Co ja poradzę, że wobec ostatniego zaćmienia Księżyca w pierwszy dzień zimy (początek przewagi dnia nad nocą) oraz świąteczno-noworocznych myśli o czasie - raczej w greckim sensie chronos niż kairos - gapię się na gwiazdy i zaglądam w oczy rannej ostatnio Wenus zastanawiając się: "skąd to się wzięło i dokąd zmierza...?"
Karol Jałochowski 20 grudnia 2010
Wszechświat powstający i ginący od zawsze
Bez końca i początku
Rozmowa z Paulem J. Steinhardtem, wybitnym kosmologiem z Princeton University, o Wszechświecie cyklicznym
Zapytani o historię Wszechświata, odpowiemy zapewne: Wielki Wybuch, promieniowanie, cząstki, rozszerzanie, ucieczka galaktyk... Ale może to tylko znikomy ułamek historii, mówi Paul J. Steinhardt (ur. 1952), szef Princeton Center for Theoretical Science, jednego z paru najjaśniejszych punktów na naukowej mapie świata. Może Wielki Wybuch nie był wcale Wielkim Początkiem, ale efektem zaledwie jednego z nieskończenie wielu, zdarzających się co bilion lat, wybuchów, rozpoczynających kolejne cykle ewolucji wiecznego Wszechświata?
Blisko 10 lat temu Steinhardt i Neil G. Turok (ur. 1958), jego przyjaciel z Cambridge University, dziś dyrektor Perimeter Institute w Kanadzie, ułożyli elementy znanych, ale szwankujących teorii kosmologicznych (patrz słowniczek teorii) w nową, zaskakująco spójną całość, którą nazwali teorią Wszechświata cyklicznego (to dość bezczelne z ich strony, ale trudno się dziwić – panowie dorastali, śledząc sukcesy programu Apollo, wierząc w niczym nieograniczoną moc ludzkiego poznania). Rzeczywistość, według nich, ma 11 wymiarów i składa się z dwóch powierzchni (rozumianych matematycznie), zwanych branami. Brany mają trzy wymiary, znane z życia codziennego, i sześć wymiarów, zwiniętych w sposób dla nas niepostrzegalny. Czas stanowi wymiar dziesiąty, natomiast brakujący, jedenasty, formuje przestrzeń (rozumianą matematycznie), dzielącą owe dwie brany. Znane nam oddziaływania, cząstki, atomy, cząsteczki, a więc i my, jesteśmy jak muchy przyklejone do jednej z takich powierzchni. Do drugiej brany przyklejony jest inny zestaw cząstek i oddziaływań. Brany dzieli ułamek centymetra (10–30), ale przeskok między nimi jest niemożliwy. Mogą one jednak wzajemnie na siebie wpływać – np. siła grawitacji ma zdolność przenikania szczeliny wszechświatów.
A teraz najciekawsza część: brany poruszają się. Oddalają od siebie i przybliżają, działając jak gigantyczna pompa albo dłonie złożone do oklasków. Rytm jest dostojny. Zderzenie bran ma miejsce mniej więcej co bilion lat i gwałtowny przebieg. Przypomina wybuch. Ostatni zdarzył się 14 mld lat temu. Nazwaliśmy go Wielkim, zakładając błędnie – jak mówią Steinhardt i Turok – że był jedyny. Po każdym zderzeniu brany wytwarzają nierównomiernie rozłożoną gorącą materię i promieniowanie. Dominujące początkowo promieniowanie ustępuje materii. Ta stygnąc formuje galaktyki, układy słoneczne, planety. Potem kontrolę nad Wszechświatem przejmuje ciemna energia, coraz szybciej rozpraszając materię (patrz: POLITYKA 43). Pofałdowane wcześniej brany wygładzają się jak wyprasowane prześcieradło. Jednocześnie działające siły między nimi rosną, prowadząc do zderzenia. I wszystko zaczyna się od nowa.
Model cykliczny wyjaśnia problemy, z którymi nie radzi sobie lub radzi z trudem model inflacyjny (patrz słowniczek), przyjmowany obecnie za obowiązujący. Tłumaczy on pierwsze chwile istnienia Wszechświata, ale stawia fizyków w dość niezręcznej sytuacji. Osiąga bowiem skuteczność dopiero po przyjęciu dużej liczby arbitralnych założeń. Nie wyjaśnia też w przekonywający sposób fenomenu rozdymającej Wszechświat ciemnej energii, której istnienie odkryto w latach 90. Tymczasem Steinhardt i Turok zgrabnie wpletli jej wątek w losy Wszechświata. Słabości modelu inflacyjnego uczynili atutami modelu cyklicznego (historię tę opisali w książce „Nieskończony Wszechświat”, Prószyński i S-ka, 2009).
Teoria cykliczna to konstrukcja w budowie, jedyna w swoim rodzaju, i jako taka stawia opór. Nie ma np. pewności, jak matematycznie przeprowadzić Wszechświat przez wielką osobliwość, czyli dramatyczne zderzenie bran. Nie wiadomo, jak skończy się starcie z konkurencyjnymi modelami kosmologicznymi i jak zniesie konfrontację z wynikami obserwacji astronomicznych. Zaglądamy Steinhardtowi przez ramię w naprawdę wyjątkowej chwili.
Karol Jałochowski: – Jak się pan czuje jako współautor nowej kosmogonii?
Paul J. Steinhardt: – Cóż... Nie myślę o sobie w ten sposób. Uważam to, czym się zajmuję, za bardzo pragmatyczną naukę. Może sprawiać wrażenie wymyślnej, ale w rzeczywistości motywowana jest obserwacjami. Jej zasadniczym celem jest wyjaśnianie dotychczasowych pomiarów, przewidywanie nowych, weryfikowalnych eksperymentalnie po to, by sprawdzić, czy konwencjonalny model, mówiący o Wielkim Wybuchu jako początku czasu i przestrzeni, jest słuszny. Nie przyjmuję żadnego filozoficznego stanowiska. Przyjmuję stanowisko twardogłowego fizyka.
Neil Turok mawia, że wasza teoria to tylko intelektualne ćwiczenie. Też pan tak sądzi?
Neil używa słów, które prawdopodobnie przekazują ludziom spoza środowiska naukowego błędny sygnał. Moim zadaniem jest proponowanie różnych idei wyjaśniających funkcjonowanie Wszechświata. Byłem bardzo zaangażowany w rozwój modelu inflacyjnego [patrz słowniczek s. 90], zawsze jednak dręczyło mnie pytanie, czy można zaproponować wyjaśnienie wobec niego alternatywne. I, ku naszemu zaskoczeniu, udało się. Czy to oznacza, że model cykliczny jest słuszny? Jeszcze nie wiem.
Kiedy się dowiemy?
Jedynym sposobem jest rozwinięcie tej teorii do punktu, w którym można ją porównać do konkurencyjnej. Sprawdzimy, która wymaga większej liczby założeń, spełnienia specjalnych warunków. A potem zestawimy wynikające z nich przewidywania z wynikami pomiarów. To natura przesądzi o zwycięstwie.
Jakie doświadczenia dowiodłyby niezbicie słuszności teorii cyklicznego Wszechświata albo ją całkowicie obaliły?
Obie konkurencyjne teorie – inflacyjna i cykliczna – zostały wymyślone, by odpowiedzieć na trzy podstawowe pytania: Dlaczego Wszechświat jest niemal całkowicie jednorodny? Dlaczego przestrzeń, która mogłaby być zakrzywiona (ogólna teoria względności tego nie zabrania), jest płaska? I skąd we wczesnym Wszechświecie wzięły się zmarszczki w rozkładzie energii, które dały początek galaktykom, i dlaczego mikrofalowe promieniowanie tła [patrz słowniczek] ma obserwowane dziś nieregularności? Obie teorie odpowiadają na nie w inny sposób. Inflacyjna skupia się na bardzo wczesnych dziejach Wszechświata i wysokich energiach, podczas gdy teoria cykliczna – na zjawiskach zachodzących w zakresie niewielkich energii, ale trwających bardzo długo. Gdyby procesy wczesnego Wszechświata zachodziły szybko i z dużymi energiami, wygenerowałyby nie tylko fluktuacje gęstości materii, ale i zmarszczki samej czasoprzestrzeni, czyli tak zwane fale grawitacyjne. A te powinniśmy być w stanie odkryć, badając ich wpływ na mikrofalowe promieniowania tła. Z kolei w modelu cyklicznym fale grawitacyjne okazałyby się beznadziejnie wręcz znikome, niemożliwe do zaobserwowania.
Jednym z kluczowych przedsięwzięć ostatnich lat są właśnie próby wykrycia wpływu tych fal na promieniowanie tła. Ich odkrycie natychmiast potwierdzi trafność modelu inflacyjnego i uśmierci model cykliczny. Jeśli z kolei ich nie zauważymy, to najprostszym tego faktu wytłumaczeniem będzie model cykliczny.
Jest jeszcze inny sposób na sprawdzenie słuszności teorii, ale dużo subtelniejszy, polegający na pomiarze pewnych anomalii w rozkładzie materii i energii. Eksperymenty obu rodzajów zostaną przeprowadzone w ciągu najbliższych paru lat. Wkrótce więc poznamy odpowiedź.
Książka „Nieskończony Wszechświat” świadczy o pana ogromnym emocjonalnym zaangażowaniu w pomysł Wszechświata cyklicznego...
Oczywiście!
... ale z drugiej strony, musi pan na własną teorię patrzeć skrajnie krytycznie. Sprzeczność?
Nie, w żadnym razie. Chcąc zbudować teorię, początkowo musisz być jej wielkim entuzjastą, bo z pewnością już na wstępie napotkasz kolosalne problemy. Jeśli nie czujesz z nią emocjonalnego związku, jeśli nie pokładasz w niej nadziei, nie zdołasz tych problemów rozwiązać. Twój początkowy stan ducha jest więc niezwykle ważny dla dalszych losów teorii, bo będziesz musiał sam przeprowadzić ją od stanu surowego zalążka do pełnej, funkcjonalnej idei. Dopiero kiedy w pełni rozwiniesz teorię, możesz się odwrócić i powiedzieć: OK, teraz już wiem, że stoi na własnych nogach, i chcę się dowiedzieć, czy naprawdę jest poprawna. Bo o to w końcu chodzi.
Podobnie było z teorią inflacji. Brałem udział w jej narodzinach, pomogłem jej dojrzeć. Odkryłem też jej słabości. Byłem więc jej zwolennikiem, budowniczym, a następne krytykiem. A teraz myślę, czym można ją zastąpić. Ostatecznie nie interesuje mnie idea sama w sobie. Chcę się tylko dowiedzieć, która lepiej opisuje przyrodę. Badając teorię, przechodzi się więc różne fazy. Zawsze jest się z nią emocjonalnie związanym. To ludzkie. Ale pytania mają naturę obiektywną. Bardzo ciekawa kombinacja.
Jak wyglądały narodziny modelu cyklicznego?
Najpierw było chyba przeczucie, że coś interesującego kryje się w teorii strun [patrz słowniczek]. W 1999 r. zorganizowaliśmy z Neilem w brytyjskim Cambridge warsztaty poświęcone związkom teorii strun i kosmologii. To były dawne czasy – fizycy zajmujący się strunami i kosmologowie dopiero zaczynali ze sobą współpracować. To właśnie wtedy pojawiły się idee bran, M-teorii [patrz słowniczek]. Wydawało się, że nowych pomysłów jest na tyle dużo, że warto się zastanowić, czy mogą mieć jakiś wpływ na kosmologię. Jednym z prelegentów był Burt Ovrut z University of Pennsylvania. Dał piękny wykład o M-teorii. I to było kluczowe wydarzenie. Naszkicował obraz wielkich bran, oddzielonych przestrzenią dodatkowych wymiarów. Neil i ja siedzieliśmy w przeciwległych końcach sali i obaj wpadliśmy na ten sam pomysł: Kurczę, a co by było, gdyby te brany mogły się zbliżać i oddalać od siebie? Dlaczego nie miałyby się zderzać? Może Wielki Wybuch był właśnie takim zderzeniem? Cóż za ekscytujący pomysł! Po wykładzie wybiegliśmy na kawę, nie pamiętam już, kto wypowiedział pierwsze zdanie, ale pamiętam, że ten drugi je dokończył.
Co by wynikało z faktu, że Wielki Wybuch był zderzeniem bran?
Nagle zmieniłaby się natura czasu. Czas przestałby mieć początek – miałby i przyszłość, i przeszłość.
Tak się złożyło, że po wykładzie jechaliśmy wspólnie z Neilem do Londynu, do teatru. W pociągu zaczęła się prawdziwa burza mózgów. Zdecydowaliśmy, że jeśli mamy wypróbować ten nasz pomysł, musi on być zupełnie inny od standardowego modelu kosmologicznego.
Zasadniczym elementem modelu inflacyjnego jest trwający ułamek sekundy okres, w którym Wszechświat gwałtownie się rozszerza. Zapytaliśmy więc, czy możemy go wyeliminować. Plan był następujący: spróbujmy przekonstruować Wszechświat, używając idei zderzających się bran; potem zastanowimy się nad tym, jak wytworzyć zmarszczki w rozkładzie energii, które staną się zalążkami przyszłych galaktyk. Dojeżdżając do Londynu mieliśmy już omówioną całą ideę. W ogólnym zarysie była tym, co dziś nazywamy modelem Wszechświata cyklicznego. Musieliśmy tylko przetłumaczyć pomysł na język matematyki. I to zajęło parę lat.
Uda się go naszkicować w pięć minut?
Ha! Przede wszystkim chodzi o naturę Wielkiego Wybuchu. W klasycznym ujęciu to początek czasu i przestrzeni. To niedowiedzione założenie. Jeśli Wielki Wybuch miałby być początkiem, to musiałby być areną gwałtownych procesów kwantowych, pozostawiających go w stanie nieuporządkowania, chaosu. Ale z obserwacji wiemy, że już sekundę po narodzinach ten Wszechświat staje się wysoce uporządkowany. W tym krótkim czasie musiałoby się więc wydarzyć coś potężnego! To zmusiło fizyków do wymyślenia inflacji, idei krótkiego okresu gwałtownego rozszerzania się kosmosu, zachodzącego przy udziale ogromnych energii. Jeśli jednak Wielki Wybuch nie jest początkiem, jeśli czas istniał już wcześniej, nie trzeba niczego podobnego wymyślać. Można zastanowić się nad mechanizmem zastępującym inflację. Jeśli Wielki Wybuch jest tylko Wielkim Krachem, Wielką Transformacją, cała struktura Wszechświata może istnieć wcześniej.
Wpadliśmy też na pomysł, że brany nie zderzyły się tylko raz, ale zderzają się regularnie, na przykład co bilion lat. Żeby jednak było to możliwe, trzeba dodać niewystępującą w modelu inflacyjnym ciemną energię [patrz słowniczek] – element uważany za kluczowy dla losów Wszechświata. Pięknie do niej pasuje.
Skąd pomysł, żeby zaprząc ją do pracy?
Jedynym sposobem na pozbycie się problemu z ciemną energią było jej spożytkowanie do napędzania cykli. Na brany działa siła, z siłą musi być związana jakaś energia potencjalna. W równaniach M-teorii energia ta działa dokładnie tak jak ciemna energia. Kiedy brany dzieli dystans, pojawia się między nimi sprężynująca siła. Kiedy ta sprężyna kurczy się, brany się zderzają, a ciemna energia znika.
Ciemna energia pasuje do obrazu cyklicznego w sposób naturalny. Rozszerza Wszechświat do stanu pełnej jednorodności, w którym nie ma żadnych galaktyk, żadnych kosmicznych grud. Przekształca go w niemal doskonałą próżnię. Trzeba potem tylko odgadnąć, jak zgromadzoną w niej energię przekształcić z powrotem w gorącą materię i promieniowanie. I to wszystko. W modelu cyklicznym ciemna energia nie jest jakimś dodatkiem do Wszechświata. Jest absolutnie zasadnicza dla zrozumienia jego początków; tego, co wydarzyło się podczas Wielkiego Wybuchu. Połączyła wszystkie elementy opowieści.
Złożone struktury, takie jak galaktyki, pojawiają się w każdym cyklu?
Uśrednione warunki panujące we Wszechświecie są jednakowe w każdym cyklu, więc można się spodziewać pojawiania się podobnych galaktyk i innych struktur kosmicznych. Gdybyśmy więc sprawdzili Wszechświat 14 mld lat po następnym Wielkim Wybuchu, zapewne wyglądałby podobnie do tego, który obecnie obserwujemy.
Życie nie ma specjalnego statusu w takim modelu?
Nie ma. Żaden model kosmologiczny nie powie nam wprost, dlaczego życie jest czy go nie ma. To domena chemii. Jednak gdyby się okazało, że życie jest we Wszechświecie czymś powszechnym, to można się spodziewać form życia w każdym cyklu. Niekoniecznie takich jak pan czy ja, ale jakichś na pewno tak.
Steven Weinberg mawiał tak: „Możliwe, że przyroda jest fundamentalnie paskudna, chaotyczna i nieuporządkowana. Ale jeśli tak jest, to ja nie chcę mieć z nią nic wspólnego”. Jak to jest z prawami przyrody: odkrywa je pan czy wynajduje?
Sądzę, że odkrywam. Choć metoda naukowa to bardzo ludzki proces. Ludzie usiłują odkrywać prawa przyrody. Poznane przez nas prawa nie muszą jednak być tymi prawdziwymi. Dochodzimy do nich w skomplikowanym procesie przybliżeń.
Pytanie, czy zbliżamy się do jakiegoś prostego zestawu praw?
Wierzę, że w tej chwili rzeczy zdają się zbiegać do jednego celu. W myśleniu o nauce naczelną zasadą jest dla mnie prostota i wydajność teorii. Jeśli w obliczu przeszkód teoria staje się barokowa, jest to dla mnie sygnał, żeby ją porzucić i poszukać innej. Co ciekawe, ma to związek z toczącą się właśnie w kosmologii dyskusją. Teoria strun i teoria inflacyjna mocno się zagmatwały. Można to zaakceptować. To jedno stanowisko. Można też, i jest to moje zdanie, powiedzieć: Nie! Albo teorię naprawiamy, albo zastępujemy inną. Nie można jej zostawić w obecnym stanie!
Princeton, czyli matecznik zwolenników teorii strun, jądra panów teorii, to może nie najlepsze miejsce do wspominania, że jest ona przedmiotem ostrej krytyki. Mówi się, że to tylko zlepek przeczuć i hipotez.
Debatę publiczną, i po części również naukową, zdominowały opinie skrajne. A mnie się wydaje, że jest to po prostu wymyślona przez ludzi idea, która podlega ewolucji, którą rozumiemy na zaledwie umiarkowanym poziomie, porównywalnym zapewne do tego, jak w latach 20. ubiegłego wieku rozumiano mechanikę kwantową. Trzeba było wielu lat pracy, żeby ją rozpracować.
Myślę, że teoria strun jest bardzo obiecująca. Zawiera wszystkie interesujące składniki dotychczasowej fizyki teoretycznej oraz nowe elementy i ma potencjał zjednoczenia wszystkich oddziaływań podstawowych. To bardzo ambitna teoria.
Kiedy uznamy, że za bardzo ambitna dla fizyków?
Cóż... Mechanika kwantowa wyklarowała się w czasie dekady czy dwóch. Teoria strun prawdopodobnie wymaga więcej czasu. W pierwszym przypadku ułatwienie stanowiły wyniki licznych eksperymentów. My jesteśmy takiej pomocy (na razie) pozbawieni. To trudna ścieżka, można się zgubić. Ale kiedy za jakieś sto lat przyjrzymy się obowiązującej wówczas teorii, najpewniej będzie ona zawierać mnóstwo elementów dzisiejszej teorii strun.
Początki mechaniki kwantowej były dość wyjątkowe, bo fizycy często wówczas rozmawiali z filozofami. Podobnie jest teraz?
Nie. Myślę, że system edukacji był wtedy inny. Wiele ówczesnych osiągnięć dokonano w Europie, gdzie filozofii uczono równolegle z naukami ścisłymi. Środowiska komunikowały się ze sobą i wzajemnie inspirowały. W drugiej połowie XX w., szczególnie kiedy w nauce zaczęły dominować Stany Zjednoczone, przyjęto bardzo pragmatyczny punkt widzenia: Nie myśleć o filozofii! Policzyć coś użytecznego i to zmierzyć! Związki z filozofią zostały zerwane.
Żałuje Pan?
Czasem wydaje mi się, że moglibyśmy ich użyć, bo gdyby niektórzy fizycy spojrzeli na rzeczywistość nieco bardziej filozoficznie, byliby bardziej sceptyczni wobec idei takich jak wszechświaty równoległe, czy zasada antropiczna. Myślę, że filozofowie byliby w stanie wykazać, jak ułomne z punktu widzenia logiki są to idee. Mogliby nam pomóc. Trochę się pogubiliśmy.
Skoro mowa o filozofii, wspomnę Einsteina, który był bardzo przywiązany do idei kosmosu statycznego, nie rozszerzającego się. Stanowiła ona dla niego pewnego rodzaju źródło wewnętrznego spokoju. Czy cykliczny Wszechświat – bez początku, i bez końca – mógłby mu się spodobać?
Sprawa jest frapująca! Kiedyś ciekawiło mnie, dlaczego Einstein tak bardzo interesował się modelem statycznego Wszechświata. Okazuje się, że kiedy już porzucił ten właśnie model, zaczął rozmyślać o rodzaju cyklicznego Wszechświata. Próbowałem nawet odnaleźć ślad tej myśli w jego zapiskach. Czy zrobił to szukając jakiegoś ukojenia? A może był jakiś powód związany z samą fizyką? Trudno powiedzieć.
Idea kosmologicznego odbicia generuje nowe pytania, ale jeszcze bardziej fundamentalne problemy stwarza pomysł Wielkiego Wybuchu rozumianego jako początek czasu i przestrzeni. Tak mi się wydaje, choć wielu moich kolegów z tym się nie zgodzi. Mam kłopot z ideą początku. Einstein też ją miał. Nawet Aleksander Friedmann, fizyk rosyjski, współtwórca teorii Wielkiego Wybuchu, miał ten kłopot. Dlatego poważnie rozważał pomysł Wszechświata periodycznego. Wyobrażał sobie, że przestrzeń się rozszerza, kurczy, a potem znowu rozszerza. Rzeczy nie mają początku ani końca. W jakiś sposób czas biegnie zawsze.
Dlaczego właściwie zakładamy, że prawa fizyki nie zależą od czasu, że są wieczne?
Mówiąc to, należy zachować ostrożność. Wszystko zależy od tego, co nazwiemy prawem fizyki. Czy na przykład siła oddziaływań słabych i elektromagnetycznych była zawsze taka sama? Wiemy już, że nie. Kiedy Wszechświat był gorący, była inna niż dziś. Można by było więc powiedzieć, że to prawo – jeśli zdefiniujemy je jako siłę oddziaływań słabych – uległo zmianie. Ale można też wycofać się i powiedzieć: Och nie, na pewno nad tym prawem, nad tą teorią jest jakaś teoria nadrzędna, meta-teoria, która wyjaśnia, dlaczego prawa niższego rzędu się zmieniają. I ta pozostaje niezmienna. Wiemy jednak, że to niemożliwe, bo kiedy do naszych teorii dokładamy inne oddziaływania, grawitacyjne i silne, więcej rzeczy okazuje się zmieniać. Potrzebowalibyśmy meta-meta-meta-teorii.
Jest jakiś zestaw absolutnych praw fizyki?
Tego właśnie chcemy się dowiedzieć. Można to zrobić jedynie w następujący sposób: próbować ten zestaw odkryć, a następnie go przetestować. Tak wyglądało ostatnie 300 lat historii fizyki. Dodajmy – bardzo udanych lat. Staraliśmy się upraszczać nasze rozumienie Wszechświata. Odkrywaliśmy niezwykłe związki i korelacje właśnie dzięki temu założeniu. Czy nasza wiedza zbiega się do jakiegoś punktu? Nie wiemy. Dowiemy się tego tylko prąc uparcie naprzód, aż do chwili, gdy utkniemy; kiedy Wszechświat okaże się, w pewnym sensie, dalej nieprzewidywalny, albo wynajdując jakąś potężniejszą teorię. Będąc fizykiem twardogłowym, a jednocześnie optymistą, tak właśnie zamierzam czynić z teorią cyklicznego Wszechświata.
Rośnie grupa fizyków postulujących, by wielkości i pojęcia uważane dotąd za podstawowe, takie jak czas czy przestrzeń, traktować jako emergentne – czyli będące efektem bardziej pierwotnych zjawisk. Jest pań wśród nich?
Wszystko sprowokowała teoria strun. Według niej siłę grawitacji (czyli dynamikę czasu i przestrzeni) na poziomie kwantowym można interpretować jako wibrujące struny, pętle i tym podobne obiekty. Emergentna przestrzeń nie wydaje mi się czymś specjalnie dziwnym. Ale już z pojęciem czasu mam kłopot. Być może zabrzmi to głupio, ale nie rozumiem nawet, jak można te dwa słowa – "czas" i "emergentny" – ustawić obok siebie. Wyłaniający się czas? Zawsze, kiedy słyszę, jak ktoś mówi coś takiego, pytam: Ale co właściwie masz na myśli? Być może jestem nazbyt tępy, żeby zrozumieć odpowiedź, ale nie usłyszałem jeszcze niczego, co by brzmiało przekonywająco.
Poza tym, jak już wspominałem, fizyka zajmuje się śledzeniem procesów rozgrywających się w czasie. Nie wiem, jak mielibyśmy rozumieć to przejście od poziomu, w którym nie ma czasu, do tego, w którym czas jest. Mielibyśmy procesy, które się zdarzyły, ale nie zdarzyły się w czasie... Sam Pan widzi, że nawet mówiąc o tym, trudno nie utknąć. Po prostu tego nie rozumiem. Bardziej odpowiada mi przyjęcie założenia (przynajmniej w celu zrozumienia tego, jak działa Wszechświat), że czas płynie przez całą jego historię, włączając w nią Wielki Wybuch. Chciałbym, by dowiedziono, że to niemożliwe, zanim zostanę zmuszony do uwierzenia w emergentną naturę czasu. To zresztą jeden z tematów debaty między zwolennikami teorii inflacji i Wszechświata cyklicznego. Chodzi o to, czy Wielki Wybuch był odbiciem, czy nie? Jeśli obserwacje niezbicie dowiodą, że Wielki Wybuch był początkiem – wtedy ok, będę się musiał nauczyć języka zjawisk emergentnych. Ale jeśli dane wskażą inny kierunek, zamierzam trwać przy swoim.
Model cykliczny powstał 10 lat temu, ale nie zdołał przebić się do powszechnej świadomości. Dlaczego?
Dobre pytanie. Ma to więcej wspólnego z socjologią nauki niż nauką
per se. Jest parę powodów. Zawsze mija kilka lat, zanim teoria przyciągnie uwagę – zwyczajnie dlatego, że kiedy się pojawia, zwykle powoduje wiele nieporozumień. Z czasem teoria staje się prostsza – nie tylko do zrozumienia, ale i do wytłumaczenia.
Poza tym model cykliczny musi zmierzyć się z hipotezą inflacyjną, która jest powszechnie akceptowana i nie została obalona doświadczalnie. Pomiary astronomiczne zgodziły się z przewidywaniami sprzed 20 lat, wydaje się więc, że wszystko przemawia na korzyść inflacji. Po co więc rozważać alternatywę? Mamy do czynienia z bardzo subtelnym i interesującym zjawiskiem. Idea inflacji, której zawdzięczamy te przewidywania, została pojęta w bardzo naiwny sposób. Przewidywania potwierdzono doświadczalnie, ale dziś sądzimy, że z teoretycznego punktu widzenia ten sposób rozumienia inflacji jest błędny. Model rozwinął się bowiem do punktu, w którym w dziwaczny sposób się załamał i stracił moc przewidywania.
Kiedy to sobie uświadomiliście?
W zasadzie wiedzieliśmy od samego początku. Próbowaliśmy i próbujemy to naprawić. Ale astronomowie nie chcieli o tym słuchać. Teraz, kiedy coraz głośniej mówi się o teorii strun i modelu cyklicznym, prawdopodobnie zaczną. Świadomość będzie rosła. Trzeba tylko cierpliwie czekać.
Słowniczek teorii (w porządku chronologicznym)
Teoria Wielkiego Wybuchu (standardowa) – o korzeniach w latach 20. ubiegłego wieku, mówiąca, że Wszechświat wyłonił się 14 mld lat temu z punktu o nieskończonej gęstości (zwanego osobliwością). Była teoretyczną reakcją na odkrycie galaktyk oddalających się od Ziemi. Nie wyjaśnia detali kształtu obecnego kosmosu, uniemożliwia też logicznie dyskusję o tym, co działo się przed Wielkim Wybuchem.
Teoria inflacyjna – sformułowana przez Alana Gutha hipoteza ewolucji Wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu. Mówi ona, iż w ułamku sekundy od osobliwości czasoprzestrzeń przeszła nadzwyczajnie gwałtowny proces ekspansji (od ziarenka miliard razy mniejszego niż proton do rozmiarów porównywalnych z obecnymi). Teoria ta rozwija model Wielkiego Wybuchu, wyjaśnia zasadniczy obraz kosmosu, ale opiera się na arbitralnych założeniach i nie tłumaczy np., dlaczego Wszechświat wciąż się rozszerza.
Mikrofalowe promieniowanie tła – wypełniająca całą przestrzeń poświata po Wielkim Wybuchu. Pozostałość, swego rodzaju dokumentacja, po wczesnych etapach rozwoju Wszechświata, kiedy powstawały atomy. Odkryta w 1965 r., przypadkiem, przez Arno A. Penziasa i Roberta W. Wilsona, astronomów z Bell Labs w New Jersey.
Teoria strun – kontrowersyjna i skomplikowana matematycznie propozycja, pretendująca do miana teorii obejmującej wszystkie oddziaływania fizyczne. W jej ujęciu cząstki elementarne są jak swego rodzaju tony wygrywane na mikroskopijnych, osadzonych w wielowymiarowej przestrzeni obiektach zwanych strunami. Niesprawdzona doświadczalnie.
Ciemna energia – hipotetyczna forma energii, wymyślona w latach 90. przez Michaela Turnera z University of Chicago po to, by jakoś nazwać, a docelowo wytłumaczyć, nieustanne rozszerzanie się Wszechświata. Stanowi trzy czwarte jego całkowitej energii.
M-teoria – rozszerzenie teorii strun autorstwa (1995 r.) najwybitniejszego ponoć żyjącego fizyka teoretyka Edwarda Wittena. Zakłada istnienie 11-wymiarowej hiperprzestrzeni, środowiska naturalnego obiektów, wśród których są brany, czyli wielowymiarowe membrany o kosmologicznych rozmiarach. W tej interpretacji Wszechświat może być niczym innym jak właśnie braną wchodzącą w interakcje z innymi branami.
Teoria Wszechświata cyklicznego – idea rozważana ogólnie jeszcze przez Alberta Einsteina, ale opracowana teoretycznie 10 lat temu przez Neila Turoka i Paula Steinhardta. Inspirowana hipotezą ciemnej energii, oparta na teorii strun i M-teorii. Nadaje sens Wielkiemu Wybuchowi, eliminuje niedoskonałości modelu inflacyjnego. Wyjaśnia ekspansję Wszechświata.
