Ciemna strona świata

Nauka ujawnia, że rzeczywistość ma wiele warstw, z których część nie jest bezpośrednio dostępna naszym zmysłom. Fizycy sięgając do jednej z nich – kwantowego świata cząstek – odkryli, iż rządzi się ona odmiennymi od ,,naszych” prawami. Np. właściwości kwantowych obiektów zdają się nie być jednoznacznie określone przed dokonaniem pomiaru. To tak, jakby nasze skarpetki mogły być równocześnie czarne i czerwone, a ich kolor ustalałby się z pewnym prawdopodobieństwem dopiero, gdy ktoś na nie spojrzy.

Jednym z mieszkańców tego świata są neutrina. Niewyobrażalnie duże ilości tych cząstek w każdej sekundzie przenikają nasze ciało, ale trzeba było kilku dekad rozwoju wyrafinowanych technik detekcji, aby potwierdzić ich istnienie. Dokonano tego w 1956 r., przyglądając się zachowaniu innych, znanych wówczas cząstek – protonów. Na co dzień bardzo łatwo zapomnieć o istnieniu neutrin, bo choć wszechobecne (ogromne ich ilości powstają choćby w Słońcu), słabo oddziałują z cząstkami, z których składa się wszystko, co znamy.

Neutrina to dobry przykład na ogólniejsze zjawisko w fizyce: wygląda na to, że wiele składników naszego świata bardzo trudno zaobserwować, a „solidne” obiekty materialne, jakim są choćby nasze ciała, to wyjątek. Dlaczego szukaliśmy neutrin, skoro nikt ich wcześniej nie widział? Fizyka posługuje się filozoficzną zasadą brzytwy Ockhama – „nie należy mnożyć bytów ponad konieczność”. Nau­kowcy stawiają hipotezy o istnieniu elementów rzeczywistości nieujętych przez standardowe teorie tylko wtedy, gdy obserwacje tego, co znamy, sugerują, że jest to niezbędne.

Żaden ze współczesnych eksperymentów badających świat w małej skali nie rejestruje istotnie nieoczekiwanych sygnałów, tak jak to miało miejsce w przypadku neutrin. Za to niespodzianka pojawiła się w zupełnie innej części fizyki. Obserwacje astronomiczne tego, co ­naprawdę duże – galaktyk i wszechświata – sugerują, że oprócz materii, którą dobrze znamy, powinno istnieć coś jeszcze.

Dwa nowe składniki

W astronomii konieczność rozszerzenia katalogu tego, co istnieje, zaczęła powoli się wyłaniać już prawie sto lat temu. W 1933 r. Fritz Zwicky doszedł do wniosku, że w gromadach galaktyk powinno znajdować się więcej materii, niż widzą astronomowie – galaktyki poruszały się tak, jak gdyby były przyciągane przez dużą niewidoczną masę. Tę brakującą masę nazwano ciemną materią. Z czasem obserwacje dostarczały różnych argumentów przemawiających za jej istnieniem, a dziś generuje się nawet „mapy” ciemnej materii, obrazujące jej rozkład w kosmosie.

To jednak nie koniec – zupełnie nowego rodzaju „niewidocznego towarzysza” ujawniły badania w skalach kosmologicznych. Wynika z nich, że oprócz ciemnej materii w naszym dotychczasowym opisie wszechświata brakuje czegoś jeszcze. Ten drugi składnik określa się najczęściej mianem ciemnej energii.

Teoria grawitacji sformułowana przez Einsteina dała nam na początku XX w. unikatową możliwość próby opisu całego wszechświata jako jednego wielkiego układu fizycznego. Obecnie, ponad sto lat później, możemy powiedzieć, że próba ta wypadła pomyślnie. Współczesny model kosmologiczny, pomimo swoich ograniczeń i problemów, stanowi zaskakująco skuteczne narzędzie umożliwiające zrozumienie wszechświata na zatrważająco wielkich skalach czasu i przestrzeni. Obserwacje astronomiczne wskazują, że wszechświat się rozszerza – galaktyki systematycznie oddalają się od siebie – a teoria Einsteina pozwoliła nam zrozumieć, że kiedyś był on niewyobrażalnie gęsty i gorący (właśnie to nazywamy Wielkim Wybuchem). Model ten umożliwia również określenie, z czego składa się obserwowalny wszechświat. Ku zdumieniu astronomów pod koniec XX w. obserwacje ujawniły, że rozszerzanie naszego wszechświata przyspiesza. Te obserwacje, zinterpretowane w ramach modelu kosmologicznego, zdaniem wielu fizyków wskazują właśnie na istnienie ciemnej energii – hipotetycznej formy energii wypełniającej przestrzeń.

Co więcej, wygląda na to, że zdecydowana większość tego, co istnieje teraz, ma postać ciemnej energii (ponad dwie trzecie całości) oraz ciemnej materii (trochę mniej niż jedna trzecia). Materia, z której zbudowane są nasze ciała, gwiazdy, kos­miczny gaz i pył – a więc wszystko, co składa się z protonów i neutronów – to zaledwie jedna dwudziesta całości. Dodajmy, że bliskie naszemu sercu obiekty, takie jak gwiazdy i planety, stanowią nikły ułamek tego małego fragmentu (porównywalny z częścią przypadającą na neutrina). Jeśli kosmolodzy mają rację, w takim razie to, co dotychczas uważaliśmy za świat, jest tylko lukrem na pączku stworzenia.

Nieuchwytne cząstki

Zatem prawie wszystko, co istnieje, to ciemna energia i ciemna materia. Przymiotnik ,,ciemna” wskazuje, że nie potrafimy bezpośrednio podglądnąć tych dwóch dominujących składników wszechświata. Chociaż przypuszczamy, że istnieją one również tu, na Ziemi, to dotychczas nie udało się ich dotknąć ani uchwycić za pomocą żadnych technologii. O ich istnieniu wnioskujemy wyłącznie na podstawie tego, w jaki sposób, poprzez grawitację, wpływają na ruch innych obiektów: galaktyk, gwiazd, światła...

W astronomii metoda przewidywania istnienia niewidocznych obiektów, np. planet, za pośrednictwem ich wpływu na ruch obiektów, które widzimy, sprawdziła się wielokrotnie. Dzięki niej w XIX w. odkryto za pomocą matematycznych obliczeń planetę Neptun, zanim ją zaobserwowano przez teleskop. Obecnie jest to ponadto standardowa metoda poszukiwania planet pozasłonecznych. Dokładnie taka sytuacja ma miejsce w kosmo­logii. Gwiazdy i galaktyki są niczym lampki na ogrodowej choince. Z ich ruchów i rozłożenia możemy nawet w nocy odczytać kształt niewidocznego drzewka.

Dominująca obecnie hipoteza zakłada, że ciemna materia składa się z cząstek, choć nie mogą to być dokładnie te same cząstki, które znamy już z fizyki. Pomimo trwających prawie pół wieku prób dotychczas nie udało się bezpośrednio ich zarejestrować. Poszukując ciemnej materii, przeważnie przyjmujemy najprostsze założenie, że odpowiada jej jeden rodzaj cząstek. Jednak obecnie nie potrafimy wykluczyć możliwości, że jej struktura jest bardzo złożona.

Natura ciemnej energii jest odmienna od natury ciemnej materii. Przypuszcza się, że wypełnia ona przestrzeń równomiernie. W przeciwieństwie do ­zwykłej oraz ciemnej materii ciemna energia nie tworzy zgęstnień. Właśnie dlatego mamy nikłe szanse, by wykryć ją bezpośrednio w laboratorium – łatwiej dostrzec kostkę masła niż tę samą kostkę masła rozsmarowaną równomiernie po podłodze hali gimnastycznej. Pojęcie ,,ciemnej energii wypełniającej wszechświat” brzmi bardzo tajemniczo, a ponadto bywa ono używane zamiennie z kompletnie inaczej brzmiącym terminem „stała kosmo­logiczna”. Spróbujmy może rozjaśnić nieco mroki spowijające ciemny sektor energetyczny wszechświata.

Stały problem kosmologii

Einstein odkrył równania teorii grawitacji w roku 1915. Teoria ta, zwana ogólną teorią względności, opisuje grawitację jako efekt geometryczny. Czasu i przestrzeni nie sposób rozdzielić, stąd sensownie można mówić wyłącznie o obiekcie zbudowanym z tych dwóch pojęć, tzw. czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń jest tworem geometrycznym, który zakrzywia się pod wpływem nagromadzonej w nim materii i energii. Lewa strona równań Einsteina zbudowana jest z wielkości określających geometrię. Po prawej stronie znaku równości mamy wielkości określające rozłożenie materii i energii w czasoprzestrzeni.

Dwa lata po odkryciu równań teorii grawitacji Einstein wprowadził do nich pewną poprawkę. Przekonany o niezmienności wszechświata, uzupełnił równania o dodatkową wielkość, zwaną stałą kosmologiczną. Pojawiła się ona po lewej, geometrycznej stronie równań. Pozwoliła zrównoważyć przyciągające działanie grawitacji. Umożliwiło to stworzenie modelu wszechświata, który nie podlega ewolucji – taki wszechświat nie rozszerza się ani nie kurczy, nie ma więc także początku (Wielkiego Wybuchu).

Model zaproponowany przez Einsteina okazał się niepoprawny: po pierwsze był on matematycznie niestabilny, niczym równania opisujące igłę ustawioną pionowo na swoim ostrzu, a po drugie, był sprzeczny z obserwacjami astronomicznymi wskazującymi na ucieczkę odleg­łych galaktyk. Choć motywacja przemawiająca za wprowadzeniem stałej kosmo­logicznej okazała się błędna, to stała ta, raz zaistniawszy, nie pozwoliła tak łatwo usunąć się z fizyki. Jak zauważa noblista Roger Penrose, wprowadzenie stałej kosmologicznej do równań Einsteina jest w zasadzie jedyną możliwą modyfikacją, która nie zmienia drastycznie niektórych podstawowych cech tej wspaniałej teorii.

Mniej więcej do końca XX w. przypuszczano, że stała kosmologiczna jest równa zero. Problem stałej kosmologicznej dotyczył prób zrozumienia tego faktu. Jak pokazuje artykuł Stephena Hawkinga z 1984 r. o znamiennym tytule ,,Stała kosmologiczna prawdopodobnie jest równa zero”, próbowano uzasadnić znikanie tej stałej, posiłkując się argumentami teoretycznymi bazującymi na teorii grawitacji wzbogaconej o hipotetyczne efekty kwantowe.

Sytuacja zmieniła się diametralnie za sprawą obserwacji astronomicznych z końca XX w. Dwa zespoły astronomów przedstawiły wówczas wyniki obserwacji odległych supernowych, czyli eksplodujących gwiazd. Dane obserwacyjne, zinterpretowane w ramach teorii Einsteina, wskazywały na przyspieszanie ekspansji wszechświata. Najprostszym wytłumaczeniem dla przyspieszonej ekspansji jest niezerowa (dodatnia) stała kosmologiczna. Na początku XXI w. ,,problem stałej kosmologicznej” zmienił swoje znaczenie i jest utożsamiany z pytaniem: dlaczego stała kosmologiczna jest niezerowa i ma taką wartość, jaka wynika z obserwacji astronomicznych?

Energia próżni

Rozwiązanie problemu stałej kosmologicznej wymaga znalezienia dla niej fizycznej interpretacji. Jeśli wielkość ta występuje po lewej stronie równań Einsteina, to jest fundamentalną stałą okreś­lającą właściwości grawitacji. Istnieje również odmienna interpretacja. Erwin Schrödinger, jeden z twórców mechaniki kwantowej, w 1918 r. zaproponował statyczny model wszechświata, który formalnie odpowiadał statycznemu ­modelowi wszechświata ­Einsteina. Różnica pomiędzy tymi dwiema matematycznymi konstrukcjami polegała na tym, iż w modelu Schrödingera zamiast stałej kosmologicznej wprowadzono energię o dziwnych właściwościach. Einstein zauważył, że oba modele są sobie równoważne pod pewnymi warunkami, a jedyna istotna różnica polega na tym, że człony ze stałą kosmologiczną zostały przełożone z lewej strony równań Einsteina na prawą stronę, zyskując przy tym nową interpretację energii wypełniającej wszechświat. Skąd mogłaby się brać ta energia?

Na początku XX w. zrodziła się mechanika kwantowa. Jedną z jej konsekwencji jest tzw. energia punktu zerowego, czyli najniższa energia danego układu fizycznego. Energia ta, inaczej niż ma to miejsce w fizyce klasycznej, jest nie­zerowa. Jeśli więc zastosować ten koncept do próżni, to okazuje się, że również próżnia powinna charakteryzować się pewną energią. Przed powstaniem mechaniki kwantowej fizycy wierzyli, że próżnia jest nudna jak gładka powierzchnia wody. Gdyby uzupełnić tę analogię o prawa mechaniki kwantowej, okazałoby się, że na powierzchni wody zawsze muszą istnieć niezliczone drobne fale.

Koncepcja energii próżni jest dla fizyków atrakcyjna, bo łączy ze sobą dwie różne teorie fizyczne dotyczące najmniejszej i największej skali. Taka unifikacja byłaby jawnym znakiem, że prace postępują we właściwym kierunku. Stała kosmologiczna zyskuje w ten sposób fizyczną interpretację, która daje nadzieję na wyliczenie jej wartości z rozważań teoretycznych.

Próby wyliczenia wartości stałej kosmologicznej skończyły się jednak najbardziej spektakularną porażką w dziejach fizyki. Rozbieżność przewidywań z wartością stałej oszacowanej na podstawie obserwacji astronomicznych sięga stu dwudziestu jeden rzędów wielkości. Fizyka nie zna tak wielkich liczb! To niewyobrażalnie większy błąd niż pomylenie mrówki ze wszechświatem.

Trudno zaprzeczyć, że czegoś tutaj nie rozumiemy. Mimo że problem ten znany jest już prawie od stu lat, nie udało się go do dzisiaj rozwiązać. Obserwuje się pewne efekty kwantowe (tzw. efekt Casimira), które mogłyby wynikać z istnienia energii próżni, lecz ich interpretacja jest niejednoznaczna. Wielu wpływowych fizyków, takich jak Wolfgang Pauli i Pascual Jordan, zwątpiło w fizyczną realność energii próżni. Roger Penrose uważa, że „całkowicie mylące jest myślenie o ciemnej energii jako jakiejkolwiek materialnej substancji, czy też jako o energii próżni”. Jeśli ma rację, to jedyną nieznaną składową wszechświata pozostaje ciemna materia, a przyspieszoną ekspansję wszechświata powoduje stała kosmologiczna, która określa właściwości grawitacji (lewa strona równań Einsteina) i której nie powinno określać się mianem ciemnej energii.

Choć nie wiemy nawet, czy stałą kos­mologiczną można powiązać z energią próżni, wielu fizyków idzie o krok dalej i proponuje inne formy energii wypełniające przestrzeń, takie jak kwintesencja. Kwintesencja o odpowiednio dobranych właściwościach mogłaby być trudna do odróżnienia od stałej kosmo­logicznej. Obecnie wszystkie wyniki obserwacji pozostają zgodne z hipotezą stałej kosmologicznej, a najnowsze dane astronomiczne nakładają coraz to silniejsze ograniczenia na alternatywne formy ciemnej energii.

W sidłach grawitacji

O istnieniu ciemnych składowych wszechświata wiemy tylko dzięki wykryciu ich grawitacyjnego wpływu na obserwowalną materię i światło. Choć, jak pamiętamy, taka metoda detekcji niewidocznych obiektów sprawdzała się w przeszłości znakomicie, historia nauki każe zachować ostrożność. Przynajmniej raz, w XIX w., zdarzyło się tak, że grawitacyjnie „odkryty” obiekt nie istniał. Winę za błędną predykcję ponosiła teoria grawitacji Newtona. Nie dość dokładnie opisywała ona ruch Merkurego, a niezgodność przewidywań z obserwacjami najprościej było wytłumaczyć istnieniem dodatkowej planety. Ale planety tej, nazwanej Wulkanem, nigdy nie znaleziono. Problem ruchu Merkurego został rozwiązany dopiero, gdy Einstein odkrył bardziej precyzyjną teorię grawitacji.

Większość naukowców traktuje istnienie ciemnej strony wszechświata bardzo poważnie. Powstało nawet specjalistyczne czasopismo poświęcone tylko temu zagadnieniu: ,,Physics of the Dark Universe”. Obecnie kilkadziesiąt eksperymentów próbuje zarejestrować cząstki ciemnej materii. Za istnieniem ciemnej energii (w postaci stałej kosmologicznej) i materii przemawiają wyniki bardzo licznych obserwacji. Wszystkie one opierają się na założeniu, że teoria grawitacji Einsteina dobrze opisuje rzeczywistość nie tylko w obrębie Układu Słonecznego, ale również na dużo większych odległościach. Jeśli jednak teoria Einsteina nas zwodzi, to zarówno ciemna energia, jak i materia mogą nie istnieć naprawdę.

Obecnie nie potrafimy wykluczyć także pośrednich scenariuszy implikujących, że choć ciemne składniki świata istnieją, to nie jest ich tyle, co przypuszczamy. Z drugiej strony, wszystkie nasze dotychczasowe obserwacje są zgodne z teorią grawitacji Einsteina i nie mamy podstaw, by nie wierzyć w jej skuteczność nawet na niewyobrażalnie dużych kosmologicznych odległościach.

Po drugiej stronie

Powszechnie przyjmowana interpretacja wielu obserwacji astronomicznych implikuje, że wszechświat tylko w ok. 5 proc. składa się z materii, którą dobrze znamy. Przykład neutrin, nieustannie przenikających nasze ciała, ale odkrytych stosunkowo niedawno, pokazuje, że hipoteza ciemnego wszechświata nie jest tak kontrowersyjna, jak by się to mogło wydawać. Jednak w fizyce nigdy nie mamy pełnej pewności. Istnienie neutrin jako realnych cząstek potwierdziło wiele eksperymentów. Potrafimy obserwować neutrina pochodzące od źródeł astrofizycznych. Potrafimy również generować je sami. Za odkrycia związane z neutrinami przyznano cztery Nagrody Nobla. Obecnie o istnieniu ciemnej energii i materii wnioskujemy zaś tylko na podstawie ich grawitacyjnego oddziaływania.

W 2011 r. przyznano Nagrodę Nobla za odkrycie, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Ale, jak już wiemy, niekoniecznie oznacza to, że przestrzeń wypełniona jest jakąś nieznaną formą ciemnej energii.

Istnienie neutrin ma więc zupełnie inny status w fizyce niż istnienie ciemnej energii i materii. Jak jest naprawdę? Być może dowiemy się niedługo. Każdego dnia nasza wiedza o wszechświecie wzrasta. Na 22 grudnia 2021 r. zaplanowano wyniesienie w przestrzeń kosmiczną tele­skopu Jamesa Webba, następcy sławnego teleskopu Hubble’a (wydarzenie to było już przekładane, więc miejmy nadzieję, że dojdzie do skutku tym razem). Ten teleskop, wraz z innymi nowymi instrumentami, może pomóc w rozwiązaniu wielu kosmicznych zagadek – w tym rozstrzygnięciu hipotezy istnienia ciemnej energii i ciemnej materii.©