Wprowadzenie
Niech się stanie Wszechświat. Przez kosmologów powstanie znanego nam (jeszcze 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).
Tytułem uzupełnienia – kosmologia zajmuje się najbardziej ogólnymi dociekaniami na temat początków i dalszej historii oraz przyszłości naszego Wszechświata. To coś innego niż zrodzona w starożytności astronomia – poznawanie tego co we Wszechświecie jest dla nas widzialne. Rozwój fizyki i technologii umożliwił w wieku XX konstruowanie instrumentów naziemnych i wysyłanych w kosmos (teleskopów, sond, łazików) pozwalających na zbieranie coraz dokładniejszych informacji. Zaczęto analizować wyniki gromadzonych pomiarów wartości fizycznych parametrów opisujących funkcjonowanie Wszechświata.
Dało to początek nowej dziedziny nauki – astrofizyki i przejście od obserwacji do matematycznego opisu zebranych informacji. Tożsamość astronomii i astrofizyki zaczęła się wtedy zacierać. Astrofizyka opiera swoje dokonania na fundamentach fizyki teoretycznej – eksperymentach myślowych oraz tworzeniu koncepcji, przybliżeń i modeli zwieńczonych zależnościami matematycznymi. Za ojca chrzestnego astrofizyki należy uznać właśnie fizyka teoretycznego Alfreda Einsteina. Obecnie wymienione wyżej dziedziny nauki bardzo splotły się ze sobą, i często ich nazwy bywają używane zamiennie, jednak reprezentujący je specjaliści wolą pozostawać przy nazwach swoich dyscyplin.
No dobrze, ale jak to było z Wielkim Wybuchem? Co tak naprawdę wybuchło, i co było wcześniej? Tego naukowo raczej nie dowiemy się nigdy. Jak na razie pozostaje zaakceptowanie Wielkiej Tajemnicy, Stwórcy, Boga. Już sama nazwa „Wielki Wybuch” jest bardzo przewrotna – z angielskiego ”Big Bang” należałoby przetłumaczyć jako „Wielki Huk”. Dowodów „Wielkiego Huku” nie ma i nie będzie z bardzo prostej przyczyny. Fale akustyczne, wymagają przestrzeni, fizycznych cząstek jako nośnika głosu, a także czasu, a w chwili Wielkiego Wybuchu żadnego z tych warunków nie było. Huku zatem też nie było. Nazwa była jednak tak atrakcyjna, że nadal trwa.
Kosmologiczny Wielki Wybuch
Kilkadziesiąt ostatnich lat badań coraz odleglejszej przestrzeni kosmicznej, prowadzonych przez astrofizyków oraz analiz prowadzonych przez fizyków teoretycznych wykazuje, że właściwie o pierwszych chwilach istnienia Wszechświata nic nie wiemy. Co więcej, uznaje się, że akt i przyczyna stworzenia Wszechświata leżą poza granicami naukowego poznania. Stuletnia „teoria” (jak wszędzie czytam) Wielkiego Wybuchu doczekała się mocnej krytyki i kolejnych zastępczych hipotez. Należy mieć zastrzeżenie do samego określenia, że jest to „teoria”. Zgodnie z prawidłami nauki, teoria wymaga przedstawienia dowodów, choćby najsłabszych. A jeżeli dowodów ani poszlak nie ma, pozostaje stawianie hipotez.
Dowodów pośrednich, jaki mógł być początek naszego Wszechświata, poszukuje się w oparciu o udokumentowane wyniki badań astrofizyków dotyczących późniejszych procesów kosmicznych, ale to nie wystarcza. Jak zatem, i z czego powstał Wszechświat próbuje się tłumaczyć zaistnienia fizycznej osobliwości (bez rozmiaru?) o nieskończenie wielkiej energii, która w procesie inflacji błyskawicznie przekształciła się w materię, najpierw plazmę cząstek elementarnych, a później w najlżejsze atomy – wodoru i helu. Tyle tylko, że nikt nie wie, czym miałaby być ta pierwotna osobliwość. Istnienia takiej osobliwości nie da się wytłumaczyć ani teorią względności Einsteina, bo dotyczy ona pola grawitacyjnego wynikającego z istnienia masy. Osobliwości nie tłumaczy też teoria mechaniki kwantowej, bo dotyczy cząstek elementarnych, a te powstały dopiero podczas Wielkiego Wybuchu. Z kolei przyjęcie hipotezy inflacji prowadzi do kolejnej hipotezy multiuniwersum, czyli istnienia wieloświatów. Pozostańmy zatem na razie przy z gruntu fałszywym określeniu Wielkiego Wybuchu.
Początek Wszechświata podczas Wielkiego Wybuchu definiuje się jako tzw. erę Plancka mierzoną w krytycznie małej jednostce „czasu Plancka” ~10−43 s. Wtedy zaistniał czas i zaczęła się tworzyć przestrzeń (zgodnie z definicją podaną przez Einsteina – czasoprzestrzeń), którą zaczęły wypełniać powstające cząstki elementarne (energia bez masy) – neutrina, kwarki, leptony, fotony, gluony, grawitony, bozony. A może jednak cząstki elementarne mają masę? Przynajmniej niektóre z nich zachowują się tak, jakby miały masę.
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 oparte o ślady odnajdywane w późniejszym, poznawalnym już Wszechświecie formułują w kategoriach prawdopodobieństwa.
Naukowe poznawanie historii Wszechświata napotyka 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 w postaci promieniowania elektromagnetycznego określanego jako promieniowanie tła. Zaczęły powstawać pierwsze atomy wodoru i helu, a procesom tym towarzyszyło emitowanie olbrzymiej ilości energii.
Najstarszym, wykrywalnym obecnie kosmicznym śladem i dowodem Wielkiego Wybuchu ma być mikrofalowe promieniowanie tła pochodzące z najdalszych i najzimniejszych kresów Wszechświata. Na skutek ekspansji Wszechświata domniemana temperatura spadła tam do zaledwie około 2,7o powyżej zera absolutnego, które wynosi −273,15oC. Mikrofalowe promieniowanie tła jest obrazowane jako zróżnicowanie barwnych plam wynikających z niewielkich wahań temperatury.
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. Po przeczytaniu całego Kwantechizmu chyba najlepiej zrozumiałem sentencję o koszu na śmieci. 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? I oto okazuje się, że w nauce też przyjmuje się jednak coś na wiarę. Są to przyjęte w matematyce fundamentalne pojęcia pierwotne (powiedziałbym oczywistości oczywiste), w oparciu o które definiuje się pojęcia matematyczne wyższego rzędu. Należy tu nie tylko punkt, ale też linia czy płaszczyzna. Ponieważ są jeszcze geometrie nieeuklidesowe, pomyślałem że może tam znajdę wyjaśnienie. Nic z tego, znajduję tam tylko przejście od geometrii płaszczyzny do geometrii przestrzeni.
Czy to oznacza, że materialny Wszechświat powstał z niczego (bo punkt 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.
Pozostaje jednak fundamentalne pytanie o praprzyczynę powstania Wszechświata. Dla wierzących w Boga odpowiedź jest prosta – niematerialny Stworzyciel – Bóg. Niewierzący odpowiedzi nie znają. 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 rządzącej światem subatomowym mechaniki kwantowej są tak odmienne od znanych nam praw mechaniki klasycznej Newtona i ogólnej teorii względności Einsteina? Jest to obecnie największe zmartwienie fizyków teoretycznych, którzy dążą do sformułowania jednolitej tzw. Teorii Wszystkiego. Formułowane są w tym obszarze różne hipotezy, ale jak dotychczas, żadna z nich nie okazała się prawdziwa.