Czytaj dalej

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.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.