Czy Wszechświat jest skończony ?
„ Całość wszystkiego nie kończy się nigdzie, od żadnej strony.
Gdyby się bowiem kończyła, musiałaby gdzieś mieć koniec.
Żeby zaś coś miało koniec, to musi być coś innego,
Co ogranicza, co sprawia, że jest widoczna granica,
Której nie można przekroczyć przyrodzonymi zmysłami.
A każdy przyzna, że poza całością nic nie istnieje,
Zatem nie może mieć ona końca, granicy ni miary.
I całkiem jest bez znaczenia to, w jakiej stronie staniesz,
Gdyż jakiekolwiek kto miejsce zajmuje, dookoła niego,
W każdym kierunku się ciągnie ta sama wszechnieskończoność"
Tytus Lucjusz Karus
Bezkresny Wszechświat?
Wystarczy w nocy podnieść głowę do góry, aby doznać przygnębiającego wrażenia ogromu otaczającej nas przestrzeni, pełnej mrugających gwiazd. Czy gdzieś tam daleko widać kraniec świata, w którym żyjemy? Czy jest on skończony, zamknięty, ograniczony, a może bezkresny, nieskończony? Aby spróbować odpowiedzieć sobie na to istotne pytanie spróbujmy najpierw prześledzić czym jest Wszechświat, jakie jego składniki, elementy mogą mieć wpływ na nasz osąd w tej sprawie.
Ciekawość człowieka, od początku istnienia rodu ludzkiego, prowadziła go do poszerzania kręgów poznawanego świata. Od otoczenia jaskini (10-1 km) dotarliśmy dzisiaj prawie do horyzontu zdarzeń ograniczonego prędkością rozchodzenia się światła - rozmiarów obserwowanego współcześnie świata (1024 km).
Najbliżej człowieka zawsze była obecna materia. Ważny składnik naszego wszechświata dający złudne wrażenie realności otaczających nas przedmiotów. Dziś wiemy już bardzo dużo na temat budowy i właściwości materii. Sięgamy do leptonów i kwarków, które uważamy za podstawowe, elementarne cegiełki budowy materii, ale równocześnie przebłyski geniuszu niektórych fizyków prowadzą nas jeszcze dalej w głąb - poszukujemy boskiej cząstki, cząstki Higsa, która być może uprości nasz obraz cząstek elementarnych.
Z drugiej strony, kiedy uzbrojeni w potężne teleskopy sięgamy daleko w przestrzeń kosmiczną i w głąb czasu obserwujemy również zadziwiający porządek. Gwiazdy skupiające się w galaktyki, galaktyki w metagalaktyki, gromady galaktyk. Różnorodność gwiezdnych konstelacji, rozmaite układy gwiazd na niebie sugerowały pewnego rodzaju chaos w rozkładzie materii we Wszechświecie. Jakież było zdziwienie astronomów, gdy po wielu latach obserwacji, zbierania danych okazało się, że Wszechświat jest w dużej skali jednorodny we wszystkich kierunkach.
Czy jednak materia, to wszystko co zapełnia nasz Wszechświat? Wystarczy zwrócić oczy w dzień na Słońce lub w nocy na gwiazdy, aby przekonać się o istnieniu niematerialnego światła, czy ogólniej promieniowania. Bez niego bylibyśmy jak ślepcy, jeżeli w ogóle byśmy istnieli. Niezmiernie skomplikowane przyrządy i zaawansowane urządzenia, protezy naszych oczu, poszerzają znacznie zakres obserwowanego przez nas świata. Świat, który ukazuje się nam jest coraz bardziej skomplikowany.
To wszystko razem, co możemy dotknąć, co widzimy lub nie, jest w rozmieszczone w przestrzeni i w jakiś niepojęty sposób „wędruje" poprzez czas. Początkowe teorie dotyczące czasu i przestrzeni przedstawiały prosty obraz „płynącego" jednostajnie w przód czasu i prostej Euklidesowej geometrii przestrzeni. Wspaniała, pod względem przygotowania formalno - matematycznego i stosunkowo prosta teoria Newtona łączyła i tłumaczyła znane wówczas oddziaływania siłowe i materię w jedną, spójną całość. Przestrzeń i czas w tej teorii grały rolę nieskończonej i niezmiennej sceny, na której materialne ciała odgrywały swoje role ściśle według scenariusza napisanego przez prawa mechaniki. Tak rozumiany Wszechświat był nieskończony i nieograniczony.
Jednakże kilka zdawałoby się naiwnych pytań i badania empiryczne zaczęły burzyć tak pięknie zbudowany gmach, do którego wprowadziła się już XIX wieczna nauka. Jeżeli Wszechświat jest nieskończony, to istnieje w nim nieskończona ilość materii, która w rezultacie wytwarza nieskończoną wartość siły grawitacji. W takim świecie cała materia powinna „spaść" na siebie! Jeżeli w kosmosie jest nieskończona ilość gwiazd wysyłających we wszystkie strony światło, to dlaczego niebo w nocy jest ciemne? Czym jest w zasadzie siła grawitacji?
Te i inne pytania, a przede wszystkim liczne obserwacje astronomiczne zwróciły uwagę na liczne niedoskonałości teorii Newtona. Na początku XX wieku Albert Einstein konstruując swoją szczególną, a później ogólna teorię względności wykazał, że zarówno czas jak i przestrzeń naszego Wszechświata ulegają wpływom materii i energii. Równoważność materii i energii zmieniła całkowicie spojrzenie na świat, zarówno bliski i daleki.
Kosmologowie początków XX wieku (De Sitter, Friedman, Lemaitre, Hubble) kreowali powoli naszą obecną wizję Wszechświata. Powstały liczne modele budowy Wszechświata. Stacjonarny Kosmos był z pewnością bezpieczną ostoja dla nieprzygotowanych umysłów tamtej epoki. Temu wrażeniu uległ nawet częściowo sam Einstein. W swoim modelu stacjonarnego Wszechświata wprowadził stałą kosmologiczną, która miała być odpowiednikiem siły odpychającej, utrzymującą stacjonarny Wszechświat w równowadze. Później Einstein nazwał ten pomysł największą pomyłką swojego życia.
W latach 1922-24 fizyk teoretyk Aleksander Friedman przewidział, że Wszechświat, w którym żyjemy musi albo się kurczyć, albo rozszerzać. Jego praca była ściśle matematyczna i opierała się na ogólnej teorii względności Einsteina. Obserwacje galaktyk dokonane przez Edwina Hubble'a przedstawiły nowy obraz rzeczywistości: Wszechświat się rozszerza!
Galaktyki oddalają się od siebie we wszystkich możliwych kierunkach, a prędkość ucieczki jest wprost proporcjonalna do ich wzajemnych odległości. Prawo to pozwoliło na stosunkowo prosty pomiar odległości w skali kosmicznej.
Skoro galaktyki oddalają się od siebie, to najprawdopodobniej w przeszłości znajdowały się blisko siebie.
Pomału wyłania się współczesny obraz ewolucji naszego Wszechświata. Nie jest to już stabilny, stacjonarny, niezmienny twór, w którym istnieje tylko materia i siły nią rządzące. Tworzy się teoria Wielkiego Wybuchu, która z pewnymi modyfikacjami jest dzisiaj powszechnie akceptowana. Kolejne lata badań, obserwacji, przemyśleń doprowadzają do umocnienia się tzw. standardowego modelu wszechświata.
W przeszłości liczonej na około 15 do 20 mld lat temu wymiary Wszechświata były bliskie zeru, panowały olbrzymie, nieskończone temperatury, ciśnienie, gęstość (stan osobliwości). Ułamki sekund później następuje szybki wzrost wymiarów Wszechświata - maleje - okres przewagi promieniowania nad obecnością materii. Przechodząc przez okres inflacji (gwałtownego zwiększenia rozmiarów przestrzeni, który częściowo tłumaczy jednorodność kosmosu w dużej skali), promieniowanie oddziela się od materii.
Temperatura spada do tego stopnia, że promieniowanie i cząstki przestają wzajemnie na siebie oddziaływać. Promieniowanie odłącza się od materii i odtąd istnieje jako tzw. promieniowanie tła - w zakresie mikrofal (obserwacyjnie odkryte w latach 60. przez A. Penziasa i R. Wilsona - laureatów nagrody Nobla), niezależnie od tego, co dzieje się z innymi postaciami materii.
Materia w postaci już atomowej obejmuje dominację. Tworzą się galaktyki i gwiazdy (era galaktyczna). W powstałych gwiazdach zachodzą reakcje jądrowe. Tworzy się z wodoru hel oraz w nieznacznym procencie inne pierwiastki (stosunek ilości wodoru do helu jest ważnym dowodem tak przebiegającej ewolucji). Z produktów przemiany materii gwiazd powstają planety, później świat materii organicznej i my - obserwatorzy zdolni do świadomej analizy procesu historycznego.
Wszechświat w dalszym ciągu zwiększa swoje rozmiary, które obecnie szacujemy na 1024 km. Jego rozmiary podwajają się w ciągu kilku miliardów lat.
Liczne dowody przemawiają za tak przyjętym modelem ewolucji Wszechświata - dopplerowskie poczerwienienie światła uciekających galaktyk, przewidziane przez Gamowa mikrofalowe promieniowanie tła, analiza obfitości pierwiastków (zwłaszcza stosunek ilości wodoru 75% do ilości helu 25%) i co najważniejsze - brak grawitacyjnego zapadania się Wszechświata.
Tak zbudowany model Wszechświata miał na pewno swój początek, a więc był w pewnym sensie ograniczony czasowo i przestrzennie na początku swojego istnienia. Samoistnie narzuca się więc stwierdzenie, że w chwili obecnej, gdy uległy właściwie zmianie jego rozmiary, ograniczoność przestrzenna jest zachowana. Intuicja podpowiada nam, że tak powinno być.
Wyobraźmy sobie powierzchnię sfery. Jej powierzchnia jest jak najbardziej zamknięta i skończona, ale równocześnie nieograniczona. Wychodząc z dowolnego punktu na jej powierzchni nigdy nie natrafimy na jej granicę.
Materia znajdująca się we Wszechświecie zakrzywia jego przestrzeń. Jak wynika z modeli wszechświata skonstruowanych przez Friedmana wystarczy, że średnia gęstość materii we Wszechświecie przekracza gęstość krytyczną, wtedy przestrzeń jest skończona i zamknięta.
Jeżeli średnia gęstość materii jest równa gęstości krytycznej przestrzeń ma geometrię euklidesową. O takiej przestrzeni mówimy, że jest płaska. We wszystkich kierunkach rozciąga się do nieskończoności i ma nieskończoną objętość.
Jeśli gęstość materii jest mniejsza od krytycznej, przestrzeń znowu jest zakrzywiona, lecz jej geometria przypomina siodło. Taka przestrzeń rozciąga się do nieskończoności we wszystkich kierunkach i nie jest zamknięta. Ma nieskończoną objętość. Taki Wszechświat nazywamy otwartym.
Widzimy, że decydujący wpływ na losy Wszechświata oraz odpowiedzi na jego otwartość czy zamkniętość ma średnia gęstość materii we Wszechświecie. Obecne obserwacje ilości materii we Wszechświecie nie pozwalają jednoznacznie odpowiedzieć jaka będzie jego przyszłość. To, co potrafiliśmy do tej pory zliczyć, to jedynie 1/30 część tej materii, która jest niezbędna do zrównoważenia ekspansji kosmosu. Bardzo trudno jest ocenić ile tzw. „ciemnej" materii znajduje obecnie we Wszechświecie. Trudności pojawiają się też w oszacowaniu, jak wielki wpływ na przyszłość Wszechświata ma ciążenie samej przestrzeni, czy też problem istnienia (nieistnienia) masy neutrina.
Jaka jest rzeczywista geometria przestrzeni Wszechświata? Czy czas „płynie" jednostajnie i tylko w jednym kierunku?
Można by wreszcie zadać pytanie, czy w ogóle jesteśmy w stanie zbadać cały Wszechświat? Przecież nawet światło wysłane zaraz po wielkim wybuchu mogło przebyć tylko skończoną drogę (ok. 15 mld lat świetlnych). Obszar leżący poza tym horyzontem zdarzeń jest dla nas całkowicie nieobserwowalny. W konsekwencji widzimy jedynie skończoną liczbę gwiazd i galaktyk we Wszechświecie.
Dzięki istnieniu horyzontu zdarzeń różnica miedzy zamkniętym i otwartym Wszechświatem może nie być dla nas tak bardzo istotna.
Z drugiej strony niezależnie czy Wszechświat jest otwarty czy zamknięty musi on w końcu „umrzeć". Zamknięta geometria przestrzeni (gęstość materii większa od krytycznej) doprowadzi do kolapsu grawitacyjnego i powstania z powrotem osobliwości. Wszechświat otwarty, rozszerzający się w nieskończoność umrze w końcu śmiercią cieplną. Entropia równomiernie „rozłoży" energię w przestrzeni. Gwiazdy wypalą swoją energię i albo zamienią się w zimną materię, albo zapadną się i powstaną czarne dziury. O dalszych losach takiego Wszechświata zadecyduje problem stabilności materii jądrowej (głównie protonów i elektronów) oraz dokładniejsze badania nad zachowaniem się czarnych dziur.
Dzisiaj nie jesteśmy w stanie odpowiedzieć na pytanie, czy Wszechświat zginie w ogniu czy w lodzie. Ciekawe rozważania nad początkiem i końcem Wszechświata prowadzą najwybitniejsi fizycy naszej epoki - Steven Hawking i Roger Penrose. Przedstawiane przez nich opisy funkcjonowania czarnych dziur, czasu i przestrzeni w warunkach potężnych pól grawitacyjnych wprowadzają wątpliwości w tak ułożonym uzasadnieniu skończoności Wszechświata jakie zostało tutaj zaprezentowane, a na pewno rozważania o początku czy końcu Wszechświata są o wiele bardziej złożone. Połączenie teorii grawitacji i teorii kwantowej w jedną teorię kwantowej grawitacji być może pozwoli wyjaśnić wiele tajemnic kosmosu w jego skrajnych stanach wysokich energii, zagęszczonych pól, itp.
A może Wszechświat wcale nie ma początku i może nie ma też końca? Może te dwa skrajne stany Wszechświata nie należy rozumieć dosłownie? Może to, co obserwujemy dzisiaj jest tylko wąskim wycinkiem całości i dopiero spojrzenie z zewnątrz pozwala dotrzeć do prawdy?
Uważamy (za Einsteinem), że nasz świat jest czterowymiarową czasoprzestrzenią. Jak w takim razie rozumieć skończoność wszechświata - czy osobne ograniczenie w czasie i przestrzeni? Czy w pewnych szczególnych warunkach możemy traktować czas podobnie jak wymiar przestrzeni? W takim przypadku trudno mówić o czasie w dzisiejszym znaczeniu - w czasie urojonym możemy swobodnie wędrować do przodu i do tyłu. A w końcu może Wszechświat ma więcej niż cztery wymiary? Najnowsze hipotezy tłumaczące budowę cząstek elementarnych (teoria strun, hiperstrun) zakładają 10-cio lub 26-cio wymiarową przestrzeń. W takim przypadku intuicyjne pojęcie skończoności staje się praktycznie niemożliwe do ogarnięcia.
Jaki jest rzeczywiście nasz Wszechświat? Zaganiani na co dzień, pochłonięci szarymi problemami, najczęściej nie znajdujemy czasu, aby o tym pomyśleć. A przecież żyjemy w nim, ma on na nas przeolbrzymi wpływ, którego nawet się nie domyślamy. Spróbujmy zatrzymać się chociaż na chwilę, spojrzeć w niebo pełne cudownych, migających punkcików. Wyobraźmy sobie potęgę przestrzeni, w której jesteśmy zanurzeni, a okaże się jakim jesteśmy marnym pyłkiem w stosunku do wymiarów Wszechświata, ale równocześnie możemy dostrzec potęgę ludzkiego rozumu, skoro potrafimy siedząc tutaj, na tej naszej małej planecie ogarnąć coś, co może jest nieograniczone.
Brzeg, 2002
JERZY SALAK
WSZECHŚWIAT i MY