Na początku
była osobliwość. Jeden niezwykle mały punkt, o nieskończenie wielkiej
gęstości i energii. Miejsce wymykające się poza ramy naszego rozumienia,
całkowicie różne od ukształtowanego kosmosu w jakim żyjemy. Cofnijmy
się do pierwszej sekundy istnienia wszechrzeczy, aby zrozumieć jak
potężne musiało być pojedyncze wydarzenie, które dało początek czasowi,
przestrzeni oraz milionom galaktyk zawierającym miliardy gwiazd.
Ksiądz i pierwotny atom
Los
chciał, że za podstawą jednej z najczęściej atakowanych
przez kreacjonistów idei, stoi katolicki ksiądz. Belgijski
duchowny Georges Lemaître, jako pierwszy wpadł na pomysł istnienia
czegoś co dziś nazywamy mianem osobliwości. Prowadził on badania
w szczególnym czasie, wzrastającej legendy Alberta Einsteina
oraz wiekopomnego odkrycia dokonanego przez Edwina Hubble’a.
Przypomnę, że prawo Hubble’a mówi nam, iż wszechświat się
rozszerza, a punkty położone dalej od siebie oddalają się z większą
prędkością niż punkty sobie bliskie. Belgijski duchowny
przewidział wynik obserwacji Hubble’a i już w roku 1927 doszedł
do logicznej konkluzji: skoro galaktyki uciekają od siebie,
to w dalekiej przeszłości musiały leżeć znacznie bliżej. Wkrótce potem
skonkretyzował swój pogląd w pracy
Hipoteza Pierwotnego Atomu.
Lemaître pisał tam: “Tendencja materii do fragmentaryzacji,
to nic innego jak tylko niestabilność radioaktywna pierwotnego
atomu; z kolei rozpadały się fragmenty – same również radioaktywne
– tworząc kolejne pokolenia ciał radioaktywnych”.
Nie da
się ukryć, że teoria ta, choć dość prymitywna, miała niebagatelne
znaczenie. Hipoteza pierwotnego atomu jako pierwsza podsunęła myśl
zrodzenia wszechświata z pojedynczego punktu, w drodze
przypominającej eksplozję. Krytyka przyszła szybko. Ówczesnym
nie mieściło się w głowach, jak wszystko co znamy mogło znajdować się
niegdyś w jednym miejscu. Taki pomysł wymykał się i nadal wymyka, poza
ramy ludzkiej wyobraźni. Z tego powodu, niektórzy przez długi czas
zachowywali sceptycyzm, jak sir Fred Hoyle, próbujący ośmieszyć
niezwykłą koncepcję nazywając ją
wielkim wybuchem.
Brytyjczyk nie spodziewał się wtedy, że jego żart zostanie wzięty
na poważnie i rychło wejdzie na stałe do naukowych słowników.
Do ostatecznego
zaakceptowania teorii wielkiego wybuchu przez światek naukowy,
potrzeba było czegoś jeszcze. Dwadzieścia lat po odkryciu Hubble’a,
George Gamow przewidział, że
big bang powinien pozostawić po sobie jeszcze jedną poszlakę, w formie
słabego promieniowania wypełniającego całą przestrzeń (więcej na temat tego i innych reliktów w
tym tekście).
W roku 1964 i ta hipoteza została bezwzględnie potwierdzona
przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona. Dwaj pracownicy Bell Labs,
raczej przypadkiem niż umyślnie, zarejestrowali niechciane
promieniowanie tajemniczego pochodzenia. Gdy nie udało im się
w żaden sposób go usunąć, uświadomili sobie, że być może wpadli
na trop promieniowania reliktowego przewidzianego przez Gamowa.
Tak rzeczywiście było, a odkrycie przyniosło Penziasowi
i Wilsonowi nagrodę Nobla oraz nieśmiertelną sławę. Wielki wybuch
z miejsca, stał się niekwestionowanym liderem wśród teorii
tłumaczących powstanie wszechświata. Był to jednocześnie
początek badań kosmologicznych z prawdziwego zdarzenia
oraz spekulacji dotyczących momentu narodzin kosmosu.
Jak to się zaczęło?
Zanim
przyjrzymy się samej osobliwości rozważmy jedno z najbardziej
drażniących pytań kierowanych do fizyków: Co było przed wielkim
wybuchem? Irytacja wynika stąd, iż zagadka ta ma mało naukowy
charakter. Kosmolog odpowie więc: Cokolwiek miało miejsce przed wielkim wybuchem nie ma znaczenia i nie wpływa na to co stało się później! Stanowisko
to wydaje się zrozumiałe. Wszak fizycy, zajmują się badaniem zjawisk,
wielkości i oddziaływań, obserwowanych w otaczającym nas
wszechświecie, a przecież pytanie dotyczy momentu “sprzed” powstania
wszechświata. Okresu, kiedy nie istniał przedmiot badań naukowych.
Trzeba tu doprecyzować, że przez wszechświat rozumiemy
praktycznie wszystko co znamy – przestrzeń, czas, materię i energię –
i wszystkie elementy bez których trudno się obyć naszej percepcji.
Nawet
gdybyśmy chcieli spekulować na temat warunków “poprzedzających”
istnienie osobliwości, nasze próby będą z góry skazane na porażkę.
Przede wszystkim dlatego, że nie było żadnego okresu
“poprzedzającego”, domniemywa się, iż czas stanowi jeden
z produktów big bang. Jak wyobrazić sobie brak czasu?
Albo brak całej czasoprzestrzeni? Jak pisał Georges Lemaître:
“[początek] nie może być osiągnięty nawet przez myśl; początek,
do którego można się zbliżać jedynie w jakiś asymptotyczny sposób”.
Teoretycznie możemy zbadać każdy etap narodzin kosmosu, ale nie jego
żywot prenatalny. Wydaje mi się, że zadanie zobrazowania
tak odmóżdżającej pustki, przekracza zdolności ludzkiego umysłu.
Fizyk natomiast, może jedynie wzruszyć ramionami i pozostawić
czystą tablicę. (Według niektórych autorów, ratunkiem z tej sytuacji jest zwrócenie się ku koncepcjom wieloświatów, ale odpuśćmy ten temat.) Brakuje
danych, możliwości przeprowadzenia doświadczeń, a standardowe
pojęcie fizyki zdaje się na nic. Mimo to, laicy nie przestaną
oczekiwać od naukowców wróżenia z fusów. Pytania o to co było
na początku i co nas czeka na końcu, wynikają z ludzkiej natury i zawsze
budzą wielkie emocje.
Próżnia na najniższym poziomie,
nie wydaje się pusta i spokojna
Skoro
jednak nie powinniśmy pytać badaczy o to co było przed wielkim
wybuchem, to może chociaż dowiemy się dlaczego wielki wybuch w ogóle
miał miejsce. Skąd wzięła się pierwotna osobliwość, która dała
wszystkiemu początek? Na to pytanie fizycy odpowiadają chętniej, choć
sami uczciwie przyznają, że to obszar niezwykle spekulatywny.
Jedna z powszechniejszych hipotez wynikła z idei przedstawionej
w 1973 roku, przez prof. Edwarda Tryona w artykule zamieszczonym
w czasopiśmie
Nature. Amerykanin bynajmniej nie zakładał
istnienia jakiegoś przedwiecznego zegarmistrza, który puścił
wszystko w ruch. Sformułował kontrowersyjny pogląd w formie
pytania:
Czy Wszechświat jest fluktuacją próżni? Zgodnie
z prawami mechaniki kwantowej nie istnieje idealna próżnia. Pusta
z pozoru przestrzeń tętni życiem, będąc źródłem spontanicznie
pojawiających się cząstek wirtualnych.
Już w 1948 Hendrik
Casimir potwierdził ich wpływ na rzeczywistość przeprowadzając
eksperyment z dwoma płytkami. Casimir wymyślił, że jeżeli umieści się
płytki dostatecznie blisko, wytworzone przez cząstki wirtualne
ciśnienie zacznie je przyciągać do siebie. Efekt ten został
potwierdzony, a wszechobecnych fluktuacji nikt nie waży się
lekceważyć. Tryon postawił tezę, że cały
wszechświat mógłby być wynikiem takiej kwantowej fluktuacji.
W mechanice kwantowej wszystko zależy od prawdopodobieństwa,
jeżeli więc szansa na zdarzenie jest większa niż zero, to nie można go
wykluczyć. Tryon żartobliwie podsumował swoje przemyślenia:
“Wszechświat jest po prostu jedną z tych rzeczy, które się zdarzają
od czasu do czasu”.
Osobliwość
Dziś
wiemy, że moment początkowy miał miejsce około 13 miliardów 740
milionów lat temu. Wtedy to, zgodnie z ogólnym założeniem Lemaître’a,
cała czasoprzestrzeń i zawarta weń materia, znajdowały się w jednym
punkcie. Obiekt ten był rozgrzany do oszałamiającej temperatury
ponad 10^32, czyli kwintyliarda, stopni Celsjusza. Dla
zobrazowania potęgi tej energii, warto sobie przypomnieć,
że szacunkowa temperatura wnętrza Ziemi wynosi około 5 tysięcy,
a jądra Słonecznego mniej niż miliard stopni. W tym miniaturowym
piekle nie obowiązywało jeszcze żadne ze znanych nam obecnie
oddziaływań podstawowych, a pojęcie materii nie miało większego
sensu. Przestrzeń i czas były nieskończenie zakrzywione, tworząc
strukturę przypominającą gąbkę.
Podobnie
jak w przypadku czarnych dziur, gigantyczna masa skupiona w jednym
miejscu, zadaje cios konwencjonalnemu myśleniu i rozbija w pył
teorie fizyczne stosowane na co dzień. Miejsca takie nauka zwykła
nazywać osobliwościami. Na czym polega ich niezwykłość? Naszą
aktualną rzeczywistość formują dwa filary. Pierwszy to teoria
względności, opisująca przewidywalny ruch obiektów o “zwykłych”
rozmiarach: spadających jabłek, planet krążących wokół gwiazd lub
oddalających się galaktyk. Filar drugi stanowi mechanika kwantowa, oparta na zupełnie innych przesłankach,
będąca głównym narzędziem do zrozumienia zachowań cząstek
elementarnych. Te dwa, pozornie różne światy, obiektów makro
i mikroskopowych, łączą się i współegzystują wewnątrz
osobliwości. Dzisiejszy stan wiedzy, nie pozwala nam w sposób konkretny pojąć tego zjawiska.
Wydaje
się, że ten impas zostanie przełamany wraz z odnalezieniem
upragnionej teorii wszystkiego. Tylko pojedyncze równanie lub grupa
wzorów, tłumacząca relacje między grawitacją,
elektromagnetyzmem i siłami jądrowymi, umożliwi naszkicowanie
wiarygodnego modelu osobliwości. Tymczasem musimy się
zadowolić odpowiedzią częściową. Wytężona praca zastępów fizyków
oraz miliardy dolarów zainwestowane w ogromne kompleksy badawcze,
pozwoliły na wycinkowe odwzorowanie warunków wielkiego wybuchu.
Dzięki zderzeniom cząstek pędzących z prędkością bliską światłu,
naukowcy dowiedli, że przy dostatecznej energii jedne cząstki mogą się
zachowywać jak inne. W ten sposób udało się laboratoryjnie
zunifikować elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe
w pojedynczą siłę – oddziaływanie elektrosłabe. Jak widać na tym
przykładzie, przewidywania co do wielkiego wybuchu to nie
bajdurzenie, a całkowicie uzasadnione rozważania. Kto wie,
może gdy nasza technologia posunie się znacznie do przodu,
a akceleratory rozrosną do rozmiarów Układu Słonecznego,
samodzielnie dokonamy wielkiej unifikacji?
Bóle porodowe
Opisany
stan trwał niewyobrażalnie krótko, jakąś jedną septylionową
część sekundy (10^-43). Po tym czasie rozpoczęła się nowa era
w dziejach wszechświata, naznaczona wyodrębnieniem się grawitacji.
Procesy trwające przez najbliższe kilka sekund, zaważyły
na kształcie naszej rzeczywistości. Mamy do czynienia
z supergorącą kulą ognia, wypełnioną wysoce energetycznymi
fotonami promieniowania gamma. Około kwintyliardowej części
sekundy (10^-33) powstają kolejne siły podstawowe: oddziaływanie
silne oraz, najprawdopodobniej niedługo później, oddziaływania
elektromagnetyczne i słabe. Towarzyszyła temu nagła, niebywale
dynamiczna ekspansja przestrzeni. Zgodnie z poglądem Alana Gutha,
wyrażonym w artykule: “Wszechświat inflacyjny: możliwe
rozwiązanie problemów horyzontu i płaskości”, kosmos w ułamku
sekundy powiększył się 10^50 razy. To największa, spośród liczb
użytych w tym artykule, wszechświat z rozmiarów subatomowych
nagle spuchnął do wielkości makroskopowej. Guth założył, że sama
przestrzeń mogła ekspandować szybciej niż światło, co wiązało się
z tzw. przejściem fazowym, zjawiskiem podobnym do nagłej zmiany stanu
skupienia. Owe przejście fazowe miało doprowadzić do powstania
chwilowej próżni. Próżnia ta z kolei wytworzyła ujemne ciśnienie
– coś na kształt antygrawitacji – prowadząc do niepohamowanej inflacji. Implikacją tego procesu jest to, że nasz obserwowalny wszechświat, stanowi zaledwie bardzo niewielki skrawek całości.
W trakcie
i zaraz po inflacji, szalała einsteinowska zasada wymienialności
masy na energię. Z prastarego światła opartego na promieniowaniu
gamma, wyłoniły się
pierwsze pary cząstek i antycząstek.
Gęstość była tak duża, że cząstki te zderzały się ze sobą, co
prowadziło do anihilacji, czyli zniszczenia z wyzwoleniem
pewnej ilości energii. Ujemnie naładowane elektrony unicestwiały
się wzajemnie z dodatnimi pozytonami, a kwarki z antykwarkami.
Pewnie zauważyliście już, że przyjmując idealny stan rzeczy – to
jest równą ilość materii i antymaterii – dochodzimy do wniosku,
że ta kosmiczna batalia powinna się zakończyć remisem. Problem polega
na tym, że wtedy kosmos najpewniej pozbawiony byłby materii, z której
jesteśmy zbudowani, a wypełniony jedynie jakąś formą
promieniowania. Odpowiedź na pytanie dlaczego tak się nie stało,
nie jest do końca pewna. Najczęściej jako przyczynę podaje się
niestabilność antymaterii. Jeżeli chociaż część antycząstek
rozpadła się zanim natrafiła na swoje odbicia, to spowodowało
to nieznaczną przewagę i w efekcie zwycięstwo materii. Obecnie
przyjmuje się, że nadwyżka stanowiła jedną cząstkę materii na miliard
antymaterii i to tej subtelnej różnicy zawdzięczamy istnienie.
Nowo narodzony kosmos posiadał w zasadzie wszystko co potrzebne, do pojawienia się pierwszych atomów. Problem stanowiła wciąż zbyt wysoka temperatura,
około biliarda (10^15) stopni. W kipiącej zupie kwarkowej z trudem
formowały się nowe cząstki, nazwane przez nas hadronami: piony,
kaony, ypsilony, cząstki sigma, protony, neutrony itd.
Najpowszechniejsze i najważniejsze dla nas, są dwa ostatnie.
Temperatura powodowała jednak, że protony i neutrony wciąż
poruszały się tak szybko, że zaraz po sformowaniu najprostszego
jądra atomowego, ulegały ponownemu rozbiciu. Jednocześnie, gęstość
i energia spadły na tyle, że fotony nie przekształcały się już
samoczynnie w pary kwark-antykwark. Gdy minęła magiczna sekunda
po wielkim wybuchu, a temperatura opadła na poziom rzędu milionów
stopni, protony rozpoczęły kosmiczny taniec z neutronami dając
początek pierwszym trwałym jądrom atomów.
Ekspansja i epilog
Choć
może się to wydać dziwne, po upływie pierwszych kilkudziesięciu
sekund, nie działo się już nic przełomowego. Dopiero po okresie około
380 tysięcy lat, wszechświat stał się na tyle chłodny i rzadki,
że mogła się rozpocząć nowa era. Era gwiazdowa, w której żyjemy
do dzisiaj. Aby do tego doszło, wysokoenergetyczne fotony musiały
utracić impet, co pozwoliło uspokoić się elektronom, wyłapywanym
przez istniejące już nukleony. Powstały wielkie ilości wodoru i helu,
tworząc podobną do dzisiejszej, strukturę chemiczną kosmosu.
Zdjęcie
wykonane przez WMAP, ukazujące młody wszechświat widziany w zakresie
światła mikrofalowego. Różnice temperatur są mniejsze niż setne
części stopnia.
Wraz
z osłabieniem fotonów, pierwotne promieniowanie gamma
przesunęło się wzdłuż widma. Do tego stopnia, że jego obecną
pozostałość stanowią jedynie słabe i rozciągnięte w przestrzeni
fale mikrofalowe. Te same, które zarejestrowali w latach 60.
Penzias i Wilson. To też odpowiedź na pytanie: dlaczego nie widzimy
światła powstałego w ogniu wielkiego wybuchu. W pewnym sensie otacza
nas ono nadal, ale nosi temperaturę zaledwie 2,73 stopni powyżej zera
absolutnego.
Literatura uzupełniająca:N. deGrasse Tyson, D. Goldsmith, Wielki Początek: 14 miliardów lat kosmicznej ewolucji, Warszawa 2004;
J. Barrow, Początek Wszechświata, Warszawa 1999;
Jan Urbański, Inflacja, Almukantarat.pl [dostęp: 19.10.2012];
R. Panek, Ciemna Strona Wszechświata: W poszukiwaniu brakujących składników rzeczywistości, Warszawa 2011.
