Wszechświat powstający i ginący od zawsze

Bez końca i początku
Rozmowa z Paulem J. Steinhardtem, wybitnym kosmologiem z Princeton University, o Wszechświecie cyklicznym
Czy wszechświat powstaje cyklicznie, w ciągłych wybuchach co bilon lat?
Corbis

Czy wszechświat powstaje cyklicznie, w ciągłych wybuchach co bilon lat?

Niegdyś Steinhardt był zaangażowany w tworzenie teorii inflacyjnej. Dzisiaj jest współtwórcą teorii konkurencyjnej, chociaż w niektórych punktach podobnej.
Karol Jałochowski/Polityka

Niegdyś Steinhardt był zaangażowany w tworzenie teorii inflacyjnej. Dzisiaj jest współtwórcą teorii konkurencyjnej, chociaż w niektórych punktach podobnej.

wideo

Karol Jałochowski rozmawia ze współtwórcą głośnej teorii wszechświata cyklicznego - Paulem Steinhardtem.

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.

Czytaj także

Aktualności, komentarze

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną