Jak bije puls Wszechświata Piotr Cieśliński 2007-07-10, ostatnia aktualizacja 2007-07-09 17:35 Wielki Wybuch nie był początkiem czasu, przestrzeni i naszego kosmosu. Historia Wszechświata sięga dalej wstecz, choć być może pamięć o tamtych czasach już się zatarła
Grupa fizyków z całego świata, w tym z Polski, pokusiła się o odpowiedź na pytania, które dotąd stawiali jedynie filozofowie: jak narodził się nasz świat i co było przedtem? Dowodzą, że Wielki Wybuch był tak naprawdę Wielkim Odbiciem. Przedtem istniał inny kosmos, który coraz bardziej się kurczył. Nagle - jak wynika z ich rachunków - zmienił kierunek. Odbił się i zaczął rozprężać, niczym ściśnięta i zwolniona sprężyna. Taki scenariusz kreślą uczeni w najnowszym "Nature Physics".
Einstein sobie nie poradził
Mało kto dziś już wątpi, że kilkanaście miliardów lat temu nastąpiło coś w rodzaju eksplozji - Wielkie Bum (ang. Big Bang), jak to po raz pierwszy prześmiewczo określił w radiowej pogadance BBC pod koniec lat 40. astrofizyk Fred Hoyle. Wtedy jeszcze wielu naukowców wierzyło we Wszechświat niezmienny, który jest od zawsze i aż po wieczność będzie taki sam. Bez wybuchowych narodzin i późniejszego dojrzewania. Musieli oni jednak skapitulować po wykryciu w latach 60. promieniowania tła - cieplnego echa gorącej epoki kosmosu. Wielki Wybuch stracił kpiące brzmienie, stał się kanonem współczesnej kosmologii, a potwierdza go dziś coraz więcej faktów - nie tylko obserwowana ucieczka galaktyk, ale i obfitość wodoru, helu i litu, trzech najlżejszych pierwiastków, które zdążyły się wypichcić w pierwotnej zupie cząstek elementarnych, zanim ta ostygła.
Dotychczas jednak wszelkie próby opisania chwili samego Wybuchu były skazane na niepowodzenie. Równania grawitacji Einsteina mówią, że kiedy cofamy się w czasie, przestrzeń się kurczy, materia i promieniowanie ściskają się do coraz mniejszej objętości, a więc wzrasta ich gęstość i temperatura. W chwili zerowej osiągają one wartość nieskończoną. Czy to był sam początek? Raczej tylko kres teorii.
W takich warunkach - ekstremalnie zagęszczonej materii - siła grawitacji staje się porównywalna z siłami jądrowymi, które rządzą we wnętrzu atomów. Do ich opisu potrzeba fizyki kwantowej, bo teoria Einsteina zawodzi. Z powodzeniem wyjaśnia, jak planety krążą wokół gwiazd, a gwiazdy wokół centrum galaktyki, ale nie potrafi wyjaśnić ruchu elektronów ani kwarków w atomie.
Nad stworzeniem jednolitej teorii, która łączyłaby mikro- i makrokosmos, pracowało w zeszłym wieku wielu fizyków, m.in. sam Einstein. Bezskutecznie. Dopiero w ostatnich latach pojawiła się nadzieja na sukces.
Życie toczy się w pianie
Jedną z prób "skwantowania" grawitacji podjął prof. Abhay Ashtekar, amerykański uczony hinduskiego pochodzenia, który pracuje na Uniwersytecie stanu Pensylwania w USA. Pod koniec lat 80. udało mu się ułożyć równania grawitacji kwantowej. Pomógł mu w tym prof. Jerzy Lewandowski z Uniwersytetu Warszawskiego, który po doktoracie wyjechał na stypendium Fulbrighta do USA. - Była nas wtedy tylko garstka zainteresowanych pętlami, sieciami i pianami spinowymi - opowiada.
Pętle, sieci i piana? - Taką strukturę ma przestrzeń w naszej teorii zwanej pętlową grawitacją kwantową - wyjaśnia badacz. - Popatrz na swoją koszulę, wydaje się zrobiona z gładkiego i ciągłego materiału, ale kiedy obejrzymy ją z bliska, pod mikroskopem, to dostrzeżemy, że w rzeczywistości jest utkana z nitek.
Współautor teorii, włoski fizyk i kosmolog dr Carlo Rovelli, sam wykonał model takiej przestrzeni na początku lat 90. Zapętlił mnóstwo kółeczek od kluczy (wszystkie - żartował - które znalazł w Weronie), by utworzyły coś w rodzaju chaotycznej kolczugi.
- Teraz jednak sądzimy, że bardziej odpowiednim modelem jest po prostu sieć, tj. zbiór wierzchołków połączonych jednowymiarowymi odcinkami - mówi prof. Lewandowski.
Oczywiście, w rzeczywistym świecie nie jesteśmy w stanie dostrzec ziarnistości naszej przestrzeni, nawet za pomocą najnowocześniejszych mikroskopów i instrumentów badawczych. Bo jej elementarne porcje, czyli kwanty, są niezwykle małe (rzędu jednej miliardowej miliardowej miliardowej części metra). Gdyby atom powiększyć do rozmiaru naszej Galaktyki, to elementarna komórka przestrzeni byłaby wciąż nie większa od bakterii.
Skąd wobec tego wiara, że spinowa piana istnieje? Czy można przeprowadzić eksperyment, który to potwierdzi lub obali? - W tej chwili, niestety, nie. To poza naszym zasięgiem - mówi prof. Lewandowski.
Ale kilka lat temu uzyskano wskazówkę, że teoria jest poprawna. Udało się wyliczyć jedną z podstawowych wielkości charakteryzujących czarną dziurę (tzw. entropię) i potwierdzić wynik wywiedziony wcześniej z podstawowych zasad fizyki. - Przyczynił się do tego mój magistrant Marcin Domagała i prof. Krzysztof Meissner - dodaje prof. Lewandowski.
Kosmiczna amnezja
Z kolei przed ośmioma laty niemiecki fizyk Martin Bojowald użył tej teorii do opisu całego Wszechświata. Najprostszego z możliwych - przypominającego jednorodne ciasto bez rodzynek (tj. bez galaktyk, a także bez promieniowania). Pierwszym zdumiewającym rezultatem było to, że taki kosmos nigdy nie osiągnie stanu o nieskończonej gęstości i temperaturze, co wynikało z równań Einsteina.
Rok temu prof. Ashtekar, dr Tomasz Pawłowski (były doktorant UW) oraz dr Parampreet Singh ulepszyli model Bojowalda, tak aby uwzględniał kwantowe własności materii. Okazało się, że w warunkach ekstremalnego ścisku pojawi się siła odpychająca - skutek ziarnistej struktury przestrzeni - która skutecznie przeciwstawi się sile grawitacji i wygra z nią. Kosmos zacznie rosnąć.
W świetle tej teorii Wielki Wybuch był więc ledwie przejściem z fazy kurczenia do rozszerzania. Ile takich odbić było już wcześniej? Czy Wszechświat nieustannie pulsuje?
Tego jeszcze nie wiadomo. Z obecnych szacunków ilości materii i energii wynika, że jest na granicy - być może będzie się teraz rozszerzał już wiecznie, a może grawitacja znowu przeważy.
Pesymistycznym wnioskiem z analizy modelu Bojowalda jest to, że część informacji o kosmosie sprzed Wielkiego Odbicia jest dla nas niedostępna. Została "stłumiona" w momencie odbicia i odtworzenie jej wymagałoby dziś pomiarów o precyzji w praktyce niemożliwej do osiągnięcia. Uczony nazywa to "kosmiczną amnezją". Być może więc nigdy nie dowiemy się, jak bardzo tamten kosmos różnił się od naszego.