Twoja wyszukiwarka

JERZY KOWALSKI-GLIKMAN
KOSMOS NA ŻYCZENIE
Wiedza i Życie nr 1/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 1/2000

Gdyby chcieć lapidarnie scharakteryzować nasz Wszechświat, można by powiedzieć, iż jest on jednocześnie skomplikowany i prosty. Skomplikowany dlatego, że gdy rozglądamy się po naszym najbliższym otoczeniu lub za pomocą potężnych teleskopów, patrzymy na najbardziej odległe obiekty, widzimy obraz pełen skomplikowanych struktur: drzew i lasów, gwiazd i galaktyk. Ale nasz świat jest jednocześnie prosty, tak prosty, że możemy poznać go za pomocą kilku niezbyt czułych zmysłów i, a może przede wszystkim, naszego umysłu. To właśnie za sprawą umysłu nieprzerwanie stawiamy przed sobą pytania i poszukujemy na nie odpowiedzi. Spośród nich chyba najważniejszy jest problem, dlaczego świat, w którym żyjemy, jest taki, jaki jest, choć potrafimy wyobrazić sobie inne światy?

Problem ten przez wieki był jednym z fundamentalnych pytań filozofii. Dlaczego, na przykład, pytali filozofowie, na świecie jest tyle bólu i cierpienia; jak pogodzić ów fakt z przyjmowanym istnieniem wszechmocnego, miłosiernego Boga? Według mnie, najlepsza odpowiedź na to pytanie podana została przez wielkiego siedemnastowiecznego niemieckiego filozofa Gottfrieda Wilhelma Leibniza. Świat, mówi Leibniz, jest taki, jaki jest, bowiem ilość zła i cierpienia w nim jest mniejsza niż we wszystkich innych światach; jest to świat maksymalnie doskonały. Prawdziwą przyczyną, dla której istnieją raczej pewne rzeczy niż inne pisze jest [boska] chęć uczynienia wszystkich rzeczy w jak najlepszy sposób.

Nie przytaczam tych słów bez powodu. Fizyka współczesna dochodzi bowiem do bardzo podobnych wniosków i, oprócz tego, chyba w przeciwieństwie do Leibniza, prowadzi do bardzo konkretnej hipotezy, jak w kontekście współczesnej nauki rozumieć należy słowo "najlepszy". Nasza wizja świata materialnego na najbardziej fundamentalnym poziomie oparta jest na teorii fizycznej zwanej modelem standardowym [patrz: Nadzieja na sukces?, "WiŻ" nr 2/1999]. Reprezentuje on najgłębszą dostępną nam wiedzę na temat tego, z czego zbudowany jest świat. Wedle modelu standardowego, na najbardziej elementarnym poziomie świat składał się z "materii" (na przykład elektronów, neutrin i kwarków) i "oddziaływań", czyli czterech rodzajów sił wiążących materię ze sobą tak, że powstawać mogą struktury złożone: od atomów i cząsteczek chemicznych aż po gwiazdy i galaktyki.


Można sobie wyobrażać, iż świat zbudowany jest z kilku podstawowych rodzajów klocków (materii), które można łączyć ze sobą na cztery sposoby (oddziaływania). Jednak cechy konstrukcji, które można stworzyć za pomocą tych klocków, zależą jeszcze od jednego czynnika określającego już nie poszczególne elementy układanki, ale własności zbudowanych za jej pomocą struktur. Na przykład niektóre klocki mogą się łączyć ze sobą bardzo mocno, a z innymi słabo. "Siłę" wiązania się ze sobą cząstek elementarnych określają parametry modelu standardowego. Takim parametrem jest na przykład ładunek elektronu; określa on m.in. siłę przyciągania jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów: gdyby ładunek ten był większy, siła wzrosłaby, co spowodowałoby, że atomy byłyby mniejsze. Innym parametrem modelu standardowego jest stała grawitacyjna określająca siłę grawitacji. Gdyby stała grawitacyjna stała się nagle dziesięć tysięcy razy większa, promień orbity Ziemi zmniejszyłby się sto razy. Ten przykład wskazuje naocznie, że nie może być dla nas obojętne, jaką wartość przybierają parametry modelu standardowego: przecież gdyby Ziemia znajdowała się w odległości 1.5 mln kilometrów od Słońca, nie dałoby się na niej żyć.


Jeden z największych problemów, z jakimi boryka się współczesna fizyka, polega na tym, że choć struktura modelu standardowego jest stosunkowo dobrze zrozumiana, wydaje się, iż wartości parametrów tego modelu (a jest ich jest kilkanaście) mogą być zupełnie dowolne i nie jest znana zasada nimi rządząca. To tak jakbyśmy losowo wybrali telewizor z katalogu firmy wysyłkowej. Jego parametry, takie jak wielkość ekranu czy liczba kanałów, byłyby zupełnie przypadkowe. Wydaje się, że nie ma żadnego powodu, dla którego ładunek elektryczny nie miałby być, na przykład, 23.7 razy mniejszy, a stała grawitacyjna 18.6 razy większa. Co więcej, zdawać by się mogło, że nie ma to wielkiego znaczenia, że świat, w którym parametry te przybierałyby nieco inne wartości, niewiele różni się od naszego. Nawet jeśli Ziemia poruszałaby się po innej orbicie, na jej miejscu znaleźć by się mogła inna planeta. Jednak po głębszej analizie okazuje się, że jest odwrotnie.

Nasz Wszechświat to przede wszystkim gwiazdy. Bez nich niemożliwe byłoby życie, a co za tym idzie istnienie istot stawiających przyrodzie najróżniejsze pytania. Zastanówmy się więc, jaki wpływ na gwiazdy mają parametry modelu standardowego. Aby to wytłumaczyć, muszę opowiedzieć pokrótce, jak się one rodzą.


Gwiazdy powstają z zagęszczeń materii galaktycznej, która pod wpływem własnej grawitacji kondensuje się w coraz mniejszym obszarze, ściągając jednocześnie materię z zewnątrz . Zewnętrzne warstwy wywierają nacisk na wnętrze, tym większy, im większa jest ich masa i im większy jest parametr mierzący siłę grawitacji stała grawitacyjna. W wyniku tego nacisku jądro rozgrzewa się aż do momentu, kiedy temperatura jest na tyle wysoka, by rozpocząć się w nim mogła reakcja termojądrowa. W chwili, kiedy to nastąpi, sytuacja stabilizuje się, w zależności od wielkości tak powstałej gwiazdy, na okres od kilkuset milionów do kilkunastu miliardów lat (im większa gwiazda, tym krótszy czas jej życia).

Ryc. 1. Z zewnątrz czarna dziura wygląda jak fragment czasoprzestrzeni niedostępny obserwacjom z zewnątrz (a). Istnieją przypuszczenia, że wewnątrz niej istnieje cały nowy wszechświat (b), z którego nie można przedostać się do naszego Wszechświata

Gdyby grawitacja była silniejsza, reakcje termojądrowe toczyłyby się w wyższej temperaturze. Ale w takim przypadku paliwa jądrowego starczyłoby na krócej i czas życia gwiazdy uległby skróceniu. Można obliczyć, że jeśli stała grawitacyjna byłaby dwukrotnie większa, przeciętna gwiazda żyłaby nie 10 mld lat, ale jeden miliard. Biorąc pod uwagę, że życie na Ziemi potrzebowało na stworzenie człowieka ponad 4 mld lat, dochodzimy do wniosku, że w takim hipotetycznym wszechświecie, tak niewiele różnym od naszego (gdybyśmy w nim żyli, ważylibyśmy tylko dwukrotnie więcej), nie mielibyśmy czego szukać. Z drugiej strony, gdyby grawitacja była słabsza, gwiazdy w ogóle nie mogłyby powstać. Na początku kondensacji mamy do czynienia z dwoma efektami: przyciąganiem dążącym do jej przyspieszania i ruchem cieplnym cząstek pyłu międzygwiezdnego powodującym, że dopiero powstałe zagęszczenie materii ma tendencję do rozmywania się. Gdyby grawitacja była słabsza, ten drugi efekt dominowałby i we wszechświecie w ogóle nie byłoby gwiazd.

Ale to nie koniec. Gwiazdy są fabrykami praktycznie wszystkich pierwiastków cięższych od helu, gdyby nie one, we Wszechświecie nie istniałby węgiel, podstawowy budulec wszystkich organizmów żywych. Ale żeby pierwiastki te w ogóle mogły powstać w znaczących ilościach, jądra ich atomów muszą być stabilne, przynajmniej na tyle, by przetrwać owe 4 mld lat. I tu napotykamy znów tajemniczą i pełną konsekwencji zbieżność. Jądra atomowe zbudowane są z neutronów i protonów, których masy różnią się od siebie bardzo nieznacznie. Okazuje się, że ten fakt ma niezmiernie istotne konsekwencje. Gdyby masa neutronu była o 2% większa (przy tej samej masie protonu), nie mogłyby istnieć stabilne jądra atomowe. Co więcej, jądro atomowe utrzymywane jest w równowadze przez dwie przeciwstawne siły: przyciąganie "silne" neutronów i protonów oraz elektryczne odpychanie się protonów od siebie. Gdyby przyciąganie było o 75% słabsze, to nie byłoby w stanie zrównoważyć odpychania i, jak poprzednio, nie mogłyby istnieć stabilne jądra atomowe, nie byłoby gwiazd, życia, no i oczywiście chemików ani fizyków jądrowych. Taki wszechświat jawiłby się jako przeraźliwie nudny, choć bez wątpienia nie tylko dlatego, że brakowałoby w nim fizyków: składałby się z letniej zupy protonów i elektronów, pozbawiony byłby zauważalnych bardziej skomplikowanych struktur.


Te przykłady można by mnożyć. Aby wszechświat był taki, jaki jest, choć w ogólnych zarysach przypominał ten, w którym żyjemy, parametry modelu standardowego muszą z wielką dokładnością posiadać wartości takie, jak w naszym Wszechświecie. Dokładność tę można oszacować. Wyobraźmy sobie Stwórcę (lub szalonego naukowca z odległej przyszłości) kreującego nowy wszechświat. Ma on przed sobą konsolę z kilkunastoma pokrętłami: za pomocą każdego ustalić można wartość jednego parametru modelu standardowego. Pytanie brzmi: jeśli nasz demiurg wybierze wartości tych parametrów na chybił trafił, to jakie jest prawdopodobieństwo, że otrzymany przez niego wszechświat będzie podobny do naszego? Okazuje się, że jest ono niewyobrażalnie małe i wynosi 1 dzielone przez 10229, czyli jest równe liczbie, w której przed jedynką stoi 228 zer (dość prosty rachunek, w którego wyniku otrzymuje się tę liczbę, znaleźć można w książce Lee Smolina Życie wszechświata). Nasz Wszechświat jest więc rzeczywiście niezwykły, 10229 razy lepszy od przeciętnego wszechświata, który można by było sobie wyobrazić.

Dlaczego tak jest? Z wagi tego pytania naukowcy, w przeciwieństwie do filozofów, zdali sobie sprawę dopiero niedawno, być może dlatego, że dopiero od kilkunastu lat nasza wiedza jest na tyle szeroka, by szukać na nie sensownej odpowiedzi. Pierwsza odpowiedź oparta jest na tzw. zasadzie antropicznej, głoszącej, że świat jest, jaki jest, bo gdyby był inny, to nie byłoby nas, a więc nikt nie mógłby zadawać kłopotliwych pytań.

Wyznawcy tego podejścia twierdzą, że istnieje wiele wszechświatów, każdy z nich rządzi się własnymi prawami, a nam przyszło żyć w tym właśnie, bo w innych po prostu nie powstalibyśmy. Problem z takim rozumowaniem polega na tym, że za jego pomocą można wytłumaczyć absolutnie wszystko, a więc nie jest to żadne wytłumaczenie. Drugie, popularne szczególnie wśród matematyków, wyjaśnienie mówi, że nasz świat to jedyny, który jest logicznie możliwy. Pobrzmiewa w tym echo rozumowania Leibniza. Ale jeśli rozumowanie to jest prawdziwe, to nie pozostaje nic innego jak zostać mistykiem: oznacza ono bowiem, że odpowiedź na słynne pytanie Einsteina, czy Bóg, tworząc świat, miał jakikolwiek wybór, brzmi: nie!

Istnieje jednak inny sposób podejścia do tego problemu. Przyjrzyjmy się otaczającemu nas światu. Jak niezwykle mało prawdopodobne wydaje się powstanie z nieożywionej materii drzew, kwiatów, zwierząt, ludzi. A jednak wiemy, że tak się stało wskutek działania ślepych sił doboru naturalnego. Być może nasz skomplikowany Wszechświat jest również wynikiem podobnego procesu. Hipoteza ta wymaga wyjaśnienia dwóch rzeczy: po pierwsze, w jakich procesach fizycznych zmianie ulec mogą parametry modelu standardowego, a po drugie, jak "ewolucja" wszechświatów, polegająca na zmianie tych parametrów, doprowadzić może do wszechświata takiego jak nasz.

Według Lee Smolina, odpowiedź na oba te pytania związana jest z czarnymi dziurami. Kiedy paliwo zasilające gwiazdę ulegnie wyczerpaniu, wkracza ona w burzliwy etap swojego życia. Jej zewnętrzna powłoka zostaje odrzucona, zaś jądro zaczyna się kurczyć. Jeśli początkowa masa gwiazdy jest dostatecznie duża, proces zapadania jądra nie może zostać powstrzymany i w jego wyniku powstaje czarna dziura otoczona "zasłoną" dziura w czasoprzestrzeni . Nie wiemy, co dzieje się we wnętrzu czarnej dziury, procesy tam zachodzące są na tyle gwałtowne, że nie poddają się analizie teoretycznej, a tym bardziej badaniom doświadczalnym. Istnieją jednak pewne przesłanki, by sądzić, że wnętrze czarnej dziury to cały nowy wszechświat, a procesy prowadzące do jego powstania są tak intensywne, że w ich wyniku parametry modelu standardowego mogą zmieniać swoje wartości.

Zastanówmy się teraz. Wyobraźmy sobie wszechświat, w którym powstaje jedna czarna dziura. W jej wnętrzu parametry nieco się zmieniły i powstaje wszechświat, w którym obowiązują nieco inne prawa fizyki. W tym nowym wszechświecie tworzy się kolejna czarna dziura i tak dalej. Wydawałoby się, że nic specjalnego się nie dzieje. Ale do czasu.

W pewnym momencie, w wyniku takich procesów zupełnie przypadkowo powstanie wszechświat podobny do naszego, z olbrzymią liczbą gwiazd i w konsekwencji olbrzymią liczbą czarnych dziur. Każda z nich będzie początkiem wszechświata także podobnego do naszego. To tak jakby drapieżnik dostał się do pełnej pożywienia niszy, w której może się swobodnie rozmnażać.

Co się stanie? Oczywiście, liczba osobników żyjących w niszy będzie narastać lawinowo i szybko stanie się znacznie większa niż liczba osobników tego gatunku żyjących we wszystkich innych miejscach. To samo dzieje się z wszechświatami. Tych, które są podobne do naszego, jest po prostu olbrzymia większość, bo są to wszechświaty, które wydają najwięcej "potomków" (szacuje się, że naszym Wszechświecie jest 1018 czarnych dziur, a więc powstało w nim 1018 przypominających go wszechświatów-dzieci).

Od zarania dziejów ludzie przeczuwali, że świat, w którym żyjemy, jest niezwykły. I jeśli Lee Smolin ma rację, to jest tak w istocie. Żyjemy w niezwykłym Wszechświecie. Tak niezwykłym, że praktycznie nie ma wszechświatów różnych od naszego.