Zarodki nowych wszechświatów

Być może zaskoczeniem dla niektórych jest fakt, że dość łatwo możemy sobie wyobrazić okoliczności, w których prawa fizyki mogłyby się zmienić. Zniknięcie osobliwości Wielkiego Wybuchu w pętlowej kosmologii kwantowej oznacza, że przed naszym wszechświatem mógł istnieć inny wszechświat. Jeśli w chwili odbicia prawa fizyki nie znikają całkowicie, ale ulegają jedynie nieznacznym przypadkowym zmianom, to być może uda nam się kiedyś zrozumieć, jak prawa te zmieniały się z biegiem czasu we wszechświecie, który podlega powtarzającym się cyklom odbicia, ekspansji, kurczenia się i ponownego odbicia. Taka cykliczna pętlowa kosmologia kwantowa nadal wymaga przyjęcia założenia o kosmicznej inflacji i choć nieco zmniejsza wagę problemu warunków początkowych, to całkowicie go nie rozwiązuje.

Zderzenia bran

Uczeni zaproponowali jednak również inne kosmologie cykliczne, w których nie ma osobliwości Wielkiego Wybuchu ani inflacji (szybkie rozszerzanie się wszechświata). Jeden z takich modeli opracowali w 2001 r. fizycy Paul Steinhardt, Justin Khoury, Burt Ovrut i Neil Turok. Model ten opiera się na wykorzystaniu zjawiska zderzeń bran (w teorii strun brany używane są jako punkty zamocowania strun; teoria strun to model matematyczny przewidujący, że podstawowym budulcem materii nie są cząstki, lecz struny wielkości 10–31 m), podczas których niewielka część energii zderzeń przekształca się w gorące promieniowanie. Z naszego punktu widzenia takie zderzenie mogłoby być Wielkim Wybuchem, po którym następuje przyspieszona ekspansja bez potrzeby wprowadzania inflacji. Brany zderzają się, a potem ulegają rozdzieleniu, ale nigdy nie oddalają się od siebie na tyle, by wydostać się spod wpływu wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Po upływie kilku bilionów lat dochodzi do ponownego zderzenia bran. Wszechświat się odnawia i cały cykl zaczyna się od nowa.

Ponieważ w tym modelu nie ma potrzeby wprowadzania inflacji kosmologicznej, nie pojawiają się w nim też pierwotne fale grawitacyjne. Jednak, jak to się mówi, brak dowodu nie jest dowodem braku – fakt, że uczonym nie udało się jeszcze wykryć pierwotnych fal grawitacyjnych, nie oznacza, iż nie uda się ich odkryć w przyszłości. Modele cykliczne przewidują również, że różnice temperatury w kosmicznym promieniowaniu tła nie powinny być całkowicie przypadkowe, i ponowna analiza najnowszych danych zgromadzonych przez satelitę Planck doprowadziła do wniosku, że dane te zupełnie nie zgadzają się z najprostszymi scenariuszami inflacyjnymi.

Najlepiej więc będzie, jeśli stwierdzimy, że fizykom nie udało się jeszcze rozstrzygnąć tej kwestii. To prawda, że kosmologie cykliczne nie mają większego sensu, jeśli nie przyjmie się założenia, że czas jest rzeczywisty. Paul Steinhardt i Neil Turok przekonują też, że model cykliczny popycha wszechświat w kierunku znanych nam praw i warunków początkowych: „Mechanizm napędzający cykle jest łagodny i samoregulujący się. […] Prostota i skąpstwo rządzą. W zasadzie każdy skrawek co jakiś czas tworzy galaktyki, gwiazdy, planety i życie”. Jeżeli jednak każde zderzenie zeruje prawa i warunki początkowe, a następnie nadaje im losową postać – jak należałoby się spodziewać – to trudno zrozumieć, w jaki sposób kolejne cykle mogłyby zapewnić powstanie takiego wszechświata, jaki jest nam potrzebny.

Kosmologiczny dobór naturalny

Musimy znaleźć model mechaniczny, który podąża nieugięcie w kierunku takiej złożoności praw i warunków początkowych, jaka przeważa w naszym wszechświecie. Lee Smolin, amerykański fizyk teoretyczny, opisuje taki właśnie model w swojej pierwszej książce „Życie wszechświata”, wydanej w 1997 r. Nazywa go kosmologicznym doborem naturalnym. W modelu tym zakłada działanie swoistego recyklingu, ale nie w takim rozumieniu, jakie spotykamy w kosmologiach cyklicznych. Smolin zakłada mianowicie, że rozsiane po wszechświecie czarne dziury same są zarodkami, z których powstają zupełnie nowe obszary czasoprzestrzeni, czyli nowe wszechświaty. W pętlowej kosmologii kwantowej przodkiem nowego wszechświata jest zapadający się wszechświat, istniejący przed Wielkim Odbiciem.

W modelu kosmologicznego doboru naturalnego przodkiem nowego wszechświata jest czarna dziura, istniejąca przed jego odbiciem. W takiej sytuacji są większe szanse na pojawienie się „typowego” wszechświata, ponieważ każdy macierzysty wszechświat ma liczne potomstwo (wiele czarnych dziur). Podobnie jak ewolucja życia na Ziemi kształtuje się pod wpływem procesów losowych mutacji genetycznych i doboru naturalnego, z biegiem czasu wszechświat będzie dążył do samopodtrzymującej się struktury, maksymalizując liczbę czarnych dziur.

Jeśli w wyniku każdego odbicia czarnej dziury dochodzi do niewielkiej losowej „mutacji” praw fizyki (prowadzącej np. do powstania zbioru cząstek elementarnych o nieco innych masach i oddziaływań o nieco innej sile), to kosmologiczny dobór naturalny będzie preferował wszechświaty, które zapewnią przedłużenie „gatunku” poprzez jak największą produkcję czarnych dziur. Tak się akurat składa, że – jak wynika z naszego obecnego rozumienia fizyki – tego typu struktura wymaga też istnienia znanych nam cząstek elementarnych, atomów, gwiazd, galaktyk i praw, które rządzą ich własnościami i zachowaniem. „Jest także premia: chodzi nam o wyjaśnienie maksymalizacji produkcji czarnych dziur, a w konsekwencji otrzymujemy wszechświat oferujący coraz lepsze warunki do powstania życia”. Czy wobec tego nie powinniśmy zrezygnować z pośrednika i po prostu założyć istnienie wszechświata, w którym liczba pierwotnych czarnych dziur jest jak największa? Nie, ponieważ takie wszechświaty są z konieczności małe. Wszechświaty, w których mogą powstawać czarne dziury w wyniku kolapsu grawitacyjnego gwiazd, są znacznie większe, a więc mogą wytwarzać znacznie więcej czarnych dziur.

Tak, to są wydumane rozważania. Uzyskujemy w ten sposób kolejną wersję teorii multiwszechświata, ale w odróżnieniu od multiwszechświata wiecznej inflacji czy krajobrazu teorii strun w tej teorii wszystkie rozważane wszechświaty mają wspólną genealogię i ewoluują do postaci struktury sprzyjającej życiu. Smolin wierzy, że koncepcja kosmologicznego doboru naturalnego jest weryfikowalna. Jeśli wszechświat rzeczywiście dąży do osiągnięcia struktury, która maksymalizuje liczbę czarnych dziur, to z tego faktu wynikają konkretne wnioski odnośnie do sposobu działania kosmicznej inflacji (jeśli rzeczywiście do niej dochodzi), a także ewentualne przesłanki dotyczące wartości stałej kosmologicznej.

Model Smolina przewiduje też, że będzie istniała nieprzekraczalna górna granica masy gwiazd neutronowych. Typowa masa gwiazdy neutronowej wynosi 1,4 masy Słońca, przy promieniu równym ok. 11 km. Gwiazda taka składa się z neutronów, protonów i elektronów, przy czym na każdy proton przypada w niej co najmniej 200 neutronów. W jej jądrze mogą się też znajdować kaony, czyli cząstki będące bardziej egzotycznymi krewnymi protonów i neutronów, w których zamiast kwarka dolnego występuje kwark dziwny. Zdecydowana większość gwiazd neutronowych to pulsary, ale nie wszystkie stają się tego typu obiektami.

Dwie masy słońca

We wszechświecie, w którym prawa fizyki zostały dostrojone przez ewolucję w taki sposób, by zmaksymalizować powstawanie czarnych dziur, musi istnieć pewna górna granica masy gwiazd neutronowych. Z oszacowań Smolina wynika, że granica ta powinna wynosić ok. dwóch mas Słońca. Mamy więc konkretne przewidywanie teorii. Jeśli obserwacje potwierdzą istnienie gwiazd neutronowych o masach znacząco większych od dwóch mas Słońca, to fakt ten będzie przemawiał przeciw poprawności teorii kosmologicznego doboru naturalnego.

Z najnowszego przeglądu przeprowadzonego w 2013 r. przez Jamesa Lattimera wynika, że największe dokładnie wyznaczone masy gwiazd neutronowych wynoszą 1,97 ± 0,04 masy Słońca. Istnieją jednak też dwa tzw. pulsary rentgenowskie, PSR B1957+20 (nazwany złowieszczo „czarną wdową”, ponieważ pulsar ten pochłania materię towarzyszącej mu gwiazdy) i 4U 1700–377, których masę szacuje się na 2,4 masy Słońca. Niestety, pomiary masy takich podwójnych układów rentgenowskich są obarczone ogromnym błędem systematycznym i w związku z tym dane te nie mogą mieć rozstrzygającego znaczenia.

Jeśli po przeprowadzeniu dokładniejszych obserwacji uda się zmniejszyć te masy do poziomu poniżej dwóch mas Słońca, to niczego to tak naprawdę nie dowiedzie, ponieważ takie wartości przewiduje kilka powszechnie akceptowanych teorii fizyki jądrowej. Jeżeli jednak utrzyma się wartość 2,4 masy Słońca, to będzie można wykluczyć teorię Smolina, a także teorie zakładające powstawanie egzotycznych stanów materii w sytuacji, gdy kwarki znajdują się pod dużym ciśnieniem. Nie mamy wyjścia: musimy poczekać i zobaczyć, co przyniesie przyszłość.

***

Fragment pochodzi z książki Jima Baggotta „Przestrzeń kwantowa. Pętlowa grawitacja kwantowa i poszukiwanie struktury przestrzeni, czasu i wszechświata ”, Prószyński i S-ka, 2020.