Autor: Tomasz Jędrzejewski

Żyjąc na powierzchni jakże pięknej naszej rodzimej planety, często zapominamy o ogromie otaczającego nas kosmosu. To największa przestrzeń, jaką człowiek może i jest w stanie zbadać, gdyż obejmuje wszystkie materialne obiekty i zjawiska, jakie dotąd powstały. Jednak początki, przyszłość oraz prawdziwy mechanizm działania wszechświata nie jest nawet współcześnie do końca poznany. Teorie fizyczne próbujące opisać uniwersum są tak skomplikowane, że laik po wyjaśnieniach typowego fizyka będzie wiedzieć tyle samo, co przed nimi. Spróbujmy uchylić nieco rąbka tajemnicy kryjącej się za takimi nazwami, jak M-Teoria czy supersymetrie.

Działanie wszechświata

Naukowcy schodzą coraz głębiej w tajemniczy świat fizyki kwantowej pragnąc poznać fundamentalne reguły, z których wynikają wszystkie inne prawa. Kwantowe teorie, których zjawiska można zaobserwować na mikroskopijnych odległościach, znacząco różnią się od praw, z którymi spotykamy się na co dzień. Podstawowym narzędziem tworzenia współczesnych teorii są symetrie fizyczne, które definiuje się jako niezmienność pewnego obiektu pod wpływem określonych przekształceń. Jeśli jakiejś własności nie można wyprowadzić z zasad symetrii, teoria uznawana jest za niekompletną. Dzięki ich istnieniu możliwe było np. określenie własności wszystkich cząstek elementarnych. Wiele z wykrytych symetrii ma miejsce jedynie przy odpowiednio wysokiej energii i założenie to jest podstawą do zrozumienia nie tylko funkcjonowania wszechświata, ale też jego historii oraz przyszłości. Ilustracja tego zjawiska może być następująca: wyobraźmy sobie garść monet zawieszonych w stanie nieważkości. Odróżniamy orła od reszki, ale poza tym moneta jest symetryczna względem obracania. Aby zobaczyć reszkę, wystarczy obrócić monetę o 180 stopni. Jeśli monety upadną na jakąś płaszczyznę, niektóre z nich będą leżeć do góry orłem, inne reszką. Bez ich podniesienia z płaszczyzny nie możemy już zamienić orła na reszkę – mówimy wtedy, że symetria została złamana.

Jedną z teorii stworzonych za pomocą symetrii jest tzw. Model Standardowy wyjaśniający właściwości oraz oddziaływania między cząstkami elementarnymi. Materia składa się tutaj z bozonów oraz fermionów. Cztery podstawowe fermiony to elektron, neutrino elektronowe, kwark górny i kwark dolny. Proton powstaje z połączenia dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, a neutron z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. Cząstki te tworzą pierwszą z grup zwanych generacjami. Cząstki wyższej generacji odpowiadają tym z niższej, lecz o różnej masie. Teoretycznie grup takich może być nieskończenie wiele, ale im wyższa generacja, tym krócej opisane przez nią cząstki żyją, zanim rozpadną się na mniejsze. W praktyce wykryto cząstki należące do generacji pierwszej, drugiej i trzeciej. Pomiędzy cząstkami występują oddziaływania, które także są pewnym rodzajem cząstek. Ich pochłanianie lub generowanie sprawia, że oddziaływanie ma miejsce. Model Standardowy tłumaczy trzy z czterech rodzajów oddziaływań: elektromagnetyczne, silne oraz słabe.

Doświadczalnie potwierdzono większość założeń Modelu Standardowego. Nie wykryto jedynie hipotetycznej cząstki Higgsa nadającej masę. Mimo wszystko teoria jest krytykowana. Występuje w niej aż dziewiętnaście swobodnych parametrów, które trzeba wyznaczyć doświadczalnie i nie da się odpowiedzieć na pytanie, dlaczego mają taką, a nie inną wartość. Ponadto nie wyjaśnia on pewnych zaobserwowanych we wszechświecie zjawisk. Jednym z nich jest problem, dlaczego znajduje się w nim materia, a nie ma antymaterii. Konstruowane są nowe teorie określane mianem „Wielkich unifikacji”. Przwidują one, że wszystkie trzy oddziaływania są w istocie przejawem jednego i tego samego oddziaływania, przy czym symetria zachodzi przy dużej energii, która była obecna w pierwszych chwilach istnienia wszechświata. Największym wyzwaniem przed fizykami jest zunifikowanie również grawitacji. Prace utrudnia tu konieczność stworzenia zupełnie nowego aparatu matematycznego. Pierwsze „teorie wszystkiego” powstały już w 1980 roku dzięki badaniom Johna Schwarza i Michaela Greena. Zakładały one, że wszystkie rodzaje cząstek i oddziaływań są wibracjami supersymetrycznych strun mających długość ok. 10^-35 m (długość Plancka). W 1983 roku Edward Witten oraz Luis Alvarez-Gaumé wykazali anomalie w proponowanym modelu. Udało się je ominąć przy założeniu istnienia dziesięciu wymiarów. Wykazano także, że jest to jedyna poprawna teoria kwantowej grawitacji. W 1995 roku Edward Witten zaproponował nową, rewolucyjną M-Teorię, której szczególnym przypadkiem były stworzone dotąd modele. Dotąd powstało wiele rodzajów M-Teorii, różniących się m.in. liczbą wymiarów wszechświata. Tak wielkie ich rozdrobnienie u przeciętnego człowieka może wywołać zawrót głowy. Jeżeli faktycznie istnieje tyle wymiarów, dlaczego widzimy tylko trzy przestrzenne i jeden czasowy? Odpowiedź może kryć się w tym, że pozostałe są zwinięte do rozmiarów subatomowych, przez co nie jesteśmy w stanie ich wykryć.

Żadne z założeń M-Teorii nie zostało dotąd wykryte doświadczalnie. Przypuszcza się, że potrzeba do tego znacznie większych energii, niż te, którymi dysponujemy. Co więcej, większość istniejących dotąd kwantowych teorii grawitacji może działać z dowolną liczbą wymiarów oraz wartościami stałych fizycznych. Nikt w przekonujący sposób nie wyjaśnił, dlaczego prędkość światła to 299 792 458 km/s a stała Plancka 6,626 0693 (11) × 10^-34 J/s. Jeśli wynikają one z jakiejś teorii, to z jakiej? Wyznawcy zasady antropicznej przekonują, że ich wartości są dokładnie wymierzone, aby mogło powstać życie na Ziemi, podając dowody, że nawet minimalna zmiana dowolnej z nich zupełnie zmieniłaby obraz wszechświata. Możliwe, że istnieje wiele różnych wszechświatów różniących się „warunkami początkowymi”, z czego nasz jest wyróżniony tylko dlatego, że udało nam się wyewoluować. Inne wytłumaczenie mówi, że wszechświaty ewoluują. Każda czarna dziura staje się zaczątkiem nowej czasoprzestrzeni, która dziedziczy własności poprzedniej, jednak niezbyt dokładnie. W ten sposób wszechświaty, w których mogą powstawać czarne dziury, „rozprzestrzeniają się” szybciej, niż te, gdzie do takiego zjawiska nie dochodzi. Jakakolwiek jest odpowiedź, prawdopodobnie nie poznamy jej nigdy.

Do góry

Historia wszechświata

Teoria wielkiego wybuchu powstała już dziesiątki lat temu i do dnia dzisiejszego zdążyła zdobyć sobie uznanie naukowców, a także dowody potwierdzające jej prawdziwość (wykrycie mikrofalowego promieniowania tła w latach 60.). Wychodząc z założenia, że wszechświat się rozszerza, łatwo dojść do wniosku, iż w zamierzchłej przeszłości musiał być on mniejszy, a u zarania dziejów przybierać wręcz mikroskopijne rozmiary. Udało się nawet wyliczyć wiek wszechświata na około 13,4 miliarda lat. Naukowcy przy pomocy dotychczasowych teorii są w stanie śledzić jego historię od ok. 10^-43 sekundy istnienia, czyli od momentu oddzielenia się grawitacji od pozostałych oddziaływań. Panowały wtedy ekstremalne warunki, gdzie ciśnienie, temperatura i gęstość dążyły niemal do nieskończoności. 10^-35 sekundy po Wielkim Wybuchu rozpoczęła się trwająca ułamek sekundy era inflacji. Sprawiła ona, że wszechświat powiększył się wykładniczo tryliony razy. Teoria inflacji kosmologicznej próbuje wyjaśnić przyczynę tego zjawiska, twierdząc, że powstał wtedy stan ujemnego ciśnienia, przy którym rozprężanie nie powoduje spadku gęstości. Całkowite złamanie symetrii między oddziaływaniami nastąpiło w chwili 10^-12 sekundy. Wszechświat składał się wtedy z gorącej zupy pełnej kwarków i innych cząstek elementarnych. Gdy jeszcze trochę ostygł, zaczęły one łączyć się w protony oraz neutrony. Jednocześnie powstawały ich przeciwieństwa, antymateria. Ze względu na gęstość wszechświata, nastąpiła znana z kultury masowej anihilacja, podczas której wszystkie antycząstki napotkały swoich partnerów. Odrobina zwykłej materii, która pozostała, jest tym, co buduje dzisiejszy wszechświat. Przez kolejne trzy minuty szalał w nim nuklearny ogień. Powstawały jądra wodoru, które w reakcji termojądrowej zmieniały się w hel. Po jego zakończeniu wodór stanowił około 88% materii, reszta to hel i śladowe ilości litu. Cięższe pierwiastki nie powstały, gdyż temperatura była już zbyt niska, by dalsze reakcje termojądrowe mogły zachodzić. Przez kolejne 380 tysięcy lat kosmos był zupą złożoną z jąder atomowych i swobodnie reagujących z nimi fotonów. Rekombinacja, jaka nastąpiła później, zmieniła ten stan rzeczy. Jej pozostałością jest wykrywane do dzisiaj mikrofalowe promieniowanie tła będące odbiciem struktury wszechświata w tamtym momencie.

Wszechświat rozszerza się do dzisiaj. Światło docierające do nas z najdalszych obszarów zostało wyemitowane 13 miliardów lat temu. Sięgając zatem tak daleko widzimy kosmos taki, jaki był niedługo po wielkim wybuchu. Pierwszymi strukturami kosmicznymi, jakie powstały, były kwazary. Uważa się, że muszą mieć nieduże rozmiary ze względu na możliwe błyskawiczne zmiany swego stanu. Kwazar emituje ogromne ilości energii, rzędu 10⁴¹ W, co odpowiada mocy promieniowania całej galaktyki. To sprawia, że jest najjaśniejszym znanym człowiekowi obiektem. Gdyby w odległości 33 lat świetlnych znajdowała się jakaś planeta, kwazar świeciłby na jej niebie tak mocno, jak nasze słońce. Dla porównania, leżąca w odległości 4,3 roku świetlnego od nas Alpha Centauri jest jedynie kropką na nocnym, ziemskim niebie. Podobnym, charakterystycznym dla młodego kosmosu tworem są galaktyki radiowe emitujące bardzo silne fale radiowe, których źródła nie pokrywają się z widzialnym obrazem. Prawdopodobną przyczyną mógł być intensywny proces formowania nowych gwiazd.

Pierwsze gwiazdy, jakie rozświetliły kosmos, określa się mianem gwiazd Populacji III. Były one znacznie masywniejsze od obecnych i świeciły mniej, niż milion lat. Nie było jeszcze żadnych ciężkich pierwiastków, które mogły uformować planety. Odpowiedni budulec dostarczyły eksplozje pierwszych supernowych.

Do góry

Era Plancka

Tym terminem określa się pierwsze 10^-43 sekundy istnienia wszechświata. Z powodu braku potwierdzonej doświadczalnie teorii supersymetrii ustalenie, co się wtedy działo, jest aktualnie niemożliwe. Jednak na podstawie założeń M-Teorii możemy wysnuć pewne przypuszczenia. Jeden z modeli zakłada, że w chwili t=0 wszechświat był hiperprzestrzennym, dziesięciowymiarowym tworem z jedną wielką supersymetrią łączącą wszystkie oddziaływania. Był on jednak niestabilny i w momencie zakończenia ery Plancka rozpadł się na dwa mniejsze, połączone grawitacją. Jeden z nich, sześciowymiarowy, zapadł się w sobie, a drugi zaczął gwałtownie rosnąć. Wiele autorytetów w dziedzinie twierdzi, że poznanie, co było na początku, jest niemożliwe. Znany fizyk amerykański, Stephen Hawking stwierdził: „Uważam, że kiedykolwiek zaczynamy omawiać początki wszechświata dochodzimy do czysto religijnych wniosków.”

Do góry

Co dalej?

Przyszłość wszechświata jest równie tajemnicza, jak jego początki. Po trzynastu miliardach lat jest to miejsce, gdzie rodzą się i umierają gwiazdy, a grupa fizyków na jednej z planet próbuje odkryć, co się właściwie dzieje. Wiemy, że przestrzeń rozszerza się, przy czym ekspansja nabrała tempa kilka miliardów lat temu, mniej więcej w okresie formowania się Ziemi. Przedstawimy tu jeden z najbardziej prawdopodobnych scenariuszy zwany śmiercią z zimna.

Za około kilkadziesiąt bilionów lat (10¹⁴) lat ostatnia gwiazda wyczerpie swoje zapasy wodoru. Cała materia będzie wtedy zgromadzona w planetach, białych karłach, gwiazdach neutronowych, hipotetycznych gwiazdach kwarkowych i czarnych dziurach. Co jakiś czas może dojść do zderzeń brązowych karłów, a produkty tej kolizji będą przez miliardy lat jedynymi źródłami światła we wszechświecie. W wieku biliarda lat planety zostaną wyrzucone ze swych orbit i ściągnięte na inne ciała niebieskie lub ulegną rozpadowi w wyniku perturbacji grawitacyjnych. Ten sam los czeka później również gwiazdy. W kosmosie pozostaną jedynie szczątki materii oraz supermasywne czarne dziury. Jeśli prawdziwe są założenia supersymetrii, to protony okażą się cząstkami nietrwałymi, to w roku 10³⁶ rozpocznie się ich rozpad na promieniowanie gamma oraz leptony. Ich ilość szacowana jest na 10⁸⁰ sztuk, zatem ostatni z nich zniknie w roku 10⁴⁰. Rozpocznie się era czarnych dziur, która potrwa do roku 10¹⁰⁰. Wtedy zaczną one ostatecznie znikać na skutek „wyparowywania” (zob: artykuł „Czarne dziury”). Proces ten potrwa do roku 10¹⁵⁰. Jedyna rzecz, która wtedy będzie wypełniać wszechświat, to fotony. Jednak i ten stan nie potrwa wiecznie. W pewnym momencie wszechświat osiągnie energię punktu zerowego. Co będzie dalej, nie jesteśmy w stanie powiedzieć.

Inne wyliczenia podają, że śmierć wszechświata nastąpi znacznie szybciej wskutek rozerwania grawitacyjnego. Pamiętajmy, że patrząc na obiekt odległy 13,6 miliarda lat od nas, widzimy go w ówczesnym jego miejscu położenia, natomiast obecnie znajduje się jakieś 46 miliardów lat świetlnych stąd. Przypuszczalnie w tamtych regionach rozerwanie grawitacyjne już ma miejsce, natomiast u nas rozpocznie się za około 20 miliardów lat. Sześćdziesiąt milionów przed ostatecznym końcem siły utrzymujące Drogę Mleczną będą już zbyt słabe i nasza (zresztą nie tylko) galaktyka rozpadnie się. Trzy miesiące przed końcem rozpadnie się Układ Słoneczny (a raczej jego pozostałości, ponieważ Słońce skończy żywot znacznie wcześniej). W ostatnich minutach zniszczeniu ulegną gwiazdy oraz planety, natomiast ostatnie tchnienie rozerwie na kawałki pojedyncze atomy.

Teorie o zahamowaniu ekspansji wszechświata i rozpoczęciu jego zapadania są obecnie raczej odrzucane, ponieważ wyniki badań wskazują, że w kosmosie jest zbyt mało materii, aby proces ten mógł nastąpić.

Do góry

Zakończenie

Wszechświat jest naprawdę tajemniczym miejscem. Być może kiedyś prawa fizyki doprowadzą nas do zrozumienia, co było na początku oraz co się stanie w przyszłości z budującą nasze ciała materią. Niezależnie od wybranego scenariusza, nas już wtedy tutaj nie będzie; całemu procesowi będziemy przyglądać się z zaświatów.

Do góry