Dwadzieścia siedem Wszechświatów - serio?

Wszystko zaczęło się w początkach XX wieku, kiedy to kosmologia rozpoczęła swój triumfalny okres wzrostu po wielu wiekach pozostawania domeną filozofów, teologów i poetów. Z jednej strony stale rosła moc teleskopów oraz ilość zgromadzonych danych, przez co w latach 20. XX wieku rozmiar Kosmosu oraz jego podstawowa struktura w skali galaktyk zaczęła być powoli odkrywana. Z drugiej strony postępy w fizyce fundamentalnej sprawiły, że w końcu pojawił się precyzyjny język mogący służyć do opisu Wszechświata. Z połączenia tych dwóch składników narodziła się współczesna ilościowa kosmologia fizyczna. Kluczowy z naszego punktu widzenia był drugi element układanki - zmatematyzowany język fizyki; przyjrzyjmy mu się bliżej.

Jak można się domyślać, źródeł rewolucji należy doszukiwać się w twórczości Alberta Einsteina, w szczególności jego ogólnej teorii względności. Propozycja Einsteina polegała na opisie czasoprzestrzeni naszego świata w języku geometrii różniczkowej - teorii matematycznej pozwalającej na opis przestrzeni o dowolnie zadanych globalnych i lokalnych właściwościach.

Słynne równania pola Einsteina wyrażają związek między lokalną krzywizną Wszechświata a jego "zawartością", m.in. zawartą w danej objętości masą. To właśnie z równań Einsteina wynikają wszystkie słynne efekty relatywistyczne - uginanie się promieni świetlnych, istnienie czarnych dziur itd. Rzecz w tym, że równania same w sobie nie mówią jeszcze nic o świecie. Tak jak każdego innego zestawu równań, można ich użyć do opisu świata o praktycznie dowolnych właściwościach.

Nic więc dziwnego, że bezpośrednio po opublikowaniu przez Einsteina jego równań pola zaczęły z całego świata spływać rozwiązania tychże równań, opisujące najróżniejszego typu konfiguracje czasoprzestrzenne. Część z tych rozwiązań opisywała realne scenariusze fizyczne; większość - nie.

Jednym ze słynniejszych jest rozwiązanie odnalezione w 1949 roku przez austriackiego logika i matematyka Kurta Gödla, opisujące wszechświat, w którym możliwa jest podróż w czasie. Inne rozwiązania opisują wszechświaty puste (tzw. rozwiązania próżniowe), albo całkowicie wypełnione wyłącznie promieniowaniem.

Prawdziwe poruszenie wzbudziły dopiero rozwiązania opisujące wszechświaty łudząco podobne do naszego, przez co możliwe stało się wykorzystanie równań Einsteina w "prawdziwej" kosmologii. Jednym z pierwszych przykładów było rozwiązanie, do autorstwa którego przyznawały się aż cztery osoby, nazywane w związku z tym sympatyczną nazwą rozwiązania Friedmanna-Lemaitre'a-Robertsona-Walkera (FLRW).

Co to wszystko oznacza? W momencie, w którym uzna się, że określony zestaw obiektów matematycznych, spełniających równania Einsteina, opisuje nasz świat, staje się ów zestaw modelem kosmologicznym. Innymi słowy, nasz własny Wszechświat zostaje uznany po prostu jako fizyczna realizacja tegoż właśnie zestawu równań.

Po uczynieniu tego ważnego kroku otwiera się przed nami cała masa najróżniejszych możliwości. Po pierwsze, samo słowo "wszechświat" nabiera szczególnego, "technicznego" sensu - zostaje ono wąsko zdefiniowane po prostu jako określone rozwiązanie FLRW wraz z wszystkimi niezbędnymi parametrami liczbowymi. Po drugie, można zacząć się takim modelem "bawić" - zmieniać parametry, dodawać lub ujmować materii, promieniowania czy energii próżni... wszystko po to, by nasz prywatny matematyczny wszechświat coraz bardziej przypominał Wszechświat nas otaczający. W końcu po trzecie, można powoływać do istnienia całe zbiorowości właśnie takich wszechświatów; cały ten tytaniczny wysiłek wygenerowania nowego wszechświata, który nawet bogom potrafi zająć tydzień, zostaje teraz sprowadzony do postawienia paru znaków na papierze.

Z powyższego fragmentu warto wynieść jedną ważną informację: "wszechświat" w takim sensie, w jakim używają tego pojęcia kosmolodzy, jest bardzo wąsko i bardzo ściśle określonym tworem składającym się z literek i cyferek. Pojęcie to nie ma się nijak do znacznie bardziej ogólnego, filozoficznego terminu "wszechświat", rozumianego jako mniej czy bardziej precyzyjnie ograniczone "wszystko, co istnieje", na co mogą składać się m.in. pszczółki i kwiatki, liczby i obiekty geometryczne, idee i pojęcia, a także aniołowie, bogowie i tytani.

Taki właśnie "wszechświat filozoficzny" ma bardzo rozmyte brzegi, zaś dyskusje na temat tego, co do niego należy, i w jakim sensie, odbywają się na gruncie działu filozofii zwanego metafizyką. Z drugiej strony "wszechświat fizyczny" to bardzo precyzyjnie zdefiniowany dynamiczny obiekt geometryczny, a dyskusje na jego temat odbywają się na gruncie działu fizyki zwanego kosmologią fizyczną. Lepiej tych dwóch pojęć nie mylić, bo nieszczęście gotowe.

Kiedy już położy się przed sobą na stole operacyjnym kilka wszechświatów, przychodzi czas zabawy. Pierwszym instynktem szalonego naukowca jest oczywiście zszycie ze sobą dwóch takich wszechświatów i zbadanie odruchów życiowych tak powstałej chimery. Jako pierwszy wpadł na to sam Einstein w 1930 roku. Procedura jest zwodniczo prosta, a to wszystko dzięki pięknej właściwości matematyki, jaką jest jej klarowność.

Jeśli więc początkowa osobliwość wszechświata - zwana też Wielkim Wybuchem - może zostać matematycznie utożsamiona z osobliwością końcową innego wszechświata - zwaną też Wielkim Kolapsem - wystarczy jedno dodatkowe machnięcie piórem, żeby stworzyć scenariusz, w którym śmierć jednego wszechświata zawsze oznacza narodziny innego: tzw. model cykliczny. Po opublikowaniu opisu pierwszego takiego potworka przez Einsteina zbadaniem jego odruchów życiowych zajął się amerykański fizyk Richard Tolman. Po wnikliwych badaniach okazało się, że tego typu "wszechświat wszechświatów" łamie podstawowe prawa termodynamiki, zaś sam model powędrował do fizycznej poczekalni.

Szczególne rozwinięcie tego pomysłu zaproponował John Wheeler, fizyk bardzo zasłużony dla ogólnej teorii względności, a jednocześnie autor wielu bardzo odważnych propozycji wykraczających poza relatywistyczny "elementarz". Wheeler obok swoich innych zainteresowań, badał od strony teoretycznej (bo jakże inaczej?) czarne dziury. Zresztą, to właśnie jemu zawdzięczamy obrazowe określenie "czarna dziura".

Gdy na początku lat 70. przyszło mu współtworzyć klasyczny podręcznik relatywistyki pt. Gravitation, zauważył, że matematyczny opis ostatnich chwil grawitacyjnego zapadania się masywnej gwiazdy odpowiada opisowi rodzącego się wszechświata - oczywiście po odwróceniu strzałki czasu. Co zaś umysł fizyka spłodzi, papier radośnie przyjmie. W jednym z ostatnich rozdziałów Gravitation znajduje się więc zostawiona tam przez Wheelera potomnym sugestia, jakoby czarne dziury były w istocie generatorami wszechświatów.

Żaden pomysł nie jest oczywiście na tyle szalony, żeby nie uczynić go jeszcze trochę bardziej szalonym - tak przynajmniej wydaje się działać XX-wieczna kosmologia. Na początku lat 90. koncepcję Wheelera podjął bowiem kolejny kreatywny fizyk zza oceanu, Lee Smolin, uzbrojony dodatkowo w kilka przydatnych narzędzi teoretycznych. Smolin zaproponował nieco bardziej szczegółowy scenariusz rodzenia się wszechświatów w głębinach czarnych dziur, opierając się na podobnym co Wheeler rozumowaniu.

Skoro dwa zamrożone w czasie "plasterki" dwóch rozwiązań równań Einsteina (rozwiązanie Schwartzschilda opisujące czarną dziurę oraz rozwiązanie de Sittera opisujące płaski rozszerzający się wszechświat) można ze sobą utożsamić, można też potraktować jedno jako fizyczną kontynuację drugiego. Procedura taka, nazywana czasem po prostu "zszyciem", polega w istocie na podaniu sposobu na utożsamienie każdego punktu przestrzeni jednego rozwiązania z określonym punktem przestrzeni drugiego rozwiązania. Smolin dorzucił do koszyczka hipotezę, jakoby stałe fizyczne odmieniały swoje wartości w pobliżu takiego właśnie "punktu przegięcia", oraz parę innych radosnych propozycji, otrzymując w rezultacie barokową wizję "płodnych wszechświatów", zradzających coraz to nowe potomstwo i ewoluujących na sposób darwinowski.

Cóż, i tak, i nie. Sytuacja jest co najmniej dwuznaczna. Z jednej strony obowiązują twarde reguły gry, ograniczające naukę do tego, co przynajmniej teoretycznie może zostać kiedyś potwierdzone obserwacją. Trudno jest sobie wyobrazić obserwacje "innych wszechświatów", zwłaszcza, że zakazuje tego ta sama teoria, w języku której owe wszechświaty się opisuje. Gdyby więc dokonała się rewolucja w fizyce, wywalająca na śmietnik dotychczasowe ograniczenia na kontakt między wszechświatami, na śmietnik musiałyby też polecieć wszystkie teorie budowane na bazie owej zdezaktualizowanej relatywistyki - a więc też i teorie domagające się kontaktu między wszechświatami... Istny paragraf 22. Tak czy inaczej, wszyscy gracze upubliczniający swoje szalone "wieloświatowe" teorie starają się dołączać do nich jakiekolwiek przewidywania obserwacyjne, żeby zachować pozory.

Z drugiej strony, kosmolodzy zachowują się trochę jak dzieci bawiące się olbrzymim zestawem klocków magnetycznych. Cokolwiek da się stworzyć, choćby to było najszkaradniejsze monstrum, prędzej czy później powstanie. Obok nudnej, trudnej, systematycznej pracy, jaką jest w istocie przepełniona każda dziedzina nauki, kosmologia ma więc do dyspozycji szczególnego typu zestaw konstrukcyjny, z możliwości którego po prostu szkoda nie skorzystać. Wszechświaty i wieloświaty powstają więc na pęczki i trudno ocenić, na ile serio podchodzą do tego sami zainteresowani. Część z tych modeli znajduje oczywiście zastosowanie w interpretacji odkryć kosmologii obserwacyjnej .

Na ile serio powinniśmy podejść do tego my, skromni czytelnicy doniesień zza mórz i oceanów? Można oczywiście zająć się wyczerpującą analizą metodologiczną współczesnego stanu kosmologii fizycznej. Ja proponuję prostszą metodę - przejrzeć domowe strony internetowe tylu współczesnych kosmologów, ilu się uda znaleźć. Do dzieła. Na pierwszy ogień proponuję Maxa Tegmarka. Odpowiedź powinna wyłonić się sama gdzieś przy trzecim kosmologu.

Łukasz Lamża

Materiał udostępniony dzięki uprzejmości Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych