Kosmologiczne narodziny: Co to jest osobliwość początkowa?

Na początku była osobliwość. Jeden niezwykle mały punkt, o niewyobrażalnej gęstości i energii. Cofnijmy się do pierwszej sekundy istnienia, aby zrozumieć jak potężne musiało być wydarzenie, które dało początek czasowi, przestrzeni oraz milionom galaktyk skupiającym miliardy gwiazd.

Energia promieniowania, która na początku odgrywała dominującą rolę, stopniowo traciła na znaczeniu i w końcu ustąpiła pierwszeństwa zwykłej materii atomowej.
George Gamow

Ksiądz i pierwotny atom

Przewrotny 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:

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.
Georges Lemaître

Nie 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 bangu.

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 przestają 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 próżnia mogła zrobić osobliwość początkową — Próżnia na najniższym poziomie nie wydaje się pusta i potulna. Czy tak powstała osobliwość początkowa?

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 osobliwość początkowa, od której wszystko się zaczęło? 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 Edwarda Tryona w artykule zamieszczonym w czasopiśmie Nature. Amerykański profesor 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”.

A co to jest osobliwość?

Dziś wiemy, że moment początkowy miał miejsce około 13 miliardów 820 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 kelwinów. Dla zobrazowania potęgi tej energii, warto sobie przypomnieć, że szacunkowa temperatura wnętrza Ziemi wynosi około 5 tysięcy, a jądra Słonecznego mniej niż miliard K.

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.

Nowo 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 osobliwości — 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.