Czy wszechświat jest płaski?

Pamiętacie bajkę o Złotowłosej i trzech niedźwiadkach? Choć może wydać się to dziwne, imię tej bajkowej postaci trafiło na stałe do kosmologicznego żargonu.

Brzmiało to jakoś tak. Pewnego dnia dziewczynka, nie słuchając zaleceń matki, zboczyła ze ścieżki i zgubiła się w lesie. Błądząc kilka godzin trafiła wreszcie do chatki misiów, które akurat wyszły na spacer. Złotowłosej burczało w brzuchu, więc zapukała do drzwi, a gdy nikt nie odpowiedział, postanowiła wejść do środka do środka. Wnet ujrzała zakryty stół i przygotowany obiad dla trzech osób. Usiadła na wielkim krześle i bez skrępowania 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”.

Opowiastka ta 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.

Krzywizna wszechświata

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 pytający 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 Turner:

Zbliżają się ciekawe czasy dla kosmologii.

Michael Turner
Wszechświat pozbawiony czasu Czego brakuje Jowiszowi żeby stał się gwiazdą? Czy Mount Everest jest na pewno najwyższą górą świata?