Wszechświat jest jak serce

Historia lubi się powtarzać? Historia na pewno się powtarza - twierdzą dwaj amerykańscy astrofizycy - Neil Turok z Cambridge oraz Paul Steinhardt z Princeton. Na dowód przedstawiają całkiem nowy scenariusz ewolucji Wszechświata. 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 gorący początek. Słowem, na początku był wybuch, choć - jak dodają złośliwi - 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 Wszechświatów. Z niego narodzić się miały materia i promieniowanie. To nic dziwnego. Kiedy na autostradzie zderzą się czołowo dwa samochody, energia zderzenia potrafi je zamienić w kule ognia. Podobnie fizycy rozpędzają w akceleratorach elektrony, zderzają je z sobą czołowo i... produkują kaskady innych cząstek elementarnych.

Otóż to. Po zderzeniu oba puste początkowo Wszechświaty przestały być już puste. Energia kinetyczna ich ruchu zmaterializowała się. Zapełniła światy promieniowaniem i gorącą plazmą najprostszych składników materii. Dalej historia potoczyła się podobnie jak w scenariuszu Wielkiego Wybuchu. Każdy z Wszechświatów zaczął się rozprężać i stygnąć jak kula ognia po eksplozji jądrowej. Po 10 mikrosekundach materia po raz pierwszy przybrała znaną nam postać plazmy kwarkowo-gluonowej (którą potrafimy odtworzyć w laboratorium), po 300 tysiącach lat narodziły się atomy, miliard lat później - 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 taką kosmiczną kraksę? Nasz Wszechświat zdaje się bez granic rozciągać w nieskończoność we wszystkich trzech kierunkach. Gdzie ten drugi świat? Skąd się zbliża? Gdzie jest autostrada, po której mkniemy? Ano właśnie. Żeby to wyjaśnić, potrzebny jest dodatkowy wymiar przestrzenny.

Dwa trójwymiarowe, nieskończone Wszechświaty mogą istnieć obok siebie odseparowane odcinkiem czwartego wymiaru. Podobnie jak dwa dwuwymiarowe prześcieradła mogą równolegle wisieć i suszyć się obok siebie. Jeśli więc czwarty wymiar istnieje, to - uwaga - drugi Wszechświat może być bliżej nas niż na wyciągnięcie 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 sąsiedniego Wszechświata, ale możemy poczuć przyciąganie jego gwiazd. To rozwiązywałoby jedną z największych zagadek astrofizyki. Na galaktyki w naszym Wszechświecie działa dziesięć razy większa siła grawitacji niż ta, która pochodzi od wszystkich widocznych gwiazd. Astrofizycy od lat głowią się, gdzie znajduje się źródło tej siły - brakująca masa zwana popularnie ciemną materią. Czy skrywa się w niewidocznych czarnych dziurach i wygasłych gwiazdach? Czy niosą ją nieznane cząstki elementarne?

Tymczasem niewidoczna materia może po prostu tkwić w sąsiednim Wszechświecie.

Nastała pustka i ciemność

Powróćmy do kolizji Wszechświatów, bo na tym nie kończy się scenariusz. Turok i Steinhardt przewidują dalszy ciąg. Ich zdaniem oba Wszechświaty po zderzeniu odbiją się od siebie i zaczną oddalać. Będzie je dzielić coraz większa odległość w czwartym wymiarze, będą więc coraz bardziej samotne, a także... puste wewnątrz. Wprawdzie tuż po zderzeniu wypełniły się gorącym promieniowaniem i materią, ale ich trójwymiarowa przestrzeń zaczęła się rozszerzać, a materia stygnąć i rozrzedzać. Obecnie nasz Wszechświat jest w takim stadium, kiedy pomiędzy gromadami galaktyk rozpościerają się kosmiczne pustki wielkości milionów lat świetlnych. A gromady stale od siebie uciekają. 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 przyciągającą siłą grawitacji. Czy się w końcu zatrzyma - było kwestią dyskusyjną, bo zależało od nieznanej krytycznej gęstości materii we Wszechświecie. Nikt jednak nie podejrzewał, że może istnieć przeciwna siła, która będzie działała na przekór grawitacji i powodowała "przyspieszenie" kosmicznej ekspansji. Co jest jej źródłem? Do dziś 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 włączają tę nową, nieoczekiwaną siłę kosmiczną w swoją 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 kilkadziesiąt miliardów lat w zasięgu ziemskich teleskopów (jeśli jeszcze będzie komu przez nie patrzeć) nie zostanie ani jedna obca gromada galaktyk. Na niebie będzie świecić tylko nasza własna wyspa gwiazd - Lokalna Gromada Galaktyk wraz z Drogą Mleczną i jej satelitami. Potem stopniowo zestarzeją się i wypalą również te pobliskie gwiazdy, a z czasem wyparują też czarne dziury. Upłyną miliardy miliardów lat, a w granicach olbrzymiego obszaru, który dziś obejmujemy zasięgiem największych teleskopów, będzie znajdować się średnio tylko jedna cząstka materii lub kwant promieniowania.

Ponowne narodziny materii

W ten właśnie sposób oba Wszechświaty oddalające się po kolizji niemal zupełnie opustoszeją. Wtedy też przestaną się oddalać. Dlaczego? To znowu sprawka ciemnej energii, która również rządzi dynamiką Wszechświatów w czwartym wymiarze. Ciemną energię w tym dodatkowym wymiarze można wyobrazić sobie - w uproszczeniu - na wzór energii niewidocznej sprężyny łączącej oba światy. Najpierw następuje faza rozciągnięcia, potem kurczenia. Niczym więc na niewidzialnej sprężynie światy znowu zaczną się ku sobie zbliżać. A jak się zderzą, na powrót wypełnią się materią. I tak bez końca.

Nic dziwnego, że Turok i Steinhardt nazwali swój model "Wszechświatem oscylującym". Zamiast narodzić się w jednym momencie w przeszłości, istnieje on wiecznie. Bez początku i bez końca. W ten elegancki sposób unikają kłopotliwych pytań: jak zaczął się czas? Kiedy powstała przestrzeń? Co było wcześniej?

Ich Kosmos od zawsze oscyluje, oddycha, tętni jak jakieś gigantyczne i nieśmiertelne serce. Podobnie do wyobrażeń greckich stoików, według których Wszechświat cyklicznie spala się i odradza. Daje też lepsze wytłumaczenie istnienia człowieka niż model jednego Wielkiego Wybuchu. Wydaje się bowiem, że powstanie inteligentnego życia wiązało się z ciągiem wielu bardzo mało prawdopodobnych wydarzeń. Wystąpienie ich wszystkich naraz zakrawa na cud (w co można oczywiście wierzyć). Jeśli jednak przyjmiemy, że w przeszłości 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 oczywiście pytanie, czy teorie na temat czwartego wymiaru i zderzających się przestrzeni nie są li tylko czczym gadaniem, jak choćby historie o wielu wymiarach z ezoterycznych książek poświęconych parapsychologii i telepatii.

Hipoteza oscylującego Wszechświata nie składa się wyłącznie z poetyckiego opisu. Ma bardzo elegancką oprawę matematyczną. Bazuje na modnej ostatnio teorii superstrun, według której świat wcale nie jest zbudowany z kulistych cząstek materii, lecz jest symfonią drgających strun. Jak się okazuje, ta teoria ma sens tylko w większej liczbie wymiarów przestrzennych. Zamknięte pętelki strun drgają nie tylko w znanych nam wymiarach, lecz też w sześciu dodatkowych, dla człowieka niewidocznych. Czyste tony tych drgań mają być przejawem wszystkich znanych sił i cząstek we Wszechświecie.

Obecnie teorię superstrun uważa się za jedną z najpoważniejszych prób połączenia teorii grawitacji Einsteina (która opisuje duże obiekty i struktury, a także Wszechświat jako całość) z teorią kwantów (która wyjaśnia zjawiska w mikroskali). Na razie trapi ją 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 osiągają dzisiejsze akceleratory cząstek.

- Tradycyjna nauka polegała zaś 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 część obecnej kosmologii wyszła już daleko poza te tradycyjne granice. Dotyczy to w szczególności hipotezy oscylującego Wszechświata.

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 twierdzą, że fale grawitacyjne pochodzące 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 trwają.

Gdzie kończy się nauka, a zaczyna fantazja

Z drugiej strony hipoteza Wielkiego Wybuchu również w swej dużej części jest nieweryfikowalna. Opierając się na znanej i przetestowanej w laboratoriach fizyce, można cofnąć się w czasie tylko do momentu, gdy wszystkie odległości we Wszechświecie były mniej więcej sto milionów razy mniejsze niż obecnie, a zatem gęstość materii była mniej więcej 1 000 000 000 000 000 000 000 000 większa, niż jest obecnie. W tym czasie powstały pierwsze złożone jądra atomowe - deuteru (czyli "ciężkiego" wodoru), izotopów helu i niewielka ilość jąder 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.

Cofając się bardziej w czasie, do jeszcze większych gęstości i temperatury materii, wkraczamy jednak w dziedzinę coraz słabiej znaną, coraz bardziej niepewną. Nie zmienia to faktu, że Wszechświat w postaci takiej, jak widzimy dziś, miał swój początek, że kilkanaście miliardów lat temu był dużo gęstszy, dużo gorętszy, że prawie na pewno nie było w nim żadnych struktur, żadnych obiektów. Ale czy był ściśnięty do matematycznego punktu, czy przed tym stanem było coś istotnie innego? Czy był wcześniejszy Wszechświat pełen różnych obiektów?

- Możemy co najwyżej spekulować czy fantazjować - ucina prof. Paczyński. - Od pewnego momentu nie ma istotnej różnicy między taką hipotetyczną kosmologią a rozważaniami na temat ilości aniołów czy diabłów, jaka mieści się na łepku od szpilki. Zależnie od osobistego temperamentu różni kosmolodzy czują się znakomicie w świecie takich ekstrapolacji, ale ja jestem sceptykiem.

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

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

Podobnie myśli profesor Marek Demiański z Uniwersytetu Warszawskiego. Przyznaje, że bardziej od modelu Turoka i Steinhardta podoba mu się model Wszechświata Andrieja Lindego (astrofizyk pracujący na Uniwersytecie Stanforda - był jednym z tych, którzy wymyślili kosmiczną inflację).

- Tam nie ma ani początku, ani końca. Istnieje wiele Wszechświatów, które się wzajemnie nie komunikują, a nasz Wszechświat jest jednym z nich. To byłoby podobne do naszej wiedzy z początku XX wieku, kiedy wydawało się, że istnieje tylko jedna galaktyka, Droga Mleczna, a później okazało się, że galaktyk jest bardzo dużo. Tak samo może być z Wszechświatami - przypuszcza Marek Demiański.

Artykuł otwarty w ramach bezpłatnego limitu

Nieograniczony dostęp do serwisów informacyjnych, biznesowych, lokalnych i wszystkich magazynów Wyborczej

Cały tekst: http://wyborcza.pl/1,75476,1044659.html#ixzz3XxRk3CGy