Małe kosmologiczne FAQ

Struktura wszechświata oraz mechanizmy wielkiego wybuchu zawsze wzbudzają wielkie zainteresowanie, i to nie tylko w społeczności fizyków. Wystarczy prześledzić komentarze pod pierwszym lepszym artykułem poświęconym powyższym zagadnieniom, aby zauważyć jakie pytania stale rozpalają ludzką ciekawość. Na szczycie znajdują się niezmiennie zagadnienia podstawowe, dotyczące rozmiaru, wieku i kształtu kosmicznej areny. 

1. Gdzie jest środek wszechświata?

kosmologiczne faq3

Mam dobrą i złą wiadomość. Dobra brzmi naprawdę znakomicie: Ty, właśnie Ty we własnej osobie, znajdujesz się teraz w samym centrum odmóżdżająco wielkiego wszechświata. Gdybyś dysponował dobrej jakości teleskopem i spojrzał w niebo, zauważyłbyś to samo co w 1924 roku Edwin Hubble – oddalone o miliardy lat świetlnych galaktyki oddalają się od Ciebie. Powstrzymaj się jednak z obwieszczaniem tej nowiny rodzinie i ustawianiem ekstatycznego statusu na fecebooku. Zła wiadomość jest bowiem taka, że Twoja mama, sąsiad i każdy z kolegów, również stanowi pępek wszechświata. Aby zrozumieć o czym piszę, musisz wyobrazić sobie, że wybrana przez Ciebie osoba udaje się na wycieczkę do odległej galaktyki X. Kiedy ona użyje teleskopu, zobaczy to samo zjawisko co Ty, odnosząc wrażenie, że to od niej uciekają galaktyki, w tym nasza Droga Mleczna. Które z was rzeczywiście stoi w “punkcie zero”, tj. miejscu pamiętającym moment wielkiego wybuchu?

Obaj. I żaden. Cały kłopot z “poszukiwaniem” mitycznego centrum wszechświata bierze się ze zbyt dosłownego traktowania nazwy teorii wielkiego wybuchu. Słowo wybuch jest bardzo mylące, a do samej nauki – o czym wielu zapomina – przeniknęło za sprawą szyderstw serwowanych przez sceptyków tej koncepcji, niedługo po jej powstaniu. Kiedy myślimy o wybuchu, mamy przed oczyma klasyczną eksplozję, czyli gwałtowne zdarzenie mające swój początek w konkretnym miejscu i towarzyszące mu emisję energii, zmiany ciśnienia, falę uderzeniową, kulę ognia i tak dalej. Przeciętny człowiek spodziewa się więc jakiegoś, możliwego do wskazania palcem śladu po wielkim wybuchu, czegoś na kształt krateru po uderzeniu meteorytu lub eksplozji bomby.

Równomierne rozmieszczenie galaktyk oraz obserwacje mikrofalowego promieniowania tła (Zob. też: klik!), wskazują, iż cała ekspansja wszechświata przebiegała i nadal przebiega według innego schematu. Przechadzając się z licznikiem Geigera po poligonie, na którym testowano kiedyś broń jądrową, z łatwością dojdziemy do mocniej napromieniowanego centrum eksplozji. Tymczasem kosmiczne promieniowanie reliktowe cechuje niesamowita jednorodność. Wszystko dlatego, że wielki wybuch nie odbył się w przestrzeni – on przestrzeń zrodził. Produkty tego procesu, czyli przestrzeń i wypełniająca ją energia, rosły i rosną w każdym miejscu równomiernie. Moment początkowy nie przypominał detonacji dynamitu, a raczej rozciąganie gumy bądź nadmuchiwanie balonu. A gdzie leży punkt centralny równo wzrastającej powierzchni balonu?  Oczywiście wszędzie. I nigdzie.

2. Gdzie wszechświat ma granicę?

dwunastoscian

Na początek warto rozróżnić dwa terminy: wszechświat jako całość i wszechświat obserwowalny. Ten drugi bez wątpienia posiada ściśle określony, kulisty kształt oraz możliwą do wyznaczenia granicę. Nie stanowi ona żadnej fizycznej zapory a tylko swego rodzaju horyzont, oddalony od każdego obserwatora o około 46 miliardów lat świetlnych (zob. też: klik!). Jego niematerialność nie zmienia faktu, że jest on jak najbardziej istotny, ponieważ bez względu na to jakiego sprzętu optycznego użyjemy, nie zajrzymy dalej. A niemal na pewno byłoby na co popatrzeć.

Zasadniczo istnieją dwie możliwości: albo cały wszechświat jest nieskończony, albo “tylko” o wiele większy od wszechświata widzialnego. Prawdopodobnie ta niedostrzegalna część uniwersum nie różni się swą strukturą od tej widzialnej. Znaleźlibyśmy tam kolejne miliardy galaktyk, biliony gwiazd i odnotowali identyczną temperaturę mikrofalowego promieniowania tła – ale te dywagacje odstawmy na bok. Bardziej interesujące, że w obu przypadkach kosmos może nie posiadać naturalnych granic. O ile w scenariuszu mówiącym o nieskończoności to rzecz oczywista, o tyle koncepcja skończonego wszechświata pozbawionego brzegów, wymaga drobnego wyjaśnienia.

W klasycznym eksperymencie myślowym, podaje się przykład mrówki chodzącej po powierzchni przywołanego już wcześniej balonu. Owad może maszerować ile tylko chce, ale nigdy nie spadnie poza krawędź swojego świata – bo taka nie istnieje. Prąc na przód po prostu w końcu trafi do punktu wyjścia. Chyba, że zaczniemy nadmuchiwać balon, a jego powierzchnia będzie rosła na tyle szybko aby mrówka nigdy go nie okrążyła. Bez względu na to, guma budująca balon posiada skończoną i możliwą do zmierzenia powierzchnię, ale żadnego brzegu. Kosmologowie widzą wszechświat w sposób podobny, z tą różnicą, że “zawinięta” nie jest dwuwymiarowa płaszczyzna, a trójwymiarowa przestrzeń. (Na marginesie: warunek braku brzegu dotyczy również czasu, ale o tym innym razem.) Trudno wyobrazić sobie taki konstrukt bez sięgania po jakiś czwarty wymiar przestrzenny, ale sama idea wydaje się całkiem prosta. Gdyby nie ograniczenia fizyczne i gigantyczne odległości, patrząc w daleki zakątek kosmosu powinniśmy zobaczyć Drogę Mleczną; czy mówiąc bardziej obrazowo, tył własnej głowy. Matematyczne szczegóły dotyczące modelu pozbawionego brzegu, pozostają przedmiotem dyskusji.

Wypada wspomnieć choćby o młodej koncepcji Jeana-Pierra Lumineta, według którego częstotliwości promieniowania reliktowego wskazują na skończony wszechświat o kształcie zbliżonym do dwunastościanu. Niestety bezpośrednich dowodów obserwacyjnych raczej się nie doczekamy, z uwagi na to, iż nasza kula wszechświata obserwowalnego, nie styka się w żadnym miejscu ze ściankami rosnącego dwunastościanu. Z tego też powodu, jeżeli nie zbudujemy pojazdu potrafiącego poruszać się z dowolną prędkością, nigdy nie uda nam się “okrążyć” przestrzeni kosmicznej wracając w miejsce startu.

3. W czym rozszerza się wszechświat?

multiuni

Myśląc o wielkim wybuchu – jak wspomniałem, niesłusznie kojarzonym z eksplozją – instynktownie zadajemy pytanie o to, gdzie do niego doszło i w czym wszechświat się rozszerza. Nie powinno Cię zdziwić kiedy napiszę, że żadne obserwacje i doświadczenia nie pozwalają na wyjrzenie “poza” wszechświat. Wszakże nie mamy nawet możliwości badania tego co znajduje się za horyzontem wszechświata obserwowalnego, a co dopiero mówić o czymś więcej.

Współczesne modele fizyczne oferują trzy możliwe rozwiązania, z których co najmniej dwa nie zadowolą złaknionego fascynujących odpowiedzi laika. Pierwsza propozycja brzmi wręcz nonszalancko: w nic. Przestrzeń to charakterystyczny i obwarowany prawem autorskim wytwór wielkiego wybuchu, podobnie do czasu, materii czy stałych fizycznych, i sam pomysł istnienia jakiegoś “poza” nie ma sensu. To może wydać się dziwne, ale nie istnieje jakiś fizyczny powód, dla którego musiałaby istnieć zewnętrzna strona wszechświata. Drugą odpowiedź usłyszycie od większości naukowców podchodzących do tematu w sposób praktyczny: to nieistotne w co rozszerza się wszechświat. Co najlepsze, trudno takiej postawie odmówić racji. Fizyka z definicji zajmuje się badaniem naszej rzeczywistości i jej właściwości. Nawet gdyby “poza” kosmosem znajdowało się coś niezwykłego, to raczej i tak nie wpływałoby na nasz świat, a my nie znajdziemy sposobu aby tam zajrzeć. Odpowiedź trzecia najbardziej zadowoli fantastów i fanów Michio Kaku: nasz wszechświat, jako jeden z wielu, może rozszerzać się w czymś na kształt hiperprzestrzeni. Niczym bąbel w garze gorącej wody, trójwymiarowe uniwersa powstawałyby i znikały w wyższym, czterowymiarowym obszarze. Należy tu uściślić, iż obecnie nie istnieją absolutnie żadne godne uwagi dowody potwierdzające tę hipotezę. Innym mankamentem jest to, że żadna forma multiuniwersum nie rozwiązuje naszego problemu do końca. W końcu, skoro nasz wszechświat znajduje się w hiperprzestrzeni, to w czym znajduje się sama hiperprzestrzeń?

Powyższy FAQ ma charakter szczególny, ponieważ niemal wszystkie zawarte w nim odpowiedzi to tylko hipotezy. Zawsze oparte na obserwacjach i obliczeniach, ale jednak hipotezy. Mamy tego pecha, że kosmologowie siłą rzeczy kroczą drogą indukcji, zbierając elementy układanki i dopiero na ich podstawie budując całościowe modele. Zdobycie pewnych odpowiedzi na najbardziej fundamentalne pytania będzie więc sumą setek drobnych, osobno nie budzących szerszego zainteresowania projektów i badań.

Literatura uzupełniająca:
Belle Dumé, Is the universe a dodecahedron?, [online: http://physicsworld.com/cws/article/news/2003/oct/08/is-the-universe-a-dodecahedron/];
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014;
K. Ferguson, Ogień w równaniach. Nauka, religia i poszukiwania Boga, przeł. P. Amsterdamski, Poznań 2001;
W zasadzie każda lepsza książka dot. kosmologii.
Maksymalnie poplątane wnętrze protonu Polscy uczeni wobec zagadnienia interpretacji mechaniki kwantowej [suplement – uzasadnienia] Demoniczny silnik Leó Szilárda