Wszechświat krok po kroku

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

Podziękowania

Wiele osób pomagało mi w trakcie pisania tej książki. W szczegółowych kwestiach merytorycznych radą służyli mi zwłaszcza: Radek Antoniewicz, Bartosz Augustyn, Bartek Benkowski, Alojzy, Martyna i Mirosław Danchowie, Tomek Gełdon, Tomasz Kijewski, Ania Łosiak, Piotr Olejarczyk, Szymon Sawaściuk oraz Bartosz Sebastian. Mam nadzieję, że zrozumiałem wszystkie ich krytyczne uwagi; za wszelkie pozostałe w tekście błędy ponoszę wyłączną odpowiedzialność. Jeśli zapomniałem kogoś wymienić, najserdeczniej przepraszam – ostatnie parę miesięcy to było intelektualne tornado wypełnione dziesiątkami świetnych rozmów i pomocnych maili.

Dziękuję też wszystkim, którzy wspierali mnie na jakimkolwiek etapie powstawania tej książki, zwłaszcza mojej wspaniałej społeczności internetowej. Na szczególne wymienienie zasługuje Marcin Szwebs, który w trakcie internetowej burzy mózgów zaproponował ten tytuł, który teraz widzicie na okładce.

Moja muza Zuza jak zwykle dzielnie przeczytała cały tekst książki, bezlitośnie zaznaczając wszystkie dłużyzny, powtórzenia, niedopowiedzenia i inne przeszkadzajki. Właściwym sobie magicznym sposobem potrafiła też wychwycić wszystkie drobne niekonsekwencje oddzielone o 50 stron tekstu (jak Ty to robisz?!). Moi drodzy Rodzice również podjęli się trudnej pracy, z właściwą im pieczołowitością – dzięki, Tato, zwłaszcza za bezlitosne dążenie do precyzji i sprawdzenie wszystkich obliczeń. Bez czułej uwagi całej trójki byłaby to znacznie brzydsza książka.

Gdyby nie wielka hojność i mądrość Ks. Prof. Michała Hellera, który ufundował Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych w Krakowie i steruje nim, nie powstałaby również i ta książka. Kłaniam się nisko.

Wstęp do świata

Spróbujmy spojrzeć na świat z najszerszej perspektywy i powiedzieć parę słów o nim jako takim – głównie po to, aby dostarczyć kontekstu dla reszty tej książki i aby nieco łatwiej się ją czytało. Jakie są zasadnicze, ogólne, fundamentalne cechy świata? (Tak, wiem, że ambitnie zaczynam...)

Świat jest niewyobrażalnie złożony i różnorodny. Nawet najprostsze na pozór obiekty i procesy okazują się mieć, po przyjrzeniu się im bliżej, detale. Najdrobniejsze ziarenko pyłu galaktycznego można by opisywać godzinami. Niektórzy mówią, że świat jest fraktalny, ale słowo to jest mylące. Fraktal to obiekt samopowtarzalny, tj. taki, w którym ten sam motyw pojawia się w różnych skalach. Żaden obiekt i żadne zjawisko przyrodnicze nie występuje na dwóch skalach przestrzennych. Nie ma atomów o średnicy metra, ameb o średnicy kilometra, planet o średnicy centymetra. Burza potrzebuje odpowiedniej przestrzeni, aby się rozpędzić, ale nie może objąć całej planety. Świat składa się więc z olbrzymiej ilości rozmaitych form, które jednak mają swoje określone miejsce w całości. Każda rzecz ma swoją strukturę, ale i swój kontekst; świat jest uporządkowany, ma pewną logikę konstrukcyjną.

Świat żyje i ewoluuje. Wszystkie składniki świata przyrody kiedyś powstały i wydaje się, że kiedyś przeminą. Był czas, kiedy nie było chmur, i czas, kiedy ich nie będzie. Był czas, kiedy nie było gwiazd, i czas, kiedy ich nie będzie. Galaktyki narodziły się, rosną i dojrzewają, a w końcu przeminą. Wszystkie rzeczy mają przy tym wspólny korzeń – struktura świata przypomina więc drzewo genealogiczne. W tym sensie historia świata przypomina historię życia (co nie jest dziwne, skoro historia życia jest częścią historii świata): drobne modyfikacje prowadzą od chmury gazu do tętniącej od aktywności gwiazdy; miliony minimalnych kroczków sprawiają, że mikroskopijne ziarenko pyłu galaktycznego staje się pokrytą wydmami, ocienioną przez chmury i obmywaną przez rzeki planetą. Świat jest ewolucyjny; i jest to ewolucja twórcza. Powstanie nowej rzeczy pobudza świat do dalszego tworzenia. Od 14 miliardów lat trwa samonapędzający się proces stwórczy.

Świat ma historię. O jego losie decydują najdrobniejsze, przypadkowe zdarzenia. Jest to szczególnie widoczne w ewolucji planet. Historia Układu Słonecznego pokazuje, że od chaotycznej trajektorii pewnej zabłąkanej skalistej kuli może zależeć to, czy na danej planecie powstanie ocean, czy nie powstanie. Grubość włosa dzieli świat, w którym występują lasy, od świata, w którym lasów nie ma. Aby zrozumieć rzeczywisty świat przyrody – świat rzeczy, które naprawdę powstały, a nie tylko świat rzeczy możliwych – trzeba poznać jego konkretną historię. Z praw fizyki wynika, że mogą istnieć kontynenty. Nie wynika natomiast, czy będą rzeczywiście istnieć, i jakie będą ich kształty, i na którym z nich małpy przemówią.

Świat rozkwita na planetach. Podział tej książki na sekcje „KOSMOS”, „PLANETA” i „ŻYCIE” wynika z mojego głębokiego przekonania, że fundamentalną jednostką kosmicznej kreatywności jest planeta. Planety mają znacznie więcej „stopni swobody” niż gwiazdy i galaktyki – i uważam, że znajdujemy się na takim etapie poznawania naszego otoczenia astronomicznego, na którym możemy ryzykować stawianie tego typu tez. Intuicje te można też wyrażać ilościowo. Na planetach realizuje się choćby przeważająca większość kosmicznego bogactwa mineralogicznego [Hazen i in. 2008] czy chemicznego [Lamża 2014b]. W naszym Układzie Słonecznym jest ok. 65 „planetek” (tj. obiektów zaokrąglonych przez grawitację; „globów”) i tworzą one populację o oszałamiającej różnorodności, znacznie przekraczającej różnorodność panującą choćby wśród 65 najbliższych nam gwiazd – czy 65 najbliższych nam galaktyk. Uważam, że wyjaśnienie procesów prowadzących do powstawania i różnicowania się planet stanowi jedno z kluczowych zadań stojących przez każdym, kto chce zrozumieć Wszechświat.

Życie jest jedną z wyjątkowych sztuczek planetarnych. Myślę, że o życiu najrozsądniej jest myśleć jako o pewnego typu szczególnej chemiczno-strukturalnej sztuczce, do której zdolne są planety. Bądź co bądź, biosfera jest tak naprawdę wykwitem litosfery, podobnie jak gwiazda powstaje z materii galaktycznej, a płatek śniegu z wilgoci atmosferycznej. Po paru miliardach lat życie, dzięki kodowi genetycznemu i doborowi naturalnemu – łącznie prowadzącym do cudu ewolucji – okazało się być kolejną okazją do popisu kosmicznej kreatywności, choć z czysto biologicznego punktu widzenia nie ma żadnego naprawdę dobrego powodu, dla którego dzisiejsza biosfera nie miałaby być po prostu burym, śliskim kożuchem bakteryjnym. Ewolucja życia jest jednak częścią ewolucji kosmicznej i kreatywność jest w nią wpisana z powodów wykraczających poza sferę biologii. Myślę, że zjawisk typu życie jest w Kosmosie więcej i taka sama, jak ta, książka, pisana z pozycji podróżnika galaktycznego, mogłaby się składać z tych samych dwóch pierwszych sekcji – wyjaśniających, skąd się biorą planety i na jakim tle wyrastają – oraz z olbrzymiej liczby sekcji poświęconych innym „wyjątkowym sztuczkom planetarnym”.

Świat ma styl. Na poszczególnych poziomach organizacji świata występują inne procesy, inne zasady i inne zjawiska. Obowiązują na nich co prawda pewne wspólne prawa, nazywane przez nas prawami fizyki – np. prawo zachowania energii albo wzrostu entropii – te jednak mówią nam względnie niewiele o tym, jak konkretnie potoczą się losy danego układu i jakie wykształcą się w nim nowe formy. Istnieje natomiast pewien charakterystyczny styl, pewien zasób wspólnych motywów i rozwiązań, które dotyczą w równym stopniu galaktyk, co plam na Słońcu i ziarenek gleby. Uważam, że po obejrzeniu stu wytworów – czy po prostu: dzieł – świata powinno dać się intuicyjnie pochwycić jego styl, podobnie jak po obejrzeniu stu obrazów danego malarza albo stu wierszy danego poety. Nie oznacza to automatycznie, że świat ma Autora; równie dobrze może być swym własnym autorem – artystą samokonstruującym się, którego wytwory są jednocześnie obiektami estetycznymi i narzędziami dalszej pracy. Metafora ta prowadzi do mojej ostatniej tezy – chyba najbardziej spekulatywnej i wynikającej głównie z mojego doświadczenia z artystami zgoła ziemskimi.

Świat lubi być oglądany. Na co więc czekamy? Do roboty!

KOSMOS

Wprowadzenie w Kosmos

We wstępach do trzech sekcji tej książki postanowiłem zamieścić po prostu streszczenie wszystkich rozdziałów składających się na daną sekcję. Myślę, że odpowiednim miejscem na szersze spojrzenie jest Wstęp i Epilog. O ile więc punkty otwierające kolejne rozdziały stanowią „średniej długości” skrót najważniejszych faktów, tutaj zamieszczam skrót tych skrótów.

Zdaję sobie sprawę, że powstały w ten sposób tekst ma gęstość kaszki dla dzieci, do której dodano tylko połowę sugerowanej porcji wody – i pewnie równie trudno będzie go przełknąć – ale spróbujmy. Kto mówił, że będzie łatwo? Lżejsze, bardziej obrazowe wprowadzenie znajduje się w rozdziale „Wstęp do świata” (s. 11).

[K1] Kosmos w najszerszej skali rozszerza się – każdy punkt przestrzeni z czasem odsuwa się od każdego innego – jednak dzięki grawitacji materia może się do siebie zbliżać. Tak powstają gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. Powyżej skali wielkich gromad (supergromad) galaktyk prawdopodobnie w końcu zdominuje globalne rozszerzanie się i Wszechświat zakończy w postaci osobnych, coraz bardziej odległych od siebie „wysp”, oddzielonych niemal pustą przestrzenią.

[K2] Oznacza to też, że im wcześniej, tym gęściej – a więc im wcześniej, tym goręcej. Historii Wszechświata nie da się przedłużać wstecz bardziej niż ok. 14 mld lat od chwili obecnej. Pierwsze tysiące lat Kosmosu polegały na stopniowym ochładzaniu się niewyobrażalnie gorącej mieszanki gazowej, z której w końcu wyłoniła się „nasza fizyka”. Głównym produktem reakcji zachodzących w trakcie Wielkiego Wybuchu były pojedyncze, samotne protony (czyli jądra wodoru) – większość materii kosmicznej jest do dziś w takiej właśnie postaci.

 

[K3] Z biegiem czasu sąsiednie chmury kosmicznego gazu przyciągają się wzajemnie, tworząc galaktyki, oddzielone wielkimi obszarami przestrzeni opróżnionymi z tegoż gazu. Zderzają się one ze sobą i łączą; ostatecznie wszystkie galaktyki (dziś: dziesiątki tysięcy) należące do jednej „wyspy” połączą się ze sobą, tworząc jedną potężną bezkształtną galaktykę eliptyczną. Na razie trwa „kosmiczny taniec” powoli płynących przez przestrzeń galaktyk.

[K4] Galaktyki składały się początkowo z gładkiego, jednorodnego gazu. Gaz ten, jeśli się go wzburzy, może lokalnie koncentrować się do postaci gwiazd – maleńkich (w skali kosmicznej) kuleczek gazu tak gorącego, że w ich centrum dochodzi do reakcji jądrowych. W największej skali czasowej galaktyki „konsumują” gaz – nasza własna Droga Mleczna (galaktyka spiralna) to płaski dysk, którego już tylko ok. 1/8 masy jest w postaci gazu, choć początkowo było to 100% – stając się ostatecznie wielkimi zbiorowiskami żywych lub wypalonych gwiazd (np. galaktykami eliptycznymi).

[K5] Zdecydowana większość gwiazd może spalać wodór (jest to podstawowa reakcja jądrowa gwiazd) przez długie miliardy lat – dłużej niż wynosi dzisiejszy wiek Wszechświata. Galaktyki są obecnie pełne względnie lekkich, chłodnych, długo żyjących gwiazd, takich jak Słońce, które spalają wodór do postaci helu, hel do postaci węgla i tlenu i na tym poprzestaną, pozostawiając po sobie węglowo-tlenowy niedopałek. Bardzo rzadkie, bardzo masywne gwiazdy szybko eksplodują, wytwarzając wszystkie pozostałe pierwiastki ciężkie, pozostawiając po sobie gwiazdy neutronowe lub czarne dziury.

[K6] Gwiazda świeci, ponieważ pojedynczy proton (czyli jądro wodoru, najprostszego i najpowszechniejszego pierwiastka we Wszechświecie), jeśli stanie się częścią cięższego jądra, trafia do „głębszej studzienki potencjału”, w związku z czym może oddać nieco energii. Powstawanie helu (który ma w jądrze dwa protony) wiąże się więc z uwalnianiem energii. Pod koniec życia gwiazd typu Słońca dochodzi też do spalania helu – trzy jądra helu łączą się, tworząc jedno jądro węgla (sześć protonów w jądrze).

[K7] Gwiazda typu Słońca, która zamienia składający się na nią wodór w hel, to czerwony karzeł. Gdy w centrum gwiazdy zbierze się odpowiednio dużo helu, staje się ona kilkaset razy większym czerwonym olbrzymem i po niedługim czasie zapala ów hel, co w krótkim czasie prowadzi do jej destabilizacji i odrzucania zewnętrznych warstw gazu. Powstaje mgławica planetarna, a powstały z helu gorący centralny zbiornik węgla i tlenu to biały karzeł. Ok. 10% masy naszej Galaktyki to białe karły, powstałe w ciągu ostatnich 10 mld lat.

[K8] Gwiazda, jeśli przyjrzeć się jej bliżej, jest w dużym stopniu „organizowana” przez pole magnetyczne. Kosmiczne pola magnetyczne generowane są niemal w każdej gwieździe oraz w wielu planetach – skalistych, lodowych czy gazowych – wszędzie tam, gdzie występuje samonapędzający się przepływ przewodzącego płynu (tzw. dynamo). We wnętrzu i na powierzchni gwiazdy pole magnetyczne tworzy „sznury”, odpowiedzialne m.in. za powstawanie plam na Słońcu, ale też wielu dynamicznych zjawisk w atmosferze gwiazd, np. tzw. koronalnych wyrzutów masy.

[K9] Masywne gwiazdy nie kończą swojej ewolucji tam, gdzie gwiazdy lekkie (czyli na syntezie węgla z helu), tylko idą dalej – łącząc jądra aż do poziomu, na którym wyzyskiwanie energii opisaną wyżej metodą nie jest możliwe. Odpowiada to jądrom o rozmiarze żelaza lub niklu, które mają najbardziej „efektywną” studzienkę potencjału. Dalsze reakcje jądrowe nie powodują produkcji energii, lecz ją pochłaniają, dochodzi więc do katastrofalnego zapadania się. W wyniku tego może powstać czarna dziura albo – jeśli zapadająca się materia „odbije się” w ostatniej chwili – gwiazda neutronowa z towarzyszącym wybuchem supernowej.

[K10] Gazowe otoczki kończących swoją ewolucję gwiazd są bogate w pierwiastki ciężkie i dochodzi w nich do powstawania wielu związków chemicznych i ziarenek mineralnych. W skali galaktycznej gwiazdy powodują więc „wzbogacanie” kosmicznej mieszanki gazowej. Z takiego właśnie wzbogaconego gazu mogą później powstać planety – gdy dojdzie do powstawania nowego pokolenia gwiazd, owe pierwiastki ciężkie i ziarenka pyłu skondensują się i zlepią wokół młodej gwiazdy, tworząc układ planetarny.


Rys. K1. Góra: Ewolucja Wszechświata. Czas płynie od środka kuli na zewnątrz: środek kuli to t=0, czyli Moment Zero (a więc czas, kiedy „wcześniej się nie da”, tak, jak nie da się być bliżej środka kuli niż w samym jej środku). Kolejne kolory symbolizują główne przemiany materii Wszechświata (zob. rozdział [K2]); przejście między kolorem niebieskim a białym to czas 380 tys. lat po Momencie Zero, kiedy to Wszechświat stał się przezroczysty; mniej więcej w tym samym czasie gaz kosmiczny zaczął skupiać się pod wpływem grawitacji. Grube niebieskie kreski reprezentują przykładowe porcje kosmicznego gazu. Jak widać, z biegiem czasu sąsiednie porcje zbliżają się do siebie nawzajem, choć w skali globalnej – na dużych odległościach – wszystkie obiekty stopniowo oddalają się od siebie. Dół: historie przykładowych cząstek w świecie bez grawitacji (po lewej) i z grawitacją (po prawej).

[K1] Globalne rozszerzanie, lokalne skupianie

• We Wszechświecie w skali największej nakładają się na siebie dwa procesy – globalne rozszerzanie i lokalne skupianie. Globalne rozszerzanie oznacza, że Wszechświat staje się coraz „luźniejszy”, innymi słowy, że w świecie „robi się coraz więcej miejsca”. Nie oznacza to, że cokolwiek wybuchło.

• Początkowo, ok. 14 mld lat temu, materia kosmiczna była bardzo gęsta, bardzo gorąca i nieprzezroczysta (zob. rozdział [K2]). Aż do dzisiaj z każdą sekundą jej średnia gęstość i temperatura maleje.

• Gdyby nie istniała grawitacja, skutkiem globalnego rozszerzania byłoby po prostu ciągłe oddalanie się od siebie wszystkich obiektów fizycznych.

• Grawitacja jednak istnieje, wskutek czego każde dwie porcje materii przyciągają się – tym silniej, im są bliżej siebie. Poniżej pewnej skali, odpowiadającej wielu tysiącom galaktyk – co określa się jako skalę supergromad galaktyk (zob. rozdział [K3]) – grawitacja „wygrywa” z globalnym rozszerzaniem, w związku z czym bliskie sobie galaktyki mogą się do siebie zbliżać, a poszczególne galaktyki – no i oczywiście układy planetarne – nie rozpadają się. W tej skali globalne rozszerzanie nie jest odczuwalne.

• Po nałożeniu na siebie tych dwóch tendencji otrzymujemy następujący obraz: w skali największej następuje ciągłe rozsuwanie się/„rozluźnianie” materii kosmicznej, która jednak w skali supergromad i gromad galaktyk „zbiega się” ku lokalnym środkom masy.

• Ostatecznie można przewidywać, że lokalne skupiska masy – które określam jako wyspy – przyciągną gaz i galaktyki ze swojego najbliższego kosmicznego sąsiedztwa, po czym będą nieograniczenie się od siebie oddalać. Najprawdopodobniej oddalanie to będzie coraz szybsze.

K1.1. A gdyby nie było grawitacji?

Naszą podróż przez Wszechświat, krok po kroku, zacznijmy od prostego doświadczenia myślowego. Co by się stało, gdyby nie było grawitacji?

Cóż, historia świata miałaby wówczas dość prosty przebieg. Od pierwszej chwili jego istnienia po nieskończoną przyszłość następowałby w nim po prostu ciągły, monotonny, globalny spadek gęstości, temperatury i ciśnienia. W danym momencie jego gęstość byłaby przy tym identyczna we wszystkich punktach przestrzeni – Wszechświat byłby więc doskonale jednorodny. Każde miejsce miałoby taką samą gęstość, temperaturę, skład chemiczny, kolor, jasność, zapach. Na obecnym etapie rozwoju (niecałe 14 mld lat po Momencie Zero) gęstość ta wynosiłaby ok. 1 cząstkę na metr sześcienny, czyli z naszego punktu widzenia, jest to niemal idealna próżnia.

Byłby to, powiedzmy szczerze, Wszechświat niezbyt interesujący, ponieważ wszelkiego typu dająca się pomyśleć rzecz musi też być niejednorodnością. Galaktyka to miejsce nieco bardziej gęste od otoczenia. Gwiazda to obszar przestrzeni produkujący więcej energii od otoczenia. Plama na ścianie to obszar o nieco innym kolorze. Kawa to obszar przestrzeni, w którym stężenie cząsteczek wody i kofeiny przekracza o parę rzędów wielkości to panujące w otaczającym ją powietrzu. Gdyby wszędzie i zawsze panowała doskonała jednorodność, w pewnym sensie wciąż nie byłoby nic[1]– ponieważ nie byłoby żadnej dającej się wyróżnić rzeczy.

Dolny panel na Rys. K1 ilustruje działanie głównego „gracza” odpowiedzialnego za wytrącenie świata ze stanu jednorodności – jest nim grawitacja. Ilustracja po lewej to powiększenie rozszerzającej się „kuli Wszechświata”, w której czas płynie od środka kuli na zewnątrz (na tym powiększeniu, reprezentującym górny fragment kuli, czas płynie już od dołu do góry i taka będzie konwencja w dalszych rozdziałach tej książki). Jak widać, z każdą chwilą odległość pomiędzy sąsiednimi cząstkami, reprezentowanymi przez czarne linie, po prostu rośnie; wszystkie cząstki mają zaś przy tym takie samo sąsiedztwo. Nie ma cząstek znajdujących się w innej sytuacji niż jakiekolwiek inne.

Panel po prawej stronie ilustruje wpływ grawitacji. Dzięki jej istnieniu okoliczne cząstki zaczynają ciążyć ku sobie. Ponieważ jednak ów proces przyciągania „nałożony” jest na kosmiczną ekspansję, a oddziaływanie grawitacyjne słabnie wraz z odległością, niektóre odpowiednio odległe cząstki będą się mimo wszystko oddalać w nieskończoność. Ewolucja Kosmosu to walka pomiędzy sprzecznymi tendencjami (dominującej w skali globalnej) ekspansji i (dominującej w skali lokalnej) grawitacji. Gdyby ekspansja była silniejsza niż jest faktycznie, cząstki nie miałyby szansy się do siebie zbliżyć. Wszystko po prostu oddalałoby się od siebie nawzajem. Gdyby natomiast grawitacja była w naszym Wszechświecie silniejsza niż to obserwujemy, od samego początku wszystko skupiłoby się w jednym punkcie, tworząc pojedynczą wielką czarną dziurę.

Szczęśliwie „siły”[2] te są w pięknej równowadze: odległe galaktyki (a w nich gwiazdy, planety i tak dalej) faktycznie z czasem oddalą się od nas na dowolnie dużą odległość, jednak istnieje również nasz własny „wyspowy Wszechświat” galaktyk (gwiazd, planet...), które mogą niemal nieograniczenie długo kręcić się we wspólnym polu grawitacyjnym.

K1.2. Globalna ekspansja, czyli...?

Wspomniałem dotychczas kilkakrotnie o „globalnej ekspansji”. Czas chyba wyjaśnić bliżej, o co chodzi.

Zacznijmy od strony obserwacyjnej. O ile najbliższe nam galaktyki poruszają się z bardzo różnymi prędkościami względem naszej Drogi Mlecznej (ku nam, od nas, w bok...), to odleglejsze galaktyki coraz konsekwentniej oddalają się od nas – tym szybciej, im większa dzieli nas odległość. Jest to tzw. prawo Hubble’a [Jaroszyński 1993, s. 240], mające charakter czysto obserwacyjny[3]. Nie oznacza to jednak, że znajdujemy się w centrum Wszechświata; to nie chodzi o nas. Dowolne dwie galaktyki (znajdujące się w odpowiednio dużej odległości od siebie) stają się z czasem coraz bardziej wzajemnie odległe.

Intuicja mówi nam zwykle w tego typu sytuacjach, że materia „odlatuje” na wszystkie strony, a zwrot „Wielki Wybuch” wydaje się to potwierdzać. To nie tak. Wypada odwołać się do klasycznej metafory balonika. Jest ona po prostu świetna i nie ma co wymyślać na nowo koła.

Wyobraźmy sobie, że jesteśmy mróweczkami na wielkim balonie. Balon ten jest stale nadmuchiwany. Obserwujemy więc, że inne mróweczki odsuwają się od nas, chociaż ani my sami, ani one, wcale nie musimy wydatkować żadnej energii na ruch, nie odczuwamy żadnej ciągnącej nas gdzieś siły itd. Wydaje nam się, że względem przestrzeni jesteśmy nieruchomi. Pociągnijmy tę metaforę nieco dalej: przypuśćmy, że nasze mrówki na balonie to stworzenia społeczne i czują do siebie nawzajem przyciąganie. Z biegiem czasu będą więc zdążać ku innym mrówkom, tworząc ostatecznie lokalne skupiska. To już rzeczywiście „siła” ciągnąca je ku sobie – mrówki wydatkują energię kinetyczną i aktywnie zmieniają swoje położenie[4].

Skupiska takie będą oczywiście oddalać się z czasem od innych tego typu skupisk. Może być też tak, że odważna mrówka, która wyruszy w podróż z jednego takiego skupiska do innego, z maksymalną dostępną dla mrówki prędkością wynoszącą, przypuśćmy, 1 cm na sekundę, nigdy nie dotrze do następnego skupiska, ponieważ będzie się ono od niej oddalało szybciej, np. o 2 cm na sekundę. Nie oznacza to oczywiście, że „tamte” mrówki poruszają się z niedozwoloną prędkością przekraczającą „limit prędkości mrówek”! One same mogą akurat spokojnie sobie spoczywać na powierzchni balonika i leniwie czyścić żuwaczki. To raczej balonik rośnie w takim, a nie innym tempie.

 

Wróćmy do kosmologii. Prędkość Hubble’a wynika z prawa Hubble’a, zgodnie z którym v = H0 × r: prędkość v to odległość r pomnożona przez pewną stałą H0 – stałą Hubble’a, która wynosi ok. 68 (km/s)/Mpc, co oznacza, że na każdy megaparsek[5] odległości przypada wzrost wzajemnej prędkości o 67 km/s. Oznacza to, że galaktyka odległa od nas o 100 megaparseków powinna oddalać się od nas z prędkością ok. 6700 km/s. Nie znaczy to – powtórzmy – że coś ją do tej prędkości rozpędziło, tj. że od powstania Wszechświata coś przekazało jej ilość energii kinetycznej pozwalającą na osiągnięcie tejże prędkości. Ona po prostu się od nas w takim właśnie tempie odsuwa, wraz ze „swoim kawałkiem podłogi”. Obiekt odległy o 1000 Mpc odsuwa się od nas z prędkością 67 000 km/s, a taki odległy o 10 000 Mpc – o 670 000 km/s, a więc szybciej od światła. Żaden obiekt fizyczny nie porusza się jednak z prędkością przekraczającą prędkość światła.

Tyle od strony obserwacyjnej. Obecnie preferowana teoria wielkoskalowej dynamiki Kosmosu i przestrzeni – ogólna teoria względności Einsteina [Hartle 2010] – opisuje globalną ekspansję jako ewolucję metryki. W książce tej nie będziemy zbyt blisko przyglądać się matematyce i teoriom fizycznym, ale szkoda by było nie wspomnieć nawet krótko o tym, czym właściwie jest ów globalny proces rozszerzania w myśl współczesnej nauki. Metryka, mówiąc formalnie, jest funkcją przypisującą każdej parze punktów pewną liczbę rzeczywistą zwaną „odległością”. Jeżeli dana przestrzeń może zostać opisana w ten sposób, określa się ją jako przestrzeń metryczną. Mówiąc prościej, metryka to obiekt matematyczny pozwalający na wyznaczenie odległości pomiędzy obiektami.

Rzecz w tym, że w Einsteinowskim wzorze na metrykę znajduje się niewinny czynnik a(t) – czynnik skali, który jest zależny od czasu. Oznacza to, że nasze pomiary odległości mogą dawać różne wyniki zależnie od tego, kiedy dokonamy tego pomiaru. Jest to dość sprzeczne z naszą intuicją (Euklides i Newton na wieść o takiej rewelacji zgodnie by osiwieli) – geometria miałaby być przecież czymś niezmiennym i stabilnym: jak logika albo arytmetyka. Czy wynik dodawania 2 + 2 może zależeć od momentu, w którym zadaję to pytanie?! Cóż, obecność czynnika a(t) pozwala na tego typu zmienność na poziomie geometrii.

Gdy Einstein próbował zastosować opracowaną przez siebie teorię geometryczną do opisu Wszechświata, okazało się, że żadnym sposobem nie udaje mu się uzyskać poprawnego matematycznie rozwiązania, jeśli założy, że Wszechświat jest statyczny. Matematyka po prostu na to nie pozwalała. Einstein, głęboko przekonany o stacjonarności świata, próbował ratować swoje równanie, niezbyt elegancko doklejając do niego specjalnie w tym celu wymyślony człon matematyczny[6], który mógł czysto siłowo „ściągać” lub „rozpychać” Wszechświat tak, aby ten utrzymywał stały rozmiar. Światowa społeczność fizyków, coraz lepiej rozumiejąca ogólną teorię względności, przejęła jednak stery. W 1927 roku belgijski kosmolog i ksiądz katolicki Georges Lemaître opublikował artykuł, w którym opisuje model Wszechświata stale się rozszerzającego [Lemaître 1927]. Edwin Hubble opisał wyniki swoich badań nad „ucieczką” galaktyk – określanych wówczas jako „mgławice pozagalaktyczne” – w 1929 roku [Hubble 1929], teoria bardzo elegancko zeszła się więc z obserwacjami i tak już pozostało. Z każdą kolejną dekadą rośnie poparcie obserwacyjne dla teorii rozszerzającego się Wszechświata, a „wisienką na torcie” było odkrycie w latach 60. XX wieku kosmicznego promieniowania tła (zob. rozdział [K2.5]), przewidywanego znacznie wcześniej jako konsekwencja tej teorii.

Wróćmy do tematu. Zgodnie z opisem Kosmosu w języku ogólnej teorii względności – a więc kosmologią relatywistyczną – sama przestrzeń stale „rośnie” pod naszymi nogami. Można by oczywiście pytać, „w czym” rośnie ta przestrzeń, jednak pytanie to zupełnie niepotrzebnie wyprowadza nas „poza Wszechświat”. Metafora balonika ma tę wadę, że przyzwyczaja nas do myślenia o Wszechświecie jako o obiekcie zanurzonym w jakiejś szerszej otaczającej go przestrzeni. Trzeba się tego niestety oduczyć. Metryka ewoluuje – i tyle. Można o tym pomyśleć inaczej: po prostu z czasem w świecie robi się coraz więcej miejsca. Jeżeli ktoś ma problemy z wyobrażeniem sobie, że coś, co jest wszystkim, rośnie, można by ewentualnie przyjąć, że wcale nie rośnie, tylko po prostu wszystkie znajdujące się we Wszechświecie rzeczy stopniowo maleją. Efekt byłby nie do odróżnienia, chociaż wymagałoby to pewnie wymyślenia fizyki na nowo[7].

Zresztą, wyobrażanie sobie Wszechświata jako nadmuchiwanego balonika ma drugie poważne ograniczenie: otóż nasz Wszechświat prawdopodobnie jest przestrzennie nieskończony[8] [Demiański 2003]. Powierzchnia balonika jest tymczasem skończona (można na niej położyć skończoną liczbę monet; mrówka wyruszająca prosto przed siebie na hipotetycznym „zamrożonym w czasie” baloniku w końcu trafi na własne ślady). Jeżeli zastanawiacie się teraz, w jaki sposób coś nieskończonego może rosnąć... cóż, można próbować zmierzyć się z tego typu pytaniami na dwa sposoby. Po pierwsze, można wrócić do metafor: na przykład mógłbym próbować przekonać Was, że nawet nieskończona przestrzeń może robić się coraz „luźniejsza” – można choćby wyobrazić sobie dwa zawieszone nieruchomo w pustej przestrzeni punkciki, pomiędzy którymi regularna „siatka współrzędnych” reprezentująca przestrzeń robi się coraz bardziej gęsta. Drugim wyjściem jest zaufać matematyce: nauczyć się jej, zrozumieć jej zastosowania kosmologiczne i po prostu przyjąć, że intuicja od pewnego momentu staje się bezużyteczna. Są książki, którymi można by się posłużyć, aby zrealizować ten program [Penrose 2004; Hartle 2010; Jaroszyński 1993]; ta nie jest jedną z nich. W niniejszej książce postanowiłem mówić jak najwięcej o obserwacjach, a jak najmniej o teoriach – na tyle, na ile to rozsądne i wykonalne.

Wróćmy więc do spraw odrobinę bardziej przyziemnych, choć wciąż... kosmicznych. Powiedzieliśmy już sobie, że globalna ekspansja „walczy” z lokalnym skupianiem grawitacyjnym i że ostatecznie we Wszechświecie powinny zostać odizolowane „wyspy” materii, oddalające się od siebie nawzajem. Samym tym „wyspom” przyjrzymy się w rozdziale [K3] – teraz spróbujmy się zastanowić, co się z nimi stanie w odległej przyszłości i jakie w ogóle są przyszłe losy Wszechświata.

K1.3. Odległa przyszłość Wszechświata

W ciągu ostatnich 20 lat pojawił się w kosmologii interesujący „haczyk” – obserwacje świadczące o przyspieszaniu kosmicznej ekspansji, czyli o powolnym wzrastaniu z czasem stałej Hubble’a (która nie jest więc stałą, tylko, hm, „zmienną Hubble’a”?). W poprzednim podrozdziale wspomniałem, że Einstein, niezadowolony z faktu, że jego model Wszechświata „ucieka”, dodał do niego człon matematyczny – tzw. stałą kosmologiczną – pozwalający na „korektę” ewolucji jego kształtu. Otóż najprostszym matematycznie sposobem na uwzględnienie przyspieszania ekspansji jest posłużenie się właśnie tym parametrem. Przy takim ostrożnym rozumieniu jest to więc kolejny czynnik matematyczny opisujący ewolucję metryki czasoprzestrzeni. Ponieważ jednak przyzwyczajenie każe nam myśleć, że za każdym zjawiskiem fizycznym kryje się jakieś „coś”, fizycy często używają terminu „ciemna energia”, sugerując istnienie pewnej hipotetycznej formy energii, która dodatkowo „rozpycha” Wszechświat[9].

Sytuacja jest więc następująca: obecnie ekspansja Wszechświata wydaje się powolutku przyspieszać, jednak nie wiadomo, jaka właściwie będzie sytuacja w przyszłości. Teoretycznie nic nie stoi na przeszkodzie, aby tempo ekspansji rosło nieograniczenie (a w gruncie rzeczy jest to w pewnym sensie ewentualność najprostsza – bo skoro teraz rośnie, to dlaczego miałoby kiedyś przestać...?), co oznaczałoby, iż w odległej przyszłości będzie ono tak duże, że rozerwaniu ulegną nie tylko poszczególne galaktyki, gwiazdy i planety, ale nawet i wszystkie atomy i cząstki elementarne. Taki scenariusz określa się czasem jako Big Rip, czyli Wielkie Rozerwanie. W pierwotnej wersji tego modelu [Caldwell i in. 2003] Wielkie Rozerwanie ma nastąpić już za ok. 20 mld lat (czyli jesteśmy tuż przed połową całkowitej historii Wszechświata), a w końcowej fazie ewolucji Wszechświata przewaga ciemnej energii nad wszystkimi innymi formami energii rośnie wykładniczo, dochodzi więc do dość dramatycznej sekwencji zdarzeń: