Tytuł oryginału

PARALLEL WORLDS.

A JOURNEY THROUGH CREATION,

HIGHER DIMENSIONS,

AND THE FUTURE OF THE COSMOS

Copyright © 2005 by Michio Kaku

All rights reserved

Projekt okładki

Magdalena Palej

Zdjęcie na okładce

Ramiro Pianarosa/Unsplash

Redakcja merytoryczna

Tomasz Krzysztoń

Korekta

Anna Kaniewska

ISBN 978-83-8391-444-2

Warszawa 2024

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Mojej kochającej żonie, Shizue

Podziękowania

Chciałbym podziękować następującym uczonym za to, że wspaniałomyślnie zgodzili się poświęcić swój czas na rozmowę ze mną. Ich uwagi, obserwacje i pomysły niebywale wzbogaciły tę książkę, dodając jej głębi i przejrzystości:

Steven Weinberg, laureat Nagrody Nobla, University of Texas w Austin

Murray Gell-Mann, laureat Nagrody Nobla, Santa Fe Institute i California Institute of Technology

Leon Lederman, laureat Nagrody Nobla, Illinois Institute of Technology

Joseph Rotblat, laureat Nagrody Nobla, emerytowany pracownik St Bartholomew’s Hospital

Walter Gilbert, laureat Nagrody Nobla, Harvard University

Henry Kendall, laureat Nagrody Nobla, Massachusetts Institute of Technology

Alan Guth, fizyk, Massachusetts Institute of Technology

Sir Martin Rees, uhonorowany tytułem Królewskiego Astronoma Wielkiej Brytanii, Cambridge University

Freeman Dyson, fizyk, Institute for Advanced Study, Princeton University

John Schwarz, fizyk, California Institute of Technology

Lisa Randall, fizyk, Harvard University

J. Richard Gott III, fizyk, Princeton University

Neil de Grasse Tyson, astronom, Princeton University i Hayden Planetarium

Paul Davies, fizyk, University of Adelaide

Ken Croswell, astronom, University of California, Berkeley

Don Goldsmith, astronom, University of California, Berkeley

Brian Greene, fizyk, Columbia University

Cumrun Vafa, fizyk, Harvard University

Stuart Samuel, fizyk, University of California, Berkeley

Carl Sagan, astronom, Cornell University

Daniel Greenberger, fizyk, City College of New York

V. P. Nair, fizyk, City College of New York

Robert P. Kirshner, astronom, Harvard University

Peter D. Ward, geolog, University of Washington

John Barrow, astronom, University of Sussex

Marcia Bartusiak, autorka artykułów i książek popularnonaukowych, Massachusetts Institute of Technology

John Casti, fizyk, Santa Fe Institute

Timothy Ferris, autor artykułów i książek popularnonaukowych

Michael Lemonick, autor artykułów i książek popularnonaukowych, tygodnik „Time”

Fulvio Melia, astronom, University of Arizona

John Horgan, autor artykułów i książek popularnonaukowych

Richard Muller, fizyk, University of California, Berkeley

Lawrence Krauss, fizyk, Case Western Reserve University

Ted Taylor, projektant bomby atomowej

Philip Morrison, fizyk, Massachusetts Institute of Technology

Hans Moravec, fizyk, Massachusetts Institute of Technology

Rodney Brooks, informatyk, Artificial Intelligence Laboratory, Massachusetts Institute of Technology

Donna Shirley, astrofizyk, Jet Propulsion Laboratory

Dan Wertheimer, astronom, SETI@home, University of California, Berkeley

Paul Hoffman, autor artykułów i książek popularnonaukowych, miesięcznik „Discover”

Francis Everitt, fizyk, Gravity Probe B, Stanford University

Sidney Perkowitz, fizyk, Emory University

W ciągu wielu lat mojej działalności miałem okazję przeprowadzenia fascynujących rozmów z wymienionymi poniżej uczonymi. Rozmowy te bardzo pomogły mi w odpowiednim doborze zawartości tej książki. Jestem im niezmiernie wdzięczny za te dyskusje:

T. D. Lee, laureat Nagrody Nobla, Columbia University

Sheldon Glashow, laureat Nagrody Nobla, Harvard University

Richard Feynman, laureat Nagrody Nobla, California Institute of Technology

Edward Witten, fizyk, Institute for Advanced Study, Princeton University

Joseph Lykken, fizyk, Fermilab

David Gross, fizyk, Kavli Institute, Santa Barbara

Frank Wilczek, fizyk, University of California, Santa Barbara

Paul Townsend, fizyk, Cambridge University

Peter Van Nieuwenhuizen, fizyk, State University of New York, Stony Brook

Miguel Virasoro, fizyk, Uniwersytet Rzymski

Bunji Sakita, fizyk, City College of New York

Ashok Das, fizyk, University of Rochester

Robert Marshak, fizyk, City College of New York

Frank Tipler, fizyk, Tulane University

Edward Tryon, fizyk, Hunter College

Mitchell Begelman, astronom, University of Colorado

Pragnę podziękować Kenowi Croswellowi za liczne uwagi do tej książki.

Chciałbym również podziękować mojemu wydawcy, Rogerowi Schollowi, który po mistrzowsku zredagował już dwie moje książki. Jego pewna ręka niezwykle wzbogaciła te książki, a jego uwagi zawsze pomagały mi uporządkować i pogłębić zawartość książek oraz sposób jej prezentacji. W końcu chciałbym podziękować mojemu agentowi, Stuartowi Krichevsky’emu, który od tylu lat jest dla mnie przewodnikiem w mojej przygodzie z książkami.

Przedmowa

Kosmologia zajmuje się badaniem Wszechświata jako całości, włączając w to jego początek, a być może nawet i jego koniec. Nie powinno więc dziwić, że nauka ta wielokrotnie ulegała przeobrażeniom w czasie swojej powolnej, bolesnej ewolucji, na którą często padał cień religijnych dogmatów i przesądów.

Pierwszą rewolucję w kosmologii zapoczątkowało w XVII wieku wynalezienie teleskopu. Za jego pomocą i dzięki wykorzystaniu prac wielkich astronomów Mikołaja Kopernika i Johannesa Keplera Galileuszowi udało się po raz pierwszy udostępnić dla badań naukowych wszystkie wspaniałości nieba. Kulminacją postępów tej pierwszej fazy badań kosmologicznych były prace Isaaca Newtona, który w końcu sformułował podstawowe prawa rządzące ruchem ciał niebieskich. Od tego momentu zrozumiano, że ciała niebieskie nie poddają się wpływowi magii i mistycyzmu, ale sił, które można wyliczyć i odtworzyć.

Początkiem drugiej rewolucji w kosmologii było wybudowanie olbrzymich teleskopów XX wieku, takich jak teleskop na Mount Wilson, posiadający olbrzymie, 250-centymetrowe lustro. W latach dwudziestych XX wieku astronom Edwin Hubble wykorzystał ten teleskop do obalenia obowiązującego od wieków dogmatu mówiącego, że Wszechświat jest statyczny i wieczny. Wykazał on, że obserwowane na niebie galaktyki oddalają się od Ziemi z olbrzymimi prędkościami – co oznacza, że Wszechświat się rozszerza. Odkrycie to potwierdziło wnioski wypływające z ogólnej teorii względności Einsteina, w której architektura czasoprzestrzeni nie jest płaska i liniowa, ale zakrzywiona i dynamiczna. To pozwoliło uzyskać pierwsze wiarygodne wyjaśnienie pochodzenia Wszechświata, stwierdzające, iż rozpoczął się on olbrzymią eksplozją zwaną „Wielkim Wybuchem”, która rozrzuciła w przestrzeni gwiazdy i galaktyki. Pionierskie prace George’a Gamowa i jego kolegów nad teorią Wielkiego Wybuchu, a także badania Freda Hoyle’a nad powstawaniem pierwiastków, pozwoliły nakreślić pierwsze szkice obrazujące ewolucję Wszechświata.

Trzecia rewolucja rozpoczęła się zaledwie około pięciu lat temu i trwa do chwili obecnej. Zapoczątkowało ją zbudowanie całego arsenału nowych, zaawansowanych technologicznie przyrządów, takich jak satelity kosmiczne, lasery, detektory fal grawitacyjnych, teleskopy rentgenowskie i szybkie superkomputery. Dysponujemy obecnie najdokładniejszymi danymi, jakie kiedykolwiek udało się uzyskać, dotyczącymi wieku Wszechświata, jego składu, a być może również jego przyszłego końca.

Astronomowie uświadomili sobie, że Wszechświat rozszerza się, przyspieszając bez żadnych ograniczeń, stając się z upływem czasu coraz zimniejszy. Jeżeli proces ten będzie trwał dalej, staniemy przed perspektywą „Wielkiego Chłodu”, gdy Wszechświat ogarną ciemności i chłód, a wszelkie inteligentne formy życia wyginą.

Książka ta jest poświęcona tej trzeciej wielkiej rewolucji. Różni się ona od moich poprzednich książek poświęconych fizyce, Dalej niż Einstein i Hiperprzestrzeń, których celem było przybliżenie szerszej publiczności nowego pojęcia wyższych wymiarów i teorii superstrun. We Wszechświatach równoległych nie skupiam się na czasoprzestrzeni, ale na rewolucyjnych zmianach w kosmologii, do których doszło w ostatnich kilku latach, zmianach opierających się na nowych dowodach napływających z rozmieszczonych na całym świecie laboratoriów i z najdalszych zakątków przestrzeni kosmicznej, a także na przełomowych odkryciach dokonanych w fizyce teoretycznej. Celem moim jest, by książka ta była zrozumiała nawet dla czytelnika, który nie miał dotychczas poważniejszego kontaktu z fizyką czy kosmologią.

Pierwszą część książki poświęciłem na opis badań nad Wszechświatem i podsumowanie postępu, jaki dokonał się na wcześniejszych etapach badań kosmologicznych, etapach, których zwieńczeniem była teoria zwana „inflacją”, stanowiąca najbardziej zaawansowane, jak dotąd, ujęcie teorii Wielkiego Wybuchu. W części drugiej skupiam się na powstającej właśnie teorii multiwszechświata – świata zbudowanego z wielu wszechświatów, wśród których nasz Wszechświat jest zaledwie jednym z wielu – i omawiam możliwość istnienia tuneli czasoprzestrzennych, zakrzywień przestrzeni i czasu oraz tego, jak wyższe wymiary mogą je połączyć. Teoria superstrun i M-teoria stanowią pierwszy poważny krok wykraczający poza teorię Einsteina; dostarczają one dalszych dowodów na to, że nasz Wszechświat może być zaledwie jednym z wielu. W końcu, w części trzeciej, omawiam Wielki Chłód i przedstawiam, jaki, zdaniem uczonych, może być koniec naszego Wszechświata. Przeprowadzam również jak najbardziej poważne, choć spekulatywne, rozważania na temat tego, jak zaawansowana cywilizacja odległej przyszłości, od której dzielą nas biliony lat, mogłaby wykorzystać prawa fizyki do opuszczenia naszego Wszechświata i przeniesienia się do innego, bardziej przyjaznego, by się na nowo w nim odrodzić, lub też jak mogłaby się cofnąć w czasie do epoki, gdy Wszechświat był cieplejszy.

Olbrzymie ilości nowych danych, które zalewają nas każdego dnia, nowe przyrządy, takie jak satelity kosmiczne przeszukujące niebo, nowe detektory fal grawitacyjnych i akceleratory o rozmiarze całego miasta, których budowa wkrótce zostanie ukończona – wszystko to powoduje, że fizycy uważają, iż wkraczamy w okres, który może stać się złotym wiekiem kosmologii. Mówiąc krótko, jest to doskonały czas, by być fizykiem i udać się w podróż, której celem jest poznanie naszego pochodzenia i losu Wszechświata.

CZĘŚĆ PIERWSZA

Wszechświat

ROZDZIAŁ 1

Portret Wszechświata z czasów młodości

Poeta pragnie jedynie, by jego głowa błądziła w obłokach. To logik chce, by niebo znalazło się w jego głowie. I dlatego głowa mu pęka z bólu.

G. K. Chesterson

W dzieciństwie przechodziłem osobisty kryzys związany z wiarą. Moich rodziców wychowano w tradycji buddyjskiej. Ja jednak co tydzień chodziłem do szkółki niedzielnej, gdzie z przyjemnością słuchałem opowieści biblijnych o wielorybach, arkach, słupach soli, żebrach i jabłkach. Fascynowały mnie te starotestamentowe przypowieści, były one moją ulubioną częścią lekcji w szkółce niedzielnej. Wydawało mi się, że historie o wielkich powodziach, płonących krzakach i rozstępujących się wodach były znacznie ciekawsze niż buddyjskie śpiewy i medytacje. W rzeczywistości te starożytne opowieści, pełne heroizmu i tragedii, trafnie ilustrowały głębokie moralne i etyczne nauki, które towarzyszą mi przez całe życie.

Pewnego razu na lekcji w szkółce niedzielnej przerabialiśmy Księgę Rodzaju. Czytanie o tym, jak Bóg zagrzmiał z niebios „Niech się stanie światłość!” brzmiało bardziej dramatycznie niż cicha medytacja o Nirwanie. Z naiwnej ciekawości zapytałem nauczycielkę:

– Czy Bóg miał matkę?

Zwykle odpowiadała nam szybko i bez wahania, zawsze przekazując przy okazji jakiś głęboki morał. Tym razem jednak moje pytanie wprawiło ją w osłupienie.

– Nie – odpowiedziała niepewnie – Bóg chyba nie miał matki.

– To skąd w takim razie wziął się Bóg? – zapytałem.

Wymamrotała coś, że będzie musiała zasięgnąć rady pastora w sprawie tego pytania.

Nie zdawałem sobie sprawy, że przypadkowo dotknąłem jednego z największych pytań teologicznych. Byłem zdziwiony, ponieważ w buddyzmie nie ma w ogóle żadnego Boga, jest tylko bezczasowy Wszechświat, bez początku i bez końca. Później, gdy zacząłem poznawać najważniejsze mitologie świata, zrozumiałem, że w religiach występują dwa rodzaje kosmologii: pierwszy odwołujący się do pojedynczej chwili, w której Bóg stworzył Wszechświat, i drugi bazujący na założeniu, że Wszechświat istniał zawsze i będzie istniał bez końca.

– To niemożliwe, żeby oba te podejścia były jednocześnie prawdziwe – pomyślałem.

Później odkryłem, że te wspólne tematy pojawiają się w wielu innych kulturach. W chińskiej mitologii, na przykład, na początku było kosmiczne jajo. Nienarodzony bóg P’an Ku przebywał niemal przez całą wieczność we wnętrzu tego jaja, unoszącego się w bezkształtnym morzu Chaosu. Gdy w końcu się wykluł, P’an Ku zaczął rosnąć w niesamowitym tempie, ponad trzy metry na dzień, tak że górna część skorupy jaja stała się niebem, a dolna połówka ziemią. P’an Ku zmarł po 18 000 lat i dał w ten sposób początek naszemu światu: jego krew stała się rzekami, jego oczy Słońcem i Księżycem, a jego głos grzmotem.

Pod wieloma względami mit o P’an Ku jest odzwierciedleniem obecnego w wielu innych religiach i mitologiach starożytnych stwierdzenia, że Wszechświat narodził się w wyniku creatio ex nihilo (powstał z niczego). W mitologii greckiej Wszechświat powstał z Chaosu (tak naprawdę, słowo „chaos” pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „otchłań”). Tę bezkształtną pustkę często opisuje się jako ocean, jak w babilońskiej i japońskiej mitologii. Temat ten znaleźć można również w mitologii egipskiej, w której bóg Słońca Ra powstał z unoszącego się w niebycie jaja. W mitologii polinezyjskiej rolę kosmicznego jaja odgrywa łupina orzecha kokosowego. Majowie wierzyli w pewną odmianę tej historii, w której Wszechświat rodzi się i umiera po pięciu tysiącach lat po to tylko, aby odrodzić się ponownie i powtarzać taki niekończący się cykl narodzin i zniszczenia.

Te mity o „stworzeniu z niczego” stoją w jawnej sprzeczności z kosmologią opisywaną przez buddyzm i niektóre odmiany hinduizmu. W tych mitologiach Wszechświat jest bezczasowy, bez początku i końca. Wyróżnia się w nich wiele poziomów istnienia, ale najwyższym z nich jest Nirwana, która jest wieczna, a można ją osiągnąć jedynie przez najczystszą medytację. W hinduskiej Mahapuranie napisano: „Jeżeli Bóg stworzył świat, gdzie był On przed Stworzeniem?... Wiedz, że świat nie jest stworzony; podobnie jak czas, istnieje bez początku i bez końca”.

Mitologie te są ze sobą w wyraźnej sprzeczności i nie widać żadnej możliwości ich pogodzenia. Wykluczają się one wzajemnie: albo Wszechświat miał swój początek, albo go nie miał. Nie istnieje żadna pośrednia ewentualność.

Obecnie jednak pojawia się możliwość rozwiązania tego problemu z zupełnie nieoczekiwanego, nowego punktu widzenia – naukowego – w wyniku zastosowania nowej generacji potężnych przyrządów przeczesujących przestrzeń kosmiczną. Starożytne mitologie starające się odkryć pochodzenie naszego świata bazowały na mądrości opowiadających je osób. Dzisiaj uczeni, wykorzystując cały arsenał satelitów kosmicznych, laserów, detektorów fal grawitacyjnych, interferometrów, szybkich superkomputerów i Internet, rewolucjonizują nasze rozumienie Wszechświata i przekazują nam najbardziej, jak dotąd, przekonujący opis jego powstania.

Z danych tych powoli wyłania się wielka synteza dwóch przeciwstawnych mitologii. Być może – spekulują uczeni – do Stworzenia dochodzi wielokrotnie w bezczasowym oceanie Nirwany. W tym nowym ujęciu nasz Wszechświat można porównać do pęcherzyka unoszącego się w znacznie większym „oceanie”, w którym cały czas powstają również nowe pęcherzyki. Zgodnie z tą teorią, cały czas pojawiają się nowe wszechświaty, jak pęcherzyki powietrza w gotującej się wodzie, unoszące się w znacznie większym obszarze, w Nirwanie jedenastowymiarowej hiperprzestrzeni. Coraz więcej fizyków opowiada się za tym, że nasz Wszechświat rzeczywiście powstał w wyniku ognistego kataklizmu, Wielkiego Wybuchu, ale jednocześnie współistnieje on w wiecznym oceanie zawierającym inne wszechświaty. Jeżeli się nie mylimy, do wielkich wybuchów dochodzi nawet w tej chwili, gdy czytasz te słowa.

Fizycy i astronomowie z całego świata zastanawiają się obecnie, jak te wszechświaty równoległe mogłyby wyglądać, jakie prawa mogłyby nimi rządzić, w jaki sposób powstały i jaki ostateczny los je czeka. Być może te równoległe światy są jałowe, bez podstawowych składników umożliwiających powstanie życia. A może wyglądają dokładnie tak samo jak nasz Wszechświat i dzieli je od nas tylko jedno zdarzenie kwantowe, które spowodowało, że wszechświaty te się rozłączyły. Niektórzy fizycy rozważają nawet możliwość, że któregoś dnia, gdy życie nie będzie się już mogło dłużej rozwijać w naszym obecnym Wszechświecie z powodu jego wieku i ochłodzenia, możemy zostać zmuszeni do opuszczenia go i ucieczki do innego wszechświata.

Siłą napędową tych nowych teorii jest olbrzymi zalew danych napływających bezustannie z satelitów kosmicznych fotografujących pozostałości samego aktu stworzenia. Co ciekawe, uczeni mogą już badać to, co wydarzyło się zaledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, gdy „poświata” stworzenia wypełniała cały Wszechświat. Najdokładniejszego obrazu tego promieniowania pochodzącego z chwili stworzenia dostarczył nam nowy przyrząd, zwany satelitą WMAP.

Satelita WMAP

„Niewiarygodne!” „Epokowe odkrycie!” to niektóre z określeń, jakie można było usłyszeć w lutym 2003 roku, gdy zwykle powściągliwi astrofizycy opisywali dane zebrane przez najnowszego satelitę. Wystrzelony w 2001 roku satelita WMAP (sonda anizotropii mikrofalowego promieniowania tła Wilkinsona), nazwany tak na cześć pioniera kosmologii Davida Wilkinsona, przekazał uczonym szczegółowy, sporządzony z niespotykaną dotąd precyzją obraz wczesnego Wszechświata, gdy miał on zaledwie 380 000 lat. Od miliardów lat we Wszechświecie unosi się olbrzymia ilość energii pozostałej po pierwotnej kuli ognia, która dała początek gwiazdom i galaktykom. Satelicie WMAP udało się ją w końcu zarejestrować z niezwykłą dokładnością i w ten sposób powstała mapa, jakiej dotąd nie widziano, fotografia nieba pokazująca z zapierającymi dech w piersiach szczegółami promieniowanie mikrofalowe powstałe w samym Wielkim Wybuchu, zdjęcie nazwane przez tygodnik „Time” „echem stworzenia”. Już nigdy astronomowie nie będą spoglądali na niebo tak jak kiedyś.

Odkrycia dokonane przez satelitę WMAP stanowią „rytuał inicjacyjny, oznaczający przejście kosmologii od spekulacji do precyzyjnej nauki”1, jak to określił John Bahcall z Institute for Advanced Study w Princeton. Ten zalew danych z wczesnego okresu historii Wszechświata po raz pierwszy pozwolił uczonym odpowiedzieć precyzyjnie na najstarsze z wszystkich pytań, które zastanawiały i intrygowały ludzkość od momentu, gdy po raz pierwszy ujrzeliśmy piękno nocnego nieba. Ile lat liczy sobie Wszechświat? Z czego jest zbudowany? Jaki los go czeka?

(W 1992 roku, poprzedni satelita COBE [Badacz Kosmicznego Promieniowania Tła] przekazał nam pierwsze nieostre zdjęcia promieniowania tła wypełniającego niebo. Było to przełomowe osiągnięcie, ale również rozczarowanie, ponieważ uzyskane zdjęcia były bardzo rozmyte. Nie przeszkodziło to prasie, by w euforii nazwać to zdjęcie obrazem „twarzy Boga”. Jednak dokładniejszy opis tych nieostrych fotografii wykonanych przez COBE powinien stwierdzić, że są to „zdjęcia z dzieciństwa” Wszechświata, gdy był on jeszcze niemowlęciem. Gdyby przyjąć, że Wszechświat obecnie liczy sobie osiemdziesiąt lat, zdjęcia wykonane przez COBE, a później przez satelitę WMAP, pokazują go zaraz po urodzeniu, gdy nie skończył jeszcze pierwszego dnia życia).

Satelita WMAP może pokazać nam te bezprecedensowe zdjęcia Wszechświata w wieku niemowlęcym dzięki temu, że nocne niebo jest swoistym wehikułem czasu. Światło przemieszcza się ze skończoną prędkością, dlatego gdy podziwiamy gwiazdy na nocnym niebie, widzimy je takie, jakie były kiedyś, a nie jakie są dzisiaj. Światło potrzebuje trochę więcej niż sekundy, by dotrzeć z Księżyca na Ziemię, gdy więc patrzymy na Księżyc, widzimy go tak naprawdę takim, jakim był sekundę wcześniej. Aby przebyć drogę ze Słońca na Ziemię, światło potrzebuje ośmiu minut. Podobnie wiele ze znanych nam gwiazd jest tak odległych, że biegnące od nich światło potrzebuje od 10 do 100 lat, by dotrzeć do naszych oczu. (Innymi słowy, znajdują się one w odległości od 10 do 100 lat świetlnych od Ziemi. Rok świetlny to w przybliżeniu 9,5 biliona kilometrów, czyli odległość, którą światło pokonuje w czasie jednego roku). Światło pochodzące od odległych galaktyk może mieć do przebycia setki milionów, a nawet miliardy lat świetlnych. Dlatego światło to jest swego rodzaju „skamieniałością”, w niektórych przypadkach zostało wysłane, jeszcze zanim po Ziemi chodziły dinozaury. Niektóre z najdalszych obiektów, które możemy obserwować za pomocą teleskopów, noszą nazwę kwazarów. Są to olbrzymie silniki galaktyczne, znajdujące się na skraju widocznego dla nas Wszechświata, generujące niewiarygodne ilości mocy, odległe od Ziemi nawet o 12 do 13 miliardów lat świetlnych. Teraz satelita WMAP wykrył promieniowanie wysłane jeszcze wcześniej przez ognistą kulę, z której powstał Wszechświat.

Aby opisać Wszechświat, kosmolodzy używają czasem porównania do panoramy ze szczytu Empire State Building, wznoszącego się ponad sto pięter, nad Manhattanem. Spoglądając w dół z ostatniego piętra stwierdzimy, że prawie nie widać poziomu ulic. Jeżeli przyjmiemy, że podstawa Empire State Building to Wielki Wybuch, odległe galaktyki należałoby umieścić na dziesiątym piętrze. Dalekie kwazary, które obserwujemy z Ziemi przez teleskopy, byłyby na siódmym piętrze. Natomiast kosmiczne promieniowanie tła zmierzone przez satelitę WMAP znajdowałoby się zaledwie 1,25 centymetra nad powierzchnią ulicy. Satelita WMAP umożliwił nam również dokładny pomiar wieku Wszechświata z zadziwiającą dokładnością do 1 procentu; wiek ten wynosi 13,7 miliarda lat.

Misja satelity WMAP jest kulminacją trwającej ponad dziesięć lat ciężkiej pracy astrofizyków. Pomysł zbudowania satelity WMAP został po raz pierwszy przedstawiony NASA w 1995 roku, a zatwierdzono go dwa lata później. 30 czerwca 2001 roku NASA wysłała satelitę WMAP na pokładzie rakiety Delta II na orbitę wokół Słońca umiejscowioną pomiędzy Ziemią i Słońcem. Na miejsce przeznaczenia starannie wybrano tak zwany drugi punkt Lagrange’a (w skrócie L2, jest to szczególne miejsce w pobliżu Ziemi o względnej stabilności). Z tego miejsca satelita zawsze spogląda w kierunku przeciwnym niż ten, gdzie znajdują się Słońce, Ziemia i Księżyc, dzięki czemu rozciąga się przed nim niczym nieprzesłonięty obraz Wszechświata. Dokonanie przeglądu całego nieba zajmuje mu pół roku.

Znajdujące się na jego pokładzie przyrządy należą do najbardziej zaawansowanych urządzeń. Swoimi potężnymi czujnikami może on wykryć słabe mikrofalowe promieniowanie pozostałe po Wielkim Wybuchu, które, choć skąpany jest w nim cały Wszechświat, w dużym stopniu pochłaniane jest przez naszą atmosferę. Ten zbudowany z kompozytu aluminiowego satelita ma rozmiary 3,8 metra na 5 metrów i waży 840 kilogramów. Wyposażony jest w dwa zwrócone w przeciwne strony teleskopy skupiające promieniowanie mikrofalowe z otaczającego je nieba, a wyniki ich obserwacji zostają przesłane drogą radiową na Ziemię. Do jego zasilania wystarcza zaledwie 419 watów elektryczności (co odpowiada mocy pięciu zwykłych żarówek). Satelita WMAP, zawieszony miliony kilometrów od Ziemi, znajduje się poza zasięgiem ziemskiej atmosfery, która blokuje słabe mikrofalowe promieniowanie tła i może dokonywać ciągłej obserwacji całego nieba.

WMAP ukończył pierwszą obserwację całego nieba w kwietniu 2002 roku. Pół roku później gotowa była druga pełna obserwacja nieba. Dzisiaj dzięki satelicie WMAP dysponujemy najpełniejszą i najbardziej szczegółową mapą tego promieniowania, jaką kiedykolwiek stworzono. Istnienie badanego przez WMAP promieniowania tła przewidzieli po raz pierwszy w 1948 roku George Gamow i jego współpracownicy, którzy zauważyli również, że promieniowanie powinno mieć charakterystyczną temperaturę. WMAP zmierzył, że temperatura ta jest niewiele wyższa od zera absolutnego i zawiera się w przedziale pomiędzy 2,7249 a 2,7251 kelwina.

Dla niewprawnego oka sporządzona przez WMAP mapa nieba wygląda niezbyt ciekawie; jest ona po prostu zbiorem przypadkowych kropek. Jednakże kropki te niemal doprowadziły astronomów do łez, ponieważ przedstawiają one fluktuacje, nieregularności w pierwotnym, ognistym kataklizmie Wielkiego Wybuchu wkrótce po tym, jak powstał Wszechświat. Te maleńkie fluktuacje są niczym „zalążki”, które od tamtego czasu niesamowicie się rozrosły wraz z rozszerzającym się na skutek wybuchu Wszechświatem. Dzisiaj te niewielkie zaburzenia rozkwitły gromadami galaktyk i galaktykami, które rozświetlają niebo. Innymi słowy, nasza własna galaktyka Drogi Mlecznej i wszystkie gromady galaktyk, które dostrzegamy wokół siebie, były kiedyś jedną z takich niewielkich nieregularności. Mierząc rozkład tych fluktuacji, dowiadujemy się, jak powstały gromady galaktyk, które są niczym nitki w kosmicznym arrasie zawieszonym na nocnym niebie.

Wykonane przez satelitę WMAP „zdjęcie z czasów niemowlęctwa” Wszechświata, pokazujące, jaki był, gdy liczył sobie zaledwie 380 000 lat. Najprawdopodobniej każda kropka przedstawia niewielką kwantową fluktuację w poświacie stworzenia, która rozszerzyła się później, tworząc galaktyki i gromady galaktyk obserwowane przez nas teraz na niebie.

Obecnie olbrzymia ilość danych astronomicznych napływa do nas tak szybko, że teorie uczonych przestały za nimi nadążać. Moim zdaniem wkraczamy właśnie w złoty wiek kosmologii. (Choć satelita WMAP jest bez wątpienia dużym osiągnięciem, prawdopodobnie wkrótce zostanie ono przyćmione przez satelitę Planck, którego wystrzelenie Europejska Agencja Kosmiczna planuje na 2007 rok2; Planck dostarczy astronomom jeszcze bardziej dokładnych zdjęć mikrofalowego promieniowania tła). Dzisiaj możemy stwierdzić, że kosmologia w końcu dojrzała, że wyszła z mrocznych obszarów nauki, po całych latach trwania w grzęzawisku spekulacji i szalonych pomysłów. Z historycznego punktu widzenia kosmolodzy nie cieszą się najlepszą reputacją. Pasji, z jaką przedstawiali oni zawsze swoje wspaniałe teorie Wszechświata, dorównywało jedynie zadziwiające ubóstwo posiadanych przez nich danych. Jak zwykł sobie żartować laureat Nagrody Nobla, Lew Landau, „kosmologowie często są w błędzie, ale nigdy nie mają wątpliwości”. Uczeni mają takie stare powiedzenie: „Najpierw są domysły, za nimi jest jeszcze więcej domysłów, a dopiero potem jest kosmologia”.

Studiując w latach sześćdziesiątych XX wieku fizykę na Harvardzie, przez pewien czas zastanawiałem się nawet nad możliwością zajęcia się kosmologią. Od dzieciństwa fascynowało mnie pytanie o pochodzenie Wszechświata. Jednak krótki rzut oka na tę dziedzinę nauki pozwolił mi stwierdzić, że była ona żenująco prymitywna. Nie była to w żadnym wypadku nauka eksperymentalna, która umożliwiałaby sprawdzenie hipotez za pomocą dokładnych pomiarów, ale raczej zbiorowisko luźnych, wysoce spekulatywnych teorii. Kosmolodzy wdawali się w zażarte dyskusje na temat tego, czy Wszechświat narodził się w wyniku kosmicznej eksplozji, czy też zawsze istniał w stanie stacjonarnym. Jednak wobec tak niewielkiej ilości posiadanych informacji ich teorie bardzo szybko wyprzedzały dostępne dane. W rzeczywistości im mniej było danych, tym bardziej zawzięte toczyły się dyskusje.

W historii kosmologii ten niedostatek wiarygodnych danych doprowadzał również niejednokrotnie do nieprzyjemnych, długotrwałych kłótni pomiędzy astronomami, które często ciągnęły się przez całe dziesiątki lat. (Na przykład gdy astronom Allan Sandage z Mount Wilson Observatory miał wygłosić referat na temat wieku Wszechświata, poprzedzający go mówca oznajmił sarkastycznie: „Wszystko, co teraz usłyszycie, to nieprawda”3. Natomiast Sandage, słysząc, jak rywalizująca grupa robi wokół siebie dużo szumu, zakrzyknął: „Wszystko to jeden wielki stek bzdur! To oznacza wojnę – to wojna!”4).

Wiek Wszechświata

Astronomom szczególnie zależało na poznaniu wieku Wszechświata. Przez setki lat uczeni, duchowni i teologowie próbowali oszacować wiek Wszechświata, wykorzystując jedyną dostępną metodę: genealogię ludzkości od czasów Adama i Ewy. W ubiegłym stuleciu geologowie zmierzyli szczątkowe promieniowanie zawarte w skałach i uzyskali w ten sposób najlepsze oszacowanie wieku Ziemi. Natomiast dokonane przez satelitę WMAP najnowsze pomiary echa samego Wielkiego Wybuchu pozwoliły nam ponad wszelką wątpliwość ustalić wiek Wszechświata. Dane zebrane przez WMAP dowodzą, że Wszechświat narodził się w ognistej eksplozji 13,7 miliarda lat temu.

(Na przestrzeni lat jednym z najbardziej żenujących problemów, które prześladowały kosmologię, był fakt, że z powodu błędnych danych z wyliczeń często wynikało, iż wiek Wszechświata jest mniejszy niż wiek planet i gwiazd. Wcześniejsze oszacowania wieku Wszechświata podawały wartości nawet tak niskie, jak 1 do 2 miliardów lat, co było w sprzeczności z wiekiem Ziemi [4,5 miliarda lat] i najstarszych gwiazd [12 miliardów lat]. Te sprzeczności zostały już wyeliminowane).

Za sprawą satelity WMAP nieoczekiwany obrót przyjęła również debata wokół pytania, które zadawali sobie już Grecy ponad dwa tysiące lat temu: z czego zbudowany jest Wszechświat? Przez ostatnie sto lat uczeni wierzyli, że znają już odpowiedź na to pytanie. W wyniku tysięcy pracochłonnych eksperymentów ustalili, że Wszechświat zasadniczo zbudowany jest z około setki różnych rodzajów atomów, które można ułożyć w uporządkowany układ okresowy rozpoczynający się od wodoru. Wiedza ta stanowi podstawę współczesnej chemii i naucza się jej w każdej szkole. Teraz jednak WMAP zburzył to przekonanie.

Potwierdzając przeprowadzone wcześniej eksperymenty, satelita WMAP wykazał, że widzialna materia, którą dostrzegamy wokół siebie (włącznie z górami, planetami, gwiazdami i galaktykami), stanowi jedynie 4 procent całkowitej materii i energii zawartej we Wszechświecie. (Z tych 4 procent większość stanowią wodór i hel, a prawdopodobnie zaledwie 0,03 procent to pierwiastki ciężkie). W rzeczywistości przeważająca część Wszechświata zbudowana jest z tajemniczego, niewidocznego materiału o całkowicie nieznanym pochodzeniu. Biorąc pod uwagę to, że fizycy zmagają się obecnie z faktem, iż we Wszechświecie dominują całkowicie nowe, nieznane formy materii i energii, można powiedzieć, że w pewnym sensie nauka cofnęła się o kilka wieków wstecz, do okresu sprzed powstania wiedzy na temat atomowej budowy materii.

Zgodnie z danymi uzyskanymi z WMAP, 23 procent Wszechświata jest zbudowane z dziwnej, nieokreślonej substancji zwanej ciemną materią. Ta posiadająca masę substancja otacza galaktyki, tworząc gigantyczne halo, pozostaje jednak całkowicie niewidoczna. Ciemna materia jest tak wszechobecna i obfita, że w naszej własnej galaktyce Drogi Mlecznej przewyższa swoim ciężarem wszystkie gwiazdy o czynnik 10. Choć jest niewidoczna, uczeni mogą ją obserwować pośrednio, ponieważ zakrzywia ona tor światła gwiazd, podobnie do szkła, i dzięki temu można ją zlokalizować na podstawie powodowanych przez nią zniekształceń optycznych.

Odnosząc się do niezwykłych wyników uzyskanych przez satelitę WMAP, astronom z Princeton John Bahcall powiedział: „Żyjemy w szalonym Wszechświecie, w którego istnienie trudno nam uwierzyć, ale teraz przynajmniej znamy jego charakterystyczne cechy”5.

Jednak największym chyba zaskoczeniem wynikającym z danych zebranych przez WMAP, które spowodowały duże poruszenie w świecie naukowym, było stwierdzenie, że 73 procent Wszechświata, bez wątpienia największa jego część, jest zbudowane z ukrytej w próżni całkowicie nieznanej formy energii, zwanej ciemną lub niewidzialną energią. Po raz pierwszy ciemną energię, energię nicości lub pustej przestrzeni, wprowadził sam Einstein w 1917 roku, jednak później wycofał się z tego pomysłu (nazywając go swoją „największą pomyłką”). Energia ta pojawia się teraz ponownie jako siła napędowa Wszechświata. Uważa się obecnie, że ciemna energia tworzy nowe pole antygrawitacyjne, powodujące, iż galaktyki się od siebie oddalają. Od tej energii zależy też ostateczny los Wszechświata.

W chwili obecnej nikt nie ma najmniejszego pojęcia, skąd ta „energia nicości” się bierze. „Mówiąc szczerze, my jej po prostu nie rozumiemy. Wiemy, jakie efekty wywołuje, [ale] zupełnie nie wiemy... nikt zupełnie nic nie wie na jej temat”6 – przyznaje Craig Hogan, astronom z University of Washington w Seattle.

Jeżeli weźmiemy najnowszą teorię cząstek elementarnych i spróbujemy wyznaczyć wielkość tej ciemnej energii, uzyskamy liczbę różniącą się o 10120 (to znaczy, o jedynkę ze 120 zerami) od wartości uzyskanej przez WMAP. Ta rozbieżność pomiędzy teorią i eksperymentem jest bez wątpienia największa, z jaką się kiedykolwiek zetknęliśmy, patrząc z perspektywy całej historii nauki. Jest to powód olbrzymiego dyskomfortu – nasza najlepsza teoria nie potrafi wyznaczyć wartości największego źródła energii w całym Wszechświecie. Bez wątpienia już cała półka Nagród Nobla czeka na przedsiębiorczych ludzi, którzy rozjaśnią tajniki ciemnej materii i ciemnej energii.

Inflacja

Astronomowie cały czas usiłują przekopać się przez tę lawinę danych, która napłynęła z satelity WMAP. Gdy w wyniku ich pracy starsze koncepcje Wszechświata odchodzą w niebyt, na ich miejscu pojawia się nowy obraz kosmologiczny. „Położyliśmy kamień węgielny pod zunifikowaną, spójną teorię kosmosu”7 – stwierdza Charles L. Bennett, który dowodził międzynarodowym zespołem budującym satelitę WMAP, a następnie analizującym jego dane. Na razie naszą główną teorią jest, będąca istotnym ulepszeniem teorii Wielkiego Wybuchu, „inflacyjna teoria Wszechświata”, którą po raz pierwszy przedstawił fizyk Alan Guth z MIT. W scenariuszu inflacyjnym w czasie pierwszej bilionowej sekundy po Wielkim Wybuchu tajemnicza siła antygrawitacyjna spowodowała, że Wszechświat rozszerzał się szybciej, niż początkowo sądzono. Faza inflacyjna była niewyobrażalnie wybuchowa, powodując, że Wszechświat rozszerzał się z prędkością znacznie większą niż prędkość światła. (Nie łamie to jednak stwierdzenia Einsteina, że nic nie może się poruszać szybciej od światła, ponieważ mówimy tutaj o rozszerzaniu się pustej przestrzeni. To ciała materialne nie mogą przekroczyć tej granicy prędkości światła). W ciągu ułamka sekundy Wszechświat rozszerzył się o niewyobrażalny czynnik 1050.

Aby zrozumieć siłę tego inflacyjnego rozszerzania, wyobraźmy sobie nadmuchiwany balon, na którego powierzchni narysowano galaktyki. Cały Wszechświat, wypełniony gwiazdami i galaktykami, znajduje się na jego powierzchni, a nie w jego wnętrzu. Teraz narysujmy na balonie mikroskopijne kółko. To maleńkie kółko przedstawia widoczny Wszechświat, wszystko, co możemy obserwować za pomocą teleskopów. (Gdyby cały obserwowalny Wszechświat był tak mały jak cząstka elementarna, to rzeczywisty Wszechświat byłby znacznie większy od obserwowalnego Wszechświata, który widzimy wokół siebie). Innymi słowy, ekspansja inflacyjna była tak silna, że istnieją całe obszary Wszechświata, które na zawsze pozostaną poza naszym zasięgiem.

W rzeczywistości inflacja była tak potężna, że wydaje nam się, iż w naszym otoczeniu ten balon jest płaski, co eksperymentalnie potwierdził satelita WMAP. Tak samo jak wydaje nam się, że Ziemia jest płaska, ponieważ nasze rozmiary w porównaniu z nią są tak małe; Wszechświat również wygląda na płaski, choć w dużo większej skali jest on zakrzywiony.

Zakładając, że we wczesnym Wszechświecie doszło do takiego procesu inflacji, można bez większych problemów wyjaśnić wiele zagadek dotyczących Wszechświata, na przykład to, dlaczego wydaje się on płaski i jednorodny. Wypowiadając się na temat teorii inflacyjnej, fizyk Joel Primack stwierdził: „Jeszcze nigdy tak piękna teoria nie okazała się błędna”8.

Multiwszechświat

Wszechświat inflacyjny, choć zgodny z danymi zebranymi przez satelitę WMAP, nie daje jednak odpowiedzi na pytanie: co spowodowało inflację? Co uruchomiło tę antygrawitacyjną siłę, która rozdęła Wszechświat? Istnieje ponad pięćdziesiąt propozycji wyjaśnienia, co zapoczątkowało inflację i co ją w końcu zahamowało, powodując powstanie Wszechświata, jaki widzimy. Nie ma jednak powszechnej zgody co do szczegółów. Większość fizyków zgadza się co do podstawowej idei okresu szybkiej inflacji, nie istnieje jednak akceptowana przez wszystkich propozycja wyjaśnienia, jakiż to silnik napędzał inflację.

Ponieważ nikt nie wie dokładnie, jak inflacja się rozpoczęła, zawsze istnieje możliwość, że to samo zjawisko jeszcze się powtórzy – że do wybuchów inflacyjnych może dochodzić wielokrotnie. Jest to pomysł przedstawiony przez rosyjskiego fizyka Andrieja Lindego ze Stanford University – uważa on, że mechanizm, jakikolwiek by on był – który spowodował, że część Wszechświata nagle się gwałtownie rozszerzyła, działa cały czas, powodując być może, iż do inflacji dochodzi również przypadkowo w odległych obszarach Wszechświata.

Według tej teorii, niewielki fragment wszechświata może nagle ulec inflacji i „zakiełkować”, powodując powstanie wszechświata-„córki” lub wszechświata-„dziecka”, który z kolei może wytworzyć kolejny wszechświat--dziecko, a proces taki może się powtarzać bez końca. Wyobraźmy sobie, że puszczamy bańki mydlane. Jeżeli tylko odpowiednio silnie dmuchniemy, zobaczymy, że niektóre z baniek podzielą się na pół i wytworzą nową bańkę. W ten sam sposób wszechświaty mogą przez cały czas dawać początek nowym wszechświatom. W tym scenariuszu wielkie wybuchy zdarzają się w każdej chwili. Jeżeli jest on prawdziwy, to możemy żyć w morzu takich wszechświatów, jak bańka unosząca się w oceanie innych baniek. Tak naprawdę lepszym słowem niż „wszechświat” byłoby w takim wypadku „multiwszechświat” lub „megawszechświat”.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ WERSJI

1 www.space.com, 11 lutego 2003.

2 Satelita Planck został ostatecznie umieszczony na orbicie 3 lipca 2009 roku. Pierwsze dane, zebrane już w sierpniu tego samego roku, wskazują, że jakość gromadzonej informacji jest doskonała. Piątego lipca 2010 roku uzyskano pierwszy pełny obraz całego nieba. Analiza zebranych danych zapewne jeszcze potrwa, ale możemy się spodziewać, że w najbliższym czasie usłyszymy o odkryciach dokonanych dzięki realizacji tej misji.

3 K. Croswell, The Universe at Midnight: Observations Illuminating the Cosmos, The Free Press, Nowy Jork 2001, s. 181.

4 Ibidem, s. 173.

5 R. Britt, www.space.com, 11 lutego 2003.

6 www.space.com, 15 stycznia 2003.

7 „New York Times”, 12 lutego 2003, s. A34.

8 M. D. Lemonick, Echo of the Big Bang, Princeton University Press, Princeton 2003.