Wszechświat w butelce
Juan Maldacena to pod wieloma względami przeciwieństwo Alberta Einsteina. Nie ma bujnej czupryny. Nie jest ikoną popkultury. Nie wystawia języka do fotografii. Co więcej, gabinet i biurko utrzymuje w idealnym, ascetycznym porządku. Właściwie jedyne, co łączy Maldacenę z Einsteinem, to fizyka teoretyczna. I fakt, że obaj wymyślili wszechświat na nowo.
Wszechświat w butelce – idea ta zaświtała w głowie Juana Maldaceny w 1997 r., kiedy siedział przy swoim pustym biurku i myślał. We wnętrzu tej opisanej równaniami butelki mamy świat z trzema wymiarami przestrzeni oraz działającą grawitacją. Jednakże to wnętrze jest w istocie projekcją tego, co dzieje się na dwuwymiarowej powierzchni butelki, czyli hologramem. Nie chodzi tu o to, że świat miałby być symulacją, a raczej o to, że na fundamentalnym poziomie można go prościej i lepiej opisać, uznając za dwuwymiarowy.
Kiedy Maldacena opublikował swój model, wywołał w świecie fizyki spore poruszenie. Jeden z najznamienitszych współczesnych fizyków, Leonard Susskind, nazwał go mistrzem i trudno się dziwić – świat jako hologram jest bowiem ideą, którą właśnie amerykański naukowiec wprowadził do szerszego obiegu. Holograficzna rzeczywistość wybawiłaby nas – jak twierdzi ten badacz – z wielu kłopotów.
Nie chodzi tu o żadne praktyczne tarapaty, ale o utrapienia czysto teoretyczne, których nabawiliśmy się za sprawą kolejnego giganta – Stephena Hawkinga. Udowodnił on kiedyś, że z czarnych dziur może uciekać energia i że całe takie kosmiczne ciało po bardzo długim czasie może w ten sposób wyparować. Co jednak z informacją, którą niosły cząstki, wpadając do czarnej dziury? Informacja – wedle fizyków – nigdy ginąć nie powinna. Susskind podał rozwiązanie tego paradoksu. Jeżeli potraktujemy wnętrze czarnej dziury jako holograficzną projekcję jej dwuwymiarowej powierzchni, czyli horyzontu zdarzeń, wtedy problem zniknie. Informacja będzie mogła sobie czekać na horyzoncie zdarzeń, by w odpowiednim momencie – jakkolwiek dziwacznie to brzmi – uciec razem z parującą energią.
Wszechświat w butelce jest więc krokiem do rozwiązania paradoksu Hawkinga. Tylko jednak małym krokiem – z tego prostego powodu, że nie jest to nasz wszechświat, lecz zupełnie inny. Model Maldaceny to tzw. przestrzeń anty-de Sittera, a zatem coś do naszej rzeczywistości bardzo niepodobnego.
Odwrotność przestrzeni anty-de Sittera, czyli przestrzeń de Sittera, opisuje naszą czasoprzestrzeń, ale pustą, bez jakiejkolwiek materii. Przestrzeń anty-de Sittera jest nie tylko pusta, lecz także wykrzywiona w drugą stronę, co dość trudno sobie wyobrazić, bo nawet zwykła krzywizna czasoprzestrzeni jest dla naszej wyobraźni wyzwaniem. Najczęściej przedstawia się to tak: nasza czasoprzestrzeń wykrzywiona jest na podobieństwo sfery, a odwrotna – na podobieństwo siodła.
Aby sprawdzić, czy nasza rzeczywistość może być hologramem, czynione są teoretyczne próby nagięcia świata w butelce tak, by przypominał nasz. Xi Dong, Eva Silverstein i Gonzalo Torroba przedstawili kilka lat temu takie podejście: wzięli dwie przestrzenie anty-de Sittera, przecięli, rozciągnęli i skleili. Otrzymali coś w rodzaju przestrzeni de Sittera. Jest to jednak znów tylko drobny krok w kierunku rozwiązania.
Holograficzność świata próbowano też udowodnić doświadczalnie. Craig Hogan z laboratorium Fermilab zaprojektował w tym celu ultraczuły interferometr, urządzenie analogiczne do tych, które służą do wyłapywania fal grawitacyjnych. Holometr Hogana nie miał jednak na celu rejestrowania jakichkolwiek fal, ale wpatrywanie się w samą czasoprzestrzeń. Teoria o holograficznej rzeczywistości zakłada bowiem istnienie kwantów czasoprzestrzeni, czyli najdrobniejszych niepodzielnych jej cząstek – czegoś w rodzaju pikseli. Hogan podejrzewał, że dzięki swojej wyjątkowej rozdzielczości jego holometr wyłapie te piksele, pokazując, że przy wystarczającej dokładności pomiarów świat zaczyna być rozmazany.
Eksperyment był tyleż głośny, co kontrowersyjny – zapowiadała go światowa prasa, jednak niektórzy eksperci, w tym sam Susskind, uważali, że jest to droga donikąd: „Pomysł, że w ten sposób sprawdzimy cokolwiek godnego uwagi, jest niemądry” – powiedział w 2012 r. reporterowi pisma „Science” słynny fizyk i odmawiając dalszych komentarzy, odłożył słuchawkę. Holometr uruchomiono w roku 2014, a rok później ogłoszono wyniki. Żadnego fundamentalnego „szumu” nie wykryto.
Wygląda więc na to, że na odpowiedź przyjdzie nam jeszcze poczekać – nie wiadomo, jak długo. Teraz możemy się zastanowić, co by to dla nas znaczyło, gdybyśmy udowodnili, że trójwymiarowa przestrzeń jest holograficzną projekcją jakiejś odległej powierzchni. Praktycznej codzienności by to pewnie nie zmieniło, ale nasz obraz świata uległby wielkiemu przeobrażeniu, które – kto wie – może dałoby się porównać z przewrotem kopernikańskim. Czy rewolucję tę nazwalibyśmy imieniem Maldaceny, Susskinda, czy jeszcze kogoś innego, to właściwie drugorzędna sprawa.
Pytanie o rozpylanie
Kolejne rekordowo gorące lato za nami. W globalnej skali był to najgorętszy lipiec w historii pomiarów – na lądach. Oceany były nieco chłodniejsze, co trochę obniżyło średnią temperaturę, ale i tak panował upał. Trudno się dziwić, że znów powróciło kardynalne pytanie: czy jak tak dalej pójdzie, trzeba będzie zacząć rozpylać?
Mowa tu o rozpylaniu aerozoli w wysokich partiach atmosfery, czyli o metodzie znanej jako SAI (Stratospheric Aerosol Injection). Jest to – jak twierdzą niektórzy – jedyny dostępny dziś sposób, by przystopować nieco globalne ocieplenie. Inni uważają, że ryzyko związane z bliżej nieznanymi skutkami zastosowania tej techniki jest zbyt wielkie, by jej użyć.
SAI to metoda nieskomplikowana. Polega na rozpylaniu w stratosferze – na wysokości około 20 km – cząsteczek, które utworzą aerozol, czyli zawiesinę unoszącą się w powietrzu. Metoda naśladuje efekty naturalnych erupcji wulkanów, których efekt chłodzący niejednokrotnie zaobserwowano, a dokładnie zmierzono go po wybuchu wulkanu Pinatubo na Filipinach w 1991 r. Temperatura na półkuli północnej obniżyła się wówczas o 1,5°C przez 15 miesięcy. (Zginęło również 800 osób, jednak nie z powodu aerozoli, lecz popiołów, bomb wulkanicznych, lawin błotnych itd.).
Co do rozpylanych substancji mogą to być związki siarki (na wzór wulkanów) lub węglan wapnia (kalcyt). Substancje te są w stanie wytworzyć w stratosferze coś w rodzaju lotnego zwierciadła, które odbije część światła słonecznego zmierzającego ku powierzchni Ziemi. Obliczono, że kilogram siarki – o ile rozpylić ją umiejętnie – może być równowagą dla kilkuset tysięcy kilogramów dwutlenku węgla powodującego efekt cieplarniany. Aerozole utrzymują się w stratosferze od roku do trzech lat, więc zmiana nie jest permanentna.
Pewne problemy techniczne wciąż pozostają do rozwiązania. Nie ma dziś statków powietrznych, które byłyby zdolne latać tak wysoko, a zarazem miały wystarczającą wyporność. Balony są za małe, a wielkie samoloty nie osiągają pułapu 20 km. Zbudowanie odpowiednich maszyn pozostaje jednak w zasięgu techniki, którą dysponuje dziś ludzkość.
Wciąż brak jednak przekonania co do tego, że to właściwy sposób walki z globalnym ociepleniem. Naukowcy obawiają się tak mocno ingerować w klimat. Wprawdzie symulacje sugerują, że nie ma powodu do niepokoju, ale dłuższe doświadczenie pokazuje, że ingerencje w przyrodę na wielką skalę mogą skończyć się w sposób nieprzewidziany: tak jak w przypadku zmieniania biegu rzek lub sprowadzania gatunków na inny kontynent.
SAI nie usuwa dwutlenku węgla z atmosfery, a jedynie zmniejsza ilość światła docierającego do powierzchni Ziemi. Będzie więc chłodniej, ale też nieco ciemniej. Nie do końca wiadomo, jak zareagują na to przyroda i rolnictwo. Kolejna sprawa, która budzi opór, to fakt, że wprowadzenie dziś takiego doraźnego środka walki z globalnym ociepleniem mogłoby zniweczyć wszelkie plany obniżenia emisji gazów cieplarnianych.
Jak ujmuje to prof. Frank Keutsch z Harvardu, SAI to coś w rodzaju środka uśmierzającego, który zaaplikowany pacjentowi pozwoli mu na jakiś czas normalnie funkcjonować. Istnieje jednak ryzyko, że uwolniony od bólu pacjent zapomni o rzeczywistej przyczynie choroby, z którą powinien walczyć.
Czy w takim razie należy dopuścić rozpylanie aerozoli jako środek walki ze zmianami klimatu? Keutsch twierdzi, że na pewno trzeba prowadzić badania nad tą metodą, dzięki czemu jeśli nadejdzie moment, w którym ludzkość się na nią zdecyduje, będziemy wiedzieć możliwie dokładnie, czego należy się spodziewać. Keutsch podkreśla też, że rachunek za globalne ocieplenie płacą w pierwszej kolejności ci, którzy się do niego najmniej przyczyniają, np. mieszkańcy tonących wysp Pacyfiku. Czy powinniśmy skazywać ich ojczyzny na unicestwienie, będąc w posiadaniu doraźnego środka zaradczego?
Tlen z kamieni
Jaki pierwiastek występuje na Księżycu najczęściej? Otóż tlen. Jego zawartość w księżycowych skałach wynosi około 40–45%. Jest wprawdzie uwięziony w tlenkach rozmaitych metali, lecz Europejska Agencja Kosmiczna (ESA – European Space Agency) nauczyła się, jak można go uwolnić. Trzeba zmieszać okruchy skalne z roztopionym chlorkiem wapnia, rozgrzać do 950°C, a następnie przepuścić przez mieszaninę prąd. Tlen popłynie w stronę anody.
Naukowcy z ESA przyznają, że to nie oni wymyślili tę metodę, ale metalurgiczna firma brytyjska Metalysis, która w ten sposób oczyszcza metale. Tak się złożyło, że naukowczyni ESA, Beth Lomax, która wcześniej pracowała właśnie w firmie Metalysis, skojarzyła fakty – i proszę. Oto gotowy sposób na pozyskiwanie tlenu dla przyszłych mieszkańców księżycowej bazy. I wspaniały przykład na to, jak każde doświadczenie może się kiedyś w nieoczekiwany sposób przydać.
Wielka wyprawa niesporczaków
Głównym celem misji Bereszit było po prostu wylądować na Księżycu. Sonda miała tam umieścić izraelską flagę państwową oraz zawieźć dyski zawierające m.in. biblijny Pięcioksiąg (po hebrajsku), Wikipedię (po angielsku), rysunki dziecięce o tematyce kosmicznej oraz inne dane, na które nikt na Księżycu nie czekał. Znaczących ambicji naukowych misja nie miała. Instrument badawczy sonda zabrała tylko jeden – do pomiaru lokalnego pola magnetycznego – jednak nikt nie spodziewał się rewelacji po tym urządzeniu, gdyż Bereszit na powierzchni Księżyca miała działać zaledwie dwie doby. Po tym czasie pozbawiony osłon wehikuł czekać miało nieodwracalnie przegrzanie się za sprawą gorąca panującego w miejscu lądowania.
Cel misji, finansowanej przez izraelskiego miliardera Morrisa Kahna, był – powiedzmy to wprost – patriotyczno-ambicjonalny, nie badawczy. Ktoś jednak niedługo przed startem uznał, że naukowy aspekt przedsięwzięcia wymaga pewnego wzmocnienia i pośród dysków z danymi umieścił… niesporczaki. Po co? Do końca nie wiadomo.
Sondę wystrzelono 22 lutego 2019 r. Zrobiła sobie selfie z izraelską flagą państwową na pierwszym planie i Srebrnym Globem w tle, by następnie podczas nieudanej próby lądowania roztrzaskać się o twardą powierzchnię księżycowego Morza Jasności. Nie pierwszy to i nie ostatni lądownik, który rozbija się o glob będący celem jego wyprawy. Świat szybko przeszedł nad tym do porządku dziennego. Pozostaje jednak pytanie: co z niesporczakami? Czy mogły przetrwać kraksę?
Niesporczaki to zwierzątka maleńkie i wyjątkowo wytrzymałe. Na Księżyc poleciały w formie przetrwalnikowej, odwodnionej – to stan, w którym są bardzo odporne. Mogą przeżyć próżnię, zimno, gorąco i promieniowanie kosmiczne. Jedyne, co jest w stanie je zabić, to promieniowanie UV. Jeśli więc w wyniku kraksy znalazły się w miejscu osłoniętym od ultrafioletu, nic im nie będzie. W przeciwnym razie mogą zostać uśmiercone.
Kolejne pytanie brzmi: czy prawdopodobne jest zaistnienie kiedyś warunków, w których księżycowe niesporczaki będą mogły porzucić swoją formę przetrwalnikową? W tym celu musiałyby przede wszystkim natrafić na wodę w stanie płynnym (której na Księżycu – z tego, co wiemy – nie ma). Poza tym po przebudzeniu musiałyby mieć co jeść. Ich wymagania żywieniowe nie są wygórowane, wystarczy garstka liści, ale tam, gdzie okrutny los je rzucił, nie ma nawet źdźbła trawy. Możemy więc obstawiać, że szanse na założenie przez niesporczaki księżycowej kolonii są praktycznie zerowe.
Dlaczego więc o tym pisać? Powód jest właściwie jeden. Gdyby jednak niesporczaki dzięki jakiemuś trudnemu do przewidzenia zbiegowi okoliczności przebudziły się ku aktywności, a może nawet ewolucja pchnęłaby je do wydania z siebie kolejnych form życia, wówczas nowe znaczenie zyskałby fakt, że pojazd kosmiczny, który je na Księżyc przywiózł, nazywa się „Bereszit”. To hebrajski tytuł Księgi Rodzaju, a zarazem jej pierwsze słowa: „Na początku”. Trzeba przyznać, że jest w tym pewien urok. Niesporczaki miałyby też do dyspozycji Pięcioksiąg oraz Wikipedię. Może stworzonka wytworzyłyby kiedyś dwie frakcje: zwolenników jednego lub drugiego źródła nauczania. Ale chyba w tym miejscu za bardzo już fantazjujemy…
zdjęcie: Sebastian Kaulitzki/SPL/Getty Images
Czytaj również:
