M51Blog popularnonaukowy

Wchodzę trochę na grząski temat. Docelowo ten blog miał być miejsce gdzie można znaleźć odpowiedzi na pytania, natomiast tutaj... Raczej żadnej sensownej odpowiedzi nie dostaniemy. Jest nawet jeszcze gorzej - będziemy mnożyć kolejne pytania, których wynik także pozostanie tajemnicą.

Temat jest dziwny. Dociera do miejsc gdzie dzisiejsza fizyka nie ma już za wiele do powiedzenia, za to zaczynają się spekulacje i gdybania. Górę biorą kwestie światopoglądowe, które nie podlegają obiektywnej ocenie.

Jednocześnie jest to temat niezwykle ciekawy i istotny. Cieszący się dużą popularnością na tym blogu, sporo osób wchodziło bezpośrednio z wyszukiwarki na ten właśnie artykuł. A teraz, wraz z nową wersją strony, piszę jego drugą, rozbudowaną i mam nadzieję lepszą wersję. Którą właśnie czytacie.

Co wiemy?

Teoria Wielkiego Wybuchu jest obecnie najpopularniejszym oraz najlepszym modelem, opisującym proces powstania i ewolucji naszego Wszechświata. Znakomita większość naukowców zgadza się co do tego, że Wielki Wybuch rzeczywiście nastąpił. Praktycznie każda poważna teoria, opisująca jakiś szczególny moment istnienia wszechświata, jest rozszerzeniem teorii Wielkiego Wybuchu.

Warto pamiętać, że nie bazuje tylko na przypuszczeniach. Istnieją bardzo mocne dowody na to, że coś w rodzaju gigantycznej eksplozji rzeczywiście nastąpiło w dalekiej przeszłości. O tych dowodach napisałem w poprzednim artykule. Ale dla potrzeb tego tekstu, ich znajomość nie jest istotna.

Co właściwie wiadomo?

Praktycznie większość rzeczy, które działy się 3 minuty po Wielkim Wybuchu. Współczesne teorie dość dobrze opisują ten okres. Oczywiście, są jeszcze pewne niewiadome, ale naukowcy potrafią w miarę dokładny sposób prześledzić ewolucje wszechświata od tego momentu, do dnia dzisiejszego.

Istnieje także dość wiarygodna wiedza na temat okresu od 10^-12 sekundy ( 0,000000000001s ). Procesy zachodzące w tym okresie można odwzorować w akceleratorach cząstek elementarnych, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów.

Pewne mniej lub bardziej realne teorie można snuć na temat wydarzeń od 10^-43 (pozwólcie, że nie będę pisał zer) sekundy po wybuchu. Współczesna wiedza fizyczna dociera tu do granic swoich możliwości.

Nie wiem czy się zgodzicie, ale dla mnie jest dość imponujące, że nauka sięga aż tak daleko. Nawet odrzucając niezweryfikowane teorie. To, że wiadomo tak wiele o losach wszechświata od jednej bilionowej części sekundy, aż do dnia dzisiejszego uważam za zadziwiające i budujące.

Mimo to, są miejsca gdzie cała nasza aktualna wiedza zawodzi. Jest to tak zwana era Plancka, czyli czas od chwili zero, do 10^-43 sekundy. Jest to pewna umowna granica, niewiele późniejsze wydarzenia też nie są do końca jasne. Nawet pomijając już konkretne wartości. Są po prostu miejsca gdzie nauka nie sięga.

Kwantowa teoria grawitacji

W zasadzie cała współczesna fizyka to dwie teorie. Mechanika kwantowa (model standardowy) i ogólna teoria względności.

Mechanika kwantowa zajmuje się opisem rzeczy małych, dziejących się we wnętrzu atomów, zachowaniem cząstek elementarnych. Wyjaśnia ona naturę trzech, z czterech podstawowych sił: oddziaływania silnego (jądrowego), słabego oraz elektromagnetycznego. Te dwa ostatnie, czasami łączy się w jedno - oddziaływanie elektrosłabe.

Nie oznacza to, że mechanika kwantowa nie działa dla obiektów dużych. Obowiązuje zawsze, jednak jej efekty są pomijalnie małe. Również obliczenia, w przypadku złożonych rzeczy, są bardzo kłopotliwe, jeśli nie niemożliwe.

Dla opisu ruchu planety nie potrzebujemy znać stanu jej wszystkich cząsteczek z osobna. Wystarczy traktować układ jako całość.

I właśnie tym zajmuje się druga wielka teoria - ogólna teoria względności.

Traktuje ona o rzeczach wielkich, planetach, gwiazdach, galaktykach. Ich ruchu oraz wzajemnych oddziaływaniach. Dla przewidywania toru lotu kopniętej piłki, ogólna teoria względności też się nadaje. Bardziej niż mechanika kwantowa. Ale nie ma potrzeby stosowania tak potężnego narzędzia do błahych spraw. Równania Newtona tutaj w zupełności wystarczą.

Nawiasem mówiąc, ogólna teoria względności zastosowana dla obiektów poruszających się z prędkościami znacznie mniejszymi od prędkości światła, daje praktycznie takie same wyniki jak teoria Newtona. Nie przekreśla jej, tylko uzupełnia.

Przy ruchach planet, gwiazd, największą rolę odgrywa grawitacja. I właśnie nią, teoria względności w głównej mierze się zajmuje. Jest to czwarte i ostanie oddziaływanie natury. Więcej sił we wszechświecie nie ma.

No fajnie, i co z tego?

Niestety te dwie teorie nie są ze sobą spójne. Kiedy stosujemy je osobno - wszystko w porządku. Ale gdy chcemy zastosować dwie naraz, całość zaczyna się walić.

Zwykle nie ma takiej potrzeby, albo opisujemy coś małego, albo dużego.

Wyjątek stanowi właśnie moment Wielkiego Wybuchu, oraz pewne szczególne miejsca we wnętrzu czarnych dziur.

Ale teraz o tym pierwszym.

Wszechświat się rozszerza. W początkowych fazach swojego istnienia, był niezwykle mały. Znacznie mniejszy niż atom. Dla opisu takich obiektów zwykle stosuje się mechanikę kwantową. Był też bardzo masywny, cała masa wszechświata zamknięta była w niewielkim punkcie. Gdzie masa - tam i grawitacja. A grawitacją zajmuje się ogólna teoria względności.

Następuje konieczność użycia dwóch sprzecznych teorii naraz. W efekcie w równaniach pojawiają się bzdury. Jakiego typu?

Właściwie to nie wiem. Niestety aparat matematyczny potrzebny do takich rozważań jest poza moim zasięgiem, jak i ogromnej większości ludzi na świecie. Z relacji matematyczno-fizycznych magików przejawiają się niejasne doniesienia, że występuje konieczność dzielenia przez zero. A jak wiecie, takie operacje są surowo zabronione.

W każdym razie, na dzień dzisiejszy te dwie teorie nie są ze sobą spójne.

Wybitni naukowcy z całego świata usilnie pracują nad pogodzeniem ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Owocem tych wysiłków ma być kwantowa teoria grawitacji - spójna teoria opisująca wszystkie oddziaływania.

Niestety nie wiadomo:

1. Kiedy taka teoria się pojawi
2. Czy w ogóle się pojawi
3. Jakie nowe problemy stworzy

Prace nad nią prowadzone są w zasadzie od czasów Einsteina, jak dotąd z niewielkim powodzeniem. Te wszystkie dziwne twory w postaci: teorii strun, pętlowej teorii grawitacji. To są właśnie owoce tych poszukiwań. Na razie, niezbyt dojrzałe.

I co z tego wszystkiego wynika?

Ano to, że fizyka nie ma wiele do powiedzenia na temat tego działo się w pierwszych chwilach po godzinie 0. Ani o tym co było przed, ani czy coś w ogóle było. Dla przewidywania wszystkich późniejszych zjawisk, zakłada się, że wszechświat powstał z osobliwości (rzeczy niekończenie małej). Czas oraz przestrzeń wykrystalizowały się w momencie Wielkiego Wybuchu. A wiedza o ewentualnych "wcześniejszych" wydarzeniach, jest fizycznie nie dostępna.

Tu właściwie powinienem skończyć ten artykuł.

Ale czytelnik nie podaruje. Znalazł ten artykuł na trzeciej stronie w google (zdesperowany był) i chce wiedzieć: co było przed tym wielkim wybuchem? W końcu w tytule jest to napisane.

Więc, drogi czytelniku, nie dowiesz się! Ale możemy się trochę pokręcić w miejscu, opuścić bezpieczne rejony fizyki i pogdybać.

Wielkie odkrycie

Jest rok 2035, z pewnego szanowanego uniwersytetu wychodzi notka prasowa: "Odkryto kwantową teorię grawitacji oraz poznano pierwsze chwile wszechświata. Konferencja prasowa odbędzie się 25 stycznia".

W prasie wielkie poruszenie, nagłówki krzyczą z ekranów tabletów: "Znaleźliśmy Boga!", "Koniec fizyki!", "Górnicy strajkują!".

Przychodzi dzień konferencji, na sali śmietanka naukowa całego świata oraz tłum dziennikarzy. Transmisja na żywo do wielu stacji telewizyjnych całego świata.

W mieście Łodzi, czterdziestoletni pan Brajan przełącza z konkursu skoków narciarskich na konferencję. Chce zobaczyć o co całe zamieszanie.

Na ekranie pojawia się jakiś roztrzepany naukowiec i zaczyna mówić: "Grawitacyjna osobliwość wyeliminowana... bla bla … złamanie supersymetrii... bla bla... bariogeneza...bla bla...inflacja", jednocześnie wskazuje na kolorowy wykres przypominający rozpaćkaną muchę na szybie samochodu.

Naukowcy na miejscu kiwają głowami, drapiąc się po brodach. Nikt przed telewizorami nie wie o co chodzi. Pan Brajan pociąga łyk swojego ulubionego napoju, po czym zmienia kanał, zaraz ma skakać nowa nadzieja Polski - Mariusz Bułecka-Gąsienica.

Między seriami skoków ogląda Teleexpress, w którym pokazują urywki z konferencji. Jakiś dziennikarz pyta się naukowca:

- No ale, jaki jest sens życia?

- Nie wiemy

- A czy Bóg istnieje?

- To jest poza zakresem badań naukowych

- A co było przed wszechświatem?

- No, wygląda na to, że nic nie było, lub cała informacja o tym jest fizycznie nieosiągalna.

Konferencja skończona, Bułecka-Gąsienica zawalił drugi skok. A górnicy nie doszli do porozumienia z rządem.

Koniec historyjki.

Ciągłe problemy

Załóżmy, że fizycy dokładnie poznali dzieje wszechświata od samego początku. Załóżmy nawet, że wiedza ta jest zrozumiała dla przeciętnego człowieka.

Czy to nas zadowoli? Co w ogóle będzie satysfakcjonującą odpowiedzią?

Pewnie złapanie Boga za rękę i wskazanie palcem: "aha, to Ty stworzyłeś wszechświat". Niestety, takie rozwiązanie jest mało prawdopodobne. Bo:

• Nie ma dowodów że Bóg istnieje
• Jeśli istnieje, to raczej nie da się złapać za rękę

Więc taką odpowiedzią nie będziemy się tutaj zajmować.

Zastanówmy się raczej, jakie wyjaśnienie na gruncie fizyki może się okazać satysfakcjonujące.

Coś z niczego

Jak już wcześniej napisałem, klasyczna wersja teorii Wielkiego Wybuchu nie mówi nam za wiele o pierwszych chwilach po powstaniu wszechświata. Dystansuje się również od określania warunków początkowych. Mówiąc bardziej po ludzku: zakłada, że wszechświat powstał z niczego. Nie zajmuje się tym co było przed, gdyż takie rozumowanie nie ma sensu.

Cała przestrzeń, jak również czas, powstały w momencie Wielkiego Wybuchu. Nie spoglądamy za głęboko w otchłań nicości. I wcale nie dlatego, że ta na nas patrzy, tylko dlatego, że to nie jest logiczne. Jaki jest sens mówienia o czymś "przed" jeśli czas nie istnieje?

To jest jedna z odpowiedzi. Na dzisiejszy stan wiedzy, chyba obowiązująca. Ale czy satysfakcjonująca?

Ktoś może powiedzieć: "Panie, co za bzdury, jak może powstać coś z niczego?".

Chciałbym temu komuś mądrze odpowiedzieć. Problem jest tylko taki, że nie wiem jak. Mogę trochę podyskutować sam ze sobą. Spróbuję.

Istnieje coś takiego, jak fluktuacje kwantowe próżni. Nie zagłębiając się w szczegóły: w pustej przestrzeni nieustannie pojawiają się cząsteczki (pary cząstek i antycząstek), które po krótkiej chwili znikają.

Jest to potwierdzony fizycznie fakt. Efekty działania tych cząsteczek (nazywamy je wirtualnymi) są obserwowalne.

Więc jest możliwe powstanie czegoś z niczego...

Niestety, co pewnie już niektórzy zauważyli, nie tak zupełnie z niczego. Wymaga to istnienia czasoprzestrzeni. A to już coś.

Co więcej. Fluktuacje kwantowe próżni wynikają z praw fizycznych rządzących naszym światem. A czy prawa fizyczne istniały przed powstaniem wszechświata? Czy wykrystalizowały się razem z nim?

Jeśli istniały - to skąd się wzięły? Jeśli nie - to skąd się wziął wszechświat?

Wpadamy w błędny krąg. Odwołanie się do jakiegoś elementu inicjującego powstanie wszechświata, rodzi pytanie: "A skąd się ten element wziął"? Istnieje pewna anegdota przytoczona w książce „Krótka historia czasu” Stephena Hawkinga, dobrze obrazująca paradoksy związane z myśleniem o powstaniu wszechświata.

Znany naukowiec (być może filozof Bertrand Russell) wykładał astronomię dla ogólnej publiczności. Opisywał, że Ziemia porusza się wokół słońca, słońce porusza się wokół centrum galaktyki.

Pod koniec wykładu starsza pani siedząca w końcu sali wstała : "Wszystko to co pan nam powiedział to są doprawdy głupoty. W rzeczywistości świat jest wielką płytą podtrzymywaną na grzbiecie wielkiego żółwia"

Naukowiec uśmiechnął się i z przekąsem zapytał "A na czym stoi żółw"?

"Jest pan bardzo sprytny młody człowieku", odpowiedziała starsza pani, "Po prostu tam są żółwie aż do samego końca".

Stephen Hawking Krótka Historia czasu

Historyjka zabawna, ale w tym momencie nie robię czegoś o wiele mądrzejszego. Stawiam kolejne żółwie, z czego każdy przesuwa granicę niewiedzy o jeden stopień dalej. Niestety ta piramida się nie skończy.

Jednak wprowadza pewien ważny koncept. Skoro grzebanie w nicości nic nie udało, to może spróbujemy z nieskończonością?

Nieskończoność

Zakładamy, że to, co zainicjowało powstanie wszechświata istniało zawsze i ucinamy tutaj piramidę żółwi. Niestety już tutaj zaczynają się problemy. Założenie wiecznego... czegoś, wymaga istnienia czasu. A jak wcześniej napisałem, nie jest to takie oczywiste.

W zasadzie coś może istnieć bez czasu. Bo dlaczego nie? Ale jest to analogiczna sytuacja do naszych wcześniejszych rozważań. Skoro istniało, to skąd się wzięło? Te same problemy.

Może spróbujmy ugryźć nieskończoność od innej strony.

Istnieje pewien model, nazywany często oscylującym wszechświatem. Mówi on, że przed naszym wszechświatem istniała nieskończona ilość innych. Wszechświat rósł (tak jak nasz), po czym się kurczył do mikroskopijnych rozmiarów. Następowało odbicie. Z gruzów wcześniejszego wszechświata wyłaniał się późniejszy. Cykl taki trwa w nieskończoność.

Czy ten model ma sens? W zasadzie każda teoria, która zawiera w sobie akt Wielkiego Wybuchu ma jakiś tam sens. A to dlatego, że jest nieweryfikowalna. Niektórzy naukowcy twierdzą, że istnieje możliwość odkrycia pewnych oddziaływań grawitacyjnych wcześniejszego wszechświata (jeśli taki istniał). Ale to raczej nie w tym tysiącleciu.

Można tutaj wykazać się jeszcze większą fantazją. Powołać do życia cały multiświat.

Cała masa wszechświatów (a może nieskończona ilość), znajdujących się gdzieś bardzo daleko, albo tuż obok. Powstają, giną, rodzą następne. Może w jakiś sposób wpływają na nasz?

Nie jest to wcale taka absurdalna teoria. Przez wielu fizyków jest całkiem serio rozważana.

Ale czy odpowiada to na tytułowe pytanie? Co było przed wszechświatem? W jakiś sposób tak – inny wszechświat.

A czy jest satysfakcjonująca? Chyba nie. To inny wariant piramidy z żółwi.

Cięcie brzytwą

Każda z propozycji rodzi problemy. Można dojść do wniosku, że klasyczny model - powstało z niczego i już, ma najwięcej sensu. Co nam dały te wszystkie rozważania? Zrobiliśmy kilka kroków do przodu (a nawet nieskończenie wiele), a dalej stoimy w tym samym miejscu. Więc po co było w ogóle wychodzić?

Nie może dziwić, że większość naukowców stara się nie wpadać w ten błędny krąg. Jak ognia unikają pytań, o Przyczynę, tą pisaną wielką literą.

Same rozważania, nie prowadzą do jasnych wniosków. Możliwe odpowiedzi rodzą wiele kłopotliwych pytań, zawierających sprzeczności same w sobie.

Głowa mała

Ludzki umysł ma problemy z pojmowaniem "stawania się". Przykład z całkiem innej dziedziny – kiedy płód staję się człowiekiem? Gdzie jest ten moment?

No właśnie. Mózg nie wyewoluował do pojmowania wielu koncepcji, które dostarcza nam także współczesna fizyka. Przykładowo, mechanika kwantowa w wielu aspektach jest całkowicie sprzeczna z naszą intuicją. Cząstka elementarna, może znajdować się w wielu miejscach naraz. Niektóre zjawiska zachodzą całkowicie losowo.

Jeden z największych umysłów zeszłego stulecia, laureat nagrody nobla z fizyki – Richard Feynman, powiedział:

Nikt nie rozumie teorii kwantowej

Skoro nikt, to skąd wiadomo, że jest prawdziwa? I jak odkryto praktyczne zastosowania? Bo odkryto.

Z pomocą przychodzi tutaj pewien język, którym wyrażają się prawa fizyczne. To matematyka. Nie trzeba pojmować absolutnie każdego elementu jakiejś teorii, bo otrzymać poprawny wynik. Wystarczy znać pewne wzory i zasady postępowania. Brzmi strasznie?

Spróbujcie sobie wyobrazić czterowymiarowy sześcian. Widzicie to? Nie? Nieważne.

A policzcie teraz objętość tego sześcianu. Niemożliwe zadanie? Nie do końca. Trzeba znaleźć pewien schemat.

Aby otrzymać pole zwykłego kwadratu, mnożymy dwa boki przez siebie a². Objętość sześcianu, to przemnożenie trzech boków a³. Więc "objętość" czterowymiarowego sześcianu (hipersześcian czterowymiarowy) to przemnożenie czterech boków przez siebie a⁴.

Właśnie otrzymaliście konkretne informacje o czymś co jest praktycznie niemożliwe do dokładnego wyobrażenia. Osoby bardziej zaawansowane matematycznie, może pamiętają liczenie objętości za pomocą potrójnych całek. Co stało na przeszkodzie w liczeniu poczwórnych całek? W zasadzie nic, tylko to, że ich rzeczywista interpretacja jest trudna do pojęcia.

Czego to dowodzi? Wszechświat ma gdzieś możliwości naszych umysłów. Naiwnością jest twierdzenie, że musi działać w sposób zrozumiały dla człowieka. Mimo to, pewne narzędzia umożliwiają poznać jego mechanizmy. Może nie zrozumieć do końca (choć kto wie), ale znać zbiór zasad pozwalający go opisać.

Co jakiś czas takie zasady są odkrywane. Ogólna teoria względności czy mechanika kwantowa są tutaj dobrym przykładem. Być może kwantowa teoria grawitacji będzie następna. Pozwoli poznać coś, co dzisiaj wydaje się niepoznawalne.

Czy tak będzie? Nie wiadomo.

A może całkiem inaczej - nowa teoria będzie całkowicie zrozumiała bez uciekania się do matematyki. Ktoś się puknie w głowę i powie: "jakie to było proste!".

Istnieje też możliwość, że ktoś ściśle wykaże niemożliwość pozyskania informacji o warunkach początkowych i poprzedzających powstanie wszechświata. Prawa fizyki mogą na to nie pozwalać. Z racji swojej użyteczności, taka wersja obowiązuje dzisiaj. Choć nikt tego nie udowodnił.

Tak czy siak, drogi czytelniku, niewiele się dowiedziałeś. Warto było robić te wszystkie kroki by cały czas stać w miejscu? To już musisz sobie sam odpowiedzieć.