Bezpłatny fragment - Absurdy astronomii

Przedmowa

Wszechświat nie ma pojęcia, że istniejesz

Wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, zawiera setki miliardów galaktyk i rozciąga się na odległości, których człowiek nie potrafi sobie wyobrazić bez pomocy matematyki. W tym wszystkim znajduje się niewielka planeta, zamieszkana przez gatunek przekonany, że jego codzienne problemy mają znaczenie fundamentalne. Człowiek potrafi przez trzy dni rozpamiętywać nieuprzejmą uwagę koleżanki z pracy, podczas gdy w odległej galaktyce może właśnie eksplodować gwiazda o masie wielokrotnie większej od Słońca. Nie ma w tym niczego niewłaściwego. Nasze sprawy są dla nas ważne. Warto jednak od czasu do czasu spojrzeć w niebo i przypomnieć sobie, że rzeczywistość nie kończy się na granicy naszego mieszkania, miasta ani nawet planety. Co więcej, nigdy się tam nie kończyła.

Astronomia jest jedną z niewielu dziedzin nauki, które potrafią jednocześnie zachwycić człowieka i bezlitośnie odebrać mu poczucie wyjątkowości. Uczy, że Ziemia nie stanowi centrum wszechświata, Słońce nie jest szczególnie niezwykłą gwiazdą, a Droga Mleczna nie zajmuje uprzywilejowanego miejsca w kosmicznej hierarchii. Nasza planeta nie została wyposażona w tabliczkę z napisem „najważniejszy obiekt stworzenia”. Nie ma też dowodów, że galaktyki powstały specjalnie po to, abyśmy mogli fotografować je teleskopami i umieszczać zdjęcia w internecie. Kosmos istnieje niezależnie od naszych ambicji, lęków i oczekiwań. Nie przejmuje się wynikami wyborów, cenami mieszkań ani tym, że ktoś po raz kolejny nie odpisał nam na wiadomość. Jest pod tym względem wyjątkowo konsekwentny.

A jednak właśnie ta obojętność czyni go fascynującym.

Nie zamierzam przekonywać czytelnika, że astronomia jest łatwa. Nie jest. Gdyby była, nie potrzebowalibyśmy skomplikowanych teleskopów, satelitów, akceleratorów cząstek ani naukowców spędzających całe życie nad równaniami, których większość społeczeństwa nie chciałaby oglądać nawet za wynagrodzeniem. Astronomia wymaga cierpliwości, wyobraźni i gotowości do zaakceptowania, że nie wszystko można zrozumieć podczas jednej przerwy na kawę. Nie oznacza to jednak, że musi być nudna. Przeciwnie, rzeczywisty wszechświat jest znacznie bardziej osobliwy niż większość opowieści fantastycznych. Istnieją gwiazdy, których materia osiąga niewyobrażalne gęstości, czarne dziury zakrzywiające czasoprzestrzeń, galaktyki zderzające się przez miliony lat i planety, na których warunki atmosferyczne przypominają eksperyment przeprowadzony przez wyjątkowo niezrównoważonego chemika. Nie trzeba niczego wymyślać. Wystarczy przyjrzeć się temu, co naprawdę istnieje.

Ta książka powstała z przekonania, że o astronomii można opowiadać inaczej: bez akademickiej sztywności, bez niepotrzebnego zadęcia i bez traktowania czytelnika jak ucznia, który zapomniał odrobić pracę domową. Nie będzie to podręcznik astrofizyki ani szczegółowy wykład matematyczny. Nie zamierzam również udawać, że wszystkie zagadki kosmosu zostały rozwiązane. Współczesna nauka posiada imponującą wiedzę o wszechświecie, ale nadal nie potrafi odpowiedzieć na wiele podstawowych pytań. Nie wiemy, czym dokładnie są ciemna materia i ciemna energia. Nie dysponujemy kompletną teorią łączącą grawitację z mechaniką kwantową. Nie wiemy, czy istnieje życie poza Ziemią ani jaki będzie ostateczny los całej rzeczywistości. Naukowcy potrafią powiedzieć „nie wiemy”, ponieważ rozumieją różnicę między niewiedzą a koniecznością wymyślenia odpowiedzi. To jedna z najbardziej niedocenianych zalet nauki.

Zaczniemy od Wielkiego Wybuchu, choć samo określenie sugeruje wydarzenie znacznie bardziej hałaśliwe, niż wynikałoby to z naukowego opisu wczesnego wszechświata. Zastanowimy się, skąd wzięły się czas i przestrzeń, dlaczego kosmos się rozszerza oraz co właściwie oznacza jego początek. Następnie odwiedzimy nasze najbliższe otoczenie: Słońce, planety i inne obiekty Układu Słonecznego. Przyjrzymy się Ziemi, która pomimo wszystkich swoich niedoskonałości pozostaje jedynym znanym miejscem zamieszkanym przez życie. Zajrzymy na Wenus, gdzie warunki nie sprzyjają romantycznym spacerom, oraz na Marsa, którego człowiek już teraz traktuje jak potencjalną działkę budowlaną, chociaż nie potrafi jeszcze odpowiedzialnie gospodarować własną planetą.

Dalej czekają nas gwiazdy, ich narodziny i śmierć, supernowe, białe karły, czerwone olbrzymy oraz galaktyki. Spróbujemy zrozumieć, jak wygląda nasze miejsce w Drodze Mlecznej i dlaczego kosmiczne odległości czynią podróże międzygwiezdne tak trudnymi. Spotkamy również Alberta Einsteina, którego teorie pokazały, że czas nie jest jednakowy dla wszystkich, a przestrzeń nie musi zachowywać się zgodnie z intuicją człowieka stojącego na przystanku autobusowym. Przyjrzymy się czarnym dziurom, hipotetycznym tunelom czasoprzestrzennym i koncepcjom multiwersum. W końcu zastanowimy się nad przyszłością wszechświata, która — przynajmniej według części współczesnych modeli — nie zapowiada się szczególnie pogodnie.

Ostatnia część książki będzie poświęcona człowiekowi i jego osobliwej relacji z kosmosem. Zajmiemy się poszukiwaniem życia pozaziemskiego, opowieściami o UFO, rzekomymi porwaniami przez kosmitów oraz astrologią, która od stuleci próbuje przekonać ludzi, że położenie planet odpowiada za ich charakter i niepowodzenia uczuciowe. Zastanowimy się również, czy jesteśmy sami we wszechświecie i czy ewentualne odkrycie innych cywilizacji rzeczywiście rozwiązałoby nasze egzystencjalne problemy. Podejrzewam, że nie. Nawet gdyby jutro na Ziemi wylądowali przedstawiciele niezwykle rozwiniętej cywilizacji, człowiek prawdopodobnie w ciągu tygodnia zacząłby kłócić się o to, kto powinien mieć wyłączne prawo do sprzedaży pamiątek z ich wizerunkiem.

Humor w tej książce nie ma zastępować wiedzy. Ma jedynie pomóc przetrwać spotkanie z rzeczywistością, która często okazuje się bardziej absurdalna niż nasze wyobrażenia. Nie zamierzam wyśmiewać nauki ani ludzi, którzy próbują ją zrozumieć. Znacznie bardziej interesują mnie nasze przekonania, uprzedzenia i skłonność do tworzenia prostych odpowiedzi na skomplikowane pytania. Człowiek jest istotą niezwykle pomysłową. Potrafi obliczać odległości do innych galaktyk, a jednocześnie wierzyć, że retrogradacja Merkurego odpowiada za awarię telefonu. Buduje instrumenty pozwalające obserwować najdalsze zakątki kosmosu, po czym wykorzystuje je do poszukiwania potwierdzenia własnej wyjątkowości. Trudno o lepszy materiał do książki popularnonaukowej z domieszką ironii.

Pisząc jako Profesor Absurd, nie zamierzam występować w roli nieomylnej przewodniczki po rzeczywistości. Wolałabym raczej towarzyszyć czytelnikowi podczas podróży przez najważniejsze zagadnienia współczesnej astronomii, od czasu do czasu zwracając uwagę na szczególnie zabawne sprzeczności między tym, co wiemy, a tym, w co chcielibyśmy wierzyć. Będę oddzielać ustalenia naukowe od hipotez, a hipotezy od fantazji. Tam, gdzie istnieją przekonujące dowody, należy je przedstawić. Tam, gdzie pozostają pytania, trzeba uczciwie przyznać, że odpowiedzi jeszcze nie znamy. Wszechświat nie stanie się mniej interesujący tylko dlatego, że nie potrafimy wyjaśnić każdego jego szczegółu.

Nie oczekuję również, że po przeczytaniu tej książki ktokolwiek przestanie przejmować się codziennością. Wiedza o istnieniu miliardów galaktyk nie sprawi, że zniknie zaległy czynsz, a zrozumienie teorii względności nie przyspieszy pociągu spóźnionego o czterdzieści minut. Astronomia może jednak zmienić proporcje naszego myślenia. Pozwala dostrzec, że uczestniczymy w historii znacznie większej niż dzieje pojedynczego człowieka, państwa czy cywilizacji. Pokazuje, że materia tworząca nasze ciała ma kosmiczną przeszłość, a życie na Ziemi jest częścią procesów zachodzących od miliardów lat. Nie musimy zajmować centralnego miejsca we wszechświecie, aby nasza obecność była czymś niezwykłym.

Być może właśnie w tym kryje się największa wartość astronomii. Uczy pokory, ale nie odbiera zachwytu. Pokazuje nasze ograniczenia, jednocześnie przypominając, jak wiele potrafiliśmy odkryć. Pozwala spojrzeć na rzeczywistość bez konieczności przypisywania jej ludzkich intencji. Gwiazdy nie świecą dla nas, planety nie organizują naszych losów, a galaktyki nie czekają na odkrycie przez człowieka. Mimo to możemy je badać, rozumieć i podziwiać. W świecie pełnym przekonania, że wszystko powinno posiadać natychmiastowe zastosowanie, samo poznawanie rzeczywistości jest przedsięwzięciem wyjątkowo pięknym.

Zapraszam więc w podróż przez kosmos, który nie został zaprojektowany z myślą o naszej wygodzie. Nie gwarantuję spotkania z kosmitami, odkrycia portalu do innego wszechświata ani uzyskania odpowiedzi na pytanie o sens istnienia. Możemy natomiast dowiedzieć się, dlaczego gwiazdy umierają, czas płynie inaczej w różnych warunkach, a przestrzeń rozszerza się bez konieczności istnienia jakiegoś zewnętrznego miejsca, do którego miałaby się rozrastać. To wystarczająco dużo atrakcji jak na jedną książkę.

Proszę tylko pamiętać o jednej rzeczy: wszechświat nie ma pojęcia, że istniejesz. Nie jest tobą rozczarowany, nie kibicuje twoim planom i nie przygotował dla ciebie osobistego horoskopu. Nie oznacza to jednak, że twoje istnienie jest pozbawione znaczenia. Oznacza jedynie, że znaczenia nie trzeba szukać w gwiazdach.

Czasami wystarczy mieć odwagę spojrzeć na nie bez oczekiwania, że odpowiedzą.

Profesor Pamela Absurd

Wszechświat zrobił bum!

Wielki Wybuch

Jak zrobić wszystko z niczego?

Wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, co jest wynikiem imponującym, zwłaszcza jeżeli weźmiemy pod uwagę, że człowiek potrafi uznać trzydzieste urodziny za początek nieuchronnego rozpadu własnej egzystencji. Przez niemal czternaście miliardów lat kosmos produkował galaktyki, gwiazdy, planety, czarne dziury i całą masę innych osobliwości, nie wystawiając rachunków, nie zatrudniając rzecznika prasowego i nie przedstawiając żadnego planu rozwoju. Wszystko odbywało się bez instrukcji obsługi, harmonogramu i komisji nadzorującej. Dopiero stosunkowo niedawno, w skali kosmicznej, na jednej z niewielkich planet pojawił się człowiek, który natychmiast postanowił dowiedzieć się, skąd to wszystko się wzięło, dlaczego istnieje i czy przypadkiem nie zostało stworzone specjalnie dla niego. Uważam to za wyjątkowo bezczelne zachowanie gatunku, który nadal ma problemy z prawidłowym segregowaniem śmieci. Niemniej pytanie o początek wszechświata należy do najważniejszych, jakie kiedykolwiek zadaliśmy, ponieważ dotyczy nie tylko pochodzenia gwiazd i planet, lecz także samej przestrzeni, czasu i materii. Odpowiedź, jaką proponuje współczesna kosmologia, jest jednocześnie fascynująca i nieco rozczarowująca: wiemy bardzo dużo o wczesnej historii wszechświata, ale nie wiemy, czy rzeczywiście miał on absolutny początek.

Najbardziej rozpowszechnionym naukowym opisem tej historii jest teoria Wielkiego Wybuchu. Nazwa sugeruje eksplozję tak potężną, że wszystkie inne wybuchy w historii rzeczywistości powinny poczuć się zawstydzone. W rzeczywistości jednak Wielki Wybuch nie był zwyczajną eksplozją, podczas której materia rozleciała się we wszystkie strony w istniejącej wcześniej pustce. Nie było znanego nam centrum wybuchu, gigantycznego grzyba ognia ani kosmicznego sapera, który zapomniał przeciąć odpowiedni przewód. Teoria opisuje wszechświat, który w bardzo wczesnej epoce znajdował się w stanie niezwykle wysokiej temperatury i gęstości, a następnie rozszerzał się i ochładzał. To sama przestrzeń zmieniała swoją skalę, a nie gotowe galaktyki wylatywały z jednego punktu niczym odłamki granatu. Nie wiemy przy tym, czy cała przestrzeń jest skończona, czy nieskończona, dlatego popularne twierdzenie, że cały wszechświat mieścił się kiedyś w punkcie mniejszym od główki szpilki, może wprowadzać w błąd. Możemy natomiast powiedzieć, że obszar odpowiadający dzisiejszemu obserwowalnemu wszechświatowi był niegdyś znacznie gęstszy i gorętszy. Rozumiem, że taka odpowiedź jest mniej widowiskowa od opowieści o eksplodującej kulce, ale nauka nie ma obowiązku dostosowywać rzeczywistości do potrzeb producentów efektów specjalnych.

Jeżeli cofniemy kosmiczny zegar wystarczająco daleko, dotrzemy do warunków, w których nie istniały jeszcze gwiazdy, galaktyki, planety ani atomy w znanej nam postaci. Materia znajdowała się w stanie tak energetycznym, że nasze codzienne doświadczenia przestają być użyteczne. Nie było wówczas skał, oceanów, atmosfery ani czegokolwiek, na czym można byłoby postawić filiżankę kawy. Zresztą sama filiżanka nie przetrwałaby nawet ułamka sekundy. Najwcześniejsze etapy tej historii pozostają jednak niepewne. Szczególnie problematyczna jest tak zwana epoka Plancka, związana ze skalą czasu wynoszącą około jednej dziesięciomilionowej bilionowej bilionowej bilionowej sekundy. W takich warunkach efekty kwantowe grawitacji mogły odgrywać zasadniczą rolę, a my nadal nie posiadamy kompletnej, eksperymentalnie potwierdzonej teorii pozwalającej je opisać. Dlatego kiedy ktoś z absolutną pewnością opowiada, co wydarzyło się w pierwszym momencie istnienia wszystkiego, radzę sprawdzić, czy przypadkiem nie sprzedaje również kursu otwierania trzeciego oka. Kosmologia nie jest bezradna wobec wczesnego wszechświata, ale jej wiedza ma określone granice. Nie należy mylić granicy obecnych teorii z dowodem, że przed nią nie istniało nic.

Jedną z najbardziej interesujących propozycji dotyczących bardzo wczesnego kosmosu jest inflacja kosmiczna, czyli hipotetyczny okres niezwykle szybkiego rozszerzania się przestrzeni. Nie chodzi tutaj o inflację znaną z gospodarki, choć obie mają pewną wspólną cechę: wszystko rośnie szybciej, niż przeciętny człowiek potrafi zrozumieć. W modelach inflacyjnych przestrzeń mogła zwiększyć swoją skalę w niewiarygodnie krótkim czasie. Koncepcja ta pomaga wyjaśnić, dlaczego obserwowalny wszechświat jest tak podobny w różnych kierunkach oraz dlaczego jego geometria przestrzenna jest bardzo bliska płaskiej. Co więcej, niewielkie zaburzenia kwantowe mogły zostać rozciągnięte do rozmiarów, które później umożliwiły powstawanie wielkich struktur kosmicznych. Jest to pomysł piękny i matematycznie rozwijany od dziesięcioleci, lecz nie należy przedstawiać go jako całkowicie rozstrzygniętego faktu. Nie znamy dokładnego mechanizmu inflacji ani natury ewentualnego pola, które mogłoby za nią odpowiadać. Istnieją różne modele, a badacze wciąż poszukują obserwacji pozwalających je odróżnić. W nauce nawet najbardziej elegancka hipoteza musi liczyć się z możliwością, że wszechświat zachował się inaczej, niż przewidział jej autor. Jest to szczególnie przykre dla teoretyków, którzy poświęcili kilkanaście lat na opracowanie równań, a następnie odkryli, że rzeczywistość nie zamierza ich przeczytać.

W miarę rozszerzania się wszechświata temperatura spadała, a materia przechodziła kolejne przemiany. We wczesnej epoce istniała niezwykle gorąca mieszanina cząstek i promieniowania. W odpowiednich warunkach kwarki mogły łączyć się w protony i neutrony, które później odegrały podstawową rolę w tworzeniu jąder atomowych. W ciągu pierwszych minut rozpoczęła się pierwotna nukleosynteza, czyli proces powstawania najlżejszych jąder. Wszechświat wytworzył przede wszystkim jądra wodoru i helu oraz niewielkie ilości innych lekkich pierwiastków. W tym okresie nie powstały jeszcze wszystkie pierwiastki znane z układu okresowego. Na złoto, żelazo, węgiel i wiele innych składników trzeba było poczekać, aż kolejne pokolenia gwiazd rozpoczną swoją działalność. Początkowy asortyment kosmicznej fabryki był więc stosunkowo ubogi, ale wystarczający, by z czasem uruchomić znacznie bardziej skomplikowaną produkcję. Zadziwia mnie, że w ciągu kilku minut wszechświat potrafił przygotować podstawowe składniki przyszłej materii, podczas gdy człowiek potrzebuje niekiedy czterdziestu minut, żeby zdecydować, czy zamówić pizzę z pieczarkami.

Przez następne setki tysięcy lat kosmos pozostawał w stanie, w którym światło nie mogło swobodnie przemierzać ogromnych odległości. Wszechświat wypełniała gorąca plazma, a fotony nieustannie oddziaływały ze swobodnymi elektronami. Dopiero około 380 tysięcy lat po początku gorącej fazy temperatura spadła na tyle, że elektrony mogły trwale łączyć się z jądrami, tworząc neutralne atomy. Wówczas promieniowanie zaczęło rozchodzić się znacznie swobodniej. Jego pozostałość obserwujemy dzisiaj jako kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Ma ono średnią temperaturę około 2,725 kelwina, czyli mniej więcej minus 270,4 stopnia Celsjusza, i dociera do nas praktycznie ze wszystkich kierunków nieba. To jedno z najważniejszych świadectw wczesnej historii wszechświata. Nie jest to fotografia samego Wielkiego Wybuchu, lecz promieniowanie pochodzące z epoki, gdy kosmos był już znacznie starszy niż kilka pierwszych minut. Można powiedzieć, że oglądamy jego bardzo wczesny portret rodzinny, choć fotograf najwyraźniej nie potrafił ustawić ostrości na żadnym konkretnym obiekcie.

Odkrycie tego promieniowania należy do moich ulubionych historii naukowych. W 1964 roku Arno Penzias i Robert Wilson, pracujący z anteną radiową w Stanach Zjednoczonych, zauważyli uporczywy szum, którego nie potrafili wyjaśnić. Sprawdzali urządzenie, analizowali możliwe źródła zakłóceń i usuwali z anteny zanieczyszczenia pozostawione przez gołębie. Szum jednak nie znikał. Ostatecznie okazało się, że zarejestrowali promieniowanie będące pozostałością po bardzo wczesnym wszechświecie. W 1978 roku otrzymali za to Nagrodę Nobla z fizyki. Historia jest pouczająca z dwóch powodów. Po pierwsze, pokazuje, że wielkie odkrycia bywają nieoczekiwane. Po drugie, przypomina, że nawet podczas badania najgłębszych tajemnic kosmosu człowiek musi czasami zajmować się ptasimi odchodami. Nie znam lepszego symbolu ludzkiej kondycji. Możemy badać historię przestrzeni i czasu, ale rzeczywistość i tak znajdzie sposób, żeby sprowadzić nas na ziemię.

Po uwolnieniu promieniowania tła wszechświat wszedł w okres, który astronomowie nazywają kosmicznymi wiekami ciemnymi. Nie istniały jeszcze gwiazdy, a materia stopniowo gromadziła się pod wpływem grawitacji. Niewielkie pierwotne różnice gęstości z czasem rosły, tworząc warunki sprzyjające powstawaniu pierwszych skupisk gazu. Szczególnie ważną rolę odegrała ciemna materia, której grawitacyjne oddziaływanie pomagało formować struktury. Pierwsze gwiazdy mogły pojawić się już około stu do dwustu milionów lat po Wielkim Wybuchu, choć dokładny przebieg tego procesu nadal jest badany. Były to obiekty powstające z materii niemal całkowicie pozbawionej pierwiastków cięższych od helu. W ich wnętrzach rozpoczęła się produkcja kolejnych pierwiastków, a śmierć części masywnych gwiazd przyczyniła się do wzbogacenia otaczającej przestrzeni w nowe składniki. Z czasem powstawały galaktyki, następne pokolenia gwiazd i układy planetarne. Nie wydarzyło się to jednocześnie ani według jednego prostego harmonogramu. Kosmiczna ewolucja była długim procesem, w którym grawitacja, reakcje jądrowe, promieniowanie i liczne inne zjawiska współtworzyły coraz bardziej złożone struktury. W ten sposób materia, która kiedyś znajdowała się w niezwykle gorącym i gęstym stanie, stała się podstawą planet, oceanów, organizmów żywych i ludzi, którzy dzisiaj płacą za aplikacje obiecujące im kontakt z energią wszechświata.

Skąd jednak wiemy, że ta historia jest prawdziwa? Nie dlatego, że pewnego dnia astronomowie zebrali się przy stole i uznali, że Wielki Wybuch będzie najładniej wyglądał w podręcznikach. Współczesny model kosmologiczny opiera się na kilku niezależnych grupach obserwacji. Po pierwsze, odległe galaktyki wykazują charakterystyczne przesunięcia widmowe, które w połączeniu z pomiarami odległości potwierdzają ekspansję kosmosu. Po drugie, obserwujemy mikrofalowe promieniowanie tła, którego własności odpowiadają przewidywaniom dotyczącym wczesnego, gorącego wszechświata. Po trzecie, pierwotne proporcje lekkich pierwiastków w dużym stopniu zgadzają się z obliczeniami nukleosyntezy. Po czwarte, badania galaktyk i ich rozmieszczenia pozwalają rekonstruować rozwój struktur kosmicznych. Te różne źródła informacji wzajemnie się uzupełniają. Oczywiście pozostają nierozwiązane problemy, między innymi dotyczące ciemnej materii, ciemnej energii oraz niektórych szczegółów pierwotnej produkcji litu. Nie oznacza to jednak, że cały model jest fałszywy. Nauka nie działa według zasady, że jeśli nie rozumiemy jednego szczegółu, należy natychmiast wyrzucić do kosza wszystkie pozostałe odkrycia. Gdybyśmy stosowali taką metodę w codziennym życiu, po pierwszej awarii pralki należałoby zakwestionować istnienie elektryczności.

Pozostaje najbardziej kłopotliwe pytanie: skąd wzięło się to wszystko? Czy Wielki Wybuch stworzył materię, energię, przestrzeń i czas? Czy przed nim istniało coś innego? A może pojęcie „przed” nie ma w tym przypadku sensu? Tutaj musimy zachować ostrożność. Model gorącego Wielkiego Wybuchu nie jest kompletną teorią absolutnego powstania rzeczywistości. Opisuje ewolucję kosmosu od bardzo wczesnego stanu, lecz nie rozstrzyga ostatecznie, dlaczego istnieje raczej coś niż nic. W fizyce rozważa się różne możliwości, między innymi wcześniejsze fazy kosmiczne, scenariusze kwantowego pochodzenia wszechświata i modele, w których czas ma szczególne własności w pobliżu hipotetycznego początku. Żadna z tych propozycji nie została jednak potwierdzona jako ostateczne wyjaśnienie. Szczególnie irytuje mnie popularne stwierdzenie, że nauka udowodniła powstanie wszechświata z absolutnego niczego. W wielu fizycznych modelach słowo „nic” oznacza stan lub konstrukcję posiadającą określone własności matematyczne, a nie całkowity brak czegokolwiek. Jest to zasadnicza różnica. Jeżeli ktoś mówi, że przygotował obiad z niczego, a następnie wyciąga z lodówki jajka, masło, ser i kilogram ziemniaków, nie dokonał cudu. Po prostu bardzo swobodnie posługuje się językiem.

Warto również rozprawić się z przekonaniem, że Wielki Wybuch był wydarzeniem zaplanowanym specjalnie po to, aby powstała ludzkość. Nie mamy naukowych podstaw do takiego twierdzenia. Przez zdecydowaną większość kosmicznej historii ludzie nie istnieli. Ziemia uformowała się około 4,54 miliarda lat temu, a więc ponad dziewięć miliardów lat po początku gorącej fazy wszechświata. Nasz gatunek pojawił się dopiero około trzystu tysięcy lat temu. W porównaniu z wiekiem kosmosu jest to niemal niezauważalny okres. Gdyby całą historię wszechświata zamknąć w jednym roku kalendarzowym, człowiek współczesny pojawiłby się dopiero w ostatnich kilkunastu minutach sylwestra. Mimo to zdążyłby zapewne ogłosić się najważniejszym wydarzeniem całego roku, założyć kilka religii, wywołać konflikt o interpretację kalendarza i rozpocząć sprzedaż pamiątkowych kubków. Nie twierdzę, że nasze istnienie jest pozbawione znaczenia. Twierdzę jedynie, że kosmiczna historia nie dostarcza dowodów na naszą uprzywilejowaną pozycję.

Najpiękniejszą konsekwencją tej historii jest jednak pochodzenie materii, z której jesteśmy zbudowani. Wodór w naszym organizmie ma korzenie sięgające wczesnego wszechświata, natomiast znaczna część cięższych pierwiastków powstała dzięki procesom zachodzącym w gwiazdach i podczas gwałtownych wydarzeń astrofizycznych. Węgiel, tlen, wapń i żelazo uczestniczyły w kosmicznej historii na długo przed pojawieniem się Ziemi. Nie oznacza to, że jesteśmy magicznymi istotami obdarzonymi specjalną gwiezdną energią. Oznacza, że nasze ciała składają się z atomów posiadających niezwykle długą historię fizyczną. Jest to wystarczająco fascynujące bez dokładania do tego horoskopu. Kiedy więc ktoś mówi mi, że jestem dzieckiem gwiazd, mogę się z nim zgodzić w sensie chemicznym. Jeżeli jednak na tej podstawie próbuje wyjaśnić moje problemy finansowe układem Saturna, kończę rozmowę. Gwiazdy rzeczywiście uczestniczyły w produkcji pierwiastków tworzących moje ciało, ale nie odpowiadają za to, że kupiłam kolejną niepotrzebną rzecz.

Wielki Wybuch nie był zatem zwykłą eksplozją, lecz początkiem znanej nam gorącej fazy ewolucji wszechświata. Z tego stanu wyłoniła się historia trwająca miliardy lat, obejmująca powstawanie atomów, gwiazd, galaktyk, planet i w końcu życia. Nie znamy wszystkich szczegółów tej historii i nie potrafimy jeszcze odpowiedzieć na pytanie o absolutne pochodzenie rzeczywistości. Potrafimy jednak odtworzyć zadziwiająco wiele procesów, które doprowadziły do powstania obserwowanego dzisiaj kosmosu. Jest to osiągnięcie tym większe, że dokonaliśmy go z powierzchni jednej niewielkiej planety, dysponując instrumentami zbudowanymi z tej samej materii, którą próbujemy zrozumieć. Właśnie ta zdolność do badania własnego pochodzenia wydaje mi się najbardziej niezwykłą cechą człowieka. Szkoda tylko, że nie zawsze idzie w parze z umiejętnością krytycznego myślenia.

Gdybym miała ocenić Wielki Wybuch jako przedsięwzięcie organizacyjne, przyznałabym mu wysokie noty za skalę, pomysłowość i długoterminowe konsekwencje. Zastrzeżenia budzi natomiast brak dokumentacji, niejasny mechanizm uruchomienia oraz całkowita nieobecność działu obsługi klienta. Przez niemal czternaście miliardów lat powstały niezliczone struktury kosmiczne, a my nadal nie wiemy, czy wszystko zaczęło się od absolutnego początku, czy jedynie od kolejnego etapu znacznie dłuższej historii. Być może przyszłe pokolenia odkryją odpowiedź. Być może okaże się, że pytanie zostało źle postawione. Na razie pozostaje nam obserwować, mierzyć i cierpliwie oddzielać fakty od fantazji. Wszechświat najwyraźniej nie zamierza ułatwiać nam zadania, ale trudno mieć do niego pretensje. W końcu stworzył warunki, w których mogła powstać inteligencja zdolna do badania jego historii. To już całkiem sporo. Chociaż gdy patrzę na niektóre przejawy działalności naszego gatunku, zaczynam podejrzewać, że przy produkcji inteligencji doszło do drobnej, ale wyjątkowo kosztownej pomyłki.

Co było przed początkiem, do cholery?

Istnieją pytania, które człowiek zadaje z ciekawości, oraz takie, które zadaje wyłącznie po to, żeby zepsuć sobie resztę życia. Do drugiej kategorii należy pytanie o to, co istniało przed Wielkim Wybuchem. Wydaje się ono całkowicie rozsądne. Skoro wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, to przecież coś musiało istnieć wcześniej. Może inny wszechświat, może bezkresna pustka, może jakieś pierwotne skupisko energii, a może kosmiczny magazyn, w którym przechowywano przyszłe galaktyki, zanim wydano pozwolenie na ich montaż. Problem polega na tym, że słowo „wcześniej” zakłada istnienie czasu, a właśnie czas jest jednym z głównych podejrzanych w tej sprawie. Jeżeli powstał wraz z wszechświatem, pytanie o wydarzenia poprzedzające jego początek może nie mieć sensu. To trochę tak, jakby zapytać, co znajduje się na północ od bieguna północnego, a następnie oskarżyć geografów o ukrywanie prawdy, ponieważ nie potrafią wskazać odpowiedniego przystanku autobusowego. Niestety, nie możemy po prostu uznać, że czas na pewno miał początek. Współczesna kosmologia tego nie udowodniła. Nie udowodniła również, że istniał wcześniej. Znajdujemy się zatem w wyjątkowo niewygodnej sytuacji: próbujemy ustalić, co wydarzyło się przed czymś, co być może nie miało żadnego „przed”. Przyznaję, że gdyby podobny problem pojawił się podczas zwykłej rozmowy rodzinnej, prawdopodobnie wyszłabym z pokoju.

Żeby zrozumieć tę trudność, musimy przyjrzeć się samemu czasowi. W codziennym życiu traktujemy go jak coś oczywistego. Zegarki odmierzają sekundy, kalendarze porządkują dni, a pracodawcy przypominają, że spóźnienie o siedem minut jest niedopuszczalne, choć zebranie trwające dwie godziny i pozbawione jakiegokolwiek sensu najwyraźniej nie stanowi problemu. Przez stulecia fizycy również traktowali czas jako wielkość niezależną od wydarzeń. W mechanice Isaaca Newtona płynął on jednakowo dla wszystkich, niezależnie od miejsca i ruchu obserwatora. Można było wyobrazić sobie jeden ogromny zegar, który odmierzał sekundy w całym kosmosie. Dopiero Albert Einstein na początku XX wieku pokazał, że rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana. W szczególnej teorii względności z 1905 roku wykazał, że pomiary czasu i odległości zależą od względnego ruchu obserwatorów. Dwa wydarzenia, które dla jednego obserwatora są jednoczesne, dla innego mogą następować w różnych chwilach. Co więcej, zegary poruszające się względem siebie mogą wskazywać różne odstępy czasu między odpowiednio porównanymi zdarzeniami. Nie jest to złudzenie ani wada mechanizmu. To rzeczywista własność czasoprzestrzeni, wielokrotnie potwierdzona doświadczalnie. W 1915 roku Einstein przedstawił ogólną teorię względności, w której grawitacja została opisana jako przejaw geometrii czasoprzestrzeni. Okazało się między innymi, że tempo odmierzania czasu zależy również od warunków grawitacyjnych. Zegary znajdujące się w różnych miejscach pola grawitacyjnego mogą chodzić w różnym tempie. Zjawisko to trzeba uwzględniać choćby w systemach nawigacji satelitarnej. Jest w tym coś niezwykle zabawnego: człowiek korzysta z GPS-u, żeby znaleźć najbliższy supermarket, nie zdając sobie sprawy, że dokładność urządzenia zależy częściowo od teorii, która przewróciła nasze rozumienie czasu do góry nogami.

Skoro czas jest związany z geometrią wszechświata, pytanie o jego początek przestaje być prostą zagadką chronologiczną. Nie możemy automatycznie założyć, że przed powstaniem znanej nam czasoprzestrzeni istniał jakiś uniwersalny zegar, który cierpliwie odmierzał kolejne miliardy lat. Być może czas wyłonił się dopiero w określonych warunkach fizycznych. Być może istniała wcześniejsza faza rzeczywistości, którą można opisać za pomocą innego pojęcia czasu. A być może nasze obecne wyobrażenia są zbyt prymitywne, aby w ogóle poprawnie sformułować pytanie. Jest to szczególnie irytujące dla gatunku, który uwielbia wszystko porządkować chronologicznie. Potrafimy ustalić datę koronacji średniowiecznego monarchy, godzinę odjazdu pociągu i dokładny moment rozpoczęcia promocji na odkurzacze, ale nie wiemy, czy istniała pierwsza sekunda całej rzeczywistości. Co gorsza, nie mamy pewności, czy określenie „pierwsza sekunda” posiada sens fizyczny. Osobiście uważam, że czas mógłby przynajmniej zostawić po sobie jakiś dokument założycielski, skoro od początku istnienia tak bezwzględnie organizuje nam życie.

Kiedy fizycy wykorzystują równania ogólnej teorii względności do odtwarzania historii rozszerzającego się wszechświata, otrzymują obraz coraz większej gęstości i temperatury w przeszłości. W prostych modelach klasycznych cofanie tej ewolucji prowadzi do tak zwanej osobliwości. Popularne wyjaśnienia przedstawiają ją często jako nieskończenie mały punkt, w którym znajdowało się wszystko. Jest to jednak obraz zbyt uproszczony. Osobliwość kosmologiczna nie musi oznaczać punktu umieszczonego gdzieś w istniejącej przestrzeni. W matematycznym opisie ogólnej teorii względności istotne jest między innymi to, że pewnych trajektorii nie można przedłużać w nieskończoność w ramach rozważanej czasoprzestrzeni. W prostych modelach pojawiają się również wielkości dążące do nieskończoności, co sugeruje, że dotychczasowy opis osiąga granicę stosowalności. Nie oznacza to automatycznie, że rzeczywistość rzeczywiście zawierała fizyczny punkt o nieskończonej gęstości. Może to oznaczać, że nasza teoria nie potrafi już prawidłowo opisywać warunków panujących w tak ekstremalnym stanie. Jest to różnica zasadnicza. Jeżeli mapa kończy się na brzegu kartki, nie oznacza to, że za kartką znajduje się przepaść. Oznacza jedynie, że kartograf nie narysował dalszej części terenu. Oczywiście w dawnych czasach ludzie chętnie umieszczali na takich obszarach potwory. Dzisiaj niektórzy umieszczają tam kosmitów, tajne laboratoria albo dowody na istnienie alternatywnych wymiarów. Wyobraźnia najwyraźniej nie znosi niezagospodarowanej przestrzeni.

W badaniach nad osobliwościami ogromną rolę odegrali Roger Penrose i Stephen Hawking. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku rozwijali matematyczne twierdzenia pokazujące, że przy określonych założeniach dotyczących materii i geometrii czasoprzestrzeni pojawienie się osobliwości w sensie niezupełności pewnych trajektorii jest nieuniknione. Nie udowodnili jednak, że wszechświat powstał z absolutnego niczego. Ich wyniki dotyczyły własności klasycznej ogólnej teorii względności i zależały od konkretnych warunków. Problem polega na tym, że w pobliżu hipotetycznego początku kosmosu mogły być istotne zjawiska kwantowe, których klasyczna teoria grawitacji nie uwzględnia w wystarczający sposób. Potrzebowalibyśmy więc kwantowej teorii grawitacji, czyli spójnego opisu łączącego odpowiednie zasady mechaniki kwantowej z grawitacją. Fizycy od dziesięcioleci próbują taki opis stworzyć, ale żadna propozycja nie uzyskała dotąd powszechnie zaakceptowanego potwierdzenia eksperymentalnego. Jest to sytuacja godna współczucia. Wyobraźmy sobie dwóch znakomitych specjalistów, z których jeden doskonale rozumie konstrukcję budynku, a drugi zachowanie wszystkich znajdujących się w nim przedmiotów. Problem zaczyna się wtedy, gdy okazuje się, że ich instrukcje nie pozwalają wspólnie opisać fundamentów. W przypadku wszechświata nie możemy nawet zadzwonić do kierownika budowy, ponieważ nie wiemy, czy ktokolwiek pełnił tę funkcję.

Jedną z najbardziej interesujących prób rozwiązania problemu początku przedstawili w 1983 roku James Hartle i Stephen Hawking. Zaproponowali model kosmologii kwantowej określany mianem koncepcji bez brzegów. W dużym uproszczeniu rozważali możliwość, że kwantowy opis wszechświata nie wymaga zwykłej początkowej granicy czasu. W odpowiednim formalizmie matematycznym geometria związana z najwcześniejszą fazą kosmosu może mieć własności odmienne od znanej nam czasoprzestrzeni. Hawking posługiwał się analogią powierzchni Ziemi. Możemy podróżować na północ aż do bieguna północnego, ale nie znajdziemy miejsca położonego jeszcze bardziej na północ. Nie oznacza to, że biegun jest krawędzią świata. Po prostu określony kierunek przestaje tam mieć dotychczasowe znaczenie. Podobnie w pewnych interpretacjach modelu bez brzegów pytanie o chwilę poprzedzającą początek czasu mogłoby być pozbawione sensu. Nie oznacza to jednak, że Hawking udowodnił, iż wszechświat nie miał początku albo że nie potrzebował żadnej przyczyny. Jego propozycja pozostaje modelem teoretycznym, którego matematyczne szczegóły i fizyczna interpretacja są przedmiotem badań. Szczególnie irytujące jest to, że popularne media potrafią przekształcić subtelną koncepcję kosmologii kwantowej w nagłówek informujący, że „Hawking ostatecznie rozwiązał zagadkę stworzenia”. Gdyby rzeczywiście tak było, fizycy mogliby zamknąć laboratoria i zająć się ogrodnictwem.

Innym możliwym scenariuszem jest Wielkie Odbicie, czyli Big Bounce. W takich modelach obecna faza rozszerzania się wszechświata mogła zostać poprzedzona okresem kurczenia. Zamiast osiągać klasyczną osobliwość, kosmos miałby przejść przez stan ekstremalnej gęstości, po którym rozpoczęłaby się ekspansja. Brzmi to trochę jak historia człowieka, który po wyjątkowo nieudanym tygodniu postanowił zacząć życie od nowa, ale w fizyce wymaga konkretnych mechanizmów. Niektóre modele pętlowej kosmologii kwantowej sugerują, że efekty kwantowe geometrii mogą w odpowiednich warunkach zapobiegać pojawieniu się klasycznej osobliwości i prowadzić do odbicia. Istnieją także inne propozycje, wykorzystujące zmodyfikowane teorie grawitacji albo szczególne własności pól fizycznych. Żadna z nich nie została jednak potwierdzona jako rzeczywisty opis historii naszego wszechświata. Nie wiemy, czy przed obecną ekspansją istniała faza kurczenia, ani czy podobne przejścia mogą zachodzić wielokrotnie. Samo matematyczne dopuszczenie takiego scenariusza nie oznacza, że rzeczywistość rzeczywiście go zrealizowała. Mogłabym przecież opracować szczegółowy plan zostania królową Marsa, ale dopóki nie zdobędę odpowiednich dowodów i przynajmniej jednego marsjańskiego poddanego, pozostanie to wyłącznie ambitnym projektem osobistym.

Z Wielkim Odbiciem wiąże się szersza idea wszechświata cyklicznego. W niektórych modelach kosmos przechodzi przez kolejne okresy ekspansji i kurczenia, a jego historia nie musi posiadać jednego absolutnego początku. Koncepcja powracającego świata jest znacznie starsza od współczesnej fizyki. Pojawiała się w różnych tradycjach filozoficznych i religijnych, choć współczesne modele kosmologiczne opierają się na zupełnie innych podstawach matematycznych. Jednym z problemów teorii cyklicznych jest entropia, czyli wielkość fizyczna związana między innymi z liczbą możliwych stanów układu i kierunkiem procesów termodynamicznych. W procesach nieodwracalnych całkowita entropia odpowiednio rozumianego układu izolowanego nie maleje samorzutnie. Oznacza to, że kolejne cykle nie mogą być bez dodatkowych założeń traktowane jako idealne powtórzenia tego samego wydarzenia. Wszechświat nie jest pralką, która po zakończeniu programu wraca do stanu fabrycznego. Roger Penrose zaproponował również konforemną kosmologię cykliczną, w której bardzo odległa przyszłość jednego kosmicznego eonu może być matematycznie powiązana z początkiem następnego. Poszukiwano nawet możliwych śladów wcześniejszych eonów w mikrofalowym promieniowaniu tła, ale dotychczas nie uzyskano powszechnie zaakceptowanego potwierdzenia tej koncepcji. Nie ma też żadnych podstaw, by twierdzić, że w poprzednim cyklu istniała identyczna Ziemia, ci sami ludzie i ta sama książka. Chociaż przyznaję, że myśl o konieczności ponownego przeżywania wszystkich zebrań administracyjnych jest jednym z najbardziej przerażających scenariuszy kosmologicznych, jakie potrafię sobie wyobrazić.

Często można również usłyszeć, że wszechświat powstał z fluktuacji kwantowej. Zdanie brzmi imponująco, szczególnie jeśli wypowiada się je powoli, patrząc w dal i od czasu do czasu marszcząc brwi. Problem polega na tym, że pojęcie fluktuacji kwantowej ma określone znaczenie fizyczne, a słowo „nic” bywa w takich opowieściach używane wyjątkowo nieuczciwie. W kwantowej teorii pola próżnia nie oznacza absolutnego niebytu. Jest stanem fizycznym o określonych własnościach, w którym mogą występować fluktuacje i korelacje pól kwantowych. Nie jest to więc całkowity brak przestrzeni, czasu, praw fizyki i wszelkich struktur. Istnieją modele próbujące opisać kwantowe pochodzenie wszechświata, między innymi propozycje rozwijane przez Alexandra Vilenkina, ale nie stanowią one dowodu, że rzeczywistość powstała z filozoficznie rozumianego absolutnego niczego. Jeżeli ktoś mówi, że wszystko powstało z niczego, należy zapytać, co dokładnie rozumie przez owo „nic”. Jeżeli odpowiedź obejmuje pola kwantowe, prawa fizyki i odpowiednią strukturę matematyczną, to mamy do czynienia z bardzo bogato wyposażonym niczym. To tak, jakby restaurator zapewniał, że przygotował obiad bez żadnych składników, po czym okazałoby się, że dysponował mięsem, warzywami, przyprawami i profesjonalną kuchnią. Nie twierdzę, że kwantowe modele początku są bezwartościowe. Przeciwnie, należą do poważnych prób zrozumienia najwcześniejszych warunków kosmicznych. Nie wolno jednak zastępować precyzyjnego opisu efektownym sloganem.

Jeszcze bardziej egzotyczne propozycje pojawiają się w teoriach strun i modelach wykorzystujących dodatkowe wymiary przestrzenne. W pewnych wersjach teorii strun podstawowe składniki materii nie są traktowane jako punktowe cząstki, lecz jako niezwykle małe, jednowymiarowe obiekty, których różne stany drgań odpowiadają różnym cząstkom. Niektóre matematyczne sformułowania wymagają większej liczby wymiarów niż trzy znane nam wymiary przestrzenne i jeden czasowy. Nie oznacza to jednak, że odkryto dodatkowe kierunki, w których można wybrać się na spacer. Ich istnienie pozostaje hipotezą. W wybranych modelach kosmologicznych inspirowanych teoriami strun rozważa się również tak zwane brany, czyli obiekty o określonej liczbie wymiarów. Powstały scenariusze, w których procesy związane z takimi strukturami mogłyby odgrywać rolę w najwcześniejszej historii kosmosu. Brzmi to jak scenariusz filmu science fiction, ale samo podobieństwo do fantastyki nie dyskwalifikuje teorii naukowej. Decydujące znaczenie mają spójność matematyczna i możliwość konfrontacji z obserwacjami. Jak dotąd nie uzyskano jednak jednoznacznego eksperymentalnego potwierdzenia teorii strun jako fundamentalnego opisu naszego wszechświata. Osobiście najbardziej interesuje mnie praktyczne zastosowanie dodatkowych wymiarów. Gdyby udało się odkryć choć jeden, być może można byłoby przechowywać w nim przedmioty, które nie mieszczą się w mieszkaniu. Niestety, współczesna fizyka nie oferuje jeszcze możliwości wynajęcia schowka w jedenastym wymiarze.

Pozostaje kwestia przyczyny. W codziennym życiu przyzwyczailiśmy się do tego, że wydarzenia mają swoje wyjaśnienia. Szyba pęka, ponieważ została uderzona. Woda wrze, ponieważ dostarczamy jej energii. Człowiek przeklina drukarkę, ponieważ urządzenie po raz osiemnasty twierdzi, że nie ma papieru, mimo że papier znajduje się dokładnie tam, gdzie powinien. Intuicja podpowiada nam zatem, że również wszechświat musiał mieć przyczynę. Problem polega na tym, że znane nam relacje przyczynowe funkcjonują w określonej strukturze czasoprzestrzeni. Jeżeli pytamy o powstanie samej czasoprzestrzeni, nie możemy bez dodatkowych założeń przenosić na tę sytuację wszystkich codziennych intuicji. Nie oznacza to, że wszechświat na pewno powstał bez przyczyny. Nie oznacza również, że musiał zostać stworzony przez świadomy byt. Nauka nie dysponuje obecnie ostatecznym rozstrzygnięciem tak sformułowanego problemu. Pytanie, dlaczego istnieje raczej coś niż nic, pozostaje także zagadnieniem filozoficznym. Możemy rozważać, czy rzeczywistość wymaga wyjaśnienia zewnętrznego, czy jej istnienie jest faktem podstawowym, albo czy pojęcie absolutnego niebytu w ogóle jest sensowne. Żadne z tych stanowisk nie staje się automatycznie prawdziwe tylko dlatego, że jego zwolennik mówi bardzo pewnym głosem. W tej kwestii szczególnie niebezpieczni są ludzie, którzy na każde pytanie posiadają gotową odpowiedź. Najczęściej oznacza to, że nie zrozumieli jeszcze skali problemu.

Czy kiedykolwiek dowiemy się, co poprzedzało gorącą fazę Wielkiego Wybuchu? Być może. Astronomowie dysponują coraz dokładniejszymi metodami badania wczesnego wszechświata. Mikrofalowe promieniowanie tła dostarcza informacji o pierwotnych zaburzeniach gęstości, a obserwacje galaktyk pozwalają rekonstruować późniejszą ewolucję struktur kosmicznych. Duże nadzieje wiąże się również z poszukiwaniem pierwotnych fal grawitacyjnych, które mogłyby zawierać informacje o niezwykle wczesnych procesach. Nie należy jednak mylić ich z falami grawitacyjnymi zarejestrowanymi po raz pierwszy bezpośrednio przez obserwatoria LIGO w 2015 roku, pochodzącymi ze złączenia dwóch czarnych dziur. Pierwotne fale grawitacyjne, jeżeli powstały w odpowiednich warunkach, mogłyby pozostawić charakterystyczne ślady między innymi w polaryzacji promieniowania tła. Jak dotąd nie uzyskano jednoznacznego potwierdzenia takiego sygnału. W 2014 roku ogłoszono nawet wyniki interpretowane początkowo jako możliwy ślad pierwotnych fal grawitacyjnych, ale późniejsze analizy wykazały, że nie wykluczono dostatecznie wpływu pyłu galaktycznego. Jest to doskonały przykład działania nauki: pojawia się interesujący wynik, następnie nowe dane zmuszają badaczy do skorygowania interpretacji. Dla miłośników teorii spiskowych jest to zapewne dowód wielkiego oszustwa. Dla naukowców — normalna część procesu badawczego. Osobiście wolę specjalistę, który potrafi przyznać się do błędu, niż człowieka, który przez trzydzieści lat z absolutną pewnością powtarza bzdury.

Nie mamy również gwarancji, że wszystkie informacje o najwcześniejszej historii wszechświata są w ogóle dostępne obserwacyjnie. Możliwe, że pewne procesy pozostawiły ślady, które kiedyś uda się wykryć. Możliwe jednak, że część informacji została utracona albo że różne scenariusze prowadzą do tak podobnych obserwowalnych konsekwencji, iż nie będziemy potrafili ich rozróżnić. Kosmos nie prowadzi archiwum w sposób dostosowany do potrzeb historyków. Nie istnieje znany nam urząd, w którym można zamówić odpis aktu narodzin czasoprzestrzeni, podając datę i miejsce zdarzenia. Nawet gdyby taki urząd istniał, zapewne wymagałby wcześniejszej rejestracji internetowej, której nie można ukończyć bez podania numeru PESEL wszechświata. Musimy więc korzystać z tego, co rzeczywistość pozwala nam obserwować, i pamiętać, że naukowe wyjaśnienie wymaga czegoś więcej niż atrakcyjnej opowieści. Dobrze skonstruowany model powinien prowadzić do przewidywań, które można porównywać z danymi. Bez tego nawet najbardziej pomysłowa wizja pozostaje hipotezą o nieustalonym związku z rzeczywistością.

Po przeanalizowaniu osobliwości, kwantowej grawitacji, kosmicznych odbić, cyklicznych wszechświatów i dodatkowych wymiarów dochodzimy do wniosku, który może rozczarować osoby oczekujące jednoznacznego rozwiązania: nadal nie wiemy, co było przed początkiem. Wiemy natomiast, że samo pytanie może być źle sformułowane. Jeżeli czas rzeczywiście posiada granicę początkową, poszukiwanie wcześniejszej chwili może przypominać szukanie miejsca położonego na północ od bieguna północnego. Jeżeli jednak nasza kosmiczna historia została poprzedzona inną fazą rzeczywistości, pytanie może okazać się jak najbardziej uzasadnione. W tej chwili nie potrafimy rozstrzygnąć, który scenariusz odpowiada rzeczywistości. Nie jest to porażka nauki, lecz uczciwe określenie granic wiedzy. Przez ostatnie stulecie zdołaliśmy odkryć ekspansję wszechświata, zbadać mikrofalowe promieniowanie tła, zarejestrować fale grawitacyjne i stworzyć modele opisujące ogromną część kosmicznej historii. Byłoby więc wyjątkowo głupie uznać, że skoro nie znamy jeszcze odpowiedzi na jedno z najtrudniejszych pytań, należy porzucić wszystkie dotychczasowe osiągnięcia i oddać głos człowiekowi prowadzącemu kanał o starożytnych kosmitach.

Najbardziej fascynuje mnie w tym wszystkim możliwość, że czas, któremu podporządkowujemy niemal całe życie, nie jest czymś tak oczywistym, jak nam się wydaje. Ustalamy terminy, planujemy przyszłość, wspominamy przeszłość i nieustannie narzekamy, że mamy za mało czasu. Tymczasem na najbardziej fundamentalnym poziomie rzeczywistości nadal nie rozumiemy w pełni jego natury ani pochodzenia. Być może czas nie istniał zawsze. Być może wyłonił się z głębszej struktury fizycznej. A może nasza intuicja, ukształtowana podczas życia na niewielkiej planecie, jest po prostu niewystarczająca do opisania całego kosmosu. Nie zamierzam udawać, że znam odpowiedź. Jako Profesor Absurd mam wystarczająco dużo powodów do kompromitacji i nie potrzebuję dodatkowo ogłaszać rozwiązania zagadki, nad którą od dziesięcioleci pracują najwybitniejsi fizycy. Mogę natomiast stwierdzić, że wszechświat wykazuje wyjątkowo nieprzyjemną skłonność do komplikowania najprostszych pytań. Człowiek chciałby wiedzieć, co było wcześniej, a dowiaduje się, że być może nie istniało żadne wcześniej. Chciałby poznać przyczynę wszystkiego, a odkrywa, że nie wie nawet, czy znane mu pojęcie przyczyny można zastosować do początku czasu. Chciałby wreszcie otrzymać jedną prostą odpowiedź, a dostaje kilkanaście konkurencyjnych modeli i informację, że potrzebne są dalsze badania. To naprawdę wkurwiające, ale właśnie dlatego kosmologia jest tak interesująca. Gdyby wszystkie odpowiedzi były oczywiste, wszechświat nie potrzebowałby naukowców. Wystarczyłaby infolinia, na której ktoś uprzejmie wyjaśniałby, dlaczego istnieje rzeczywistość i kiedy zostanie udostępniona następna aktualizacja.

Wszechświat się rozszerza

Najwyraźniej ma nas dość

Wszechświat się rozszerza. Nie jest to metafora, filozoficzna przenośnia ani skutek działalności deweloperów, którzy najwyraźniej uznali, że nawet przestrzeń kosmiczna powinna przynosić dochody. Odległości między bardzo odległymi, niezwiązanymi grawitacyjnie galaktykami rzeczywiście zwiększają się wraz z upływem czasu. Co więcej, obserwacje wskazują, że współczesna ekspansja przyspiesza. Kosmos nie tylko staje się coraz rozleglejszy, ale robi to w sposób, który jeszcze kilkadziesiąt lat temu zaskoczył astronomów. Nie wiem, przed czym ucieka, ale jeżeli przez niemal czternaście miliardów lat obserwował rozwój życia na Ziemi, rozumiem jego decyzję. Najbardziej zdumiewające jest jednak to, że przez większą część historii ludzkości nie mieliśmy o tym zjawisku najmniejszego pojęcia. Wpatrywaliśmy się w niebo, nadawaliśmy gwiazdozbiorom imiona zwierząt i mitologicznych bohaterów, szukaliśmy w planetach zapowiedzi wojen, chorób i nieudanych małżeństw, podczas gdy sama przestrzeń nieustannie zmieniała swoją skalę. Kosmos prowadził więc działalność na ogromną skalę bez konsultacji społecznych, pozwolenia na budowę i obowiązkowej tablicy informacyjnej. Dopiero w XX wieku zrozumieliśmy, że wszechświat nie jest nieruchomą dekoracją, na tle której rozgrywa się historia człowieka. Jest dynamiczną strukturą, która ewoluuje niezależnie od naszych oczekiwań. Co szczególnie przykre, nie istnieją żadne dowody, że ekspansja ma cokolwiek wspólnego z nami. Wszechświat najwyraźniej zwiększa dystans bez potrzeby uzasadniania swojej decyzji.

Największym problemem w zrozumieniu ekspansji jest nasze przywiązanie do codziennych doświadczeń. Kiedy samochód oddala się od domu, rozumiemy, że zmienia położenie względem drogi. Kiedy człowiek odsuwa krzesło od stołu, zwiększa odległość między dwoma przedmiotami. Tymczasem w kosmologii możemy mówić o wzroście odległości między galaktykami wynikającym z rozszerzania się samej przestrzeni. Nie oznacza to, że każda galaktyka porusza się przez kosmos niczym pojazd opuszczający parking. W standardowym modelu kosmologicznym istnieje ogólny przepływ ekspansji, w którym odpowiednio odległe obszary przestrzeni zwiększają wzajemne odległości. Można posłużyć się analogią balonu, na którego powierzchni narysowano kropki. Kiedy balon się nadmuchuje, odległości między kropkami rosną, choć same kropki nie muszą przesuwać się po gumie. Porównanie jest pomocne, ale ma poważne ograniczenia. Nasz wszechświat nie musi być powierzchnią żadnego balonu ani rozszerzać się do zewnętrznej przestrzeni. Nie znamy również jego całkowitych rozmiarów. Może być przestrzennie nieskończony, a mimo to podlegać ekspansji. Jest to informacja wyjątkowo niewygodna dla ludzkiej wyobraźni, ponieważ przywykliśmy, że wszystko, co rośnie, musi zajmować coraz więcej miejsca w czymś większym. Tymczasem kosmologia nie ma obowiązku dostarczać nam zewnętrznego pomieszczenia, w którym można ustawić wszechświat. Gdyby rzeczywistość była mieszkaniem, prawdopodobnie nie przeszłaby kontroli budowlanej.

Skąd właściwie wiemy, że przestrzeń się rozszerza? Jednym z najważniejszych dowodów są obserwacje światła docierającego z odległych galaktyk. Światło składa się z promieniowania elektromagnetycznego, którego właściwości można badać za pomocą spektroskopii. Atomy różnych pierwiastków pochłaniają i emitują promieniowanie o charakterystycznych długościach fal, pozostawiając w widmach rozpoznawalne linie. Astronomowie porównują położenie tych linii z wartościami zmierzonymi w laboratoriach. W przypadku wielu odległych galaktyk okazuje się, że charakterystyczne linie występują przy większych długościach fal. Zjawisko to nazywamy przesunięciem ku czerwieni. Nie oznacza ono, że wszystkie galaktyki rzeczywiście stają się czerwone ani że ktoś zmienił ustawienia kolorów w kosmicznym telewizorze. Oznacza, że długość fali docierającego promieniowania jest większa niż odpowiadająca jej długość przy emisji. W rozszerzającym się wszechświecie światło podróżujące przez przestrzeń ulega kosmologicznemu przesunięciu ku czerwieni, związanemu ze zmianą skali przestrzeni między emisją a obserwacją. Im większe przesunięcie, tym większa zmiana skali od chwili wysłania światła. Nie można jednak bez dodatkowych założeń przeliczać każdego przesunięcia bezpośrednio na zwykłą prędkość, ponieważ przy ogromnych odległościach znaczenie ma cała historia ekspansji. Jest to jeden z tych momentów, w których astronomia przestaje być przyjemnym oglądaniem gwiazd, a zaczyna przypominać wyjątkowo skomplikowaną księgowość.

Historia odkrycia ekspansji jest znacznie bardziej interesująca niż popularna opowieść o jednym genialnym człowieku, który spojrzał przez teleskop i natychmiast zrozumiał wszystko. W rzeczywistości potrzebna była praca wielu badaczy. Już na początku XX wieku Vesto Slipher mierzył przesunięcia widmowe obiektów nazywanych wówczas mgławicami spiralnymi. Henrietta Swan Leavitt odkryła zależność między okresem pulsacji cefeid a ich jasnością, dzięki czemu astronomowie otrzymali niezwykle ważne narzędzie do wyznaczania odległości. Aleksandr Friedmann w 1922 roku przedstawił matematyczne rozwiązania równań ogólnej teorii względności opisujące dynamiczny wszechświat. Georges Lemaître w 1927 roku powiązał teorię rozszerzającej się przestrzeni z obserwacjami astronomicznymi, a Edwin Hubble w 1929 roku opublikował wyniki wskazujące na zależność między odległościami galaktyk a ich przesunięciami widmowymi. Dzisiaj określamy ją mianem prawa Hubble’a–Lemaître’a. W uproszczeniu mówi ono, że im dalej znajduje się galaktyka uczestnicząca w ogólnej ekspansji kosmicznej, tym szybciej zwiększa się jej odległość od nas. Nie oznacza to, że Ziemia stanowi centrum całego zjawiska. Obserwator znajdujący się w innej galaktyce mógłby zaobserwować podobną zależność. Właśnie dlatego kosmologowie nie wskazują jednego uprzywilejowanego środka ekspansji. Jest to kolejna przykra wiadomość dla człowieka, który przez tysiąclecia usiłował umieścić siebie w centrum rzeczywistości.

Z prawem Hubble’a–Lemaître’a wiąże się wielkość nazywana parametrem Hubble’a, opisująca tempo ekspansji w określonej epoce. Jego współczesną wartość oznaczamy jako stałą Hubble’a, choć nazwa może być myląca, ponieważ parametr ten zmienia się w czasie. Astronomowie podają jego wartość najczęściej w kilometrach na sekundę na megaparsek. Jeden megaparsek odpowiada około 3,26 miliona lat świetlnych. Jeżeli dla prostego przykładu przyjmiemy wartość siedemdziesięciu kilometrów na sekundę na megaparsek, to dla obiektu oddalonego o dziesięć megaparseków otrzymamy kosmologiczną prędkość recesji około siedmiuset kilometrów na sekundę. Dla odległości stu megaparseków będzie to około siedmiu tysięcy kilometrów na sekundę. Nie trzeba znać żadnych skomplikowanych wzorów, aby zrozumieć podstawową zasadę: większa odległość oznacza większą szybkość jej zwiększania się w ogólnym przepływie kosmologicznym. Nie należy jednak traktować tej zależności jak uniwersalnego przepisu na obliczanie ruchu wszystkich obiektów. Galaktyki posiadają również własne ruchy wynikające z lokalnych oddziaływań grawitacyjnych. Na niewielkich skalach mogą one dominować nad ekspansją. Najlepszym przykładem jest Galaktyka Andromedy, która znajduje się około 2,5 miliona lat świetlnych od Drogi Mlecznej i zbliża się do nas. Nie jest to bunt przeciwko prawom kosmologii. Obie galaktyki należą do Grupy Lokalnej, w której wzajemne oddziaływania grawitacyjne odgrywają zasadniczą rolę. Można więc powiedzieć, że podczas gdy większość bardzo odległych galaktyk zwiększa dystans, Andromeda najwyraźniej uznała, że chce nas poznać bliżej. Nie jestem przekonana, czy to dobry pomysł.

Warto wyjaśnić jeszcze jedną rzecz, która regularnie doprowadza czytelników do rozpaczy. W kosmologii odległe galaktyki mogą mieć prędkości recesji większe od prędkości światła. Na pierwszy rzut oka wygląda to jak jawne złamanie teorii względności Einsteina, zgodnie z którą żaden obiekt posiadający masę nie może lokalnie rozpędzić się do prędkości światła w próżni. Nie ma jednak sprzeczności, ponieważ mówimy o dwóch różnych sytuacjach. Szczególna teoria względności ogranicza lokalny ruch obiektów i przekazywanie informacji, natomiast kosmologiczna prędkość recesji opisuje tempo zmiany odległości właściwej między bardzo odległymi obszarami rozszerzającej się przestrzeni. Nie jest to zwykła prędkość obiektu mierzona przez obserwatora znajdującego się tuż obok niego. Nie oznacza też, że możemy wysłać statek kosmiczny poruszający się szybciej od światła. Przyznaję, że fizycy mogliby czasami wybierać mniej mylące określenia. Najpierw informują człowieka, że nic nie może poruszać się szybciej od światła, a następnie oznajmiają, że galaktyki mogą oddalać się szybciej od światła. Kiedy człowiek protestuje, wyjaśniają mu, że powinien dokładniej rozróżniać pojęcia. Jest to poprawne naukowo, ale brzmi podejrzanie podobnie do rozmowy z urzędnikiem, który odmawia przyjęcia formularza z powodu niewłaściwego odcienia niebieskiego długopisu.

Czy ekspansja oznacza, że wszystko we wszechświecie nieustannie zwiększa swoje rozmiary? Na szczęście nie. Atomy nie puchną z powodu rozszerzania się przestrzeni, ludzie nie stają się wyżsi, a Układ Słoneczny nie rozciąga się zgodnie z prawem Hubble’a. Lokalnie związane układy fizyczne są utrzymywane przez odpowiednio silne oddziaływania. Atomy zawdzięczają swoją strukturę mechanice kwantowej i oddziaływaniom elektromagnetycznym, natomiast planety pozostają na orbitach przede wszystkim dzięki grawitacji. Również galaktyki i wiele grup galaktyk tworzą układy związane grawitacyjnie. Ekspansja kosmologiczna nie jest więc siłą, która mechanicznie rozciąga każdy przedmiot. Dotyczy przede wszystkim ewolucji przestrzeni na odpowiednio dużych skalach. Księżyc rzeczywiście oddala się od Ziemi średnio o około 3,8 centymetra rocznie, ale główną przyczyną są oddziaływania pływowe i związana z nimi wymiana momentu pędu, a nie ekspansja wszechświata. Podobnie fakt, że po kilku latach spodnie stają się ciaśniejsze, nie świadczy o tajemniczej zmianie geometrii czasoprzestrzeni. Bardzo chciałabym móc obwinić o to ciemną energię, ale niestety fizyka nie daje mi takiej możliwości. Winę ponosi raczej nadmierne spożycie ciasta, choć ta hipoteza wymaga dalszych, wyjątkowo nieprzyjemnych badań.

Przez wiele dziesięcioleci astronomowie zastanawiali się, czy ekspansja wszechświata będzie stopniowo zwalniać pod wpływem grawitacji. Wydawało się rozsądne, że materia przyciągająca inną materię powinna hamować rozszerzanie się przestrzeni. Rozważano więc różne scenariusze przyszłości, w tym możliwość, że kosmos kiedyś przestanie się rozszerzać i rozpocznie proces kurczenia. Pod koniec XX wieku obserwacje przyniosły jednak niespodziankę. Dwa niezależne zespoły badawcze analizowały odległe supernowe typu Ia, czyli szczególną klasę eksplozji gwiazdowych, których jasności można wykorzystać do szacowania odległości kosmologicznych po odpowiedniej kalibracji. Wyniki ogłoszone w latach 1998–1999 wskazały, że współczesna ekspansja wszechświata przyspiesza. Saul Perlmutter, Brian Schmidt i Adam Riess otrzymali za związane z tym odkryciem badania Nagrodę Nobla z fizyki w 2011 roku. Był to jeden z najbardziej zaskakujących rezultatów współczesnej kosmologii. Wszechświat nie zachowywał się zgodnie z najprostszymi oczekiwaniami dotyczącymi hamującego działania materii. Nie dość, że zwiększał swoje rozmiary, to jeszcze robił to z przyspieszeniem. Gdyby był samochodem, należałoby sprawdzić, czy kierowca nie pomylił pedałów. Niestety, nie znamy żadnego kosmicznego kierowcy, a nawet gdyby istniał, prawdopodobnie odmówiłby składania wyjaśnień.

Aby opisać przyspieszającą ekspansję, kosmologowie posługują się pojęciem ciemnej energii. Nazwa jest efektowna, ale nie należy mylić jej z wyjaśnieniem fundamentalnej natury zjawiska. Nie wiemy dokładnie, czym jest ciemna energia. W najprostszym standardowym modelu kosmologicznym odpowiada jej stała kosmologiczna, którą Albert Einstein wprowadził do równań ogólnej teorii względności już w 1917 roku, początkowo w zupełnie innym celu. Einstein próbował wówczas uzyskać model statycznego wszechświata, ponieważ ekspansja kosmiczna nie była jeszcze uznanym faktem obserwacyjnym. Później stała kosmologiczna powróciła do fizyki jako najprostszy sposób opisu przyspieszającej ekspansji. Jest to jeden z piękniejszych przykładów tego, że matematyczne narzędzie stworzone do rozwiązania jednego problemu może po dziesięcioleciach okazać się użyteczne w zupełnie innym kontekście. W standardowym modelu ciemna energia odpowiada za około 68–69 procent współczesnej całkowitej gęstości energii wszechświata. Ciemna materia stanowi około 26–27 procent, a zwykła materia, z której zbudowane są gwiazdy, planety i nasze organizmy, zaledwie około pięciu procent. Oznacza to, że wszystko, co znamy z codziennego doświadczenia, stanowi niewielką część kosmicznego budżetu. Resztę opisujemy za pomocą składników, których fundamentalnej natury nie rozumiemy jeszcze w pełni. Jest to sytuacja godna podziwu i lekkiego zażenowania. Wyobraźmy sobie człowieka, który kupuje dom, rozpoznaje pięć procent jego konstrukcji, a pozostałe dziewięćdziesiąt pięć procent nazywa „ciemnymi elementami budowlanymi”. Następnie z pełnym przekonaniem ogłasza, że zrozumiał architekturę całego budynku.

Szczególnie interesującym współczesnym problemem jest tak zwane napięcie Hubble’a, czyli rozbieżność między wartościami tempa ekspansji otrzymywanymi różnymi metodami. Analizy mikrofalowego promieniowania tła z satelity Planck, interpretowane w ramach standardowego modelu kosmologicznego, wskazują wartość około 67,4 kilometra na sekundę na megaparsek. Tymczasem niektóre pomiary wykorzystujące lokalną drabinę odległości, w tym cefeidy i supernowe typu Ia, dają wyniki w pobliżu 73 kilometrów na sekundę na megaparsek. Różnica nie wydaje się ogromna, ale przy dokładności współczesnych obserwacji stanowi poważny problem. Nie oznacza to, że astronomowie kłócą się o istnienie ekspansji. Zastanawiają się, dlaczego różne metody prowadzą do niezgodnych wyników i czy przyczyną są nierozpoznane błędy pomiarowe, niedoskonałości modeli, czy może nieznane dotąd elementy fizyki. Istnieją również inne metody wyznaczania tempa ekspansji, których wyniki nie układają się w idealnie prosty podział na dwa obozy. Problem pozostaje otwarty i jest intensywnie badany. To właśnie takie rozbieżności mogą prowadzić do ważnych odkryć. W nauce niezgodność wyników nie jest automatycznie kompromitacją. Bywa sygnałem, że należy dokładniej sprawdzić zarówno pomiary, jak i założenia. Niestety, część internetowych komentatorów uważa, że skoro dwa zespoły astronomów otrzymały różne wartości, cała kosmologia jest oszustwem. Według tej logiki, jeżeli dwa termometry pokazują nieco inną temperaturę, należy natychmiast zakwestionować istnienie ciepła.

Przyspieszająca ekspansja prowadzi nas do kolejnego pytania: jak będzie wyglądała przyszłość wszechświata? Odpowiedź zależy przede wszystkim od własności ciemnej energii i od tego, czy obecny model kosmologiczny pozostanie poprawny w bardzo odległych epokach. Jeżeli ciemna energia zachowuje się jak dodatnia stała kosmologiczna, ekspansja będzie trwać, a odległe, niezwiązane grawitacyjnie galaktyki będą coraz bardziej oddzielane przez rosnącą przestrzeń. Z czasem wiele z nich stanie się niedostępnych dla przyszłych obserwatorów, ponieważ emitowane przez nie sygnały nie będą mogły dotrzeć do określonych obszarów kosmosu. Nie oznacza to, że galaktyki znikną albo zostaną zniszczone przez ekspansję. Po prostu ich światło może przestać do nas docierać. W bardzo odległej przyszłości obserwowalne otoczenie naszej lokalnej struktury galaktycznej mogłoby więc wyglądać znacznie bardziej samotnie niż obecnie. Co szczególnie fascynujące, przyszli astronomowie mogliby dysponować mniejszą ilością bezpośrednich informacji o kosmicznej historii niż my. Mikrofalowe promieniowanie tła będzie ulegało dalszemu przesunięciu ku coraz dłuższym falom, a jego temperatura będzie spadała. W odpowiednio odległej epoce wykrywanie tego promieniowania może stać się niezwykle trudne. Być może przyszłe cywilizacje będą miały poważny problem z odkryciem, że wszechświat przeszedł przez gorącą, gęstą fazę. Jest to przewrotna sytuacja: wiedza o kosmosie zależy nie tylko od inteligencji obserwatorów, ale również od tego, w którym momencie jego historii przyszło im istnieć.

Istnieją także bardziej dramatyczne scenariusze. Jednym z nich jest Wielkie Rozerwanie, czyli Big Rip. W niektórych hipotetycznych modelach ciemnej energii przyspieszenie ekspansji mogłoby stać się tak silne, że z czasem zaczęłoby rozrywać nawet struktury związane grawitacyjnie, a w skrajnych wersjach również układy utrzymywane przez inne oddziaływania. Popularne opisy przedstawiają wtedy stopniowy rozpad gromad galaktyk, galaktyk, układów planetarnych, a ostatecznie nawet atomów. Nie należy jednak traktować tego jako ustalonej prognozy. Standardowy model ze stałą kosmologiczną nie przewiduje takiego zakończenia, a obserwacje nie potwierdzają obecnie, że Wielkie Rozerwanie rzeczywiście nastąpi. Inną rozważaną możliwością jest tak zwana śmierć cieplna wszechświata, związana z bardzo odległą przyszłością, w której dostępne różnice energii stają się coraz mniej użyteczne do podtrzymywania złożonych procesów fizycznych. Gwiazdy stopniowo zużywają paliwo, zasoby gazu potrzebnego do tworzenia nowych gwiazd maleją, a kosmos przechodzi przez kolejne etapy ewolucji. Nie oznacza to, że pewnego dnia ktoś wyłączy światło jednym przełącznikiem. Mówimy o niewyobrażalnie długich skalach czasu i procesach, których szczegóły zależą od przyjętych modeli. Gdyby wszechświat był przedsiębiorstwem, należałoby jednak przyznać, że jego długoterminowa strategia rozwoju budzi pewne zastrzeżenia. Najpierw przez miliardy lat buduje skomplikowane struktury, a następnie pozwala, by coraz więcej z nich traciło możliwość aktywnego uczestniczenia w kosmicznym życiu.

Czy moglibyśmy w jakikolwiek sposób zatrzymać ekspansję? W ramach znanej fizyki nie istnieje realistyczna metoda, dzięki której człowiek albo hipotetyczna zaawansowana cywilizacja mogliby kontrolować globalne rozszerzanie się przestrzeni. Ekspansja wynika z dynamiki czasoprzestrzeni i zawartości energetycznej kosmosu, a nie z działania centralnego urządzenia, które można wyłączyć. Nie istnieje znany nam kosmiczny silnik, gigantyczna pompa ani przycisk awaryjny. Nie mamy też podstaw, by sądzić, że ktoś steruje tym procesem z ukrytego centrum dowodzenia. Oczywiście jestem przekonana, że gdyby jutro pojawiła się informacja o nieznanym zjawisku związanym z ciemną energią, w ciągu kilku godzin powstałaby teoria spiskowa o tajnej organizacji kontrolującej ekspansję wszechświata z bazy pod Antarktydą. Jej autorzy pokazaliby zdjęcie Einsteina, piramidy egipskiej i anteny satelitarnej, a następnie wyjaśnili, że przypadki nie istnieją. W kolejnym odcinku sprzedawaliby kubki z napisem „Oni wiedzą”. Tymczasem rzeczywistość jest znacznie bardziej interesująca od podobnych fantazji. Możemy badać ekspansję, mierzyć jej tempo i analizować wpływ różnych składników kosmicznego budżetu, ale nie mamy żadnych dowodów na istnienie świadomego zarządcy tego procesu. Wszechświat najwyraźniej radzi sobie bez dyrektora administracyjnego.

Najbardziej przewrotne jest jednak to, że ekspansja kosmiczna nie posiada wyróżnionego centrum w standardowym, jednorodnym modelu wszechświata. Nie jesteśmy położeni w szczególnym miejscu, od którego wszystko się oddala. Nie zajmujemy środka przestrzeni, a obserwowalny wszechświat jest wyznaczony przez to, jakie sygnały mogły do nas dotrzeć w ciągu kosmicznej historii. Obserwator znajdujący się w odległej galaktyce miałby własny obserwowalny obszar kosmosu. Jest to kolejna lekcja pokory, której człowiek najwyraźniej bardzo potrzebuje. Najpierw musieliśmy zaakceptować, że Ziemia nie znajduje się w centrum Układu Słonecznego. Później odkryliśmy, że Słońce jest jedną z ogromnej liczby gwiazd w Drodze Mlecznej, a nasza galaktyka jedną z niezliczonych galaktyk obserwowalnego kosmosu. Teraz wiemy również, że sama ekspansja nie wskazuje naszego położenia jako szczególnego. A mimo to człowiek potrafi obrazić się na cały świat, ponieważ ktoś nie odpowiedział na jego wiadomość przez piętnaście minut. W skali kosmicznej jesteśmy niewielkim epizodem, ale w skali własnego ego potrafimy zajmować kilka gromad galaktyk.

Rozszerzanie się wszechświata jest jednym z najlepiej potwierdzonych zjawisk współczesnej kosmologii, ale jego historia i przyszłość nadal kryją wiele pytań. Wiemy, że przestrzeń zmienia swoją skalę, że odległe galaktyki wykazują charakterystyczne przesunięcia ku czerwieni i że współczesna ekspansja przyspiesza. Nie znamy jednak fundamentalnej natury ciemnej energii, nie rozstrzygnęliśmy napięcia Hubble’a i nie możemy z całkowitą pewnością przewidzieć bardzo odległej przyszłości kosmosu. Nie jest to powód, by odrzucać dotychczasową wiedzę. Przeciwnie, pokazuje, jak wiele możemy odkryć dzięki coraz dokładniejszym obserwacjom. Szczególnie imponuje mi fakt, że z powierzchni niewielkiej planety potrafimy mierzyć tempo ewolucji przestrzeni w skali miliardów lat świetlnych. Nie mamy wpływu na ekspansję, ale możemy ją badać. Nie potrafimy zatrzymać oddalających się galaktyk, ale umiemy wyznaczać ich odległości i rekonstruować historię światła, które do nas dociera. Jest to osiągnięcie niezwykłe, zwłaszcza dla gatunku, który nadal regularnie zapomina haseł do własnych kont internetowych.

Jako Profesor Absurd uważam, że ekspansja wszechświata jest jednym z najzabawniejszych przykładów kosmicznej obojętności wobec człowieka. Przez miliardy lat przestrzeń zwiększała swoją skalę, nie informując nas o tym i nie pytając o zgodę. My natomiast pojawiliśmy się stosunkowo niedawno, odkryliśmy to zjawisko i natychmiast zaczęliśmy zastanawiać się, co oznacza dla naszej przyszłości. Odpowiedź jest prosta: w codziennym życiu niemal nic, ale w ogromnych skalach czasu — bardzo wiele. Nie musimy obawiać się, że jutro ekspansja rozerwie nam mieszkania albo oddali lodówkę od kuchennego stołu. Możemy natomiast zastanawiać się, jak będzie wyglądał kosmos za miliardy lat i jakie procesy doprowadziły do jego obecnego stanu. Wszechświat nie jest statycznym pomieszczeniem, w którym ktoś rozstawił galaktyki i zamknął drzwi. Jest dynamiczną rzeczywistością, której rozmiary, struktura i dostępne obserwacyjnie obszary zmieniają się wraz z czasem. Najwyraźniej nie zamierza się zatrzymać tylko dlatego, że człowiek chciałby wreszcie wszystko dokładnie policzyć. I choć trudno oprzeć się wrażeniu, że kosmos konsekwentnie zwiększa dystans wobec naszej głupoty, nie należy przypisywać mu żadnych intencji. Ekspansja nie jest ucieczką przed ludzkością. Jest zjawiskiem fizycznym, które rozpoczęło się na długo przed naszym pojawieniem się i będzie trwać niezależnie od tego, czy zdążymy je w pełni zrozumieć. Co nie zmienia faktu, że gdybym była wszechświatem i zobaczyła, co ludzie wypisują w internecie, również zaczęłabym się rozszerzać. I to, do cholery, znacznie szybciej.

Czas i przestrzeń

Dwa problemy w cenie jednego

Człowiek żyje w przekonaniu, że doskonale rozumie czas i przestrzeń. Przestrzeń to coś, w czym ustawiamy meble, budujemy domy i gubimy klucze, natomiast czas służy do mierzenia spóźnień, starzenia się i odliczania minut do końca wyjątkowo nudnego zebrania. Obie wielkości wydają się tak oczywiste, że rzadko zastanawiamy się nad ich naturą. Wiemy przecież, czym jest metr, godzina i odległość między kuchnią a łazienką. Problem zaczyna się wtedy, gdy próbujemy opisać rzeczywistość w skali całego wszechświata. Okazuje się bowiem, że czas nie płynie jednakowo dla wszystkich, przestrzeń nie musi być geometrycznie płaska, a grawitacja potrafi zmieniać zarówno pomiary odległości, jak i tempo odmierzania sekund. Co więcej, czas i przestrzeń nie są całkowicie niezależnymi elementami rzeczywistości, lecz tworzą wspólną strukturę nazywaną czasoprzestrzenią. Jest to informacja niepokojąca, szczególnie dla osób, które lubią mieć wszystko uporządkowane. Przez całe życie człowiek próbuje zapanować nad własnym kalendarzem i powierzchnią mieszkania, a następnie dowiaduje się, że nawet te dwie podstawowe kategorie nie zachowują się tak, jak powinny. Gdybym mogła złożyć reklamację dotyczącą konstrukcji rzeczywistości, właśnie od tego zaczęłabym swoją listę zastrzeżeń.

Przez wiele stuleci dominowało przekonanie, że czas istnieje niezależnie od obserwatora i płynie jednakowo w całym kosmosie. Isaac Newton, jeden z najważniejszych uczonych w historii nauki, traktował czas jako wielkość absolutną, niezależną od wydarzeń i ruchu ciał. W jego mechanice przestrzeń również stanowiła rodzaj nieruchomej sceny, na której rozgrywały się wszystkie procesy fizyczne. Był to obraz niezwykle użyteczny. Dzięki niemu można było opisywać ruch planet, spadanie przedmiotów, działanie maszyn i wiele innych zjawisk. Mechanika Newtona nadal znakomicie sprawdza się w ogromnej liczbie codziennych zastosowań, ponieważ przy niewielkich prędkościach i niezbyt silnych polach grawitacyjnych daje wyniki wystarczająco dokładne. Nie oznacza to jednak, że przedstawia ostateczną naturę czasu i przestrzeni. Na początku XX wieku Albert Einstein wykazał, że ten pozornie oczywisty obraz wymaga zasadniczej zmiany. Nie zrobił tego dlatego, że nie lubił Newtona albo chciał utrudnić życie przyszłym studentom fizyki. Problem wynikał z obserwacji i praw elektromagnetyzmu, których nie dało się w pełni pogodzić z dawnym rozumieniem ruchu. Szczególna teoria względności, opublikowana w 1905 roku, pokazała, że pomiary czasu i przestrzeni zależą od względnego ruchu obserwatorów. Był to jeden z tych momentów w historii nauki, kiedy rzeczywistość postanowiła poinformować człowieka, że jego intuicja jest wprawdzie sympatyczna, ale niekoniecznie prawdziwa.

Podstawą szczególnej teorii względności jest między innymi zasada, że prędkość światła w próżni ma tę samą wartość dla wszystkich obserwatorów inercjalnych, niezależnie od ich względnego ruchu. Wynosi ona dokładnie 299 792 458 metrów na sekundę. W codziennym życiu jesteśmy przyzwyczajeni do dodawania prędkości. Jeżeli człowiek idzie przez poruszający się pociąg, jego prędkość względem peronu zależy od prędkości pociągu i kierunku marszu. W przypadku światła sytuacja jest inna. Obserwatorzy poruszający się względem siebie nie otrzymują różnych lokalnych wartości prędkości światła w próżni tylko dlatego, że jeden z nich znajduje się w ruchu. Aby było to możliwe, pomiary czasu i odległości muszą podlegać określonym zależnościom. Właśnie stąd wynikają zjawiska takie jak dylatacja czasu i skrócenie długości. Nie są one fantazją autora literatury science fiction, lecz konsekwencjami matematycznego opisu rzeczywistości, potwierdzonymi licznymi doświadczeniami. Przyznaję, że sama zasada jest wyjątkowo irytująca. Człowiek przez całe życie uczy się dodawania, a następnie fizyk informuje go, że przy prędkościach bliskich prędkości światła zwykłe dodawanie prędkości nie wystarcza. To tak, jakby po ukończeniu szkoły odkryć, że tabliczka mnożenia posiada ukryty regulamin.

Dylatacja czasu oznacza, że pomiary odstępów czasu zależą od ruchu obserwatorów. Wyobraźmy sobie dwoje bliźniąt, z których jedno pozostaje na Ziemi, a drugie wyrusza w podróż kosmiczną z prędkością bardzo bliską prędkości światła, po czym zawraca i wraca do domu. Po ponownym spotkaniu podróżujące bliźnię może być młodsze od tego, które pozostało na Ziemi. Nie chodzi o kosmetyki przeciwzmarszczkowe ani wyjątkowo zdrową dietę astronauty. Chodzi o rzeczywistą różnicę czasu własnego, który upłynął wzdłuż ich odmiennych dróg przez czasoprzestrzeń. W popularnych opisach nazywa się to paradoksem bliźniąt, choć nie stanowi sprzeczności w teorii względności. Sytuacja obu osób nie jest symetryczna, ponieważ podróżujący zmienia kierunek ruchu i obie osoby podążają różnymi drogami czasoprzestrzennymi między wspólnymi spotkaniami. Oczywiście osiągnięcie prędkości potrzebnych do uzyskania ogromnych różnic wieku pozostaje poza możliwościami współczesnych załogowych statków kosmicznych. Nie oznacza to jednak, że zjawisko istnieje wyłącznie na papierze. Różnice w tempie odmierzania czasu przez poruszające się zegary zostały potwierdzone eksperymentalnie, a pomiary zachowania nietrwałych cząstek elementarnych dostarczają kolejnych dowodów. Można więc powiedzieć, że podróż w przyszłość jest w pewnym sensie fizycznie możliwa: odpowiedni ruch pozwala sprawić, że dla podróżnika upłynie mniej czasu niż dla osób pozostających na Ziemi. Niestety, nie rozwiązuje to problemu zaległych rachunków. Po powrocie może się okazać, że świat zdążył się zestarzeć, a administracja nadal oczekuje zapłaty.

Jeszcze ciekawiej robi się wtedy, gdy do opisu rzeczywistości wprowadzimy grawitację. W 1915 roku Einstein przedstawił ogólną teorię względności, w której grawitacja nie jest wyłącznie siłą przyciągającą ciała w tradycyjnym sensie, lecz wiąże się z geometrią czasoprzestrzeni. Materia i energia wpływają na jej krzywiznę, a geometria ta określa, jak poruszają się swobodne obiekty. Nie oznacza to, że planety świadomie wybierają najwygodniejszą trasę. Ich ruch wynika z praw fizyki opisujących czasoprzestrzeń. Często przedstawia się to za pomocą gumowej płachty, na której umieszczono ciężką kulę. Płachta ugina się, a mniejsze kulki poruszają się po zakrzywionej powierzchni. Analogia może pomóc w wyobrażeniu sobie pewnych aspektów krzywizny, ale jest niedoskonała. Wykorzystuje bowiem ziemską grawitację do zilustrowania samej grawitacji i przedstawia zakrzywienie dwuwymiarowej powierzchni, podczas gdy rzeczywista czasoprzestrzeń ma cztery wymiary. Nie należy więc sądzić, że Słońce leży na gigantycznym gumowym prześcieradle, które ktoś rozciągnął między galaktykami. Gdyby tak było, chciałabym wiedzieć, kto odpowiada za jego pranie i dlaczego nie zauważył jeszcze wszystkich czarnych dziur.

Jedną z najbardziej niezwykłych konsekwencji ogólnej teorii względności jest grawitacyjna dylatacja czasu. Zegary znajdujące się w różnych warunkach grawitacyjnych mogą odmierzać czas w różnym tempie. W uproszczeniu zegar położony głębiej w polu grawitacyjnym, na przykład bliżej powierzchni masywnego ciała, chodzi wolniej w porównaniu z odpowiednio położonym zegarem znajdującym się wyżej. Nie oznacza to, że człowiek stojący na parterze odczuwa sekundy jako dłuższe niż osoba na dziesiątym piętrze. Każdy lokalnie doświadcza normalnego upływu własnego czasu. Różnica ujawnia się podczas precyzyjnego porównywania zegarów. Efekt jest niewielki w zwykłych ziemskich warunkach, ale współczesne zegary atomowe są wystarczająco dokładne, aby go mierzyć nawet przy stosunkowo małych różnicach wysokości. Ma to również praktyczne znaczenie w systemach nawigacji satelitarnej. Zegary na satelitach GPS podlegają zarówno efektom wynikającym z ich ruchu, jak i różnicom związanym z ziemskim polem grawitacyjnym. Bez odpowiednich poprawek relatywistycznych dokładność nawigacji szybko uległaby pogorszeniu. Jest w tym coś niezwykle zabawnego: człowiek korzysta z telefonu, aby znaleźć drogę do najbliższej piekarni, a jego urządzenie musi uwzględniać konsekwencje teorii Einsteina. Kiedy więc następnym razem ktoś powie, że fizyka teoretyczna nie ma żadnego praktycznego zastosowania, można zaproponować mu podróż samochodem z nawigacją pozbawioną odpowiednich korekt. Najlepiej niech zabierze ze sobą papierową mapę.

Skoro grawitacja wpływa na geometrię czasoprzestrzeni, również światło nie porusza się zawsze tak, jak podpowiadałaby nam intuicja oparta na geometrii szkolnej. Promienie świetlne biegną po odpowiednich drogach wyznaczonych przez czasoprzestrzeń, a obecność masywnych obiektów może powodować obserwowane zakrzywienie ich torów. Zjawisko to nazywamy soczewkowaniem grawitacyjnym. Galaktyki i gromady galaktyk mogą działać jak naturalne soczewki, zmieniając pozorne położenie, kształt i jasność obiektów znajdujących się za nimi. W szczególnych konfiguracjach obserwujemy łuki, pierścienie Einsteina albo wielokrotne obrazy tego samego odległego źródła. Dzięki soczewkowaniu astronomowie badają między innymi rozkład materii w galaktykach, w tym materii niewidocznej bezpośrednio. Jednym z historycznych potwierdzeń przewidywań ogólnej teorii względności były obserwacje podczas całkowitego zaćmienia Słońca w 1919 roku, związane z wyprawami naukowymi kierowanymi przez Arthura Eddingtona i Franka Dysona. Wyniki wskazywały na ugięcie światła gwiazd w pobliżu tarczy słonecznej, choć dokładność ówczesnych pomiarów była znacznie mniejsza niż współczesnych badań. Dzisiaj soczewkowanie grawitacyjne jest rutynowym narzędziem astronomii obserwacyjnej. Można powiedzieć, że wszechświat sam produkuje teleskopy, choć nie dołącza do nich gwarancji, instrukcji ani numeru seryjnego.

Jeszcze bardziej ekstremalne warunki panują w pobliżu czarnych dziur. Są to obszary czasoprzestrzeni, z których po przekroczeniu horyzontu zdarzeń żaden sygnał świetlny nie może dotrzeć do odległych obserwatorów. W otoczeniu czarnej dziury geometria czasoprzestrzeni może być bardzo silnie zakrzywiona, a efekty związane z upływem czasu stają się szczególnie wyraźne. Z punktu widzenia odległego obserwatora sygnały wysyłane przez obiekt zbliżający się do horyzontu zdarzeń mogą docierać coraz bardziej opóźnione i przesunięte ku czerwieni. Nie należy jednak wyciągać z tego wniosku, że spadający astronauta widzi własny zegarek zatrzymujący się w chwili przekroczenia horyzontu. W jego lokalnym doświadczeniu czas nadal płynie, a przekroczenie horyzontu odpowiednio dużej czarnej dziury nie musi wiązać się z natychmiastowym, lokalnie odczuwalnym wydarzeniem. Dalszy los astronauty zależałby między innymi od masy czarnej dziury i sił pływowych. Nie oznacza to oczywiście, że polecam taką podróż. Czarna dziura nie jest atrakcyjnym miejscem na wakacje, a możliwość reklamacji usług turystycznych po przekroczeniu horyzontu zdarzeń pozostaje wyjątkowo ograniczona. Szczegółowe problemy związane z czarnymi dziurami zasługują zresztą na osobny rozdział, ponieważ wszechświat najwyraźniej uznał, że zwykłe zakrzywienie przestrzeni nie wystarczy i potrzebne są jeszcze obiekty, które doprowadzają nasze pojęcia o czasie i informacji do granic wytrzymałości.

Warto również zastanowić się, czym właściwie jest przestrzeń. W codziennym rozumieniu stanowi ona pusty obszar, w którym znajdują się przedmioty. Jednak współczesna fizyka nie traktuje jej po prostu jako nieruchomego pojemnika. W ogólnej teorii względności geometria przestrzeni może się zmieniać, a w kosmologii jej skala ewoluuje wraz z rozszerzaniem się wszechświata. Przestrzeń może mieć również różne własności geometryczne. Kiedy mówimy, że geometria przestrzenna obserwowalnego wszechświata jest bardzo bliska płaskiej, nie oznacza to, że kosmos przypomina naleśnik albo ogromną kartkę papieru. Chodzi o własności geometryczne w wielkich skalach. W przestrzeni płaskiej obowiązują znane nam reguły geometrii euklidesowej, natomiast w przestrzeniach zakrzywionych odpowiednie zależności mogą wyglądać inaczej. Przykładem jest powierzchnia kuli, na której trójkąt utworzony z najkrótszych dróg między punktami może mieć sumę kątów większą niż 180 stopni. Nasza trójwymiarowa przestrzeń nie musi jednak być zakrzywiona dokładnie tak jak powierzchnia kuli. Istnieją różne możliwe geometrie i topologie kosmiczne, a obserwacje ograniczają dopuszczalne modele. Nie znamy całkowitych rozmiarów wszechświata ani nie wiemy, czy jest przestrzennie nieskończony. Co szczególnie irytujące, przestrzeń może być skończona, a jednocześnie nie posiadać brzegu, z którego można byłoby spaść. Człowiek chciałby przynajmniej wiedzieć, gdzie kończy się rzeczywistość, ale fizyka ponownie odmawia udzielenia satysfakcjonującej odpowiedzi.

Z pojęciem czasoprzestrzeni wiąże się jeszcze jeden fascynujący problem: czy przeszłość, teraźniejszość i przyszłość istnieją w jakiś obiektywny, wspólny dla wszystkich sposób? W codziennym życiu wydaje nam się oczywiste, że teraźniejszość jest chwilą, która właśnie trwa, przeszłość już minęła, a przyszłość dopiero nadejdzie. Szczególna teoria względności pokazuje jednak, że nie istnieje jedna uniwersalna jednoczesność dla wszystkich odległych wydarzeń. Obserwatorzy poruszający się względem siebie mogą inaczej przyporządkowywać czas zdarzeniom, które są od siebie oddzielone przestrzennie i nie mogą pozostawać w związku przyczynowym. Nie oznacza to, że każdy może dowolnie zmieniać kolejność wszystkich wydarzeń. Zdarzenia połączone możliwym sygnałem przyczynowym zachowują odpowiedni porządek czasowy. Problem dotyczy przede wszystkim pojęcia wspólnej teraźniejszości dla całego wszechświata. Na gruncie filozofii czasu rozważa się różne interpretacje tej sytuacji, między innymi koncepcję blokowego wszechświata, w której przeszłość, teraźniejszość i przyszłość traktuje się jako elementy jednej czterowymiarowej struktury. Nie jest to jednak jednoznaczny dowód, że przyszłość jest z góry ustalona albo że człowiek nie posiada żadnej możliwości podejmowania decyzji. Zagadnienia determinizmu, wolnej woli i natury czasu wymagają dodatkowych założeń filozoficznych i fizycznych. Osobiście uważam, że wizja blokowego wszechświata ma pewną zaletę: być może gdzieś w strukturze czasoprzestrzeni istnieje już wersja mnie, która zakończyła wszystkie zaległe obowiązki. Niestety, nie potrafię się z nią skontaktować.

Skoro czas jest tak ściśle związany z fizyką, dlaczego odczuwamy go jako nieustanny ruch od przeszłości ku przyszłości? Jedną z najważniejszych wskazówek dostarcza termodynamika, a szczególnie pojęcie entropii. W uproszczeniu entropia wiąże się z liczbą mikroskopowych sposobów realizacji określonego stanu układu. W procesach zachodzących w odpowiednio izolowanych układach całkowita entropia nie maleje samorzutnie. Właśnie dlatego rozbita szklanka nie składa się spontanicznie z powrotem, gorąca kawa stygnie w chłodnym pomieszczeniu, a wymieszane składniki nie rozdzielają się zwykle samoczynnie do wcześniejszego uporządkowanego stanu. Prawa fizyki na poziomie wielu podstawowych oddziaływań wykazują znacznie większą symetrię względem odwrócenia kierunku czasu niż nasze codzienne doświadczenia. Tymczasem procesy makroskopowe mają wyraźnie określony kierunek, związany z termodynamiczną strzałką czasu. Nie oznacza to, że entropia wyjaśnia wszystkie aspekty ludzkiego odczuwania czasu, pamięci czy świadomości. Pozwala jednak zrozumieć, dlaczego przeszłość i przyszłość nie wydają się nam zamienne. Pamiętamy wczorajszy obiad, ale nie pamiętamy jutrzejszego, choć byłoby to niezwykle przydatne podczas planowania zakupów. Z punktu widzenia fizyki szczególnie interesujące pozostaje pytanie, dlaczego wczesny wszechświat znajdował się w stanie o tak szczególnych własnościach entropijnych, że mogła rozwinąć się obserwowana strzałka czasu. Jest to jeden z głębokich problemów kosmologii, którego nie rozwiązuje samo stwierdzenie, że czas płynie.

Nie sposób też pominąć podróży w czasie, ponieważ człowiek najwyraźniej nie potrafi zaakceptować żadnej teorii fizycznej, dopóki nie sprawdzi, czy można dzięki niej odwiedzić dinozaury albo poprawić własne decyzje finansowe. Podróżowanie w przyszłość w sensie relatywistycznym jest zgodne ze znaną fizyką. Odpowiednio szybki ruch albo przebywanie w szczególnych warunkach grawitacyjnych może sprawić, że między dwoma spotkaniami dla jednej osoby upłynie mniej czasu niż dla drugiej. Zupełnie inaczej wygląda problem podróżowania do przeszłości. Niektóre matematyczne rozwiązania równań ogólnej teorii względności dopuszczają istnienie tak zwanych zamkniętych krzywych czasopodobnych, czyli szczególnych dróg przez czasoprzestrzeń, które w pewnym sensie prowadzą do własnej przeszłości. Nie oznacza to jednak, że takie struktury rzeczywiście istnieją w naszym wszechświecie albo że można je wykorzystać do zbudowania wehikułu czasu. Część rozwiązań wymaga bardzo szczególnych warunków, których fizyczna realizacja pozostaje niepewna. Dodatkowo pojawiają się problemy związane z przyczynowością, takie jak słynny paradoks dziadka. Gdyby podróżnik cofnął się w czasie i uniemożliwił narodziny własnego przodka, powstałoby pytanie, jak w ogóle mógł odbyć podróż. Istnieją różne propozycje teoretyczne dotyczące takich paradoksów, ale nie mamy żadnego potwierdzonego sposobu podróżowania do przeszłości. Jest to wielka szkoda, ponieważ chętnie wróciłabym do kilku momentów własnego życia, żeby powstrzymać się przed zakupem rzeczy, które do dzisiaj zajmują miejsce w szafie.

Czasoprzestrzeń nie jest zresztą wyłącznie abstrakcyjnym pomysłem matematycznym. Jej własności badamy również dzięki falom grawitacyjnym, czyli zaburzeniom geometrii czasoprzestrzeni rozchodzącym się z prędkością światła. Mogą one powstawać podczas gwałtownych procesów astrofizycznych, takich jak zlewanie się czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych została dokonana przez obserwatoria LIGO we wrześniu 2015 roku, a jej wyniki ogłoszono w 2016 roku. Zarejestrowany sygnał pochodził ze złączenia dwóch czarnych dziur znajdujących się ponad miliard lat świetlnych od Ziemi. Fale grawitacyjne powodują niezwykle niewielkie, zmienne odkształcenia odległości między odpowiednio rozmieszczonymi punktami. Ich pomiar wymaga instrumentów o niewiarygodnej precyzji. Detektory wykorzystują interferometrię laserową, pozwalającą rejestrować zmiany długości znacznie mniejsze od rozmiarów atomu. Jest to osiągnięcie imponujące, szczególnie gdy przypomnimy sobie, że człowiek nadal potrafi krzywo zawiesić obraz na ścianie mimo korzystania z poziomicy. Dzięki falom grawitacyjnym astronomowie otrzymali nowy sposób badania wszechświata, niezależny od tradycyjnych obserwacji promieniowania elektromagnetycznego. Można powiedzieć, że nauczyliśmy się nie tylko oglądać kosmos, ale również rejestrować niezwykle subtelne drgania jego geometrii.

Czy czas i przestrzeń istniały zawsze? Tego nadal nie wiemy. Ogólna teoria względności opisuje ich własności z ogromną dokładnością w wielu sprawdzonych warunkach, ale nie stanowi kompletnego opisu wszystkich możliwych sytuacji fizycznych. W pobliżu hipotetycznych osobliwości oraz w najwcześniejszych etapach kosmicznej historii mogą być istotne efekty kwantowe, których pełnej teorii jeszcze nie posiadamy. Niektóre propozycje kwantowej grawitacji sugerują, że czasoprzestrzeń może mieć głębszą strukturę albo wyłaniać się z bardziej fundamentalnych relacji fizycznych. Inne próbują opisywać ją jako wielkość podlegającą kwantowym prawom. Są to jednak kierunki badań, a nie ustalone fakty obserwacyjne. Nie wiemy, czy przestrzeń jest fundamentalna, czy posiada najmniejsze możliwe jednostki, ani czy czas w najgłębszym opisie rzeczywistości zachowuje wszystkie znane nam własności. Nie należy również zakładać, że odkrycie kwantowej natury czasoprzestrzeni automatycznie pozwoli budować tunele między galaktykami albo wysyłać wiadomości do własnej przeszłości. Popularna fantastyka naukowa bardzo chętnie korzysta z takich możliwości, ale fizyka wymaga dowodów, a nie tylko atrakcyjnego scenariusza. Gdyby każde matematycznie interesujące rozwiązanie natychmiast nadawało się do zastosowania technologicznego, mielibyśmy już teleportery, antygrawitacyjne samochody i urządzenia pozwalające cofać poniedziałki.

Najbardziej niezwykłe jest jednak to, że czas i przestrzeń, które wydają nam się tak zwyczajne, należą do najgłębszych zagadek współczesnej nauki. Potrafimy z ogromną precyzją mierzyć sekundy, wyznaczać odległości między planetami, badać ruch galaktyk i obserwować zakrzywienie światła w pobliżu masywnych obiektów. Nie potrafimy natomiast odpowiedzieć na wszystkie pytania dotyczące fundamentalnej natury czasoprzestrzeni. Nie wiemy, czy miała absolutny początek, czy jest zjawiskiem wyłaniającym się z głębszej struktury, ani czy nasze obecne teorie zachowają swoją postać w najbardziej ekstremalnych warunkach. Jest to kolejny przykład sytuacji, w której nauka osiąga imponującą skuteczność praktyczną, nie rozwiązując jeszcze wszystkich problemów filozoficznych i teoretycznych. Nie ma w tym sprzeczności. Możemy doskonale wykorzystywać określone prawa fizyki, a jednocześnie badać ich głębsze podstawy. Człowiek również potrafi korzystać z lodówki, nie znając szczegółów termodynamiki, choć w przypadku niektórych osób mam wątpliwości, czy rozumieją nawet zasadę zamykania jej drzwi.

Jako Profesor Absurd uważam, że odkrycia Einsteina należą do najbardziej bezczelnych wydarzeń w historii nauki. Przez tysiąclecia ludzie żyli w przekonaniu, że czas płynie jednakowo, przestrzeń stanowi nieruchome tło, a grawitacja po prostu przyciąga przedmioty. Następnie pojawił się człowiek, który wykazał, że rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana. Zegary mogą chodzić w różnym tempie, odległości zależą od sposobu ich pomiaru, światło podlega wpływowi geometrii czasoprzestrzeni, a masywne obiekty zmieniają strukturę otaczającej je rzeczywistości. Nie oznacza to, że nasze codzienne doświadczenia są fałszywe. Oznacza jedynie, że stanowią przybliżenie działające w określonych warunkach. W większości sytuacji możemy spokojnie korzystać z zegarków, linijek i kalendarzy, nie zastanawiając się nad ogólną teorią względności. Dopiero kiedy próbujemy zrozumieć wszechświat, okazuje się, że te pozornie proste narzędzia opisują rzeczywistość tylko częściowo. Najbardziej rozczarowuje mnie fakt, że skoro czas jest względny, nadal nie potrafię przekonać urzędów, że termin złożenia dokumentów powinien zależeć od mojego osobistego układu odniesienia. Najwyraźniej teoria względności obowiązuje w całym kosmosie, ale nie w administracji publicznej. A to, do cholery, jest dopiero prawdziwa zagadka fizyki.

Ciemna materia i ciemna energia

Naukowcy też czasem nie wiedzą

Wyobraźmy sobie, że kupujemy dom. Jest piękny, przestronny, posiada duże okna, wygodną kuchnię i ogród, w którym można posadzić pomidory. Po podpisaniu umowy dowiadujemy się jednak, że wszystko, co widzimy, stanowi zaledwie pięć procent nieruchomości. Pozostałe dziewięćdziesiąt pięć procent istnieje, wpływa na konstrukcję budynku, a nawet decyduje o jego przyszłości, ale nie potrafimy dokładnie ustalić, z czego zostało wykonane. Architekt zapewnia, że wszystko jest w porządku, ponieważ matematyczne obliczenia się zgadzają. Kiedy pytamy, gdzie znajduje się reszta domu, odpowiada, że to bardzo interesujące zagadnienie, nad którym od kilkudziesięciu lat pracują międzynarodowe zespoły badawcze. Mniej więcej w takiej sytuacji znajduje się współczesna kosmologia. Wszystkie gwiazdy, planety, ludzie, zwierzęta, drzewa, oceany i przedmioty codziennego użytku składają się z materii, która odpowiada za około pięć procent całkowitej gęstości energii wszechświata. Pozostałą część opisujemy za pomocą dwóch tajemniczych składników: ciemnej materii i ciemnej energii. Pierwszej przypisuje się około dwudziestu siedmiu procent, drugiej około sześćdziesięciu ośmiu procent. Dokładne wartości zależą od przyjętego modelu i zestawu obserwacji, ale ogólny wniosek pozostaje niezmienny: zdecydowana większość kosmicznego budżetu nie składa się ze znanej nam zwykłej materii. Jest to wiadomość wyjątkowo upokarzająca dla gatunku, który potrafi z wielką pewnością wypowiadać się na temat całej rzeczywistości, choć nie rozumie jeszcze fundamentalnej natury jej dominujących składników.

Zacznijmy od ciemnej materii, ponieważ jej nazwa prowadzi do licznych nieporozumień. Nie chodzi o czarną substancję, którą można zobaczyć przez odpowiednio mocny teleskop. Nie chodzi również o sadzę, kosmiczny węgiel ani tajemniczą ciecz wypełniającą przestrzeń między gwiazdami. Ciemna materia jest określeniem składnika, którego obecność wnioskujemy przede wszystkim z jego oddziaływań grawitacyjnych. Nie obserwujemy go bezpośrednio poprzez światło w sposób charakterystyczny dla zwykłej materii, a dotychczasowe badania wskazują, że jeśli składa się z nieznanych cząstek, ich oddziaływania elektromagnetyczne muszą być bardzo słabe albo nieobecne w dostępnych nam warunkach. Nie oznacza to, że ciemna materia nie istnieje tylko dlatego, że nie możemy jej sfotografować. W nauce obecność wielu obiektów i zjawisk ustala się na podstawie ich wpływu na otoczenie. Nie widzimy przecież samej grawitacji jako kolorowej substancji, ale obserwujemy jej skutki. Nie widzimy również bezpośrednio powietrza w zwykłych warunkach, choć wystarczy otworzyć okno podczas wichury, żeby przekonać się, że jego istnienie nie jest wymysłem meteorologów. Różnica polega na tym, że naturę powietrza znamy bardzo dobrze, natomiast ciemna materia nadal pozostaje jedną z największych zagadek fizyki.

Pierwsze ważne wskazówki dotyczące istnienia dodatkowej, niewidocznej masy pojawiły się w badaniach gromad galaktyk. W latach trzydziestych XX wieku astronom Fritz Zwicky analizował ruch galaktyk w Gromadzie Warkocza Bereniki. Zauważył, że ich prędkości są zbyt duże, aby można było łatwo wyjaśnić zachowanie całego układu wyłącznie za pomocą masy oszacowanej na podstawie widocznych gwiazd. Wnioskował więc, że w gromadzie musi znajdować się znacznie więcej materii, niż wynikało z obserwowanego światła. Nie oznaczało to jeszcze odkrycia konkretnej nieznanej cząstki. Była to wskazówka, że nasz obraz rozkładu masy w kosmosie może być niekompletny. W kolejnych dziesięcioleciach problem powracał w różnych badaniach, a szczególnie ważne okazały się pomiary ruchu gwiazd i gazu w galaktykach spiralnych. Dużą rolę odegrały tutaj prace Very Rubin i Kenta Forda, którzy badali krzywe rotacji galaktyk. Zwykła intuicja podpowiada, że im dalej od środka masywnego układu znajduje się obiekt, tym wolniej powinien krążyć, jeśli większość masy skupiona jest w jego centralnych obszarach. Tymczasem w wielu galaktykach prędkości orbitalne w zewnętrznych regionach pozostają zaskakująco wysokie. Wygląda to tak, jakby galaktyka zawierała znacznie więcej masy, niż możemy przypisać obserwowanym gwiazdom i gazowi. Gdyby podobna sytuacja wystąpiła podczas kontroli drogowej, policjant musiałby uznać, że samochód jedzie zgodnie z przepisami obowiązującymi na drodze, której nikt nie potrafi zobaczyć.

Najprostsze wyjaśnienie zakłada, że galaktyki są otoczone rozległymi halo ciemnej materii. Nie należy wyobrażać sobie tych struktur jako twardych kul albo nieprzezroczystych powłok. Chodzi o przestrzenny rozkład niewidocznego składnika, którego grawitacja wpływa na ruch gwiazd, gazu i innych obiektów. Ciemna materia nie musi skupiać się w taki sam sposób jak zwykła materia. Gaz może tracić energię poprzez promieniowanie, ochładzać się i tworzyć zwarte struktury, natomiast dominujący składnik ciemnej materii w standardowym modelu zachowuje się inaczej, ponieważ nie uczestniczy w tych samych procesach elektromagnetycznych. Dzięki temu może tworzyć rozległe struktury grawitacyjne, w których znajdują się galaktyki. Co ciekawe, ciemna materia nie tylko pomaga wyjaśniać ich współczesny ruch, ale odgrywa również kluczową rolę w modelach powstawania wielkoskalowej struktury wszechświata. Niewielkie pierwotne różnice gęstości rosły pod wpływem grawitacji, a ciemna materia mogła tworzyć skupiska, do których napływała zwykła materia. W ten sposób powstawały warunki sprzyjające formowaniu galaktyk. Można więc powiedzieć, że znaczna część kosmicznej architektury zawdzięcza swoją konstrukcję składnikowi, którego nadal nie potrafimy zidentyfikować. Jest to trochę tak, jakby przez całe życie mieszkać w budynku, którego najważniejsze elementy nośne wykonano z materiału nieznanego wszystkim inżynierom.

Kolejnych argumentów dostarcza soczewkowanie grawitacyjne, czyli zjawisko związane z zakrzywieniem torów światła w obecności masy. Galaktyki i gromady galaktyk mogą zmieniać obraz obiektów znajdujących się za nimi, powodując ich pozorne rozciągnięcie, powiększenie albo powstanie kilku obrazów tego samego źródła. Analizując takie efekty, astronomowie potrafią odtwarzać rozkład masy, również tej, której nie widzimy bezpośrednio. Szczególnie interesującym przykładem jest Gromada Pocisk, czyli układ powstały w wyniku zderzenia dwóch gromad galaktyk. Obserwacje pokazują, że rozkład gorącego gazu, zawierającego znaczną część zwykłej materii barionowej, różni się od rozkładu masy wyznaczonego na podstawie soczewkowania grawitacyjnego. W standardowej interpretacji jest to silny argument na rzecz istnienia dodatkowego składnika materii, który podczas zderzenia zachowywał się inaczej niż gaz. Nie jest to jednak fotografia pojedynczej cząstki ciemnej materii ani dowód pozwalający określić jej dokładną naturę. Obserwujemy efekty grawitacyjne i porównujemy je z przewidywaniami modeli. To rozróżnienie jest ważne, ponieważ popularne artykuły lubią ogłaszać, że astronomowie „zobaczyli ciemną materię”, choć w rzeczywistości wykryli określone konsekwencje jej postulowanej obecności. Gdyby naukowcy mogli już zwyczajnie oglądać ciemną materię pod mikroskopem, prawdopodobnie nie poświęcaliby tylu lat na budowanie coraz bardziej skomplikowanych detektorów.

Czym więc ciemna materia może być? Jedną z możliwości jest istnienie nieznanych dotąd cząstek elementarnych. Przez wiele lat dużym zainteresowaniem cieszyły się tak zwane WIMP-y, czyli hipotetyczne masywne cząstki słabo oddziałujące ze zwykłą materią. Rozważano również aksjony, pierwotnie zaproponowane w innym kontekście fizyki cząstek, oraz różne inne kandydatury, w tym cząstki związane z hipotetycznymi rozszerzeniami Modelu Standardowego. Prowadzone są eksperymenty mające wykrywać niezwykle rzadkie oddziaływania ciemnej materii z materią zwykłą, a także poszukiwania możliwych sygnałów jej przemian lub anihilacji. Badacze wykorzystują między innymi detektory umieszczane głęboko pod ziemią, gdzie skały ograniczają wpływ części promieniowania kosmicznego. Niektóre eksperymenty poszukują drobnych sygnałów w ciekłych gazach szlachetnych, inne wykorzystują zupełnie odmienne technologie. Jak dotąd nie uzyskano powszechnie zaakceptowanego, jednoznacznego bezpośredniego odkrycia cząstki odpowiedzialnej za ciemną materię. Nie oznacza to, że wszystkie dotychczasowe poszukiwania były bezwartościowe. Każdy eksperyment ogranicza dopuszczalne własności hipotetycznych cząstek i pozwala odrzucać kolejne możliwości. Nauka rozwija się również wtedy, gdy okazuje się, że coś nie istnieje w przewidywanym zakresie parametrów. Rozumiem jednak rozczarowanie badaczy. Gdybym przez dwadzieścia lat szukała czegoś w piwnicy, a następnie dowiedziała się, że muszę zbudować jeszcze większą piwnicę, również zaczęłabym używać nieprzyzwoitych słów.

Nie wszyscy fizycy są przekonani, że pełne rozwiązanie problemu wymaga odkrycia nowej cząstki. Istnieją również propozycje modyfikacji opisu grawitacji, które próbują wyjaśniać część obserwowanych zjawisk bez wprowadzania takiej samej ilości niewidocznej materii. Jednym z historycznie ważnych przykładów jest MOND, czyli zmodyfikowana dynamika newtonowska, zaproponowana przez Mordehaja Milgroma w latach osiemdziesiątych XX wieku. Koncepcja ta odnosi się do zachowania układów przy bardzo małych przyspieszeniach i potrafi opisywać pewne regularności obserwowane w galaktykach. Problem polega jednak na tym, że skuteczna teoria kosmologiczna musi wyjaśniać znacznie więcej niż same krzywe rotacji. Musi radzić sobie również z soczewkowaniem grawitacyjnym, dynamiką gromad, mikrofalowym promieniowaniem tła i powstawaniem struktur kosmicznych. Standardowy model z zimną ciemną materią bardzo dobrze opisuje szeroki zestaw takich obserwacji, choć również pozostawia nierozwiązane problemy. Nie oznacza to, że alternatywne modele należy wyśmiewać albo zakazywać ich badania. W nauce konkurencyjne propozycje są potrzebne, ponieważ pozwalają sprawdzać założenia i szukać lepszych wyjaśnień. Nie należy jednak przedstawiać wszystkich hipotez jako jednakowo dobrze potwierdzonych. To, że dwie osoby mają odmienne zdanie, nie oznacza jeszcze, że obie dysponują taką samą liczbą dowodów. Szczególnie warto o tym pamiętać podczas rodzinnych dyskusji, w których wujek posiadający dostęp do internetu uważa swoje piętnaście minut lektury za równoważne czterdziestu latom badań naukowych.

Ciemna materia jest więc zagadką dotyczącą przede wszystkim dodatkowej grawitującej masy. Ciemna energia stanowi problem zupełnie innego rodzaju. Nie należy traktować ich jako dwóch odmian tej samej tajemniczej substancji tylko dlatego, że obie nazwy zawierają słowo „ciemna”. Jest to raczej wyraz naszej niewiedzy niż informacja o ich wspólnym pochodzeniu. Ciemna energia została wprowadzona do współczesnego opisu kosmosu przede wszystkim w związku z obserwacjami przyspieszającej ekspansji wszechświata. Pod koniec lat dziewięćdziesiątych XX wieku badania odległych supernowych typu Ia wskazały, że historia ekspansji nie odpowiada najprostszym modelom, w których materia powoduje wyłącznie jej spowalnianie. Wyniki te, wspierane później przez inne obserwacje, doprowadziły do przyjęcia modeli uwzględniających składnik odpowiedzialny za przyspieszenie. W najprostszym opisie jest nim stała kosmologiczna, oznaczana grecką literą lambda. Pojawiła się ona już w równaniach Alberta Einsteina w 1917 roku, kiedy uczony próbował uzyskać model statycznego wszechświata. Później okazało się, że matematyczne narzędzie stworzone do opisania nieruchomego kosmosu może być wykorzystane do wyjaśniania jego przyspieszającej ekspansji. Jest to jeden z piękniejszych paradoksów historii nauki. Einstein próbował zatrzymać wszechświat za pomocą dodatkowego składnika równań, a po wielu dziesięcioleciach ten sam składnik okazał się użyteczny do opisywania tego, dlaczego kosmos nie zamierza zwalniać.

W standardowym modelu kosmologicznym ciemna energia opisywana przez dodatnią stałą kosmologiczną ma stałą gęstość energii, nawet gdy przestrzeń się rozszerza. Nie należy jednak wyobrażać sobie jej jako niewidzialnego gazu, który napiera na galaktyki i odpycha je od siebie. W ogólnej teorii względności zarówno energia, jak i ciśnienie wpływają na ewolucję czasoprzestrzeni. Składnik o odpowiednich własnościach, w szczególności o dostatecznie ujemnym ciśnieniu, może prowadzić do przyspieszającej ekspansji. Brzmi to dziwnie, ponieważ w codziennym życiu ciśnienie kojarzymy z napompowaną oponą, garnkiem albo wynikiem badania lekarskiego. Tymczasem fizyczne znaczenie ciśnienia w kosmologii wynika z równań opisujących zawartość energetyczną wszechświata. Nie oznacza to, że ciemna energia jest po prostu substancją rozpychającą kosmos niczym powietrze balon. Jest elementem opisu dynamiki całej czasoprzestrzeni. Co więcej, nie wiemy, czy stała kosmologiczna rzeczywiście stanowi fundamentalne wyjaśnienie zjawiska. Rozważa się również modele dynamicznej ciemnej energii, w których jej własności mogą zmieniać się w czasie, oraz propozycje modyfikacji teorii grawitacji. Obserwacje wciąż służą sprawdzaniu tych możliwości. Niektóre analizy sugerowały interesujące odstępstwa od najprostszego modelu, ale nie uzyskano dotąd rozstrzygającego potwierdzenia, że ciemna energia rzeczywiście ewoluuje. W nauce słowo „możliwe” nie oznacza „udowodnione”, choć w internetowych nagłówkach oba określenia bywają traktowane jako synonimy.

Jednym z najtrudniejszych problemów związanych ze stałą kosmologiczną jest jej niezwykle mała obserwowana wartość w porównaniu z pewnymi naiwnymi oszacowaniami energii próżni kwantowej. W kwantowej teorii pola nawet stan o najniższej energii nie musi odpowiadać klasycznie rozumianej całkowitej pustce. Pojawia się więc pytanie, czy energia próżni ma związek z ciemną energią i dlaczego jej efekty kosmologiczne są tak niewielkie w porównaniu z niektórymi teoretycznymi oczekiwaniami. Popularne opracowania lubią przedstawiać ten problem jako największą pomyłkę obliczeniową w historii fizyki, ale rzeczywista sytuacja jest bardziej subtelna i zależy od sposobu formułowania teorii. Nie mamy obecnie uznanego rozwiązania problemu stałej kosmologicznej. Jest to szczególnie frustrujące, ponieważ nie chodzi o niewielki szczegół dotyczący odległej galaktyki, lecz o składnik, który w standardowym modelu dominuje we współczesnym budżecie energetycznym całego wszechświata. Wyobraźmy sobie księgowego, który potrafi dokładnie policzyć wartość wszystkich spinaczy w firmie, ale nie rozumie pochodzenia większości środków znajdujących się na jej rachunku bankowym. Właściciel przedsiębiorstwa miałby zapewne kilka pytań. Kosmos natomiast nie odpowiada na żadne, ponieważ najwyraźniej nie przewidział stanowiska głównego księgowego.