Mała książka o Wielkim Wybuchu ebook

Tytuł oryginału

A LITTLE BOOK ABOUT THE BIG BANG

Copyright © 2022 by the President

and Fellows of Harvard College

All rights reserved

Projekt okładki

Paweł Panczakiewicz

Zdjęcie na okładce © Cornelius20 | Dreamstime.com

Redaktor prowadzący

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8295-890-4

Warszawa 2023

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Moim profesorom i kolegom,

którzy nauczyli mnie więcej,

niż im się zdawało

WSTĘP

DLACZEGO ISTNIEJE RACZEJ COŚ NIŻ NIC?

Oto mała książka, której treść koncentruje się wokół największego możliwego tematu: Wielkiego Wybuchu. Nie jest to książka o telewizyjnym serialu komediowym1. To książka o kosmologii. Kosmologia, zgodnie z tym, co myślą o niej sami kosmolodzy, jest dziedziną nauki, która zajmuje się badaniami struktury i ewolucji Wszechświata jako całości. Na przestrzeni ostatnich stu lat w coraz większym stopniu badania te dotyczyły wczesnego okresu istnienia Wszechświata i takich zagadnień, jak pochodzenie galaktyk, analiza obfitości najlżejszych pierwiastków chemicznych, obserwacje przenikającego przestrzeń kosmiczną promieniowania cieplnego i zgłębianie natury egzotycznych zjawisk, których nie możemy poddać bezpośrednim obserwacjom – ciemnej materii i ciemnej energii. Ogólnie rzecz biorąc, kosmologów interesuje nasz Wszechświat w jego pierwszych wiekach, latach, nawet ułamkach sekund, jakie upłynęły od jego narodzin. Precyzyjnie mówiąc, kosmologia zajmuje się teoretycznym opisem pochodzenia Wszechświata, czyli Wielkiego Wybuchu.

Czasami o kosmologii mówi się, że jest to dziedzina, w której dochodzi do spotkania fizyki z filozofią. Do pewnego stopnia stwierdzenie to jest prawdziwe, do pewnego stopnia wręcz się ono narzuca. Jeśli się dobrze zastanowimy, to dojdziemy do wniosku, że cała nauka sprowadza się do stawiania pytań i poszukiwania na nie odpowiedzi. Gdy zaś będziemy zadawali dostatecznie dużo pytań, nieuniknione jest to, że w końcu zabraknie nam odpowiedzi. Kosmologia jest wyjątkowo podatna na takie trudności. Kiedy rozmowa schodzi na Wielki Wybuch, pierwsze pytanie, jakie zadaje osoba niezwiązana z tą dziedziną nauki (czyli zdecydowana większość ludzi), brzmi następująco: „A co było przed Wielkim Wybuchem?”. Jest to pytanie ze wszech miar naturalne i uprawnione, lecz obecnie nie znamy na nie odpowiedzi i taki stan rzeczy raczej będzie utrzymywał się jeszcze długo po śmierci autora tej książki.

Mimo wątpliwości zamierzam zadawać zarówno pytania, jakie przychodzą do głowy laikom, jak i takie, o których nie pomyśleliby, i będę próbował odpowiedzieć na nie najprościej, jak tylko potrafię. Ponieważ piszę tę książkę głównie z myślą o ludziach, którzy ciekawi są nauki, lecz brak im wykształcenia i matematycznego przygotowania, moi koledzy po fachu zauważą, że ścisłość i kompletność nie były dla mnie najważniejsze, albowiem moim celem nie było omówienie jak największego obszaru – chodziło mi raczej o odsłonięcie obszaru możliwie najwęższego.

Mając to na względzie, próbowałem do minimum zredukować stosowanie fachowego słownictwa i choć pojawi się dostatecznie dużo liczb, aby każdego zadowolić, w tekście nie występuje żaden wzór bardziej skomplikowany niż ten na linię prostą. Wszystko inne przerzuciłem do kilku przypisów. Zakładam również, że czytelnicy są w stanie zrozumieć podstawowe wykresy i będą skłonni prześledzić nieco bardziej szczegółowe wywody. Równocześnie w pełni zgadzam się z jednym z niezliczonych aforyzmów błędnie przypisywanych Einsteinowi: „Wszystko powinno być możliwie najprostsze, ale nie prostsze”. Na przestrzeni lat zyskałem przekonanie, że naprawdę istnieje poziom, poniżej którego pewnych rzeczy nie można dalej upraszczać. W kosmologii poziom ten wyznaczany jest przede wszystkim przez matematyczną naturę tej dziedziny nauki. Jeżeli nie będę w stanie wytłumaczyć matematyki za pomocą zrozumiałych pojęć, zrezygnuję z podejmowania daremnych prób.

Mimo braku w tej książce czegokolwiek, co przypominałoby prawdziwą matematykę, jednym z moich zamiarów jest przekonanie czytelników, że nowoczesna kosmologia jest nadzwyczajnym gmachem wzniesionym na solidnych podstawach i powinni zostać jej wyznawcami. W tym celu każdy rozdział bazuje na treści poprzedniego. Lekturę książki powinno się zacząć od samego początku. Ostatnia linijka ma wzbudzić zaciekawienie i sprawić, że niecierpliwie będziecie chcieli kontynuować.

Jak już wspomniałem, kosmologia zadaje poważne pytania. Zgłębiając pojęciowe podstawy nowoczesnej teorii Wielkiego Wybuchu, żywię nadzieję, że nie będziemy wzbraniali się przed zadawaniem takich pytań. Jak powiedział kiedyś mój mentor: „Zadając głupie pytanie, można poczuć się głupio. Jeśli nie będziemy zadawać głupich pytań, pozostaniemy głupcami”.

Nieuchronne jest to, że im dalej się zapuścimy w meandry tematów poruszanych w tej książce, pytań będzie więcej niż odpowiedzi. W końcu próba uchwycenia tego, co nieuchwytne, to tylko drobny krok od „Co było przed Wielkim Wybuchem?” do ostatecznej zagadki zawartej w pytaniu: „Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?”. Skoro zatem w taki czy inny sposób ludzie zadają to pytanie przez całe tysiąclecia i nie mogą wypracować jednej zgodnej opinii, rozsądek podpowiada, że w tej książce odpowiedzi również nie znajdziecie. W istocie, jeśli zadamy to pytanie jakiemukolwiek uczciwemu kosmologowi, jedyna odpowiedź, jaką usłyszymy, będzie brzmiała: „Nie wiem”. Łatwiejsze jest pytanie: „Czy te równania, zapisane na białej tablicy w serialu komediowym, mają jakiś sens?”. Odpowiedź brzmi: tak. Jednakże osobiste doświadczenie podpowiada, że kosmolodzy mają ograniczone kompetencje, aby wypowiadać się w kwestii kosmetyków.

***

Ponieważ książka ta skierowana jest do przeciętnego czytelnika, będę posługiwał się bardziej analogiami niż równaniami. Wiąże się z tym pewne niebezpieczeństwo, prędzej czy później bowiem każda analogia się załamuje. Analogie, jak teorie, są modelami rzeczywistości, a nie rzeczywistością. W przypadku Wielkiego Wybuchu kosmolodzy zwykle odwołują się do balonów, aby wytłumaczyć określone włas­ności rozszerzającego się Wszechświata, jednak prawdziwy Wszechświat to nie balon, analogia nie jest więc idealna. W rozważaniu analogii kluczowe jest wyraziste wskazanie różnic między nią a rzeczywistością.

Już kilka razy użyłem słowa teoria. Pozwolę sobie podkreślić, że gdy termin ten stosowany jest przez naukowca, ma on nieco inne znaczenie niż w języku potocznym. Audycje radiowe często karmią słuchaczy stwierdzeniami, iż prokurator ma pewną teorię na temat zbrodni, podczas gdy adwokat obrony ma teorię, że prokurator oszalał. Zwykle chodzi wówczas o domysły formułowane bez żadnych dowodów, a sytuacja zmienia się zbyt często, aby cokolwiek z tego zrozumieć.

Teoria fizyczna przeciwnie – stanowi mocno splecioną sieć pomysłów i przewidywań, wspartych matematyką oraz solidnie umocowanych w materiale zebranym na drodze eksperymentów i obserwacji. Kiedy kosmolodzy mówią o teorii Wielkiego Wybuchu, odnoszą się właśnie do takiej sieci przewidywań i obserwacji. Elementy teorii Wielkiego Wybuchu były drobiazgowo badane przez całe stulecie i tak wiele precyzyjnych obserwacji świadczy o poprawności kształtowanego obrazu, że kosmolodzy czują, iż ich dziedzina przypomina już bardziej inżynierię niż sferę badań podstawowych. Warto wierzyć w nowoczesną kosmologię.

***

Przede wszystkim nadal utrzymuje się fundamentalna różnica, dzieląca kosmologię od innych dziedzin nauki: istnieje tylko jeden obserwowalny Wszechświat. Istotą większości dyscyplin naukowych jest eksperymentowanie i powtarzanie wyników. Producent leków testuje szczepionkę, przeprowadzając próby kliniczne na dużej liczbie uczestników badań. Jeżeli wyniku nie mogą powtórzyć naukowcy na całym świecie, to szczepionka nie zyskuje akceptacji jako godny zaufania preparat. Kosmolodzy, przynajmniej w dzisiejszych czasach, są pozbawieni możliwości przeprowadzania eksperymentów na wielu wszechświatach, toteż nie mogą z pełnym przekonaniem stwierdzić, jak wyglądałby wszechświat, gdyby na początku warunki były trochę inne.

Niemniej jednak, choć kosmolodzy nie są w stanie powiedzieć wszystkiego, to mogą powiedzieć dużo więcej niż nic. Skoro mamy do dyspozycji wyłącznie jeden wszechświat, to trudność sprawia rozważanie go jako całości i szukanie odpowiedzi na najbardziej fundamentalne pytania. Świadomi tych braków kosmolodzy czerpią z danych i obserwacji zebranych przez ich bliskich kuzynów, astronomów. Astronomowie tradycyjnie zajmują się badaniami planet, gwiazd i galaktyk, prowadzonymi za pomocą teleskopów naziemnych lub umieszczonych na niskiej orbicie okołoziemskiej. Owszem, astronomowie są szczurami lądowymi. Na razie żaden statek kosmiczny albo teleskop nie znalazł się nawet w pobliżu innej gwiazdy, nie wspominając o innej galaktyce, co oznacza, że prowadzenie eksperymentów z udziałem obiektów astronomicznych nie jest możliwe. Nie bez powodu astronomię nazywa się nauką obserwacyjną.

Podstawowym założeniem, na którym opierają się badania astronomiczne, jest to, że fundamentalne prawa fizyki są jednakowe w całym Wszechświecie. Astrofizycy, kolejni bliscy kuzyni kosmologów i astronomów, stosowali te prawa do rozszyfrowywania zachowania gwiazd i galaktyk. Ponieważ posyłanie sondy w odległe rejony kosmosu jest przedsięwzięciem zupełnie niepraktycznym, przynajmniej ze względu na czas trwania cywilizacji, zawsze polegaliśmy na świetle lub innych posłańcach, docierających do Ziemi i przynoszących ze sobą informacje o najdalszych zakątkach Wszechświata. Tak naprawdę jednym z wielkich triumfów nowoczesnej nauki jest to, że bez ruszania się z powierzchni planety zdołaliśmy się tak wiele dowiedzieć o kosmosie na podstawie założenia, iż znane nam prawa natury mają zastosowanie w każdym innym miejscu. Otwartą kwestią jest to, do jakiego stopnia znana nam fizyka ma zastosowanie do Wszechświata jako całości.

Kosmolodzy podejmują próby rekonstrukcji ewolucji Wszechświata, wykorzystując to samo podejście co astronomowie i astrofizycy: wykonując obliczenia na papierze albo w komputerze, stosujemy znane prawa fizyki, aby z zachowaniem matematycznej spójności modelować badany układ i sprawdzać, czy uzyskane wyniki zgadzają się z obserwacjami. Układem może być gromada galaktyk lub cały Wszechświat. Jeśli przewidywania naszego modelu zgadzają się z obserwacjami, to wychodzimy na piwo. Jeżeli się nie zgadzają, szukamy błędów w warstwie matematycznej. Kiedy żadnego nie znajdujemy, szukamy błędów w warstwie koncepcji. Gdy zaś, koniec końców, żaden model nie zgadza się z obserwacjami, dodajemy nowe zjawiska. Jeżeli te nowe zjawiska poprawiają wyniki, prosimy naszych kolegów od obserwacji, aby zaczęli poszukiwania.

Naukowiec powinien wystrzegać się jednego – nie należy dodawać egzotycznych zjawisk, zanim wszelkie zwyczajne objaśnienia zostaną wyczerpane. Kiedy myślimy o pierwszych chwilach zaraz po Wielkim Wybuchu, hmmm...

***

W tym miejscu możecie się zastanawiać, gdzie dokładnie kończy się astronomia i astrofizyka, a zaczyna kosmologia. Nie ma wyraźnej linii granicznej i na ogół jest tak, że naukowiec pracujący w jednej z tych dziedzin całkiem dobrze orientuje się w pozostałych. Różnica zwykle kryje się w skali. Jak wspominałem, astronomia i astrofizyka tradycyjnie zajmują się gwiazdami, planetami i galaktykami, w ostatnim czasie również całymi gromadami galaktyk, a nawet supergromadami, czyli gromadami gromad galaktyk. Kosmolog patrzy na to z największej możliwej do wyobrażenia perspektywy, która zaczyna ukazywać się gdzieś na poziomie supergromady, po czym zadaje pytanie, jak doszło do tego, że wszystko to składa się na obserwowany Wszechświat. Mimo że prawa fizyki rządzące zachowaniem galaktyk są takie same dla gwiazd, w książce tej nie będziemy zajmowali się gwiazdami lub planetami. Ledwie wspomnimy o czarnych dziurach, które same w sobie są fascynujące, ale z perspektywy kosmologicznej to obiekty tak małe, że nie mają znaczenia.

Zdaniem kosmologów bardzo pomocne jest pamiętanie o różnych skalach astronomicznych. W całej książce będę używał standardowego w astronomii sposobu określania odległości w kategoriach czasu, jakiego potrzebuje światło, aby pokonać tę odległość. Może wiecie, że wyemitowane przez Słońce światło dociera do Ziemi w ciągu ośmiu minut. Zaokrąglijmy ten wynik do dziesięciu minut. Możemy wówczas powiedzieć, że Ziemia leży w odległości około dziesięciu minut świetlnych od Słońca. Analogicznie rok świetlny to po prostu odległość, jaką światło pokonuje w czasie jednego roku. Astronomowie nigdy nie zamieniają lat świetlnych na mile lub kilometry, więc my również nie powinniśmy tego robić. Powinniśmy za to nabrać wyczucia różnych skal odległości we Wszechświecie:

cztery lata świetlne to odległość do najbliższej gwiazdy sąsiadującej ze Słońcem;

100 000 lat świetlnych to w przybliżeniu średnica naszej galaktyki Drogi Mlecznej;

miliony lat świetlnych to dystans, na jakim rozpościera się gromada galaktyk;

setki milionów lat świetlnych to rozmiar supergromady galaktyk;

14 miliardów lat świetlnych to w przybliżeniu rozmiar obserwowalnego Wszechświata.

***

Tak wygląda skala w kosmologii, skala, której dotyczy niniejsza książka.

Czy możecie oczekiwać porady w sprawie cienia do powiek i tuszu do rzęs? Nie.