Jerzy Salak Wszechświat i My

Dawno, dawno temu, kiedy cały nasz Wszechświat miał wymiary pojedynczego atomu, zaczęła kształtować się jego struktura przestrzenna. Na początku wyglądało na to, że przestrzeń zostanie równomiernie zapełniona energią i materią, ale plany potoczyły się całkowicie inaczej. Niezwykle małe nierównomierności gęstości energii, o wielkości skali Plancka (10^-35 potęgi), powstałe w wyniku losowego, przypadkowego jej rozkładu, wpłynęły znacząco na późniejszą strukturę Kosmosu.

Dominujące w tym okresie siły o olbrzymiej wartości: oddziaływanie silne, słabe, elektryczne i magnetyczne bardzo szybko uwięziły dostępną energię w niewielkich obszarach nazywanych obecnie kwarkami, leptonami, atomami czy cząsteczkami. Ale dopiero siła grawitacji, która jest ponad 10 do 35 potęgi słabsza od innych sił, zdecydowanie najsłabsza i najmniej widoczna siła, miała wpłynąć na ostateczną strukturę i przestrzenną organizację materii obserwowanego obecnie Kosmosu. To ona spowodowała powstanie skupisk materii, z których powstały gwiazdy, planety, planetoidy, komety i wszystkie inne materialne obiekty zapełniające przestrzeń Wszechświata. To głównie ona narzuciła kształt widocznej struktury rozkładu materii.

Jesteśmy przyzwyczajeni, że w wyniku działania siły grawitacji, nawet tak małe obiekty jak atomy czy cząsteczki ostatecznie skupiają się w dłuższym okresie czasu w większe obiekty. W ten sposób powstały gwiazdy o rozmaitych wielkościach. Czasami tak olbrzymie, że nasz umysł odrzuca możliwość istnienia tak dużych obiektów (https://www.youtube.com/watch?v=fyQrdsTNuo0 ). Wokół gwiazd często powstawały mniejsze skupiska materii nazywane planetami i pełno różnego rodzaju materialnego „śmiecia”.

Obowiązująca w całym obserwowanym Kosmosie tendencja poruszania się wszystkiego we wszystkich możliwych kierunkach (powstała w wyniku rozszerzania się w dużym tempie jego rozmiarów przestrzennych) wspólnie z siłą grawitacji powodowała, że pędząca przez niezmierzoną pustkę Kosmosu materia zmieniała tor swojego ruchu z liniowego na zakrzywiony, co często więziło te obiekty wokół bardziej masywnych ich odpowiedników. W ten sposób powstawały układy słoneczne z planetami, które z kolei były więzione w większych strukturach: galaktykach czy gromadach galaktyk.

Oczywiście ostateczny ich kształt i rozkład materii zależał od warunków początkowych, ale generalnie bliższe obserwacje astronomiczne uwidaczniały w miarę równomierny rozkład układów gwiazdowych i galaktyk w całym obserwowanym Kosmosie. Wydawało się, że taka struktura przestrzenna rozkładu materii będzie powielana nawet w największej skali.

Jakież było zdziwienie astronomów, gdy okazało się, że w skali obejmującej setki milionów czy miliardy lat świetlnych widoczna materia skupia się w całkowicie odmienne struktury. Całość przypomina raczej pajęczynę ze skupieniami w postaci węzłów sieci czy gron materii. Okazuje się, że Wszechświat zawiera olbrzymie obszary prawdziwej pustki, rzędów setek milionów lat świetlnych, gdzie nie ma praktycznie nic. Z kolei w innych obszarach materia skupia się w niezmiernie długich nitkowatych pasmach. W niektórych obszarach skupienie materii jest wyjątkowo wielkie. Powstaje coś na kształt owoców winogrona, połączonych cieńszymi lub grubszymi gałązkami.

Nasuwa się pytanie: czy to grawitacja mogła tak ukształtować rozkład materii? Intuicja podpowiada nam, że raczej nie. Grawitacja raczej dąży do punktowego skupiania materii, gdyż taki jest jej charakter. Co w takim razie zakłóca ten rytm? Skąd ta dziwna struktura?

Na scenę Wszechświata, a dokładniej naszej wiedzy o nim, wkracza nowy gracz. Ciemna materia. Z dużym prawdopodobieństwem, to ona odpowiada za taki, a nie inny rozkład widocznej, zwykłej materii. To ona skupia ją wokół siebie z wystarczająca siłą, narzucając obserwowaną strukturę. Niestety, na razie nie wiemy dlaczego akurat taki dziwny, nieregularny kształt. Najnowsze symulacje komputerowe pozwalają dostrzec sposób organizacji materii we Wszechświecie z uwzględnieniem wpływu ciemnej materii: https://www.youtube.com/watch?time_continue=42&v=NjSFR40SY58

Czy tak rzeczywiście wygląda struktura „naszego” Wszechświata? Tego nie wiemy do końca, ale z pewnością jest ona dziwniejsza niż nam się wydawało. Musimy więcej dowiedzieć się o ciemnej materii i jej właściwościach. Być może wtedy odnajdziemy ukryty sens. Nie wiemy też, czy ciemna materia ma wpływ na geometrię naszej przestrzeni.

Dotychczasowe obserwacje i badania astronomiczne skłaniają nas ku tezie, że struktura przestrzeni Kosmosu jest euklidesowa w dużej skali. Oznacza to, że pomiar odległości czy też podobieństw (zachowania kątów) są identyczne w różnych zakątkach naszego Wszechświata. Dokładniej – dokonując pomiarów wymiarów np. kwadratu o wymiarach 1 metr na 1 metr i kątach pomiędzy bokami 90 stopni ustalonych w warunkach ziemskich otrzymamy identyczny wynik znajdując się na przykład w gwiazdozbiorze Oriona. Wydaje się, że tak raczej jest, ale …

Zgodnie z teorią względności Einsteina siła grawitacji jest emanacją kształtu przestrzeni spowodowanej obecnością w niej materii. To obecność zwykłej materii dokonuje zmiany w jej strukturze, co skutkuje jej zakrzywieniem. A jeżeli zakrzywienie, to z pewnością pomiar odległości czy kątów w różnych kierunkach daje inne wyniki. Oczywiście ma to znaczenie w „niewielkiej” skali rzędu milionów kilometrów, ale nie w skali kosmicznej, gdzie w grę wchodzą setki milionów lub miliardów lat świetlnych. Ale czy wpływ ciemnej materii na geometrię całego Wszechświata jest identyczny? Czy ciemna materia może mieć bardziej zdecydowany wpływ na geometrię przestrzeni w największej skali?

Wydaje się, że tak. Siła grawitacji pochodząca od „zwykłej” materii skupia ją w kształt dążący do idealnej kuli. Większość skupisk zwykłej materii ma rzeczywiście kształt zbliżony do kuli, gdyż to chyba jedyny kształt, który przy maksymalnej powierzchni zewnętrznej (sfery) ma minimalną objętość (wnętrze kuli), co minimalizuje ilość spożytkowanej energii na jej budowę. Ponieważ większość naukowców skłania się ku tezie, że nasz Wszechświat ma ograniczoną rozległość i skończoną objętość, to jego struktura przestrzenna musi być przez coś ograniczana. Być może funkcję tę spełnia właśnie ciemna materia, na wzór skupiania zwykłej materii w kształt kuli. Może to właśnie ciemna materia narzuca pewne rozwiązania geometryczne obserwowanej przez nas przestrzeni?

I jeszcze jeden wątek związany z korelacją upływu czegoś, co interpretujemy jako czas, z istniejącymi w naszym Wszechświecie siłami. Działające na początku Wielkiego Wybuchu główne, wydawałoby się najważniejsze siły (oddziaływanie silne, słabe i elektromagnetyzm) w bardzo krótkim czasie „zamknęły” dostępną energię w ograniczonych obszarach przestrzennych nazywanych obecnie przez nas cząstkami elementarnymi. Ale dopiero grawitacja, ta najsłabsza i wydawałoby się najmniej istotna z sił miała największy wpływ na dalszy rozwój Wszechświata, na jego strukturę, kształt i powstałe w nim rozmaite obiekty. To jedyna siła, która daje nam odpowiednio długi czas na jego rozwój i zmiany. Można pokusić się o stwierdzenie, że to siła grawitacji „tworzy” czas, co jest dla naszego istnienia niezmiernie istotne. Być może ten sposób rozumowania jest kompletnie nie naukowy, ale trudno oprzeć się wrażeniu, że dopiero ogromna słabość siły grawitacji daje szansę powstania czegoś rozsądnego w rozsądnym czasie. Bez niej i jej wpływu na całość Kosmosu nie byłoby nas i prawdopodobnie nikt nie miałby szansy o tym dyskutować …

Brzeg, wrzesień 2019

Struktura i geometria Wszechświata