Co z tym wszechświatem?

W 1912 r. amerykański astronom Vesto Slipher zauważył, że widma niemal wszystkich obserwowanych galaktyk spiralnych wykazują niewielkie przesunięcie ku czerwieni. Każdy pierwiastek „świeci” w charakterystyczny sposób, a wszystkie emitowane długości fali składają się na jego widmo. Jeśli jednak rejestrujemy światło docierające do nas z odległych galaktyk, wszystkie charakterystyczne pasma dla danych pierwiastków – identycznych z tymi, które występują na Ziemi – są zawsze dokładnie tak samo przesunięte w kierunku fal dłuższych (czyli w widmie światła widzialnego, np. w tęczy, w kierunku światła czerwonego). Slipher zinterpretował to jako odpowiednik klasycznego efektu Dopplera, z którego wynikało, że galaktyki te oddalają się od Układu Słonecznego. I tak wszechświat ruszył z miejsca.

Slipher nie poszedł jednak dalej w swoich rozważaniach i na kolejny krok trzeba było poczekać jeszcze dobrą dekadę, do momentu, gdy na scenę wkroczył Edwin Hubble. Dysponując potężnym teleskopem Mount Wilson, dokonał on bardziej precyzyjnych pomiarów prędkości ucieczki galaktyk i sformułował prawo, które dziś znamy jako prawo Hubble’a–Lemaître’a. Zauważył też zależność pomiędzy odległością danej galaktyki a przesunięciem widma – im dalej jest galaktyka, tym przesunięcie jest większe, a więc tym szybciej oddala się od nas. Skoro galaktyki oddalają się od siebie, to – cofając się w czasie – powinniśmy dotrzeć do momentu, gdy wszystkie były w jednym miejscu. I tak dochodzimy do „punktu zero”. W tym momencie zrodziło się wiele pytań, z których najważniejsze brzmiało: jeśli wszechświat miał punkt zero w czasie, to co spowodowało ekspansję i co było wcześniej? I tak naprawdę do dziś nie mamy jednoznacznej odpowiedzi na te pytania.

Wielki wybuch

Nazwa ta, wymyślona przed Freda Hoyle’a, w założeniu miała wykpić hipotezę o początku wszechświata. Wiadomo jednak, że każda teoria jest dopóty ważna, dopóki nie sfalsyfikują jej wyniki obserwacji. I to Hubble wyrzucił model statyczny do kosza. Na szczęście były już spójne równania wyjaśniające ekspansję. Teoria znowu zgadzała się z eksperymentem.

Powstała jednak alternatywna teoria, sformułowana przez Hoyle’a, Bondiego i Golda, nazwana teorią stanu stacjonarnego. Jej źródłem była zasada kosmologiczna, zgodnie z którą gęstość wszechświata musi być niezmienna w czasie. Jednak jeśli jakaś ilość materii znajduje się w rosnącej objętości, gęstość musi maleć. Teoria stanu stacjonarnego w ciekawy sposób obchodzi zasadę kosmologiczną. Uczeni uznali bowiem, że brakująca materia po prostu powstaje z niczego, a więc wszechświat może się rozszerzać. Teoria stanu stacjonarnego upadła jednak dość szybko w związku z odkryciem tzw. promieniowania mikrofalowego tła, nazywanego popularnie echem Wielkiego Wybuchu (patrz ramka). Dziś uznaje się, że do Wielkiego Wybuchu doszło i kolejne eksperymenty jak najbardziej go potwierdzają.

Zaczęło się od żartu

Współczesne koncepcje wieloświata, czyli mnogości wszechświatów, rozpoczęły się od żartu Erwina Schrödingera, który podczas wykładu w Dublinie w 1952 r. stwierdził, że jakkolwiek zabrzmi to jak szaleństwo, ale z jego równań można wnioskować, że rozwiązania niekoniecznie muszą oznaczać alternatywę, ale że to wszystko może się dziać jednocześnie. Osobą najściślej kojarzoną z koncepcją wieloświata jest Hugh Everett III. Ten błyskotliwy doktorant legendarnego Johna Wheelera jeszcze przed trzydziestką opublikował pracę, w której postulował, że w każdym momencie, gdy coś może się zdarzyć na kilka sposobów, zdarza się (patrz ramka). Brzmi to nieco jak szalona fantazja, ale teoria kwantowa sama w sobie jest bardzo szalona (poczytajcie o eksperymencie z dwiema szczelinami). Jeśli rzeczywiście żyjemy w wieloświecie, automatycznie rozwiązuje się także znany problem kota Schrödingera. On nie jest żywy albo martwy, ale w jednym z wszechświatów żyje, a w drugim – już nie. To samo dotyczy każdego z nas. W „naszym” wszechświecie żyjemy tak, jak żyjemy, ale w sytuacji, w której podejmujemy jakąś decyzję (iść w lewo czy w prawo?), wszystko się rozdwaja i powstają alternatywne wszechświaty. To trochę tak jak w znakomitym filmie Kieślowskiego „Przypadek”, tylko tam pokazane są trzy wykluczające się wzajemnie warianty, a zgodnie z koncepcją Everetta one wszystkie gdzieś tam się dzieją.

Praca Everetta spotkała się ze zdecydowanym sceptycyzmem ówczesnych tuzów fizyki, przede wszystkim Nielsa Bohra. Zniechęcony Everett porzucił więc na jakiś czas fizykę teoretyczną i zatrudnił się w wojsku. Po jakimś czasie powrócił do teorii, ale już nie dotykał koncepcji wieloświata.

Problemem tej koncepcji jest fakt, iż do tej pory nikt nie znalazł sposobu, aby można ją było zweryfikować doświadczalnie. Wszechświaty powstające po każdym zdarzeniu istnieją sobie równolegle, ale się nie przenikają ani nie stykają. Zgodnie z aktualnym stanem wiedzy z „naszego” wszechświata nie da się żadnego innego zaobserwować. Możemy więc wierzyć we wszechświaty równoległe, ale nauka opiera się na twardych dowodach.

Splątanie wszechświatów

Może jest jednak jakieś światełko w tym tunelu? Już wiele lat temu fizycy teoretyczni przewidzieli możliwość tzw. splątania kwantowego. Impulsem do poszukiwań stała się tutaj publikacja, w której opisano tzw. paradoks Einsteina–Podolsky’ego–Rosena (EPR). Okazało się, że dowolne dwie cząstki oddalające się od siebie pozostają „splątane” z sobą w taki sposób, że pomiar jakiejś wartości jednej z nich daje automatycznie wynik dla drugiej. Pozornie przeczy to podstawom fizyki, zgodnie z którymi niemożliwe jest przekazanie informacji z szybkością większą niż szybkość światła. Einstein zdecydowanie się nie zgadzał z istnieniem splątania, nazywał je upiornym oddziaływaniem na odległość. Po jakimś czasie wykazano, że tak naprawdę paradoks ten jest pozorny, ale jednoznaczny dowód eksperymentalny został przedstawiony dopiero na początku lat 80. XX w.

Trzeba tu wspomnieć o twierdzeniu Bella, które było podstawą tego eksperymentalnego dowodu. Nie wdając się w szczegóły matematyczne, opiera się ono na trzech założeniach. Pierwszym jest istnienie przyczynowości lokalnej: obiekty mogą oddziaływać tylko na te, które są obecne blisko, a skutek musi być poprzedzony przyczyną. Drugim: że nie wszystkie wydarzenia są powodowane siłą zewnętrzną, a trzecim: że istnieje „jeden świat”, czyli każdy pomiar może dać konkretnemu obserwatorowi tylko jeden wynik. Testy twierdzenia Bella wykazały, że nie ma możliwości, aby wszystkie te trzy założenia były spełnione.

Ostatnio w świecie kwantowym głośno jest o eksperymencie myślowym zaproponowanym przez dwóch uczonych: Mordecaia Waegella i Kelvina McQueena. Mówiąc skrótowo – zaprojektowali oni doświadczenie z trzema obserwatorami i w efekcie dość złożonych obliczeń stwierdzili, że jeden z obserwatorów uzyskuje dwa całkowicie różne wyniki tego samego pomiaru. To jest jednak oczywiście niemożliwe, chyba że… No właśnie – chyba że to już nie jest jeden obserwator, ale trzech, a każdy z nich jest już od momentu obserwacji w osobnym wszechświecie. A jeszcze dziwniejsze jest to, że badacze ci uważają, że dotyczy to każdego z trzech obserwatorów. To zresztą nie wszystko – w momencie, w którym postanawiają oni porównać swoje wyniki, te osobne wszechświaty ponownie splatają się w jeden, a każdy z nich ma już jeden konkretny wynik pomiaru. Skomplikowane? To prawda, ale taki jest właśnie ten dziwaczny kwantowy świat.

A jeśli nie było wielkiego wybuchu?

Dość często pada pytanie: skoro nastąpił wybuch, to co było wcześniej? Co go spowodowało? I tu fizycy są bardzo podzieleni. Część w ogóle uważa to pytanie za niewłaściwe, uznając, że nie ma sensu dociekać, co było wtedy, gdy nic nie było. Ale są też inne koncepcje. Jedną z tych, które ostatnio zdobywają zwolenników, jest hipoteza cykliczności. Wszechświat (a może wszystkie wszechświaty) się rozszerza, potem zacznie się kurczyć za sprawą grawitacji, aż będzie znowu punktem, który „wybuchnie” i wszystko zacznie się od początku. Taki pomysł rozwiązuje problem tego, co było przed Big Bangiem. Wszechświat jest wieczny i pulsuje, a w każdym momencie, gdy kurczy się do zera, wszystko się resetuje i zaczyna od nowa. Tyle że na razie mamy problem, ponieważ ostatnie obserwacje wskazują, że rozszerzanie się przyspiesza w dość niezwykłym tempie. Przypisuje się to istnieniu ciemnej energii, ale nadal trwają spekulacje, czym ona jest. Aby wszystko zaczęło się kurczyć, ciemna energia musiałaby w jakiś sposób znikać. I to powoduje ból głowy kosmologów i fizyków, bo energia raczej nie może ot tak zniknąć.

Anna Ijjas, kosmolog pracująca na Harvardzie i w Princeton, zaprezentowała ostatnio model teoretyczny, który przynajmniej w pewnej części omija rafy tzw. modelu inflacyjnego. Zgodnie z jej propozycją nie było Wielkiego Wybuchu, jaki sobie wyobrażamy. Wszechświat zachowuje się raczej jak piłka w nieskończoność odbijająca się od twardej powierzchni. Teraz potrzeba tylko jednej istotnej rzeczy – wyników obserwacji astronomicznych, które pozwolą potwierdzić albo wykluczyć tę nową hipotezę. W sumie wystarczy wykazać, że ciemna energia zanika. Drobny problem polega na tym, że na razie nie dysponujemy metodą detekcji tej energii. Na wyniki przyjdzie nam więc poczekać.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Promieniowanie tła

Już w latach 40. XX w. George Gamow w pracach teoretycznych wykazał, że wszechświat po Wielkim Wybuchu składał się z samego promieniowania. Dopiero z czasem powstały cząstki elementarne, atomy, gwiazdy, galaktyki... Z jego analiz wypływał wniosek, że niewielka część tego promieniowania powinna nadal pozostawać w kosmosie. W 1965 r. Arno Penzias i Robert Wilson badali przyczyny występowania zagadkowego szumu rejestrowanego przez czułą antenę, która miała służyć pierwotnie do komunikacji z satelitami. Przypadkiem skonsultowali się z kosmologami, którzy natychmiast skojarzyli te dane z teoretycznymi przewidywaniami Gamowa. Okazało się, że doświadczenie jest dobrze skorelowane z teorią. Promieniowania tego oczywiście nie widać, ponieważ długość jego fali lokuje je w zakresie mikrofal. Badania promieniowania, zwanego czasami reliktowym, trwają nadal. Przeniosły się one teraz w przestrzeń kosmiczną, skąd promieniowanie to można obserwować bez zakłóceń atmosferycznych. Pierwszym satelitą badającym ten ślad Wielkiego Wybuchu był COBE (Cosmic Background Explorer), kolejnymi – WMAP, który miał badać fluktuacje tego promieniowania, a najnowszym, wystrzelonym w 2009 r. – Planck. Ten ostatni dzięki wysokiej rozdzielczości pomiarów pozwolił nie tylko na potwierdzenie modelu ewolucji wszechświata, ale też na oszacowanie ilości ciemnej materii i energii.

***

Wieloświat Hugh Everetta III

Koncepcja wieloświata (multiwersum) znana jest już od starożytności, ale sama nazwa pojawiła się w 1960 r., kiedy to Andy Nimmo wygłosił referat o wieloświatowej interpretacji fizyki kwantowej. Opierał się on na opublikowanej w 1957 r. pracy wybitnego teoretyka Hugh Everetta III, która dziś jest uznawana za fundament tej hipotezy. Zgodnie z tym, co postulował Everett, wszystko, co się może zdarzyć i nie jest sprzeczne z prawami fizyki, się zdarza. W każdym momencie, gdy np. cząstka elementarna może podążyć dwiema drogami, podąża obydwiema i następuje swoiste pączkowanie – powstają dwa wszechświaty, które następnie ewoluują niezależnie od siebie. Konsekwencją tej koncepcji jest to, że istnieje nieskończenie wiele wszechświatów równoległych. Od momentu, gdy każdy z nas zaistniał, ma swoje kopie w każdej gałęzi tego swoistego drzewa. I oczywiście nasza osobista historia w każdym z nich jest inna. Koncepcja wieloświata zawładnęła umysłami twórców science fiction, m.in. Stephena Baxtera i Terry’ego Pratchetta, znanych z cyklu „Długa Ziemia”, którzy w twórczy sposób ją wykorzystują.