Tytuł oryginału

BEFORE THE BIG BANG

The Origin of the Universe and What Lies Beyond

Copyright © 2022 by Laura Mersini- Houghton

All rights reserved

Projekt okładki

Magdalena Palej

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8352-611-9

Warszawa 2023

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dla mojej córki Grace

i

dla mojego Taty

Dniem i nocą bram piekła nie bronią nikomu;

Ale wrócić na górny świat spod jego pował,

W tym trud cały.

Wergiliusz, Eneida1

1 Przekład Tadeusza Karyłowskiego.

Prolog:

Mój albański wszechświat

Albania, w której przyszłam na świat, to piękny kraj położony wzdłuż wybrzeża Adriatyku, zamieszkany przez najmilszych ludzi, lecz obciążony bagażem najokrutniejszej przeszłości. Jest domem dla około trzech milionów osób, lecz jego powierzchnia liczy niecałe 30 tysięcy kilometrów kwadratowych, jest więc tylko trochę większy od stanu New Jersey i o połowę mniejszy od Irlandii. Jednak w czasach mojej młodości totalitarny rząd wbijał nam do głów przekonanie, że Albańczycy zamieszkują samo centrum kosmosu.

Aż do 1991 roku, gdy rządzący Albanią komunistyczny reżim znalazł się na śmietniku historii, podzielając los wielkiego sojusznika, czyli Związku Radzieckiego, mój kraj był Koreą Północną Europy: paranoidalnym, biednym państwem, pozbawionym kontaktu z resztą świata. Wszechwładny rząd zabraniał patrzeć na to, co znajdowało się za granicami wyznaczanymi przez zasieki drutu kolczastego, dławił protesty przymusową relokacją, obozami pracy i wyrokami śmierci. Państwo utrzymywało setki tysięcy betonowych bunkrów, rozsianych po całym kraju w celu ochrony przed „anglo-amerykańskim zagrożeniem”. W obozach, wzorowanych na brutalnych sowieckich gułagach Józefa Stalina, więziono i prześladowano wiele tysięcy Albańczyków. Obcokrajowcy nie byli mile widziani, a Albańczykom nie zezwalano na podróże zagraniczne. Wewnątrz kraju rząd decydował, gdzie i jak można żyć. Wszelkie przejawy indywidualizmu były karane.

Jedynym miejscem, które pozostało dla nas otwarte, było rozświetlone gwiazdami niebo nad głową. Państwo nie mogło nam zabronić spoglądania w górę. Zatem już będąc małym dzieckiem, mogłam uciekać w przepastne głębie nieba.

Czysty zbieg okoliczności sprawił, że zyskałam jeszcze jedną możliwość ucieczki, której inni nie mieli. Kiedy dorastałam, moja mama pracowała dla Albańskiej Ligi Pisarzy i Artystów, organizacji zrzeszającej artystów, pisarzy i kompozytorów. W jej miejscu pracy znajdowała się specjalna biblioteka, gdzie miałam dostęp do książek w języku angielskim, wpisanych przez aparat państwowy na listę zakazanej literatury zachodniej, niedostępnej dla zwykłych Albańczyków. Książki te stały się dla mnie wehikułem, którym odbywałam podróże na krańce świata. Nie mogłam jednak dzielić moich marzeń i wypraw w krainy wyobraźni z nikim poza moimi rodzicami.

Mój ojciec przewidział frustrację, jaką wywołają w ciekawym świata dziecku narzucane ograniczenia, toteż obmyślił błyskotliwe sposoby wykorzystania książek, sztuki i muzyki do ukierunkowania ciekawości i wzmocnienia mojej odporności psychicznej. Muzyka klasyczna stała się podstawą naszego zaszyfrowanego języka, kodu, który pozwalał umknąć przed codziennymi okolicznościami i dzielić się rozmyślaniami na temat piękna Wszechświata.

W oczach komunistycznego rządu albańskiego mój ojciec miał „złą biografię” – urodził się w rodzinie właścicieli ziemskich, której korzenie sięgały daleko w przeszłość poprzedzającą czasy komunistów i która była przez to nieustannie prześladowana. Moja babcia spotkała swoich braci dopiero w 1991 roku, jeden z nich spędził w więzieniu niemal pięćdziesiąt lat. Kilku innych krewnych wysłano do obozów, rozstrzelano lub skazano na wygnanie. Kuzyn mojego taty, inżynier pracujący przy projekcie osuszania albańskich bagien po drugiej wojnie światowej, w latach siedemdziesiątych został wywleczony z domu, śmiertelnie postrzelony, a zwłoki wywieziono. Dwie dekady później rodzina odkryła jego ciało w szkole medycznej w stolicy, Tiranie, gdzie znakomicie zakonserwowane w formalinie wykorzystywano do nauczania anatomii. Jego bracia i kuzyni przekroczyli wtedy siedemdziesiąt lat, lecz dla ich zaginionego członka rodziny czas się zatrzymał i nadal wyglądał na mężczyznę przed czterdziestką. Ostatecznie mógł zostać godnie pochowany w 1997 roku.

Mojemu ojcu powiodło się trochę lepiej – skazywano go tylko na wygnanie. Stało się tak kilka razy w trakcie mojego dzieciństwa. Pierwsze przymusowe przesiedlenie stało się jego udziałem, gdy miałam pięć lat, i przyczynił się do niego pewien list.

W tamtym czasie ojciec był profesorem ekonometrii na Uniwersytecie Tirańskim. Pracował nad trudnym zagadnieniem matematycznym, które miało ważne zastosowania od ekonomii po astronomię. Zajmował się bardzo dużymi i wyjątkowo rzadkimi macierzami, które przypominają ogromne arkusze z setkami wierszy i kolumn, w większości wypełnione jednak zerami. Dzięki tej pracy otrzymał zaproszenie na Uniwersytet Oksfordzki w Wielkiej Brytanii – zaproponowano mu sześciomiesięczny urlop naukowy, który umożliwiłby przedyskutowanie jego nowego algorytmu. List jednak nigdy do niego nie dotarł. Został przechwycony przez albańskie władze.

Zamiast podróży do Oksfordu na początku roku akademickiego ojciec udał się na wygnanie. Był to mój pierwszy dzień w szkole. Tego ranka zabrał mnie do szkoły w nowym mundurku, trzymając kwiaty dla nauczycielki, jakby wszystko było w najlepszym porządku. Podsłuchałam jednak przyciszoną rozmowę rodziców i wiedziałam, że nie odbierze mnie ze szkoły ani tego popołudnia, ani przez wiele następnych dni. Mimo to udawałam radosne podekscytowanie, aby wypełniające mnie uczucie beznadziei nie skaziło ostatniego obrazu, jaki ojciec zabierze ze sobą na tułaczkę.

Moja mama i ja w poprzednich miesiącach doświadczyłyśmy już wielu dramatycznych chwil. Był to mroczny czas, gdy ojciec został poddany procesowi eufemistycznie nazywanemu „debatą ideologiczną”, który w rzeczywistości był rozprawą mającą na celu wyznaczenie kary i przesądzenie o jego losie. W tamtych latach w Albanii w takich sytuacjach nikomu nie przysługiwał obrońca ani nie odbywały się prawdziwe rozprawy. Celem „debaty” było pokazanie mojemu ojcu przez jego kolegów profesorów i pracowników uniwersytetu, że zaproszenie z Oksfordu oznaczało, iż zbłądził ideologicznie, a skoro tak, musi być ukarany i zapracować na przywrócenie dobrego imienia. Ta parodia procesu ciągnęła się przez ponad dwa tygodnie, często przez cały dzień, aż do północy. Na końcu debaty miała zapaść decyzja w sprawie należnej sankcji, którą mogło być wszystko, od więzienia przez wygnanie po karę śmierci.

Nie mieliśmy pojęcia, jak długo będzie trwała debata ani jaki może zapaść wyrok. Każdego wieczora mama i ja czekałyśmy przy zgaszonych światłach i z twarzami przyklejonymi do szyby, mając nadzieję, że po następnym tyknięciu ściennego zegara usłyszymy kroki taty. Nie wolno nam było otwarcie okazywać emocji wobec kogoś, kto został objęty prowadzonym przez partię śledztwem. Wciąż tkwi we mnie wspomnienie grozy, jaka przenikała mnie na wskroś, zanim w końcu słyszałyśmy odgłos jego kroków i mogłyśmy poczuć ciepło jego objęć, gdy zamknął drzwi frontowe.

Tego pierwszego dnia szkoły dzieci zebrały się na placu przed budynkiem. Jedno po drugim były wyczytywane i kierowane do mniejszych grup, gdzie poznawały swoich nauczycieli. Moja nowa nauczycielka miała na imię Shpresa, co w języku albańskim znaczy „nadzieja”. Wręczyłam jej kwiaty i udawałam, że rozmawiam z innymi dziećmi, ale kątem oka śledziłam mojego ojca, jak powoli znika za ogrodzeniem szkoły. Nie ośmieliłam się obrócić głowy i spojrzeć w jego stronę. Pamiętam wyraz jego oczu, spojrzenie ciężkie od dojmującego poczucia straty i nasycone przenikliwą melancholią, gdy ostatni raz rzucił okiem za siebie, zanim skręcił za róg i zniknął. Nie wiedziałam, kiedy – albo czy w ogóle – ujrzę go ponownie.

Koniec końców ojcu pozwolono raz w miesiącu przyjeżdżać na weekend do domu. (Po dwóch latach rząd uświadomił sobie, że ponownie potrzebuje jego specjalistycznej wiedzy, i przywrócono mu stanowisko w Albańskiej Akademii Nauk). To właśnie w trakcie tych krótkich wizyt uczył mnie tego, co najmocniej zapadło mi w pamięć – wieczornych mądrości, które mogłam zabrać ze sobą w podróż przez mroczny czas.

W tamtym czasie w każdą sobotę o jedenastej wieczorem Radio Tirana nadawało godzinną audycję wypełnioną muzyką klasyczną. W trakcie wizyt, ignorując sprzeciw mamy, tata budził mnie tuż przed początkiem audycji. Wśród nocnej ciszy słuchaliśmy razem boskich dźwięków przenikających do salonu zdawałoby się z drugiego krańca Wszechświata, jakby zostały przeniesione z innej przestrzeni i innego czasu. Ojciec szeptem wypowiadał komentarze do muzyki, podsycając w trakcie tych interludiów mój osobisty podziw dla geniuszu człowieka i jego osiągnięć.

Tematem jednego z tych sobotnich wieczorów były dzieła Bacha. Toccata i fuga tego kompozytora była ulubionym utworem taty, natomiast moim stał się III Koncert brandenburski. „Uważaj! Posłuchaj tego – mówił. – Dotyka głębi ludzkiej egzystencji i cierpienia. Delikatnie kołysze, gdy prowadzi cię w dół, potem jeszcze bardziej w głąb, i jeszcze głębiej, aż osiąga dno. Jednak słuchaj… wyraźnie słychać, że Bach nie jest tym zaniepokojony. Zachowuje absolutny, niezmącony spokój, nawet w najbardziej dla niego mrocznych chwilach. Wyczuwasz ten spokój w jego smutku? Zbyt dobrze zna ludzki los i kontrastujące ze sobą uczucia udręki i szczęścia. Doskonale wie, że zarówno smutki, jak i radosne chwile są częścią życia”.

„Nie traci spokoju – ciągnął dalej ojciec – ponieważ ma świadomość, gdzie tkwi źródło jego problemu: jego muzyka jest ponadczasowa, a swym geniuszem wyprzedza czasy, w których przyszło mu żyć. Dokonał jednak wyboru. Zdecydował się podnieść poprzeczkę wyżej, tworzyć piękno dla wieczności, bez oglądania się na to, co mogłoby zadowolić ówczesną publiczność. Do komponowania popycha go chęć służenia wyższej sprawie, idei, która zakorzeniona jest w nim samym”.

I dalej, w trakcie allegro: „Posłuchaj teraz… Słyszysz to?”. Nagle dźwięki znowu zaczęły się wznosić, łagodnie unosząc ponad fale beznadziei.

Gdy utwór dobiegł końca, tata wytłumaczył, o co mu chodziło. „Widzisz, Bach wiedział, że tworzy coś wyjątkowego. Wiele krajów miało na jakimś etapie ich historii królów, królowe, dyktatorów. Bach, Beethoven i wielu innych wielkich kompozytorów, matematyków i naukowców pracowało dla tych władców. Okoliczności te jednak ich nie ograniczały. Ich wewnętrzna pasja pchała ich do tworzenia arcydzieł”.

„Dzięki swojej pracy byli wolnymi ludźmi. Bo tak naprawdę tylko dzięki książkom, sztuce, muzyce i odkryciom naukowym stajemy się prawdziwie wolnymi ludźmi. Ty również możesz zdecydować o tym, że otoczysz się skarbami wiedzy i twórczości”.

Ani mój tata, ani ja nie byliśmy muzykami, ale badania naukowe były dla nas równie inspirujące jak muzyka Bacha. W istocie te prowadzone szeptem rozmowy stały się dla mnie najwcześniejszym natchnieniem dla mojej naukowej podróży, choć były też inne źródła takiego wpływu. Zapewne indoktrynacja, jakiej byłam świadkiem w dzieciństwie w Albanii, ukształtowała u mnie silne pragnienie szukania własnych odpowiedzi za pomocą logiki i prac badawczych, nawet jeśli czasem oznaczało to przeciwstawienie się ustalonym przekonaniom. Ciekawość ta porwała mnie w odyseję bardziej imponującą, niż mój tata i ja mogliśmy sobie wyobrazić: zapragnęłam zgłębiać mechanizmy funkcjonowania Wszechświata i poznać jego zakodowane w matematyce piękno.

Dzisiaj mieszkam w Stanach Zjednoczonych i jestem profesorem fizyki teoretycznej i kosmologii na Uniwersytecie Karoliny Północnej. Pochodzenie Wszechświata stanowi obecnie centralny temat w kosmologii i jeden z najważniejszych obszarów moich badań. Mogę szukać odpowiedzi, ponieważ, na szczęście, w zachodnim środowisku akademickim zadawanie pytań nie jest zabronione, nawet jeśli są to dwa najistotniejsze pytania kosmologiczne naszych czasów: Skąd wziął się Wszechświat? Co znajduje się poza nim?

Od czasów studiów uniwersyteckich fascynowało mnie pierwsze z tych dwóch, stare jak świat zagadnienie: jeżeli nasz Wszechświat nie istnieje od zawsze, to w jaki sposób zaistniał? Fascynacja ta z czasem doprowadziła do zadania kolejnych pytań. Co było przed narodzinami naszego Wszechświata i co znajduje się poza jego granicami?

Po tych pytaniach przyszła pora na najbardziej radykalne pytanie ze wszystkich: czy jesteśmy po prostu jednym wszechświatem, taką kosmiczną Albanią, gdzie świat kończy się na jej granicach, a może stanowimy część większego kosmosu, będącego domem dla wielu wszechświatów, czyli wieloświata, w którym nasz Wszechświat jest tylko jednym z jego skromnych elementów?

Korzystając z najnowszych odkryć w fizyce teoretycznej, rozwinęłam i zaproponowałam teorię mającą pomóc w objaśnieniu genezy wszechświata. To pierwsza teoria, która udziela odpowiedzi na pytanie odnoszące się do naszego pochodzenia. Idzie ona jednak o krok dalej, oferując możliwość zerknięcia na ogromny wieloświat, w którym nasz własny Wszechświat jest zanurzony.

Moja teoria osnuta jest wokół poglądu, iż jesteśmy częścią wieloświata, czyli zakorzeniona jest w przeświadczeniu, że poza naszym własnym istnieją inne wszechświaty. Dla wielu krytyków pojęcie wieloświata ma czysto spekulatywny charakter, jest teoretyczną mrzonką, która nigdy nie zostanie przetestowana doświadczalnie, toteż jest bezużyteczna dla świata nauki. Tymczasem rozwijając moją teorię, wykazaliśmy, że prawdziwe jest stwierdzenie całkowicie przeciwne.

W pierwszych latach XXI wieku, po zastosowaniu do problemu pochodzenia Wszechświata praw fizyki kwantowej (wskazujących na przykład na możliwość komunikacji między wszechświatami wieloświata dzięki wykorzystaniu splątania kwantowego), razem z moimi współpracownikami sformułowałam na bazie naszej teorii wiele przewidywań. Przewidywania te wskazywały, w jaki sposób możemy rzucić okiem na świat leżący poza granicami naszego Wszechświata i znaleźć odciski jego palców wyryte wprost na niebie nad głowami ludzi.

Nasza teoria i powstałe na jej fundamencie testowalne przewidywania wspólnie dowodzą, że można w sposób naukowy odpowiedzieć na pytanie dotyczące pochodzenia naszego Wszechświata, a istnienie wieloświata jest w istocie możliwe do sprawdzenia. Rzecz jasna, wspomniane testy muszą bardziej opierać się na dowodach pośrednich niż bezpośrednich, ponieważ nigdy nie będziemy w stanie odbyć podróży poza punkt bez powrotu – za horyzont naszego Wszechświata, do miejsc, z których nawet światło nie może do nas dotrzeć – skąd przywieźlibyśmy niepodważalny dowód, który zadowoliłby każdego sceptyka. Tylko że wystarczy opierać się na dostępnych nam dowodach, aby zdobyć niezwykle bogatą wiedzę na temat narodzin kosmosu. Nie da się pominąć, że niemal wszystkie przewidywane przez nas anomalie dają się odkryć w przepastnych głębinach naszego nieba.

Już starożytni filozofowie rozważali myśl, iż żyjemy nie w pojedynczym wszechświecie, ale w wieloświecie. Od czasów najstarszych cywilizacji ludzie zastanawiali się, jaki był początek Wszechświata, jaki będzie jego koniec oraz co może się znajdować poza nim, jeśli w ogóle coś tam jest. Wiele fundamentalnych pytań dotyczących Wszechświata tylko nieznacznie zmieniło się na przestrzeni tysiącleci.

Możliwość istnienia wielu światów pojawiła się w zachodniej myśli filozoficznej za pośrednictwem atomistów w starożytnej Grecji. Atomiści uważali, że świat zbudowany jest z niepodzielnych grudek materii (atomów) i pustej przestrzeni (próżni), w której atomy te się poruszają. Zgodnie z ich poglądami poruszające się w próżni grupy atomów zbijały się i formowały większe obiekty, takie jak gwiazdy, planety, w końcu cały Wszechświat. Ponieważ atomów było nieskończenie wiele i nieskończony był zasób próżni, proces ten mógł powtarzać się nieustannie, prowadząc do powstania wielu wszechświatów.

Główna – i zasadnicza – różnica między tymi dawnymi myślicielami a współczesnymi naukowcami polega na tym, że dzięki wiedzy zgromadzonej na przestrzeni wieków, na którą składa się teoretyczny opis natury i postęp technologiczny, możliwe jest prowadzenie badań naukowych i obserwacyjne testowanie idei, jakie wcześniej uważano za czysto filozoficzne rozważania. Dzisiaj naukowcy są w stanie zgłębiać zjawiska i obmyślać testy, o których wcześniejsze pokolenia mogły tylko pomarzyć.

To, czego dowiadujemy się dzięki tym pracom teoretycznym i postępowi w dziedzinie technik obserwacyjnych, wywraca do góry nogami ugruntowane przez stulecia doktryny. Uzyskane przez nas wyniki niweczą też odwieczne marzenie fizyków o odkryciu schematów działania kosmosu, który składa się z pojedynczego wszechświata – rozwiewają sen, który urzekł wiele największych umysłów fizyki teoretycznej XX i początku XXI wieku, w tym samego Alberta Einsteina.

Po części to dzięki naszej pracy idea mówiąca o tym, że Wszechświat, w którym żyjemy, nie jest unikatowy, lecz należy do znacznie większej kosmicznej rodziny – wieloświata – została przesunięta z peryferii kosmologii do nauki głównego nurtu. Opowieść o tym, jak do tego doszło i w jaki sposób idea wieloświata została przyjęta, jest głównym tematem mojej książki.

Dlaczego wątek początków naszego Wszechświata jest ważny? Prawdę powiedziawszy, wielu naukowców podejmuje badania Wszechświata i jego początków z czystej ciekawości, nie oczekując, że natychmiast pojawią się jakieś praktyczne zastosowania. By posłużyć się rozróżnieniem używanym przez wielu tych badaczy, można powiedzieć, że początki naszego Wszechświata tradycyjnie łączono z czystą nauką, a nie nauką stosowaną.

Ewolucja uwarunkowała ludzi, by dążyli do naukowego objaśnienia świata. Posiedliśmy specjalne cechy, takie jak dziecięca ciekawość i wewnętrzne pragnienie zrozumienia otoczenia, które doprowadziły nasz gatunek do rozwinięcia większych mózgów w porównaniu z innymi mieszkańcami tej planety. Cechy te są przejawem czegoś, co nazywane jest neotenią – między innymi charakteryzuje się ona tym, że u osobników dorosłych przez całe życie utrzymują się pewne infantylne cechy.

Czysta nauka i nauka stosowana koncentrują się na innych celach, lecz wiąże je potężna, symbiotyczna relacja. Nauka stosowana nie może istnieć bez odkryć dokonywanych w dziedzinie czystej nauki. Z kolei choć zwolennicy czystej nauki mogą czasem okazywać pogardę dla nauki stosowanej i jej praktycznych zastosowań, to historia rozwoju wiedzy dobitnie pokazuje, iż osiągnięcia czystej nauki nieuchronnie prowadzą do praktycznych zastosowań, które mają moc odmieniania naszego życia.

Jest taka anegdota, której bohaterem jest Michael Faraday, dziewiętnastowieczny naukowiec, znany z prac przyczyniających się do rozwikłania tajemnic elektromagnetyzmu. Pewnego dnia laboratorium Faradaya odwiedził brytyjski kanclerz skarbu (odpowiednik dzisiejszego ministra finansów). Pod koniec wizyty kanclerz powiedział: „Wszystko to robi imponujące wrażenie, ale jaki z tego pożytek?”. Faraday odparł: „Nie wiem, mój panie, ale jestem pewien, że kiedyś będzie pan z tego ściągał podatki”. I rzeczywiście, dzisiaj miliardy ludzi na całej planecie płacą za elektryczność i nie wyobrażają sobie życia bez niej.

Gdyby ktoś spytał Einsteina, do czego może przydać się jego teoria względności, mógłby usłyszeć taką samą odpowiedź, jakiej udzielił Faraday. Wiele nowoczesnych urządzeń, które na trwałe weszły do naszego życia, opiera swe działanie na pracach Einsteina. Wystarczy, że korzystają z systemu GPS. Nowoczesne instrumenty do mapowania mózgu i programy obsługujące transakcje na giełdzie papierów wartościowych wykorzystują ten sam zestaw reguł kwantowych i praw, które stosował Einstein do objaśnienia ruchu planet i charakteru prędkości światła we Wszechświecie. Ludzka ciekawość ukierunkowana na poznanie, skąd gwiazdy czerpią swój blask, dała nam narzędzia do wytwarzania energii jądrowej, rozwoju medycyny nuklearnej i, niestety, budowy broni masowej zagłady. Zrozumienie procesów zachodzących w gwiazdach i formowania struktur we Wszechświecie prowadzi do wykorzystania reakcji syntezy jądrowej, która mogłaby stanowić nieograniczone źródło ekologicznej energii tu, na Ziemi. Internet, wi-fi, komputery, wszystkie elektroniczne gadżety, bez których nie potrafimy się obyć, jak też bankomaty, bezprzewodowe przelewy bankowe, maszyny do obrazowania w medycynie i nowoczesne instrumenty używane w szpitalach nie zaistniałyby bez udziału teorii mechaniki kwantowej, która powstała między innymi dzięki Einsteinowi i współczesnym mu teoretykom.

Kiedyś możemy czerpać podobne korzyści z odkryć dotyczących badań wieloświata. Kto wie, jaki postęp technologiczny może się dokonać dzięki lepszemu zrozumieniu początków naszego Wszechświata? Jakie genialne i twórcze pomysły mogą się zmaterializować, gdy tylko świadomie zaakceptujemy przesłankę podważającą stulecia naukowej ortodoksji? Gdy dowiemy się więcej na temat prawdziwych mechanizmów funkcjonowania naszego kosmosu, odkryjemy, że największe naukowe odkrycia i przełomowe idee wciąż jeszcze są przed nami.

Udział w tym naukowym przedsięwzięciu wydaje się na równi ekscytujący i onieśmielający. Jednak ponad wszystko jest źródłem inspiracji – i właśnie tym natchnieniem chcę podzielić się z czytelnikami. Na następnych stronach opiszę moją osobistą podróż przez cuda kosmosu w poszukiwaniu jego początków i dowodów istnienia naszej większej kosmicznej rodziny, wieloświata. Kiedyś obaliliśmy pogląd, iż Ziemia jest centralnym punktem Wszechświata, a Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy krążą wokół naszej rodzimej planety. Teraz degradujemy nasz Wszechświat z zajmowanej historycznie centralnej pozycji całego kosmosu. Czyniąc to, piszemy na nowo historię naszego pochodzenia.

1

Czy nasz Wszechświat jest wyjątkowy?

Na przestrzeni lat zwiedziłam wiele lotnisk na całym świecie, ale najmocniej utkwił mi w pamięci Port Lotniczy im. Matki Teresy w Tiranie. To właśnie w tym miejscu zaczęła się moja naukowa podróż.

W styczniu 1994 roku zostawiłam za sobą odgrodzone murem życie w Albanii i zaczęłam nowe w Stanach Zjednoczonych. Moje życie potoczyło się ścieżką, której nigdy nie byłabym w stanie sobie wyobrazić: zdobyłam pełne stypendium, dzięki któremu mogłam podjąć studia na amerykańskim uniwersytecie.

Kilka lat wcześniej, gdy Albania zaczęła zrzucać kajdany komunizmu, ambasada Stanów Zjednoczonych i Amerykańskie Centrum Kultury ponownie otworzyły swoje podwoje, które pozostawały zamknięte przez ponad czterdzieści lat. Zaraz potem Stany Zjednoczone zaoferowały Albańczykom dostęp do programu Fulbrighta. Właśnie przygotowywałam się do zakończenia studiów licencjackich na Uniwersytecie Tirańskim na kierunku fizyka i zastanawiałam się, co dalej począć z moim życiem i karierą. Wiedziałam, że chcę kontynuować naukę, jednak albański system edukacji nie zawierał w swej ofercie studiów magisterskich z fizyki. Jedyną opcją było podjęcie ich za granicą.

Program Fulbrighta był mocno rozreklamowany i zachęcano studentów do składania podań. Bazując na własnych doświadczeniach wyniesionych z życia w Albanii, gdzie nie przykładano dużej wagi do rzeczywistych zalet, a wszystko opierało się na politycznych koneksjach, sądziłam, iż to zbyt piękne, aby było prawdziwe, że ktoś taki jak ja uzyska stypendium umożliwiające podjęcie studiów w Stanach Zjednoczonych tylko dzięki wypełnieniu wniosku i rozwiązaniu standaryzowanych testów. Zachęcona przez przyjaciół wypełniłam formularze, jednak nie robiłam sobie wielkich nadziei. Kilka miesięcy później przeżyłam potężny wstrząs, gdy otrzymałam list z gratulacjami w związku z uzyskaniem stypendium Fulbrighta – miałam opłacony cały akademicki rok zaawansowanych studiów na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Marylandu w College Park. Byłam pierwszą stypendystką Fulbrighta w dziedzinie nauk ścisłych w Albanii. Był to też mój pierwszy kontakt z bezstronnością amerykańskiego systemu opartego na osiągnięciach.

Na lotnisku towarzyszyli mi rodzice i brat. Oprócz matematyki i rodziny pasją mojego ojca były jeszcze szachy i wędrówki górskie. Podczas gdy oczy mamy i brata wypełniły się łzami, tata nie mógł się powstrzymać przed udzieleniem mi rady na pożegnanie. „Prawdziwie dobra nauka jest jak wspinanie się po górach – powiedział. – Żeby ją uprawiać, potrzeba umiejętności najwyższej klasy, wytrwałości i odwagi, by nigdy nie narażać na szwank swojej naukowej uczciwości. Jednak widok ze szczytu zapiera dech w piersiach i wart jest wszystkich wyrzeczeń”. Dodał jeszcze, że jak w szachach, „jeżeli chcesz osiągnąć sukces, musisz obmyślać co najmniej trzy ruchy naprzód. Musisz przewidywać i przygotowywać się na to, co może pójść nie tak, nie tylko po pierwszym ruchu, ale też w każdej możliwej kombinacji wyników po drugim i trzecim ruchu”. Miał na myśli to, że powinnam drobiazgowo analizować swoje pomysły, sprawdzać, czy zgadzają się z szerszą perspektywą, czy nie, dzięki czemu mogłabym przewidywać wystąpienie problemów.

Kiedy obejmowaliśmy się na pożegnanie, już za nimi tęskniłam. Tata wycofał się z uścisku i patrząc na mnie, głosem drżącym od emocji powiedział coś, co tylko rodzice mogą powiedzieć swoim dzieciom: „Nie oglądaj się za siebie. Nic nam nie będzie”.

Weszłam na pokład samolotu Swissairu, zastanawiając się, jak będzie wyglądało moje nowe życie w kraju, gdzie nikogo nie znam, położonym daleko od mojego rodzinnego domu, za morzem i oceanem. Nie mogłam przewidzieć, że roczne stypendium Fulbrighta przemieni się w przyjęcie na amerykańskie studia magisterskie i zyska kontynuację w postaci nieprzerwanej ścieżki kształcenia trwającej przez całe życie. Nie zgadłabym też, że Stany Zjednoczone staną się moim nowym domem.

Kiedy lądowałam na międzynarodowym lotnisku Baltimore/Waszyngton, samolot otaczała mgła, przesłaniająca widok ziemi. Przeszłam przez odprawę celną i znalazłam czekającą na mnie osobę z Uniwersytetu Marylandu, pracującą dla biura obsługującego międzynarodowe wymiany studenckie. Na zewnątrz z nieba leciały duże płatki śniegu. Kiedy dotarliśmy do hotelu w pobliżu kampusu, śnieg zgęstniał i opad przekształcił się w zamieć śnieżną, której rozmach przeszedł do historii. Na wszystkich lotniskach stolicy Stanów Zjednoczonych ruch całkowicie zamarł. Zapadł wieczór, a sypiący z niewidocznych chmur śnieg i pokryte lodem jezdnie niesamowicie jaśniały w światłach ulicznych latarni.

Pierwszy tydzień w Stanach Zjednoczonych przeżyłam na pączkach i kawie z ekspresu, życzliwie zapewnionych przez hotel w lobby dla wszystkich gości, którzy utknęli z powodu załamania pogody. Przeplatające się chwile cichej kontemplacji i radosnego uniesienia, których doświadczyłam w tym pierwszym tygodniu (wraz ze słodyczą wszystkich pączków!), stały się dobrą metaforą mojego nowego życia w Ameryce.

Z perspektywy czasu wiele rzeczy wydaje się oczywistych, lecz prawdę powiedziawszy, niewiele brakowało, a nie zostałabym fizykiem. Zbliżając się do końca nauki w liceum w Albanii, jeszcze na tydzień przed ostatecznym terminem składania podań nie mogłam się zdecydować, czy wybrać studia na Uniwersytecie Tirańskim na kierunku fizyka, czy też powinnam studiować matematykę. Lubiłam obie dyscypliny. Brałam udział w narodowych olimpiadach fizycznych i matematycznych, łudząc się, że znajdę w ten sposób rozwiązanie dylematu. Tak się złożyło, że wygrałam obydwie, przez co wybór stał się jeszcze trudniejszy. Postanowiłam więc rzucić monetą: orzeł to fizyka, reszka to matematyka. Wypadł orzeł.

Mimo iż ku fizyce skierował mnie ślepy los, zawsze wiedziałam, że pragnę znaleźć się w świecie liczb i nauk ścisłych. W tamtym czasie w Albanii ekonomia oraz nauki społeczne i humanistyczne były w większości nasycone zakamuflowanymi dogmatami politycznymi. Historia stanowiła naszą narodową wersję komunistycznych mitów i bajek, nawet wydziały prawa nie zasługiwały na swą nazwę, ponieważ system prawny nie znał pojęcia obrońcy. Żadna z tych dziedzin mnie nie pociągała. Tymczasem wielu uczniów, którzy zostali przypisani do nauk przyrodniczych, postrzegało to jako karę. Budynek matematyki i fizyki drwiąco określano mianem „Pałacu Zimowego”.

Uwielbiałam matematykę za czystą logikę i precyzję, które to cechy eliminowały samowolę i wszelkie niejednoznaczności, jakimi życie w Albanii było przepełnione. Fizykę lubiłam równie mocno, łączyła bowiem matematykę z kreatywnością i intuicją, przenosząc abstrakcyjną naukę na grunt rzeczywistego świata. Wylądowałam więc na kursie zaawansowanej fizyki, który miał potrwać pięć lat, ale na drugim roku zdecydowałam, że rozpocznę również studia na drugim kierunku, na matematyce.

Zdobycie tytułu z matematyki oprócz dyplomu z fizyki nie robiło absolutnie żadnej praktycznej różnicy, skoro, jak się na tym etapie wydawało, miałam spędzić całe zawodowe życie w Albanii. Mimo to rodzice wsparli mnie w tej decyzji. Myślę, że mama była zadowolona, ponieważ studiując jednocześnie na dwóch kierunkach, nie miałabym czasu na imprezowanie. Tata z kolei był zachwycony, że podzielam jego pasję do matematyki.

Albańscy przyjaciele uważali, że studiowanie matematyki dla przyjemności stawia pod znakiem zapytania moją poczytalność, kiedy jednak ostatecznie opuściłam hotel i rozlokowałam się w małym mieszkaniu, skąd zaczęłam zwiedzać rozległy kampus Uniwersytetu Marylandu, przekonałam się, że otaczają mnie studenci równie pełni pasji w stosunku do wybranych przez siebie dziedzin i podobnie zdeterminowani, aby wycisnąć z dostępnych programów edukacyjnych możliwie najwięcej.

Wydział Fizyki na Uniwersytecie Marylandu ma bogatą ofertę studiów drugiego stopnia. Składa się na nią niezwykle duża liczba zaawansowanych kursów fizyki, uzupełnianych o liczne programy badawcze, w tym światowej klasy grupy badawcze w dziedzinie fizyki teoretycznej. W pełni skorzystałam z tych możliwości i w okresie stypendium Fulbrighta zapisałam się na dużo więcej kursów, niż było to wymagane. Złożyłam też podanie o umożliwienie kontynuowania studiów na Uniwersytecie Marylandu już po wygaśnięciu stypendium. Szczęśliwie zostało ono rozpatrzone pozytywnie.

W gronie około dwustu studentów fizyki na uniwersytecie były tylko trzy kobiety. Poza tym rozwarstwieniem ze względu na płeć grupa była mocno zróżnicowana. Przez niemal całe życie w Albanii, aż do upadku reżimu, stykałam się wyłącznie z innymi Albańczykami. Przebywanie w otoczeniu studentów wywodzących się z tak wielu środowisk i miejsc było dla mnie nowym, lecz cudownym doświadczeniem. Bez wątpienia świat okazał się większy, niż mi się mogło zdawać.

Na drugim roku w Marylandzie uświadomiłam sobie, że pociągają mnie wielkie pytania na temat Wszechświata, a najwięcej uroku ma dla mnie fizyka teoretyczna w połączeniu z kosmologią, nauką badającą Wszechświat jako całość ̶ oto dyscyplina naukowa o dosłownie kosmicznych proporcjach.

Fizycy teoretycy poświęcają zawodowe życie rozszyfrowywaniu, jak działa natura, od najmniejszych możliwych cząstek po największe możliwe odległości. Robimy to, wykorzystując poznane prawa natury do odkrywania nowych, posługując się sprawdzonymi teoriami i – kiedy to konieczne – zastępując je lepszymi, oraz rozwiązując równania matematyczne, na których opierają się te prawa i teorie, aby rozgryźć kolejną zagadkę. Jak dzieci lubimy zadawać pytania, od tych podstawowych po najbardziej skomplikowane. Potrafimy wpaść na szalone pomysły, lecz po zastosowaniu rygorystycznego rozumowania logicznego i przeprowadzeniu obserwacji bezlitośnie je analizujemy i w większości odrzucamy. Znani jesteśmy z zamiłowania do dedukcji i syntezy, lecz trochę brak nam umiejętności praktycznych, przydatnych do radzenia sobie z codziennymi problemami.

W Marylandzie dołączyłam do Zespołu Teorii Grawitacji i Kosmologii, jednej z kilku uczelnianych grup badawczych skupionych na konkretnej dziedzinie. W jego skład wchodzili badacze na stażu podoktorskim i studenci. (Jednym z członków zespołu był Charles Misner, sławny fizyk, zajmujący się badaniami w zakresie podstaw grawitacji, który na Uniwersytecie w Princeton był studentem Johna Wheelera i kolegą ze szkolnej ławy Hugh Everetta. Obu spotkamy później w tej książce).

W trakcie jednego z seminariów zespołu usłyszałam stwierdzenie, które mnie zaszokowało. Prelegent szczegółowo zapoznawał nas z zagadnieniem oceny szans na to, żeby nasz Wszechświat powstał w taki sposób, jak głosi teoria, w wysokich energiach w trakcie Wielkiego Wybuchu. Otóż szanse te były bliskie zera! Tak naprawdę możliwe było wyliczenie dokładnej wartości, czego też pod koniec lat siedemdziesiątych XX wieku podjął się wybitny brytyjski fizyk Roger Penrose (późniejszy laureat Nagrody Nobla).

Obliczając prawdopodobieństwo spontanicznego powstania naszego Wszechświata, Penrose uzyskał zdumiewający wynik: 1 dzielone przez 10 do potęgi 10 do potęgi 123. Szansa była mniejsza niż jeden na googolplex.

Liczba ta wydała mi się kompletnie absurdalna.

Matematycy żartują, że googolplex to po prostu jedynka z tyloma zerami, ile uda się napisać, zanim ręka odmówi posłuszeństwa. Liczba jest dłuższa niż średnica całego naszego Wszechświata.

Jeżeli ktoś jest kosmologiem (a nawet jeśli nim nie jest), odbiera uzyskany przez Penrose’a wynik jako coś niepokojącego. Czy powstanie naszego Wszechświata było tak wyjątkowym zdarzeniem, zaistniałym w tak unikatowych okolicznościach, że nigdy przedtem nic podobnego się nie zdarzyło i nic podobnego już nigdy się nie powtórzy? Czyżbyśmy praktycznie byli niedorzecznie szczęśliwymi zdobywcami nagrody w jakiejś dziwacznej kosmicznej loterii?

Wspólnie ze Stephenem Hawkingiem Penrose posunął się jeszcze dalej. Wychodząc z podstawowych zasad, na drodze logicznego rozumowania wyprowadzili twierdzenie (wniosek, który może być matematycznie udowodniony), zgodnie z którym jeśli od chwili powstania nasz Wszechświat się rozszerzał, to musiał mieć początek w punkcie przestrzeni charakteryzującym się dosłownie nieskończoną gęstością energii – znanym jako osobliwość.

Z twierdzenia o osobliwościach Hawkinga i Penrose’a wynikało, że naukowcy nigdy nie będą w stanie badać samego momentu narodzin Wszechświata, ponieważ nic, absolutnie nic, nie istniało przed jego powstaniem. Oznaczało to, że nigdy nie będziemy mogli odtworzyć lub choćby zidentyfikować warunków, które przyczyniły się do jego stworzenia. Wychodziło na to, że powstanie naszego Wszechświata leży poza możliwością objęcia go badaniem.

Oczywiście wydało mi się to niezwykle intrygujące.

Kiedy mieszkałam w Marylandzie, jednym z moich ulubionych weekendowych zajęć było spędzanie całych popołudni w dużej księgarni w Bethesda na wertowaniu książek z dowolnej dziedziny, od literatury przez filozofię po sztukę. Wszystko było dobre, byle nie fizyka.

Fizyka zajmowała mnie bez reszty we wszystkie dni tygodnia, od poniedziałku do piątku. W takie dni wieczorami czytałam wszystko, co wpadło mi w ręce z literatury naukowej, próbowałam nawet odtworzyć zawarte tam obliczenia. Chciałam zrozumieć, jak Penrose doszedł do swego zdawałoby się bezsensownego wniosku na temat naszego Wszechświata. Próbowałam przeniknąć jego rozumowanie, którym przekonał swoich kolegów do przyjęcia wizji, iż przed powstaniem naszego Wszechświata nic nie istniało.

Choć argumentacja Penrose’a robiła na mnie wrażenie, to wnioski nie przekonywały. Raz po raz wracałam do jego artykułu w nadziei, że rozbierając na czynniki pierwsze i analizując zawarte tam treści, w końcu albo dołączę do grona przekonanych, albo uda mi się znaleźć miejsce, w którym rozumowanie schodzi na manowce. Oczywiście nie łudziłam się, że będę w stanie rozwiązać zagadki, które za sprawą Penrose’a i Hawkinga znalazły się za murem wzniesionym przez twierdzenie o osobliwościach. Nie cierpiałam na urojenia. Byłam zwyczajnie ciekawa.

Szybko się przekonałam, że wniosek Penrose’a, mówiący o niemal zerowych szansach na powstanie naszego Wszechświata, robi wrażenie solidnego jak skała. Odkrycie było też zwodniczo proste. Opierało się na fundamentalnym prawie przyrody, drugiej zasadzie termodynamiki, która wynikała z prac poważanego dziewiętnastowiecznego fizyka z Austrii, Ludwiga Boltzmanna.

Bogaty wkład Boltzmanna do termodynamiki i teorii atomowej poznałam już w trakcie studiów licencjackich w Albanii. (Nawiasem mówiąc, mój profesor termodynamiki został w okresie przejściowym prezydentem Albanii). Jednak dopiero później, gdy zaczęłam rozbierać na czynniki pierwsze działania Penrose’a – rozgryzając jego rozwiązanie tych równań – w pełni zrozumiałam i doceniłam znaczenie osiągnięć austriackiego uczonego.

Odkrycia dokonane przez Boltzmanna nie były zwyczajnym zbiorem równań nazwanych jego imieniem. Stanowiły kamień milowy rozwoju współczesnej fizyki: przyniosły przełom, który ujawnił newralgiczny charakter związku zachodzącego między prawdopodobieństwem spontanicznego wystąpienia jakiegoś zdarzenia a wielkością znaną jako entropia. W istocie to właśnie spostrzeżenie Boltzmanna dotyczące prawdopodobieństwa doprowadziło Penrose’a do tego absurdalnego wyniku, iż szanse na losowe wyłonienie się naszego Wszechświata są niemal równe zeru.

W prostym ujęciu pojęcie entropii Boltzmanna jest miarą nieuporządkowania. Wyobraźmy sobie dziecięcą szafę pełną koszulek w różnych rozmiarach i kolorach. Na poziomie makroskopowym szafę można doskonale opisać za pomocą jej rozmiaru, koloru ścian, liczby zamkniętych w niej koszulek. Pewnego dnia rodzice wprowadzają zasadę, która ma służyć zachowaniu porządku w szafie: wszystkie koszulki powinny być zawieszone w ustalonej kolejności, od najmniejszego do największego rozmiaru. Załóżmy, że następnego dnia dzieci zaczynają wieszać w szafie koszulki (albo, co bardziej prawdopodobne, rzucać je na podłogę szafy) całkowicie losowo. W przeciwieństwie do systemu zaproponowanego przez rodziców, który opiera się na pewnym unikatowym wzorcu – porządkowaniu według rozmiaru – system realizowany przez dzieci zawiera wiele różnych możliwości. Jednak informacja dotycząca systemu porządkowania rodziców lub dzieci nie ma zastosowania do makroskopowego opisu szafy. W rzeczywistości za każdym razem, gdy dzieci zmieniają układ koszulek i zaburzają uporządkowany stan szafy, tworzą nowe konfiguracje albo – w żargonie fizyków – nowe stany mikroskopowe. Zatem w przeciwieństwie do unikatowego i uporządkowanego systemu rodziców nieuporządkowana szafa ma wiele stanów mikroskopowych, ponieważ istnieje wiele sposobów nieuporządkowanego ułożenia koszulek. Pomimo że konkretne szczegóły nieuporządkowania nie znajdują odbicia w makroskopowym opisie szafy, wciąż jesteśmy w stanie wysnuć wniosek, iż nieuporządkowana szafa nie jest unikatowa, dużo bardziej prawdopodobne bowiem jest znalezienie jej w stanie losowego rozkładu koszulek niż w stanie uporządkowania według zadanego wzorca.

Brakująca informacja, na którą składa się zbiór tych stanów mikroskopowych, to właśnie entropia Boltzmanna. Entropia zlicza wszystkie stany mikroskopowe, w jakich może znaleźć się dany układ, bez zmiany jego stanu makroskopowego, jak w zaprezentowanym powyżej przykładzie z szafą. Jest ona więc miarą tego, co stanowi ukrytą informację o układzie. W przypadku szafy za pomocą wzoru matematycznego drobiazgowo opisuje drobne szczegóły i panujący w środku nieporządek.

Już wcześniej wiedziałam, czym jest entropia Boltzmanna, ale ciekawiło mnie, jak Penrose powiązał ją z prawdopodobieństwem albo tym, jak małe były szanse na losowe zaistnienie naszego Wszechświata. W jaki sposób entropia łączyła się z jego narodzinami? W jakim stopniu wiedza na temat entropii Wszechświata wymiernie przekłada się na wiedzę dotyczącą prawdopodobieństwa?

Odpowiedź wyryta jest na nagrobku Boltzmanna w Wiedniu. Na samym szczycie, nad popiersiem znanego fizyka, można znaleźć niezwykłe epitafium w postaci wzoru matematycznego:

S = k ln W

Jest to jedno z najsłynniejszych równań Boltzmanna, znane jako wzór na entropię. Entropia badanego układu oznaczana jest symbolem S. Układem może być na przykład dziecięca szafa. Symbolem W oznaczona jest liczba stanów mikroskopowych tego układu. W naszym przykładzie jest to liczba wszystkich możliwych sposobów ułożenia koszulek w szafie. Symbol ln to logarytm naturalny2, natomiast k to wielkość stała, znana jako stała Boltzmanna. W uproszczeniu entropia jest proporcjonalna do (logarytmu) liczby mikrostanów układu. Albo, równoważnie, liczba dostępnych stanów mikroskopowych układu W jest równa liczbie e podniesionej do potęgi, która jest wprost proporcjonalna do entropii S3.

Wzór wyryty na nagrobku Boltzmanna stanowi pierwsze mikroskopowe spojrzenie na entropię w kontekście części – mikrostanów – tworzących układ. Przeoczyłam jednak jego prawdziwe znaczenie, co zrozumiałam dopiero, gdy przyjrzałam mu się ponownie na zaawansowanym kursie fizyki: liczba tych części, liczba możliwych stanów mikroskopowych dostępnych w danym układzie (wyliczanych z jego entropii), to nic innego jak bezpośrednia miara prawdopodobieństwa zaistnienia tego układu.

Na przykład istnieje wiele różnych sposobów – wiele mikrostanów (W) – zaprowadzenia w szafie nieporządku, lecz tylko kilka sposobów na jej posprzątanie i uporządkowanie. Wobec tego, gdybyśmy w losowej chwili spojrzeli na wnętrze szafy, szanse zobaczenia go w stanie uporządkowanym byłyby bardzo małe. Ta sama zasada ma zastosowanie do większych układów, aż do największego możliwego układu, jakim jest cały wszechświat.

Każdy układ makroskopowy, czy to szafa, czy cały wszechświat, ma własny zbiór mikrostanów, za pośrednictwem których jest realizowany. Jeżeli wszechświat w chwili powstania ma dużą liczbę możliwych mikrostanów, za pomocą których może zostać zrealizowany, wówczas prawdopodobieństwo losowego zdarzenia, jakim jest zaistnienie tego wszechświata, jest wysokie. Analogicznie, jeśli liczba stanów mikroskopowych, które mogą posłużyć do zrealizowania konkretnego modelu, jest mała, to prawdopodobieństwo pojawienia się tego modelu jest wykładniczo niskie.

Ze wzoru Boltzmanna (łączącego entropię układu z prawdopodobieństwem jego zaistnienia) wynika, że jeśli zgodnie z wyliczeniami Penrose’a prawdopodobieństwo zaistnienia w sposób losowy naszego Wszechświata ma być wykładniczo mniejsze niż dla jakiegokolwiek innego wszechświata, jaki moglibyśmy sobie wyobrazić, to nasz Wszechświat musiał się zacząć od wyjątkowo uporządkowanego stanu o bardzo małej entropii.

Kiedy próbowałam poskładać w całość moje rozumienie tego, jak Penrose dotarł do entropii Wszechświata, historia nieprawdopodobnego zaistnienia naszego Wszechświata stała się jeszcze bardziej interesująca. Skąd w ogóle wiemy, jaka jest jego entropia? Jakie informacje są potrzebne, aby ją wyliczyć? Entropia Wszechświata w dowolnym momencie zlicza wszystkie jego mikrostany, wszystkie możliwe konfiguracje części składowych. Ujawnia stopień nieuporządkowania naszego Wszechświata i jest też miarą niewiedzy.

Załóżmy, że szafa z poprzedniego przykładu jest duża jak wszechświat. Koszulki odpowiadają atomom i fotonom, gwiazdom i galaktykom – całej materii, energii i promieniowaniu wszechświata. Liczbę tych składników można wywnioskować na podstawie astrofizycznych obserwacji kosmosu. Jednak za każdym razem, gdy wymieniamy dwa fotony z dwóch przeciwległych krańców kosmosu, mamy nową konfigurację, nowy stan mikroskopowy wszechświata. Za każdym razem, gdy supernowa wybucha i rozrzuca w przestrzeni swoją materię, pojawia się nowy mikrostan, choć stan makroskopowy wszechświata jako całości pozostaje taki sam. Jak w analogii do szafy – jeżeli naukowcy poznają materię i energię wszechświata, mogą wyliczyć wszystkie możliwe sposoby ułożenia tych składników i oszacować wartość entropii układu. Właśnie to zrobił Penrose. I okazało się, że entropia naszego Wszechświata w obecnym stanie nie jest wcale duża.

Zawsze jest jednak jakiś haczyk, a w przypadku naszego Wszechświata haczyk prezentuje się następująco: szanse opisujące nasze istnienie nie zależą od entropii Wszechświata w obecnym stanie, lecz od entropii w chwili jego powstania. Oczywiście kwestia jest kłopotliwa, ponieważ nie możemy poddać obserwacji momentu, w którym Wszechświat się narodził. Mimo to aby oszacować prawdopodobieństwo jego zaistnienia, Penrose musiał znaleźć sposób na wydedukowanie, jak wyglądała entropia w pierwszych chwilach po jego narodzinach. Jak tego dokonał? Musiałam się dowiedzieć.

Zanim dotrzemy do entropii Wszechświata w chwili jego powstania, musimy przypomnieć zapewne najważniejsze prawo natury: drugą zasadę termodynamiki.

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki entropia układu nigdy się nie zmniejsza, ale z upływem czasu zawsze rośnie, niezależnie od jej wartości początkowej. Innymi słowy, dla każdego układu naturalną tendencją jest to, że staje się bardziej, a nie mniej nieuporządkowany.

Wyobraźmy sobie dwa przylegające pokoje, połączone szczelnie zamkniętymi drzwiami. Na początku temperatura w pierwszym pokoju jest niska (powiedzmy, jakieś 5°C), natomiast w drugim wysoka (prawie 40°C). Druga zasada termodynamiki mówi nam, co dzieje się z entropią tych pokojów wraz z upływem czasu po otwarciu łączących je drzwi.

Ponieważ cząsteczki powietrza mogą się swobodnie przemieszczać między pokojami, temperatura w obu pomieszczeniach powoli osiągnie tę samą wartość średnią. Jednakże nieuporządkowanie rośnie, pojawia się bowiem więcej cząsteczek powietrza mających do dyspozycji więcej przestrzeni, w której mogą się poruszać i tworzyć nowe konfiguracje. Mogą przepływać z jednego pokoju do drugiego i z powrotem. Ciepło stopniowo przenoszone jest do zimnego pokoju, a przy okazji w obu tworzą się nowe mikrostany. Im więcej czasu mija, tym więcej mikrostanów powstaje w obydwu pomieszczeniach, a ich liczba stale rośnie aż do chwili, gdy wszędzie zapanuje ta sama temperatura.

Co więcej, bez interwencji z zewnątrz proces ten jest nieodwracalny. Nie ma znaczenia, jak długo byśmy czekali – pokój, który na początku był gorący, nie stanie się znowu gorący, a pomieszczenie, w którym panował chłód, nie stanie się znowu zimne. Nie ma na to żadnych szans! Żaden z nich nie wróci spontanicznie do pierwotnego stanu. Mówiąc inaczej, entropia przylegających pokojów z czasem rośnie – nieodwracalnie.

To zachowanie stanowi esencję drugiej zasady termodynamiki. Wzrost entropii z upływem czasu jest zjawiskiem powszechnym i nieodwracalnym, występuje niezależnie od układu. Każdy układ w naturze ma tendencję do szukania stanu równowagi przez zwiększanie z czasem swojej entropii. Ten sam wniosek jest nieunikniony, gdy zastosujemy rozumowanie do całego wszechświata: entropia układu – całego wszechświata – będzie z czasem nieodwracalnie wzrastać.

Znamy entropię obecnego Wszechświata, ponieważ dzięki obserwacjom astrofizycznym prowadzonym z przestrzeni kosmicznej i powierzchni naszej planety oraz pomiarowi jego ekspansji możemy zliczyć wszystkie jego składniki (masę, energię i promieniowanie), a za pomocą drugiej zasady termodynamiki – wydedukować, iż entropia w momencie powstania Wszechświata musiała być mniejsza od entropii obecnego Wszechświata. Tylko jak dużo mniejsza, tak precyzyjnie? Proste stwierdzenie, iż stan Wszechświata w najwcześniejszych chwilach po jego zaistnieniu cechowała mniejsza entropia niż teraz, nie dostarcza wystarczająco dużo danych, aby oszacować prawdopodobieństwo.

Był jeszcze jeden kłopot. Rozumowanie Penrose’a, prowadzące do wniosku mówiącego o śmiesznie małym prawdopodobieństwie zaistnienia naszego Wszechświata, wyliczonym na bazie wzoru wyrytego na nagrobku Boltzmanna, było uzależnione wyłącznie od jednej liczby: wartości entropii w najwcześniejszym momencie życia Wszechświata. Tylko że druga zasada dynamiki nie pozwala oszacować dokładnej wartości entropii w chwili stworzenia. Gdy bardziej zagłębiłam się w zagadnienie, właśnie ten fragment układanki przysporzył więcej komplikacji.

Zrekonstruowanie entropii Wszechświata w chwili stworzenia wymagało prześledzenia kosmicznej ewolucji wstecz osi czasu, aż do jego narodzin. W tym cały problem. Akceptowana przez badaczy opowieść o początkach Wszechświata, kreślona przez nowoczesną wersję Wielkiego Wybuchu (znaną jako kosmiczna inflacja), choć niesamowicie skuteczna w objaśnianiu niemal wszystkiego na temat naszego Wszechświata, opisuje bardzo szczególne początki, związane ze stanem o wyjątkowo niskiej entropii.

Kosmiczna inflacja postuluje, że nasz malutki, pierwotny Wszechświat, wypełniony po brzegi energią, w okamgnieniu zwiększył swoje rozmiary w eksplozji o gargantuicznych proporcjach. Teoria ta oferuje przekonującą historię o tym, jak malutki wszechświat może w dość naturalny sposób urosnąć i później napełnić się życiem, a jej doskonała zgodność z obserwacjami pomaga wytłumaczyć, dlaczego do dzisiaj jest szeroko akceptowana przez ludzi nauki i szerszą opinię publiczną.

Artykuł Penrose’a wzbudził jednak wątpliwości co do teorii kosmicznej inflacji. Z postulatu teorii, kojarzącego stan początkowy naszego Wszechświata z wysoką energią, lecz bardzo małą entropią, wynikało, że prawdopodobieństwo jego narodzin w taki sposób jest możliwie najmniejsze. Wskazując tę skazę w teorii kosmicznej inflacji, rozumowanie Penrose’a stanowiło najpoważniejsze zagrożenie dla tezy, iż to kosmiczna inflacja odpowiada za początkową fazę rozwoju naszego Wszechświata.

Tak wyglądał w skrócie niesławny problem pochodzenia naszego Wszechświata.

Mój prosty plan zakładał, że przyjrzę się detalom kosmicznej inflacji i temu, co stało się później. Chciałam poznać wcześniejsze próby rozwiązania problemu, a w szczególności zrozumieć, gdzie i dlaczego próby te okazały się nieudane. Jeśli kwestia naszego wyjątkowego pochodzenia była artefaktem kosmicznej inflacji, to może powinniśmy odrzucić tę teorię i zastąpić ją lepszym modelem stworzenia. Zastanawiałam się wtedy, czy przypadkiem rzekomo niskie prawdopodobieństwo zaistnienia naszego Wszechświata nie wskazuje na inny problem, wręcz o fundamentalnym znaczeniu, dotyczący ogólnie przyjętego wytłumaczenia naszego pochodzenia. A może zupełnie nie pojmujemy, o co chodzi, i zadajemy niewłaściwe pytanie? Okazało się, że na oba te pytania należy odpowiedzieć twierdząco.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Prolog: Mój albański wszechświat

1. Czy nasz Wszechświat jest wyjątkowy?

2. Jak powstał nasz Wszechświat?

3. Skok kwantowy

4. Precyzyjne dostrojenie

5. Czy jesteśmy sami?

6. Jedenaście wymiarów

7. Pierwsza fala

8. W głąb wieloświata

9. Początki naszego Wszechświata

10. Odciski palców innych wszechświatów

11. Nieskończoność i wieczność

Epilog: Miejsce, w którym można marzyć

Podziękowania

2 Logarytm naturalny ln jest działaniem odwrotnym do potęgowania. Podstawą logarytmu naturalnego jest stała matematyczna e równa w przybliżeniu 2,7; dla każdej wartości zmiennej x prawdziwe jest równanie: e^(ln x) = x.

3 Wykorzystując definicję logarytmu naturalnego, wzór Boltzmanna można zapisać w postaci W = e^(S/k). Ponieważ Penrose szacował entropię wczesnego Wszechświata na bardzo małą, prawdopodobieństwo W dotyczące zaistnienia wszechświata takiego jak nasz okazuje się równe ułamkowi 1 przez 10 do potęgi 10^123, czyli jest bliskie zera.