Skąd się wziął Wszechświat?

Czy nasz Wszechświat to efekt kwantowej fluktuacji na gigantyczną skalę? Czy oprócz niego istnieje coś jeszcze?

Czy nasz Wszechświat to efekt kwantowej fluktuacji na gigantyczną skalę? Czy oprócz niego istnieje coś jeszcze?

Rozszerzanie się Wszechświata

Jeszcze sto lat temu Wszechświat uważano za stabilny, niezmienny i nieskończony. A także za rozciągający się w czasie od minus nieskończoności, poprzez czas obecny do plus nieskończoności. Dziś wiemy, że tak nie jest.

Zaskakujące natomiast jest, że proste rozumowanie logiczne prowadzi do wniosku, że Wszechświat nie może być nieskończenie stary i nieskończenie wielki a jednocześnie niezmienny a jednak ludzkość tak długo tkwiła w tym błędzie. Rozumowanie to jest bardzo proste: gdyby Wszechświat był już nieskończenie stary i nieskończenie wielki i w każdym kierunku wypełniony gwiazdami to do Ziemi docierałoby już od dawna światło tylu gwiazd, że niebo byłoby całkowicie jasne zarówno w dzień jak i w nocy, tzn. nocy umownej, bo nie w naszym rozumieniu. Tak więc samo to, że noc jest ciemna już świadczy, że albo Wszechświat nie jest nieskończenie stary albo nie jest niezmienny (albo jedno i drugie).

To, że Wszechświat nie jest niezmienny lecz stale się rozszerza wiemy dzięki obserwacjom poczynionym przez amerykańskiego astronoma Edwina Hubla (tego, którego nazwiskiem nazwano Teleskop Hubla). Opierając się na efekcie Dopplera odkrył on zależność między odległością dzielącą galaktyki a prędkością z jaką oddalają się one od siebie. Musiał być bardzo zdziwiony kiedy stwierdził, że niemal wszystkie galaktyki we wszystkich kierunkach oddalają się a stąd był już jeden wniosek: Wszechświat rozszerza się. Jeżeli tak, to kiedyś musiał być mniejszy. I tak na zasadzie ekstrapolacji naukowcy doszli do wniosku, że w początkowej fazie życia Wszechświat miał małe rozmiary a dzięki teorii względności wiemy, że nawet bardzo, wręcz niewyobrażalnie małe.

Powstanie Wszechświata - Wielki Wybuch

Wg. obecnego stanu wiedzy Wszechświat powstał ok. 13,75 mld lat temu w tzw. Wielkim Wybuchu. Na początku był bardzo gęsty i bardzo gorący, i oczywiście nieprzejrzysty. Po ok. 10^-34 sekundy ustabilizowały się oddziaływania jądrowe. Pod koniec pierwszej sekundy życia Wszechświat stał się przejrzysty, ale na razie tylko dla neutrin (to te cząsteczki, które praktycznie nie oddziałują z materią, przykładowo aby odchylić ich tor lotu potrzeba by warstwy ołowiu o grubości… roku świetlnego). W trzeciej minucie protony i neutrony połączyły się tworząc pierwsze jądra atomowe.

Później przez jakieś 100 tys. lat nic ciekawego się nie działo, aż jądra atomowe wyłapały elektrony tworząc atomy i doprowadzając do tego, że fale elektromagnetyczne, w tym światło, mogły rozchodzić się – wszechświat stał się przejrzysty.

Kilka miliardów kolejnych lat i grawitacja doprowadziła do powstania galaktyk, zapalały się pierwsze gwiazdy.

Fluktuacje i piana kwantowa

No dobrze, ale co spowodowało ten Wielki Wybuch? Tutaj nie ma dobrej potwierdzonej teorii. Są tylko rozmaite spekulacje. Jedna z nich jest oparta o fluktuacje kwantowe. Najpierw zatem kilka słów o fluktuacjach. Świat, w którym żyjemy jest tak skonstruowany, że nie istnieje w nim coś takiego jak próżnia absolutna. Nawet jeżeli przy pomocy doskonałych pomp wypompowalibyśmy z jakiegoś kawałka przestrzeni absolutnie wszystkie cząstki elementarne to i tak zostanie w tej przestrzeni energia próżni (próżna ma swoją niewielką, ale rożną od zera dodatnią energię) i co więcej w przestrzeni tej będą bezustannie powstawały i znikały cząstki elementarne. Są to tzw. cząstki wirtualne, gdyż powstają i niemal natychmiast znikają.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Cz%C4%85stka_wirtualna

Zacytujmy Wikipedię:

„Wirtualne cząstki cały czas powstają w próżni w parach cząstka-antycząstka i natychmiast znikają. Nazywa się to fluktuacjami kwantowymi. Obecność tych cząstek wpływa na różne zjawiska fizyczne.”

Wynika to z zasady nieoznaczoności Heisenberga, która mówi (mniej więcej), że nie można poznać z pełną dokładnością położenia i prędkości (a dokładnie pędu) cząstki elementarnej. Jak to się przekłada na możliwość powstawania wirtualnych cząstek lepiej nie wchodzić. Wystarczy wiedzieć, że na poziomie kwantowym cały czas tworzą się wirtualne pary cząstka-antycząstka, jedna może mieć energię dodatnią, druga ujemną, razem mają wówczas energię zerową. Cząstka zderza się z inną antycząstką i w procesie anihilacji znika. I tak w kółko. Stąd mówi się, że przestrzeń jest wypełniona tzw. pianą kwantową.

http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_foam

Ta piana jest dosłownie wszędzie, w pewnym sensie otacza nas i przenika, wypełnia np. nasze mózgi.

Warto dodać, że istnienie cząstek wirtualnych nie jest tylko teorią, ich obecność jest pośrednio potwierdzona doświadczalnie ponieważ wywierają one określony wpływ na obiekty realne np. w efekcie Casimira:

http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_Casimira

Jeżeli piana kwantowa jest wszędzie i wszędzie powstają i znikają cząstki i antycząstki to raz na jakiś czas musi dochodzić do sytuacji, w której cząstka wirtualna powstała z niczego (a dokładnie z próżni) nie znika od razu, żyje przez jakiś czas zanim zetknie się i zanihiluje ze swoją antycząstką. Jest to kwestia wyłącznie statystyki. Jeżeli tak, to czekając odpowiednio długo doczekamy się sytuacji w której w ten sposób powstanie z niczego cały obiekt makroskopowy. A jeżeli poczekamy jeszcze dłużej, naprawdę, naprawdę długo to może zdarzyć się, że w wyniku kwantowej fluktuacji z niczego powstanie cały wszechświat i w wyniku niezwykle rzadko występującego zbiegu okoliczności wszechświat ten nie zderzy się od razu z anty-wszechświatem, który musiał jednocześnie powstać lecz oddalą się one od siebie i będą istniały trwale.

Czy tak właśnie powstał nasz Wszechświat? W wyniku kwantowej fluktuacji na gigantyczną skalę z jednoczesnym oddaleniem się od anty-Wszechświata który musiał też powstać?

Jak pisze Lawrence Krauss w bardzo sympatycznej książeczce „Tajemnice kosmosu”:

„Być może, podobnie jak w przypadku wirtualnych cząstek elementarnych, w tej maciupeńkiej skali powstają w procesach kwantowych całe nowe wszechświaty. A co najbardziej frapujące - niewykluczone, że i nasz Wszechświat wziął początek z takiego procesu kwantowego. Podobne idee zawładnęły wyobraźnią autorów powieści fantastycznonaukowych. Przypominam sobie, że będąc jeszcze studentem z wielkim zainteresowaniem przeczytałem opowiadanie (którego tytułu, niestety, już od dawna nie pamiętam) Stanisława Lema, w którym obserwowany Wszechświat pojawił się jako wynik kwantowego przypadku. W owym czasie byłem tak zafascynowany tym pomysłem, że w rozprawie doktorskiej, która zawierała pewne, z dzisiejszej perspektywy dość dzikie spekulacje na temat grawitacji we wczesnym Wszechświecie, złożyłem specjalne podziękowania Lemowi. Idea kwantowej kreacji wszechświatów zawładnęła również wyobraźnią niektórych z najbardziej liczących się fizyków teoretyków i matematyków żyjących na tej planecie.”

To opowiadanie mistrza Lema, którego tytułu Krauss nie pamięta to najprawdopodobniej „Dzienniki gwiazdowe” a dokładniej „Podróż osiemnasta”. Trzeba przyznać, że mistrz w „Dziennikach gwiazdowych” w lekkiej i zabawnej formie przemyca swoje poglądy i przemyślenia na bardzo poważne i ciekawe tematy. Zacytujmy fragment, który odnosi się do powstania Wszechświata, a który najprawdopodobniej tak spodobał się Kraussowi:

„Spytajcie jeśli mi nie zawierzycie, byle znajomego fizyka, a powie wam, że pewne zjawiska w najmniejszej skali zachodzą sposobem jakby kredytowym. Mezony, te cząsteczki elementarne, naruszają czasem prawa zachowania, lecz czynią to tak niesłychanie szybko, że go nie naruszają prawie wcale. To co zakazane prawami fizyki czynią błyskawicznie…

A co jeśli Kosmos w największej skali zrobił to samo? Jeśli mezony mogą tak się zachowywać w ułamku sekundy tak drobnym, że cała sekunda jest przy nim wiecznością, Kosmos ze względu na swe rozmiary musiałby się w ów zakazany sposób zachowywać odpowiednio dłużej. Na przykład przez piętnaście miliardów lat…

Powstał tedy, jakkolwiek powstać nie mógł, bo nie miał z czego. Kosmos jest zabronioną fluktuacją…”

Zauważmy, że musiały tu zajść prawie jednocześnie dwa zdarzenia o nieskończenie małym prawdopodobieństwie wystąpienia (kreacja świata na tak wielką skalę i oddalenie się od anty-świata, który musiał powstać jednocześnie). Prawdopodobieństwa są pewnie nieskończenie małe, może na setnym, może na tysięcznym a może na miliardowym miejscu po przecinku. Myślę, że to bez znaczenia, wystarczy, że prawdopodobieństwo było wyższe od zera i zdarzenie takie musiało zaistnieć, prędzej czy później. Po prostu musiało. Wystarczyło poczekać odpowiednio długo. Może 10 do setnej lat, może 10 do tysięcznej a może 10 do miliardowej. To bez znaczenia kiedy ma się do dyspozycji wieczność, prawdziwą wieczność od minus nieskończoności do plus nieskończoności.

Inne wszechświaty

Teraz nadszedł dobry moment aby wprowadzić na scenę głównego aktora – Metawszechświat. Nie bez powodu napisałem go z dużej litery. To on rozdaje karty, to dzięki niemu nasz Wszechświat istnieje i jest taki jaki jest dzięki czemu istniejemy my i wszystko co nas otacza.

Kiedy zajrzymy do Wikipedii pod hasłem Wielki Wybuch znajdziemy sekcję „Co było przed” a w niej taką oto informację:

„Z punktu widzenia modelu standardowego Wielkiego Wybuchu i klasycznej (niekwantowej) teorii grawitacji nie można mówić o okresie „przed” Wielkim Wybuchem, jako że Wszechświat powstał w momencie Wielkiego Wybuchu, a razem z nim: przestrzeń, materia i czas, dlatego pytanie o to co było przed Wielkim Wybuchem jest pozbawione sensu, ponieważ czas rozpoczął się z chwilą wybuchu.”

Dla mnie pytanie o to co było przed absolutnie nie jest pozbawione sensu. I tylko częściowo mogę zgodzić się, że przestrzeń, materia i czas postały wraz z Wszechświatem w Wielkim Wybuchu. Ja powiedziałbym, że w Wielkim Wybuchu powstały ta przestrzeń, ta materia i ten czas, które znamy.

Teraz mała niedygresja na boku. Czy to nie zastanawiające jak łatwo ludzie wpadają w tok myślenia typu „centrum”. Już wyjaśniam o co mi chodzi. Dawno temu ludzie myśleli, że Ziemia jest w centrum wszechświata, który obraca się wokół niej. Później myśleli, że nasza galaktyka to cały wszechświat. Teraz myślimy, że nasz Wszechświat to cały wszechświat, innymi słowy to wszystko co istnieje. Ale niby dlaczego tak miałoby być? Dlaczego Ziemia miałaby być czymś szczególnym? Dlaczego nasza galaktyka, Droga Mleczna, miałaby być czymś szczególnym? I wreszcie: dlaczego nasz Wszechświat miałby być jedyny?

Ale wracając do głównego wątku. Twierdzenia, że przed Wielkim Wybuchem nie było absolutnie nic są dla mnie absolutnie nie do zaakceptowania. Na razie nie będę wchodził w czas bo to osobny temat. Ale weźmy przestrzeń. Rozumiem i przyjmuję to, że przestrzeń która nas otacza, wypełniona materią jaką znamy a w większej skali gazami i pyłami międzygwiezdnymi powstała i rozszerza się wraz z rozszerzającym się Wszechświatem, ale w czymś się przecież ten nasz Wszechświat rozpycha. Czy mam uwierzyć, że wciąż przesuwające się granice naszego Wszechświata wyznaczają koniec przestrzeni a za tą granicą żadnej przestrzeni już nie ma? To co jest? Wyobraźmy sobie, że szybką rakietą (musiałaby być bardzo szybka, pewnie nadświetlna, ale to bez znaczenia) docieramy do granicy rozszerzającego się Wszechświata i próbujemy ją przekroczyć. I co? Odbijemy się od jakiejś ściany? Sztywnej a może elastycznej? A może jakaś niewidzialna ręka nas zawróci? A może ulegniemy anihilacji, albo dezintegracji. Moim zdaniem w takim przypadku płynnie wylecielibyśmy z przestrzeni wypełnionej materią i wlecielibyśmy do przestrzeni pustej wypełnionej jedynie czym? Właśnie pianą kwantową.

Tak więc osobiście uważam, że nasz Wszechświat jest zawieszony w większej przestrzeni i rozpycha się w niej jak pęczniejący balon. Zresztą nie ja to oczywiście wymyśliłem. O ile dobrze pamiętam to o możliwości takiej wspomina też Lawrence Krauss w cytowanych wyżej „Tajemnicach kosmosu”. Tę przestrzeń nazywa Metawszechświatem. Metawszechświat rozciągałby się w nieskończoność we wszystkich kierunkach i byłby nieskończenie stary, tzn. nie miałby początku (ani końca). Przyznam się bez bicia, że próbując wyobrazić sobie przestrzeń nieskończoną we wszystkich kierunkach mózg trochę mi się buntuje, od razu pojawia się próba wyobrażenia sobie gdzie to wszystko się mieści, ale takie rozumowanie zawodzi. Zazwyczaj bowiem wyobrażając sobie coś możemy, przynajmniej w myślach, wyjść na zewnątrz tego i popatrzeć z zewnątrz obejmując wówczas całość obserwowanego obiektu. Tutaj niestety wyjść się nie da. Nawet w wyobraźni.

Wracając do Metawszechświata. Jeżeli istnieje i istnieje od nieskończoności to zobaczmy jakie konsekwencje z tego by płynęły. Tu wchodzi potęga niedocenianego pojęcia „nieskończoność”. Nieskończoność to bardzo dużo, albo bardzo długo w zależności oczywiście. Zacznijmy najpierw od prawdopodobieństwa. Jeżeli prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia jest większe od zera to choćby nie wiem jak małe ono było jeżeli upłynie odpowiednio dużo czasu zdarzenie to po prostu musi wystąpić. To jest tylko kwestia czasu:-) (i statystyki). Ale jeżeli mówimy o nieskończoności to znaczy, że czasu było wystarczająco dużo (a nawet dużo więcej niż dużo:-). Choćby to było 10 do miliardowej lat, czy 10 do miliardowej do miliardowej – musimy zrozumieć, że to absolutnie bez znaczenia bo właśnie tyle czasu mamy a nawet dużo więcej, jeżeli mówimy o nieskończoności.

Jeżeli zatem Metawszechświat istnieje nieskończenie długo a prawdopodobieństwo wielkiej fluktuacji kwantowej tworzącej spontanicznie cały wszechświat jest nieskończenie małe, ale jednak większe od zera to takie zdarzenie po prostu MUSIAŁO nastąpić. Co więcej, musiało wystąpić nie jeden raz a ile? Oczywiście nieskończenie wiele razy. Co to oznacza? Że wszechświatów musi być nieskończenie wiele.

Gdzieś czytałem, że wystarczyłaby niewielka zmiana masy protonu czy może neutronu czy może innej stałej fizycznej a już powstanie stabilnej materii nie byłoby możliwe. Dlaczego w naszym Wszechświecie panują warunki pozwalające na powstanie materii, życia, inteligencji? Tak precyzyjnie dobrane, tak korzystne. Czy to nie cud? Tak, oczywiście, że to cud. Jeżeli cudem nazwiemy zdarzenie, którego prawdopodobieństwo wystąpienia jest niezwykle małe, powstanie naszego Wszechświata było cudem a kolejnym było to, że prawa fizyki ustaliły się w nim właśnie w taki sposób. Jednak zakładając, że w Metawszechświecie powstało już (i powstanie w przyszłości) nieskończenie wiele wszechświatów to jeżeli nawet w każdym prawa fizyki ustalają się zupełnie przypadkowo musiały powstać wszechświaty, w których warunki pozwoliły na powstanie materii i życia. Co więcej procent od nieskończności to też nieskończoność, choćby procent ten był nieskończenie mały. Oznaczałoby to, że wszechświatów sprzyjających życiu też jest nieskończenie wiele.

Ponieważ jednak prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest tak nieskończenie małe odległości między wszechświatami muszą być wprost gigantyczne, nawet w astronomicznej skali.

Tutaj można by zadać pytanie:

Skoro poszczególne wszechświaty musiały powstawać w nieskończonej przeszłości i wiele z nich (być może wszystkie) rozszerzają się, to mimo gigantycznych odległości dzielących te wszechświaty po odpowiednio długim czasie (a takie przecież mamy założenie, że czasu mamy nieskończenie dużo) różne wszechświaty muszą na siebie niejako wpadać. A przecież nic takiego nie obserwujemy tzn. nie widzimy aby przez nasz wszechświat przechodziły właśnie fragmenty innego wszechświata.

Odpowiem tak. A skąd wiemy, że nie widzimy? Przecież wszechświaty rozszerzając się stają się jednocześnie coraz rzadsze. Zatem nie możemy mieć pewności, że pyły albo jakieś nawet większe obiekty przelatujące inaczej niż wynikałoby to z ruchu galaktyk nie są przybyszami dosłownie z innego wszechświata. Podobno zresztą czas życia protonów i innych cząstek elementarnych też jest ograniczony (do ok. 10³⁰ lat, http://pl.wikipedia.org/wiki/Rozpad_protonu), po jego upływie rozpadają się i być może z takiego bardzo starego wszechświata zostaje tylko pył, a może nic.

Ciekawe natomiast co dzieje się jeżeli dwa stykające się wszechświaty mają inne prawa fizyki. Kiedy materia jednego wszechświata wchodzi w przestrzeń i zaczyna oddziaływać z materią innego wszechświata? Czy następuje jakiś ostry przeskok z jednego zestawu praw na inne czy też może następuje jakieś uśrednienie praw? A może materia przekształca się a może anihiluje i zostaje po niej błysk energii i potok cząstek elementarnych?

Być może kiedyś nauka będzie w stanie zweryfikować tę hipotezę i odpowiedzieć na te pytania.

pozdrawiam

posceptyk

W serii artykułów próbuję opisać co nauka ma do powiedzenia w następujących kwestiach: