Niech się stanie Wszechświat. Dziwnie to wyszło – najpierw wpis o biologicznym życiu na Ziemi, a później o tym co było długie miliardy lat wcześniej. Przez kosmologów powstanie znanego nam (jeszcze bardzo, ale to bardzo mało) Wszechświata tłumaczone jest teorią Wielkiego Wybuchu (albo Gorącego Wybuchu) niezwykle gęstego skupienia materii (czy też tzw. pierwotnej osobliwości) przed około 13,7 miliardami lat (w różnych źródłach 13,6 do 13,8 mld lat). Sama nazwa „Wielki Wybuch” jest nieco żartobliwa – z angielskiego ”Big Bang” należałoby przetłumaczyć jako „Wielki Huk”. Dowodów „Wielkiego Huku” nie mamy (i prawdopodobnie mieć nie będziemy), jednak kilkadziesiąt ostatnich lat badań coraz odleglejszej przestrzeni kosmicznej, prowadzonych przez astrofizyków oraz analiz prowadzonych przez fizyków teoretycznych wskazuje na duże prawdopodobieństwo, że tak właśnie mogło być. Ale można mieć tu zastrzeżenie do samego określenia, że jest to „teoria”. Zgodnie z prawidłami nauki, teorię wymaga dowodów, a tych nie ma. Co więcej, uznaje się, że akt i przyczyna stworzenia Wszechświata leżą poza granicami naukowego poznania.
Jednak kilkadziesiąt ostatnich lat badań coraz odleglejszej (tzn. coraz starszej) przestrzeni kosmicznej, prowadzonych przez astrofizyków doświadczalnych wskazuje na duże prawdopodobieństwo, że tak właśnie mogło być. Dowody pośrednie oparte są na udokumentowanych wynikach badań kosmologicznych dotyczących późniejszych procesów kosmicznych.
Jako początek Wszechświata podczas Wielkiego Wybuchu podaje się tzw. erę Plancka mierzoną w krytycznie małej jednostce „czasu Plancka” ~10−43 s. Wtedy zaistniał czas i zaczęła się tworzyć przestrzeń, którą zaczęły wypełniać powstające cząstki elementarne (energia bez masy) – neutrina, kwarki, leptony, fotony, gluony, grawitony, bozony. Proponuje się, że o dalszym rozwoju Wszechświata miały zadecydować pierwsze 3 minuty. Jak uwierzyć w tak precyzyjnie proponowane zdarzenia, jeżeli Wszechświat istnieje od ponad 13 mld lat? No cóż, to nie jest obszar ludzkiej percepcji; to obszar, którym zajmują się fizycy teoretyczni usiłujący odczytywać lub odgadywać zdarzenia zachodzące na poziomie mechaniki kwantowej. A swoje wnioski opierają o ślady odnajdywane w późniejszym, poznawalnym już Wszechświecie.
Naukowe poznawanie historii Wszechświata napotyka jednak na nieprzekraczalną granicę określaną czasem jego pierwszych 350-400 tys. Lat. Dopiero kiedy po blisko 400 tys. lat energia plazmy cząstek elementarnych zaczęła przemieniać się w masę, zaistniały odczytywane dziś ślady tego procesu. Zaczęły powstawać pierwsze atomy wodoru i helu, a procesom tym towarzyszyło emitowanie olbrzymiej ilości energii w postaci fal elektromagnetycznych. Najstarszym, wykrywalnym obecnie kosmicznym śladem i dowodem Wielkiego Wybuchu ma być tzw. mikrofalowe promieniowanie tła pochodzące z najdalszych i najzimniejszych kresów Wszechświata, których wiek szacowany jest na około 400 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Na skutek ekspansji Wszechświata domniemana temperatura spadła tam do zaledwie około 2,7oC powyżej zera absolutnego, które wynosi −273,15oC.
Przed zaistnieniem paradygmatu Wielkiego Wybuchu panowała wygodna opinia, że Wszechświat jest niezmienny i trwa wiecznie. Niezmienność Wszechświata uznawał początkowo również nawet Albert Einstein. Niestety dla niego, astrofizycy udowodnili, że Wszechświat stale się rozszerza. W roku 1922 Aleksander Friedman, i to w oparciu o ogólną teorię względności tegoż Einsteina (teoria grawitacji opublikowana w roku 1916), podał równanie opisujące rozszerzanie się Wszechświata. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że do tego samego równania w roku 1927 doszedł także katolicki duchowny, ksiądz Georges Lemaître, astrofizyk teoretyczny, w latach 1960-1966 prezes Papieskiej Akademii Nauk.
Co zatem myśleć o początkowo niewierzącym w rozszerzanie się Wszechświata Einsteinie? Proponował nawet stałą kosmologiczną jako parametr stałości Wszechświata. Dodajmy do tego, że Einstein miał także wątpliwości odnośnie istnienia fal grawitacyjnych oraz nie wierzył w możliwość istnienia czarnych dziur. I znowu – ich istnienie przewidywały przecież jego równania opisujące ogólną teorię względności. Równania są proste, nieco tylko bardziej złożone niż to najsłynniejsze, opisujące równoważność masy i energii. Postanowiłem jednak matematykę w tym opracowaniu całkowicie pominąć. Mocno to dziwne, bo przecież fizyka matematyką stoi, ale niech tu zostanie „po mojemu”. A wracając do Einsteina; ten genialny fizyk teoretyczny (może lepiej byłoby napisać fizyk teoretyk) początkowo nie uznawał całej mechaniki kwantowej. Jak to, największy geniusz fizyki (no, może jeden z największych, obok Isaaka Newtona czy Stephena Hawkinga), nie akceptował wniosków wypływających z jego własnej teorii? Tak bywa, ale to nie przeszkadza w rozwoju naukowego poznawania świata innym uczonym; wręcz przeciwnie – nawet temu poznawaniu sprzyja. W latach trzydziestych XX w. Einstein musiał uznać fale grawitacyjne i mechanikę kwantową. Uznał też, że jego stała kosmologiczna była błędem w rozumowaniu.
Z interesującej książki Andrzeja Dragana (fizyka teoretycznego) „Kwantechizm” dowiedziałem się, jak niezwykle ważnym narzędziem fizyka teoretyka jest kosz na śmieci. Po co? To proste – do odrzucania wcześniej przyjętych hipotez, teorii i paradygmatów. Inne dyscypliny naukowe też dowodzą, że kolejne osiągnięcia w nauce często polegają na obalaniu wcześniej przyjętych prób tłumaczeń badanej rzeczywistości. Nauka funkcjonuje na uruchomieniu myślenia, na wątpliwościach, podejrzeniach i niedowierzaniu; na dociekaniu oraz na potwierdzaniu lub obalaniu proponowanych wcześniej wyjaśnień. No cóż, bywa, że naukowe dowody i niepodważalne fakty są niepodważalne tylko „do czasu”.
Wróćmy jednak do księdza Lemaître’a, ponieważ zasugerował on, że zgodnie z proponowanym modelem matematycznym, cofając się w czasie dojdziemy do stanu, w którym cały Wszechświat istniał w postaci materii skondensowanej w pojedynczym punkcie. Ale tu pojawia się szkolny problem; przecież zgodnie z aksjomatem przyjętym od czasów Euklidesa, punkt jest abstrakcyjnym miejscem, które nie ma wymiarów. No więc jak – jest miejsce o ogromnej masie, które nie ma wymiarów? Okazuje się, że w nauce też przyjmuje się jednak coś na wiarę. Są to tzw. fundamentalne pojęcia pierwotne (powiedziałbym oczywistości oczywiste), przyjęte w matematyce, w oparciu o które definiuje się pojęcia matematyczne wyższego rzędu. Nie tylko te „punkty”, ale należą tu też linia czy płaszczyzna. Ponieważ są jeszcze geometrie nieeuklidesowe, może tam znajdę wyjaśnienie. Nic z tego, nie znajduję tam wymiarowych właściwości punktu, a tylko przejście od geometrii płaszczyzny do geometrii przestrzeni.
Czy to oznacza, że materialny Wszechświat powstał z niczego (bo przecież nie miał wymiarów), i równocześnie że powstał z niesamowicie olbrzymiego potencjału materii bez masy, ale w postaci energii? Tego nie rozumiem. Wolę uznać, że użycie przez Lemaître’a terminu „punkt” nie było aksjomatycznym nadużyciem, a miało tylko obrazowo oznaczać „coś” niezwykle małego, albo lepiej – krytycznie małego. Czysto naukowa, wykraczająca poza jego wiarę w Boga, teoria Lemaître’a została zaakceptowana dopiero po opublikowaniu wyników prac Edwina Hubble’a i Miltona Humasona, dotyczących przemieszczania się galaktyk w rozszerzającym się (a jednak) Wszechświecie. Rodzi się kolejne pytanie – jaka była niematerialna praprzyczyna powstania materialnego Wszechświata? Najprostsza odpowiedź – niematerialny Stworzyciel – Bóg.
Można też zapytać, czy światotwórcze były właściwości samej materii – od właściwości cząstek elementarnych, takich jak kwarki i antykwarki począwszy, przez właściwości protonów i elektronów, po właściwości atomów i niebywale zróżnicowane zbudowane z nich ciała organizmów żywych? Jeżeli wszystkimi tymi cząstkami i procesami z ich udziałem rządziły prawa fizyki, to kto je ustalił? Skąd się wzięły właściwości materii, które ją charakteryzują?
Genialny fizyk teoretyk Albert Einstein, uważał że prawa fizyki, jakie znamy, musiały zaistnieć już w chwili Wielkiego Wybuchu, i od początku mogły kontrolować rozwój Wszechświata. Tymczasem, kolejny najtęższy umysł fizyki XX wieku Stephen Hawking razem z wybitnym kosmologiem Thomasem Hertogiem zaproponowali teorię ewolucji Wszechświata w oparciu o ewolucję praw fizyki. Według tych uczonych znane nam powszechnie prawa fizyki, jak np. oddziaływania jądrowe czy grawitacja wyeluowały z chaosu, jaki panował natychmiast po Wielkim Wybuchu. Początkiem Wszechświata rządziły niedeterministyczne prawa mechaniki kwantowej, zgodnie z którymi można mówić tylko o prawdopodobieństwie zajścia określonych zdarzeń. Jeżeli przyjmiemy takie wyjaśnienie, to prawa fizyki, którą określamy jako fizyka klasyczna przejawiły swoją moc dopiero po zaistnieniu we Wszechświecie kolejnych zdarzeń losowych i utrwaleniu się ich efektów w postaci zróżnicowanych form materii. Tylko dlaczego prawa mechaniki klasycznej Newtona są tak odmienne od praw mechaniki kwantowej rządzącej światem subatomowym?