Pamiętacie bajkę o Złotowłosej i trzech niedźwiadkach? Dziewczynka pewnego dnia, nie słuchając zaleceń matki, zboczyła ze ścieżki i zgubiła się w lesie. Błąkając się kilka godzin trafiła do chatki misiów, które właśnie były na spacerze. Była głodna więc zapukała do chatki, a gdy nikt nie odpowiedział, weszła do środka. Wnet ujrzała zakryty stół i przygotowany obiad dla trzech osób. Usiadła na wielkim krześle i zjadła łyżkę owsianki z wielkiej miski. Ta owsianka okazała się za słona, a krzesło za twarde, więc zmieniła miejsce – usiadła na średnim krześle i spróbowała owsianki ze średniej miski. Tym razem danie było całkowicie pozbawione soli, a krzesło za miękkie. Dopiero po usadowieniu się na ostatnim miejscu Złotowłosa krzyknęła: Pyszne! A i krzesełko jest w sam raz dla mnie.

Choć może się to wydać dziwne, imię bajkowej Zło­to­wło­sej na stałe trafiło do kosmo­lo­gicz­nego żargonu. Opo­wiastka nabiera szcze­gól­nego zna­cze­nia w odnie­sie­niu do jednego z naj­więk­szych pro­ble­mów doty­czą­cych losu wszech­świata. Jeżeli okaże się, że ogólny kształt naszego uni­wer­sum można określić jako płaski, to mamy szczę­ście żyć w wyjąt­ko­wym świecie Zło­to­wło­sej.

O wszyst­kim decyduje jeden parametr, ukryty przez kosmo­lo­gów pod grecką literą Ω. Omega wskazuje na stosunek całej masy jaka istnieje, do ilości masy potrzeb­nej do osią­gnię­cia stanu rów­no­wagi wszech­świata. Suma materii we wszyst­kich gwiaz­dach, układach pla­ne­tar­nych, pyłach, gazach, czarnych dziurach, ciemnej materii, poje­dyn­czych cząst­kach i całej reszcie  zade­cy­duje o tym co stanie się z kosmosem w dalekiej przy­szło­ści. Jeżeli hipo­te­tycz­nie omega wynio­słaby 0,5, wszech­świat zawie­rałby jedynie połowę masy jaka jest konieczna do spo­wol­nie­nia roz­sze­rza­nia się prze­strzeni. Eks­pan­sja przy­śpie­sza­łaby bez końca. Przy omedze równej, dajmy na to 10, wszech­świat posia­dałby dzie­się­cio­krot­nie więcej masy niż potrzeba do zatrzy­ma­nia eks­pan­sji. Całość po pewnym czasie zaczę­łaby się na powrót kurczyć, aż do wiel­kiego kolapsu. Jaka­kol­wiek omega różna od 1 wskazuje na nie­sta­bil­ność uni­wer­sum. Tylko “jedynka” zapewnia wszech­świat Zło­to­wło­sej, wszech­świat w sam raz: taki, w którym eks­pan­sja przy­ha­muje, ale nigdy nie dojdzie do skurczu.

Zagadka omegi elek­try­zuje całe zastępy naukow­ców od kil­ku­dzie­się­ciu lat. Zazna­czyła się wśród nich para z Prin­ce­ton – Jim Peebles i Robert Dicke – uwa­ża­jąca, że omega nie tylko może, ale wręcz powinna wynosić dokład­nie 1. Naukowcy wyszli z zało­że­nia, że parametr różny od 1 spo­wo­do­wałby zagładę wszech­świata w samym zalążku, tuż po wielkim wybuchu. A skoro omega wynosiła 1 przed trzy­na­stoma miliar­dami lat, powinna wynosić tyle samo obecnie, ponieważ ilość materii wokół nas nie ulega zmianie. Niestety teoria Peeblesa i Dicke’a wymagała nie­zwy­kle trudnych obser­wa­cji, które dowio­dłyby, że wszech­świat w dalekiej przy­szło­ści zwolni i utrzyma rów­no­wagę.

No tak, ale w 2011 Saul Per­l­mut­term i spółka dostali Nobla za udo­wod­nie­nie czegoś odwrot­nego:  wszech­świat cały czas przy­śpie­sza! Na szczę­ście udało się znaleźć panaceum na tę bolączkę i to całkiem ele­ganc­kie. Coraz szybsza eks­pan­sja rze­czy­wi­ście sugeruje zbyt małą ilość masy, a więc omegę znacznie niższą od 1. Ale co się stanie gdy do całej ist­nie­ją­cej materii dodamy energię? Dzięki Ein­ste­inowi wiemy, że to dwa objawy tego samego, masa może być trak­to­wana jako energia i odwrot­nie. Para­dok­sal­nie energia roz­pę­dza­jąca wszech­świat, , ozna­czana w kosmo­lo­gii jako parametr lambda, stanowi bra­ku­jącą masę wszech­świata. Obecnie szacuje się, że na masę rze­czy­wi­sto­ści składa się w około 30% materia, a w 70% roz­py­cha­jąca ją energia. Co ważne, obli­cze­nia i obser­wa­cje odle­głych super­no­wych wskazują, że naj­praw­do­po­dob­niej omega to rze­czy­wi­ście 1! O tym jak istotna to była idea, może świad­czyć tytuł artykułu jednego z pre­kur­so­rów poszu­ki­wań ciemnej energii Michaela Turnera: “Czy kosmo­lo­gia została wyja­śniona? Być może”.
Magiczna “jedynka” oznacza płaskość. Ciężką do wyobra­że­nia w sensie geo­me­trycz­nym, ale jednak płaskość. Wszystko co nas otacza zawiera pewną masę. Nawet pusta z pozoru prze­strzeń, zgodnie z zasadami mecha­niki kwan­to­wej, nasą­czona jest cząst­kami wir­tu­al­nymi, których nie można igno­ro­wać. Odwołam się kolejny raz do Alberta Ein­ste­ina: masa zagina cza­so­prze­strzeń. Choć trudno to sobie uzmy­sło­wić, cały trój­wy­mia­rowy wszech­świat zależnie od wartości omegi może się odkształ­cać. Istnieją trzy opcje: zamknięta gdy omega > 1, otwarta przy omedze < 1 i płaska przy równej 1. Oczy­wi­ście sama krzy­wi­zna kosmosu nie ma dla nas więk­szego zna­cze­nia, bo widzimy jedynie jego skrawek. Podobnie jak w przy­padku planety – lokalnie Ziemia jest płaska, choć spo­glą­da­jąc z dystansu wiemy, że mamy do czy­nie­nia z ciałem okrągłym. Jednakże, jak wspo­mnia­łem, kształt wszech­świata ma kluczowe zna­cze­nie dla jego przy­szłych losów. Oprócz tego, ewen­tu­alna płaskość daje silne podstawy pod teorię wiel­kiego wybuchu. Wydaje się, że dla wszech­świata Zło­to­wło­sej łączny bilans energii wynosi 0, a taki wszech­świat mógł powstać z niczego (kon­se­kwen­cje? Odsyłam do tego tekstu). Jako zwykłe kwantowe zabu­rze­nie cza­so­prze­strzeni.

Zakończę tym samym zdaniem, którego użył w swoim artykule Michael Turner: Zbliżają się ciekawe czasy dla kosmo­lo­gii. Trudno się z nim nie zgodzić.
Literatura uzupełniająca:
L. Krauss, A Universe From Nothing, wykład dla RDF;
M. S. Turner, Cosmology Solver? Maybe, Ned.ipac.caltech.edu;
R. Panek, Ciemna Strona Wszechświata. W poszukiwaniu brakujących składników rzeczywistości, Warszawa 2011.
podpis-czarny
  • http://www.blogger.com/profile/10794809137083463607 Sergi

    Ciekawy artykuł, choć dobór porów­na­nia trochę nie­szczę­śliwy — strefa bądź pas zło­to­wło­sej już w astro­no­mii funk­cjo­nuje jako strefa wokół gwiazdy, w której może się rozwinąć życie : )

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Owszem, ale w przy­padku problemu krzy­wi­zny wszech­świata również figuruje w wielu tekstach. Nawet podczas wykładu prof. Krauss użył chyba tego wyra­że­nia.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    To jest na serio fascy­nu­jąca sprawa ile już możemy (jako ludzkość i zwie­rzęta mające za swój naj­więk­szy atrybut rozum) wiedzieć i tą wiedzę udo­wod­nić, a ile jeszcze przed nami czeka. Wydaje się że astro­lo­gia i Wszech­świat mają nam tak niewiele do zaofe­ro­wa­nia, ale to błąd. Właśnie ta dzie­dzina fizyki kryje przed nami naj­wię­cej tajemnic i dlatego jest tak intry­gu­jąca.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Pomyślmy… Próżnia zawiera wir­tu­alne cząstki, które należy uwzględ­niać w masie wszech­świata, która wystar­cza, lub nie, do zatrzy­ma­nia jego eks­pan­sji. Wszech­świat (na razie) się roz­sze­rza, a więc powięk­sza swą objętość. Objętość próżni w roz­sze­rza­ją­cym się wszech­świe­cie rośnie, więc rośnie ilość wir­tu­al­nych cząstek, więc rośnie masa wszech­świata! W pewnym momencie masa zatrzy­muje eks­pan­sję, wszech­świat zaczyna się kurczyć. Teraz objętość zaczyna maleć, masa maleje, ciśnie­nie energii znów zdobywa przewagę… czy znów zacznie się roz­sze­rzać? Wszech­świat pul­su­jący???

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Nie patrzy­łem na to od tej strony, ale wydaje mi się, że w tym zdaniu musi być gdzieś błąd. Może zna­cze­nie będzie miała gęstość — wszech­świat jest większy, ale i masa jest roz­ło­żona na większej prze­strzeni i “płaskość” się utrzy­muje.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      Niestety nie potrafię wyliczyć całki potrój­nej po obję­to­ści (nawet nie jestem pewien, czy dobrze “to” nazwałem) aby wyliczyć siłę gra­wi­ta­cji dzia­ła­jącą na “krawędź” wszech­świata w zależ­no­ści od jego obję­to­ści przy zało­że­niu stałej gęstości materii wir­tu­al­nej wewnątrz.
      Może jakiś mate­ma­tyk pomoże? 😉
      Acz­kol­wiek intu­icyj­nie wydaje się, że ze wzrostem obję­to­ści (średnicy) mimo wszystko siła rośnie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Niestety z czystą mate­ma­tyką nie mam za wiele wspól­nego, zwłasz­cza gdy w grę wchodzą nie­zwy­kle trudne obli­cze­nia. Piszę intu­icyj­nie. Gdyby, dajmy na to, na każdy cm2 prze­strzeni przy­pa­dała jedna cząstka wir­tu­alna, to roz­sze­rza­nie się wszech­świata nie zmieni jego krzy­wi­zny, bo nowe cząstki będą się poja­wiały w nowej prze­strzeni. Gęstość cząstek wir­tu­al­nych w każdym “frag­men­cie” kosmosu pozo­staje podobna.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/10794809137083463607 Sergi

      No dobrze, ale wir­tu­alne czą­steczki to materia i anty­ma­te­ria, poja­wia­jące się spon­ta­nicz­nie, czyli czy nie jest tak, że ich masa się rów­no­waży i powinno się ją pomijać podczas obliczeń?
      A nawet jeśli, to też raczej skła­niał­bym się ku temu, że wraz z eks­pan­sją wszech­świata czą­ste­czek będzie przy­by­wać (bo są fluk­tu­acją prze­strzeni, a nie kor­pu­sku­łami umiej­sco­wio­nymi w danym miejscu).

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Materia i anty­ma­te­ria różnią się jedynie ładun­kiem elek­trycz­nym. Jeżeli powstaje para, to dochodzi do ani­hi­la­cji, a tej towa­rzy­szy energia (czyli masa).

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/10794809137083463607 Sergi

      Więc przybywa energii znikąd? Czyli w takim razie eks­pan­sja wszech­świata musia­łaby nastę­po­wać coraz szybciej, aby zachować rów­no­wagę pomiędzy obję­to­ścią a ilością zawartej w niej energii?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Czy energii przybywa znikąd? W pewnym sensie tak. Fantaści już snują pomysły na wyko­rzy­sta­nie tzw. energii punktu zerowego. To ona jest źródłem tzw. ciemnej energii.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Ja wyobra­żam sobie sprawę tak: zarówno ciśnie­nie energii, jak i gra­wi­ta­cja oddzia­ły­wują na “krawędź” wszech­świata, ta pierwsza “roz­py­cha­jąc” ją, ta druga “ciągnąc” ją w prze­ciw­nym kierunku. Nie wiem, czy taka naiwna wizja jest zgodna z rze­czy­wi­sto­ścią, ale takie było zało­że­nie pierw­szego mojego komen­ta­rza. I przy takim zało­że­niu ma on sens, tzn. rośnie objętość, rośnie masa, rośnie gra­wi­ta­cja “ścią­ga­jąca” wszech­świat. Tylko czy zało­że­nie ma sens? 😉

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Zapytam łagodnie autora blogu. Czy warto czytać książkę Kaku wizje? To jedyna, której jakoś nie mam ochoty przej­rzeć.. To chyba twoja tematyka/ zain­te­re­so­wa­nia?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Michio Kaku doceniam przede wszyst­kim za popu­la­ry­za­cję nauki i umie­jęt­ność w prze­ka­zy­wa­niu wiedzy. Trzeba jednak pamiętać, że to głównie futu­ro­log i pisze przede wszyst­kim o wyna­laz­kach z pogra­ni­cza science-fiction. Taką właśnie książką są między innymi “Wizje” — trochę o rewo­lu­cji kwan­to­wej, nowej medy­cy­nie, mate­ria­łach przy­szło­ści itd. 

      W moim oso­bi­stym rankingu praca ta znajduje się daleko za “Dalej niż Einstein” bądź “Hiper­prze­strze­nią” i to te książki pole­cał­bym w pierw­szym rzędzie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    “Jeżeli hipo­te­tycz­nie omega wynio­słaby 0,5 — wszech­świat zawie­rałby jedynie połowę masy jaka jest konieczna do spo­wol­nie­nia roz­sze­rza­nia się prze­strzeni. Eks­pan­sja przy­śpie­sza­łaby bez końca” a także “Coraz szybsza eks­pan­sja rze­czy­wi­ście sugeruje zbyt małą ilość masy, a więc omegę znacznie niższą od 1” — to niestety nie jest takie proste. Omega w rozu­mie­niu tego artykułu to parametr gęstości doty­czący łącznie masy-energii w każdej postaci. Gdyby była tylko materia (dowolna, ale bez ciemnej energii), Omega=0.5 ozna­cza­łaby wieczną eks­pan­sję, ale _spo­wal­nia­ją­cą_ (przy­pa­dek “open” na zamiesz­czo­nym powyżej rysunku). To obecność “ciemnej energii” powoduje, że mimo iż w naszym Wszech­świe­cie Omega=1, to po okresie spo­wal­nia­ją­cej eks­pan­sji kilka miliar­dów lat temu, mamy obecnie przy­spie­sza­nie. Ale to samo miałoby miejsce również dla innych wartości Omega, o ile tylko ciemnej energii byłoby dosta­tecz­nie dużo. W szcze­gól­no­ści, Omega mogłaby być znacznie powyżej 1, a i tak Wszech­świat mógłby stale przy­spie­szać, jeżeli byłoby odpo­wied­nio “więcej” ciemnej energii niż materii.
    I dalej, nasz Wszech­świat jest prze­strzen­nie płaski (Omega=1), ale jego eks­pan­sja przy­spie­sza, i wszystko na to wskazuje że nic jej nie zatrzyma, a więc jesteśmy nawet “powyżej” czer­wo­nej krzywej na rysunku (nastą­piło “odgięcie” w górę, czyli przy­spie­sza­nie). Te pokazane tutaj krzywe dotyczą jedynie Wszech­świa­tów z wyłącz­nie materią.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Niewidzialna ręka wszechświata: Ciemna energia | Kwantowo.pl()

  • Pingback: Nothingness – analytic perspective | BE()