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.

Ewolucja wszechświata i jego przyszłość

W świetle obecnej wiedzy, na pro­wa­dze­nie wysuwa się ponura wizja wiel­kiego chłodu, czy ujmując rzecz dosad­niej, śmierci cieplnej 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 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. Jeśli teo­re­tycy mają rację, po prze­kro­cze­niu tej cezury era nukle­onowa (tj. jąder ato­mo­wych) ustąpi miejsca erze pro­mie­nio­wa­nia. Protony 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?

Wszystko dąży do zera absolutnego

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 postaci 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. Po śmierci cieplnej wszech­świata, nic takiego nie powinno mieć już miejsca. 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 (zob. tu). 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].