Teoria Wielkiego Wybuchu
Wielki Wybuch, to największa
zagadka fizyki. Co naprawdę wydarzyło się na początku przestrzeni czasu? Czy
coś istniało wcześniej? Jeśli tak, to co? Fizycy tworzą coraz to nowe, bardziej
skomplikowane teorie o narodzinach wszystkiego. Wyjaśniamy pięć najważniejszych
z nich w taki sposób, aby mogli je zrozumieć nie tylko maniacy fizycy…
5x10^-44 Sekundy
Czas Plancka. Fizycy nazywają ten okres (0,000
000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
05 sekundy) czasem Plancka. Jest to najmniejsza z możliwych jednostek czasu.
Fizycy uważają ją za coś w rodzaju atomu czasu.
Scenariusz 1
Teoria „wszystko w jednym momencie”
Aby dotrzeć do
Wielkiego Wybuchu, musieliśmy cofnąć się o około 13,75 mld lat. W swoich
symulacjach fizycy coraz bardziej zbliżają się do Wielkiego Wybuchu, ale w
końcu docierają do punktu, w którym wszystkie obliczenia biorą w łeb, każda symulacja
wypluwa wyłącznie komunikaty o błędach. Kiedy bowiem dochodziło do tzw. czasu
Plancka, ułamka sekundy (5x
sekundy) po Wielkim Wybuchu, zawodzą klasyczne
prawa fizyki. Czas przestaje tu istnieć. Fizycy opisują ten okres jako
nieskończenie długi: czas, rozłożony na nieskończenie wiele interwałów,
rozciąga się do chwili właściwego Wielkiego Wybuchu. Dzięki temu można
wyjaśnić, jak w tym pierwszym ułamku sekundy mogło wydarzyć się tak wiele. To
wtedy powstała cała geometria przestrzenna z jej trzema dostrzegalnymi
wymiarami oraz czasu jako czwarty wymiar, uwolnione zostały niewyobrażalne
ilości energii i weszły w życie prawa przyrody. Wszystko to było możliwe tylko
dzięki temu, że pierwsza chwila trwała nieskończenie długo. To dlatego, według
założeń tej teorii, nie jesteśmy w stanie uchwycić samego Wielkiego Wybuchu.
10 wymiarów
Teoria Strun. W tzw.
Teorii strun najmniejsze cząsteczki materii rozumiane są jako drgające struny.
I podobnie jak na strunie gitary można grać różne dźwięki, tak samo struny
produkują różne cząsteczki. Obliczenia stojące za tą teorią mają jednak sens
jedynie w przestrzeni dziesięciowymiarowej. Według tej teorii nie dostrzegamy
siedmiu dodatkowych wymiarów, ponieważ nie rozwinęły się one podczas Wielkiego
Wybuchu i pozostają nieskończenie małe.
Scenariusz 2
Teoria zderzenia dwóch kul bilardowych
Przestrzeń taka, jaką
znamy, składa się z trzech wymiarów: długości, szerokości i wysokości.
Wszystko, co istnieje we Wszechświecie, może się poruszać wyłącznie w tych
granicach: w górę, w dół, w prawo, w lewo, w przód i w tył. Wielu fizyków
wierzy jednak, że istnieją więcej niż trzy wymiary. Wyobrażają sobie tzw.
hiperprzestrzeń, coś w rodzaju stołu bilardowego wyposażonego nie tylko w bandy
poprzeczne i wzdłużne oraz blat, lecz również w siedem innych band. Z tego
wyobrażenia fizycy wyprowadzają teorię Wielkiego Wybuchu rozgrywającego się na
stole bilardowym: dwa kompletnie puste trójwymiarowe światy toczyły się wzdłuż
tej samej bandy (czwarty wymiar) i w pewnym momencie zderzyły się ze sobą.
Energia tej „stłuczki” zamieniła się gwałtownie w materię i promieniowanie – to
był Wielki Wybuch.
1,6x10^-33
Centymetra
Długość Plancka. Mniejszej nie ma. Fizycy przypuszczają, że długość Plancka
(0,000
000 000 000 000 000 000 000 000 000
0016 cm) jest najmniejszą z możliwych jednostek przestrzeni. Być może nawet
sama przestrzeń składa się z cząstek o tym wręcz niewyobrażalnie małym
rozmiarze…
Scenariusz 3
Teoria Wszechświata powstającego wciąż na nowo
Według tradycyjnego rozumowania Wszechświat powstał dopiero w momencie, który
nazywamy Wielkim Wybuchem, a wcześniej nie było nic. Niektórzy fizycy wierzą
jednak we Wszechświat, który istniał od zawsze – również przed Wielkim
wybuchem. Rozwinęli oni teorię Wielkiego Odbicia. Zgodnie z tym scenariuszem
Wszechświat jest jak balon, który pęcznieje, potem się kurczy, następnie znów
rośnie – i tak w kółko. Nasz Wszechświat znajduje się aktualnie w fazie
pęcznienia. Kiedyś jednak pod ciężarem własnej grawitacji zapadnie się i
skurczy do rozmiarów niewyobrażalnie małego punktu o wielkości jednej długości
Plancka. Ponieważ nie będzie mógł się bardziej skurczyć, więc zacznie pęcznieć
– ten moment to według zwolenników tej teorii kolejny Wielki Wybuch lub raczej Wielkie
Odbicie. Wszechświat stwarza się więc wciąż na nowo.
10^-13 Centymetra
Minimalna Wielkość. Według wyliczeń fizyków czarna dziura we „wszechświecie
strunowym” musi mieć wielkość co najmniej
(0, 000 000 000 0001) cm, czyli
długości strunowych, aby podczas Wielkiego
Wybuchu mogła wydać z siebie Wszechświat. Dopiero wtedy może się w niej
nagromadzić wystarczająco dużo energii.
Scenariusz 4
Teoria Wszechświata z megaodkurzacza
Czarne dziury są
najdziwniejszymi i najbardziej żarłocznymi obiektami we Wszechświecie. Nic nie
jest w stanie im umknąć, nawet promieniowanie światła. Być może jednak czarne
dziury są również prawdziwymi dawcami życia i stwarzają nowe wszechświaty.
Niektórzy fizycy twierdzą, że tak właśnie powstał nasz Wszechświat. Kiedyś
jakaś czarna dziura w nieznanej nam przestrzeni osiągnęła stan maksymalnej
temperatury i gęstości energii – jak napięta do granic wytrzymałości sprężyna.
Następnie całe nagromadzone ciśnienie wyładowało się w Wielkim Wybuchu. Od
momentu, zdaniem fizyków, wszystko odbyło się według znanego i powszechnego
schematu: przestrzeń rozszerzała się, z energii powstała materia, tworzyły się
pierwsze galaktyki itd.
10^500 Światów
Wieloświat. Zgodnie z obliczeniami nasz Wszechświat jest tylko jednym spośród
do
(jedynka z 1000 zer) wszechświatów. Każdy z
nich powstaje z tej samej „piany”
Scenariusz 5
Teoria „nie jesteśmy sami”
Całe pokolenia fizyków wierzyły, że Wielki Wybuch był jedynym w swoim rodzaju.
Ale właściwie – dlaczego? Równie dobrze mogło być i tak, że gdzieś poza naszym
Wszechświatem wciąż dochodzi do podobnych wybuchów. Może Wszechświat jest tylko
jednym z wielu, częścią olbrzymiej zbiorowości? Tego zdania jest coraz więcej
naukowców. Traktują Wszechświat jak coś w rodzaju bańki w gigantycznej
„pianie”. Ta bańka powstała z niczego na skutek fluktuacji kwantowych, czyli
jakby powiewu wiatru, i w mgnieniu oka (a dokładniej: w czasie Plancka) urosła
do rozmiarów pomarańczy. Następnie jej wzrost zatrzymał się na krótko, a
nagromadzona energia wywołała się w Wielkim Wybuchu. Obliczenia fizyków
dowodzą, że w taki sposób mógł powstać nie tylko nasz Wszechświat. Istnieje
bowiem niemal nieskończenie wiele rozwiązań równań, z których wynikają
najróżniejsze wszechświaty. Według tej teorii wieloświata powstają coraz to
nowe bańki z własnymi prawami przyrody – niektóre ciemne i pozbawione życia,
inne pełne niespodzianek.
Wieloświat, teoria
strun, hiperprzestrzeń…. Każda paczka z nową teorią Wielkiego Wybuchu powinna
być opatrzona napisem „Uwaga, tylko dla maniaków”, ponieważ dla wszystkich poza
takimi właśnie fantastykami fizyki, jak Sheldon Cooper i Leonard Hofstadter z
serialu telewizyjnego Teoria wielkiego podrywu, pojęcia te są niczym więcej jak
niezrozumiałym żargonem naukowców. A przecież można spróbować to wytłumaczyć
przy użyciu dużo prostszych określeń: piana morska, gitarowa struna, stół
bilardowy itd. Ale nawet jeśli z ich pomocą zrozumie się jedną czy dwie teorie,
i tak nie jest łatwo odnaleźć się w gąszczu różnorakich hipotez na temat
Wielkiego Wybuchu. Byłoby o wiele prościej, gdyby fizycy wreszcie przestali się
kłócić i ustalili wspólną wersję wydarzeń…
Dlaczego istnieje tak wiele teorii o Wielkim Wybuchu?
Każda teoria Wielkiego Wybuchu musi spełnić ważny warunek. Powinna wyjaśniać
nie tylko, co wydarzyło się na początku wszystkiego, ale też – dlaczego. I tu
rozpoczynają się problemy. Jeśli chodzi o „co”, fizycy są właściwie zgodni.
Około 14 miliardów lat temu Wszechświat był niewiarygodnie gorący, gęsty i
mały, zanim zaczął się błyskawicznie rozszerzać – dokładnie tak, jak mówi
piosenka w czołówce wspaniałego serialu: „Our whole universe was in a hot dense
state, then nearly fourteen bilion years ago expansion started”. Ale dlaczego
do tego doszło? Niektórzy fizycy, np. Andriej Linde z Uniwersytetu Stanforda,
są zwolennikami teorii wieloświata, którą można by też nazwać teorię „piany”.
Zgodnie z nią istnieje wiele wszechświatów, a każdy z nich jest jak bańka
mydlana, która spontanicznie powstaje i przemija (scenariusz 5). Zwolennicy
teorii strun zakładają istnienie Wszechświata złożonego z „gitarowych strun”,
który powstał na „stole bilardowym” (choć oni to nazywają hiperprzestrzenią).
Ich zdaniem cząstki elementarne, a więc np. elektrony czy jądra atomu, są
zbudowane z maleńkich, wibrujących strun. Częstotliwość ich drgania produkuje
każdorazowo inną cząstkę, tak jak na jednej strunie gitary można wygrywać różne
dźwięki. Brzmi zrozumiale? Kolejne założenie jest już niestety bardziej skomplikowane.
Otóż wszystkie obliczenia przeprowadzane w odrębnie teorii strun mają sens wyłącznie
wtedy, kiedy przyjmie się, że przestrzeń ma nie trzy wymiary, ale dziesięć. I
tu pojawia się nasz stół bilardowy. W tak zwanej hiperprzestrzeni, czyli na stole
bilardowym, na którym mógł powstać Wszechświat, są nie tylko bandy wzdłużne i
poprzeczne. Ten stół bilardowy ma co najmniej dziesięć band. Jeżeli zderzą się
na nim dwie trójwymiarowe kule, dochodzi do Wielkiego Wybuchu (scenariusz 2).
Czy kiedykolwiek poznamy prawdę?
Każde nowe odkrycie, jakiego fizycy i astronomowie dokonują za pomocą
supernowoczesnych teleskopów satelitarnych, detektorów promieniowania czy
potężnych akceleratorów cząsteczek, może oznaczać koniec dla którejś z licznych
teorii Wielkiego Wybuchu. Dopiero niedawno trzej naukowcy, obserwując eksplozje
odległych gwiazd, znaleźli poszlak przemawiające przeciwko teorii Wielkiego
Odbicia (scenariusz 3), za co zresztą zostali uhonorowani Nagrodą Nobla. Wydaje
się, że fizycy nigdy nie osiągną porozumienia co do którejś z tych teorii.
Nagie fakty nie będą bowiem w stanie odpowiedzieć na pytanie „dlaczego”. Poza
tym większości scenariuszy nie da się sprawdzić eksperymentalnie. – W tym celu
trzeba by zbudować akcelerator, który miałby wielkość Drogi Mlecznej – wyjaśnia
dr Tomasz Mrozek z Uniwersytetu Wrocławskiego. Tylko w jednym punkcie zgadzają
się prawie wszyscy: („Wszystko zaczęło się od Wielkiego Wybuchu!”).
