Ferment na skalę wszechświatową, z którego na razie niewiele wynika
Nie dla każdego np. jest oczywiste, jaki jest jego wiek. Łącząc istniejącą teorię rozszerzającego się Wszechświata z mniej znaną, starą, hipotezą starzenia się światła, Rajendra Gupta z uniwersytetu w Ottawie w Kanadzie odkrył, że Wielki Wybuch mógł mieć miejsce 26,7 miliarda lat temu (1). To dwa razy więcej, niż przewidują obecne modele, więc propozycja jest rewolucyjna. Z drugiej strony mogłaby wyjaśnić, dlaczego najodleglejsze galaktyki, np. w głośnych w ostatnim czasie obserwacjach teleskopu Webba, wyglądają zaskakująco dojrzale jak na obiekty, które zgodnie z obowiązującym modelem mogą istnieć zaledwie ok. pół miliarda lat.
Hybrydowa hipoteza Gupty zakłada, że Wszechświat jest większy i starszy. Wychodzi od dwóch modeli rozszerzającego się Wszechświata, jednego opartego na standardowych założeniach dotyczących równomierności i płaskości kosmosu oraz drugiego, który wprowadza tak zwaną stałą sprzężenia, opisującą interakcje sił między cząstkami. Wszystkie oddziaływania cechują się stałą sprzężenia, która jednak niekoniecznie jest stała i zmienia się wraz z energią. Pozostawia to miejsce dla stałych sprzężenia, mogących zmieniać się na tyle, by wpływać na zachowanie światła, tracącego energię, czyli „starzejącego się” zgodnie z przypuszczeniem, sięgającym jeszcze lat 20. XX wieku i Fritza Zwicky’ego. A jeśli ta stała zmieniła się w czasie, nasze obliczenia dotyczące wieku Wszechświata mogą być znacznie zaniżone.„Nasz nowo opracowany model wydłuża czas formowania się galaktyk o kilka miliardów lat, co sprawia, że Wszechświat ma 26,7 miliarda lat, a nie 13,7, jak wcześniej szacowano”, wyjaśnia Gupta w publikacji na łamach „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”.
Model standardowy pęka?
Zacznijmy od wątpliwości dotyczących ogólnego modelu całości Wszechświata. Przez ponad pół wieku naukowcy opracowywali niezwykły opis ewolucji Wszechświata. Początkowo nazywany Wielkim Wybuchem, model ten był udoskonalany w miarę upływu czasu, aż stał się znany jako standardowy model kosmologii, kosmologia inflacyjna lub model ΛCDM, gdzie Λ jest grecką literą lambda i odnosi się do ciemnej energii, a CDM odnosi się do zimnej ciemnej materii.
W jego fundamentach pojawiają się od pewnego czasu pęknięcia. W niedawnej publikacji astrofizyk Fulvio Melia argumentuje, że nadszedł czas, aby rozważyć, czy model standardowy powinien nadal być tak standardowy. Podaje szereg przykładów, które, w jego ocenie, dowodzą, że ten model nie zapewnia spójnego opisu ewolucji Wszechświata.
Pierwsza wątpliwość dotyczy inflacji. Melia wskazuje, że koncepcja, iż Wszechświat przeszedł przez wczesny okres gwałtownej ekspansji, okazała się przydatna w wyjaśnianiu mniejszych zjawisk na niebie, ale nie uwzględnia zachowania w największych skalach. Kolejny problem to fluktuacje kwantowo-mechaniczne, które jak głosi obowiązujący model, w najmniejszych skalach i w najwcześniejszym okresie kosmicznym doprowadziły do powstania całej struktury, którą widzimy dzisiaj, jednak zdaniem Melii, nie wiemy, jak zastosować mechanikę kwantową do Wszechświata jako całości. Wskazuje też na wspomniany problem różnych wyników przy określaniu stałej Hubble’a, na coraz wcześniejsze galaktyki odkrywane przez JWST, a także na inne problemy ze standardowym modelem kosmologicznym.
To nie koniec fermentu, a raczej początek. Od dziesięcioleci naukowcy dostrzegają, że Wszechświat nie tylko się rozszerza, ale także przyspiesza w tym procesie. Jednak, jak już wspomnieliśmy, jest wiele obserwacji i wyników, nie zawsze są zgodnych z modelami, które są powszechnie przyjmowane. Opublikowany w 2023 r. w czasopiśmie „Classical and Quantum Gravity” artykuł Lucasa Lombrisera, naukowca z Uniwersytetu Genewskiego, sugeruje, że nasze postrzeganie rozszerzającego się Wszechświata może być mirażem.
Podobnie jak Albert Einstein Lombriser proponuje, że Wszechświat jest w rzeczywistości statyczny. W jego matematycznym przeformułowaniu Wszechświata pole przenikające czasoprzestrzeń ustala masę stałej kosmologicznej, ale masa tego pola (wraz z cząstkami, które propaguje) zmienia się w czasie. Mówiąc prościej, te fluktuacje, które są powszechnie uważane za dowód ekspansji, są zamiast tego, zdaniem Lombrisera, zmianami masy cząstek w czasie, co również skutkuje większymi przesunięciami ku czerwieni dla odległych galaktyk. Co ciekawe, teoria Lombrisera pomaga również wyjaśnić problem ciemnej energii, która w tym ujęciu byłaby wynikiem istnienia „mas cząstek, które obrały inną ścieżkę ewolucji w późniejszych okresach Wszechświata”, jak to określa cytat z uczonego w serwisie „Live Science”. Oczywiście, podobnie jak w przypadku ciemnej energii i ciemnej materii, teoretyczny model Lombrisera jest również trudny do udowodnienia.
Korzystając z precyzyjnych pomiarów CMB, naukowcy ustalili, że nasz niegdyś gorący Wszechświat ostygł do temperatury –270ºC. Zgodnie z oczekiwaniami, temperatura Wszechświata jest prawie taka sama we wszystkich kierunkach. To „prawie taka sama” jest ważne, ponieważ już w 1971 roku naukowcy zdali sobie sprawę, że mogą dostrzec niewielkie różnice temperatur. Jeśli spojrzeli w kierunku gwiazdozbioru Lwa, zauważyli, że Wszechświat w tym kierunku był nieco cieplejszy (0,004ºC). I odwrotnie, gdy spojrzeli w przeciwnym kierunku, w kierunku gwiazdozbioru Wodnika, Wszechświat był chłodniejszy o tę samą wartość. Kiedy naukowcy odwzorowali tę różnicę temperatur z trójwymiarowego nieba na dwuwymiarową mapę, wynik wygląda jak gigantyczny, kosmiczny symbol yin-yang (2).
ruch Ziemi w porównaniu z resztą Wszechświata.
Zdjęcie: NASA. map.gsfc.nasa.gov,
Общественное достояние, commons.wikimedia.org
Obecnie widzialny Wszechświat jest kulą o średnicy 92 miliardów lat świetlnych (po uwzględnieniu efektów relatywistycznych), skupioną wokół Ziemi. Naukowcy uważają, że cały Wszechświat ma objętość co najmniej 125 milionów razy większą niż widzialny Wszechświat. W ten sam sposób, w jaki Ziemia porusza się względem Słońca, a Słońce względem Drogi Mlecznej, możliwe jest - a nawet prawdopodobne, że widzialny Wszechświat porusza się względem całego Wszechświata. Zatem widzialny Wszechświat nie jest w żadnym wypadku absolutnym układem współrzędnych.
Przez dziesięciolecia fizycy starali się opracować kwantową teorię grawitacji. Ale co, jeśli grawitacja - i czasoprzestrzeń mają mimo wszystko charakter klasyczny? Jonathan Oppenheim, fizyk z University College London, opracowuje hybrydowe teorie, które mogłyby ujednolicić klasyczną grawitację i mechanikę kwantową. Podejrzewa on, że niepowodzenia w pogodzeniu mechaniki kwantowej i grawitacji wynikać mogą z błędnego założenia, że musi ona być skwantowana.
By poradzić sobie z tym głębokim konfliktem pojęciowym, większość teoretyków zwróciła się ku teorii strun, która wyobraża sobie, że materia i czasoprzestrzeń wyłaniają się z bardzo małych, wibrujących struktur. Inni zwrócili się ku pętlowej grawitacji kwantowej, która zastępuje gładką czasoprzestrzeń z ogólnej teorii względności Einsteina siecią powiązanych ze sobą pętli. W obu teoriach nasz znajomy, klasyczny świat w jakiś sposób wyłania się z fundamentalnie kwantowych bloków konstrukcyjnych.
Oppenheim był początkowo teoretykiem strun, krótce jednak poczuł się nieswojo z powodu skomplikowanych matematycznych akrobacji, które jego koledzy wykonywali, aby rozwiązać jeden z najbardziej znanych problemów współczesnej fizyki - paradoks informacyjny czarnej dziury. W 2017 roku rozpoczął poszukiwania alternatywnych rozwiązań, które pozwoliłyby uniknąć paradoksu informacyjnego, przyjmując za podstawę zarówno świat kwantowy, jak i klasyczny. Natknął się na mało znane badania nad kwantowo-klasycznymi teoriami hybrydowymi z lat 90. XX wieku, które od tamtej pory rozszerza i bada. Badając wzajemne powiązania między światem klasycznym i kwantowym, Oppenheim ma nadzieję znaleźć głębszą teorię, która nie jest ani kwantowa, ani klasyczna, ale stanowi pewnego rodzaju hybrydę.
Nie ma WIMP-ów - czy zatem istnieje ciemna materia?
Niezwykle ciemnym nomen omen obszarem w nauce jest zagadnienie ciemnej materii. Wiemy, że ciemna materia to nie bariony, czyli cząstki takie jak protony czy neutrony, ponieważ ustalono limit ilości materii barionowej, która mogła powstać podczas Wielkiego Wybuchu. Limit ten wynosi około 5 proc. całej materii i energii. Obserwacje supernowych pomagają nam oszacować, że materia barionowa stanowi około 4,82 proc. Ciemna energia zajmuje lwią część - 69 proc. Wszechświata. Reszta to ciemna materia. Mamy również silne powody, by wierzyć, że ciemna materia jest „zimna”, co oznaczałoby, że jest wolno poruszającą się, masywną cząstką, a nie jakimś rodzajem promieniowania.
Współcześni kosmolodzy dysponują dziesiątkami niezależnych dowodów wskazujących na istnienie ciemnej materii, od zachowania poszczególnych galaktyk po ewolucję całości Wszechświata. A jednak możemy wykryć jej obecność jedynie za pomocą grawitacji, co w praktyce oznacza, że nie mamy pojęcia, czym tak naprawdę jest, choć według szacunków stanowi ona ponad przeciętnie 85 proc. masy każdej galaktyki we Wszechświecie. Jeśli naukowcy nie znajdą wkrótce bardziej konkretnych dowodów na istnienie ciemnej materii, być może będziemy musieli radykalnie zmienić nasze rozumienie fundamentalnej fizyki - a wraz z nią samego Wszechświata.
W latach 80. XX wieku niektórzy teoretycy zaproponowali nowy wówczas rodzaj cząstek, nazwanych WIMP-ami, co pochodzi od angielskojęzycznego skrótu nazwy słabo oddziałującej masywnej cząstki. Zgodnie z założeniami, nie uczestniczyłyby w sile elektromagnetycznej, co czyniłoby je niewidocznymi dla bezpośredniej obserwacji (z małym wyjątkiem niezwykle rzadkiej interakcji z normalną materią poprzez słabe oddziaływanie jądrowe). Rozpoczął się pościg za tymi cząstkami (i Noblem), a na całym świecie pojawiły się zaawansowane projekty, takie jak kriogeniczne detektory ciemnej materii. Ich zadaniem było złapanie zabłąkanego ciężkiego WIMP-a. W miarę upływu lat eliminowano kolejne kandydatury na WIMP-a. Obecnie ramy poszukiwań są tak wąskie, że fizycy zastanawiają się, czy w ogóle nie mylimy się co do koncepcji ciemnej materii. Dziesiątki lat po rozpoczęciu tych misji całkowita liczba schwytanych lub wykrytych WIMP-ów wynosi... zero.
Koncepcja ciężkich WIMP-ów jest pochodną fizyki cząstek elementarnych. To jednak być może ślepa uliczka i należy szukać czegoś znacznie bardziej ulotnego, lżejszego. Znamy już jeden rodzaj cząstek, które są zarówno lekkie, jak i właściwie niewidzialne. To neutrina. Nie ustaliliśmy jeszcze dokładnej masy neutrina. Górne granice określają jego masę na nie większą niż około 500-tysięczna część masy elektronu (sam elektron jest około 2 tys. razy lżejszy od protonu). Sugeruje się też inne klasy nowych cząstek, znanych pod nazwą aksjonów, które również pasowałyby do koncepcji ultralekkich i niewidzialnych cząstek. Cząstki te przepłynęłyby przez nasze detektory bez śladu ich istnienia, co wyjaśniałoby, dlaczego nie znaleźliśmy jeszcze ciemnej materii. Poszukiwanie ultralekkich cząstek-duchów wymaga jednak radykalnie odmiennego podejścia niż poszukiwanie WIMP-ów.
Nowe eksperymenty, takie jak Axion Dark Matter eXpe-riment w Centrum Eksperymentalnej Fizyki Jądrowej i Astrofizyki Uniwersytetu Waszyngtońskiego, wykorzystują wnęki rezonansowe zakopane głęboko pod ziemią. Oparte jest to na nadziei, że gdy aksjon napotka niewiarygodnie silne pole magnetyczne, może od czasu do czasu przekształcić się w foton. Tak więc, jeśli zaprojektujemy eksperyment z bardzo silnym polem magnetycznym i znajdziemy w aparaturze więcej fotonów, niż się spodziewamy, może to być oznaka istnienia aksjonów wokół nas. Gdyby składające się z ciemnej materii hipotetyczne ciemne gwiazdy eksplodowały, tego rodzaju detektory mogłyby zaobserwować wybuchy aksjonów (sygnalizowane nagłym przypływem dodatkowych fotonów) zalewających detektory, podobnie jak widzimy błysk światła, gdy wybuchają gwiezdne supernowe. Korzystając z potężnego akceleratora cząstek, naukowcy z Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) podjęli niedawno próbę stworzenia bardzo lekkiej formy ciemnej materii i opublikowali swoje wyniki, w których przyznają, że cząstek ciemnej materii nie udało się uzyskać.
Ratunek w Newtonie i nadcieczach
U źródeł hipotezy ciemnej materii leży obserwacja galaktyk. Aby wyjaśnić krzywe rotacji galaktyk, modele ciemnej materii proponują rodzaj halo wokół galaktyk. To halo daje mniej więcej prawidłowe prędkości obrotowe, ale nie do końca. Aby wytłumaczyć te zjawiska, których ciemna materia nie wyjaśnia, wprowadzono kilka teoretycznych alternatyw. Pierwsza z nich nazywana jest zmodyfikowaną dynamiką newtonowską lub MOND. Według tej teorii, ciemna materia nie jest odpowiedzialna za zdecydowaną większość przypisywanych jej obserwacji. Zakłada się tu, że gdy przyspieszenie spowodowane grawitacją staje się bardzo, bardzo małe, grawitacja zmienia się, słabnąc wolniej. Pozwala to gwiazdom znajdującym się bardzo daleko od centrów galaktyk zachować stałe prędkości, dzięki czemu obracają się one znacznie szybciej. MOND działa bardzo dobrze dla krzywych rotacji galaktyk, lepiej nawet niż modele halo ciemnej materii. Niestety, model ten nie wyjaśnia innych zjawisk przypisywanych ciemnej materii.
Modele relatywistyczne, które są teoriami zgodnymi z ogólną teorią względności Einsteina, próbują załatać dziury. Przykładem jest teoria znana jako Aether-Scalar-Tensor, która proponuje, że oprócz zwykłego pola grawitacyjnego Einsteina istnieje kilka innych pól, pole eteru, które wygląda jak czterowymiarowe pole, które wskazuje ogólnie w kierunku czasu, oraz pole skalarne, które jest odpowiedzialne za oddziaływania MOND. Jak dotąd, teoria Aether-Scalar-Tensor dobrze wyjaśnia soczewkowanie w skali galaktycznej, a nawet może wyjaśnić barionowe oscylacje akustyczne. Nie wyjaśnia ona jednak zbyt dobrze słabego soczewkowania a próby jej zastosowania do tego zjawiska wyglądają jak unikanie na siłę ciemnej materii.
Inną teorią, która próbuje wyjaśnić krzywe rotacji galaktyk lepiej niż teorie zimnej ciemnej materii, jest teoria nadciekłej ciemnej materii. Teoria ta zakłada, że w galaktykach istnieje ciemna materia w stanie nadciekłym. Na Ziemi przykładem nadcieczy jest ciekły hel, który, gdy staje się on wystarczająco zimny, zaczyna zachowywać się w sposób kwantowy. Nadciekła ciemna materia tworzy dodatkową siłę podobną do MOND.
Niestety, problem z obiema teoriami polega na tym, że są one całkowicie skoncentrowane na reprezentowaniu prędkości obrotowych gwiazd w płaszczyznach galaktyk spiralnych. Jeśli jednak przyjrzymy się danym dotyczącym przyspieszenia pionowego prostopadłego do płaszczyzny galaktyki, okaże się, że obie te teorie zawodzą, ponieważ stosują te same zasady do tego przyspieszenia, co do przyspieszenia w kierunku centrum galaktyki. Problem polega na tym, że obie teorie są sferycznie symetryczne w sposobie, w jaki stosują swoją dodatkową siłę, ale próbują wyjaśnić zjawiska, które są lepiej wy-jaśnione przez siłę, która jest cylindryczna. Z tego powodu obie teorie wolałyby, aby Droga Mleczna była nieco mniejsza promieniowo, z dużo większą ilością materii w wybrzuszeniu galaktycznym niż jest. Teorie halo ciemnej materii nie mają tego problemu, ponieważ nie są sferycznie symetryczne.
Czarna dziura jako oko obserwatora
Robert M. Wald, fizyk teoretyczny z uniwersytetu w Chicago, badając zachowanie teorii kwantowej na horyzoncie czarnej dziury (3), wyprowadził w obliczeniach nowy efekt, który sugeruje tzw. wszechświat uczestniczący Wheelera. Odkrycie jego zespołu polega na tym, że sama obecność czarnej dziury wystarczy, aby zredukować „superpozycję” cząstki, czyli zjawisko bycia w wielu potencjalnych stanach, w dobrze zdefiniowaną rzeczywistość. „Przywołuje to pomysł, że horyzonty czarnych dziur obserwują”, zauważył w publikacji na ten temat współautor badań, Gautam Satishchandran, fizyk teoretyczny z Princeton. „To, co znaleźliśmy, może być kwantowo-mechaniczną realizacją wszechświata uczestniczącego, ale gdzie czasoprzestrzeń sama odgrywa rolę obserwatora”, dodaje Daine Danielson, trzeci autor pracy.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Aby zrozumieć, w jaki sposób czarna dziura może obserwować Wszechświat, trzeba by zacząć od klasycznego eksperymentu z podwójną szczeliną. Te cząstki, które przechodzą przez szczeliny w przesłonie, są wykrywane przez ekran po drugiej stronie. Na początku każda cząstka wydaje się pojawiać losowo na ekranie. Ale gdy więcej cząstek przechodzi przez szczeliny, pojawia się wzór jasnych i ciemnych pasków, co sugeruje, że każda cząstka zachowuje się jak fale, które przechodzą przez obie szczeliny jednocześnie. Prążki wynikają ze szczytów i dołków fal, które albo się sumują, albo wzajemnie znoszą - zjawisko to nazywane jest interferencją.
Po dodaniu detektora, który ma zmierzyć, przez którą z dwóch szczelin przechodzi cząstka, wzór jasnych i ciemnych pasów zniknie. Akt obserwacji zmienia stan cząstki - jej falowa natura znika całkowicie. Co ważne, detektor nie musi znajdować się blisko szczelin, aby można było dowiedzieć się, jaką drogę przebyła cząstka. Na przykład naładowana cząstka emituje pole elektryczne dalekiego zasięgu, które może mieć nieco inne natężenie w zależności od tego, czy przeszła przez prawą, czy lewą szczelinę. Pomiar tego pola z dużej odległości nadal pozwoli na zebranie informacji o tym, jaką drogę przebyła cząstka, a tym samym spowoduje tzw. dekoherencję. Obecnie naukowcy rozszerzają ten eksperyment, umieszczając hipotetycznie detektor poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury. Skoro spoza horyzontu zdarzeń nie może wydostać się informacja, sama czarna dziura staje się detektorem czy też „obserwatorem”.
Pomysł, że horyzonty zdarzeń gromadzą informacje i powodują dekoherencję, nie jest nowy. W 2016 roku Stephen Hawking, Malcolm Perry i Andrew Strominger pisali o tym, że cząstkom przekraczającym horyzont zdarzeń może towarzyszyć promieniowanie o bardzo niskiej energii, które rejestruje informacje o tych cząstkach. Spostrzeżenie to zostało zasugerowane jako rozwiązanie paradoksu informacyjnego czarnej dziury, będącego głęboką konsekwencją wcześniejszego odkrycia Hawkinga, że czarne dziury emitują promieniowanie. Problem polegał na tym, że promieniowanie Hawkinga wysysa energię z czarnych dziur, powodując ich całkowite wyparowanie w czasie. Wydawałoby się, że proces ten niszczy wszelkie informacje, które wpadły do czarnej dziury. Ale w ten sposób zaprzeczałby fundamentalnej właściwości mechaniki kwantowej, że informacje we Wszechświecie nie mogą być tworzone ani niszczone. Niskoenergetyczne promieniowanie zaproponowane przez trio pozwoliłoby to obejść, umożliwiając rozprowadzenie części informacji w aureoli wokół czarnej dziury i ucieczkę.
Naukowcy nazwali tę bogatą w informacje aureolę „miękkimi włosami” czarnej dziury. Wald, Satishchandran i Danielson wykorzystują tę myśl. Wykazali, że miękkie włosy powstają nie tylko wtedy, gdy cząstki spadają na horyzont, ale także wtedy, gdy cząstki poza czarną dziurą po prostu przenoszą się w inne miejsce. Każda superpozycja kwantowa na zewnątrz zostanie splątana z miękkimi włosami na horyzoncie. W ten sposób superpozycja jest rejestrowana jako rodzaj „pamięci” horyzontu zdarzeń.
Czy to oznacza, że krawędź znanego Wszechświata, a za taki wypada uznać horyzont zdarzeń czarnej dziury, obserwuje wszystko w tym Wszechświecie (4), nie jest do końca jasne. Niektórzy fizycy puszczają wodze wyobraźni, wiążąc to z koncepcją Wszechświata uczestniczącego amerykańskiego fizyka, noblisty, Johna Wheelera. Według tych propozycji, wszystkie cząstki we Wszechświecie znajdują się w subtelnej superpozycji, dopóki nie zostaną zaobserwowane. Superpozycje niszczy, czyli dokonuje detekcji i „obserwacji” horyzont zdarzeń czarnych dziur. I tu się kończy sfera mająca coś wspólnego ze znaną fizyką.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Kosmiczne pustki, czyli kapsuły czasu
Ciemna materia to nie to samo co wielkie puste przestrzenie w kosmosie. Nie oznacza to, że są one mniej tajemnicze. Sąsiedztwo naszej Galaktyki to taka właśnie kosmiczna pustka, ogromna połać przestrzeni, w której, jak się wydaje, nie ma nic. Badania nieba pozwoliły dostrzec we Wszechświecie tysiące takich pustych połaci, choć, zgodnie z ogólnym przekonaniem, że w kosmosie pustka w rzeczywistości nie jest pustką, liczymy na odkrycie czegoś w tej pustce. Alice Pisani, kosmolog z Uniwersytetu Princeton i Flatiron Institute wraz ze współpracownikami wykorzystuje kosmiczne pustki do oszacowania średniej gęstości materii kosmicznej. Pęcherze owego „niczego” mają tendencję do rozszerzania się, co jest zgodne z intuicją, bo wewnątrz nich nie ma zbyt wiele materii, która mogłaby wywierać przyciąganie grawitacyjne do wewnątrz. W pustce „niewiele się dzieje”, jak to określa Pisani. Teoretycznie, gdyż w rzeczywistości jest to obszar wielkiej wojny toczącej się pomiędzy ciemną energią, odpowiedzialną za przyspieszające rozszerzanie Wszechświata, a grawitacją materii wytyczającej obrzeża pustki.
Pisani i jej koledzy wykorzystali narzędzie matematyczne zwane diagramem Woronoja do identyfikacji około sześciu tysięcy pustych przestrzeni w danych z ogromnego projektu mapowania galaktyk, zwanego Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Uzyskane dane dotyczące pustek dały wartość stałej Hubble’a, opisującą tempo rozszerzania Wszechświata, niższą o 1 proc. od szacunków kosmicznego promieniowania tła (CMB). Wynik bardziej zgodny z CMB niż z supernowymi typu Ia.
To wyniki, które dołączają do ogólnego zamieszania, co do wartości stałej Hubble’a i tempa rozszerzania Wszechświata, jednak uczeni zwracają uwagę na coś innego, mianowicie to, że puste połacie międzygalaktyczne, w których nie zachodziły zmiany typowe dla świata materii, mogą być „kapsułami czasu” przechowującymi informacje z ery początku Wszechświata. Jeśli fizyka wczesnego Wszechświata różniła się od fizyki dnia dzisiejszego, puste przestrzenie mogły ją zachować.
Ostatecznym rozszerzeniem naszego rozumienia przestrzeni jest myślenie o naszym Wszechświecie jako części czegoś większego, zbioru wszechświatów zwanego multiwersum (5). Takie wszechświaty są proponowane przez modele fizyki wysokich energii. Problem polega na tym, że o ile nie uda się nam złamać praw fizyki, nigdy nie dowiemy się na pewno, czy nasz Wszechświat należy do multiwersum, czy też nie.
Wszechświat, z definicji, reprezentuje naszą widzialną przestrzeń i wszystko, co w niej istnieje, znane i nieznane. Innymi słowy, „Wszechświat” oznacza wszystko, co znajduje się w naszym kosmicznym horyzoncie, zdefiniowanym przez odległość, jaką światło przebyło od Wielkiego Wybuchu. Kosmiczny horyzont to nasza bańka informacyjna. Może istnieć większy Wszechświat, wykraczający poza to, co możemy zmierzyć. Ale nigdy nie możemy wiedzieć tego na pewno, ponieważ aby coś wiedzieć, musimy dekodować informacje z naszego doświadczenia tego, co istnieje. Jeśli coś znajduje się poza barierą światła, nie możemy wiedzieć, że istnieje. Możemy jedynie przypuszczać, że może istnieć.
Modele współczesnej fizyki, które przenoszą nas do najwcześniejszych chwil po Wielkim Wybuchu, są właśnie takimi przypuszczeniami. Najsilniejszym chyba przypuszczeniem, wykraczającym poza możliwości doświadczenia i falsyfikowania, jest propozycja, że nasz Wszechświat jest tylko jednym z ogromnej kolekcji innych wszechświatów, z których każdy ma własne prawa fizyki. Może tak być w przypadku, gdy hipoteza inflacyjna o szybkiej wczesnej ekspansji Wszechświata jest poprawna i/lub gdy teorie superstrun są bliskie rzeczywistości.
Bez dostępu do hipotetycznego tunelu łączącego wszechświaty, stworzenia zamieszkujące każdą z przestrzeni multiwszechświata wierzą, że żyją w jednym, nieskończonym wszechświecie. Jest to szczególnie prawdziwe, jeśli tunel leży poza ich kosmicznym horyzontem. Nigdy nie dowiedzą się, że ich wszechświaty są częścią większej struktury, multiwersum.
Wszechświaty mogą być zakrzywione i skończone, wyrastając z nieskończonego wszechświata macierzystego. Powstające wszechświaty mogą same być nieskończone, gdyż rozszerzają się, powiększając jak bąble, ale też w niektórych przypadkach - kurczyć się. Jest co najmniej możliwe, że każdy z tych wszechświatów będzie miał własne prawa natury lub przynajmniej inne wartości stałych, których używamy do pisania równań, takich jak prędkość światła, siła grawitacji i masa elektronu. Zwolennicy multiwersum twierdzą, że po prostu żyjemy we Wszechświecie, w którym stałe natury pozwalają na tworzenie się gwiazd, planet i odpowiedniej chemii, abyśmy mogli być tutaj i próbować wszystko rozgryźć.
Czy multiwersum jest testowalną hipotezą naukową, czy tylko jałową spekulacją prowadzącą do niebezpiecznego fermentu w społeczności fizyków? A mówiąc jeszcze inaczej - czy wieloświat jest poznawalny? W ścisłym sensie, istnienie multiwersum nigdy nie może być bezpośrednio potwierdzone. Przynajmniej w tej chwili sobie tego nie potrafimy nawet wyobrazić.
Istnieją jednak różne sposoby wnioskowania o czymś, że istnieje, nawet jeśli nie możemy tego zobaczyć ani dotknąć. Astrofizycy dokonują takich wnioskowań, gdy postulują istnienie masywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki na podstawie ruchu pobliskich gwiazd i rozszerzają ten wniosek na inne galaktyki. Fizycy cząstek elementarnych robią to samo, gdy określają właściwości cząstki na podstawie śladów pozostawionych przez nią w detektorze. Nikt nie widzi elektronu na własne oczy. Wiemy, że elektrony istnieją na podstawie śladów, jakie pozostawiają w urządzeniach takich jak akceleratory cząstek.
Nawet gdyby udało się znaleźć przekonujące obserwacyjne, pośrednie, sygnatury sąsiednich wszechświatów w naszym kosmicznym horyzoncie, nie potwierdziłyby one istnienia multiwersum. Dzieje się tak dlatego, że dominujące teorie dotyczące wieloświata zakładają istnienie wszechświatów w ogromnych liczbach, np. 10500 w przypadku teorii strun. Poznanie takie multiwersum jest poza naszym zasięgiem.
Nie czyni to wieloświata bezwartościową fantazją. Wręcz przeciwnie. Przesuwając granice tego, co możliwe, zawsze czegoś się uczymy, nawet jeśli nie jest to do końca to, czego się spodziewaliśmy. Historia nauki wielokrotnie dowiodła, że gdy pracujemy nad poszerzeniem naszej wiedzy o świecie, nieoczekiwane jest jednym z naszych najlepszych przyjaciół. Aby coś znaleźć, trzeba najpierw poszukać.
Są naukowe hipotezy, które wydają się pierwszym krokiem w kierunku poznawania, jeśli nie multiwersum, to „rozszerzonej” rzeczywistości. Naukowcy z uniwersytetu w Nowym Meksyku i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis próbujący wyjaśnić kosmiczną ekspansję naszego Wszechświata ogłosili w 2022 r., że znaleźli eleganckie i proste rozwiązanie - istnienie lustrzanego wszechświata.
Pomysł ten pojawiał się już w przeszłości, aby wyjaśnić rozbieżność między materią a antymaterią pozostałą po Wielkim Wybuchu. Artykuł, opublikowany w czasopiśmie „Physics Review Letters”, a zatytułowany „Symmetry of Cosmological Observables, a Mirror World Dark Sector, and the Hubble Constant”, skupia się na dostosowania do siebie dwóch metod pomiarów ekspansji kosmicznej - skalowania szybkości swobodnego spadku grawitacyjnego i szybkości rozpraszania fotonów-elektronów. Jak piszą autorzy, „ciemny sektor lustrzanego świata” pozwala pogodzić wartości. Lustrzany wszechświat wpływałby na nasz poprzez przyciąganie grawitacyjne. W swoim artykule zespół badawczy zaznacza, że jest to po prostu model matematyczny i że niektóre problemy nadal wymagają rozwiązania.
Czyli mamy kolejną hipotezę, która coś wyjaśnia, ale innych problemów nie rozwiązuje. Sporo tego. Nasza wizja kosmosu w rzeczy samej coraz bardziej przypomina pianę, którą bije się bez wielkich ograniczeń. Niestety z tej piany nie wydaje się wyłaniać zrozumienie.
Mirosław Usidus
