Powstanie fizycznego świata to tajemnica, którą człowiek próbuje odkryć od tysięcy lat. Dla wielu osób wystarczające są wyjaśnienia oferowane przez religie. Ci, których takie wytłumaczenia nie satysfakcjonują, szukają wyjaśnienia w nauce. O najpopularniejszym z nich, Wielkim Wybuchu, a także alternatywnych wizjach stworzenia Wszechświata chcę Ci właśnie opowiedzieć.
Co zakłada teoria Wielkiego Wybuchu?
Od zarania dziejów ludzkość interesowała się tym, jak powstał człowiek i wszystko, co go otacza. Wśród setek (a może i tysięcy) koncepcji przez wieki dominowały przede wszystkim poglądy kreacjonistyczne. Udział demiurga, czyli boga-stwórcy także i dziś jest wyznawany przez miliony ludzi na całym świecie. Z biegiem wieków nauka zaczęła jednak szukać alternatywnych wizji stworzenia wszystkiego. Tą, która ma największe grono zwolenników w środowisku naukowym, jest teoria Wielkiego Wybuchu.
Wielki Wybuch to obrazowe określenie początku wszystkiego. Zgodnie z tą koncepcją na początku istniał tylko nieskończenie mały, gorący i gęsty punkt. To w nim zawierała się cała materia, czas i przestrzeń kosmosu. W następstwie destabilizacji pierwotnego stanu punkt ten zaczął ekspandować, czyli rozszerzać się, tworząc cały fizyczny świat. Co ważne, swoisty akt stwórczy zapoczątkowany Wielkim Wybuchem nigdy nie dobiegł końca. Ekspansja Wszechświata trwa niezmiennie od początku wszystkiego, czyli 13,8 mld lat.
Na koniec nie mogę nie wspomnieć o czymś, co brzmi jak oczywistość. Warto jednak pamiętać, że Wielki Wybuch jest tylko teoretycznym modelem naukowym. Innymi słowy, w żaden sposób nie udowodniono, że w taki właśnie sposób powstał kosmos. Nie jest to więc fakt taki jak np. stwierdzenie, że Słońce jest gwiazdą. Nie trzeba więc wierzyć, że do takiego aktu stwórczego naprawdę kiedykolwiek doszło.
Historia koncepcji Wielkiego Wybuchu
Do początku XX wieku uważano, że Wszechświat jest wieczny i niezmienny. Co więcej, z galaktyką Drogi Mlecznej utożsamiano cały kosmos. Innych tego typu obiektów po prostu nie znano. Niektórzy badacze żyjący w XVIII i XIX wieku przypuszczali, że galaktyk jest więcej. Nie potrafili jednak potwierdzić swych domysłów. Wszystkie odległe ciała niebieskie określane były dość niejasno mgławicami.
Pierwszym dowodem podważającym ten pogląd było odkrycie dokonane przez Vesto Sliphera. Badał on właśnie enigmatyczne mgławice. Odkrył ich przesunięcie ku czerwieni. Jest to zjawisko fizyczne powstające wskutek wydłużania się fali promieniowania elektromagnetycznego. Jego przeciwieństwem jest przesunięcie ku ultrafioletowi świadczące o przybliżaniu się danego obiektu.
Zjawisko obserwowane przez Vesto Sliphera oznaczało oddalanie się mgławic od obserwatora na Ziemi. Problemem pozostawała jednak ogromna prędkość przemieszczania się tych obiektów. Była ona znacznie większa niż ruch wszystkich ciał niebieskich znajdujących się w Drodze Mlecznej. Na tej podstawie astronom doszedł do wniosku, że obserwowane przez niego obiekty nie są mgławicami. Musiały być czymś innym, czyli galaktykami.
Przypuszczenia Vesto Sliphera potwierdził w 1929 roku Edwin Hubble. Wraz ze swoim współpracownikiem Georgesem Lemaîtrem stworzyli następnie prawo opisujące oddalanie się galaktyk od siebie. Na cześć jego odkrywców nazwane zostało ono prawem Hubble’a-Lemaître’a. To właśnie ten ostatni uczony już dwa lata wcześniej przypuszczał, że Wszechświat ekspanduje. Na podstawie swoich przemyśleń sformułował właśnie teorię Wielkiego Wybuchu.
Koncepcja belgijskiego astronoma jest zaskakująco prosta. Skoro wszystkie ciała niebieskie w kosmosie dzieli dziś większy dystans niż kiedyś, logiczne staje się założenie, że kiedyś znajdowały się bliżej siebie. W konsekwencji doprowadziło to powstania teorii, zgodnie z którą na początku wszystko było zgromadzone w jednym miejscu. Prawa fizyki wymuszają przy tym stwierdzenie o nieskończonej gęstości, temperaturze, rozmiarze i masie.
Wczesna krytyka teorii Wielkiego Wybuchu
Współcześnie większość środowiska naukowego przyjmuje Wielki Wybuch za możliwe rozwiązanie problemu powstania Wszechświata. Nie zawsze jednak tak było. Przyczyną jest paradoks tej koncepcji. Zgodnie z prawami fizyki wszystko, co znamy, zgromadzone w jednym miejscu, powinno być nieskończenie małe, gęste, gorące i ciężkie. Z drugiej… jest to niemożliwe. Współczesna nauka nie potrafi wyjaśnić, jak w ogóle taki obiekt mógłby istnieć.
Z tego też powodu powstała tak niefortunna nazwa tej koncepcji. Nie wymyślił jej Edwin Hubble czy Georges Lemaître, lecz Fred Hoyle. Ten brytyjski astronom był zwolennikiem twierdzenia, że kosmos, który znamy, istniał od zawsze. Określenie przeciwnej teorii mianem Big Bang, czyli Wielkiego Wybuchu miało na celu wyśmianie astronomów, którzy wierzyli w pierwotny akt stwórczy.
Wielki Wybuch to termin nieudany również z innego powodu. Nie przypadkiem napisałem wcześniej o „destabilizacji pierwotnego stanu”. Nie wiem, czy określenie to oddaje istotę tego wydarzenia. Wiem za to, że jest ono bardziej adekwatne od określania początku wszystkiego wybuchem. Nie była to bowiem żadna eksplozja. Ta bowiem zaistnieć może jedynie w przestrzeni. Tej wówczas nie było. Powstała ona wraz z czasem i materią. Tak, trudno to wyjaśnić. Naukowcy również mają z tym problem. Zrozumienie tego, co zaszło 13,8 mld lat temu, przekracza możliwości ludzkiej percepcji.
Co jeszcze przemawia za Wielkim Wybuchem?
Oprócz przesunięcia galaktyk ku czerwieni argumentem mogącym świadczyć o Wielkim Wybuchu jest również mikrofalowe promieniowanie tła. Jego istnienie zaproponowali w 1948 roku Ralph Alpher, George Gamow i Robert Herman. Zainspirowani teorią początku wszystkiego z jednego punktu stworzyli hipotetyczny model powstawania jąder pierwiastków we wczesnym Wszechświecie.
Zgodnie z ich koncepcją w pierwszych chwilach istnienia kosmosu ekstremalna temperatura uniemożliwiała protonom i neutronom łączenie się z elektronami. Nie było więc warunków do tworzenia jąder atomów. Swobodnie krążące w czasoprzestrzeni fotony odbijały się wówczas od elektronów. Odbicia te, nazywane rozproszeniami przyczyniły się do nazwania tego okresu erą rozpraszania.
Dalsze obniżanie się temperatury wprowadziło Wszechświat w epokę rekombinacji. Zaczęła się ona 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Elektrony przestały oddziaływać z fotonami, a zaczęły z protonami i neutronami. Tak powstały atomy. Innymi słowy, materia odseparowała się od promieniowania. Ono jednak nie zniknęło. Istnieje po dziś dzień i jest nazywane mikrofalowym promieniowaniem tła.
Alphner, Gamow i Herman nie znaleźli jednak dowodów na istnienie tego pierwotnego kosmicznego promieniowania. Tak jak wielokrotnie bywało to w historii nauki, o odkryciu zadecydował przypadek. W 1965 roku w Bell Telephone Laboratories w amerykańskim New Jersey prowadzone były testy nowej anteny. Służyła ona do nasłuchów fal radiowych z kosmosu. Podczas jej kalibracji uczeni Arno Allan Penzias i Robert Woodrow Wilson zauważyli, że urządzenie odbiera coś jeszcze. Był to jednostajny sygnał dobiegający ze wszystkich kierunków.
Początkowo Penzias i Wilson myśleli, że doszło do usterki anteny. Nie wykluczali też, że jest po prostu brudna. Jej wyczyszczenie niczego nie zmieniło. Nie była również zepsuta. Swoje przypadkowe odkrycie badacze opisali więc w czasopiśmie Astrophysical Journal. Dzięki temu o wystąpieniu tego zjawiska dowiedział się inny astronom – Robert Dickie. To właśnie on stwierdził, że antena odbiera mikrofalowe promieniowanie tła. Jego przypuszczenia potwierdzili następnie inni wielcy uczeni tamtego okresu, m.in. późniejszy noblista James Peebles, a także David Todd Wilkinson.
Jak mogły wyglądać pierwsze chwile po Wielkim Wybuchu?
Wyobrażenie sobie tego, co mogło zajść u zarania dziejów Wszechświata, jest niezwykle trudne. Problemem jest już samo zrozumienie, że pierwotny punkt nie istniał w czasie i przestrzeni. Ta powstała w ciągu pierwszych 10⁻⁴³ s po Wielkim Wybuchu. Okres ten nazywany jest erą Plancka.
Powstanie czasu i przestrzeni umożliwiło 10⁻³⁴ s po Wielkim Wybuchu przejście do ery inflacji. W tym niewiarygodnie krótkim czasie Wszechświat powiększył się od 10²º do 10²⁶ razy. Nadal był jednak jednorodną strukturą, w której wszystkie siły natury były jednością. Innymi słowy, materia, promieniowanie i grawitacja jeszcze się nie rozdzieliły. Uniemożliwiała im to temperatura, która jest czynnikiem decydującym o losach kosmosu.
Podstawowy budulec materii, czyli cząstki elementarne powstały w erze kwarkowej. Miało to miejsce 10⁻¹² s po Wielkim Wybuchu. W kolejnych epokach, czyli hadronowej i leptonowej powstawały coraz bardziej złożone struktury. W następnych, czyli erach rozpraszania i promieniowania poszczególne składowe kosmosu rozdzielały się coraz bardziej. Wszystkie początkowe okresy trwały niezwykle krótko. Pierwszym dłuższym jest właśnie era promieniowania. Zaczęła się ona 1 s po Wielkim Wybuchu i trwała 100 tys. lat. Wówczas kosmos wszedł w epokę materii.
W erze materii nastąpiły jej lokalne zagęszczenia. Z pierwotnej mieszaniny cząstek zaczęły powstawać nowe twory. Między innymi różnicowały się pierwiastki. To z kolei umożliwiło łączenie się ich w związki chemiczne. W ciągu kolejnych 4 mld lat powstały planety, gwiazdy, galaktyki i inne ciała niebieskie. Od tej pory Wszechświat znajduje się w erze galaktycznej.
Teoria Wielkiego Wybuchu – współczesne wątpliwości
Próba odtworzenia pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu nastręcza naukowcom wielu problemów. Najnowsze odkrycia sugerują bowiem, że powyższy opis zdarzeń wcale nie musiał mieć miejsca. Przeczą temu odkrycia bardziej złożonych form materii sprzed 4 mld lat. Przykładem może być tu Earendel. Jest to najdalej położona od Ziemi gwiazda. Jej światło dotarło do nas po 13 mld lat. Oznacza to, że już 800 mln lat po powstaniu kosmosu istniały struktury o wiele bardziej skomplikowane niż pierwiastki.
Powstały 13 mld lat temu Earendel nie jest zresztą jedynym tak odległym, a przy tym złożonym obiektem we Wszechświecie. Czy przeczy to teorii Wielkiego Wybuchu? Nie jestem astronomem, ale moim zdaniem nie do końca. Niewykluczone, że wszystkie kolejne ery kosmosu naprawdę miały miejsce. Możliwe jednak, że pewne procesy działy się znacznie szybciej. Epoka materii mogła po prostu trwać kilkaset milionów, a nie 4 mld lat. Zapewne miną jeszcze lata lub wieki nim poznamy prawdę o początku wszystkiego.
Co mogło być przed Wielkim Wybuchem?
Przed napisaniem tego tekstu zdawałem sobie sprawę, że będzie on prawdopodobnie najbardziej niezwykłym artykułem na tym blogu. Już samo zrozumienie tego, co działo się zaraz po Wielkim Wybuchu, jest ekstremalnie trudne do zrozumienia. To, co było wcześniej, trudno w ogóle opisać słowami. Jak bowiem zdefiniować nicość?
Przed Wielkim Wybuchem istniał tylko jeden, jedyny punkt. Ta pierwotna osobliwość zawierała w sobie wszystko, z czego składa się świat fizyczny. Jej wyjątkowość potęguje jej unikalność. We Wszechświecie nie ma bowiem niczego, co występuje pojedynczo. Ów pierwotny punkt, a więc sam kosmos byłby więc tym absolutnie wyjątkowym zjawiskiem.
Jeśli masz już dość, to Cię nie pocieszę. To dopiero początek. Pora na rozważania na temat znaczenia słowa „było”. Czy w ogóle można go użyć w odniesieniu do koncepcji Wielkiego Wybuchu? Wszak określa ono coś, co miało miejsce wcześniej. Innymi słowy, „było” związane jest z pojęciem czasu, który nie istniał. Pojedynczy punkt materii znajdował się więc w tym samym miejscu od zawsze. Nie mogło być inaczej, ponieważ jest przedwieczny.
Mało? No to rozważmy teraz określenie „znajdował się w tym samym miejscu”. Użyłem go specjalnie, by móc na nim oprzeć wywód na temat przestrzeni. Skoro jej nie było, to jak coś mogłoby się gdzieś znajdować? Nie jest to możliwe. Przestrzeń mieściła się przecież w samej nieskończenie małej osobliwości.
W zasadzie nie powinniśmy też mówić, że była ona „nieskończenie mała”. Fizyczny rozmiar można określić tylko dzięki istnieniu przestrzeni. Coś zajmuje jakąś przestrzeń, np. 1 jej centymetr. Jeśli jej nie było, nie jest więc możliwe opisanie żadnej fizycznej własności punktu, z którego powstał Wszechświat.
Jak widzisz, próba zrozumienia, co było przed Wielkim Wybuchem, jest niemożliwa. Nie istnieją żadne słowa, którymi bylibyśmy w stanie opisać stan pierwotny. Kto wie, być może kiedyś się to uda. Na razie jednak jest to poza zasięgiem ludzkiego aparatu pojęciowego.
Inne wizje stworzenia Wszechświata
Teoria Wielkiego Wybuchu jest obecnie najczęściej uznawana za prawdopodobną. Oprócz nich istnieją jeszcze inne koncepcje. Wśród nich jedna z nich jest równie trudna do zrozumienia, jak pojęcie absolutnej nicości. Żadna z nich nie znajduje potwierdzenia naukowego. Z drugiej strony w każdej z nich może kryć się ziarno prawdy.
Teorie kreacjonistyczne
Najstarsze teorie stworzenia świata wiążą się z aktem twórczym dokonanym przez istotę wyższą. Kilka tysięcy lat istnienia cywilizacji zaowocowało setkami różnych pomysłów. Co ciekawe, sama idea stworzenia wcale nie wyklucza się z teorią Wielkiego Wybuchu.
Załóżmy, że koncepcja ta stanie się kiedyś faktem naukowym. Wówczas pozostanie do rozwiązania jeszcze zagadka samej przyczyny wytrącenia osobliwości z jej przedwiecznego stanu. Dopóki problem ten nie zostanie wyjaśniony, nie można wykluczyć woli Absolutu, który świadomie bądź nie doprowadził do wytrącenia jedynej materii ze stanu jej pierwotnej jedności.
Teoria Wielkiego Odbicia
Pomysł ten jest wariacją teorii Wielkiego Wybuchu. Zgodnie z nią jednorazowy akt stwórczy nie istnieje. Za każdym razem, gdy Wszechświat dochodzi do punktu przesadnego rozrzedzenia materii, następuje odwrócenie procesu. Cofnięcie ekspansji doprowadza do stopniowego zapadania się kosmosu. W rezultacie dochodzi do kolapsu, czyli powrotu do pierwotnej osobliwości. Wówczas ponownie następuje Wielki Wybuch.
Jak długo miałby trwać taki stan? Według niektórych wyliczeń od powstania do zatrzymania ekspansji minąć może 180 mld lat. Można więc założyć, że drugie tyle trwa zapadanie się Wszechświata. Cykliczność tego procesu powoduje, że trudno stwierdzić, w której wersji kosmosu jesteśmy. Równie dobrze może być to pierwsze uniwersum w historii, jak i np. miliardowe.
Hipoteza Wielkiego Odbicia rozwiązuje problem zrozumienia przyszłości Wszechświata. Jeśli przyjmiemy, że akt stwórczy jest jednorazowy, niekończąca się nigdy ekspansja wydaje się bezcelowa. Rozrzedzenie materii w pewnym momencie stałoby się tak wielkie, że nic nowego nie mogłoby już powstać. Po bilionach lat jedną cząstkę elementarną od drugiej dzieliłyby miliardy lat świetlnych. Minusem tej teorii jest brak możliwości udowodnienia, że Wielkie Odbicia występują. Dowiedzenie czegoś, co być może jeszcze nigdy nie zaszło, jest realne być może w teorii, ale nie w praktyce.
Teoria stanu stacjonarnego
Koncepcja ta została już przeze mnie w tym tekście kilkukrotnie wspomniana. Zakłada ona, że stan obecny miał miejsce zawsze. Kosmos miałby nie mieć swojego początku. Nigdy nie nastąpi też jego koniec. Pojęcia te odnoszą się jedynie do wszystkiego, co się w nim znajduje.
Teoria stanu stacjonarnego jest obecnie najmniej popularną z hipotez stworzenia Wszechświata. Ma ona bowiem fundamentalne wady. Po pierwsze jej zwolennicy nie są w stanie wyjaśnić istnienia mikrofalowego promieniowania tła. Według koncepcji stacjonarnej miałoby ono pochodzić od wymarłych dawno gwiazd. Nie tłumaczy to jednak równomiernego jego rozłożenia w całym kosmosie.
Hipoteza ta łamie też prawo zachowania masy. Zgodnie z nim materia nie znika i nie pojawia się znikąd. Jej ilość jest stała. Podlega jedynie przemianom. Choć brzmi to dość skomplikowanie, można to wyjaśnić w prosty sposób. Dla przykładu gwiazda w momencie swojej śmierci ulega eksplozji. Część jej materii staje się kolejnym ciałem niebieskim, np. białym karłem lub czarną dziurą. Reszta jest odrzucana w przestrzeń kosmiczną, stając się budulcem kolejnych pokoleń gwiazd.
W koncepcji stanu stacjonarnego powstawanie nowych ciał niebieskich (np. gwiazd) wiązałoby się z tworzeniem materii, której wcześniej nie było. Wszak kosmos jest coraz większy i zawiera w sobie coraz to nowe obiekty. Innymi słowy, materia potrzebna do ich stworzenia musiałaby pojawiać się samoistnie.
Próba podważenia odkryć zjawiska ekspansji i mikrofalowego promieniowania tła byłaby dyskredytująca dla każdego współczesnego astronoma. Z tego względu zwolennicy teorii stanu stacjonarnego próbują dopasować ją do XX-wiecznych odkryć. Wszelkie próby prowadzą jednak do powstawania koncepcji nowych, niepotwierdzonych zjawisk fizycznych. Wygląda więc na to, że hipotezy tej nie da się już obronić.
Teoria wieloświata
Hipoteza ta zakłada istnienie więcej niż jednego Wszechświata. Ich ilość miałaby być nieskończona. Pierwotną koncepcję stworzył Hugh Everett III. Według niego każdy kolejny kosmos powstawałby z innego, już istniejącego. Działoby się to za każdym razem, gdyby dany obiekt fizyczny mógł znaleźć się w kilku równoległych stanach. Jeżeli więc swobodnie krążąca w przestrzeni cząsteczka może odbić się od innej np. w pięciu kierunkach powstanie kolejnych pięć Wszechświatów. Prawo to miałoby dotyczyć wszelkiej materii, także istot żywych.
Oryginalna koncepcja Everetta zakłada, że każdy kolejny kosmos opierałby się na takich samych prawach fizyki. Przeciwne zasady prezentuje M-teoria. Odpowiedzialny za jej powstanie Edward Witten stwierdził, że Wszechświat, w którym żyjemy, składa się co najmniej z 11 wymiarów. Ludzie postrzegają jedynie cztery z nich (trzy przestrzenne i czas). Pozostałe miałyby być zbyt małe, by były dostrzegalne.
Fakt, że pozostałe siedem lub więcej wymiarów jest przed nami ukryte, nie wpływałby bynajmniej na ich nieistotność. Wszystkie razem miałyby mieć znaczenie podczas kolizji pewnych obiektów w przestrzeni. Nazywane są one strunami. Są to hipotetyczne podłużne i ekstremalnie małe formy materii. Ich wielkość nieznacznie przekraczałaby tylko skalę Plancka, która we współczesnej fizyce jest minimalną granicą wielkości obiektów. Poniżej tej wartości nie jest już możliwe przeprowadzanie żadnych eksperymentów naukowych.
To właśnie ze strun nich miałaby się składać wieloświat, czyli nadrzędne dla wszystkich uniwersum. Kolizje poszczególnych strun miałby przyczyniać się do zamiany energii w materię, a w konsekwencji do powstawania nowych wszechświatów. Zgodnie z podobną teorią struny reprezentują wymiary. Przytrzymywane są przez swoiste mocowania – brany. Ich zderzenia miałyby być przyczyną powstawania nowych kosmosów.
Jako ciekawostkę podam jeszcze jedną koncepcję związaną z wieloświatem. Niektórzy naukowcy twierdzą, że teoretycznie podróż do pozostałych kosmosów byłaby możliwa. Oczywiście nikt nie wie w jaki sposób. Nie jest też wcale powiedziane, że podróż do miejsca kierującego się innymi zasadami fizyki nie skończyłaby się unicestwieniem hipotetycznego astronauty.
Teoria wieloświatów niweluje problem wyjątkowości kosmosu jak jedynego zjawiska w przyrodzie niemającego swojego odpowiednika. Koncepcja ta rodzi jednak kolejne pytania. Czy wieloświat też kiedyś powstał? Jeśli tak, to kiedy i jak? Czy on sam na pewno jest jeden? Co więcej, udowodnienie tej teorii zdaje się przekraczać możliwości, jakie kiedykolwiek da ludzkości postęp naukowy.
Teoria Wielkiej Kraksy
Ostatnia z hipotez, o których chcę Ci powiedzieć, przypomina nieco znane astronomom zderzenia galaktyk. W tym modelu byłby nią każdy wszechświat. W przeciwieństwie do tego, w którym żyjemy, na początku każdy byłby jednowymiarowy. Dopiero kolizja większej ich ilości pozwalałaby na stworzenie jednego, wielowymiarowego kosmosu.
W przypadku tej koncepcji również problemem jest powstawanie kolejnych pytań. Należałoby wyjaśnić, czy jednowymiarowe wszechświaty istnieją od zawsze w przestrzeni wieloświata, czy może w jakiś sposób powstają. Powraca też pytanie o istotę wieloświata. Czym jest? Kiedy powstał i czy w ogóle?
Zaletą teorii Wielkiej Kraksy jest jednak znalezienie rozwiązania nierównomiernego rozkładu materii w naszym Wszechświecie. Odpowiadać miałaby za to przypadkowość zderzenia z innym kosmosem. Tworzyłoby to równie losowe skupiska materii. Daje to przewagę nad hipotezą Wielkiego Wybuchu. Temu modelowi brakuje wytłumaczenia, dlaczego nie rozłożyła się ona jednorodnie, lecz zaczęła tworzyć lokalne zbiory. Samoistne tworzenie galaktyk pośrodku kosmicznej próżni wydaje się bowiem mało prawdopodobne.
Powstanie materialnego świata nie przestaje fascynować ludzi od tysięcy lat. Nic dziwnego, wszak nie ma większej i ważniejszej tajemnicy do odkrycia. Niestety, postęp nauki w żaden sposób nie przybliżył nas do poznania prawdy. Wręcz przeciwnie, kolejne odkrycia rodzą nowe wątpliwości. Czy kiedykolwiek uda się nam wydrzeć materii jej największy sekret? A może na zawsze pozostanie to poza zasięgiem ludzkiej percepcji? Tego nie wiem, ale myślę, że próby znalezienia genezy wszystkiego doprowadzą do wielu innych, doniosłych odkryć.
