Na początku była osobliwość. Jeden niezwykle mały punkt, o nieskończenie wielkiej gęstości i energii. Miejsce wymykające się poza ramy naszego rozumienia, całkowicie różne od ukształtowanego kosmosu w jakim żyjemy. Cofnijmy się do pierwszej sekundy istnienia wszechrzeczy, aby zrozumieć jak potężne musiało być pojedyncze wydarzenie, które dało początek czasowi, przestrzeni oraz milionom galaktyk zawierającym miliardy gwiazd.

Ksiądz i pierwotny atom

Los chciał, że za podstawą jednej z naj­czę­ściej ata­ko­wa­nych przez kre­acjo­ni­stów idei, stoi kato­licki ksiądz. Bel­gij­ski duchowny Georges Lemaître, jako pierwszy wpadł na pomysł ist­nie­nia czegoś co dziś nazywamy mianem oso­bli­wo­ści. Pro­wa­dził on badania w szcze­gól­nym czasie, wzra­sta­ją­cej legendy Alberta Ein­ste­ina oraz wie­ko­pom­nego odkrycia doko­na­nego przez Edwina Hubble’a. Przy­po­mnę, że prawo Hubble’a mówi nam, iż wszech­świat się roz­sze­rza, a punkty położone dalej od siebie oddalają się z większą pręd­ko­ścią niż punkty sobie bliskie. Bel­gij­ski duchowny prze­wi­dział wynik obser­wa­cji Hubble’a i już w roku 1927 doszedł do logicz­nej kon­klu­zji: skoro galak­tyki uciekają od siebie, to w dalekiej prze­szło­ści musiały leżeć znacznie bliżej. Wkrótce potem skon­kre­ty­zo­wał swój pogląd w pracy Hipoteza Pier­wot­nego Atomu. Lemaître pisał tam: “Ten­den­cja materii do frag­men­ta­ry­za­cji, to nic innego jak tylko nie­sta­bil­ność radio­ak­tywna pier­wot­nego atomu; z kolei roz­pa­dały się frag­menty – same również radio­ak­tywne – tworząc kolejne poko­le­nia ciał radio­ak­tyw­nych”.
Ekspansja wszechświata od osobliwościNie da się ukryć, że teoria ta, choć dość pry­mi­tywna, miała nie­ba­ga­telne zna­cze­nie. Hipoteza pier­wot­nego atomu jako pierwsza pod­su­nęła myśl zro­dze­nia wszech­świata z poje­dyn­czego punktu, w drodze przy­po­mi­na­ją­cej eks­plo­zję. Krytyka przyszła szybko. Ówcze­snym nie mieściło się w głowach, jak wszystko co znamy mogło znaj­do­wać się niegdyś w jednym miejscu. Taki pomysł wymykał się i nadal wymyka, poza ramy ludzkiej wyobraźni. Z tego powodu, nie­któ­rzy przez długi czas zacho­wy­wali scep­ty­cyzm, jak sir Fred Hoyle, pró­bu­jący ośmie­szyć nie­zwy­kłą kon­cep­cję nazy­wa­jąc ją wielkim wybuchem. Bry­tyj­czyk nie spo­dzie­wał się wtedy, że jego żart zostanie wzięty na poważnie i rychło wejdzie na stałe do nauko­wych słow­ni­ków.

Do osta­tecz­nego zaak­cep­to­wa­nia teorii wiel­kiego wybuchu przez światek naukowy, potrzeba było czegoś jeszcze. Dwa­dzie­ścia lat po odkryciu Hubble’a, George Gamow prze­wi­dział, że big bang powinien pozo­sta­wić po sobie jeszcze jedną poszlakę, w formie słabego pro­mie­nio­wa­nia wypeł­nia­ją­cego całą prze­strzeń (więcej na temat tego i innych reliktów w tym tekście). W roku 1964 i ta hipoteza została bez­względ­nie potwier­dzona przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona. Dwaj pra­cow­nicy Bell Labs, raczej przy­pad­kiem niż umyślnie, zare­je­stro­wali nie­chciane pro­mie­nio­wa­nie tajem­ni­czego pocho­dze­nia. Gdy nie udało im się w żaden sposób go usunąć, uświa­do­mili sobie, że być może wpadli na trop pro­mie­nio­wa­nia relik­to­wego prze­wi­dzia­nego przez Gamowa. Tak rze­czy­wi­ście było, a odkrycie przy­nio­sło Pen­zia­sowi i Wil­so­nowi nagrodę Nobla oraz nie­śmier­telną sławę. Wielki wybuch z miejsca, stał się nie­kwe­stio­no­wa­nym liderem wśród teorii tłu­ma­czą­cych powsta­nie wszech­świata. Był to jed­no­cze­śnie początek badań kosmo­lo­gicz­nych z praw­dzi­wego zda­rze­nia oraz spe­ku­la­cji doty­czą­cych momentu narodzin kosmosu.

Jak to się zaczęło?

Zanim przyj­rzymy się samej oso­bli­wo­ści rozważmy jedno z naj­bar­dziej draż­nią­cych pytań kie­ro­wa­nych do fizyków: Co było przed wielkim wybuchem? Irytacja wynika stąd, iż zagadka ta ma mało naukowy cha­rak­ter. Kosmolog odpowie więc: Cokol­wiek miało miejsce przed wielkim wybuchem nie ma zna­cze­nia i nie wpływa na to co stało się później! Sta­no­wi­sko to wydaje się zro­zu­miałe. Wszak fizycy, zajmują się badaniem zjawisk, wiel­ko­ści i oddzia­ły­wań, obser­wo­wa­nych w ota­cza­ją­cym nas wszech­świe­cie, a przecież pytanie dotyczy momentu “sprzed” powsta­nia wszech­świata. Okresu, kiedy nie istniał przed­miot badań nauko­wych. Trzeba tu dopre­cy­zo­wać, że przez wszech­świat rozu­miemy prak­tycz­nie wszystko co znamy – prze­strzeń, czas, materię i energię – i wszyst­kie elementy bez których trudno się obyć naszej per­cep­cji. 

Nawet gdybyśmy chcieli spe­ku­lo­wać na temat warunków “poprze­dza­ją­cych” ist­nie­nie oso­bli­wo­ści, nasze próby będą z góry skazane na porażkę. Przede wszyst­kim dlatego, że nie było żadnego okresu “poprze­dza­ją­cego”, domnie­mywa się, iż czas stanowi jeden z pro­duk­tów big bang. Jak wyobra­zić sobie brak czasu? Albo brak całej cza­so­prze­strzeni? Jak pisał Georges Lemaître: “[początek] nie może być osią­gnięty nawet przez myśl; początek, do którego można się zbliżać jedynie w jakiś asymp­to­tyczny sposób”. Teo­re­tycz­nie możemy zbadać każdy etap narodzin kosmosu, ale nie jego żywot pre­na­talny. Wydaje mi się, że zadanie zobra­zo­wa­nia tak odmóż­dża­ją­cej pustki, prze­kra­cza zdol­no­ści ludz­kiego umysłu. Fizyk nato­miast, może jedynie wzruszyć ramio­nami i pozo­sta­wić czystą tablicę. (Według nie­któ­rych autorów, ratunkiem z tej sytuacji jest zwró­ce­nie się ku kon­cep­cjom wie­lo­świa­tów, ale odpuśćmy ten temat.) Brakuje danych, moż­li­wo­ści prze­pro­wa­dze­nia doświad­czeń, a stan­dar­dowe pojęcie fizyki zdaje się na nic. Mimo to, laicy nie prze­staną ocze­ki­wać od naukow­ców wróżenia z fusów. Pytania o to co było na początku i co nas czeka na końcu, wynikają z ludzkiej natury i zawsze budzą wielkie emocje.

Kwantowa natura próżni mogła być źródłem osobliwości

Próżnia na naj­niż­szym poziomie, nie wydaje się pusta i spokojna

Skoro jednak nie powin­ni­śmy pytać badaczy o to co było przed wielkim wybuchem, to może chociaż dowiemy się dlaczego wielki wybuch w ogóle miał miejsce. Skąd wzięła się pier­wotna oso­bli­wość, która dała wszyst­kiemu początek? Na to pytanie fizycy odpo­wia­dają chętniej, choć sami uczciwie przy­znają, że to obszar nie­zwy­kle spe­ku­la­tywny. Jedna z powszech­niej­szych hipotez wynikła z idei przed­sta­wio­nej w 1973 roku, przez prof. Edwarda Tryona w artykule zamiesz­czo­nym w cza­so­pi­śmie Nature. Ame­ry­ka­nin bynaj­mniej nie zakładał ist­nie­nia jakiegoś przed­wiecz­nego zegar­mi­strza, który puścił wszystko w ruch. Sfor­mu­ło­wał kon­tro­wer­syjny pogląd w formie pytania: Czy Wszech­świat jest fluk­tu­acją próżni? Zgodnie z prawami mecha­niki kwan­to­wej nie istnieje idealna próżnia. Pusta z pozoru prze­strzeń tętni życiem, będąc źródłem spon­ta­nicz­nie poja­wia­ją­cych się cząstek wir­tu­al­nych.

Już w 1948 Hendrik Casimir potwier­dził ich wpływ na rze­czy­wi­stość prze­pro­wa­dza­jąc eks­pe­ry­ment z dwoma płytkami. Casimir wymyślił, że jeżeli umieści się płytki dosta­tecz­nie blisko, wytwo­rzone przez cząstki wir­tu­alne ciśnie­nie zacznie je przy­cią­gać do siebie. Efekt ten został potwier­dzony, a wszech­obec­nych fluk­tu­acji nikt nie waży się lek­ce­wa­żyć. Tryon postawił tezę, że cały wszech­świat mógłby być wynikiem takiej kwan­to­wej fluk­tu­acji. W mecha­nice kwan­to­wej wszystko zależy od praw­do­po­do­bień­stwa, jeżeli więc szansa na zda­rze­nie jest większa niż zero, to nie można go wyklu­czyć. Tryon żar­to­bli­wie pod­su­mo­wał swoje prze­my­śle­nia: “Wszech­świat jest po prostu jedną z tych rzeczy, które się zdarzają od czasu do czasu”.

Osobliwość

Dziś wiemy, że moment począt­kowy miał miejsce około 13 miliar­dów 740 milionów lat temu. Wtedy to, zgodnie z ogólnym zało­że­niem Lema­ître’a, cała cza­so­prze­strzeń i zawarta weń materia, znaj­do­wały się w jednym punkcie. Obiekt ten był roz­grzany do osza­ła­mia­ją­cej tem­pe­ra­tury ponad 10^32, czyli kwin­ty­liarda, stopni Cel­sju­sza. Dla zobra­zo­wa­nia potęgi tej energii, warto sobie przy­po­mnieć, że sza­cun­kowa tem­pe­ra­tura wnętrza Ziemi wynosi około 5 tysięcy, a jądra Sło­necz­nego mniej niż miliard stopni. W tym minia­tu­ro­wym piekle nie obo­wią­zy­wało jeszcze żadne ze znanych nam obecnie oddzia­ły­wań pod­sta­wo­wych, a pojęcie materii nie miało więk­szego sensu. Prze­strzeń i czas były nie­skoń­cze­nie zakrzy­wione, tworząc struk­turę przy­po­mi­na­jącą gąbkę.

Podobnie jak w przy­padku czarnych dziur, gigan­tyczna masa skupiona w jednym miejscu, zadaje cios kon­wen­cjo­nal­nemu myśleniu i rozbija w pył teorie fizyczne sto­so­wane na co dzień. Miejsca takie nauka zwykła nazywać oso­bli­wo­ściami. Na czym polega ich nie­zwy­kłość? Naszą aktualną rze­czy­wi­stość formują dwa filary. Pierwszy to teoria względ­no­ści, opi­su­jąca prze­wi­dy­walny ruch obiektów o “zwykłych” roz­mia­rach: spa­da­ją­cych jabłek, planet krą­żą­cych wokół gwiazd lub odda­la­ją­cych się galaktyk. Filar drugi stanowi mecha­nika kwantowa, oparta na zupełnie innych prze­słan­kach, będąca głównym narzę­dziem do zro­zu­mie­nia zachowań cząstek ele­men­tar­nych. Te dwa, pozornie różne światy, obiektów makro i mikro­sko­po­wych, łączą się i współ­eg­zy­stują wewnątrz oso­bli­wo­ści. Dzi­siej­szy stan wiedzy, nie pozwala nam w sposób kon­kretny pojąć tego zjawiska.

Wydaje się, że ten impas zostanie prze­ła­many wraz z odna­le­zie­niem upra­gnio­nej teorii wszyst­kiego. Tylko poje­dyn­cze równanie lub grupa wzorów, tłu­ma­cząca relacje między gra­wi­ta­cją, elek­tro­ma­gne­ty­zmem i siłami jądro­wymi, umożliwi naszki­co­wa­nie wia­ry­god­nego modelu oso­bli­wo­ści. Tym­cza­sem musimy się zado­wo­lić odpo­wie­dzią czę­ściową. Wytężona praca zastępów fizyków oraz miliardy dolarów zain­we­sto­wane w ogromne kom­pleksy badawcze, pozwo­liły na wycin­kowe odwzo­ro­wa­nie warunków wiel­kiego wybuchu. Dzięki zde­rze­niom cząstek pędzą­cych z pręd­ko­ścią bliską światłu, naukowcy dowiedli, że przy dosta­tecz­nej energii jedne cząstki mogą się zacho­wy­wać jak inne. W ten sposób udało się labo­ra­to­ryj­nie zuni­fi­ko­wać elek­tro­ma­gne­tyzm i oddzia­ły­wa­nie słabe w poje­dyn­czą siłę – oddzia­ły­wa­nie elek­tro­słabe. Jak widać na tym przy­kła­dzie, prze­wi­dy­wa­nia co do wiel­kiego wybuchu to nie baj­du­rze­nie, a cał­ko­wi­cie uza­sad­nione roz­wa­ża­nia. Kto wie, może gdy nasza tech­no­lo­gia posunie się znacznie do przodu, a akce­le­ra­tory rozrosną do roz­mia­rów Układu Sło­necz­nego, samo­dziel­nie dokonamy wielkiej uni­fi­ka­cji?

Bóle porodowe wszechrzeczy

Opisany stan trwał nie­wy­obra­żal­nie krótko, jakąś jedną sep­ty­lio­nową część sekundy (10^-43). Po tym czasie roz­po­częła się nowa era w dziejach wszech­świata, nazna­czona wyod­ręb­nie­niem się gra­wi­ta­cji. Procesy trwające przez naj­bliż­sze kilka sekund, zaważyły na kształ­cie naszej rze­czy­wi­sto­ści. Mamy do czy­nie­nia z super­go­rącą kulą ognia, wypeł­nioną wysoce ener­ge­tycz­nymi fotonami pro­mie­nio­wa­nia gamma. Około kwin­ty­liar­do­wej części sekundy (10^-33) powstają kolejne siły pod­sta­wowe: oddzia­ły­wa­nie silne oraz, naj­praw­do­po­dob­niej niedługo później, oddzia­ły­wa­nia elek­tro­ma­gne­tyczne i słabe. Towa­rzy­szyła temu nagła, nie­by­wale dyna­miczna eks­pan­sja prze­strzeni. Zgodnie z poglądem Alana Gutha, wyra­żo­nym w artykule: “Wszech­świat infla­cyjny: możliwe roz­wią­za­nie pro­ble­mów hory­zontu i pła­sko­ści”, kosmos w ułamku sekundy powięk­szył się 10^50 razy. To naj­więk­sza, spośród liczb użytych w tym artykule, wszech­świat z roz­mia­rów sub­a­to­mo­wych nagle spuchnął do wiel­ko­ści makro­sko­po­wej. Guth założył, że sama prze­strzeń mogła eks­pan­do­wać szybciej niż światło, co wiązało się z tzw. przej­ściem fazowym, zja­wi­skiem podobnym do nagłej zmiany stanu sku­pie­nia. Owe przej­ście fazowe miało dopro­wa­dzić do powsta­nia chwi­lo­wej próżni. Próżnia ta z kolei wytwo­rzyła ujemne ciśnie­nie – coś na kształt anty­gra­wi­ta­cji – pro­wa­dząc do nie­po­ha­mo­wa­nej inflacji. Impli­ka­cją tego procesu jest to, że nasz obser­wo­walny wszech­świat, stanowi zaledwie bardzo nie­wielki skrawek całości.

W trakcie i zaraz po inflacji, szalała ein­ste­inow­ska zasada wymie­nial­no­ści masy na energię. Z pra­sta­rego światła opartego na pro­mie­nio­wa­niu gamma, wyłoniły się pierwsze pary cząstek i anty­czą­stek. Gęstość była tak duża, że cząstki te zderzały się ze sobą, co pro­wa­dziło do ani­hi­la­cji, czyli znisz­cze­nia z wyzwo­le­niem pewnej ilości energii. Ujemnie nała­do­wane elek­trony uni­ce­stwiały się wza­jem­nie z dodat­nimi pozy­to­nami, a kwarki z anty­kwar­kami. Pewnie zauwa­ży­li­ście już, że przyj­mu­jąc idealny stan rzeczy – to jest równą ilość materii i anty­ma­te­rii – docho­dzimy do wniosku, że ta kosmiczna batalia powinna się zakoń­czyć remisem. Problem polega na tym, że wtedy kosmos naj­pew­niej pozba­wiony byłby materii, z której jesteśmy zbu­do­wani, a wypeł­niony jedynie jakąś formą pro­mie­nio­wa­nia. Odpo­wiedź na pytanie dlaczego tak się nie stało, nie jest do końca pewna. Naj­czę­ściej jako przy­czynę podaje się nie­sta­bil­ność anty­ma­te­rii. Jeżeli chociaż część anty­czą­stek rozpadła się zanim natra­fiła na swoje odbicia, to spo­wo­do­wało to nie­znaczną przewagę i w efekcie zwy­cię­stwo materii. Obecnie przyj­muje się, że nadwyżka sta­no­wiła jedną cząstkę materii na miliard anty­ma­te­rii i to tej sub­tel­nej różnicy zawdzię­czamy ist­nie­nie.

Anihilacja materii i antymateriiNowo naro­dzony kosmos posiadał w zasadzie wszystko co potrzebne, do poja­wie­nia się pierw­szych atomów. Problem sta­no­wiła wciąż zbyt wysoka tem­pe­ra­tura, około biliarda (10^15) stopni. W kipiącej zupie kwar­ko­wej z trudem for­mo­wały się nowe cząstki, nazwane przez nas hadro­nami: piony, kaony, ypsilony, cząstki sigma, protony, neutrony itd. Naj­pow­szech­niej­sze i naj­waż­niej­sze dla nas, są dwa ostatnie. Tem­pe­ra­tura powo­do­wała jednak, że protony i neutrony wciąż poru­szały się tak szybko, że zaraz po sfor­mo­wa­niu naj­prost­szego jądra ato­mo­wego, ulegały ponow­nemu rozbiciu. Jed­no­cze­śnie, gęstość i energia spadły na tyle, że fotony nie prze­kształ­cały się już samo­czyn­nie w pary kwark-anty­kwark. Gdy minęła magiczna sekunda po wielkim wybuchu, a tem­pe­ra­tura opadła na poziom rzędu milionów stopni, protony roz­po­częły kosmiczny taniec z neu­tro­nami dając początek pierw­szym trwałym jądrom atomów.

Ekspansja i epilog

Choć może się to wydać dziwne, po upływie pierw­szych kil­ku­dzie­się­ciu sekund, nie działo się już nic prze­ło­mo­wego. Dopiero po okresie około 380 tysięcy lat, wszech­świat stał się na tyle chłodny i rzadki, że mogła się roz­po­cząć nowa era. Era gwiaz­dowa, w której żyjemy do dzisiaj. Aby do tego doszło, wyso­ko­ener­ge­tyczne fotony musiały utracić impet, co pozwo­liło uspokoić się elek­tro­nom, wyła­py­wa­nym przez ist­nie­jące już nukleony. Powstały wielkie ilości wodoru i helu, tworząc podobną do dzi­siej­szej, struk­turę che­miczną kosmosu.
Zdjęcie WMAP wszechświat 380 tys. lat po wielkim wybuchu

Zdjęcie wykonane przez WMAP, uka­zu­jące młody wszech­świat widziany w zakresie światła mikro­fa­lo­wego. Różnice tem­pe­ra­tur są mniejsze niż setne części stopnia.

Wraz z osła­bie­niem fotonów, pier­wotne pro­mie­nio­wa­nie gamma prze­su­nęło się wzdłuż widma. Do tego stopnia, że jego obecną pozo­sta­łość stanowią jedynie słabe i roz­cią­gnięte w prze­strzeni fale mikro­fa­lowe. Te same, które zare­je­stro­wali w latach 60. Penzias i Wilson. To też odpo­wiedź na pytanie: dlaczego nie widzimy światła powsta­łego w ogniu wiel­kiego wybuchu. W pewnym sensie otacza nas ono nadal, ale nosi tem­pe­ra­turę zaledwie 2,73 stopni powyżej zera abso­lut­nego.
Literatura uzupełniająca:
N. deGrasse Tyson, D. Goldsmith, Wielki Początek: 14 miliardów lat kosmicznej ewolucji, Warszawa 2004;
J. Barrow, Początek Wszechświata, Warszawa 1999;
Jan Urbański, Inflacja, Almukantarat.pl [dostęp: 19.10.2012];
R. Panek, Ciemna Strona Wszechświata: W poszukiwaniu brakujących składników rzeczywistości, Warszawa 2011.
podpis-czarny