Po moich wykładach z kosmologii najczęściej słyszę następujące pytania: „Co leży poza Wszechświatem?”, „Czy będzie się rozszerzał bez końca?”. To naturalne, że ludzi interesują podobne kwestie. Kryje się tu jednak drugie dno. Tak naprawdę ciekawi nas bowiem, czy nasza wiedza jest skończona i czy istnieją nieprzekraczalne granice poznania naukowego.

Oczywiście nie da się tego z góry stwierdzić. Nie dowiemy się, czy jest granica, póki nie spróbujemy jej sforsować. Na tę chwilę żadna nie majaczy na horyzoncie. Zdarzają się przeszkody, ale wszystko wskazuje, że prędzej czy później zostaną pokonane. Niektórzy mówią mi: „Nigdy nie poznamy początków Wszechświata” albo „Nie zdołamy ustalić, co było przed Wielkim Wybuchem”. W ten sposób jednak a priori przesądzają o czymś, czego tak naprawdę nie wiadomo. Zresztą do tej pory w historii nauki nie natknęliśmy się na żadną nieprzekraczalną granicę; kosmologia na przykład rozwinęła się w kierunkach, o których zaledwie pół wieku temu nikomu by się nie śniło.

Oczywiście natura ustanawia pewne ograniczenia. Zasada nieoznaczoności Heisenberga określa, co możemy wiedzieć na temat położenia i pędu cząstki w danym momencie. Prędkość światła wyznacza maksymalny dystans, jaki da się przebyć w określonym czasie. Jednak w obu przypadkach chodzi o to, co możemy zaobserwować, a nie o to, czego możemy się dowiedzieć. Mimo zasady nieoznaczoności coraz lepiej poznajemy mechanikę kwantową, coraz lepiej rozumiemy zachowania atomów i odkryliśmy tzw. cząstki wirtualne, które istnieją, choć nigdy nie widzimy ich bezpośrednio.

Stwierdzenie, że Wszechświat się rozszerza, zakłada jakiś początek, gdyż ekstrapolując wstecz, daleko w przeszłość, dojdziemy do momentu, gdy wszystko w obserwowalnym Wszechświecie było skupione w jednym punkcie. Moment ten określamy mianem Wielkiego Wybuchu. Prawa fizyki uległy wówczas załamaniu, bo ogólnej teorii względności, która opisuje grawitację, nie da się w pełni pogodzić z mechaniką kwantową. Większość uczonych nie widzi tu jednak fundamentalnego problemu, spodziewamy się bowiem, że ogólna teoria względności zostanie zmodyfikowana i wpisze się w uspójnioną teorię kwantową. (Teoria strun stanowi jedną z najważniejszych prób zrealizowania tego celu).

Będziemy wówczas mogli odpowiedzieć co – o ile cokolwiek – działo się przed Wielkim Wybuchem. Najprostsza odpowiedź jest zapewne najmniej satysfakcjonująca. Zarówno ogólna, jak i szczególna teoria względności wiążą czas i przestrzeń. Może więc czas, podobnie jak i przestrzeń, także powstał w Wielkim Wybuchu? Jeśli tak, nie było żadnego „wcześniej”, a pytanie okazuje się niezbyt wartościowe. W grę wchodzą jednak inne odpowiedzi; musimy poczekać na kwantową teorię grawitacji i jej eksperymentalne potwierdzenie, nim udzielimy którejś z nich.

A zatem drugie pytanie: „Co leży poza granicami Wszechświata?”. I w tym przypadku możemy zaryzykować odpowiedź. Jeżeli czasoprzestrzeń powstała spontanicznie – w mojej ostatniej książce Wszechświat z niczego uzasadniam, czemu ta opcja jest najbardziej prawdopodobna – jej energia całkowita wynosi zapewne zero. Energia w postaci materii jest całkowicie równoważona przez energię w postaci pól grawitacyjnych. Mówiąc prosto, coś może powstać z niczego, jeżeli owo coś sprowadza się do niczego. Obecnie jedyny Wszechświat, którego istnienia możemy być pewni, to zamknięty Wszechświat o zerowej energii całkowitej. Jest skończony, lecz nie ograniczony. Jeżeli poruszamy się po powierzchni kuli, nigdy nie dotrzemy do żadnej granicy. To samo dotyczyć może Wszechświata. Patrząc dostatecznie daleko w jakimś kierunku, ujrzysz tył własnej głowy.

W praktyce tak się nie stanie, prawdopodobnie dlatego, że obserwowalny Wszechświat to element większej całości. Przyczyną jest inflacja kosmologiczna. Większość powstających spontanicznie wszechświatów osiąga mikroskopijny rozmiar i znika po mikroskopijnie krótkim czasie. Niekiedy jednak pustej przestrzeni zostaje nadana energia, co powoduje rozszerzanie się wszechświata w wykładniczym tempie, przynajmniej przez krótki okres. Uważamy, że tego rodzaju inflacja zaszła w pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu, przez co nasz Wszechświat nie skurczył się od razu. Rozrósł się tak bardzo, że sprawia teraz wrażenie płaskiego i nieskończonego niczym pole kukurydzy w Kansas, które zdaje się ciągnąć bez końca, choć przecież w rzeczywistości zajmuje niewielką powierzchnię kuli zwanej Ziemią. Właśnie dlatego nie widzimy siebie od tyłu, kiedy patrzymy w dal, nawet jeśli Wszechświat jest ostatecznie zamknięty. Co do zasady moglibyśmy natomiast z czasem ujrzeć go w całości, inflacja bowiem się nie powtórzyła i nie powtarza w żadnych obserwowalnych przestrzeniach.

Może jednak zachodzić w regionach, których teraz nie jesteśmy lub nigdy nie będziemy w stanie obserwować. Przyjmowane obecnie teorie sugerują, że to najbardziej prawdopodobna opcja. Jeżeli mówiąc „nasz Wszechświat” ograniczymy się do fragmentu przestrzeni, którą kiedyś mogliśmy lub kiedyś będziemy mogli poznać, wówczas należy przyjąć, że inflacja tworzy po prostu inne wszechświaty. W naszej przestrzeni zachodziła przez krótki czas, później ustała. Natomiast pozostała przestrzeń zawsze będzie się rozszerzała wykładniczo. W niektórych jej regionach inflacja również ustanie. (Można to porównać do rzeki w mroźnym zakątku świata, na powierzchni której tworzą się osobne kry lodowe). Każdy wszechświat ma swój początek, wypadający w momencie, w którym inflacja w danej przestrzeni się zatrzymała. W takim przypadku początek naszego Wszechświata nie byłby równoważny z początkiem czasu, co stanowi kolejny powód, by odrzucić założenie, że nasza wiedza nigdy nie zdoła wyjść poza Wielki Wybuch.

W każdym wszechświecie mogą obowiązywać odmienne prawa fizyki zależnie od tego, jakie procesy odpowiadały za jego wydzielenie się z przestrzeni. Określa się to mianem „wieloświatu”. Idea ta zakorzeniła się w nauce nie tylko dlatego, że przemawiają za nią zjawiska w postaci inflacji kosmologicznej, lecz także dlatego, że istnienie różnych wszechświatów działających wedle różnych praw mogłoby tłumaczyć, skąd wzięły się na pozór niedające się wyjaśnić parametry Wszechświata, w którym żyjemy. W takiej interpretacji byłyby one po prostu losowymi wartościami, ustalonymi w momencie jego narodzin.

Jeśli inne wszechświaty istnieją, to znajdują się daleko od naszego i oddalają się z ogromną prędkością względną, więc nigdy nie zaobserwujemy ich bezpośrednio. Czy zatem wieloświat to koncepcja metafizyczna? Czy zweryfikowanie tej teorii przekracza granice naszego postrzegania? Niekoniecznie. Nigdy nie zaobserwujemy innego wszechświata, lecz możemy poddać testowaniu empirycznemu teorię o jego powstaniu, np. badając fale grawitacyjne będące skutkiem inflacji. Fale, na skutek których powstał nasz Wszechświat, będą podobne do tych, które odkrył niedawno detektor LIGO, lecz będą miały inne pochodzenie, nie są bowiem skutkiem wydarzeń typu zderzenie masywnych czarnych dziur w odległych galaktykach, ale tego, co działo się w pierwszych momentach Wielkiego Wybuchu, właśnie podczas inflacji. Jeśli zdołamy je zaobserwować bezpośrednio – np. dzięki rozmaitym prowadzonym obecnie eksperymentom, w ramach których poszukuje się śladu fal w postaci promieniowania – dowiemy się więcej o inflacji i ustalimy, czy jej wieczne zachodzenie jest nieuchronne. A zatem przekonamy się nie wprost, czy nieuchronne jest powstawanie innych wszechświatów.

Okazuje się więc, że nawet najgłębsze metafizyczne kwestie, które dotąd zdawały się nierozstrzygalne empirycznie – w tym kwestię wieloświata – da się prawdopodobnie rozstrzygnąć, jeśli tylko nie zabraknie nam pomysłowości. Na razie nie dotarliśmy do granic poznania rozumowo-eksperymentalnego.

Wieloświat to pociągająca idea, zachęcająca do dalszych poszukiwań. Czy jednak możemy być pewni, że nasza wiedza nigdy nie napotka żadnych ograniczeń? Niezupełnie.

Ograniczenia takie ustanawia sama inflacja. Chodzi tu o wiedzę na temat przeszłości. Inflacja w zasadzie resetuje wszechświat, niszczy informacje na temat dynamicznych procesów, które poprzedziły jego powstanie. Szybkie rozszerzanie się przestrzeni podczas inflacji sprawia, że to, co znajduje się w danej przestrzeni, ulega rozproszeniu. Inflacja mogła np. wymazać ślady po monopolach magnetycznych, cząstkach, których według teorii w początkach Wszechświata było bardzo dużo. Koncepcja inflacji jest użyteczna, gdyż pozwala pogodzić postulat istnienia takich cząstek z faktem, że nigdy ich nie widzieliśmy. Zarazem jednak inflacja usuwa pewne elementy naszej przeszłości.

Co gorsza, nie jest powiedziane, że proces usuwania już się zakończył. Wydaje się, że obecnie znów zachodzi inflacja. Pomiary prędkości oddalania się innych galaktyk wskazują, że Wszechświat przyspiesza. Gdyby energia grawitacyjna pochodziła z materii, a nie z pustej przestrzeni, Wszechświat by zwalniał. Na razie nie wiemy, skąd bierze się energia odpowiedzialna za przyspieszenie. Jednak każde możliwe wyjaśnienie sugeruje istnienie fundamentalnych granic rozwoju naszej wiedzy.

Ba, również nasze istnienie może mieć granice. Gdyby Wszechświat wszedł w fazę przejściowej zmiany, energia pustej przestrzeni mogłaby nagle zniknąć. W takim przypadku natura podstawowych sił mogłaby się zmienić. Wszystkie obserwowalne struktury, począwszy od atomów, stałyby się niestabilne lub zupełnie by zniknęły – a my wraz z nimi.

Nawet jeśli Wszechświat dalej będzie się rozszerzał, przyszłość wygląda niewesoło. Za mniej więcej 2 biliony lat (w skali kosmicznej to niezbyt długo) reszta kosmosu zniknie nam z oczu. Przyszli obserwatorzy będą sądzić, że żyją w jednej jedynej istniejącej galaktyce, otoczonej przez nieskończoną pustą przestrzeń. Po Wielkim Wybuchu nie zostanie nawet ślad. Rozszerzanie się Wszechświata będzie nie do zaobserwowania. Historia, którą my obecnie widzimy, stanie się niedostępna tak, jak dla nas niedostępne są monopole magnetyczne. (Z drugiej strony – nie popadajmy w poczucie wyższości – rozmaite zjawiska, których my na razie nie jesteśmy w stanie obserwować, mogą być dla owych przyszłych istot łatwo dostrzegalne).

Tak czy inaczej, powinniśmy dobrze wykorzystać naszą krótką chwilę pod słońcem i odkryć, co da się odkryć, póki starczy czasu. Naukowcy – do roboty!

tłum. Jan Dzierzgowski

Artykuł ukazał się 31 sierpnia 2017 roku na łamach portalu Nautil.us