Ciemna energia: Niewidzialna ręka wszechświata

Wszystko co jesteśmy w stanie zobaczyć – miliony galaktyk wypełnione miliardami gwiazd, piękne mgławice, niezliczone układy planetarne, potężne supernowe i błyski gamma – stanowią mniej niż pięć procent składu wszechświata. W wielkiej kosmicznej zupie, cała znana nam materia to jedynie drobna kostka rosołowa rozpuszczona we wszechobecnej energii próżni. Ciemnej energii.

Samokrytyczny Einstein

Dzieje ciemnej energii sięgają bardzo głęboko, niemal tak daleko jak zamysł samej ogólnej teorii względności i początki współczesnej kosmologii. Gdy niespełna czterdziestoletni Albert Einstein zredefiniował pojęcia czasu, przestrzeni oraz grawitacji, jak przystało na geniusza, niemal od razu zrozumiał dalekosiężne konsekwencje swojej propozycji. Ukuty przez niego wzór w rewelacyjny sposób opisywał zakrzywianie pola grawitacyjnego, uzupełniając luki, z którymi nie poradził sobie sam Sir Izaak Newton. O to chodziło, właśnie to przyniosło młodemu uczonemu nieśmiertelną sławę. Jednak w rok od opublikowania ogólnej teorii względności Einstein pojął, że jego równanie nie tłumaczy jednej drobnostki… Widocznej struktury wszechświata!

Wbrew pozorom fizyk z niechęcią podchodził do wywrotowych koncepcji i wolał widzieć rzeczywistość w sposób prosty i uporządkowany. Dlatego też, w roku 1917 nie poddawał on pod wątpliwość klasycznej wizji statycznego i niezmiennego w czasie wszechświata. Ówcześni nie mieli jeszcze żadnego powodu aby sądzić, iż kosmos na poziomie galaktyk, gromad i samej przestrzeni może być dynamiczny. Bystry Einstein biorąc w rachubę dane obserwacyjne i zweryfikowane już równanie pola grawitacyjnego, stwierdził wszem i wobec: wszechświat nie działa! W każdym razie, nie w wersji statycznej. Będąc pewnym dwóch rzeczy – poprawności własnej teorii oraz kosmicznej statyczności – uczony podjął męską decyzję. Dodał do swojego równania człon, który godził obliczenia z jedyną słuszną wizją wszechświata. Nie miał on wówczas zielonego pojęcia czym jego wynalazek, nazwany stałą kosmologiczną, w ogóle miałby być oraz jakie jest jego źródło. Wiedział jedynie, że jeśli wszechświat ma się nie zawalić pod własnym ciężarem, potrzebna jest jakaś siła odśrodkowa walcząca z grawitacją, symbolizowana właśnie przez dodatkową stałą.

Jakież musiało być rozczarowanie Einsteina, gdy nieco ponad dekadę później pewien młody badacz z Kalifornii uczynił całe te rozważania bezużytecznymi. Każdy amator astronomii słyszał o Edwinie Hubble’u, który korzystając ze słynnego teleskopu Mount Wilson, zaobserwował wzajemną ucieczkę galaktyk, a co za tym idzie dokumentując proces rozszerzania wszechświata. Skoro przestrzeń rośnie, nie może być stacjonarna. Konkluzja płynąca z odkrycia stanowiła dla Einsteina szczęście w nieszczęściu. Postulaty ogólnej teorii względności nie wymagały żadnych poprawek (hura!), ale poprzez uporczywe wpychanie do równań wziętej z sufitu stałej, Einstein nieomal zrobił z siebie idiotę. Nic dziwnego, że do końca życia nazywał ten koncept swoją największą pomyłką.

Szkoda, że naukowiec nie dożył dnia, w którym jego życiowy “błąd” został odkopany i z powrotem usadzony na piedestale.

Wszechświat jest płaski

Zanim przejdziemy do najważniejszej części artykułu muszę, choćby bardzo przekrojowo, naszkicować problem kształtu wszechświata (co nieco na ten temat: klik!). Dla osoby nie siedzącej na co dzień z nosem w książkach o kosmologii, zagadnienie to ma prawo brzmieć wręcz wariacko. Jak w ogóle można myśleć o jakimś kształcie przestrzeni kosmicznej? Jeśli pamiętacie podstawy idei Einsteina, na pewno kojarzycie łopatologiczne porównanie czasoprzestrzeni do płótna, zniekształcanego przez położenie na nim ciał posiadających masę. Mniej więcej tę wizję opisywał wzór pola grawitacyjnego, o którym wspomniałem wcześniej. Ojciec kosmologii, Aleksander Friedman rozciągnął elegancką metaforę na całość wszechświata. Wiedząc o izotropowości wszechświata, czyli jego ogólnej jednorodności (rozkład galaktyk w każdym kierunku prezentuje się podobnie) oraz wykorzystując einsteinowski wzór, rosyjski fizyk opracował trzy geometryczne modele.

Wyobraźcie sobie ogromne, rozciągnięte prześcieradło, będące dwuwymiarowym odpowiednikiem kosmosu. Możemy na jego powierzchnie wrzucać różnej wielkości piłki i kule, obserwując jak te mniejsze wpadają w zagłębienia utworzone przez większe. Friedman zauważył, że ilość i gęstość obecnej masy zdeterminuje kształt całego prześcieradła. Zależnie od scenariusza tkanina mogła się na końcach zwężać, pozostawać prosta, lub ulegać coraz większemu rozszerzeniu. Gwoli ścisłości: to oczywiście bardzo niedoskonała metafora, jednak oddaje temat w najprostszy do wyobrażenia sposób. W rzeczywistości mamy do czynienia z przestrzenią trójwymiarową, a na jej kształt wskazują nam promienie świetlne. We wszechświecie zamkniętym, hipersferycznym, równolegle wypuszczone wiązki fotonów w końcu się spotkają, w płaskim mogą frunąć bez końca nigdy na siebie nie wpadając, natomiast w otwartym, hiperboloidalnym z biegiem czasu zaczną od siebie uciekać.

Kształt wszechświata

To właśnie trzy modele Friedmana, oznaczane dzisiaj symbolem Ω. Zależnie od omegi, geometria wszechświata ma krzywiznę dodatnią, zerową lub ujemną. Skutki są oczywiste i raczej nie napawają optymizmem. Wszechświat w dalekiej przyszłości albo zacznie się na powrót kurczyć się pod wpływem grawitacji, albo będzie rósł bez końca – powoli bądź niebezpiecznie szybko.

I ciągle przyśpiesza!

Nie przywoływałem tych trzech modeli przypadkiem. Rosyjski naukowiec już w latach 20., niemal bezbłędnie wyartykułował podstawowy i niezmienny do dnia dzisiejszego problem trapiący kosmologów. Co jeszcze godniejsze podziwu, wziął pod uwagę możliwość rozrostu lub kolapsu przestrzeni jeszcze przed odkryciem Hubble’a! Na dobrą sprawę, spór o wartość omegi i kształt uniwersum nadal nie znalazł ostatecznego rozwiązania, choć gros kosmologów wyłoniła już swego faworyta. Jest nim wszechświat płaski, o Ω = 0. Jak pisze jego zwolennik, Lawrence Krauss: “Wszechświat w istocie musi być płaski”! Po pierwsze dlatego, że współgra to z popularną koncepcją inflacji kosmologicznej Alana Gutha, a po drugie bo na to wskazują obserwacje mikrofalowego promieniowania tła (patrz: eksperyment BOOMERANG). 

Supernowe są traktowane jako świece standardowe
Wykres z naniesionymi supernowymi, obserwowanymi przez ekipę Perlmuttera.

Dla nas najważniejsze jednak, że niemal na pewno wyeliminowano model wszechświata zamkniętego, który niczym puszczony balon zacząłby kurczyć się, dążąc do kolapsu. Dowodem koronnym w tym śledztwie pozostają niezależne od siebie, prowadzone w latach 90. obserwacje ekip Saula Perlmuttera oraz Briana Schmidta. Przez kilka lat polowali oni na supernowe typu Ia występujące w odległych galaktykach, konsekwentnie nanosząc dane na wykresy. Na tego typu eksplozjach gwiazd można polegać: przebiegają w podobny sposób, na zbliżonym etapie życia gwiazdy i świecą z podobną jasnością, dzięki czemu łatwo oszacować ich odległość i wykorzystać je jako tzw. świece standardowe. Pomiar kilkudziesięciu takich punktów pozwolił na oszacowanie jak bardzo rozszerzył się wszechświat od chwili wielkiego wybuchu. Jednak najważniejszym osiągnięciem obu zespołów było ustalenie, że wszechświat z całą pewnością się nie kurczy, ani nie zwalnia tempa ekspansji. On przyśpiesza!

Einstein i stała kosmologiczna
Okładka “Science” z grudnia 1998 roku.

Z pyszna miał się sam Perlmutter, który jeszcze przed odkryciem gotów był założyć się z Kraussem, że wszechświat już nie rośnie i nie ma szans na funkcjonowanie modelu płaskiego wszechświata (łzy ocierał nagrodą Nobla odebraną w 2011 roku).

Po opublikowaniu pierwszych wyników, prestiżowy magazyn Science umieścił na okładce zszokowaną karykaturę Einsteina. Zaskoczenie nie wynikało bynajmniej z tego, że udowodniono ciągłą i wzrastającą ekspansję wszechświata – to upodlony przez odkrycie Hubble’a geniusz mógłby przełknąć. Obserwacje doprowadziły jednak do druzgocącego wniosku, przez który Einstein niewątpliwie mógłby przewrócić się w grobie. Oto bowiem, dla wyjaśnienia zjawiska przyśpieszającego wzrostu przestrzeni, konieczne było wprowadzenie na powrót największej pomyłki Einsteina… stałej kosmologicznej.

Główny podejrzany: energia próżni

Przed 1998 rokiem większość fizyków obstawiała, że wszechświat jest zamknięty, a jego ekspansja powinna zwalniać. Tak po prostu byłoby po drodze z ogólną teorią względności. Jabłko podrzucone do góry musi spaść na ziemię, a wszechświat wypełniony materią po miliardach lat wzrostu powinien w końcu rozpocząć zapadanie. Ustalenie prędkości rozrostu przestrzeni wraz z innymi danymi, nakazywało wziąć pod uwagę istnienie jakiejś siły działającej w opozycji do grawitacji. W praktyce idea ta nie różniła się wiele od einsteinowskiej stałej kosmologicznej, ale naukowcy woleli posługiwać się bardziej mrocznym terminem ciemnej energii.

Jak łatwo zauważyć pojęcie to jawnie koresponduje z nie mniej tajemniczą ciemną materią. Ciemna energia ma jednak istotną przewagę: istnieje poważny i znany kandydat na jej źródło. Tym bezkresnym rezerwuarem ogromnej ilości energii miałaby być sama przestrzeń.

Aby przyjąć tę informację do wiadomości niestety na chwilę musicie wcielić się w aspołecznego nerda w kraciastej koszuli, z wielkimi binoklami na nosie; czy prościej mówiąc, w fizyka zajmującego się mechaniką kwantową. W tym momencie jest dla was jasne, że świat w mikroskali nie wygląda tak jak widzimy go na co dzień. Zasada nieoznaczoności Heisenberga zabrania dokonywania pomiarów z dowolną dokładnością, a pusta z pozoru próżnia tak naprawdę tętni własnym życiem. Choćbyście wyssali z pojemnika całe powietrze i zabezpieczyli go przed bombardowaniem promieniowania kosmicznego, z fizycznego punktu widzenia nadal nie będzie on całkiem pusty. 

Zgodnie z mechaniką kwantową z absolutnej nicości mogą wyłaniać się cząstki, tylko po to aby po chwili zniknąć. Nazywamy je cząstkami wirtualnymi, ponieważ aby nie zakłócać podstawowych praw fizyki (np. prawo zachowania ładunku) występują w parach niemal natychmiast anihilując bez śladu. Jeśli sądzicie, że uczeni dali ponieść się wyobraźni aby sobie pomóc z problemem ciemnej energii, zauważcie, iż pojęcie cząstek wirtualnych powstało znacznie wcześniej i zostało w wieloraki sposób zweryfikowane. Dopiero ich uwzględnienie pozwoliło na idealne opisanie interakcji cząstek wewnątrz atomów i zastosowanie równania Diraca. Dowodem koronnym natomiast wydaje się doświadczenie dokonane przez Hendrika Casimira. Holenderski naukowiec ustawiając naprzeciw siebie dwie płytki, pokazał jak ciśnienie wywierane przez cząstki wirtualne powoduje ich wzajemne zbliżanie.  

Ilość ciemnej energii do ciemnej materii i materii widzialnej

W życiu codziennym energia próżni nie odgrywa żadnej roli (zresztą podobnie jak inne kwantowomechaniczne zjawiska) toteż nie zaprzątamy sobie nią głowy. Jeśli jednak kosmologowie mają rację, jej wpływ na ewolucję kosmosu jest absolutnie kluczowy. Podczas gdy ciemnej materii jest jakieś pięć razy więcej niż tej, która buduje gwiazdy, planety i nasze ciała, ciemna energia stanowi prawie piętnastokrotnie istotniejszy składnik wszechświata. Pamiętając o wymienialności masy na energię możemy posunąć się do następujących szacunków: ciemna energia stanowi ~72%, ciemna materia ~23%, natomiast materia widzialna ~5% bilansu masy/energii wszechświata.

Ciemnej energii jest dużo za dużo

Na koniec problem, przez który temat nie został i pewnie długo nie zostanie zamknięty. Według obecnego stanu wiedzy energia próżni jest… zbyt duża. Nie o kilka procent, lecz nawet o 10^100 w porównaniu do tego co widzimy na niebie. Oznacza to tyle, że w najlepszym przypadku nasze ciała, Słońce i Ziemia powinny ulec natychmiastowemu rozdarciu. Skoro jednak byliście zdolni przeczytać ten tekst, pewnie połapaliście się już, że gdzieś popełniono “malutki” błąd.

Obecnie więc największą zagadką kosmologii nie jest znalezienie ciemnej energii, a raczej odnalezienie sposobu na jej zniwelowanie.

Literatura uzupełniająca
M. Kaku, Kosmos Einsteina. Jak wizja wielkiego fizyka zmieniła nasze rozumienie czasu i przestrzeni, przeł. J. Popowski, Warszawa 2012;
M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii, Warszawa 1985;
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014;
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014.
Terraformacja Marsa. W obliczu niemożliwego 7 pytań jakie stawia przed nami Westworld Dlaczego Ameryka boi się atomu? Awaria w Three Mile Island