Początek. Naukowa historia stworzenia

Naukowcy dołożyli wszelkich starań, by elementy układanki były zwarte i przejrzyste, by pasowały do siebie nawzajem, zarówno w obliczu majestatycznego Wszechświata w wielkiej skali, w odniesieniu do człowieka, jak też w stosunku do cząstek elementarnych, z których zbudowana jest cała materia.

Nie istnieje nic takiego, jak oficjalna wersja naukowej opowieści o stworzeniu, jednak autor tej książki, Jim Baggott, ma nadzieję, że gdyby wersja taka powstała, przypominałaby tę właśnie książkę.

Jest to książka dla czytelników szukających rozsądnie klarownego, wyważonego i bezstronnego spojrzenia na to, co wiemy i co potrafimy wyjaśnić. Autor oddziela wyraźnie nie kwestionowane fakty od dyskusyjnych interpretacji i czystych spekulacji. Dowodzi, że kiedy wychodzimy poza sferę naszych ludzkich preferencji i uprzedzeń, naprawdę odkrywamy, iż nie jesteśmy w szczególny sposób uprzywilejowanymi obserwatorami zamieszkiwanego Wszechświata.

Wszystko wskazuje na to, że Wszechświat nie powstał z myślą o nas. Jesteśmy naturalną częścią tej rzeczywistości, ale nie jesteśmy przyczyną, dla której ona istnieje. Innymi słowy, Wszechświat nie ma celu, a przynajmniej nie taki, jakiego doszukiwalibyśmy się z ludzkiej perspektywy.

Wszelkie moje dokonania w dziedzinie popularyzowania nauki z ponad dwudziestu lat znajdują kulminację w tym dziele. W głębi duszy, od zawsze chciałem tę książkę napisać.
Jim Baggott

Jim Baggott jest wielokrotnie nagradzanym autorem książek popularnonaukowych, byłym wykładowcą Uniwersytetu w Reading. Publikuje artykuły w „New Scientist” i „Nature”. W Polsce ukazały się jego książki: „Teoria kwantowa. Odkrycia, które zmieniły świat”, „Higgs. Odkrycie boskiej cząstki” oraz „Pożegnanie z rzeczywistością. Jak współczesna fizyka odchodzi od poszukiwania naukowej prawdy”.

Nie dajcie się zwieść. Bez względu na to, co mieliście okazję przeczytać w opublikowanych niedawno książkach popularnonaukowych, bez względu na treść zamieszczanych w pismach artykułów i gazetowych notek prasowych, bez względu na to, jak przekonujące wydawałyby się zawarte tam stwierdzenia, możecie być pewni, że nikt nie potrafi powiedzieć, jak zaczął się Wszechświat. Nie wiadomo nawet, czy w tym kontekście słowo „zaczął” oddaje stan faktyczny choćby w dużym przybliżeniu.
Istnieje uzasadniona przyczyna takiego stanu rzeczy. W dalszej części książki piszę o badaniach, dzięki którym wiemy, że Wszechświat się rozszerza. Ekstrapolując wstecz, dochodzimy do wniosku, że w przeszłości musiał być taki moment, gdy cała energia Wszechświata skupiała się w jednym, nieskończenie małym punkcie, z którego eksplodowała we wszystkich kierunkach w zdarzeniu, które nazywamy Wielkim Wybuchem.
Skąd to wiemy? Niniejszy rozdział podsunie kilka odpowiedzi na to pytanie. Opiszę w nim naukowe dowody potwierdzające teorię Wielkiego Wybuchu i zjawisko ekspansji Wszechświata, a w kolejnych rozdziałach zrelacjonuję przebieg jego ewolucji na przestrzeni pierwszych 380 000 lat. Wystarczy powiedzieć, że coś takiego jak Wielki Wybuch musiało nastąpić, a według naszych najlepszych oszacowań stało się to około 13,8 miliarda lat temu, plus minus kilkaset milionów lat.
Opisywanie samego „początku” Wszechświata nastręcza problemów, ponieważ żadna z naszych teorii zwyczajnie nie daje sobie z tym rady. Podejmujemy próby zrozumienia ewolucji czasoprzestrzeni i opisania całej masy i energii Wszechświata przez zastosowanie ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Teoria sprawdza się nadzwyczaj dobrze, kiedy jednak mamy do czynienia z obiektami o rozmiarach zbliżających się do nieskończenie małych, zmuszeni jesteśmy sięgnąć po całkowicie odmienną strukturę logiczną, nazywaną teorią kwantową. Co istotne, z pewnymi sytuacjami ogólna teoria względności nie radzi sobie w taki sposób jak teoria kwantowa, z innymi zaś jest dokładnie odwrotnie. Kiedy jednak próbujemy połączyć te znamienite teorie i stworzyć coś w rodzaju zunifikowanej teorii, która wypełniałaby zadania każdej z nich, przekonujemy się, że nie sposób pogodzić ich ze sobą i cała struktura się sypie.
Do tej pory nikt nie wpadł na pomysł, jak ten problem rozwiązać.
Jest jeszcze inny kłopot. O ile można zaufać naszym ekstrapolacjom, dokonywanym z perspektywy obecnej chwili kosmicznego czasu, wynika z nich, że energia gorącego Wielkiego Wybuchu musiała być znacznie, znacznie większa niż energia, jaką kiedykolwiek mamy nadzieję odtworzyć na Ziemi w jakimkolwiek zderzaczu cząstek. Tak więc, nawet jeśli pewnego dnia udałoby się sformułować teorię, którą potrafilibyśmy stosować z pewną dozą zaufania, po prostu nigdy nie będziemy w stanie zbudować aparatury umożliwiającej przeprowadzenie eksperymentów i poczynienie obserwacji pozwalających zweryfikować przewidywania takiej teorii. Nie mamy żadnej alternatywy, musimy polegać na tym, co uda nam się odkryć w obserwowanym Wszechświecie, a nasze teorie wykorzystywać do wyciągania wniosków na temat tego, co mogło zdarzyć się w odległej przeszłości.
Oznacza to, że sam początek Wszechświata (jeśli rzeczywiście jest to właściwe określenie) będzie znajdował się poza zasięgiem nauki w dającej się przewidzieć przyszłości, a całkiem prawdopodobne jest to, że stan ten nie zmieni się nigdy. Oczywiście, nie powstrzyma nas to przed czynieniem rozmaitych spekulacji. Istnieje wiele współczesnych teorii, proponujących różne opowieści na temat „początku Wszechświata”. W części z nich Wszechświat wyłania się „z niczego” jako efekt fluktuacji kwantowej. Są też takie, w których jest on zwyczajnie jednym z ogromnej liczby (możliwe, iż jednym z nieskończenie wielu) pęczniejących bąbli czasoprzestrzeni, składających się na „wieloświat” wszystkich możliwości. A może do Wielkiego Wybuchu doszło w wyniku kolapsu wszechświata, który istniał wcześniej, zupełnie jakby po raz kolejny wciśnięto przycisk kosmicznego restartu, w cyklu trwającym całą wieczność.
Nie ma żadnych empirycznych dowodów na poparcie tych rozmaitych koncepcji. Prawdopodobnie możliwe jest rozwinięcie niektórych teorii do punktu, w którym będą przewidywały subtelne efekty fizyczne, możliwe do wykrycia w naszym Wszechświecie za pomocą instrumentów naziemnych lub umieszczonych na okrążających Ziemię satelitach (choć, szczerze mówiąc, skłaniam się ku myśli, że możliwość ta jest bardzo odległa). Jednak nawet wówczas, jak już wspominałem, przewidywanie zjawisk możliwych do zaobserwowania w kosmosie dnia dzisiejszego pozwala jedynie na wyciąganie wniosków na temat tego, co mogło dziać się przed Wielkim Wybuchem i w jego trakcie. Wybór, co w odniesieniu do tego momentu przyjąć za dobrą monetę, wciąż będzie wymagał czegoś w rodzaju aktu wiary.
Austriacki filozof Ludwig Wittgenstein wygłosił niegdyś słynną przestrogę: „O czym nie można mówić, o tym trzeba milczeć”3. Prawdopodobnie jest to dobra rada, jednak obiecałem książkę na temat powstawania, tak więc w tym rozdziale zamierzam podjąć próbę spaceru po cienkiej linii oddzielającej uznane fakty naukowe – czyli to, co wiemy i potrafimy udowodnić – od spekulatywnego teoretyzowania, którego efektem mogą być jedynie umiarkowanie wiarygodne hipotezy, wynikające z funkcjonujących w świecie nauki zasad, o których można powiedzieć, że cieszą się przynajmniej ograniczonym zaufaniem. W odpowiednich miejscach umieszczę znaki ostrzegawcze, abyśmy przypadkiem nie wpadli do metafizycznej króliczej nory.
Nasza opowieść o powstawaniu zaczyna się w miejscu, które było zalążkiem przestrzeni, czasu i energii. Właśnie tu, jeszcze nim we właściwy sposób zaczęliśmy snuć naszą opowieść, napotykamy pierwsze wyzwanie. Czym bowiem jest przestrzeń? Czym są czas i energia?

NATURA PRZESTRZENI I CZASU

Siedzę przy biurku w swoim gabinecie, wystukuję te słowa na klawiaturze, która bezprzewodowo połączona jest z laptopem, patrząc na zdania wyłaniające się na dużym monitorze. Jeśli odwrócę wzrok od monitora i rozejrzę się wokół siebie, zobaczę pokój z preferowaną przez architekturę liczbą ścian – czterema. Dwie z nich, ta po lewej i za moimi plecami, zapełnione są półkami, na których znajduje się skromna kolekcja książek. Przy ścianie po mojej prawej stronie ustawiłem sofę, z której okazjonalnie korzystają zostający na noc goście (dzisiaj wyjątkowo nie jest zasypana kolejnymi stertami książek).
Podobnie jak Wy, bez wahania formułuję wniosek, że wszystkie wymienione rzeczy z tego pomieszczenia są obiektami znajdującymi się w przestrzeni.
Czym jednak, precyzyjnie mówiąc, jest przestrzeń? Mogę poruszać się w niej, ale jej nie widzę i nie mogę dotknąć. Przestrzeń nie jest czymś, co postrzegamy w sposób bezpośredni. Nasze postrzeganie odnosi się do przedmiotów (takich jak monitory, książki i sofy) i przedmiotów tych dotyczy pewien szczególny rodzaj wzajemnych związków, które nazywamy związkami przestrzennymi: to jest tutaj, po lewej, tamto jest tam, po prawej. Jednak sama przestrzeń nie wchodzi w skład naszego bezpośredniego doświadczenia. Interpretowanie obiektów jako czegoś, co istnieje w trójwymiarowej przestrzeni, jest skutkiem zachodzącej w mózgu syntezy impulsów elektrycznych, przekładanych przez nasz umysł na wizualną percepcję świata.
Podobnie poruszam się w czasie (przynajmniej w jednym kierunku), lecz nie widzę go ani nie mogę wyciągnąć ręki i go dotknąć. Czas nie jest namacalnym obiektem. Moje poczucie czasu zdaje się wywodzić ze świadomości zmian wzajemnego położenia mojej osoby i otaczających mnie obiektów (to było po lewej stronie, teraz jest po prawej) lub ze świadomości zachodzących w nich zmian, gdy przekształcają się z jednego typu w drugi.
Czy przestrzeń mojego gabinetu istnieje niezależnie od znajdujących się w niej obiektów? Czy czas istnieje niezależnie od zachodzących w tym pomieszczeniu zjawisk? Innymi słowy – czy przestrzeń i czas są bytami „absolutnymi”?
Isaac Newton, rozwijając swą teorię mechaniki, którą opublikował w 1687 roku w wielkim dziele zatytułowanym Matematyczne zasady filozofii przyrody, skłonny był przystać na to, że przestrzeń i czas są zasadniczo względne w odniesieniu do czegoś, co nazywał naszym „trywialnym postrzeganiem” świata. Gotów był zaakceptować fakt, że ciała zbliżają się do siebie lub oddalają się od siebie, zmieniając swe względne położenie w przestrzeni i czasie. Jest to ruch względny, który można w prosty sposób zdefiniować w kategoriach związków pomiędzy ciałami.
Jednak teoria Newtona wymagała wprowadzenia pojęcia ruchu absolutnego, z niego zaś, jak argumentował uczony, musi wynikać istnienie absolutnych przestrzeni i czasu, tworzących swego rodzaju pojemnik, w którym istnieją ciała i zachodzą zjawiska fizyczne. Zabierz wszystkie ciała z Wszechświata, a pusty zbiornik, zgodnie z wymogiem teorii Newtona, pozostanie: wciąż będzie „coś”.
Einstein pozwolił sobie na odmienne zdanie w tej kwestii. Ponad dwieście lat później, w 1905 roku, zmagał się z tym problemem w trakcie wypełniania obowiązków eksperta technicznego trzeciej klasy w Szwajcarskim Urzędzie Patentowym w Bernie. Doszedł do wniosku, że absolutne przestrzeń i czas nie mogą istnieć. Taka konkluzja wynikała ze sformułowanej przez Einsteina szczególnej teorii względności.
Teoria ta opiera się na dwóch fundamentalnych zasadach. Według pierwszej z nich, która stała się znana jako zasada względności, obserwatorzy poruszający się ruchem względnym z różnymi (ale stałymi) prędkościami muszą zaobserwować takie same, podstawowe prawa fizyki.
Wydaje się to absolutnie rozsądne. Załóżmy, że dokonuję tu, na Ziemi, serii pomiarów wielkości fizycznych, co pozwala mi sformułować prawo fizyczne leżące u podstaw obserwowanych zjawisk. Ty zaś wykonujesz identyczne pomiary na pokładzie odleg­łego statku kosmicznego, który z ogromną prędkością oddala się od Ziemi. Oczywiście, wnioski, jakie sformułujemy na podstawie obu zestawów pomiarów, muszą być takie same. Nie może być tak, że jeden zestaw praw fizyki obowiązuje u mnie, a inny jest aktualny dla podróżników w przestrzeni kosmicznej. W przeciwnym wypadku nie byłyby to prawa.
Możemy teraz przyjrzeć się temu przykładowi z innej perspektywy. Jeśli prawa fizyki są takie same dla wszystkich obserwatorów, wówczas nie ma możliwości, aby przeprowadzić pomiar pozwalający jednoznacznie określić, który z obserwatorów porusza się względem którego. Praktycznie można byłoby uznać, że Ty pozostajesz w spoczynku, a to ja z dużą prędkością się oddalam. Żadne pomiary fizyczne nie rozróżnią tych dwóch sytuacji.
Druga z zasad Einsteina dotyczy prędkości światła. W czasie gdy pracował on nad szczególną teorią względności, fizycy dość niechętnie skłaniali się do wniosku, że prędkość światła jest stała i w ogóle nie zależy od prędkości źródła światła. Jeśli zmierzyłbym prędkość światła emitowanego przez nieruchomą latarkę tu, na Ziemi, a Ty przeprowadziłbyś pomiar z użyciem tej samej latarki na pokładzie mocno rozpędzonego statku kosmicznego, oczekiwalibyśmy, że uzyskamy taki sam wynik.
Zamiast próbować zrozumieć, dlaczego prędkość światła nie zależy od prędkości źródła, Einstein zwyczajnie zaakceptował to jako ustalony fakt. Przyjął założenie, że prędkość światła jest uniwersalną stałą, i zajął się następstwami takiego stanu rzeczy.
Natychmiast narzuca się pierwsza implikacja: nie ma czegoś takiego jak absolutny czas.
Oto dlaczego. Załóżmy, że obserwujesz jakieś niesamowite zdarzenie. Podczas gwałtownej burzy widzisz dwie błyskawice, jak rozcinają niebo i równocześnie uderzają w ziemię, jedna po twojej lewej stronie, druga po stronie prawej. Stoisz w idealnym bezruchu, zatem fakt, że światło obu błyskawic potrzebuje czasu, aby dotrzeć do ciebie, nie ma żadnego znaczenia. Porusza się ono bardzo szybko, toteż, w twojej ocenie, obie błyskawice dostrzegasz w chwili, gdy uderzają.
Ja jednak widzę coś zupełnie innego. Poruszam się bardzo szybko – z prędkością równą połowie prędkości światła – z lewej strony na prawą. Mijam Ciebie właśnie w momencie, gdy dokonujesz obserwacji. Ponieważ poruszam się tak szybko, za sprawą czasu, jakiego potrzebuje światło błyskawic, aby do mnie dotrzeć, pojawiają się mierzalne efekty. W czasie gdy światło błyskawicy uderzającej z lewej strony zdoła do mnie dotrzeć, zdążę już przesunąć się trochę w prawo, tak więc ma ono do przebycia dłuższą drogę. Tymczasem światło błyskawicy uderzającej z prawej strony ma do pokonania krótszą drogę, ponieważ zbliżyłem się do niej. W rezultacie tę uderzającą po prawej stronie widzę jako pierwszą (rysunek 1).
Ty widzisz błyskawice uderzające równocześnie. Ja nie. Kto ma rację?
Ty masz rację i ja mam rację. Zasada względności jednoznacznie stwierdza, że prawa fizyki muszą być takie same, niezależnie od względnego ruchu obserwatora, oraz że nie możemy posłużyć się jakimikolwiek pomiarami wielkości fizycznych, aby stwierdzić, kto z nas, Ty czy ja, jest w ruchu.
Nie mamy wyboru, zmuszeni jesteśmy wysnuć wniosek, że nie ma czegoś takiego jak absolutna równoczesność. Nie istnieje wyróżniony lub uprzywilejowany układ odniesienia, w którym moglibyśmy ogłosić, że zdarzenia te zaszły w tym samym momencie. Mogły zajść jednocześnie w jednym układzie odniesienia, a w innym – w różnych momentach, a wszystkie układy są równoważne. W rezultacie nie możemy mówić o „rzeczywistym” lub absolutnym czasie. Z czegoś trzeba zrezygnować. Postrzegamy zdarzenia w różny sposób, ponieważ czas jest pojęciem względnym.
Einstein opracował podobny zestaw argumentów mających ukazać, że przestrzeń jest również pojęciem względnym. Dziwaczne implikacje szczególnej teorii względności są stosunkowo dobrze znane. Jeżeli prędkość światła jest stała, a prawa fizyki mają obowiązywać wszystkich obserwatorów we Wszechświecie, oznacza to, że interwały czasowe (czasy trwania) mogą ulegać wydłużeniu, natomiast interwały przestrzenne (odległości) – skróceniu. Oznacza to, że pomiary czasu trwania i odległości prowadzone przez obserwatorów poruszających się z różnymi prędkościami będą dawać różne wyniki.
Jednak nie wszystko jest stracone. Wydłużanie czasu trwania i skracanie odległości są niczym dwie strony tej samej monety. Są powiązane przez prędkość obserwatora dokonującego pomiarów w odniesieniu do prędkości światła. Jeśli teraz połączymy przestrzeń i czas w jedną czterowymiarową czasoprzestrzeń, mierzone w niej interwały pozostają niewrażliwe na względność. W odniesieniu do interwałów czasoprzestrzennych wydłużanie czasu trwania jest kompensowane przez skracanie odległości i vice versa.
Czy to oznacza, że choć przestrzeń i czas są względne, czasoprzestrzeń jest absolutna? Pogląd ten podzielają niektórzy współcześni fizycy. Inni zgłaszają sprzeciw. Dla nas ważne jest, abyśmy zdali sobie sprawę, że musimy porzucić nasze przesadnie uproszczone, zdroworozsądkowe pojęcia o niezależności przestrzeni i czasu oraz zaakceptować fakt, iż w naszym Wszechświecie przestrzeń i czas są nierozerwalnie złączone.