Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Nasz model kosmologiczny trzeszczy w szwach

Jeśli zajrzymy do podręczników akademickich dotyczących podstaw fizyki, to odnajdziemy tam koncepcje, które narodziły się ok. sto lat temu. Nazwiska wielkich ojców założycieli: Alberta Einsteina, Erwina Schrödingera, Wernera Heisenberga, Nielsa Bohra, Paula Diraca, Georges’a Lemaître’a są znane każdemu adeptowi fizyki. To oni wypracowali paradygmaty, w ramach których postrzegamy dzisiaj świat.

Oczywiście współcześnie też pojawiają się spektakularne osiągnięcia, jak detekcja cząstki Higgsa czy powstanie astronomii fal grawitacyjnych. Dotyczą one jednak eksperymentalnej lub obserwacyjnej weryfikacji przewidywań poczynionych dziesiątki lat temu – fundamenty fizyki pozostają nieporuszone od co najmniej pół wieku.

Patrząc z tej perspektywy, trudno nie przyznać racji filozofowi nauki, Thomasowi Kuhnowi. Zdaniem Kuhna spokojne okresy systematycznej akumulacji wiedzy przedzielone są dramatycznymi rewolucjami, w których stary obraz świata wypierany jest przez nowy. Nikt nie wie, jak rozpoznać zbliżającą się rewolucję, ale wszyscy przypuszczają, że takiemu wydarzeniu będą towarzyszyć znaki.

Znaki 

Znaki, których należy oczekiwać, to drobne niezgodności obserwacji lub eksperymentów z bieżącym paradygmatem naukowym. W przypadku rewolucji kopernikańskiej wczesną i przeoczoną jej zapowiedzią był ruch wsteczny Marsa po sferze niebieskiej, który zburzył prostotę najprostszego modelu geocentrycznego. Żeby uratować zgodność modelu z obserwacjami, należało go „udziwnić”, dodając kolejne geometryczne elementy, tzw. epicykle (w tym modelu ruch każdej z planet jest złożeniem dwóch ruchów po dużym i po małym okręgu).

Po dziele Kopernika gwoździem do trumny dla modelu geocentrycznego okazały się precyzyjne obserwacje Marsa, na podstawie których Kepler wysunął hipotezę, iż planety poruszają się wokół Słońca po elipsach, a nie po okręgach. Czasem warto pochylić się nad szczegółami! Kolejny krok postawił Newton, wykazując, że elipsy Keplera to konsekwencja prostego prawa grawitacji.

Choć starożytny, geocentryczny model według współczesnych kryteriów nie był modelem naukowym, to umożliwiał zredukowanie rzeczy skomplikowanych i niezrozumiałych do prostszych i bliższych naszemu doświadczeniu. W tym przypadku moc wyjaśniającą nadano hipotetycznej tendencji niebiańskiej materii do ruchu po okręgu, który ma w sobie coś doskonałego, a zarazem prostego.

Rewolucja, która obaliła model geocentryczny, nie polegała na dołożeniu kolejnej łaty w ramach starego sposobu myślenia, lecz na dramatycznej intelektualnej wolcie: prostoty należy doszukiwać się nie w trajektoriach ciał niebieskich, lecz w prawach rządzących tymi ruchami. Rewolucja ta nie mogłaby zajść w pełni, gdyby nie powstały matematyczne narzędzia – rachunek różniczkowy, pozwalający na sformułowanie odpowiednich praw.

Dla modelu geocentrycznego anomalię stanowiła orbita Marsa. Z kolei w XIX w. precyzyjne obserwacje Merkurego przestały się zgadzać z teorią Newtona, jednak tym razem rewolucja przyszła z nieco innej strony. W powstaniu teorii Einsteina na początku XX w. główną rolę odegrał przeoczony przez poprzedników prosty fakt.

Każdemu ciału można przypisać dwa parametry określające jego zachowanie: masę bezwładną, będącą miarą tego, jak trudno jest wprawić ciało w ruch, oraz masę grawitacyjną, określającą siłę grawitacji pomiędzy dwoma ciałami. Struktura teorii Newtona nie implikuje równości tych parametrów. Ich równość przyjmowano jako oczywistość lub fakt eksperymentalny, nad którego znaczeniem nie warto się było zastanawiać. Einstein zrozumiał, że matematyczna struktura nowej teorii grawitacji nie powinna czynić rozróżnienia pomiędzy tymi dwoma wielkościami: równoważność grawitacji i przyspieszenia musi być inherentną częścią teorii.

Równość masy bezwładnej i ciężkiej można było dostrzec już za czasów Newtona. Nie było jednak wtedy odpowiedniego aparatu matematycznego pozwalającego na badanie zakrzywionych przestrzeni, za pomocą których Einstein opisał grawitację. Nauka musiała dojrzeć do postawienia odpowiednich pytań. Rewolucja nie przebiegła w próżni, lecz na ramionach tych wszystkich, którzy dokładali kolejne cegiełki do gmachu wiedzy. Nowy obraz świata okazał się zupełnie inny od dominującego w XIX w. mechanicyzmu. Rewolucji Einsteina towarzyszyła druga, równie ważna i jeszcze bardziej szalona rewolucja kwantowa. Pojęcie sił działających pomiędzy ciałami straciło fundamentalne znacznie, a zakrzywioną czasoprzestrzeń Einsteina wypełniły kwantowe pola modelu standardowego cząstek. Narodził się nowy paradygmat.

Pomiary

W XX w. dominującą rolę w fizyce odegrały zderzacze cząstek, takie jak ten, który znajduje się w genewskim CERN-ie. Z ich pomocą poczyniliśmy ogromne postępy, tworząc model standardowy cząstek. Model ten, choć brakuje mu pełnej matematycznej elegancji, pozwala matematycznie opisać praktycznie wszystko, co potrafimy zaobserwować w eksperymentach prowadzonych na Ziemi.

W XXI w. na pierwszy plan wysuwa się astronomia – prawdopodobnie to ona najczęściej dostarcza danych, które mogą prowadzić do nowej fizyki. Detektory fal grawitacyjnych pozwalają na podglądanie wszechświata w sposób, jaki nie był nigdy wcześniej obserwowany. Nowe instrumenty astronomiczne, takie jak teleskop Jamesa Webba czy Euclid, umożliwiają spojrzenie tam, gdzie jeszcze nikt nie zaglądał, czy też obserwację miliardów galaktyk z nieosiągalną wcześniej precyzją. W ciągu ostatnich 25 lat kosmologia – nauka o wszechświecie jako jednym wielkim układzie fizycznym – wkroczyła w nową erę.

Grawitacja dominuje na wielkich odległościach, więc model kosmologiczny konstruuje się w ramach teorii grawitacji Einsteina. Teoria Einsteina w połączeniu z obserwacjami prowadzi do wniosku, iż wszechświat powstał w Wielkim Wybuchu – bardzo gęstym stanie, w którym nasze teorie fizyczne się załamują. Od tego momentu stale się rozszerza. Ponieważ obecny stan wszechświata jest konsekwencją tego, co działo się na początku, gdy cząstki zderzały się z większą energią niż ta uzyskiwana w CERN-ie, kosmologia łączy ze sobą to, co duże – galaktyki, gromady galaktyk – z tym, co najmniejsze i opisywane przez fizykę cząstek. Dlatego obserwacje kosmologiczne mają potencjał, by nie tylko dokonać rewolucji w astronomii, ale i w całej fizyce.

Kosmologia narodziła się wraz z teorią Einsteina. W latach 20. minionego wieku zajmowało się nią nie więcej niż kilku naukowców. W latach 60. zaobserwowano tzw. promieniowanie tła. Przemierza ono przestrzeń od czasów, gdy wszechświat był bardzo gęsty. Ta pozostałość po Wielkim Wybuchu uwiarygodniła model kosmologiczny. Mimo to do początków XXI w. obserwacje astronomiczne nie były dosyć dokładne, żeby wyznaczyć precyzyjnie parametry kosmologiczne. Sytuacja ta uległa zmianie wraz z nadejściem tego stulecia.

Tajemnice

Niespodziewane odkrycie, ogłoszone jeszcze pod koniec lat 90., dotyczyło tempa ekspansji wszechświata. Okazało się, że galaktyki oddalają się od siebie z coraz większą prędkością – czyli wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Ten fakt ma związek z jednym z istotnych elementów równań opisujących ewolucję wszechświata – stałą kosmologiczną.

Dwa lata po odkryciu swojej teorii grawitacji Einstein wprowadził do równań dodatkowy parametr – zwany właśnie stałą kosmologiczną. Była to słuszna decyzja, chociaż Einstein kierował się, jak wiemy dzisiaj, błędnymi przesłankami (filozoficznie bardziej odpowiadał mu statyczny wszechświat – wprowadził stałą kosmologiczną o takiej wartości, która wykluczała ekspansję wszechświata). Taki parametr nie ma swojego odpowiednika w teorii newtonowskiej, ale jest zgodny z matematyczną strukturą teorii Einsteina i właściwie powinien był pojawić się w oryginalnych równaniach w roku 1915.

Kosmologowie potrafią dziś wyznaczyć wartość stałej kosmologicznej. Jednak interpretacja fizyczna tej stałej nie jest znana do dzisiaj – nie wiemy, co właściwie sprawia, że galaktyki oddalają się od siebie coraz szybciej. Problem z interpretacją wynika głównie stąd, że stałej nie można zmierzyć w laboratorium – jej efekty mogą być widoczne tylko w bardzo dużych skalach.

Mamy jednak pewne hipotezy. Najbardziej popularna zakłada, że stała ta związana jest z tzw. energią próżni. W kwantowej teorii pola próżnia nigdy nie jest całkowicie pusta, co prowadzi do wniosku, że obszar, w którym w potocznym sensie nic nie ma, zawiera energię, a ta energia, zgodnie z ideą teorii Einsteina, zakrzywia czasoprzestrzeń. Taka kwantowa interpretacja bardzo dobrze pasuje do tego, jak stała kosmologiczna wpływa na ekspansję wszechświata: ilość rozpychającej galaktyki energii rośnie wraz z ekspandującą, pustą przestrzenią – dlatego ucieczka galaktyk może przyspieszać.

Niestety próby wyliczenia wartości stałej kosmologicznej jako energii próżni prowadzą do istnej katastrofy. Otrzymujemy nonsensowne wyniki, które nie zgadzają się z obserwacjami astronomów.

Energie

Ponieważ nie potrafimy wyliczyć z fundamentalnych praw fizyki takiej wartości energii próżni, która zgadzałaby się z obserwacjami, to w ciągu ostatniego ćwierćwiecza pojawiły się alternatywne interpretacje przyspieszania ekspansji wszechświata. Do rozważań włączono jeszcze bardziej egzotyczne formy energii – fantastyczne substancje wypełniające wszechświat, które łącznie z energią próżni określa się mianem ciemnej energii. Wprowadzenie tych alternatywnych egzotycznych substancji ma na celu poszerzenie elastyczności modelu i nie posiada wiarygodnego uzasadnienia teoretycznego.

Ciemna energia to szerokie pojęcie obejmujące wszystko to, co hipotetycznie wpływa na „ruch” obiektów astronomicznych w podobny, ale niekoniecznie dokładnie taki sam sposób, jak stała kosmologiczna.

W minionym ćwierćwieczu astronomowie zebrali szereg nowych dowodów potwierdzających przyspieszanie ekspansji wszechświata. Najważniejsze z nich to obserwacje supernowych, czyli gwiazd kończących swoje życie w dramatycznych eksplozjach, oraz dokładne pomiary wspomnianego wcześniej promieniowania tła, którego drobne niejednorodności są naszym głównym źródłem informacji o parametrach kosmologicznych. Zmiany tempa kosmicznej ekspansji można również wyznaczyć, obserwując odległe galaktyki. Wbrew oczekiwaniom najnowsze obserwacje nie rozwiązały tajemnicy ciemnej energii, ale zdają się ją pogłębiać.

Istnieje wiele grup badawczych oraz instrumentów astronomicznych skupionych na zagadce ciemnej energii. Rok temu ogłoszono, iż obserwacje milionów galaktyk wykonane za pomocą Dark Energy Spectroscopic Instrument sugerują, iż ciemna energia może nie odpowiadać dokładnie stałej kosmologicznej, bo chociaż tempo ekspansji wszechświata przyspiesza, to czyni to w inny sposób niż ten wynikający z istnienia stałej. W marcu tego roku ta sama grupa po przeanalizowaniu dwukrotnie większej liczby galaktyk utrzymała swoją hipotezę. Również w marcu przedstawiciele innego projektu, Dark Energy Survey, ujawnili wyniki analiz danych sugerujące, że stała kosmologiczna i ciemna energia to nie jest dokładnie to samo.

Tempo ekspansji wszechświata obecnie wzrasta wolniej, niż implikuje stała kosmologiczna. Wynik ten, jeśli zostanie potwierdzony, będzie istotnym znakiem wskazującym na niezgodność modelu teoretycznego z obserwacjami. Co prawda konflikt będzie można zażegnać za pomocą ciemnej energii innej niż energia próżni lub stała kosmologiczna, lecz status takiego wytłumaczenia jest nieco podejrzany. Stała kosmologiczna jest integralną częścią teorii, w ramach której skonstruowano model kosmologiczny, a alternatywna ciemna energia to zwykła „łata”, sztucznie dodana do modelu w celu jego uratowania.

Harmonie

Sprawa nie jest przesądzona, więc kosmologowie z wypiekami na twarzy czekają na kolejne porcje danych. Powodów do ekscytacji jest znacznie więcej. Dostarczają ich pomiary innego najważniejszego parametru kosmologicznego.

Porównajmy ekspansję wszechświata do ruchu zwykłego samochodu. W takiej analogii stała kosmologiczna lub inna forma ciemnej energii określa nam przyspieszenie auta. Inny fundamentalny parametr kosmologiczny, zwany stałą Hubble’a, to prędkość. Stała kosmologiczna jest powiązana ze zmianą tempa ekspansji wszechświata, natomiast stała Hubble’a określa, jak prędko w obecnej chwili ekspanduje wszechświat. Historia pomiaru stałej Hubble’a ma już sto lat. Istnieje wiele metod obserwacyjnych umożliwiających jej wyznaczenie. W ogólności metody te dzieli się na dwie grupy: pomiary lokalne (w sensie kosmologicznym) oraz pomiary wykorzystujące kosmologiczne promieniowanie tła, czyli pomiary sięgające do samych początków.

Przez wiele lat stała Hubble’a była wyznaczona z małą dokładnością. W XXI w. precyzja oszacowania jej wartości wzrosła i gdy wydawało się, że wszystko zaczyna się zgadzać, w danych pojawiła się anomalia. Kilkanaście lat temu oszacowania oparte na obserwacjach lokalnych nieznacznie zaczęły rozbiegać się z oszacowaniami z promieniowania tła. Początkowo nie uważano tego za problem, bo dane zgadzały się w granicach błędów. Z czasem błędy stały się coraz mniejsze, a anomalia nie zniknęła. Do dzisiaj nie znamy rozwiązania tej zagadki. Być może błąd leży po stronie obserwatorów, a być może ta drobna rozbieżność, niezgodna z modelem kosmologicznym, jest znakiem świadczącym o zbliżającej się rewolucji.

Współczesna kosmologia, oprócz dwóch omówionych powyżej problemów, dostarcza nam jeszcze wielu innych intrygujących zagadek. Wysłaliśmy nowe instrumenty w przestrzeń kosmiczną, licząc na ich rozwiązanie, lecz wbrew oczekiwaniom im dokładniej obserwujemy wszechświat, tym lista tajemnic do rozwikłania staje się dłuższa. Na podstawie obserwacji wykonanych za pomocą teleskopu Jamesa Webba stwierdzono, iż galaktyki formują się szybciej, niż przewidują nasze obliczenia. W marcu tego roku analiza danych ujawniła, iż jeden z kierunków rotacji galaktyk jest wyróżniony. Takie wnioski są możliwe do pogodzenia z teorią grawitacji Einsteina, ale niezgodne ze standardowym modelem kosmologicznym. Być może jest to kolejna anomalia, chociaż nie można wykluczyć w przypadku rotacji galaktyk, że nie jest to tylko złudzenie wynikające z efektu selekcji. Obserwacje prowadzimy z wirującej galaktyki i kierunek obrotów może powodować, że niektóre galaktyki łatwiej dostrzec.

Trzaski

Liczne obserwacje świadczą również o tym, że wszechświat wypełnia jeszcze inny nieznany składnik – ciemna materia. Chociaż nie wiemy, czym jest ciemna materia, to zagadka z nią związana wydaje się łatwiejsza do rozwiązania niż zagadka ciemnej energii. Przypuszcza się, że składa się ona z nowego rodzaju cząstek. Tyle że jeśli takie cząstki istnieją, to nie pozwalają się nam bezpośrednio zaobserwować w eksperymentach, a szukamy ich już od kilkudziesięciu lat. Jeśli ciemna materia rzeczywiście istnieje, to nasz model standardowy cząstek jest niekompletny.

Łącznie tylko 5 proc. zawartości wszechświata to normalna materia, taka, którą opisujemy za pomocą modelu standardowego cząstek. Resztę obserwujemy pośrednio za pomocą tego, jak poprzez oddziaływanie grawitacyjne wpływa na ruch galaktyk. Jeśli teoria grawitacji Einsteina traci swoją precyzję w zastosowaniu do tak dużych odległości, to wizja wszechświata, jaką wypracowaliśmy, może okazać się fałszywa.

Nie wszystkie najnowsze obserwacje podważają wiarygodność modelu kosmologicznego. Przykładowo kilka lat temu wstępne dane opublikowane przez zespół Kilo-Degree Survey sugerowały, że oprócz problemów ze stałą Hubble'a, mamy podobny problem dotyczący niejednorodności wszechświata. Pełne dane opublikowane w marcu tego roku nie potwierdziły jednak tych obaw.

Model kosmologiczny, którego podstawy stworzono sto lat temu, odniósł niespodziewanie wielki sukces. Napór najnowszych danych obserwacyjnych spowodował jednak, iż nawet tak piękna konstrukcja zaczyna trzeszczeć, a tu i ówdzie pojawiają się szpary. Obecnie nic nie jest jeszcze przesądzone i czas pokaże, czy model obroni się w swojej eleganckiej postaci, czy też na szpary będzie trzeba nałożyć łaty, wprowadzając egzotyczną materię lub ad hoc modyfikując równania. Te modyfikacje prawdopodobnie na jakiś czas pozwolą zachować zgodność obserwacji z modelem – aż do czasu, gdy znajdzie się ktoś, kto przez szpary dostrzeże zarys nowej fizyki i nadchodzącą rewolucję.

Ruth Durrer: Tajemnice wszechświata

Wykład w czwartek, 22 maja o godz. 19.00. Muzeum Inżynierii i Techniki w Krakowie, ul. św. Wawrzyńca 15, udział bezpłatny. Transmisja na https://youtube.com/live/dlqwQnmB_Do