Historia wczesnego Wszechświata jest wciąż otwarta

21 marca 2013 r. Europejska Agencja Kosmiczna zwołała międzynarodową konferencję prasową, aby przedstawić najnowsze dane zebrane przez satelitę o nazwie Planck. Dzięki temu statkowi kosmicznemu otrzymano najdokładniejszą mapę kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (cosmic microwave background – CMB) – światła wyemitowanego ponad 13 mld lat temu, tuz po Wielkim Wybuchu. Naukowcy poinformowali dziennikarzy, że nowa mapa stanowi potwierdzenie modelu rozwijanego przez kosmologów przez ostatnie 35 lat: tuz po swoim powstaniu Wszechświat przeszedł przez fazę hiperszybkiej ekspansji, którą nazwano inflacją. Etap ten wygładził Wszechświat tak bardzo, że obecnie, miliardy lat później – jeśli pominiemy drobne koncentracje materii tworzące hierarchie gwiazd, galaktyk i gromad galaktyk – pozostaje on prawie jednorodny w całej przestrzeni i we wszystkich kierunkach; jest także „płaski”, a nie zakrzywiony niczym sfera.

Głównym przesłaniem konferencji był wniosek, że dane z satelity Planck świetnie zgadzają się z najprostszymi modelami inflacyjnymi. Wywołało to wrażenie, iż teoria jest mocno ugruntowana. Naukowcy zasugerowali, że księgę kosmologii należy już zamknąć.

Niedługo po tej konferencji nasza trójka omawiała w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics jej konsekwencje. Ijjas była wtedy wizytującą doktorantką z Niemiec; Steinhardt, który 30 lat wcześniej przyczynił się do stworzenia modelu inflacyjnego, ale później wskazywał na jego istotne problemy teoretyczne, spędzał urlop naukowy w Harvardzie; natomiast Loeb był naszym gospodarzem jako szef wydziału astronomii. Wszyscy podziwialiśmy drobiazgową dokładność obserwacji zespołu satelity Planck, ale nie zgadzaliśmy się z ich interpretacją. Wręcz przeciwnie, dane z Plancka są sprzeczne z najprostszymi modelami inflacyjnymi i podkreślają znane od dawna fundamentalne problemy teorii. Pojawił się wiec nowy powód, aby zastanowić się nad konkurencyjnymi ideami opisującymi powstanie i ewolucje Wszechświata.

W następnych latach jeszcze dokładniejsze dane, jakie zostały zebrane przez Plancka i inne instrumenty, jedynie pogorszyły sytuacje. Mimo to społeczność kosmologów nie chce spojrzeć chłodnym okiem na inflacyjny model Wielkiego Wybuchu ani poświęcać swojej uwagi krytykom, którzy kwestionują inflację. Kosmologowie wolą przyjąć za dobra monetę twierdzenie, że musimy wierzyć w model inflacyjny, ponieważ jest on jedynym prostym wytłumaczeniem obserwowanych cech Wszechświata. Wykażemy jednak, że dane Plancka, a także pewne problemy teoretyczne, za trzęsły podstawami tej tezy.

Podążając za wyrocznią

Aby pokazać problemy związane z inflacja, będziemy najpierw postępować zgodnie z proklamacją jej zwolenników, zakładając, że inflacja jest bez wątpienia prawdziwa. Wyobraźmy sobie, że zawodowa wyrocznia powiedziała nam, iż inflacja z całą pewnością miała miejsce tuż po Wielkim Wybuchu. Gdybyśmy mieli zaakceptować twierdzenie wyroczni, czego moglibyśmy się z niego dowiedzieć o ewolucji Wszechświata? Jeśli model inflacyjny rzeczywiście przedstawia proste wyjaśnienie cech Wszechświata, należałoby się spodziewać, że w deklaracji wyroczni znajdziemy przewidywania, co konkretnie powinno pojawić się w danych z satelity Planck.

Jednym z takich przewidywań byłoby stwierdzenie, że w pewnym momencie tuz po Wielkim Wybuchu niewielki skrawek przestrzeni wypełniała jakaś egzotyczna forma energii, która zainicjowała okres gwałtownie przyspieszającej ekspansji („inflacji”) tego obszaru. Najbardziej znane formy energii, które są zawarte w materii i promieniowaniu, spowalniają ekspansje z powodu samo przyciągania grawitacyjnego. Inflacja wymaga, aby Wszechświat wypełniała energia, która działa jak grawitacyjne odpychanie, dzięki czemu ekspansja przyspiesza. Trzeba jednak podkreślić, że ten krytyczny składnik, nazywany energia inflacyjna, jest czysto hipotetyczny i nie mamy żadnego bezpośredniego dowodu, że naprawdę istnieje. Co więcej, w ciągu ostatnich 35 lat wysunięto dosłownie setki propozycji, czym ta inflacyjna energia jest, a każda z nich podaje inne tempo inflacji i bardzo różne całkowite rozmiary ekspansji. Widać stad, że idea inflacji nie jest precyzyjnym modelem, ale bardzo elastyczna konstrukcja, w która można wpasować wiele możliwości.

Czy jednak wyrocznia mówi nam coś, co byłoby prawdziwe dla wszystkich wersji modelu, niezależnie od konkretnego rodzaju energii inflacyjnej? Wnioskując z podstaw fizyki kwantowej, możemy być pewni, że po zakończeniu ery inflacji temperatura i gęstość materii we Wszechświecie w różnych miejscach musiały być nieco różne. Przypadkowe fluktuacje kwantowe ilości energii inflacyjnej, pojawiające się w subatomowej skali, w trakcie inflacji musiały rozrosnąć się do obszarów o rozmiarach kosmicznych, w których ilość energii inflacyjnej jest różna. Zgodnie z teoria, przyspieszone rozszerzanie się kończy, gdy energia inflacyjna zamienia się w zwykła materie i promieniowanie. W miejscach, w których gęstość energii inflacyjnej (ilość energii inflacyjnej w metrze sześciennym przestrzeni) była nieco większa, przyspieszona ekspansja trwała nieco dłużej, a w momencie, gdy ta energia ostatecznie przekształciła się w inne formy, gęstość i temperatura Wszechświata były nieco wyższe. Drobne różnice w gęstości energii inflacyjnej miałyby zatem swoje odzwierciedlenie w rozkładzie trochę cieplejszych i trochę chłodniejszych plam na stanowiącej zapis tamtej epoki mapie mikrofalowego promieniowania tła. W ciągu następnych 13,7 mld lat te malutkie różnice gęstości i temperatury poprzez działanie grawitacji doprowadziłyby do powstania galaktyk i większych struktur kosmicznych.

To całkiem niezły, choć nieco ogólnikowy początek. Czy jesteśmy w stanie przewidzieć liczbę i rozkład galaktyk w przestrzeni? Stopień jej zakrzywienia? Ilość materii lub innych form energii, która zawarta jest w dzisiejszym Wszechświecie? Odpowiedz brzmi nie. Model inflacji jest tak elastyczny, że dopuszcza każdy wynik. Czy model ten wyjaśnia, dlaczego nastąpił Wielki Wybuch albo w jaki sposób powstał fragment przestrzeni, który później wyewoluował w dzisiejszy Wszechświat? Odpowiedz znowu jest negatywna.

Gdyby model inflacyjny był prawdziwy, nie moglibyśmy przewidzieć właściwości ciepłych i zimnych plam, obecnych w danych z satelity Planck. Z mapy opracowanej na podstawie tych danych, a także z wcześniejszych badan wynika, że schemat rozkładu ciepłych i zimnych plam wygląda tak samo we wszystkich skalach. Naukowcy nazywają te cechę „niezmienniczością skali”. W najświeższych danych z Plancka odstępstwa od idealnej niezmienniczości skali są malutkie i wynoszą tylko kilka procent, zaś średnie różnice temperatury we wszystkich plamach to około 0,01%. Zwolennicy inflacji często podkreślają, że w modelu jest możliwe uzyskanie takich właśnie cech. Takie stwierdzenie omija jednak kluczową kwestię: model inflacji dopuszcza wiele innych wzorów dla rozkładu gorących i zimnych plam, w których niezmienniczość skali nie występuje, i w których typowo różnice temperatur są znacznie większe od obserwowanych. Innymi słowy, niezmienniczość skali jest możliwa, ale podobnie możliwe są duże odstępstwa od niej, a także wszystkie sytuacje pośrednie w zależności od tego, jaką przyjmiemy postać gęstości energii inflacyjnej. Z tego powodu wyniki obserwacji Plancka nie można traktować jako potwierdzenia modelu inflacyjnego.

Warto zauważyć pewną rzecz. Wszystkie najprostsze formy energii inflacyjnej – w tym te, które są opisane w standardowych podręcznikach – wykazują pewną cechę; dlatego, gdyby inflacja rzeczywiście miała miejsce, cecha ta powinna być obecna w danych z Plancka. W tym samym czasie, gdy wskutek fluktuacji kwantowych powstawały przypadkowe różnice w gęstości energii inflacyjnej, z tego samego powodu w przestrzeni tworzyły się przypadkowe wygięcia, które po zakończeniu ery inflacji przemieszczały się we Wszechświecie w postaci fal. Te zaburzenia przestrzeni, noszące nazwę fal grawitacyjnych, są kolejnym źródłem gorących i zimnych plam na mapie mikrofalowego promieniowania tła. Ich wyróżniającą cechą jest polaryzacja. (Innymi słowy, fale grawitacyjne powodują, że pole elektryczne emitowanego światła ma wyróżniony kierunek zależny od tego, czy fotony zostały wyemitowane przez gorącą czy przez zimną plamę, czy też z jakiegoś obszaru pomiędzy nimi).

Niestety, poszukiwanie fal grawitacyjnych z epoki inflacji nie przyniosły jeszcze owoców. Co prawda, kosmologowie po raz pierwszy zaobserwowali gorące i zimne plamy w 1992 roku za pomocą satelity COBE (COsmic Background Explorer – Badacz Kosmicznego Tła), a potem w wielu kolejnych eksperymentach, takich jak Planck, to jednak, pomimo żmudnych poszukiwań, nie znaleźli żadnych śladów fal grawitacyjnych. (17 marca 2014 roku naukowcy związani z umieszczonym na biegunie południowym eksperymentem BICEP2 ogłosili wykrycie kosmicznych fal grawitacyjnych, później musieli jednak wycofać się z tego stwierdzenia, gdyż to, co faktycznie zaobserwowali, było polaryzacją wywołaną przez ziarna pyłu znajdującego się wewnątrz Drogi Mlecznej). Zwracamy uwagę, że opisywane przez nas kosmiczne fale grawitacyjne nie mają nic wspólnego z falami grawitacyjnymi wytworzonymi przez zlewające się czarne dziury, które zaobserwowało obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) w 2015 roku.

Wyniki otrzymane dzięki satelicie Planck – nieoczekiwanie małe (rzędu kilku procent) odstępstwa od idealnej niezmienniczości skali w rozkładzie gorących i zimnych plam na mapie CMB oraz niewykrycie kosmicznych fal grawitacyjnych – są zdumiewające. Po raz pierwszy od ponad 30 lat dane obserwacyjne okazały się sprzeczne z najprostszymi modelami inflacyjnymi – w tym z modelami ze standardowych podręczników. Oczywiście, teoretycy natychmiast rzucili się, aby łatać dziury w obrazie inflacji, jednak za cenę wprowadzenia dziwacznych form energii inflacyjnej i ujawnienia dalszych problemów.

Narciarz na zboczu

Aby w pełni docenić znaczenie, jakie mają dane dostarczone przez satelitę Planck, przyjrzyjmy się bliżej modelom rozwijanym przez zwolenników inflacji.

Energia inflacyjna ma jakoby powstawać z hipotetycznego pola, zwanego polem inflatonowym. Byłoby ono analogiczne do pola elektrycznego, które przenika całą przestrzeń i w każdym punkcie ma określoną wartość natężenia. Ponieważ istota pola inflatonowego nie jest znana, teoretycy mogą przyjąć, że inflacja działa odpychająco, powodując, iż ekspansja Wszechświata przyśpiesza. Gęstość energii inflacyjnej w każdym punkcie jest określona przez natężenie pola inflatonowego. Związek między natężeniem a gęstością energii pokazuje krzywa, która kształtem przypomina zbocze wzgórza [ramka na sąsiedniej stronie]. Każdy z setek modeli energii inflacyjnej, jakie dotychczas zaproponowano, podaje dokładny kształt tego zbocza. Ma on wpływ na własności Wszechświata po zakończeniu inflacji, na przykład czy jest on płaski i gładki, czy nie, albo czy w rozkładzie temperatur i gęstości występuje niezmienniczość skali.

Od momentu opublikowania danych z Plancka kosmologowie żyją w świecie przypominającym taki oto scenariusz. Wyobraźmy sobie, że mieszkamy w odosobnionym mieście położonym w dolinie otoczonej przez wzgórza. Jedynymi ludźmi, jakich do tej pory spotykaliśmy, byli inni mieszkańcy miasta. Pewnego dnia pojawia się jednak obca kobieta. Każdy chce wiedzieć, w jaki sposób przybyła do miasta. Udajemy się do miejscowej plotkarki, która twierdzi, że obca dotarła do nas na nartach. My wiemy, że do naszej doliny można zjechać tylko z jednego z dwóch wzgórz. W przewodniku opisano pierwsze z nich, na które łatwo się dostać wyciągiem. Wszystkie jego stoki mają stałe nachylenie, a widoczność i warunki śnieżne są na nim dobre. Drugie wzgórze jest całkiem inne. Nie opisuje go żaden przewodnik i nic dziwnego, gdyż z jego wierzchołka często schodzą lawiny. Jedyna trasa w dół jest niebezpieczna, ponieważ zaczyna się na płaskim grzbiecie, który nagle przechodzi w strome urwisko. Co więcej, na wzgórzu tym nie ma wyciągu. Aby zjechać z tego wzgórza, trzeba najpierw wyskoczyć z samolotu na spadochronie, wylądować z centymetrową dokładnością i właściwą prędkością na szczególnym punkcie grzbietu. Najmniejszy błąd spowoduje, że narciarz znajdzie się poza trasą prowadzącą do doliny albo zostanie uwięziony na wierzchołku. W najgorszym przypadku możliwa jest również sytuacja, w której lawina ruszy, zanim narciarz osiągnie grzbiet i zostanie on w niej po- grzebany. Jeżeli miejscowa plotkarka ma racje, że obca przybyła na nartach, to jedynym sensownym wnioskiem jest przyjęcie, iż zjechała z pierwszego wzgórza.

Ponieważ szanse na dojechanie do miasta druga droga są znikomo małe w porównaniu ze zjazdem z pierwszego wzgórza, szaleństwem byłoby uważać, że narciarka wybrała druga drogę. Ale nagle dostrzegamy coś dziwnego. Kobieta nie ma biletu na wyciąg przypiętego do kurtki. Z tego powodu, a także dlatego, że plotkarka ciągle twierdzi, iż kobieta przybyła na nartach, musimy zaakceptować dziwny wniosek, że obca zjechała z drugiej góry. A może jednak kobieta w ogóle nie korzystała z nart i trzeba zastanowić się nad wiarygodnością plotkarki?

Podobnie, jeśli profesjonalna wyrocznia powiedziała nam, że Wszechświat wyewoluował do obecnego stanu dzięki inflacji, musimy przyjąć, iż krzywa gęstości energii inflacyjnej wygląda jak stok wzgórza opisanego w przewodniku, gdyż ma ona w całości prosty kształt, najmniejszą liczbę parametrów do dopasowania i najbardziej ogólne warunki potrzebne do zapoczątkowania inflacji. I rzeczywiście, do chwili obecnej prawie wszystkie podręczniki kosmologii inflacyjnej pokazywały właśnie takie, gładkie krzywe. W szczególności, gęstość energii wzdłuż tych gładkich krzywych stale wzrasta wraz ze zmiana natężenia pola, możliwe jest wiec uzyskanie takich początkowych wartości pola inflatonowego, dla których gęstość energii inflacyjnej jest równa tzw. gęstości Plancka (10120 razy większej od obecnej gęstości), czyli całkowitej gęstości energii, jaka była dostępna, gdy Wszechświat powstawał w Wielkim Wybuchu. W przypadku tak korzystnego stanu początkowego, w którym cała energia przyjmowała formę energii inflacyjnej, przyspieszona ekspansja rozpoczęłaby się natychmiast. W fazie inflacji natężenie pola inflatonowego zmieniało się w naturalny sposób tak, że gęstość energii spadała powoli i gładko wzdłuż krzywej, aż osiągnęła dolinę, w której znajduje się najniższy punkt. Jest to stan Wszechświata, w którym dzisiaj żyjemy. (Można myśleć o tej ewolucji pola inflatonowego jak o „zjeździe na nartach” po krzywej). Te klasyczna historie można znaleźć w podręcznikach.

Z danych uzyskanych przez satelitę Planck wynika jednak, że powyższa historia nie może być prawdziwa. Gorące i zimne plamy powstałe w przypadku najprostszych form energii inflacyjnej miałyby rozkład o znacznie większych odstępstwach od niezmienniczości skali, niż zaobserwowano, a fale grawitacyjne byłyby wystarczająco silne, aby widać było ich efekty. Jeżeli będziemy upierać się przy inflacji, to na podstawie danych z Plancka musimy przyjąć, że pole inflatonowe „zjeżdżało” po bardziej skomplikowanej krzywej gęstości energii przypominającej kształtem drugie wzgórze – to, na którym istnieje ryzyko zejścia lawiny, i które ma niski i płaski grzbiet kończący się od strony doliny stromym urwiskiem. Zamiast prostego, stopniowo podnoszącego się kształtu, krzywa energii będzie najpierw gwałtownie rosła od swego minimum (tworząc urwisko), aż nagle stanie się płaska (tworząc grzbiet). Osiągnięta wartość gęstości energii będzie wtedy bilion razy mniejsza niż gęstość energii Plancka, jaka ma Wszechświat tuz po Wielkim Wybuchu. Gęstość energii inflacyjnej będzie zatem znikomą częścią całkowitej gęstości energii – o wiele za mała, by inflacja nastąpiła natychmiast.

Ponieważ we Wszechświecie nie następuje jeszcze inflacja, pole inflatonowe może przyjąć dowolna wartość początkowa i zmieniać ja w zastraszającym tempie niczym narciarz, który wyskoczył z helikoptera. Ale inflacja może zacząć się dopiero wtedy, gdy pole inflatonowe osiągnie wartość odpowiadająca punktowi na płaskowyżu i zacznie zmieniać się bardzo wolno. Podobnie jak narciarzowi, który skoczył z dużej wysokości, bardzo trudno wylądować na płaskim grzbiecie, mając właściwą prędkość do dalszego szusowania w dół, tak jest prawie niemożliwe, aby pole inflatonowe zmniejszyło szybkość zmian do odpowiedniego tempa i właściwej wartości potrzebnych do rozpoczęcia inflacji. Co gorsza, ponieważ inflacja nie zachodzi w czasie, kiedy prędkość zmian pola inflatonowego maleje, rozrastać się Beda wszelkie istniejące wówczas zmarszczki lub niejednorodności w rozkładzie energii we Wszechświecie, a kiedy staną się wystarczająco duże, nie pozwolą, aby proces inflacji w ogóle się rozpoczął. Nie maja na to wpływu szczegóły ewolucji inflacji, podobnie jak narciarz, który wpadł w schodząca lawinę, nie może się z niej wydostać, niezależnie od tego, jaki tor jazdy by wybrał.

Innymi słowy, wierząc wyroczni w jej zapewnienia i upierając się przy inflacji, musimy zaakceptować dziwaczny wniosek, że, pomimo wszelkich trudności, rozpoczęła się ona z płaska krzywa gęstości; w przeciwnym bowiem razie nie da się odtworzyć danych z satelity Planck. A może powinniśmy podać w wątpliwość wiarygodność wyroczni?

„Wielobałagan”

Oczywiście, żadna wyrocznia nie istnieje. Nie musimy bezkrytycznie akceptować założenia, że Wszechświat przeszedł przez fazę inflacji, chociażby dlatego, iż jej model nie daje nam prostego wytłumaczenia obserwowanych cech Wszechświata. Kosmologowie powinni ocenić wartość teorii za pomocą standardowej procedury stosowanej w nauce, a mianowicie, znając wyniki obserwacji, ocenić szanse, że inflacja zaszła. Patrząc z tego punktu widzenia, wiadomości są złe, gdyż najnowsze dane są sprzeczne z najprostszymi modelami inflacji, a dopuszczają jedynie bardziej skomplikowane wersje. Prawdę mówiąc, nie jest to pierwszy problem, jaki napotyka teoria inflacji. To tylko wzmocnienie istniejących dotychczas wątpliwości.

Dla przykładu, trzeba się zastanowić, czy w ogóle we Wszechświecie mogły zaistnieć warunki początkowe konieczne dla jakiegokolwiek rodzaju energii inflacyjnej. Aby inflacja zaczęła zachodzić, niezbędne jest spełnienie dwóch mało prawdopodobnych kryteriów. Po pierwsze, tuz po Wielkim Wybuchu musiał pojawić się obszar przestrzeni, w którym zanikły kwantowe fluktuacje czasoprzestrzenne, a przestrzeń mogła być opisana przez klasyczne równania ogólnej teorii względności. Po drugie, aby w obszarze mogła się rozwinąć energia inflacyjna i zdominować inne formy energii, musiał on być odpowiednio płaski i mieć gładki rozkład energii. Z niektórych teoretycznych oszacowań wynika, że prawdopodobieństwo powstania tuz po Wielkim Wybuchu obszaru o takich właściwościach jest mniejsze niż szansa znalezienia na środku pustyni zaśnieżonej góry z wyciągiem narciarskim i dobrze utrzymanymi trasami zjazdowymi.

Jeszcze ważniejsze jest to, że gdyby z Wielkiego Wybuchu łatwo mógł wyłonić się obszar wystarczająco płaski i gładki, aby inflacja się rozpoczęła, w ogóle nie byłaby ona potrzebna! Przypomnijmy motywacje, jaka doprowadziła do powstania idei inflacji. Chodziło o to, aby wyjaśnić, w jaki sposób obserwowany Wszechświat uzyskał swoje specyficzne cechy. Jeżeli rozpoczęcie inflacji również wymagałoby specyficznych warunków, z taką tylko różnicą, że musiałyby one zajść w mniejszym obszarze przestrzeni, trudno to nazwać postępem. Powyższe zagadnienia to jednak tylko początek naszych problemów. Inflacja wymaga trudnych do uzyskania warunków początkowych; kiedy jednak już się rozpocznie, nic nie jest w stanie jej zatrzymać. Szkopuł ten wynika z kwantowych fluktuacji czasoprzestrzeni. Zwykle myślimy, że fluktuacje kwantowe są małe, ale już w 1983 roku teoretycy (a wśród nich Steinhardt) zauważyli, że duże kwantowe przeskoki pola inflatonowego, choć zdarzają się rzadko, mogą całkowicie zmienić historie inflacji. Zwiększają one natężenie pola inflatonowego do wartości znacznie większych niż średnie, przez co inflacja trwałaby o wiele dłużej. Obszary, w których zajdą duże przeskoki, kolosalnie zwiększają objętość w porównaniu z innymi rejonami i szybko zaczynają dominować w przestrzeni, otaczając miejsca, gdzie inflacja już ustała. Proces ten się powtarza. W większej części rozdętego obszaru natężenie pola inflatonowego zmieni się w taki sposób, że gęstość energii spadnie i inflacja ustanie, ale w innych miejscach rzadkie duże przeskoki kwantowe Beda rozpędzać inflacje i tworzyć jeszcze szybciej puchnąca przestrzeń. Proces ten postępuje ad infinitum.

Taka inflacja będzie trwała wiecznie. Powstawać będzie nieskończona liczba obszarów, w których inflacja ustała, a każdy z nich stanie się swoim własnym wszechświatem. Tempo ekspansji może w nich spaść na tyle, że Beda mogły w nich tworzyć się galaktyki, gwiazdy i życie. Niepokojący wniosek jest taki, że z powodu nieodłącznej kwantowej przypadkowości każdy z tych wszechświatów będzie mieć odmienne cechy. W ogólności, większość wszechświatów nie będzie płaska, rozmieszczenie materii nie będzie w nich gładkie, a w rozkładzie gorących i zimnych plam w CMB nie będzie występować niezmienniczość skali.

Liczba kombinacji różnych cech jest nieskończona, a żaden z wszechświatów – w tym nasz Wszechświat, w którym żyjemy – nie jest bardziej prawdopodobny od innych. W efekcie otrzymujemy coś, co kosmologowie nazywają wieloświatem. Ponieważ każdy wszechświat ma różne fizycznie dopuszczalne cechy, wieloświat nie tłumaczy, dlaczego nasz Wszechświat jest, jaki jest – jego właściwości to czysty przypadek.

Być może nawet ten obraz jest zbyt różowy. Niektórzy naukowcy uważają, że żaden obszar przestrzeni nie mógłby wyewoluować w obiekt przypominający nasz Wszechświat, zaś inflacja stworzyłaby czysto kwantowy świat obecnych wszędzie przypadkowych fluktuacji. Chcielibyśmy zaproponować nazwę „wielobałagan”, która lepiej oddaje mętny efekt wiecznej inflacji, niezależnie od tego, czy jest nim nieskończona liczba wszechświatów o przypadkowych cechach, czy też kwantowy bezład. Z naszej perspektywy jest bez znaczenia, który z opisów jest prawidłowy. W obu przypadkach wielobałagan nie jest w stanie przewidzieć obserwowanych właściwości naszego Wszechświata. Dobra teoria naukowa powinna wyjaśniać, dlaczego istnieje to, co widzimy, a nie coś innego. Wielobałagan oblewa ten test.

Zmiana paradygmatu

Wziąwszy pod uwagę wszystkie te problemy, trzeba poważnie rozważyć wniosek, że inflacja nie miała miejsca. Cofając się w czasie, widzimy, że istnieją dwie logiczne możliwości. Albo Wszechświat miał początek, który powszechnie nazywamy „Wielkim Wybuchem”, albo nie było żadnego początku i to, co określamy jako Wielki Wybuch, w rzeczywistości stanowiło „Wielkie Odbicie”, czyli przejście z jakiegoś poprzedniego etapu kosmologicznego do fazy obecnej ekspansji. Co prawda większość kosmologów opowiada się za Wybuchem, ale w chwili obecnej nie ma żadnych przesłanek, aby stwierdzić, czy wydarzenie, które nastąpiło 13,7 mld lat temu, było Wybuchem, czy Odbiciem. Jednakże Odbicie, w odróżnieniu od Wybuchu, nie wymaga istnienia fazy inflacji po to, aby wytłumaczyć obserwowane cechy dzisiejszego Wszechświata; z tego powodu modele Odbicia stanowią ogromna zmianę paradygmatu.

Odbicie prowadzi do takiego samego efektu, co Wybuch połączony z inflacja, ponieważ zanim ono nastąpiło, długi czas powolnej, trwającej miliardy lat kontrakcji mógł wygładzić Wszechświat i uczynić go płaskim. Fakt, że powolna kontrakcja ma taki sam efekt, jak szybka ekspansja, może wydawać się sprzeczny z intuicja, jest jednak prosty argument, który to wyjaśnia. Przypominamy, że wskutek działania grawitacji na przestrzeń i materie, wolno rozszerzający się Wszechświat, w którym nie było inflacji, robiłby się coraz bardziej zakrzywiony i niejednorodny. Wyobraźmy sobie film pokazujący ten proces, ale puszczony do tyłu: duży, silnie zakrzywiony i niejednorodny Wszechświat stawałby się coraz mniejszy, coraz bardziej płaski i jednorodny. W ten sposób grawitacja działa jako środek wygładzający w powoli kurczącym się Wszechświecie.

Podobnie jak w przypadku inflacji, fizyka kwantowa zmienia prostą historię wygładzania w modele Odbicia. Ze względu na fluktuacje kwantowe, tempo kontrakcji będzie różne w różnych miejscach, dlatego niektóre obszary odbija się i zaczną rozszerzać i stygnąc wcześniej niż inne. Można stworzyć modele, w których tempo kontrakcji będzie źródłem takich różnic temperatury po Odbiciu, jakie stworzą rozkład gorących i zimnych plam widoczny w danych zebranych przez satelitę Planck. Innymi słowy, kontrakcja przed Odbiciem czyni to samo, co miała robić inflacja.

Co więcej, modele Odbicia mają istotna zaletę w porównaniu z inflacja: nie tworzą wielobałaganu. Gdy faza kontrakcji się zaczyna, Wszechświat jest duży i klasyczny (to znaczy, podlega prawom ogólnej teorii względności), a moment odbicia następuje, zanim jeszcze jego rozmiar stanie się taki, aby efekty kwantowe miały odgrywać istotna role. Z tego powodu, w odróżnieniu od Wielkiego Wybuchu, na żadnym etapie cały Wszechświat nie jest zdominowany przez fizykę kwantowa; nie trzeba zatem wymyślać kwantowo-klasycznego przejścia. A ponieważ na etapie wygładzania nie ma inflacji, która zmuszałaby niektóre obszary do gwałtownego pęcznienia, nie prowadzi on do powstawania wielu wszechświatów. W ostatnim czasie pojawiły się prace z pierwszymi konkretnymi pomysłami, w jaki sposób Wszechświat mógł przejść z fazy kontrakcji w fazę ekspansji, co umożliwi stworzenie kompletnej kosmologii Odbicia.

Nauka nieempiryczna?

Uwzględniając problemy z inflacją i możliwości kosmologii Odbicia, można by oczekiwać ożywionej debaty naukowej, koncentrującej się na obserwacyjnych sposobach stwierdzenia, który z modeli jest bliższy prawdy. Jest jednak pewien haczyk: kosmologia inflacyjna w swojej obecnej postaci nie może zostać zweryfikowana metodami naukowymi. Pisaliśmy już, że wynik inflacji można łatwo zmienić, zmieniając warunki początkowe, kształt krzywej gęstości energii inflacyjnej albo wręcz twierdząc, że prowadzi ona do wiecznej inflacji i wielobałaganu. Wszystkie te cechy, traktowane zarówno pojedynczo, jak i wspólnie, powodują, że inflacja stała się tak elastyczna, iż żaden eksperyment nie będzie w stanie jej obalić.

Niektórzy naukowcy zgadzają się, że inflacja nie jest testowalna, a mimo to nie chcą z niej zrezygnować. Postulują, że nauka musi się zmienić i porzucić jedna z jej podstawowych cech: empiryczną testowalność. Pogląd ten wywołał lawinę dyskusji o naturze nauki i jej ewentualnej redefinicji, lansującej idee jakiejś nauki nieempirycznej.

Powszechnie uważa się, że doświadczenia mogą sfalsyfikować teorie. Jest to błąd. W praktyce, słabnąca teoria staje się coraz bardziej odporna na eksperymenty, wprowadzając coraz więcej łat. Dopasowuje się do nowych obserwacji, aż wreszcie osiąga stan, w którym jej możliwość przewidywania nowych faktów zanika. Siła teorii jest odrzucanie przez nią różnych opcji. Większa odporność oznacza mniej odrzucania i mniejsza siłę. Teorie takie, jak koncepcja wielobałaganu nie odrzucają niczego, a zatem maja zerowa siłę. Twierdzenie, że taka teoria ma być niekwestionowanym standardem, wymaga jakiegoś uzasadnienia wykraczającego poza naukę. Gdy nie ma profesjonalnej wyroczni, trzeba oprzeć się na autorytetach. Historia poucza nas, że nie jest to właściwa droga.

Mamy dzisiaj to szczęście, że dzięki zebranym obserwacjom możemy stawiać podstawowe pytania. Fakt, że nasze sztandarowe idee się nie sprawdziły, jest historyczna szansa na dokonanie teoretycznego przełomu. Zamiast zamykać księgę wczesnego Wszechświata, powinniśmy przyjąć do wiadomości, że kosmologia stoi przed nami otworem.

Artykuł ukazał się w „Świecie Nauki” 03/2017
Tytuł oryginalny: „Kłopoty kosmicznej inflacji”