Wszechœwiat jest jak serce
6 października 2002
Za biliony lat znowu narodzi się Szekspir i Einstein, a ludzkoœć z powrotem mozolnie będzie się wspinała po szczeblach cywilizacji. I być może inny ja napisze znów ten artykuł. Co więcej - w mrokach przeszłoœci wszystko, co tylko możliwe, musiało się już wydarzyć. I to nie raz, lecz nieskończenie wiele razy

Historia lubi się powtarzać? Historia na pewno się powtarza - twierdzš dwaj amerykańscy astrofizycy - Neil Turok z Cambridge oraz Paul Steinhardt z Princeton. Na dowód przedstawiajš całkiem nowy scenariusz ewolucji Wszechœwiata. Jest on konkurencyjny wobec hipotezy Big Bangu, czyli Wielkiego Wybuchu, która w drugiej połowie XX wieku szturmem zdobyła salony nauki. Przypomnijmy: mówi ona, że 15 mld lat temu Kosmos miał gwałtowny i goršcy poczštek. Słowem, na poczštku był wybuch, choć - jak dodajš złoœliwi - nie wiadomo, czego to był wybuch ani dlaczego miał miejsce.

Wielki Wybuch czy Wielka Kraksa

W nowej hipotezie nie ma luk: wiadomo, co się stało, wiadomo dlaczego. Doszło po prostu do zderzenia dwóch Wszechœwiatów. Z niego narodzić się miały materia i promieniowanie. To nic dziwnego. Kiedy na autostradzie zderzš się czołowo dwa samochody, energia zderzenia potrafi je zamienić w kule ognia. Podobnie fizycy rozpędzajš w akceleratorach elektrony, zderzajš je z sobš czołowo i... produkujš kaskady innych czšstek elementarnych.

Otóż to. Po zderzeniu oba puste poczštkowo Wszechœwiaty przestały być już puste. Energia kinetyczna ich ruchu zmaterializowała się. Zapełniła œwiaty promieniowaniem i goršcš plazmš najprostszych składników materii. Dalej historia potoczyła się podobnie jak w scenariuszu Wielkiego Wybuchu. Każdy z Wszechœwiatów zaczšł się rozprężać i stygnšć jak kula ognia po eksplozji jšdrowej. Po 10 mikrosekundach materia po raz pierwszy przybrała znanš nam postać plazmy kwarkowo-gluonowej (którš potrafimy odtworzyć w laboratorium), po 300 tysišcach lat narodziły się atomy, miliard lat póŸniej - gwiazdy i galaktyki, po 10 miliardach lat - Ziemia, a na niej, całkiem niedawno, życie, a potem istoty rozumne.

Autostrada w czwartym wymiarze

Tylko jak sobie wyobrazić takš kosmicznš kraksę? Nasz Wszechœwiat zdaje się bez granic rozcišgać w nieskończonoœć we wszystkich trzech kierunkach. Gdzie ten drugi œwiat? Skšd się zbliża? Gdzie jest autostrada, po której mkniemy? Ano właœnie. Żeby to wyjaœnić, potrzebny jest dodatkowy wymiar przestrzenny.

Dwa trójwymiarowe, nieskończone Wszechœwiaty mogš istnieć obok siebie odseparowane odcinkiem czwartego wymiaru. Podobnie jak dwa dwuwymiarowe przeœcieradła mogš równolegle wisieć i suszyć się obok siebie. Jeœli więc czwarty wymiar istnieje, to - uwaga - drugi Wszechœwiat może być bliżej nas niż na wycišgnięcie ręki. Tyle tylko, że tę rękę trzeba byłoby zanurzyć w czwartym wymiarze, a my potrafimy poruszać się i widzieć tylko w naszych trzech wymiarach.

Jedynie siła grawitacji - jak głosi nowa teoria - swobodnie rozchodzi się we wszystkich wymiarach. Nie widzimy więc sšsiedniego Wszechœwiata, ale możemy poczuć przycišganie jego gwiazd. To rozwišzywałoby jednš z największych zagadek astrofizyki. Na galaktyki w naszym Wszechœwiecie działa dziesięć razy większa siła grawitacji niż ta, która pochodzi od wszystkich widocznych gwiazd. Astrofizycy od lat głowiš się, gdzie znajduje się Ÿródło tej siły - brakujšca masa zwana popularnie ciemnš materiš. Czy skrywa się w niewidocznych czarnych dziurach i wygasłych gwiazdach? Czy niosš jš nieznane czšstki elementarne?

Tymczasem niewidoczna materia może po prostu tkwić w sšsiednim Wszechœwiecie.

Nastała pustka i ciemnoœć

Powróćmy do kolizji Wszechœwiatów, bo na tym nie kończy się scenariusz. Turok i Steinhardt przewidujš dalszy cišg. Ich zdaniem oba Wszechœwiaty po zderzeniu odbijš się od siebie i zacznš oddalać. Będzie je dzielić coraz większa odległoœć w czwartym wymiarze, będš więc coraz bardziej samotne, a także... puste wewnštrz. Wprawdzie tuż po zderzeniu wypełniły się goršcym promieniowaniem i materiš, ale ich trójwymiarowa przestrzeń zaczęła się rozszerzać, a materia stygnšć i rozrzedzać. Obecnie nasz Wszechœwiat jest w takim stadium, kiedy pomiędzy gromadami galaktyk rozpoœcierajš się kosmiczne pustki wielkoœci milionów lat œwietlnych. A gromady stale od siebie uciekajš. Co więcej, cztery lata temu ze zdumieniem przekonano się, że tempo tej ucieczki ulega przyspieszeniu.

Jak to możliwe? Dotychczas wszak zdawało się, że rozszerzanie przestrzeni kosmicznej musi zachodzić stopniowo coraz wolniej, bo hamowane jest przycišgajšcš siłš grawitacji. Czy się w końcu zatrzyma - było kwestiš dyskusyjnš, bo zależało od nieznanej krytycznej gęstoœci materii we Wszechœwiecie. Nikt jednak nie podejrzewał, że może istnieć przeciwna siła, która będzie działała na przekór grawitacji i powodowała "przyspieszenie" kosmicznej ekspansji. Co jest jej Ÿródłem? Do dziœ nie bardzo wiadomo. Może sama próżnia? Na wzór nieznanej ciemnej materii pojawił się tylko w literaturze kosmologicznej nowy termin: ciemna energia.

Turok i Steinhardt zgrabnie włšczajš tę nowš, nieoczekiwanš siłę kosmicznš w swojš teorię. Owa siła, która nie ma żadnego wytłumaczenia ani żadnej roli do odegrania w hipotezie Wielkiego Wybuchu, jest wręcz centralnym punktem nowej teorii. Ma bowiem sprawić, że za kilkadziesišt miliardów lat w zasięgu ziemskich teleskopów (jeœli jeszcze będzie komu przez nie patrzeć) nie zostanie ani jedna obca gromada galaktyk. Na niebie będzie œwiecić tylko nasza własna wyspa gwiazd - Lokalna Gromada Galaktyk wraz z Drogš Mlecznš i jej satelitami. Potem stopniowo zestarzejš się i wypalš również te pobliskie gwiazdy, a z czasem wyparujš też czarne dziury. Upłynš miliardy miliardów lat, a w granicach olbrzymiego obszaru, który dziœ obejmujemy zasięgiem największych teleskopów, będzie znajdować się œrednio tylko jedna czšstka materii lub kwant promieniowania.

Ponowne narodziny materii

W ten właœnie sposób oba Wszechœwiaty oddalajšce się po kolizji niemal zupełnie opustoszejš. Wtedy też przestanš się oddalać. Dlaczego? To znowu sprawka ciemnej energii, która również rzšdzi dynamikš Wszechœwiatów w czwartym wymiarze. Ciemnš energię w tym dodatkowym wymiarze można wyobrazić sobie - w uproszczeniu - na wzór energii niewidocznej sprężyny łšczšcej oba œwiaty. Najpierw następuje faza rozcišgnięcia, potem kurczenia. Niczym więc na niewidzialnej sprężynie œwiaty znowu zacznš się ku sobie zbliżać. A jak się zderzš, na powrót wypełniš się materiš. I tak bez końca.

Nic dziwnego, że Turok i Steinhardt nazwali swój model "Wszechœwiatem oscylujšcym". Zamiast narodzić się w jednym momencie w przeszłoœci, istnieje on wiecznie. Bez poczštku i bez końca. W ten elegancki sposób unikajš kłopotliwych pytań: jak zaczšł się czas? Kiedy powstała przestrzeń? Co było wczeœniej?

Ich Kosmos od zawsze oscyluje, oddycha, tętni jak jakieœ gigantyczne i nieœmiertelne serce. Podobnie do wyobrażeń greckich stoików, według których Wszechœwiat cyklicznie spala się i odradza. Daje też lepsze wytłumaczenie istnienia człowieka niż model jednego Wielkiego Wybuchu. Wydaje się bowiem, że powstanie inteligentnego życia wišzało się z cišgiem wielu bardzo mało prawdopodobnych wydarzeń. Wystšpienie ich wszystkich naraz zakrawa na cud (w co można oczywiœcie wierzyć). Jeœli jednak przyjmiemy, że w przeszłoœci odbyło się nieskończenie wiele cykli, a więc natura mogła obstawiać rzadki los "życia" na kosmicznej loterii przez dowolnie długi czas, to jest oczywiste, że w końcu musiała trafić się wygrana.

Jak to sprawdzić

Pozostaje oczywiœcie pytanie, czy teorie na temat czwartego wymiaru i zderzajšcych się przestrzeni nie sš li tylko czczym gadaniem, jak choćby historie o wielu wymiarach z ezoterycznych ksišżek poœwięconych parapsychologii i telepatii.

Hipoteza oscylujšcego Wszechœwiata nie składa się wyłšcznie z poetyckiego opisu. Ma bardzo eleganckš oprawę matematycznš. Bazuje na modnej ostatnio teorii superstrun, według której œwiat wcale nie jest zbudowany z kulistych czšstek materii, lecz jest symfoniš drgajšcych strun. Jak się okazuje, ta teoria ma sens tylko w większej liczbie wymiarów przestrzennych. Zamknięte pętelki strun drgajš nie tylko w znanych nam wymiarach, lecz też w szeœciu dodatkowych, dla człowieka niewidocznych. Czyste tony tych drgań majš być przejawem wszystkich znanych sił i czšstek we Wszechœwiecie.

Obecnie teorię superstrun uważa się za jednš z najpoważniejszych prób połšczenia teorii grawitacji Einsteina (która opisuje duże obiekty i struktury, a także Wszechœwiat jako całoœć) z teoriš kwantów (która wyjaœnia zjawiska w mikroskali). Na razie trapi jš tylko jeden, ale za to poważny kłopot. Nie odkryto żadnego sposobu, w jaki można byłoby wskazania tej teorii przetestować w laboratorium. Szacuje się, że do odpowiednich eksperymentów, które potrafiłyby zobaczyć niewielkie struny, potrzeba trylion razy większej energii, niż osišgajš dzisiejsze akceleratory czšstek.

- Tradycyjna nauka polegała zaœ zawsze na weryfikacji teorii przez eksperyment czy obserwacje - mówi mi prof. Bohdan Paczyński z Uniwersytetu Princeton, jeden z najsłynniejszych polskich astrofizyków. - Faktem jest jednak, że znaczna częœć obecnej kosmologii wyszła już daleko poza te tradycyjne granice. Dotyczy to w szczególnoœci hipotezy oscylujšcego Wszechœwiata.

Czy to jest nauka, czy już nie? - Nie wiem - odpowiada szczerze prof. Paczyński. - To, że teoria wymaga wyrafinowanej matematyki, nie zmienia faktu, że jest nieweryfikowalna, przynajmniej na razie, w żaden znany nam sposób.

Może jednak wkrótce będzie na to sposób. Amerykańscy astrofizycy twierdzš, że fale grawitacyjne pochodzšce z chwil bliskich Wielkiemu Zderzeniu powinny być inne od tych fal, które wywołał Wielki Wybuch. Próby skonstruowania odbiorników fal grawitacyjnych na razie nie zakończyły się jednak sukcesem. Ale trwajš.

Gdzie kończy się nauka, a zaczyna fantazja

Z drugiej strony hipoteza Wielkiego Wybuchu również w swej dużej częœci jest nieweryfikowalna. Opierajšc się na znanej i przetestowanej w laboratoriach fizyce, można cofnšć się w czasie tylko do momentu, gdy wszystkie odległoœci we Wszechœwiecie były mniej więcej sto milionów razy mniejsze niż obecnie, a zatem gęstoœć materii była mniej więcej 1 000 000 000 000 000 000 000 000 większa, niż jest obecnie. W tym czasie powstały pierwsze złożone jšdra atomowe - deuteru (czyli "ciężkiego" wodoru), izotopów helu i niewielka iloœć jšder kilku innych lekkich pierwiastków.

- Wiemy, że ta ekstrapolacja jest sensowna, bo otrzymany z obliczeń skład chemiczny najlżejszych pierwiastków zgadza się z astronomicznymi obserwacjami - tłumaczy prof. Paczyński.

Cofajšc się bardziej w czasie, do jeszcze większych gęstoœci i temperatury materii, wkraczamy jednak w dziedzinę coraz słabiej znanš, coraz bardziej niepewnš. Nie zmienia to faktu, że Wszechœwiat w postaci takiej, jak widzimy dziœ, miał swój poczštek, że kilkanaœcie miliardów lat temu był dużo gęstszy, dużo gorętszy, że prawie na pewno nie było w nim żadnych struktur, żadnych obiektów. Ale czy był œciœnięty do matematycznego punktu, czy przed tym stanem było coœ istotnie innego? Czy był wczeœniejszy Wszechœwiat pełen różnych obiektów?

- Możemy co najwyżej spekulować czy fantazjować - ucina prof. Paczyński. - Od pewnego momentu nie ma istotnej różnicy między takš hipotetycznš kosmologiš a rozważaniami na temat iloœci aniołów czy diabłów, jaka mieœci się na łepku od szpilki. Zależnie od osobistego temperamentu różni kosmolodzy czujš się znakomicie w œwiecie takich ekstrapolacji, ale ja jestem sceptykiem.

- Zgadzam się, że z punktu widzenia nauki i rozumu pytanie o istotę poczštku œwiata to czcza dywagacja - odpowiada z kolei prof. Marek Abramowicz pracujšcy na Uniwersytecie w Sztokholmie. - Nie sposób jednak uniknšć tego pytania, bo jest ono dla wielu najciekawsze w całej kosmologii i będzie zadawane zawsze, "przez wszystkie dni, aż do skończenia œwiata". Wszyscy znani mi współczeœni kosmolodzy, fizycy, astrofizycy i matematycy zadajš takie czcze pytania, przynajmniej czasami. Jest to najwyraŸniej nieodparta potrzeba intelektualna wykształconego umysłu.

Marek Abramowicz dodaje, że także w przeszłoœci najprzenikliwsi myœliciele wykraczali poza obszary wiedzy solidnie opartej na zgromadzonych obserwacjach. W szesnastym stuleciu takim było na pewno heretyckie pytanie Giordana Bruna, czy istniejš we Wszechœwiecie inne zamieszkane œwiaty podobne do naszego. Do dziœ nie znamy na nie odpowiedzi, ale dzięki postępowi wiedzy nie zaliczamy go już do kategorii czczych dywagacji.

Podobnie myœli profesor Marek Demiański z Uniwersytetu Warszawskiego. Przyznaje, że bardziej od modelu Turoka i Steinhardta podoba mu się model Wszechœwiata Andrieja Lindego (astrofizyk pracujšcy na Uniwersytecie Stanforda - był jednym z tych, którzy wymyœlili kosmicznš inflację).

- Tam nie ma ani poczštku, ani końca. Istnieje wiele Wszechœwiatów, które się wzajemnie nie komunikujš, a nasz Wszechœwiat jest jednym z nich. To byłoby podobne do naszej wiedzy z poczštku XX wieku, kiedy wydawało się, że istnieje tylko jedna galaktyka, Droga Mleczna, a póŸniej okazało się, że galaktyk jest bardzo dużo. Tak samo może być z Wszechœwiatami - przypuszcza Marek Demiański.


autor: Piotr Cieœliński
źródło: Wyborcza - 02.10.2002