¹ d³ugoœci¹ fali — od ponad dziesiêciu tysiêcy kelwinów do niespe³na
trzech w chwili obecnej. Tak niskiej temperaturze odpowiada promieniowanie mikrofalowe, bardzo trudne do wykrycia w morzu promieniowania pochodz¹cego z wielu innych Ÿróde³.
Odkrycie Penziasa i Wilsona by³o ogromnym sukcesem, ale ich pomiary nie pozwala³y na dok³adne
zbadanie kszta³tu rozk³adu d³ugoœci fali, ani na sprawdzenie, czy rozk³ad kierunków promieniowania
jest dok³adnie izotropowy. Dla precyzyjnych pomiarów konieczne by³o umieszczenie aparatury w przestrzeni kosmicznej. Plany budowy satelity, który mia³ unieœæ tak¹ aparaturê, rozwijano od 1974 roku
i nazwano „Cosmic Background Explorer” — w skrócie COBE. Pierwotnie planowano wyniesienie satelity na orbitê przez prom kosmiczny, ale po katastrofie promu „Challenger” w roku 1986 plany musia³y
ulec zmianie. Ostatecznie poœwiêcono w tym celu specjaln¹ rakietê, która wystartowa³a 18 listopada
1989 roku.
Ju¿ po pierwszych miesi¹cach eksperymentu sprawdzono ze znakomit¹ dok³adnoœci¹, ¿e widmo
promieniowania t³a ma naprawdê kszta³t przewidziany teoretycznie dla cia³a doskonale czarnego
Data utworzenia: 2006-10-05
Wersja: 001
wspólny cel...
strona 2/2
i wyznaczono precyzyjnie odpowiadaj¹c¹ mu temperaturê. Eksperyment COBE mia³ jednak znacznie
ambitniejszy cel: sprawdzenie, czy ta temperatura zmienia siê w zale¿noœci od kierunku, z którego nadchodzi promieniowanie, czyli zbadanie anizotropii promieniowania — ma³ych odchyleñ od przewidywanej przybli¿onej izotropii.
Takich zmian mo¿na oczekiwaæ w zwi¹zku z ruchami Ziemi w Uk³adzie S³onecznym, S³oñca w naszej
Galaktyce i Galaktyki w tzw. lokalnym uk³adzie galaktyk. Wynikaj¹ce z efektu Dopplera przesuniêcia
d³ugoœci fali istotnie zaobserwowano i dok³adnie zmierzono. Znacznie trudniejszy by³ jednak pomiar
maleñkich fluktuacji temperatury zwi¹zanych z faktem, ¿e Wszechœwiat nie by³ dok³adnie jednorodny
w chwili „odprzêgniêcia” promieniowania od materii. Niejednorodnoœci musia³y istnieæ, aby powsta³y
obserwowane dziœ galaktyki i gwiazdy, ale trudno by³o fizykom oszacowaæ ich wielkoœæ. Kilkuletnie
pomiary COBE pozwoli³y na stwierdzenie, ¿e obecne fluktuacje temperatury promieniowania t³a s¹
zaledwie rzêdu jednej stutysiêcznej tej temperatury. Ten wynik pozwoli³ na wyró¿nienie modeli rozwoju
Wszechœwiata, a w szczególnoœci na potwierdzenie wa¿nej roli tzw. ciemnej materii, czyli materii innej
ni¿ zawarta w obserwowanych gwiazdach i innych „œwiec¹cych” obiektach.
W eksperymencie COBE bra³o udzia³ ponad tysi¹c osób. Dlaczego wiêc Komitet Nagrody Nobla
wybra³ akurat Johna Mathera i George’a Smoota? Eksperci odpowiadaj¹, ¿e by³ to wybór oczywisty.
Mather by³ g³ównym autorem oryginalnego projektu i motorem akcji, dziêki której NASA przeznaczy³a na
ten projekt specjaln¹ rakietê, a Smoot by³ odpowiedzialny za precyzyjny pomiar anizotropii temperatury. Nagroda dosta³a siê wiêc w niew¹tpliwie godne rêce.
Krzysztof Fia³kowski, 5.10.2006.
Data utworzenia: 2006-10-05
Wersja: 001