Już prekursor idei wielkiego wybuchu – Georges Lemaître – nie wierzył aby tak dramatyczne wydarzenie mogło nie pozostawić po sobie widocznych do dziś śladów. Według Belga, początkowym produktem rozkładu “pierwotnego atomu” musiało być coś w rodzaju korpuskularnego promieniowania tła. Dopiero upływ czasu pozwolił na wytrącenie z niego pierwszych atomów, które wypełniły kosmos w formie gazu. 

Relikt mikrofalowy

Tuż przed swoją śmiercią, Lemaître dowie­dział się, że od początku miał rację a postu­lo­wane przez niego pro­mie­nio­wa­nie reszt­kowe można wytropić. Na wery­fi­ka­cję swoich prze­wi­dy­wań, musiał jednak czekać aż do lat 60. ubie­głego stulecia. Dla kosmo­lo­gów były to mroczne czasy. Takie tuzy ówcze­snego świata nauki jak George Gamow, Hans Bethe, Robert Dicke czy Vera Rubin znosiły częste szy­der­stwa płynące ze strony kolegów po fachu, nie­chęt­nych do zerwania z uprzed­nią epoką i kurczowo trzy­ma­ją­cych się hipotezy wszech­świata sta­cjo­nar­nego. 

Dziś często mówi się o tym, że gdyby nie atmos­fera tamtego okresu i wyraźny opor­tu­nizm reno­mo­wa­nych uczelni, konieczne odkrycia mogły nadejść nawet dekadę wcze­śniej. W związku z tym, poważnym tro­pie­niem śladów wiel­kiego wybuchu zaj­mo­wała się zaledwie garstka naukow­ców; a żeby było zabaw­niej, osta­teczny sukces osią­gnęli młodzi badacze w ogóle nie zain­te­re­so­wani tematem. To jeden z naj­bar­dziej znanych epizodów w dziejach kosmo­lo­gii: Arno Penzias (cie­ka­wostka: jego rodzice posia­dali polskie korzenie) i Robert Wilson obsłu­gu­jący antenę pra­cu­jącą na 7,35-centymetrowych falach, natra­fili na szum unie­moż­li­wia­jący im wyraźne nasłu­chi­wa­nie sygnałów docho­dzą­cych z mgławicy Cas­sio­peia A. Prze­kie­ro­wy­wali antenę, spraw­dzili ziemskie źródła pro­mie­nio­wa­nia, w końcu zabrali się za wybi­ja­nie miej­sco­wych gołębi. I co? I nic, zakłó­ce­nia pozo­stały takie same i dobie­gały dosłow­nie zewsząd. Szczę­ście, że Penzias głośno narzekał na swoją niedolę przy kumplach. Jeden z nich, Bernard Burke z MIT, sko­ja­rzył fakty i nagło­śnił sprawę. Teo­re­tycy z radością i nie­skry­waną satys­fak­cją mogli obwie­ścić nie­zno­śnym scep­ty­kom triumf: jacyś nieznani radio­astro­no­mo­wie z Labo­ra­to­riów Bella potknęli się o wie­ko­pomne odkrycie.

Co dokład­nie zare­je­stro­wano? Naj­pro­ściej mówiąc błysk pocho­dzący z samego wiel­kiego wybuchu. Słysząc “błysk” zazwy­czaj myślimy o rodzaju bardzo jasnego światła, musimy być jednak świadomi, że światło nie jedno ma imię. Każde ciało emi­tu­jące choć odrobinę ciepła tak naprawdę świeci, tyle że nie zawsze w sposób dla nas widoczny. Zależnie od energii nie­sio­nej przez fotony, pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne przy­biera postać promieni gamma, ultra­fio­letu, światła widzial­nego, pod­czer­wieni i w końcu mikrofal. Tak też w toku ewolucji wszech­świata, zmie­niało się jego pier­wotne pro­mie­nio­wa­nie: od silnych promieni gamma (których część zrodziła ist­nie­jącą materię) do ledwie dostrze­gal­nego mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła. Szczę­śliwe odkrycie z roku 1964 dowiodło – zgodnie z wcze­śniej­szymi prze­wi­dy­wa­niami Gamowa i Dicke’a – że prze­strzeń kosmiczną wypeł­niają fotony nadające jej tem­pe­ra­turę rzędu kilku stopni powyżej zera abso­lut­nego.

Relikt grawitacyjny

Mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wa­nie tła odsło­niło również inną tajem­nicę. W 2001 roku sonda Wil­kin­sona przyj­rzała się echu wiel­kiego wybuchu znacznie dokład­niej i wykazała, że jest ono niemal dosko­nale jed­no­lite; różnice między naj­cie­plej­szymi miej­scami na zdjęciu (czerwone) i naj­chłod­niej­szymi (nie­bie­skie) wynoszą mniej niż tysięczna część stopnia. Naukowcy od lat 80. obawiali się takich wyników i nawet wymownie nazwali je pro­ble­mem jed­no­rod­no­ści. Dlaczego to kłopot? Moim zdaniem nie istnieje naprawdę dobre, w pełni przy­stępne wyja­śnie­nie pozwa­la­jące pojąć wagę tej sprawy, więc sięgnę do naj­czę­ściej sto­so­wa­nej metafory.

Wyobraź­cie sobie, że wlewacie kubek wrzątku do wanny zimnej wody. Jak pod­po­wiada intuicja, przy­jemne ciepełko będzie roz­cho­dzić się po zbior­niku stop­niowo. Zasta­na­wia­jąca byłaby sytuacja, w której tem­pe­ra­tura całej wody zrów­na­łaby się w ułamku sekundy – w końcu na prze­ka­za­nie każdej infor­ma­cji, w tym prze­trans­fe­ro­wa­nia energii, potrzeba ściśle okre­ślo­nego mini­mal­nego czasu. Kosmo­lo­go­wie w odpo­wie­dzi na ten oraz kilka innych wsty­dli­wych pro­ble­mów ukuli model infla­cyjny wszech­świata. Bez wdawania się w szcze­góły (mogące stanowić treść kilku całkiem dorod­nych, osobnych arty­ku­łów), wyszli oni z zało­że­nia, iż cały kosmos na samym początku ist­nie­nia zawierał się w tak nie­wiel­kim obszarze, że możliwym było jego kom­plek­sowe prze­mie­sza­nie i ter­ma­li­za­cja. Pisząc “nie­wiel­kim” mam na myśli znacznie, znacznie mniej­szym od poje­dyn­czego atomu; zresztą wszyst­kie wartości, o których teraz mówimy oscylują w gra­ni­cach setek miejsc po prze­cinku. Zgodnie z postu­la­tami inflacji kosmo­lo­gicz­nej po złamaniu symetrii między oddzia­ły­wa­niem elek­tro­sła­bym a silnym, w ciągu trudnego do wyobra­że­nia ułamka sekundy nastą­piła jeszcze trud­niej­sza do wyobra­że­nia eks­pan­sja wszech­świata, nawet 10⁴⁰ razy. Bez żadnej przesady, to jedna z naj­więk­szych wiel­ko­ści na jakie natknęła się fizyka. To tak jak gdyby w mgnieniu oka maleńki proton urósł do roz­mia­rów bliskich Mgławicy Oriona. Wraz z nie­praw­do­po­dobną inflacją prze­strzeni roz­cią­gnię­ciu uległa jej ujed­no­li­cona struk­tura.

Dowód na to, że inflacja kosmo­lo­giczna naprawdę miała miejsce, uzy­ska­li­śmy dopiero ostatnio. Jeżeli obecny obraz kosmosu jest w istocie powięk­sze­niem jego stanu sprzed 13,82 mld lat, to kolejny ślad powinna pozo­sta­wić gra­wi­ta­cja. Naj­bar­dziej znana nam wszyst­kim siła oddzie­liła się z pier­wot­nego “elek­tro­sła­bo­sil­nie­gra­wi­ta­cyj­nego oddzia­ły­wa­nia” jako pierwsza, więc istniała już w chwili inflacji. Maleńkie różnice w zagęsz­cze­niu energii/materii widoczne w mikro­fa­lo­wym pro­mie­nio­wa­niu tła, powinny więc stworzyć możliwe do prze­wi­dze­nia fałdy w cza­so­prze­strzeni. Tutaj naukowcy wykazali się nie lada prze­bie­gło­ścią: wie­dzieli, że fale gra­wi­ta­cyjne pozo­stałe po wielkim wybuchu muszą być nie­zwy­kle słabe, a na pewno słabsze od tych, które dobie­gają do Ziemi od strony wszel­kich masyw­nych obiektów. Zbadano je więc pośred­nio, poprzez postu­lo­wany wpływ wczesnej gra­wi­ta­cji na pola­ry­za­cję pro­mie­nio­wa­nia relik­to­wego. W dużym uprosz­cze­niu, fotony niczym małe strza­łeczki, powinny być poobra­cane w okre­ślony sposób i dać się nałożyć na mapę młodego wszech­świata.

Tu chciał­bym dodać pewne spro­sto­wa­nie bzdurnej infor­ma­cji kopio­wa­nej przez 99% mediów. Otóż głównym osią­gnię­ciem badaczy z Harvard-Smi­th­so­nian Center for Astro­phy­sics nie jest wcale samo wykrycie fal gra­wi­ta­cyj­nych. Niewiele mniej nama­cal­nego dowodu na ist­nie­nie zmarsz­czek cza­so­prze­strzeni dostar­czyła nam ekipa Josepha Taylora… przeszło 20 lat temu! Tego­roczny eks­pe­ry­ment posiada nie­ba­ga­telne zna­cze­nie z co najmniej trzech innych powodów. Po pierwsze, potwier­dza nasze przy­pusz­cze­nia doty­czące kolej­no­ści wyod­ręb­nia­nia się kolej­nych oddzia­ły­wań pod­sta­wo­wych podczas narodzin wszech­świata; może więc pomóc fizykom cząstek ele­men­tar­nych w pracach nad teorią wielkiej uni­fi­ka­cji (GUT). Po drugie, to pierwsza doświad­czalna wery­fi­ka­cja modelu infla­cyj­nego, do tej pory spraw­dza­ją­cego się tylko na papierze. Wreszcie po trzecie, skoro wyniki potwier­dzają inflację to również wzmac­niają teorię wiel­kiego wybuchu.

Relikt neutrinowy

Pozo­staje nam do roz­wa­że­nia trzeci, wciąż cze­ka­jący na uchwy­ce­nie relikt big bangu – neu­tri­nowe pro­mie­nio­wa­nie tła. Neutrina (głównie elek­tro­nowe) to naj­bar­dziej roz­po­wszech­niony po fotonach składnik wszech­świata (pomi­ja­jąc problem ciemnej materii). Jest ich miliardy razy więcej od budu­ją­cych nasze ciała leptonów i kwarków; w każdym cen­ty­me­trze sze­ścien­nym prze­strzeni znajduje się nawet 300 neutrin. Skąd pochodzą? Dosłow­nie zewsząd: cząstki przy­la­tują do nas z centrum Drogi Mlecznej, z innych galaktyk, eks­plo­zji super­no­wych oraz przede wszyst­kim ze Słońca. Dokład­niej, aż 2% całej emi­to­wa­nej przez naszą gwiazdę energii stanowią właśnie neutrina. Jednakże naj­wię­cej neutrin ma ten sam rodowód co fotony pro­mie­nio­wa­nia relik­to­wego – pochodzą z pra­sta­rego ognia wiel­kiego wybuchu.

Tu jednak czai się pułapka, gdyż owe “kosmo­lo­giczne” neutrina jak dotąd istnieją jedynie w głowach naukow­ców. Zgodnie z tym co napi­sa­łem możecie być nieco sko­ło­wani. Bo jak to – nasze ciała prze­ni­kają biliony drobin, których nikt nie widział? Aż tak źle nie jest, ponieważ istnieją detek­tory; tyle tylko że pozwa­lają one reje­stro­wać tylko nie­wielki ułamek neutrin i to nie tych naj­cen­niej­szych. Wszystko staje się bardziej klarowne po bliższym poznaniu tych nie­zno­śnych skur­czy­by­ków. Posia­dają masę co najmniej 3/4 mniejszą od elek­tronu i zerowy ładunek elek­tryczny; w efekcie nie reagują na oddzia­ły­wa­nie silne, elek­tro­ma­gne­tyczne i ledwo na gra­wi­ta­cyjne. Jeżeli dodamy do tego fakt, iż neutrina relik­towe niosą ze sobą znacznie niższą energię niż ich odpo­wied­nicy rodzący się np. we wnę­trzach obecnych gwiazd – zro­zu­miemy w jak bez­na­dziej­nej sytuacji znajdują się stru­dzeni eks­pe­ry­men­ta­to­rzy.

Macie prawo zapytać: ale po co nam do diaska jeszcze jeden odcisk wiel­kiego wybuchu? Tu musicie mi wybaczyć drobne kłamstwo z pierw­szego akapitu, mia­no­wi­cie mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wa­nie tła nie jest błyskiem pocho­dzą­cym z samego momentu stwo­rze­nia. Wczesny wszech­świat był jeszcze zbyt gorący aby fru­wa­jące w te i we wte nukleony oraz elek­trony mogły ufor­mo­wać stabilne atomy, co sku­tecz­nie blo­ko­wało drogę fotonom. Przy­po­mi­nało to tłoczne przy­ję­cie, w czasie którego mniej postaw­nym gościom (fotonom) bardzo trudno było się prze­drzeć do wyjścia, zwłasz­cza, że co chwile byli zaga­dy­wani i czę­sto­wani winem przez napo­ty­ka­nych przy­ja­ciół (elek­trony). W efekcie kwanty światła skła­da­jące się na mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wa­nie tła, wyrwały się na wolność dopiero gdy w lokalu zrobiło się luźniej, tj. 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu.

Pamię­ta­jąc o naszych narze­ka­niach na nie­uchwyt­ność neutrin, okazuje się że ich naj­więk­sza wada może roz­bu­dzić u naukow­ców wielkie nadzieje. Praw­do­po­dob­nie te drobne cząstki niczym kul­tu­ralni abs­ty­nenci, nie­re­agu­jąc na zaczepki elek­tro­nów, opuściły kosmiczny bal znacznie wcze­śniej. Przy odro­bi­nie szczę­ścia, neu­tri­nowe pro­mie­nio­wa­nie tła może nam ukazać obraz wszech­świata powstały już w pierw­szych sekun­dach jego ist­nie­nia. Czekamy z nie­cier­pli­wo­ścią.

Literatura uzupełniająca: 
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, Warszawa 2014; 
M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii, Warszawa 1985; 
M. Hilkiewicz, Doświadczenia z neutrinami akceleratorowymi i wpływ przesyłania wiązek neutrinowych na środowisko, Warszawa 2005.