Twoja wyszukiwarka

MICHIO KAKU
CO WYDARZYŁO SIĘ PRZED WIELKIM WYBUCHEM?
Wiedza i Życie nr 2/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 2/1997

WEDŁUG NAJNOWSZYCH TEORII NASZ WSZECHŚWIAT JEST TYLKO JEDNYM Z WIELU, KTÓRE TWORZĄ WIĘKSZY WIELOŚWIAT.

Podczas wykładów, które wygłaszałem, promując w Wielkiej Brytanii moją książkę Hiperprzestrzeń, często zadawano mi pytanie:

JAKI JEST NAJDALSZY OBIEKT WE WSZECHŚWIECIE?

GOŁYM OKIEM MOŻEMY Z ŁATWOŚCIĄ SIĘGAĆ W DAL NA SETKI, A NAWET TYSIĄCE LAT ŚWIETLNYCH, CZYLI NA ODLEGŁOŚĆ, JAKA DZIELI NAS OD MIGOCZĄCYCH GWIAZD, KTÓRE ZDOBIĄ W POGODNĄ NOC NIEBIESKI FIRMAMENT.

Wystarczy jednak skierować lornetkę na Drogę Mleczną, aby blada mgiełka stała się świetlistym pasmem gwiazd, które leżą dziesiątki tysięcy lat świetlnych od nas.

Posługując się najsilniejszymi teleskopami, odkrywamy najdalsze kwazary. Ich przesunięte ku czerwieni widmo mówi nam, że leżą one w odległości miliardów lat świetlnych od nas, na skraju obserwowalnego Wszechświata.

Na jeszcze większych odległościach napotykamy echo stworzenia. W roku 1992 satelita COBE przeprowadził szczegółowe pomiary mikrofalowego promieniowania o temperaturze 3 kelwinów, które jednorodnie wypełnia Wszechświat. To stare, szczątkowe promieniowanie, starsze nawet od gwiazd, pochodzi z okresu, gdy od Wielkiego Wybuchu - który wydarzył się najprawdopodobniej 10-20 mld lat temu - upłynęło zaledwie 300 tys. lat.

Jednak prawie zawsze ktoś z publiczności zadawał mi następne niewinnie brzmiące pytanie: Ale co się wydarzyło przed Wielkim Wybuchem, panie profesorze?

W tym momencie zauważałem zwykle nieznaczny uśmieszek satysfakcji pojawiający się na twarzach niektórych osób na sali, przekonanych, że zapędzili wykładowcę w kozi róg. Wiedziałem, że oczekiwali, iż rozłoęż ręce i ze wzrokiem utkwionym w sufit westchnę filozoficznie: My, naukowcy, po prostu nie wiemy. Nie mamy o tym pojęcia. Jest to jedna z wielkich nie wyjaśnionych tajemnic natury. Możliwe, że nigdy się nie dowiemy.

Zobaczyłem wiele zaskoczonych twarzy, gdy odpowiedziałem: Cieszę się, że pan o to zapytał, ponieważ jest to temat dzisiejszego wykładu. Zajmiemy się dzisiaj właśnie tym, co prawdopodobnie wydarzyło się przed narodzinami Wszechświata. Analizowaniem tego problemu zarabiam na życie.

RODZI SIĘ NOWA NAUKA

Moich słuchaczy zbija z tropu stwierdzenie, że fizyka Wszechświata przed Wielkim Wybuchem stała się jedną z najmodniejszych dziedzin badań w przodujących laboratoriach na całym świecie. Narodzinom nowej nauki, zwanej kosmologią kwantową, których świadkami właśnie jesteśmy, towarzyszy wyczuwalna atmosfera podniecenia. Chociaż nie ma jeszcze doświadczalnych dowodów przemawiających za poprawnością kosmologii kwantowej, teoria ta ma tak nieodparty urok, że znalazła się w centrum intensywnych badań naukowych. Już teraz zmusiła nas, niemal wbrew naszej woli, abyśmy stawili czoło niezwykłym możliwościom istnienia wszechświatów równoległych, tuneli czasoprzestrzennych i dziesiątego wymiaru. Tematyka ta pociąga wielu fizyków, idących w ślad za takimi pionierami, jak Stephen Hawking czy laureat Nagrody Nobla Murray Gell-Mann.

Na pierwszy rzut oka termin "kosmologia kwantowa" wydaje się oksymoronem, takim jak "koliber wielki". W końcu kosmologia wywodzi się z ogólnej teorii względności Einsteina, czyli teorii grawitacji. Fizycy posługują się nią, aby opisać rozszerzający się Wszechświat; można go porównać do nadmuchiwanego balonika, którego gładka powierzchnia pokryta jest bilionami malutkich galaktyk. Teoria kwantowa natomiast opisuje świat subatomowy, który zaludniają tysiące niezwykłych mieszkańców, takich jak elektrony, protony, kwarki, a może nawet superstruny.

Podobnie jak oliwa i woda, ogólna teoria względności i teoria kwantowa nigdy się ze sobą nie mieszają. Zupełnie inaczej podchodzą na przykład do opisu grawitacji. Z punktu widzenia ogólnej teorii względności grawitacja pojawia się wskutek zakrzywienia ciągłej, gładkiej tkanki czasoprzestrzeni, natomiast z punktu widzenia teorii kwantowej jest ona wynikiem wymiany małych porcji energii, zwanych grawitonami.

Przez ostatnie 50 lat ogólna teoria względności i teoria kwantowa były w stanie zimnej wojny. Każda z nich rozwijała się niezależnie od drugiej i każda miała na swym koncie niekwestionowane sukcesy, o ile pozostawała na swoim terenie. Te dwie teorie muszą się jednak spotkać w chwili Wielkiego Wybuchu, kiedy siła grawitacji i temperatura były tak olbrzymie, że nawet cząstki elementarne musiały ulec rozerwaniu. Przy takich energiach teoria Einsteina staje się bezużyteczna, ustępując pola teorii kwantowej. Efekty kwantowe zaczynają przeważać nad efektami ogólnej teorii względności przy temperaturze 1032 kelwinów, czyli bilion bilionów razy gorętszej niż temperatura panująca w centrum wybuchającej bomby wodorowej.

Innymi słowy, tajemnica Wielkiego Wybuchu leży w połączeniu tych dwóch teorii w teorię wszystkiego, która zawierałaby je obie. Fizycy potrzebują kwantowej teorii grawitacji, która opisywałaby zarówno subatomowy świat kwantów, jak i strukturę Wszechświata. Z tego niezwykłego mariażu ogólnej teorii względności i teorii kwantowej wynikają jeszcze bardziej niezwykłe konsekwencje, takie jak wszechświaty równoległe i hiperprzestrzeń.

Jedna z zasad kosmologii kwantowej mówi, że Wszechświat należy traktować jak cząstkę kwantową, a najprostszą cząstką jest elektron. W szkole na lekcjach chemii dowiadujemy się, że nigdy nie wiadomo na pewno, na którym poziomie energetycznym znajduje się elektron; fluktuacje kwantowe powodują, że przebywa on jednocześnie na różnych poziomach.

Gdy zatem potraktujemy Wszechświat jak elektron, musimy dojść do wniosku, że może on istnieć równocześnie w kilku różnych stanach, czyli w postaci wszechświatów równoległych.

WSZECHŚWIATY RÓWNOLEGŁE

Sytuację tę może nam przybliżyć prosta analogia z gotującą się wodą (zjawisko to jest efektem kwantowym). W gotującej się wodzie ciągle powstają niewielkie pęcherzyki i bardzo szybko się rozszerzają. Jeśli potraktujemy Wszechświat jako taki pęcherzyk, przekonamy się, że może on istnieć w morzu innych pęcherzyków.

Nasz Wszechświat może więc być po prostu kwantowym pęcherzykiem, powstałym w wyniku fluktuacji kwantowej w nieskończonym oceanie pieniącym się wszechświatami. W tym nieskończonym oceanie, zwanym wieloświatem, ciągle powstają z próżni nowe wszechświaty. Wielkie wybuchy zachodzą więc przez cały czas, a każdy z nich jest kwantową fluktuacją próżni.

Powstawanie wszechświatów z niczego może się wydawać pogwałceniem naszych ukochanych zasad zachowania, dopóki nie uświadomimy sobie, że stworzenie wszechświata nie wymaga żadnej energii. Jeśli wszechświat jest zamknięty jak pęcherzyk, energia jego materii jest dodatnia, natomiast jego energia grawitacyjna jest ujemna, co w sumie daje dokładnie zero (energia grawitacyjna danego ciała jest ujemna, ponieważ wydobycie go ze studni potencjału grawitacyjnego wymaga dostarczenia dodatniej energii). Aby zatem stworzyć nowe pęcherzyki, powstające ciągle w morzu nicości, nie trzeba dostarczać żadnej energii. Wszechświaty są za darmo.

To jednak za mało, by stworzyć wszechświat w laboratorium. Jak zauważył Alan Guth, twórca teorii inflacji, aby powołać do życia wszechświat potomny we własnej piwnicy, należałoby podgrzać materię do tysiąca bilionów bilionów stopni. (Energia netto tego układu mogłaby jednak ciągle wynosić zero, ponieważ dodatnia energia skupiona w piwnicy wytwarza otaczające układ silne pole grawitacyjne, którego energia jest ujemna).

Andriej Linde z Uniwersytetu Stanforda, jeden z twórców teorii inflacji, jest przekonany, że takie pęcherzyki ciągle powstają i przecinają się nawzajem. W artykule, który ukazał się w styczniowym numerze "Świata Nauki" z 1995 roku Linde napisał: Jeśli moi koledzy i ja mamy rację, to może już wkrótce pożegnamy się z wyobrażeniami, według których Wszechświat pojawił się jako ognista kula w wyniku Wielkiego Wybuchu.

Ten nowy obraz Wszechświata powoduje, że inaczej patrzymy na religijną mitologię. Większość mitów dotyczących pochodzenia Wszechświata można podzielić na dwie kategorie: judeochrześcijański mit Genesis, według którego świat został stworzony w pewnym określonym momencie, oraz hinduistyczno-buddyjski mit Nirwany, mówiący o bezkresnym Wszechświecie, który nie ma początku ani w czasie, ani w przestrzeni. Obecnie możemy połączyć te dwie mitologie w jeden spójny obraz: Stworzenie jest procesem ciągłym, wszechświaty wyłaniają się przez cały czas z oceanu kosmicznej nicości - Nirwany.

ŻYCIE WE WSZECHŚWIECIE RÓWNOLEGŁYM

Brałem kiedyś udział w dyskusji z laureatem Nagrody Nobla Stevenem Weinbergiem. Kiedy wspomniałem o milionach wielkich wybuchów, zachodzących ciągle w nicości, Weinberg powiedział: Ta wizja wydaje mi się bardzo pociągająca i z pewnością należy ją traktować poważnie. Wynika z niej ważny wniosek: nie było początku, tylko coraz większe wielkie wybuchy, a [wieloświat] trwa wiecznie. Nie trzeba zmagać się z pytaniem, co było przed Wielkim Wybuchem. [Wieloświat] istniał przez cały czas. To bardzo pociągająca idea.

Weinberg ostrzegał jednak, że w innych wszechświatach może nie być życia. Większość z nich jest prawdopodobnie martwa, gdyż na przykład czas życia protonu jest krótszy niż 10 miliardów lat (minimalny okres konieczny do tego, aby mogły powstać stabilne związki organiczne, DNA i samo życie).

Fizykom trudno jest zbudować teorie, w których czas życia protonu byłby wystarczająco długi, aby zdołały uformować się życiodajne cząsteczki. Inne wszechświaty mogą więc być martwymi morzami neutrin, fotonów i elektronów, które nigdy nie połączą się ze sobą, tworząc życie. Prawdopodobnie nasz Wszechświat należy do nielicznych, w których pojawiło się życie.

Ten zniewalający obraz stworzenia, jaki wyłania się z kosmologii kwantowej, może również pomóc rozwiązać zagadkę zasady antropicznej. Fizycy od dawna zdają sobie sprawę z niezwykłego zbiegu okoliczności: podstawowe stałe przyrody przyjmują wartości umożliwiające zaistnienie życia. Czyżby życie było zatem szczególną własnością Wszechświata? Jak powiedział Freeman Dyson z Institute for Advanced Study w Princeton: Wygląda na to, że Wszechświat się nas spodziewał. Gdyby na przykład tylko nieznacznie zmienić wartość elementarnego ładunku elektrycznego lub stałą grawitacji, nie mogłyby powstać stabilne cząsteczki DNA. Według silnej zasady antropicznej dowodzi to istnienia boskiej istoty.

Kosmologia kwantowa oferuje jednak inne proste wyjaśnienie: być może istnieje nieskończona liczba możliwych wszechświatów o różnych stałych fizycznych. Żyjemy po prostu w tym, w którym życie mogło powstać. Wyjaśnia to, dlaczego w ogóle mogliśmy się tu znaleźć i zajmować się tym problemem. Nie jest więc przypadkiem, że stałe fizyczne umożliwiają powstanie życia; w rzeczywistości współistniejemy z mnóstwem martwych wszechświatów, w których stałe fizyczne mają wartości nie dające się pogodzić z istnieniem stabilnych cząsteczek DNA.

Fot. NASA

Jednak nawet jeśli większość wszechświatów jest martwa, pojawia się drażliwe pytanie: czy istnieją wszechświaty przypominające nasz? Niektóre z nich mogą być przecież wiernymi kopiami naszego Wszechświata, z wyjątkiem niewielkich kwantowych szczegółów.

Istnieje anegdota o rosyjskim fizyku, składającym po raz pierwszy wizytę w Stanach Zjednoczonych, który poprosił, aby pokazano mu Las Vegas. Jego amerykańscy gospodarze wzięli go za wytrawnego hazardzistę i bardzo chcieli się dowiedzieć, jaka jest jego strategia. Rosjanin odpowiedział, że postawi wszystkie swoje pieniądze, każdego centa, w pierwszym zakładzie. Jego gospodarze protestowali: To śmieszne! Tak - odparł - ale w jednym z wszechświatów równoległych będę bogatszy, niż mogę sobie wyobrazić!

Dziwne, choć być może prawdziwe. Trzeba jednak pamiętać, że w milionach innych wszechświatów będzie zupełnie spłukany.

Pojawia się jeszcze inne drażliwe pytanie: czy możemy odwiedzać równoległe wszechświaty? Czy idąc pewnego dnia główną ulicą miasta, możemy napotkać wyłaniającą się przed nami przestrzenną dziurę, która będzie prowadziła do innego wymiaru lub wszechświata? Czy obudziwszy się pewnego ranka, możemy stwierdzić ze zdziwieniem, że znajdujemy się w świecie, w którym nasza rodzina nigdy o nas nie słyszała?

Pytanie to nie jest bezzasadne. Stephen Hawking wyobraża sobie, że nasz Wszechświat jest połączony rozległą nieskończoną siecią niewidzialnych nici z innymi pęcherzykami-wszechświatami. Sieć łącząca te wszechświaty składa się z tuneli czasoprzestrzennych, które są przejściami w przestrzeni.

W zasadzie więc odpowiedź brzmi: tak, tunele czasoprzestrzenne łączą nasz Wszechświat z innymi. Nie należy się jednak obawiać, że wpadniemy w jeden z nich. Nawet pobieżne oszacowanie pra-
wdopodobieństwa takiego zdarzenia pozwala stwierdzić, że nie dojdzie do niego w czasie istnienia naszego Wszechświata.

Przedstawiony obraz ma jednak pewien defekt. Kiedy próbujemy obliczyć wielkość fluktuacji kwantowych, dzięki którym powstają nowe wszechświaty, wynik "wybucha", czyli pojawiają się w nim nieskończoności i teoria traci sens. Proste połączenie ogólnej teorii względności Einsteina z teorią kwantową nie wystarczy.

DZIESIĄTY WYMIAR

Problem skonstruowania prawdziwej, ścisłej kwantowej teorii grawitacji - unifikacji teorii kwantowej i ogólnej teorii względności - prześladował największe umysły XX wieku, łącznie z Einsteinem.

Pewnego razu laureat Nagrody Nobla Wolfgang Pauli przedstawiał swoją propozycję teorii wszystkiego, gdy wśród publiczności był obecny Niels Bohr, na którym teoria nie wywarła szczególnego wrażenia. Podniósł rękę i powiedział: Wszyscy tutaj na sali zgadzamy się, że twoja teoria jest szalona. Nie możemy się jednak zgodzić co do tego, czy jest ona wystarczająco szalona.

Wszystkie zdroworozsądkowe propozycje teorii wszystkiego okazały się matematycznie niespójne. Zmuszeni jesteśmy pójść dalej i stworzyć wyższą teorię, która połączy w spójną całość zarówno ogólną teorię względności, jak i teorię kwantową. Obecnie jedyną (powtarzam: jedyną) kandydatką na teorię wszystkiego jest teoria superstrun.

Teoria superstrun jest z pewnością wystarczająco szalona. Postuluje ona, że wszystkie cząstki, jakie obserwujemy we Wszechświecie, łącznie z atomami naszych ciał, składają się z małych wibrujących strun. Rezonanse, czyli "dźwięki" tych strun, tworzą meneżerię cząstek elementarnych (elektrony, kwarki, fotony i tak dalej). Wszechświat jest symfonią drgających strun, a zasady harmonii są znanymi nam prawami fizyki.

Einstein zadał kiedyś pytanie: Czy Bóg tworząc Wszechświat miał jakiś wybór? Wygląda na to, że nie. Zasady ogólnej teorii względności i teorii kwantowej są sobie tak obce, że jakakolwiek teoria łącząca je w spójną całość musi nie tylko mieć olbrzymią moc, ale również być bardzo dobrze określona. Teoria wszystkiego musi odtwarzać teorię grawitacji Einsteina na dużych odległościach, a kwantową teorię cząstek na małych, i poza tym powinna być (jak sądzimy) pojęciowo prosta. Te warunki narzucają tak duże ograniczenia, że możliwe, iż istnieje tylko jedno rozwiązanie tego problemu.

Fot. NASA

Zaskakujące jest to, że teoria superstrun ogranicza liczbę wymiarów przestrzeni i czasu do dziesięciu. Szczególną cechą teorii superstrun jest to, że mikroskopijne struny (około 100 miliardów miliardów razy mniejsze od protonu) mogą drgać tylko w dziesięciowymiarowej czasoprzestrzeni.

Mistycy, filozofowie i autorzy literatury fantastycznonaukowej zawsze fascynowali się wyższymi wymiarami. Teraz jednak mamy matematyczne powody, aby wierzyć w dziesięciowymiarową czasoprzestrzeń, ponieważ tylko we wszechświecie o takiej liczbie wymiarów jest wystarczająco dużo miejsca, aby pomieścić zarówno teorię kwantową, jak i teorię Einsteina. (Jeśli zapiszemy teorię superstrun, powiedzmy, w 12 lub 13 wymiarach, staje się ona matematycznie niespójna. Wszechświat, który początkowo miałby taką liczbę wymiarów, byłby niestabilny i zredukowałby się do wszechświata dziesięciowymiarowego).

W ten sposób narodził się nowy, zaskakujący obraz kosmologii kwantowej. Dziesięciowymiarowe pęcherzyki-
-wszechświaty są niestabilne. Nasz pęcherzyk wkrótce po powstaniu podzielił się na dwie części: cztero- i sześciowymiarowy wszechświat. Wszechświat sześciowymiarowy zapadł się i te wymiary uległy takiemu skręceniu (są 10 bilionów bilionów razy mniejsze od atomu), że nie możemy ich zobaczyć. Jednak zapadnięcie się sześciowymiarowego wszechświata umożliwiło ekspansję naszego czterowymiarowego Wszechświata, dając w efekcie rozszerzający się kosmos, który obserwujemy dzisiaj. Jest on produktem ubocznym o wiele bardziej gwałtownego zdarzenia, jakim było rozbicie dziesięciowymiarowej czasoprzestrzeni.

Oznacza to również, że inne pęcherzyki mogą rozpadać się na 5, 6, 7, 8 lub 9 wymiarów. Można jednak wykazać, że w takich pęcherzykach nie pojawiło się życie. Fizyka mówi nam, że stabilne układy gwiazdowe, atomy i protony mogą istnieć tylko w czterowymiarowym wszechświecie. Nasz Wszechświat ma prawdopodobnie cztery wymiary dlatego, że w przeciwnym razie w ogóle by nas tu nie było i nie moglibyśmy zastanawiać się nad tym problemem.

SPRAWDZAJĄC NIESPRAWDZALNE

Istnieje fundamentalna różnica między religijną mitologią a kosmologią kwantową. Mitologia nie ma naukowych aspiracji; nie spełnia wymogu falsyfikowalności, to znaczy nie jest możliwy eksperyment, jednoznacznie wykluczający istnienie aniołów czy cudów, które (z definicji) są niepowtarzalne. Kosmologię kwantową będzie można jednak potwierdzić albo obalić. Aby sprawdzić jej przewidywania, nie musimy jednak czekać, aż wpadniemy do wszechświata równoległego.

Satelita COBE wykrył na przykład niewielkie zmarszczki w jednorodnym mikrofalowym promieniowaniu tła. Ma to duże znaczenie, ponieważ prawdopodobnie odpowiadają one fluktuacjom kwantowym, które istniały w chwili Wielkiego Wybuchu. Jesteśmy ich dziećmi. Albowiem fluktuacje kwantowe, powstałe na początku czasu, rosły stopniowo przez miliardy lat tworząc galaktyki, gwiazdy i planety, które obecnie obserwujemy.

Kolejnych sprawdzianów tego scenariusza mogą dostarczyć poszukiwania ciemnej materii. Wiele obserwacji zdaje się potwierdzać istnienie tej tajemniczej, niewidocznej formy materii, która stanowi prawdopodobnie 90% masy Wszechświata. Nasza gromada galaktyk, zwana Grupą Lokalną, rozpadłaby się miliardy lat temu, gdyby nie utrzymywało jej w całości przyciąganie olbrzymich ilości niewidocznej materii. Jednym z głównych kandydatów na cząstki ciemnej materii są s-cząstki (skrót od "super-cząstek"), składniki nowej formy materii, odpowiadające najniższym częstościom drgań superstrun. Na początku przyszłego stulecia powinniśmy określić dokładnie naturę ciemnej materii, a to z kolei pozwoli nam potwierdzić lub obalić wiele hipotez teorii superstrun i kosmologii kwantowej.

Wybiegając jeszcze dalej w przyszłość, możemy oczekiwać, że pewnego dnia odkryjemy nową formę resztkowego promieniowania pozostałego po Wielkim Wybuchu - tła neutrinowego. Jeśli to ciągle nieuchwytne promieniowanie zostanie odkryte, dostarczy nam "zdjęcia" Wszechświata, kiedy miał on tylko 3 sekundy. Zmarszczki w tle neutrinowym pozwoliłyby nam zajrzeć w środek ognistej kuli, kiedy stworzone przez superstruny fluktuacje kwantowe były dominującymi siłami w rozszerzającym się kosmosie.

Następne stulecie zapowiada się bardzo ekscytująco dla badań nad naturą ciemnej materii oraz tłem mikrofalowym i neutrinowym. Odkrycia astrofizyków XXI wieku dostarczą nam informacji na temat pierwszych chwil stworzenia i być może potwierdzą istnienie innych wszechświatów.

Jaki jest więc najdalszy obiekt w multiwszechświecie? Prawdopodobnie jest to coś, co unosi się gdzieś w odległym pęcherzyku-wszechświecie. Jak powiedział kiedyś brytyjski filozof J. B. S. Haldane: Wszechświat jest nie tylko dziwniejszy niż sobie wyobrażamy, jest dziwniejszy niż potrafimy sobie wyobrazić.

Tłumaczyli:
Ewa L. Łokas i Bogumił Bieniok

Michio Kaku (MKAKU@aol.com) jest profesorem fizyki teoretycznej na City University w Nowym Jorku. Jest współtwórcą teorii strun i autorem bestsellera Hiperprzestrzeń. Naukowa podróż przez wszechświaty równoległe, pętle czasowe i dziesiąty wymiar, którego polskie wydanie ukazało się w 1995 roku w serii "Na ścieżkach nauki".

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(02/97) NIEZWYKŁE DZIEJE STWORZENIA