Czy jesteśmy dość inteligentni, aby pojąć Wszechświat?

Czy jesteśmy dość inteligentni, aby pojąć Wszechświat?
Dający się obserwować Wszechświat można niekiedy podać na talerzu, tak jak to uczynił niedawno muzyk Pablo Carlos Budassi, łącząc logarytmiczne mapy z Uniwersytetu Princeton i NASA w jeden barwny dysk. To model geocentryczny - na środku talerza jest Ziemia, na krawędziach - plazma wytworzona w Wielkim Wybuchu.

Wizualizacja dobra jak każda inna, a nawet lepsza niż inne, bo bliska ludzkiemu punktowi widzenia. Teorii dotyczących struktury, dynamiki i losu Wszechświata jest wiele, a przyjęty od dekad paradygmat kosmologiczny zdaje się ostatnio nieco kruszyć. Coraz częściej np. słychać głosy negujące teorię Wielkiego Wybuchu.

Wszechświat to malowany od lat w „głównym nurcie” fizyki i kosmologii ogród osobliwości wypełniony dziwacznymi fenomenami, takimi jak gigantyczne kwazary oddalające się od nas z zawrotną prędkością, ciemna materia, której nikt nie wykrył i która nie daje żadnych śladów w akceleratorach, a jest „potrzebna” do wyjaśnienia zbyt szybkiego tempa obrotu galaktyk, i w końcu Wielki Wybuch, który skazuje całą fizykę na borykanie się z niemożliwą do wyjaśnienia, przynajmniej na razie, osobliwością.

Big Bang, czyli Wielki Wybuch
Big Bang, czyli Wielki Wybuch

 

Fajerwerków nie było

Osobliwość Wielkiego Wybuchu wynika bezpośrednio i nieuchronnie z matematyki ogólnej teorii względności. Jednak niektórzy naukowcy widzą w nim zjawisko problematyczne, ponieważ matematyka potrafi wyjaśniać tylko to, co stało się zaraz po… - ale nie wie, co było w samym osobliwym punkcie, przed wielkim fajerwerkiem (2).

Wielu naukowców wzdraga się na myśl o osobliwości. Choćby z tego względu, że, jak to ujął niedawno Ali Ahmed Farag z Uniwersytetu Benha w Egipcie, „prawa fizyki przestają tam działać”. Farag, wraz z kolegą Sauryą Dasem z Uniwersytetu w Lethbridge w Kanadzie, przedstawili w artykule opublikowanym w 2015 r. w „Physics Letters B” model, w którym Wszechświat nie ma początku ani końca, a więc nie ma w nim również osobliwości.

Obu fizyków zainspirowały prace Davida Bohma z lat 50. XX wieku. Rozważał on zamianę znanych z ogólnej teorii względności linii geodezyjnych (najkrótszych linii łączących dwa punkty) przez trajektorie kwantowe. W swoim artykule Farag i Das zastosowali te trajektorie Bohma do równania opracowanego w 1950 r. przez fizyka Amala Kumara Raychaudhuriego z Uniwersytetu w Kalkucie. Raychaudhuri był również nauczycielem Dasa, gdy ten studiował w latach 90. Wykorzystując równanie Raychaudhuriego, Ali i Das wyprowadzili kwantowo skorygowane równanie Friedmana, które z kolei opisuje ewolucję Wszechświata (w tym Wielki Wybuch) w kontekście ogólnej teorii względności. Chociaż nie jest to prawdziwa teoria grawitacji kwantowej, model zawiera elementy zarówno teorii kwantowej, jak i ogólnej teorii względności. Farag i Das spodziewają się także, że ich wyniki będą prawdziwe nawet wtedy, gdy pełna teoria kwantowej grawitacji zostanie wreszcie sformułowana.

Teoria Faraga i Dasa nie przewiduje Wielkiego Wybuchu, podobnie jak zakładanej wielkiej zapaści ponownie do stanu osobliwości. Trajektorie kwantowe, którymi posługują się Farag i Das, nie łączą się nigdy, a zatem nigdy nie utworzą punktu osobliwego. W kategoriach kosmologicznych, jak wyjaśniają naukowcy, poprawki kwantowe mogą być traktowane jak stała kosmologiczna i nie ma konieczności wprowadzania ciemnej energii. Stała kosmologiczna powoduje, że rozwiązaniem równań Einsteina może być świat o skończonej wielkości i nieskończonym wieku.

Big Bang, czyli Wielki Wybuch
Big Bang, czyli Wielki Wybuch

Nie jest to jedyna w ostatnich czasach teoria podważająca koncepcje Big Bangu (Wielkiego Wybuchu). Pojawiają się np. hipotezy zakładające, iż gdy pojawiły się czas i przestrzeń, narodził się też drugi Wszechświat, w którym czas płynie do tyłu. Taką wizję prezentuje międzynarodowy zespół fizyków w składzie: Tim Koslowski z Uniwersytetu Nowego Brunszwiku, Flavio Mercati z Instytutu Fizyki Teoretycznej Perimeter i Julian Barboura. Powstałe w chwili Wielkiego Wybuchu dwa Wszechświaty mają być w tej teorii własnymi lustrzanymi odbiciami (3), więc panują w nich odmienne prawa fizyki i inne odczucie upływającego czasu. Być może przenikają się one wzajemnie. To, czy czas płynie w nich do przodu, czy do tyłu, wyznacza kontrast pomiędzy wysoką i niską entropią.

Z kolei autor innej nowej propozycji modelu wszystkiego, Wun-Ji Szu z Narodowego Uniwersytetu Tajwanu, opisuje czas i przestrzeń nie jako rzeczy odrębne, lecz ściśle powiązane ze sobą, mogące zamieniać się wzajemnie, przechodzące jedno w drugie. Ani prędkość światła, ani stała grawitacyjna nie są w tym modelu niezmienne, lecz stanowią czynniki przemiany czasu i masy w rozmiary i przestrzeń, co dzieje się trakcie rozszerzania się Wszechświata. Teoria Szu, jak wiele innych przewijających się w akademickim świecie koncepcji, może być oczywiście traktowana jako fantazjowanie, jednak model rozszerzającego się Wszechświata z 68% ciemnej energii, która powoduje rozszerzanie, też sprawia kłopoty. Niektórzy zwracają uwagę, że w tej teorii naukowcy „zamietli pod dywan” fizyczne prawo zachowania energii. Teoria Tajwańczyka nie narusza zasad zachowania energii, ale z kolei ma kłopot z mikrofalowym promieniowaniem tła, uważanym za relikt Wielkiego Wybuchu. Coś za coś.

 

Ciemnej nie widać i już

Kandydatur do zaszczytnego miana ciemnej materii jest wiele. Słabo oddziałujące masywne cząstki, silnie oddziałujące masywne cząstki, sterylne neutrina, neutralina, aksjony - a to tylko niektóre z rozwiązań zagadki „niewidzialnej” materii we Wszechświecie, które zaproponowali dotychczas teoretycy.

Przez dekady najpopularniejszymi kandydatami były hipotetyczne, ciężkie (dziesięć razy cięższe od protonu) słabo oddziałujące cząstki, nazywane WIMP-ami. Miały być aktywne w początkowej fazie istnienia Wszechświata, lecz w miarę jego schładzania i oddalania się cząstek ich interakcje zanikały. Z rachunków wynikało, że łączna masa WIMP-ów wynosić ma pięć razy więcej niż zwykłej materii, czyli akurat tyle, ile, jak szacowano, jest ciemnej materii.

Jednak żadnych śladów WIMP-ów nie znaleziono. Obecnie popularniejsze jest więc mówienie o poszukiwaniu sterylnych neutrin, hipotetycznych cząstek odpowiadających za działanie ciemnej materii, o zerowym ładunku elektrycznym i bardzo małej masie. Czasem neutrino sterylne traktowane jest jako czwarta generacja neutrin (obok neutrina elektronowego, mionowego i taonowego). Jego charakterystyczną cechą jest to, że oddziałuje z materią tylko grawitacyjnie. Jest oznaczane symbolem νs.

Oznaczenia neutrin
Oznaczenia neutrin

Oscylacje neutrin teoretycznie mogłyby zamieniać neutrina mionowe w sterylne, co powodowałoby spadek ich liczby w detektorze. Jest to szczególnie prawdopodobne po przejściu wiązki neutrin przez obszar o dużej gęstości materii, taki jak jądro Ziemi. Dlatego detektor IceCube na biegunie południowym został użyty do obserwacji neutrin przychodzących z półkuli północnej, w zakresie energii od 320 GeV do 20 TeV, w którym spodziewano się wyraźnego sygnału w przypadku istnienia neutrin sterylnych. Niestety, analiza danych z zaobserwowanych zdarzeń pozwoliła na wykluczenie istnienia neutrin sterylnych w dostępnym obszarze przestrzeni parametrów, na tzw. poziomie ufności 99%.

W lipcu 2016 r., po dwudziestu miesiącach trwania eksperymentu w detektorze Large Underground Xenon (LUX), uczeni nie mieli do powiedzenia nic poza tym, że... nic nie wykryli. Podobnie nic do powiedzenia na temat ciemnej materii nie mają naukowcy z laboratorium na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej oraz fizycy z CERN, którzy liczyli na wytworzenie ciemnej materii w drugiej odsłonie Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Trzeba więc szukać dalej. Uczeni mówią: być może ciemna materia jest jeszcze czymś zupełnie innym niż WIMP-y i neutrino, lub cokolwiek, co nam się wydawało - i budują LUX-ZEPLIN, nowy detektor, który ma być siedemdziesiąt razy czulszy niż dotychczas działający.

Nauka pogrąża się w zwątpieniu, co do tego, czy w ogóle jest coś takiego jak ciemna materia, a tymczasem całkiem niedawno astronomowie zaobserwowali galaktykę, która mimo masy podobnej do Drogi Mlecznej, w 99,99% jest zbudowana właśnie z ciemnej materii. Informację o odkryciu podało Obserwatorium W.M. Keck. Chodzi o galaktykę Dragonfly 44 (Ważka 44). Jej istnienie potwierdzono dopiero w ubiegłym roku, gdy sieć teleskopów Dragonfly Telephoto Array obserwowała fragment nieba w gwiazdozbiorze Warkocza Bereniki. Okazało się, że galaktyka zawiera dużo więcej, niż widać na pierwszy rzut oka. Ponieważ liczy niewiele gwiazd, szybko by się rozpadła, gdyby tajemnicze coś nie pomagało utrzymać wchodzących w jej skład obiektów razem. Ciemna materia?

Galaktyka Dragonfly 44

 

Symulacja?

Hipoteza Wszechświata jako hologramu, pomimo że zajmują się nią ludzie z poważnymi tytułami naukowymi, wciąż traktowana jest jako mglisty obszar z pogranicza nauki. Może dlatego, że naukowcy też są ludźmi i trudno im się pogodzić z konsekwencjami myślowymi prowadzonych w tym względzie badań. Juan Maldacena, wychodząc od teorii strun, nakreślił wizję Wszechświata, w którym drgające w dziewięciowymiarowej przestrzeni struny tworzą naszą rzeczywistość będącą jedynie hologramem - projekcją płaskiego świata bez grawitacji.

Opublikowane w 2015 r. wyniki badań austriackich naukowców wskazują, że Wszechświat potrzebuje mniej wymiarów, niż się przypuszcza. Trójwymiarowe Uniwersum może być po prostu dwuwymiarową strukturą informacyjną znajdującą się na horyzoncie kosmologicznym. Uczeni porównują go do hologramów, jakie znajdują się na kartach kredytowych - w rzeczywistości są one dwuwymiarowe, choć my widzimy je jako trójwymiarowe. Zdaniem Daniela Grumillera z Uniwersytetu Technologicznego w Wiedniu nasz Wszechświat jest dość płaski i ma dodatnią krzywiznę. Grumiller wyjaśniał na łamach „Physical Review Letters”, że jeśli grawitacja kwantowa w płaskiej przestrzeni pozwala na holograficzny opis poprzez standardową teorię kwantową, to muszą istnieć również wielkości fizyczne, które da się obliczyć w obu teoriach - a wyniki muszą być zgodne. Zwłaszcza jedna kluczowa cecha mechaniki kwantowej - splątanie kwantowe - musi pojawić się w teorii grawitacji.

Niektórzy idą dalej, mówiąc nie o projekcji holograficznej, lecz wręcz o symulacji komputerowej. Dwa lata temu znany astrofizyk i laureat nagrody Nobla, George Smoot, zaprezentował argumenty na to, że ludzkość żyje wewnątrz takiej właśnie komputerowej symulacji. Twierdzi, że jest to możliwe chociażby ze względu na rozwój gier komputerowych, które teoretycznie stanowią przecież zalążek wirtualnej rzeczywistości. „Czy ludzie wyprodukują kiedyś realistyczne symulacje? Odpowiedź brzmi: tak”, mówił w jednym z wywiadów. „Wyraźnie widać, że dokonuje się w tej kwestii znaczący postęp. Wystarczy spojrzeć na pierwszego „Ponga” i gry tworzone dzisiaj. Nie minie wiele czasu, gdy już ok. 2045 r. będziemy mogli przenosić nasze umysły do komputerów”.

Wszechświat jako holograficzna projekcja
Wszechświat jako holograficzna projekcja

Biorąc pod uwagę, że już teraz dzięki użyciu rezonansu magnetycznego jesteśmy w stanie mapować konkretne neurony w mózgu, to wykorzystanie tej technologii do innych celów nie powinno być problemem. Potem zaś działać może rzeczywistość wirtualna, która umożliwia kontakt z tysiącami ludzi i stanowi formę stymulacji dla mózgu. Zdaniem Smoota mogło się to już zdarzyć w przeszłości, a nasz świat stanowi zaawansowaną sieć wirtualnych symulacji. Co więcej, taka sytuacja mogła mieć już miejsce nieskończoną ilość razy! Możemy więc żyć w symulacji, która znajduje się w innej symulacji, mieszczącej się w kolejnej symulacji, która… i tak dalej, aż do nieskończoności.

Świat, a tym bardziej Wszechświat, niestety nie jest więc nam podany na talerzu. To raczej my sami stanowimy część, bardzo drobną, dania, które - jak widać po niektórych hipotezach - być może niekoniecznie przyrządzono dla nas.

Czy ta znikoma część Wszechświata, jaką - przynajmniej w materialistycznym rozumieniu - stanowimy, będzie kiedyś w stanie poznać całość konstrukcji? Czy jesteśmy wystarczająco inteligentni, aby zrozumieć i zgłębić tajemnicę Uniwersum? Być może nie. Gdybyśmy jednak kiedykolwiek uznali, że ostatecznie nie damy rady, to trudno nie zauważyć, iż to też byłby, w specyficznym sensie, rodzaj ostatecznego ogarnięcia natury wszechrzeczy...