Czy wszechświat czeka śmierć cieplna?

Jak pisał klasyk, pewne są tylko śmierć i podatki. Rzeczywiście. Umrze każdy z nas, umrze nasza planeta i niewątpliwie umrze drogie nam Słońce. Nieunikniona wydaje się również śmierć wszechświata, choć w tym przypadku nasuwa się mnóstwo pytań.

Entropia, skarbie, to takie słowo, które oznacza liczbę końców, liczbę śmierci we Wszechświecie. Wszystko się wyczerpuje, widzisz, tak jak twój mały robot “walkie-talkie”. Pamiętasz?

Isaac Asimov

Nadciąga zima

Koniec wszechświata to pewnik, wynikający z podstawowych praw fizyki. Otwartym pytaniem pozostaje, jak taki koniec może wyglądać. W drodze rozwoju kosmologii wykrystalizowały się trzy prawdopodobne scenariusze, o dość obrazowych nazwach: wielki chłód, wielki skurcz oraz wielkie rozdarcie. Pozwólcie, że w tym tekście nie będę pochylał się kolejno nad każdym z nich (bo zrobiłem to już dawno temu tutaj). Wspomnę tylko, iż los znanej nam rzeczywistości, będzie uzależniony od kształtu wszechświata, tempa jego ekspansji oraz ilości zawartej w nim materii.

W przyszłości czeka nas śmierć cieplna wszechświata

W świetle obecnej wiedzy, na prowadzenie wysuwa się ponura wizja wielkiego chłodu, zakładająca – ujmując rzecz dosadnie – śmierć cieplna wszechświata. Przestrzeń będzie puchnąć i puchnąć, zaś cała istniejąca materia oraz energia ulegać coraz mocniejszemu rozrzedzeniu. Wbrew pozorom nie jest to koncepcja prosta i jednoznaczna. Śmierć na ogół pojmujemy w kategoriach kategorycznego, ostatecznego i wiecznego końca. Trup to trup i nie ma nad czym debatować. Tymczasem w odniesieniu do fizyki, zamiast zgonu, być może czeka nas niekończąca się agonia.

Ale zanim przejdziemy do tych rozważań, rozpatrzmy szybko hipotetyczne przystanki jakie powinniśmy minąć, zanim nastanie kosmiczna zima.

Etap I: era gwiazdowa

Nie chciałbym cofać nas o 13,82 miliardów lat, do momentu wielkiego wybuchu, bo i nie ma takiej potrzeby. Zacznijmy od chwili obecnej, czyli ery gwiazdowej. Każdy z nas może ją z łatwością scharakteryzować. Wystarczy rozejrzeć się wokół oraz spojrzeć w górę. Nieboskłon ozdabia niezliczona liczba piecyków termojądrowych, napędzających całą naszą rzeczywistość. To gwiazdy budują galaktyki. To wokół gwiazd formują się układy planetarne. Wreszcie, to ich eksplozje rozsiały ciężkie pierwiastki, umożliwiające narodziny życia. Ale gwiazdy nie będą istnieć wiecznie, zaś ich wygasanie naznaczy nadejście kolejnej epoki.

Etap II: rządy degeneratów

Słońce bardzo poważnie spuchnie za jakieś 5-6 miliardów lat, by po kolejnym miliardzie odrzucić większość swojej materii i przejść na emeryturę jako biały karzeł. Większe gwiazdy kończą swój żywot z hukiem, wybuchając jako zajwiskowe supernowe. W ich ogniu rodzą się twory o ekstremalnej gęstości: gwiazdy neutronowe lub czarne dziury. Prędzej czy później musi nadejść moment gdy wszystkie “zwykłe” gwiazdy (tj. gwiazdy ciągu głównego w diagramie Hertzsprunga-Russella) wygasną bądź eksplodują, ustępując pola swoim zdegenerowanym sukcesorom. Spokojnie, do tego momentu jeszcze bardzo, bardzo daleko. Wszakże wciąż mamy do czynienia z bujnymi procesami gwiazdotwórczymi, a małe gwiazdki w rodzaju pospolitych czerwonych karłów, potrafią osiągać piękny wiek liczony nie w miliardach, a bilionach lat. Niemniej, wyimaginowany obserwator z dalekiej przyszłości, rozczaruje się widokiem smętnego, opustoszałego nocnego nieba.

Etap III: upadek królestwa protonów

Nasze istnienie zawdzięczamy stabilności materii. Elektron, neutron i proton pasują do siebie wprost idealnie, składając się na trwałe atomy. Ale wcale nie musiało być tak kolorowo. Samodzielny neutron, wyrwany z jądra atomowego, przeżywa statystycznie tylko kwadrans, po czym ulega rozpadowi. Na nasze szczęście protony prezentują się o wiele solidniej, utrzymując integralność przez sekstylion (1036) lat lub więcej. Nikt dotąd nie zaobserwował spontanicznego rozpadu protonu, ale jeśli teoretycy mają rację, po przekroczeniu tej cezury era nukleonowa (tj. jąder atomowych) ustąpi miejsca erze promieniowania. Nukleony ulegną przeterminowaniu, a wraz z nimi atomy i cała materia. Ostygnięte pozostałości gwiazdowe najzwyczajniej w świecie zaczną się rozsypywać. Z każdego truchła protonu wypadnie neutrino, foton i pozyton. Ten ostatni będzie mógł wpaść na ujemnie naładowany elektron, ulegając anihilacji z emisją kolejnego fotonu. Kosmos dalekiej przyszłości wypełniać będzie zatem jedynie rozrzedzone promieniowanie i… czarne dziury.

Etap IV: parujące czarne dziury

Nie ma nas, nie ma planet, nie ma gwiazd (nawet zdegenerowanych), ale pozostały jeszcze czarne dziury. Jeszcze kilka dekad temu, fizycy sądzili, iż te ssące potwory trwają w niezmienionej formie przez wieczność i szydzą z podstawowych praw fizyki. Wtedy pojawił się Stephen Hawking, zauważając, iż dzięki zjawiskom kwantowym, nawet na czarną dziurę przyjdzie pora. W szczegóły nie będziemy się zagłębiać (patrz: tu), ale musicie wiedzieć, że pozostawiona sama sobie czarna dziura powolutku wypromieniowuje swoją masę. Bardzo powolutku, bo przeciętna dziura nie zniknie szybciej niż po upływie decyliona (1060) lat. Z kolei najdorodniejsze okazy mogą wyparowywać nawet grubo ponad 10100 lat. I raczej o takiej perspektywie powinniśmy myśleć, bo w czasie pierwszych setek bilionów lat istnienia wszechświata – choćby wskutek łączenia się kolejnych galaktyk i fuzji ich centralnych czarnych dziur – powstaną monstra o masach setek miliardów naszych Słońc. Ale i one odejdą w niebyt.

Cicho wszędzie, głucho wszędzie

Etap piąty, a właściwie epilog historii naszego wszechświata, pozostaje równie tragiczny co fascynujący. Jedyne co ostało się w przepastnej przestrzeni, to słabiutkie promieniowanie w formie włóczących się tu i ówdzie fotonów oraz neutrin. Kosmos niewątpliwie zbliży się do tego, co określamy mianem śmierci cieplnej, czy mówiąc konkretniej – triumfu entropii. Ale czy na pewno dojdzie do jej pełnego, absolutnie niepodważalnego zwycięstwa?

Wszechświat czeka wielki chłód

W fizyce funkcjonuje termin zera bezwzględnego: -273°C (0K). Nie potrafimy schłodzić tak bardzo żadnego ciała nawet w warunkach laboratoryjnych i niemal na pewno tego nie dokonamy, ale właśnie taki stan bliski zeru absolutnemu powinien w dalekiej przyszłości ogarnąć cały wszechświat. Fotony mikrofalowego promieniowania tła – wciąż rozgrzane do 2,7K – jak i te powstałe w wyniku rozpadu materii, musiałyby wytracić całą energię. To samo tyczy się neutrin.

Aby entropia osiągnęła całkowity sukces, wszelkie postacie energii w przestrzeni muszą zostać rozsmarowane równomiernie. Mowa o stanie, w którym układ przestaje podlegać jakimkolwiek zmianom. Nic ze sobą nie oddziałuje, nie dochodzi do żadnych przekształceń, żadnych procesów fizycznych. Wszystkie zjawiska obserwowane przez nas na co dzień, wynikają z nieustannego przepływu energii. Śmierć cieplna wszechświata oznacza ustanie wszystkiego co czyni rzeczywistość interesującą.

Zaraz za tym wypływa kolejna pesymistyczna konkluzja. Brak cyrkulacji energii jest jednoznaczny z zahamowaniem przesyłu informacji. Do przeniesienia choćby jednego bitu danych, potrzebujemy procesu fizycznego, jakiegoś drobnego impulsu energii. To dzieje się nieustannie w komputerach oraz w naszych neuronach. Maksymalna entropia jest równoznaczna z definitywnym zakazem istnienia jakiegokolwiek przejawu świadomości.

Co z grawitacją?

Jednakże, wspomniałem o pewnych wątpliwościach dotyczących wielkiego chłodu. W przywołanym scenariuszu około 30% składu wszechświata stanowiłyby neutrina. Jako, że posiadają one masę (niewielką, ale jednak), wciąż oddziałują grawitacyjnie. Oczywiście, w przypadku pojedynczej drobiny miliony razy mniejszej od elektronu, mowa o niesamowicie subtelnym efekcie. Niemniej, płótno czasoprzestrzeni nawet po bilionach biliardów lat, nie stanie się idealnie gładkie. Neutrina wciąż będą miały potencjał tworzenia minimalnych zagłębień, a co za tym idzie, do wchodzenia w interakcje z innymi neutrinami. Poza tym, zmiany w polu grawitacyjnym to również pewna forma przesyłu informacji. Byle co, ale zawsze lepsze niż nic.

Prawdę mówiąc, nigdy nie spotkałem się z rozważaniami na temat tego ostatniego kłopotu, więc mogę się z wami podzielić jedynie przypuszczeniami. Ponieważ neutrina oddziałują grawitacyjnie, a grawitacja nie posiada ograniczeń jeśli chodzi o zasięg; teoretycznie mogą one zacząć lgnąć ku sobie. Trwałoby to pewnie znacznie dłużej niż potrafimy to wyrazić, ale załóżmy że w końcu by do tego doszło. Otrzymujemy ławicę ekstremalnie lekkich cząstek, o łącznej masie setek lub tysięcy galaktyk, które mogłyby zapaść się w jeszcze jedną, “ostateczną” czarną dziurę. Rzecz jasna jest tu wiele znaków zapytania, wynikających z braków w wiedzy o fizyce mikroświata. Kto wie, czy cegiełki uznawane przez nas za elementarne, po dostatecznie długim czasie również nie przechodzą jakiejś przemiany czy degeneracji. Na razie pozostają nam spekulacje.

Jeszcze bardziej prawdopodobna wydaje się sytuacja, w której resztki materii, nie będą miały opcji jakiegokolwiek oddziaływania ze sobą. Zarówno grawitacja jak i elektromagnetyzm “na papierze” potrafią przemierzać dowolny dystans, ale musimy pamiętać, że wszechświat stale rośnie. Nie wiemy jak ta ekspansja będzie przebiegać w przyszłości, ale jak na razie tendencja jest zwyżkowa: przestrzeń puchnie coraz szybciej. Wystarczy popuścić wodzę fantazji i wyobrazić sobie wszechświat tak ogromny, że na każdą pojedynczą cząstkę zacznie przypadać próżnia o objętości całych lat świetlnych. Co ważniejsze, przestrzeń między tymi cząstkami zacznie w pewnym momencie ekspandować tak szybko, że niemożliwy stanie się wpływ jednej na drugą. Po prostu prędkość ucieczki wszystkich drobin względem siebie (działająca analogicznie do obecnie obserwowanej, wzajemnej ucieczki galaktyk), przekroczy prędkość światła. Każdy foton i każde neutrino stanie się wtedy bardzo samotne.

Coś się kończy, coś się zaczyna

Wszechświat mogą trapić również innego rodzaju pośmiertne drgawki. Myślę tu o enigmatycznej energii próżni. Pusta z pozoru przestrzeń, wyczyszczona z całej materii, wciąż kipi aktywnością, rodząc spontanicznie cząstki wirtualne. Pod wpływem nieubłaganych zasad mechaniki kwantowej, próżnia ulega wszechobecnym, drobnym konwulsjom. Cząstki pojawiają się “znikąd” na ułamek sekundy, aby bezpowrotnie zniknąć. I znów możemy tylko gdybać. Czy sama pustka podlega zasadom termodynamiki? Czy fluktuacje kwantowe mogą zaniknąć? Wszystko wskazuje na odpowiedzi negatywne.

Oto gdzie jesteśmy. Teoretycznie nie ma już niczego. Rzeczywistość pełna atomów, molekuł, planet, gwiazd i galaktyk po prostu wygasła pozostawiając wielki chłód i nieprzeniknioną ciemność. Zostaje jednak próżnia, bezgraniczna i nieśmiertelna, a co ważniejsze, posiadająca kwantowy potencjał.

Czy czegoś nam to nie przypomina? Czy nie jest to – postulowane m.in. przez Michała Hellera – tajemnicze pole możliwości? Pole, którego losowa fluktuacja następująca w przeciągu niezliczonych eonów, może zrodzić wszystko. Dowolną cząstkę, świadomość na kształt mózgu Boltzmanna, albo… wielki wybuch.

Ale to tylko gdybanie.

Literatura uzupełniająca:
I. Nowikow, Czarne dziury i wszechświat, przeł. S. Bajtlik, Warszawa 1995;
I. Nowikow, Rzeka czasu. Czarne dziury, białe dziury i podróże w czasie, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 1998;
M. Heller, Kosmologia kwantowa, Warszawa 2001;
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014;
I. Asimov, Ostatnie pytanie, przeł. K. Malinowski, [online: http://pokazywarka.pl/ostatniepytanie].
Dalej niż kot Schrödingera Kometa, Smok i pływający dinozaur – naukowe podsumowanie 2020 Chicxulub – poznajmy mordercę dinozaurów