Na początku była cisza

Na początku wszechświata była … Wielka Cisza. Nie istniała wtedy możliwość przemieszczania się ani wymiany informacji pomiędzy punktami przestrzennymi. Nie rozchodziło się ani światło ani dźwięk. Taki wynik otrzymaliśmy z teorii Pętlowej Grawitacji Kwantowej nad którą pracowaliśmy wraz z moimi francuskimi współpracownikami – Aurelienem Barrau, Thomasem Cailleteau oraz Julienem Grainem – pisze Jakub MIELCZAREK

W zamierzchłych czasach próbą odpowiedzi na nurtujące ludzi pytania odnośnie pochodzenia Wszechświata zajmowali się twórcy mitów. Ponieważ nikt nie był w stanie zweryfikować ich fantazyjnych opisów kosmogenezy, miały one szansę stać się elementem kultury i przez wieki rozpalały ludzką wyobraźnię. W czasach nam współczesnych pytaniom tym stawiają czoła kosmolodzy kwantowi, do których sam się zaliczam. W przeciwieństwie jednak do opowieści snutych przez naszych poprzedników – rozważania prowadzone w ramach kosmologii kwantowej podlegają ścisłym regułom metodologii naukowej. Dzięki ogromnemu postępowi jaki dokonał się w astronomii w przeciągu ostatniej dekady hipotezy odnośnie pochodzenia Wszechświata udaje się w coraz większym stopniu poddawać weryfikacji empirycznej.

Pomimo to, aktualne zrozumienie tego jak wyglądał Wszechświat około 13.8 mld lat temu jest wciąż bardzo mgliste. Obszar naszych badań zdecydowanie bardziej przypomina plac budowy niż ukończony monumentalny gmach. Nic tu nie jest pewne. Od czasu do czasu udaje się jednak kilka części tego twórczego bałaganu dopasować do siebie i zrobić mały kroczek do przodu. O jednej takiej cegiełce, którą udało mi się dodać, chciałbym tutaj napisać.

Zrozumienie świata do którego chciałbym Cię, drogi Czytelniku, zabrać wymaga jednak pewnego przygotowania. Mentalną podróż ku początkowi Wszechświata musimy rozpocząć od krótkiej lekcji geometrii…

Przestrzeń w której żyjemy można w naszym najbliższym otoczeniu opisać geometrią euklidesową. Oznacza to mniej więcej tyle, że jeśli wyznaczymy dowolne trzy punkty i połączymy je odcinkami to kąty w otrzymanym trójkącie będą sumować się do 180-ciu stopni. Odstępstwo od tej wartości wskazuje na tak zwaną nieeuklidesowość geometrii. Przypadkiem takim jest na przykład geometria powierzchni sfery, dla której suma kątów w trójkącie wynosi zawsze więcej niż 180 stopni.

Otaczająca nas przestrzeń posiada trzy wymiary. Żeby jednoznacznie określić położenie dowolnego w niej punktu musimy więc podać trzy liczby. Mogą to być na przykład współrzędne x, y i z w układzie kartezjańskim.

Oprócz trzech wymiarów przestrzennych, fizycy posługują się również czwartym wymiarem odpowiadającym czasowi. Wymiar ten różni się zasadniczo od wymiarów przestrzennych. W przestrzeni euklidesowej, nie istnieją żadne formalne ograniczenia w przemieszczaniu się z jednego punktu do drugiego. Możemy się poruszać naprzód i w tył, w górę i w dół, w prawo i w lewo. Takiej swobody nie mamy jednak w przypadku ruchu w wymiarze czasowym. Tu zmuszeni jesteśmy mknąć przed siebie, bez możliwości zawrócenia w tył. Taka jest uroda rzeczywistości, czy nam się to podoba czy nie.

Połączenie trójwymiarowej przestrzeni z wymiarem czasowym tworzy czterowymiarowy obiekt zwany czasoprzestrzenią. Geometria czasoprzestrzeni w sposób istotny różni się od geometrii euklidesowej.

O ile w przypadku przestrzeni euklidesowej przyzwyczajeni jesteśmy do otrzymywania dodatnich wyników pomiarów odległości, to w czasoprzestrzeni odległości mogą przyjmować wartości ujemne. Ponadto możliwość ,,podróżowania” w czasoprzestrzeni jest istotnie ograniczona przez prędkość światła. Nie zaobserwowano do tej pory nic co poruszałoby się z prędkością większą niż światło w próżni.

Obraz ten może jednak ulec istotnemu rozmyciu na bardzo małych odległościach porównywalnych z tak zwaną długością Plancka, która jest równa około 10^-35 m (czyli 0,0000000000000000000000000000000001 m). To tam spodziewamy się wystąpienia efektów kwantowych związanych z ,,atomową” naturą czasoprzestrzeni. Efekty te musiały również odegrać decydującą rolę w początkowym etapie ewolucji Wszechświata czyli podczas tzw. Wielkiego Wybuchu.

Opisywanie tego jaki był wpływ efektów kwantowych na zachowanie Wszechświata jest ulubionym zajęciem kosmologów kwantowych.

O co jednak właściwie chodzi z tymi efektami kwantowymi?  Jednym z najbardziej znanych przykładów świata kwantowego jest światło, które składa się z fotonów (czyli kwantów energii).  Przypuszcza się, że podobnie i czasoprzestrzeń posiada kwantową naturę. Na dużych odległościach – takich jak te dostępne naszym zmysłom – czasoprzestrzeń jawi się jako obszar ciągły. Nie obserwujemy skokowego upływu czasu ani ziarnistości przestrzeni. Jednakże wiele z rozważań przeprowadzonych na gruncie teoretycznym wskazuje na to, że czasoprzestrzeń może składać się z kwantów czasoprzestrzeni. Ich rozmiary są jednak tak małe (porównywalne z długością Plancka), że żadna z dostępnych technik doświadczalnych nie pozwala na ich bezpośrednie zaobserwowanie.

Jednym z najaktywniej rozwijanych dzisiaj podejść mających na celu uchwycenie kwantowej natury czasoprzestrzeni jest tzw. teoria Pętlowej Grawitacji Kwantowej. W ramach tej teorii, w latach 2009-2012 wraz z moimi francuskimi współpracownikami – Aurelienem Barrau, Thomasem Cailleteau oraz Julienem Grainem – pracowaliśmy nad skonstruowaniem opisu rozchodzenia się zaburzeń czasoprzestrzennych, w szczególności fal grawitacyjnych. Skonstruowanie odpowiedniej teorii nie było proste z uwagi na problem anomalii, które zwykle pojawiają się przy próbie uwzględnienia efektów kwantowych.

Prędkość światła, równa dzisiaj około c = 299 792  km/s, maleje kiedy cofamy się w czasie. W momencie Wielkiego Wybuchu prędkość światła spada do zera!

Okazało się, że prędkość światła, która równa jest dzisiaj około c = 299 792  km/s, maleje kiedy cofamy się w czasie. Na dodatek, kiedy zbliżymy się do Wielkiego Wybuchu dostatecznie blisko prędkość światła spada do zera!

Nie istniała wtedy możliwość przemieszczania się ani wymiany informacji pomiędzy punktami przestrzennymi. Nie rozchodziło się ani światło ani dźwięk. Zapada moment kompletnej ciszy stowarzyszony z brakiem jakiejkolwiek możliwości ruchu i komunikacji. Zupełnie tak jak w świecie po drugiej stronie lustra opisanym przez Lewisa Carrolla: ,,Tu, jak widzisz, trzeba biec tak szybko, jak się potrafi, żeby zostać w tym samym miejscu. Jeżeli chce się znaleźć w innym miejscu, trzeba biec co najmniej dwa razy szybciej!”. Z tą jednak różnicą, że osiągając stan kosmicznej ciszy wykluczona jest możliwość nawet najmniejszej zmiany położenia.

To, co opisywała teoria, zupełnie odbiegało od tego jak zazwyczaj wyobrażamy sobie Wielki Wybuch, będący początkiem ekspansji Wszechświata. Różnicę tę dobitnie oddaje określenie Wielka Cisza (ang. Big Silence) zaproponowana przez Michaela Brooksa w artykule poświęconym naszym odkryciom, opublikowanym w „New Scientist”.

Przewidzenie Wielkiej Ciszy to jednak nie koniec tego co ,,powiedziały nam” nasze równania. Mianowicie, zawierały one również informację na temat tego co znajduje się przed momentem Wielkiej Ciszy, przy jeszcze większych gęstościach materii.

Okazało się, że stan ciszy jest momentem przeistoczenia się czterowymiarowej czasoprzestrzeni w czterowymiarową przestrzeń euklidesową. Oznacza to, że przed momentem Wielkiej Ciszy obecny wymiar czasowy pełnił rolę czwartego wymiaru przestrzennego, analogicznego do jednego ze znanych nam trzech. Istniała więc tylko czterowymiarowa przestrzeń euklidesowa pozbawiona czasu, stożków świetlnych oraz pojęć takich jak przeszłość, przyszłość i teraźniejszość.

Wszystko co mogło istnieć, po prostu, istniało. W momencie Wielkiej Ciszy, narodził się nasz Wszechświat.

Z tego bezczasowego świata, w momencie Wielkiej Ciszy, narodził się znany nam Wszechświat. Był to tym samym początek czasu, który zaczął płynąć w jednym z kierunków w czterowymiarowej przestrzeni. Wybór kierunku czasu mógł być zupełnie przypadkowy, podobnie jak kierunek który wybierze zwolniony z pozycji pionowej ołówek. Szczegółów tego procesu nasza teoria już jednak nie opisuje.

Co ciekawe, podobna możliwość przemiany wymiaru czasowego w przestrzenny we wczesnym Wszechświecie była postulowana już w latach 80. ubiegłego wieku przez Jamesa Hartle oraz Stephena Hawkinga. Wykazali oni, że wystąpienie takiego zjawiska pozwoliłoby na rozwiązanie problemu warunków początkowych dla Wszechświata. Na tej podstawie skonstruowali oni swój model Wszechświata bez brzegów (w przestrzeni i w czasie), który jest do dzisiaj jednym z najpopularniejszy opisów ,,początku” Wszechświata. Częściowo stało się to za sprawą książki ,,Krótka historia czasu” Stephena Hawkinga w której został on szczegółowo opisany. Model ten posiada jednak zasadniczą wadę: bazuje on na zupełnie nieuzasadnionym założeniu przemiany czasu w przestrzeń. Hartle i Hawking przypuszczali, że zjawisko takie może być wynikiem kwantowej natury czasoprzestrzeni. Nie dysponowali oni jednakże teorią, która przewidywałaby takie zachowanie. Przeprowadzone przez nas obliczenia pokazały, że efekt taki rzeczywiście pojawia się jeśli uwzględniona zostanie ziarnista natura czasoprzestrzeni. Hartle i Hawking mieli więc świetną intuicję.

Wygląda to bardzo obiecująco. Różne elementy układanki wydają się do siebie pasować.

Jednakże, to czy nasza teoria faktycznie opisuje rzeczywistość pozostaje niewiadomą. Rozstrzygnięcie tej kwestii będzie wymagało konfrontacji z obserwacjami, nad czym aktualnie pracujemy. Niewątpliwie jednak nasze wyniki pokazały jedno: możliwe jest zunifikowanie wielu idei, które pojawiły się przy próbach opisu wczesnego stanu Wszechświata z uwzględnieniem kwantowej natury czasoprzestrzeni.

Nasza teoria w konkretny sposób połączyła je w jedną całość, opisywaną przez zestaw równań, na poziomie których można dokonać przewidywań odnośnie wielkości mierzalnych. W szczególności, przewidywania teorii będą mogły zostać skonfrontowane z obserwacjami mikrofalowego promieniowania tła, wykonywanymi między innymi przez satelitę Planck. Mamy nadzieję, że dzięki temu uda nam się zbliżyć do odpowiedzi na pytanie czy, jak głosi kosmogeniczny mit narodu Kiczów (należącego do cywilizacji Majów) z księgi Popol Vuh, na początku ,,Istniał tylko bezruch i cisza w ciemnościach, w nocy”?

Jakub Mielczarek