Wszechświat to za mało

ŁUKASZ KWIATEK, TOMASZ MILLER: Jak do tego doszło, że nauka zaczęła mówić o „wieloświecie” – czyli istnieniu innych niż nasz wszechświatów?

MICHAŁ HELLER: Musimy cofnąć się do lat 70. ubiegłego wieku. Wtedy w kosmologii bardzo żywotnym problemem było zagadnienie osobliwości początkowej – czy ona istniała, czy nie. Przeważała opinia, że osobliwość jest tylko artefaktem matematycznym i nie odpowiada jej żadne fizyczne zjawisko.

Wyjaśnijmy od razu, na czym osobliwość początkowa polega.

Jej popularna nazwa to Wielki Wybuch. Polega na tym, że wszechświat rozpoczął się od gigantycznych gęstości i energii teoretycznie z jednego punktu, a potem się rozszerzał – co może trochę przypominać wybuch. Matematycznym odpowiednikiem tego jest osobliwość, czyli taki stan, w którym pewne wielkości fizyczne dążą do nieskończoności. Oprócz Wielkiego Wybuchu w kosmologii pojawiają się także inne osobliwości – we wnętrzach czarnych dziur. Gdy gwiazda się zapada pod wpływem własnej grawitacji, dając czarną dziurę, to pewne wielkości, takie jak gęstość czy krzywizna czasoprzestrzeni, też dążą do nieskończoności.

W latach 70. trwał więc wielki spór o to, czy początkowa osobliwość jest koniecznym elementem naszego obrazu wszechświata – i wyglądało na to, że bardzo trudno się jej pozbyć. Wtedy Roger Penrose, zresztą ubiegłoroczny noblista, opracował matematyczną metodę dowodzenia, czy w konkretnych warunkach pojawi się osobliwość, czy nie. Potem dołączył do niego Stephen Hawking. Metodę Penrose’a, która stosowała się do czarnych dziur, Hawking rozszerzył na całą kosmologię. Dzisiaj mówi się więc o twierdzeniach Hawkinga-Penrose’a. Głoszą one, że osobliwości nie da się uniknąć, jeśli przyjmie się pewne bardzo realistyczne warunki, które model kosmologiczny musi spełniać.

Czyli Hawking i Penrose matematycznie udowodnili, że wszechświat musiał zacząć się Wielkim Wybuchem.

Tak, to są twierdzenia matematyczne. Jeśli więc chce się usunąć Wielki Wybuch, to trzeba wykazać, że nasz wszechświat nie spełnia jednego z tych warunków. Niedługo potem, w 1973 r. ukazała się książka Hawkinga i George’a Ellisa „The Large Scale Structure of Space-Time” („Wielkoskalowa struktura czasoprzestrzeni”). Autorzy napisali w niej, że według Immanuela Kanta początek świata jest antynomią – tzn. można udowodnić zarówno to, że był, jak i to, że go nie było – tymczasem twierdzenia o osobliwościach wyraźnie wskazują, że początek świata musiał występować.

Gdy to przeczytałem, wkrótce po ukazaniu się tej książki, to pomyślałem sobie, że świat nauki tak tego nie zostawi. Pojęcie początku jest z punktu widzenia naukowego czymś niepożądanym, bo stawia granice wstecz naszym dociekaniom. I na pewno pojawią się pomysły, jak ten początek zneutralizować. Przyszła mi na myśl nowelka G.K. Chestertona o księdzu Brownie, w której jeden z bohaterów chciał popełnić morderstwo i zastanawiał się, jak najlepiej ukryć zwłoki. A że akcja toczyła się w czasie wojny, to doszedł do wniosku, że najlepiej będzie podrzucić trupa na pole bitwy. W podobny sposób można pozbyć się problemu osobliwości – po prostu naprodukować ich dużo. To zneutralizuje filozoficzną wymowę początku.

Nie czekałem długo – jeszcze w latach 70. pojawiła się tzw. zasada antropiczna i część kosmologów poszła podobnym tropem.

Znowu musimy wyjaśnić.

Nasz wszechświat ma ciekawą cechę – my w nim jesteśmy. Początek musiał zatem mieć takie warunki, które dopuszczałyby naszą egzystencję. Musi być możliwość wyprodukowania węgla i innych pierwiastków, z których jesteśmy zbudowani, muszą istnieć jakieś planety, które mieszczą się w określonych warunkach termicznych itd. Nie każde warunki początkowe wszechświata, oraz nie każdy zestaw wartości fundamentalnych stałych fizycznych, prowadzą do powstania wszechświata sprzyjającego życiu. Inaczej mówiąc, nasze istnienie nakłada bardzo ścisłe ograniczenia na warunki początkowe wszechświata i na wartości stałych fizycznych. Gdybyśmy wyobrazili sobie stwórcę, który losowo wybiera warunki początkowe – oczywiście stwórca jest tutaj czysto pomocniczym wyobrażeniem – np. w ten sposób, że ma mapę wszystkich możliwych warunków początkowych i w przypadkowe miejsce wbija szpilkę, to trafienie w warunki początkowe takiego wszechświata, w którym może pojawić się obserwator, są miary zero – skrajnie nieprawdopodobne. Jakiekolwiek małe zaburzenia tych warunków przekreślają szanse na rozwój życia. Mówi się często w tym kontekście o „precyzyjnym dostrojeniu” (fine-tuning) wszechświata.

Ale to może brzmieć trywialnie: bo przecież skoro jesteśmy, to oczywiste, że wszechświat musi spełniać takie warunki, które dopuszczają nasze istnienie. Gdyby ich nie spełniał, toby nas nie było.

Gdy Brandon Carter sformułował zasadę antropiczną – tak nazywał to rozumowanie – to zrobiło się o niej głośno, ponieważ przywraca ona człowiekowi miejsce we wszechświecie. A przynajmniej od czasów Kopernika człowiek był z wszechświata przeganiany. Najpierw został zepchnięty na peryferia, bo okazało się, że Ziemia nie jest w centrum wszechświata, a potem w ogóle stracił jakiekolwiek znaczenie dla ewolucji kosmosu. Dzięki zasadzie antropicznej uświadomiono sobie, że kosmologia musi brać człowieka pod uwagę – poruszenie filozoficzne było więc spore.

Jednocześnie wtedy pojawiła się idea wieloświata. Bo skoro przyjazny dla życia wszechświat jest tak mało prawdopodobny, to zamiast wyjaśniać, dlaczego istnieje akurat ten wszechświat, możemy sobie wyobrazić, że istnieją także inne, w których życie jest niemożliwe. Początkowo Carter traktował ten pomysł tylko jako pomocniczy obraz, ułatwiający myślenie o tym problemie, ale wkrótce zaczęto przypisywać różnym możliwym światom jakiś sposób istnienia.

Zatrzymajmy się na chwilę: gdy mówimy o tym, że istnieje pewien zbiór możliwych wszechświatów, i to z tego zbioru wyłoniła się idea wieloświata, to o jakim zbiorze mówimy? Przez co ten zbiór jest opisywany? Czy chodzi o zbiór możliwych rozwiązań równań ogólnej teorii względności Einsteina – z których każde daje matematyczny model wszechświata?

Możemy tak powiedzieć z punktu widzenia współczesnej kosmologii, dla której równania teorii względności stanowią bazę – mówi nam ona o tym, jak rozumieć czas i przestrzeń oraz jak one się zachowują pod wpływem materii czy energii. W tym kontekście mówię niekiedy o „wieloświecie Einsteina”. Nie chodzi mi o to, że Einstein wierzył w istnienie wielu wszechświatów, ale o to, że z jego równań mogą wynikać różne modele wszechświata. Modele te łącznie tworzą tzw. przestrzeń rozwiązań równań Einsteina. Jej strukturę da się badać matematycznie, wyciągając z niej różne wnioski na temat naszego wszechświata.

Jednak o idei wielu światów możemy myśleć również nieco inaczej – jako o pewnym ogólnym zbiorze możliwości. W takim znaczeniu idea możliwych wszechświatów pojawiła się na długo przed narodzinami współczesnej kosmologii opartej na teorii względności Einsteina. Za jej prekursora można uznać Leibniza. Znana jest jego teza, że nasz świat, choć zawiera zło, i tak jest najlepszy z możliwych. Leibniz rozważa więc nieskończenie wiele możliwych wszechświatów, spośród których Bóg powołał do istnienia tylko nasz, ponieważ nasz ma najbardziej korzystny stosunek zła do dobra. Nie twierdził jednak przy tym, że one wszystkie istnieją faktycznie – co najwyżej w umyśle Boga.

Wróćmy do kosmologii. Mamy lata 70. Pojawia się zasada antropiczna. Co dzieje się dalej z wieloświatem?

Bardzo szybko, w ciągu kilkunastu lat, idea wieloświata uniezależniła się od zasady antropicznej. W różnych teoriach fizycznych zaczęto mówić o tym, że nasz wszechświat może – albo wręcz musi – produkować inne wszechświaty. Te rozważania nie miały związku z zasadą antropiczną, choć ona stworzyła dla nich klimat. Miały związek głównie z ideą kosmicznej inflacji.

O inflacji w kosmologii mówimy, jeśli wszechświat nagle zacznie rozszerzać się znacznie szybciej niż do tej pory – o wiele rzędów wielkości szybciej. Jest wiele scenariuszy inflacyjnych – wśród nich takie, w których inflacja niejako pączkuje, produkuje zalążki następnych ekspandujących obszarów, które same ulegają inflacji i stają się innym wszechświatem, do którego tracimy dostęp.

Inflacja rozwiązywała kilka problemów standardowej kosmologii, ale jej skutkiem ubocznym było pojawienie się możliwości rozpatrywania istnienia wielu wszechświatów.

Czy to jest jakiś argument przemawiający za istnieniem wieloświata, czy jednak wciąż mamy do czynienia z bardzo spekulatywną hipotezą?

To ciągle hipoteza bardzo spekulatywna, choć możemy mówić o empirycznych wskazówkach. Wiążą się one z tzw. promieniowaniem tła.

W 1948 r. grupa badawcza kierowana przez George’a Gamowa wyliczyła, że wszechświat w Wielkim Wybuchu wytworzył pewne ilości gorącego promieniowania. W miarę jak wszechświat się rozszerzał, to promieniowanie stygło i według tych badaczy dzisiaj powinno być bardzo zimne – jego temperatura powinna wynosić ok. 3 stopni w skali Kelvina, a więc blisko najniższej możliwej we wszechświecie temperatury.

W latach 60. zespół radioastronomów zaobserwował promieniowanie, które okazało się tym przewidzianym przez Gamowa. To promieniowanie wypełnia całą przestrzeń kosmiczną i jego temperatura jest wszędzie niemal identyczna. Mówi się czasem, że to taka łuna Wielkiego Wybuchu. Kilka satelitów, wśród nich satelita Planck, badało to promieniowanie – bo skoro jest ono reliktem po Wielkim Wybuchu, to niesie informacje o bardzo wczesnych warunkach panujących we wszechświecie. W wyniku pomiarów powstały dokładne mapy promieniowania tła. Okazało się, że występują w nim bardzo niewielkie wahania temperatury – rzędu jednej stutysięcznej kelwina. Te gorętsze i chłodniejsze miejsca są obrazem małych różnic w gęstości materii we wczesnym wszechświecie. Różnice w gęstościach pojawiły się krótko po Wielkim Wybuchu, a inflacja rozdęła je do rozmiarów kosmicznych – i to z nich, już dzięki działaniu siły grawitacji, wyłoniły się dzisiejsze gromady galaktyk. Obecnie bada się astronomicznie rozkład galaktyk i próbuje się liczyć, jak z tych pierwotnych fluktuacji temperatury/gęstości, które widać na mapie promieniowania tła, mogły powstać galaktyki. Rachunki prowadzą do bardzo zgodnych wyników – te plamki, po odpowiedniej ewolucji, stają się gromadami galaktyk, które obserwujemy.

Można inaczej te plamki tłumaczyć, nie inflacyjnie, ale najpowszechniejsze, bo najbardziej przejrzyste, jest właśnie to wyjaśnienie. Czekamy teraz na dalsze badania, które pomogą rozstrzygnąć, czy faktycznie występowała inflacja, czy nie.

Ale, jak mówiłem, scenariuszy inflacyjnych jest wiele. I to, który z nich jest potwierdzany przez pomiary promieniowania tła, jest bardzo dyskusyjne. Paul Steinhardt, twórca jednego ze scenariuszy inflacyjnych, a teraz wielki krytyk tej teorii, twierdzi, że pomiary potwierdzają taki scenariusz inflacji, którego dzisiaj żaden z fizyków już nie przyjmuje.

Podsumujmy: niektóre teorie inflacji zakładają specyficznie rozumiany wieloświat. Chodzi bowiem o pewne obszary tej samej czasoprzestrzeni, w której znajdujemy się my sami, zaczynającej się w znanym nam Wielkim Wybuchu, ale które na skutek inflacji tak bardzo oddaliły się od siebie, że między nimi nie będą mogły nigdy występować jakiekolwiek oddziaływania. Kosmologia stworzyła jednak bardziej radykalne wizje wieloświata.

Tak, możemy je podzielić za ­George’em Ellisem na kategorie. Najbardziej skro­mny wieloświat tworzą wszechświaty, które są częścią naszej czaso­przestrzeni, ale mówimy, że leżą poza horyzontem. Prędkość światła, która jest skończona, wyznacza pewien horyzont, poza który nie możemy sięgnąć obserwacyjnie. To nie jest kontrowersyjny pomysł – horyzont jest faktem, tzn. trudno się spodziewać, że poza tym fragmentem wszechświata, który możemy obserwować, nie ma już niczego. To trochę tak, jak gdyby stanąć na wzgórzu, popatrzeć na horyzont i stwierdzić, że świat kończy się właśnie tam, gdzie sięga akurat mój wzrok.

Czyli na skutek inflacji powstały tak odległe obszary wszechświata, że gdyby z któregoś z nich zostało ­wyemitowane światło, to leciałoby ­ do nas dłużej, niż wynosi wiek wszechświata.

Trzeba jeszcze wziąć pod uwagę to, że wszechświat się ciągle rozszerza, więc gdy światło do nas stamtąd podróżuje, musi pokonywać coraz większy dystans. To tak, jakby biegacz biegł, a meta się od niego oddalała. Spoza horyzontu już nic do nas nie dociera – ale tam też wszechświat może istnieć. Tyle że nasze obserwacje już tam nie sięgają. Możemy więc mówić, że istnieją osobne wszechświaty oddzielone horyzontem albo że to oddzielone fragmenty tego samego wszechświata.

Inna, bardziej radykalna wizja wieloświata jest taka, że kolejne wszechświaty są od nas całkowicie oddzielone – nie są w naszej czasoprzestrzeni. Choć nasz wszechświat i inne wszechświaty mogły mieć wspólną genezę. Wspominałem, że w niektórych teoriach inflacyjnych czaso­przestrzeń „pączkuje” – jeśli pojawi się „pączek” czasoprzestrzeni, osobny wszechświat, a w nim kolejne pączki, to wreszcie więzy między tymi „pączkami” zostaną zerwane. Będą jednak miały przynajmniej wspólną genezę.

Ale są i takie hipotezy wieloświatowe, w których wszechświaty nie mają z naszym nawet wspólnej genezy. To np. te światy powoływane do istnienia ze względu na zasadę antropiczną – wszechświaty o zupełnie różnych warunkach początkowych. Tylko ta pierwsza wizja wieloświata – czy też wszechświata podzielonego horyzontami – jest naukowo niekontrowersyjna.

Pozostałe wizje są jeszcze w ogóle naukowe czy to już raczej filozoficzno-matematyczne fantazje?

Ogromny sukces metody fizyki nowożytnej opiera się na dwóch filarach. Jeden to dedukcja matematyczna, drugi – kontrola empiryczna. O ile matematyczna dedukcja kwitnie wśród zwolenników wieloświata, bo to raj dla matematyków – powstają trudne teorie, ale często bardzo piękne – o tyle ciągle brakuje testów empirycznych. Wyniki są więc tylko „na papierze”. Fizycy mają nadzieję, że jakieś testy empiryczne wieloświata będą możliwe, przynajmniej gdy idzie o te mniej radykalne wizje, ale dotychczas się nie udało – i to rzeczywiście główny argument przeciwko tym wizjom.

Nie mówiliśmy jeszcze o dwóch ważnych teoriach fizycznych, w których także pojawia się idea wieloświata: mechanice kwantowej i teorii strun.

To bardzo popularne wizje wieloświata. Zacznijmy od teorii strun. Najpopularniejszy dziś matematyczny model mikroświata wyróżnia całą menażerię różnych cząstek elementarnych – od elektronów po kwarki, bozony Higgsa itd. Teoria strun głosi, mówiąc w uproszczeniu, że fundamentalnymi obiektami we wszechświecie są maleńkie struny, które mogą drgać na różne sposoby, a te różne sposoby drgań – wielorakie „nuty” wygrywane na strunach – my postrzegamy jako różne cząstki elementarne. Zgodnie z teorią struny mogą jednak drgać na wiele sposobów – i dawać rozmaite zestawy cząstek. Wieloświat, mówiąc w największym skrócie, pojawia się więc jako wytłumaczenie, dlaczego struny drgają tak, że dają cząstki, które obserwujemy – a nie jakieś inne. Po prostu w innych wszechświatach struny mają drgać inaczej, czego efektem byłyby zupełnie inne cząstki elementarne. Inne wszechświaty to inne symfonie wygrywane na strunach.

W mechanice kwantowej z ­kolei, w pewnej jej interpretacji, wszechświaty tworzą się z powodu wykonywania pomiarów. Obiekty kwantowe mają dziwne własności. Np. nie wiemy, gdzie dokładnie w jakiejś chwili się znajdują, a możemy podać tylko prawdopodobieństwo, z jakim znajdą się w danym miejscu, gdy wykonamy pomiar. Po jego wykonaniu otrzymujemy jednak dokładny wynik. By wyjaśnić, dlaczego jakiś obiekt, np. elektron, w wyniku pomiaru znajduje się akurat w tym miejscu, a nie innym, w którym także mógłby być, niektórzy badacze postulują wieloświat – w każdym wszechświecie elektron znajduje się w innym miejscu i każdy obserwator otrzymał inny wynik. To bardzo dziwna koncepcja, w której wszechświaty ciągle rozszczepiają się na wiele następnych, a wszystko, co tylko może się zdarzyć, zdarza się w jakiejś odnodze kwantowego wieloświata.

Fizyk Max Tegmark ma na całe zagadnienie wieloświata jeszcze bardziej radykalne spojrzenie. Zauważa, że tylko niektóre struktury matematyczne opisują nasz wszechświat – czyli pojawiają się w naszych modelach. Uważa, że te struktury nie powinny być szczególnie wyróżnione – muszą więc istnieć inne wszechświaty, w których wszystkie możliwe obiekty matematyczne mają własne fizyczne realizacje.

To rzeczywiście wizja radykalna, ale nawet Tegmark nie wziął pod uwagę całej matematyki. Jest taki jej dział – teoria kategorii – który wiąże różne dziedziny matematyki i aspiruje do tego, by dostarczać podstawy całej matematyce. Nie będę wchodzić w szczegóły, ale można powiedzieć, że teoria kategorii pokazuje, iż mogą istnieć różne obszary matematyki (czyli właśnie różne kategorie) różniące się pod kątem praw logiki. Np. takie kategorie, w których zasada niesprzeczności (niemożliwe jest, by prawdziwe było zarówno jakieś zdanie, jak i jego zaprzeczenie) nie całkiem obowiązuje. Jeśli więc brać na poważnie poglądy Tegmarka, to trzeba by również przyznać, że mogą istnieć wszechświaty, w których działają zupełnie inne prawa logiki niż w naszym. A to rodzi pytanie, czy cała idea wieloświata nie została sprowadzona do absurdu.

Czy Ksiądz Profesor wierzy, że któraś z koncepcji wieloświata odpowiada rzeczywistości?

To źle postawione pytanie. Wierzę w metodę fizyki. I jeśli mamy nową hipotezę, to nie jest tak, że wierzę w nią lub nie, tylko czekam, aż zostanie ona potwierdzona lub nie przez doświadczenie. W przypadku wieloświata silnego empirycznego potwierdzenia nie mamy. Ale to nie znaczy, że to idea bezużyteczna.

Możemy sobie wyobrazić, że cała nasza wiedza fizyczna to wnętrze koła. Obwód tego koła to problemy, które aktualnie badamy – w nim to, co wiemy, styka się z tym, czego nie wiemy. Nauka się poszerza – koło rośnie. A więc problemów ciągle przybywa – bo obwód też rośnie. Gdy popatrzymy na historię fizyki, to wokół obwodu, a czasem dalej poza nim, powstawał zawsze pas dociekań filozoficznych. Jeszcze nie poddawały się one metodzie naukowej, ale już nas interesowały. Za czasów Newtona pytaniem, które leżało poza granicami metody, ale już blisko obwodu, był problem tego, co to są gwiazdy. Nie było jeszcze astrofizyki, ale potem weszła ona do tego obszaru. Wydaje mi się, że teorie wieloświata to takie teorie, które otaczają pole osiągnięć fizyki. I są one wartościowe, bo tu dzieją się ciekawe rzeczy, i pewne elementy tych teorii – np. teorii inflacji – wejdą do środka nauki. Dlatego warto się tym zajmować.

A czy wizja wielu wszechświatów nie jest światopoglądowo przygniatająca? Już nasz wszechświat jest miejscem, w którym człowiek może czuć się zagubiony, przygnieciony ogromem odległości, energii, skalą czasu liczonego w miliardach lat. Czy myślenie o wieloświecie tego wrażenia nie potęguje?

Mówimy o skalach i liczbach tak trudnych do wyobrażenia, że różnice między wszechświatem i wieloświatem przestają mieć psychologiczne znaczenie. Ale reakcje na ideę wieloświata mogą być różne. Matematyka, która leży u podłoża różnych teorii wieloświata, jest piękna, może fascynować – stąd zresztą popularność takich koncepcji jak teoria strun. Niektórych zaś idea wieloświata doprowadza do wściekłości, a nie przytłacza.

Istnieją też wszechświaty literackie – uniwersa tworzone przez pisarzy, zwłaszcza twórców fantasy. Czy one różnią się jakoś radykalnie pod kątem ontologicznym od wszechświatów kosmologicznych? Można powiedzieć, że jedne i drugie istnieją wyłącznie na papierze.

Chyba nie da się odpowiedzieć, czy jedne istnieją bardziej, a drugie mniej – zależy, jaką przyjmie się miarę. Różnica między nimi jest wyraźna. Wszystkie wieloświaty, o których mówi nauka, to modele matematyczne, z wyjątkiem może koncepcji Tegmarka, który mówi o strukturach, ale żadnego modelu nie buduje. Cały proces konstrukcji takich wieloświatów przebiega w sposób matematyczny, podczas gdy wszechświaty literackie są dziełem twórczej wyobraźni. Powiedziałbym, że dzięki temu wieloświaty kosmologiczne mogą nas zaprowadzić w obszary bardziej odległe od naszej potocznej wyobraźni. Przykładem tego jest powstanie mechaniki kwantowej – nikt nie był sobie w stanie wyobrazić, że świat atomów będzie się rządził takimi nieintuicyjnymi prawami, i wymyślamy rozmaite interpretacje, by te struktury oswoić. Wszystkie fikcje literackie są budowane ze znanych elementów, tylko z nieoczekiwanego ich ułożenia. Choć gdyby skupić się na „produkcie”, to wielu krytyków teorii wieloświata stwierdziłoby, że te modele nie różnią się bardzo od fikcji literackich.

A jak Ksiądz Profesor odnajduje się w wieloświecie jako teolog? Czy te koncepcje mogą coś zmieniać w katolickiej wizji Boga?

Nie zapominajmy, że idea wielu światów pojawiła się najpierw w kontekście teologicznym u Leibniza, gdy mierzył się z problemem dobra i zła. Dzisiaj pojęcie wieloświata rozumiemy trochę inaczej, nasza wyobraźnia nieco inaczej pracuje, ale teologicznie chyba wiele się nie zmienia. Dzisiaj Leibniz mógłby powiedzieć, że żyjemy w najlepszym z możliwych światów, który istnieje w najlepszym z możliwych wieloświatów.

Ktoś też stwierdził, że jeśli Bóg jest nieskończony, to może nie interesować się czymś, co jest mniejsze od nieskończoności. Wtedy wieloświat będzie mu bardziej odpowiadał w akcie stworzenia niż jeden wszechświat.©℗

KS. MICHAŁ HELLER jest kosmologiem i filozofem, autorem kilkudziesięciu książek i setek artykułów naukowych oraz popularnonaukowych. Laureat Nagrody Templetona. We wrześniu nakładem Copernicus Center Press ukazała się jego książka „Nieskończenie wiele wszechświatów”.