Nauka

Echa minionych przyszłości

Przed początkiem czasu

Penrose zdobył sławę przenikliwego umysłu już lata temu, gdy wraz z Hawkingiem definiował pojęcie osobliwości w fizyce i kosmologii. Penrose zdobył sławę przenikliwego umysłu już lata temu, gdy wraz z Hawkingiem definiował pojęcie osobliwości w fizyce i kosmologii. EAST NEWS
Co było przed Wielkim Wybuchem? Jeszcze niedawno Sir Roger Penrose, brytyjski gigant nauk ścisłych, twierdził, że to pytanie bez sensu. Ale właśnie zmienił zdanie.

Nuda. Tak w skrócie można opisać ostatni etap ewolucji Wszechświata. Galaktyki, gwiazdy, planety, życie na nich, informacje, wiedza – wszystko to przepadnie bez śladu. Kiedy po niewyobrażalnie długim czasie wypalą się gwiazdy, w przestrzeni kosmicznej unosić się będą popioły, pojedyncze cząstki, które nie zdołały odnaleźć swych antycząstek i zniknąć, wydzieliwszy przewidzianą równaniami fizycznymi porcję energii. Zostanie jeszcze coś – niedostrzegalne gołym okiem, ale potężne czarne dziury pochłaniające wszystko, co trafi w zasięg ich przyciągania. Ale i one z czasem wyparują. Znikną nie w piekielnym ogniu gigantycznej eksplozji, lecz po cichu i nieefektownie. Potem przestrzeń będzie się rozszerzać, rozrzedzać, stygnąć. Potrwa to dłuższą chwilę. A dokładniej: wieczność.

W ten nieco depresyjny sposób zaplanowali nam dalszą przyszłość kosmologowie. Wśród nich był Sir Roger Penrose, jeden z największych żyjących fizyków i matematyków (niektórzy twierdzą, że to matematyk podający się za fizyka). Był do niedawna, bo kilka lat temu zaczął się przemieszczać na inne pozycje, by w końcu wykonać woltę (co opisał w wydanej niedawno książce „Cycles of Time”). Dziś ten urodzony w 1931 r. Brytyjczyk, emerytowany profesor University of Oxford, laureat najważniejszych nagród świata nauki, znany powszechnie ze stanowczego ucinania wszelkich dyskusji na temat tego, co też mogło się dziać przed Wielkim Wybuchem, mówi: rozważmy poważnie możliwość, że nasz Wszechświat miał już wiele wcieleń.

Penrose sugeruje, że kiedy kosmos staje się naprawdę stary, pusty i zimny (liczy sobie około 10 do setnej potęgi lat), niejako traci poczucie czasu i zaczyna istnienie od nowa. Wynurza się z bezczasowej pustki, w którą najpierw zapadł. A potem znowu zapada. Penrose dołącza tym samym do niewielkiego, ale zacnego grona uczonych, którzy przekonują, że Koniec jest jednocześnie Początkiem (o pomyśle Paula Steinhardta i Neila Turoka pisaliśmy w POLITYCE 52/10). Parę tygodni temu pojawiły się pierwsze wyniki obserwacji interpretowane na korzyść hipotezy Brytyjczyka. Chwilę potem inne – pomniejszające ich wagę. Na blogach naukowych z całego świata zawrzało.

Interesująca nuda

Penrose ma istotne powody, by wątpić w to, że kosmologiczny stoper został uruchomiony dopiero podczas Wielkiego Wybuchu. Jego zdaniem coś się nie zgadza w rachunkach opisujących przebieg tego wydarzenia. Ba – kłopot jest z samą ideą Wielkiego Wybuchu rozumianego jako prapoczątek, praprzyczyna rozszerzania się Wszechświata. Zdążyliśmy już do niej przywyknąć – być może niesłusznie. Ta zbudowana przez świetnego fizyka rosyjskiego Aleksandra Friedmanna, a oparta na równaniach ogólnej teorii względności Einsteina koncepcja liczy sobie już prawie 90 lat. W 1929 r. potwierdził ją wstępnie astronom amerykański Edwin Hubble. W 1965 r. Arno Penzias i Robert Wilson, wykorzystując tubę blaszanej anteny w Holmdel, zarejestrowali dziwny szum, który okazał się promieniowaniem reliktowym – rodzajem fotografii wykonanej Wszechświatowi tuż po jego narodzinach. Również ona pasowała znakomicie do modelu Friedmanna. Coś jednak do tej hipotezy wciąż nie do końca przystaje – a mianowicie wnioski płynące z drugiej zasady termodynamiki.

To zagadkowe nawet dla fizyków prawo mówi o wielkości zwanej entropią (jego dziwność wyraża się m.in. tym, że nie opisuje równoważności różnych wielkości, jak to czynią inne zasady fizyki, a tylko wyróżnia pewien kierunek zmian). Entropia bywa nazywana miarą nieuporządkowania. I – na mocy drugiej zasady termodynamiki – nieubłaganie rośnie wraz z upływem czasu. Każdy izolowany od otoczenia układ dążyć będzie do stanu o maksymalnej entropii, który dobry gospodarz (lub gospodyni) nazwie bałaganem, a fizyk – stanem równowagi termodynamicznej. Dotyczy to także Wszechświata. Z tym że tradycyjnie rozumiany Wielki Wybuch miałby być stanem o maksymalnej entropii. O tym świadczy rozkład promieniowania reliktowego. Tymczasem z codziennych i kosmologicznych obserwacji wynika, że entropia nieustannie rośnie – tak jakby osiągnąwszy maksimum dalej pięła się w górę. To zdaje się kłócić ze zdrowym rozsądkiem, a przede wszystkim – z prawami fizyki, twierdzi Penrose. Może więc trzeba je zmienić?

W splinie schyłku Wszechświata jest jednak coś bardzo interesującego, zauważa Penrose. Nie będzie już wówczas nikogo, kogo mógłby on znudzić czy wpędzić w depresję, bo upływ czasu przestanie być odczuwalny. Oczywiście chodzi nie tyle o byty ożywione, ile o cząsteczki obdarzone masą (tzw. masą spoczynkową). Tylko takie obiekty dają punkt odniesienia w procesie odmierzania czasu (tylko z nich można skonstruować chronometr). Gasnący, zmierzający do temperatury zera bezwzględnego kosmos przemierzać będą przypuszczalnie tylko fotony (cząsteczki światła), grawitony (hipotetyczne cząsteczki przenoszące oddziaływania grawitacyjne) i (ewentualnie) inne pozbawione masy cząsteczki. Dla nich wieczność to pestka. Złożony z nich Wszechświat straci poczucie czasu. Jednocześnie straci też poczucie swych rozmiarów (bo niby czym je mierzyć, do czego przyrównywać?). Co więcej – jeszcze zanim to nastąpi, jego entropia radykalnie spadnie. Kosmos zostanie uporządkowany za sprawą... czarnych dziur.

Mało kto wie o nich więcej niż Penrose. Blisko pół wieku temu, wraz ze Stephenem Hawkingiem, udowadniał, że te egzotyczne obiekty wytwarzające pole grawitacyjne tak silne, że potrafiące uwięzić nie tylko materię, ale i światło, mogą powstawać z zapadających się gwiazd. Wydaje się, że są stałymi i pospolitymi rezydentami centrów wielkich galaktyk (Droga Mleczna też ma swoją, 4 mln razy masywniejszą niż Słońce). O ich istnieniu świadczą trudne do wytłumaczenia w inny sposób ruchy pobliskich obiektów kosmicznych. Wytrawny znawca czarnych dziur, astrofizyk indyjski Subramanyan Chandrasekhar, mawiał, że to najprostsze oraz najbardziej doskonałe obiekty we Wszechświecie. I najbardziej żarłoczne, mógłby dodać Penrose. Pochłaniają nie tylko materię i promieniowanie, ale i – tu cytaty – „stopnie swobody”, powodując tym samym kurczenie się „przestrzeni fazowej” Wszechświata. Nie wdając się w matematyczne wyjaśnienia, powiedzieć można, że czarne dziury zmniejszają entropię i przeprowadzają Wszechświat w stan, który niczym nie różni się od tego tuż po Wielkim Wybuchu.

Używając sprytnego matematycznego triku można, zdaniem Penrose’a, odwzorować daleką przyszłość jednej odsłony kosmosu na daleką przeszłość jego kolejnego wcielenia. Przejście między nimi staje się płynne i niezauważalne. Taki Wszechświat pracuje w cyklach. Problem z drugim prawem termodynamiki przestaje w nim istnieć: niska początkowo entropia (rodzą się gwiazdy, galaktyki, planety) rośnie, ale potem zostaje wessana przez czarne dziury; te następnie znikają, oczyszczając scenę przed kolejnym aktem niekończącego się spektaklu.

Nie warto pytać o szczegóły tego przeskalowania – tych zaproponowanych przez Penrose’a nie sposób tu opisać, pozostałych nie zna on sam. Twierdzi, że sytuacja wyklaruje się nieco, gdy wypracujemy wreszcie bliższą prawdzie wersję mechaniki kwantowej (obecną uważa bowiem za dość przaśne przybliżenie). Nietrudno zauważyć, że nie darzy on specjalnym szacunkiem ani samej idei Wielkiego Wybuchu, ani hipotezy jego niezwykle gwałtownej ekspansji, zwanej inflacją. Jego teoria obywa się bez nich. Brytyjski uczony nie po raz pierwszy ujawnia zamiłowanie do tradycyjnie pojmowanych nauk ścisłych, w których akcent kładziony jest na prostotę teorii, elegancję geometryczną transformacji. We współczesnym świecie kosmologii teoretycznej, zdominowanym przez zawikłane, zakładające istnienie 11 wymiarów teorie strun czy bran (które opisuje Penrose jako próby „penetrowania wewnętrznego świata dezyderatów matematycznych”), to postawa prawdziwie heretycka.

Przy okazji – także kultura strunowców powiła własne teorie oscylujących wszechświatów. Autorem jednej z nich był Włoch Gabriele Veneziano, inną opracowali niedawno Steinhardt i Turok. Abhay Ashtekar i Martin Bojowald analogiczną myśl sformułowali w języku tzw. pętlowej grawitacji kwantowej. W opowieści o tym, że Wielki Wybuch był początkiem wszystkiego, w ogóle mało kto z młodszych fizyków jeszcze wierzy. Penrose’owi znacznie bliżej jednak do pomysłów pracujących w (wydawałoby się) staroświeckim formalizmie Friedmanna, Einsteina czy Amerykanów Richarda Tolmana i Johna Wheelera. Dla miłośników teorii strun rozważania o pulsującym kosmosie to tylko intelektualne ćwiczenia, dla kolegów ze starszych pokoleń – niekoniecznie. Einstein odczuwał głęboką, wykraczającą poza samą fizykę potrzebę idei mówiącej, że Wszechświat jest wieczny. Być może Penrose, zadeklarowany wyznawca platonizmu, wierzący w istnienie absolutnej rzeczywistości wiecznych prawd matematycznych, potrzebę tę podziela?

„W całej historii nauk fizycznych postęp dokonywał się na drodze znajdowania równowagi między pokusami i rewelacjami konstrukcji matematycznych z jednej strony, a z drugiej – precyzyjnymi obserwacjami” – pisał Penrose w imponującej, ogarniającej niemal całą współczesną fizykę „Drodze do rzeczywistości”. Jego teoria pozwala taką równowagę zachować.

O czym szumią czarne dziury

Każda odsłona Wszechświata powinna zostawiać po sobie ślady, które można odnaleźć w odsłonie po niej następującej. Wyparowujące czarne dziury prawdopodobnie emitują fale elektromagnetyczne o niewielkiej energii, których odcisk na mikrofalowym promieniowaniu tła powinno dać się zaobserwować. Niestety jeszcze nie teraz, bo brakuje dostatecznie czułych instrumentów.

Ale już dziś można poszukiwać efektów rozchodzących się w przestrzeni fal grawitacyjnych, dalekiego echa zderzeń czarnych dziur, do których dochodziło w poprzednim wcieleniu Wszechświata. Takie połykające się nawzajem obiekty miałyby wytwarzać potężne, rozchodzące się sferycznie zmarszczki czasoprzestrzeni. Tworzyłyby one wzór przypominający powierzchnię jeziora podczas deszczu. Choć wygląda on pozornie chaotycznie, przy odrobinie matematycznej sprawności można z niego odczytać parametry pojedynczych kropel (kolizji czarnych dziur), które go utworzyły.

Taki wysiłek już podjęto. Vahe Gurzadian z Instytutu Fizyki Państwowego Uniwersytetu w Erewanie poddał analizie dane z siedmiu lat obserwacji rozkładu promieniowania reliktowego, realizowanych przez sondę Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Zauważył prawidłowości, które mogą potwierdzać teorię Penrose’a. Mogą też jej nie potwierdzać – kontrują sceptycy. Parę tygodni temu, tuż po ogłoszeniu wyników Gurzadiana, trzy niezależne grupy fizyków – z Det Kongelige Frederiks Universite w Oslo, University of British Columbia w Vancouver i Canada Institute for Theoretical Astrophysics w Toronto – przeprowadziły własne analizy i stwierdziły, że, owszem, minimalne odstępstwa od przypadkowego rozkładu mikrofalowego promieniowania tła są faktem, ale nie przywiązywaliby do nich takiej wagi jak fizyk z Armenii. Ten z kolei odpowiada, że ich stwierdzenia są trywialne. Jakieś rozstrzygnięcie przyniesie zapewne wysłana niedawno w kosmos sonda Planck Surveyor oraz inne projekty z zakresu archeologii Wszechświata.

Wnioski z całej tej trwającej właśnie draki są co najmniej dwa. Nawet niewzruszeni w swych poglądach na kwestie zasadnicze giganci nauki czasem zmieniają front. I drugi – koniec Wszechświata to zapewne nuda, ale już nauka, która próbuje go opisać – wręcz przeciwnie.

Polityka 08.2011 (2795) z dnia 19.02.2011; Nauka; s. 62
Oryginalny tytuł tekstu: "Echa minionych przyszłości"
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Ludzie i style

Polska piłka: produkt futbolopodobny

Trzeci sezon z rzędu żaden polski klub nie zagra w europejskich pucharach. To zła wiadomość, ale jest jeszcze gorsza: wszystko wskazuje na to, że ta seria jeszcze potrwa.

Marcin Piątek
10.09.2019
Reklama

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

Powrót na stronę główną