Fantastyczne scenariusze kosmologiczne na temat pochodzenia i przyszłego losu wszechświata
Temat końca świata towarzyszy nam od wieków. Rozmaite interpretacje tego co musi nastąpić na ziemi pojawiają się w różnych dziedzinach nauki oraz nurtach filozofii czy religii. Wizja końca cywilizacji i kultury zachodu właściwie aktualnie wypełnia się na naszych oczach. Także kataklizm naturalny na naszej planecie to tylko kwestia czasu. Zatem zagadnienie owego końca świata głęboko zakorzeniło się w naszej świadomości, ale rozmowy o przeznaczeniu wszechświata są mniej powszechne, niemniej ciekawe i rozpalające wyobraźnię. Zajmijmy się więc końcem wszechświata, którego widowisko nie jest z pewnością dla nas przewidziane, bowiem za miliardy lat już nie będziemy wieść przyziemnego życia. Jednak energia którą jesteśmy unosić się będzie w czasoprzestrzeni uczestnicząc w wielkich kosmicznych wydarzeniach.
Aby podjąć rozważania na temat ewolucji uniwersum oraz hipotezy jego ewentualnego początku i końca, należy zacząć od odkryć, które w kontekście historii wszechświata są kluczowe. Tak więc współczesna kosmologia rozpoczęła swój właściwy bieg na przełomie XIX i XX wieku, kiedy to młody
Albert Einstein
zaczynał rozmyślać o podróżach na promieniu światła. Te eksperymenty myślowe – jak sam zwykł je nazywać – stały się genezą dla rewolucyjnych idei, które nadały nowy kierunek w rozwoju kosmologii.
Szczególna Teoria Względności (STW) ostatecznie sformułowana przez Einsteina w 1905 roku obaliła klasyczne rozumienie czasu i przestrzeni – czas przestał być uniwersalną miarą porządkującą na swej osi zdarzenia we wszechświecie, ale zmienił się w skalę indywidualną dla układów fizycznych poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym. Konsekwencją tego rozumowania stało się znane dziś wszystkim równanie E = mc2, które określa równoważność materii i energii. Od czasu gdy wzór ten został uznany za prawdziwy fizycy używają go do wielu obliczeń w pracach nad odtworzeniem poszczególnych etapów kosmicznej ewolucji.
Kolejnym krokiem milowym jaki poczynił Einstein było sformułowanie w 1915 roku Ogólnej Teorii Względności (OTW), która była rozwinięciem pierwszej myśli i uwzględniała już ruch zmienny układów. Tym razem pozbawiony ograniczeń myśliciel utożsamił występującą wskutek przyśpieszenia układu fizycznego siłę bezwładności (zwróconą przeciwnie do kierunku w którym układ przyśpiesza) z siłą grawitacji. [Einstein 1958, s. 69] Podczas ruchu zmiennego zmienia się prędkość, a wraz z nią energia; energia natomiast równoważna jest masie. Oba te przemienne twory zakrzywiając czasoprzestrzeń stają się źródłem grawitacji. W ten sposób, w efekcie kolejnych eksperymentów myślowych Einstein stworzył
Równania pola grawitacyjnego
które wiążą geometrię czasoprzestrzeni z rozkładem materii i energii w niej zawartej. To właśnie w tym punkcie nastąpił zwrot w ewolucji samej kosmologii. Ogólna teoria względności jakby otworzyła umysły uczonych na idee dynamicznego wszechświata, zważając na klimat intelektualny panujący wśród kosmologów przed Einsteinem, w którym nie dopuszczano koncepcji, iż wszechświat sam w sobie może być procesem. Jak na ironię, gdyż sam Einstein przez wprowadzenie w swoich równaniach członu zawierającego stałą kosmologiczną tkwił w swym przekonaniu, iż kosmos jest statyczny. Dopiero gdy matematycy (Aleksander Friedman, Georges Lemaitre) zajęli się równaniami OTW, a w szczególności ich rozwiązaniami w różnych wariantach stałej kosmologicznej, wyłaniający się z ich analizy rozszerzający się wszechświat zaczął być w ogóle brany pod uwagę. [Heller 1985, s. 55 – 57] Późniejsze obserwacje Edwina Hubble’a i wykazanie przez niego dynamiki ucieczki galaktyk przeważyło szalę i otworzyło nowy rozdział w dziejach badań kosmosu. Od tej pory kosmos rośnie jak balon i prawdopodobnie poprawny opis historii jego rozwoju zacząć należy od momentu wielkiego wybuchu.
Jeśli więc wszechświat narodził się w “eksplozji”, znaczy to, iż wcześniej cała materia i przestrzeń zawarte były w punkcie wielkości jądra atomu. Po tym gdy nastąpił “wybuch”, całość zaczęła się rozprzestrzeniać. Dokąd zmierza przestrzeń i czas? Co stanie się wobec powyższego z wszechświatem?
Tak zwany
Standardowy model ewolucji wszechświata
o którym mowa jest do tej pory zakłada trzy zasadnicze ścieżki jego rozwoju i kresu. Nie można powiedzieć z całą pewnością, że kosmos podąży do końca swego istnienia którąś z nich, ponieważ zbyt wiele jeszcze istnieje niewiadomych, a cała dzisiejsza kosmologia opiera się często na założeniach, co do których nie wszyscy uczeni są przekonani. Jednak, aby któryś scenariusz miał się zrealizować, muszą zaistnieć pewne okoliczności.
W zamkniętym wszechświecie galaktyki oddalają się od siebie do chwili gdy grawitacja całkiem zatrzyma tę ekspansję, po czym wszystko zaczyna się kurczyć pod jej wpływem z powrotem do pierwotnego punktu.
W modelu płaskim przyciąganie grawitacyjne równoważy ruch galaktyk. Wszechświat nie zapada się, ale prędkość ekspansji powoli osiąga zero.
W otwartym wszechświecie grawitacja nie jest w stanie wyhamować ekspandującej materii i rozszerzanie trwa wiecznie. [Hawking 1996, s. 57, 58]
W rozważaniach nad kosmicznym losem, które przed Einsteinem często dryfowały na granicy myśli filozoficznej, ważną rolę odgrywała
Termodynamika wszechświata
Trudno oddzielić także aktualną kosmologię od filozofii, bowiem dzisiejsze koncepcje tej pierwszej wynikają z obserwacji astronomicznych których uczeni sami nie są w stanie potwierdzić i uznać za fakt. Kosmologia niemal od swego początku szukała rozwiązań swych problemów w zagadnieniach związanych z nauką o cieple. Rudolf Clausius widział w zasadach termodynamiki sens następujący: w pierwszej – “Energia świata jest stała“, i w drugiej – “Entropia świata dąży do maksimum“. [Heller 2013, s. 23]
A czym właściwie jest entropia? Maksymalna entropia oznacza maksymalne rozproszenie energii – stan równowagi termodynamicznej. Entropia jest miarą nieuporządkowania układu i jedyną funkcją w fizyce która wyznacza kierunek upływu czasu ponieważ jej przyrost nigdy nie jest ujemny. Bałagan rośnie wraz z czasem płynącym “do przodu”. Potrząsając dostatecznie długo pudełkiem w którym umieszczono złożoną układankę (puzzle) powodujemy, że obrazek się burzy, a spadająca ze stołu porcelanowa filiżanka stłucze się na drobne kawałki nigdy nie powracając do pierwotnego kształtu; z kolei kanapka którą zjadamy z upływem czasu rozkłada się w nas na części pierwsze. Wszystkie te zdarzenia nie odwrócą się nigdy w czasie płynącym od przeszłości do przyszłości. Entropia to tak zwana termodynamiczna strzałka czasu.
Jeśli zatem – jak uważał Clausius – wszechświat jest układem izolowanym którego energia jest stała, to kierunek upływającego w nim czasu, od wielkiego wybuchu aż po jego kres, wyznacza termodynamiczna strzałka czasu oraz… rozszerzający się wszechświat. Ekspansja wszechświata (przynajmniej do tej chwili) stale pokazuje zwrot czasu, od przeszłości w wielkim wybuchu, w przyszłość, wraz z rozszerzaniem się przestrzeni kosmicznej i … właśnie czasu. To kolejna – kosmologiczna strzałka czasu.
Ale istnieje jeszcze trzecia, ostatnia już strzałka czasu, będąca w istocie strzałką termodynamiczną, lecz z pewnego punktu widzenia zasługująca na wyróżnienie – psychologiczna strzałka czasu. Aby zapamiętać bieg wydarzeń musimy zaprowadzić pewien porządek w pamięci i zmniejszyć lokalnie entropię w naszej głowie, ale też zużyć przy tym całkiem spore ilości energii pochodzące ze zjedzonej kanapki! Tak więc, w całkowitym bilansie entropia wzrasta. Dlatego pamiętamy przeszłość, ponieważ kierunek czasu w jakim kodujemy wspomnienia jest ten sam co kierunek wzrostu nieporządku.
Podsumowując całą treść można zadać pytanie: co stało by się
W zamkniętym wszechświecie
gdyby zaczął się on kurczyć? Czy ludzie, którzy mieli by to szczęście żyć w tak (dosłownie?) “przełomowych czasach”, mieli by okazję obserwować efekty znane im dotychczas jedynie z literatury science – fiction? Czy termodynamiczna strzałka czasu odwróciła by się wraz z kosmologiczną? Jeśli tak, dzieci bawiące się puzzlami doświadczały by rzeczy sprzecznych z ich intuicją, gdyż w potrząsanym pudełku obrazek sam by się układał. One same czuły by się dość dziwnie, a nawet tragicznie, wskutek odwrócenia pewnych procesów życiowych w ich ciałach, kończąc ze śniadaniem zwróconym w całości. Trudno mówić w takiej sytuacji o ludzkiej psychice, ale ludzie obserwujący stłuczone filiżanki, które samoistnie składają się w całość wracając z powrotem na stół, mogli by poczuć się inaczej. Natomiast czytelnicy miesięcznika “Nieznany Świat” byli by co najmniej zawiedzeni skutkami odwróconej pamięci, ponieważ wiedzieli by, co będzie w numerach “z przeszłości”. Cywilizacje najpierw przeżywały by swój kres, później zaś rozkwit. Wszystko jakby się cofało i po miliardach lat wszechświat zapadł by się w osobliwości początkowej. Niczym “prochem jesteś i w proch się obrócisz”. [Hawking 1996, s. 184 – 195]
Jednak najnowsze obserwacje, choć (tak jak wspomniane było wcześniej) nie potwierdzone do końca, sugerują, iż ekspansja wszechświata nie zwalnia, ale przyśpiesza. Może to oznaczać, że zrealizuje się scenariusz
W płaskim wszechświecie
i czasoprzestrzeń będzie rosła powoli zwalniając do zera. Ponownie przytaczając rozważania termodynamiczne wielkich myślicieli dochodzimy do aspektu śmierci cieplnej wszechświata. Taką koncepcję końca wprowadził Hermann von Helmholtz. Podobnie jak Clausius, uważał on, że kosmos jest izolowany (Clausiusa “Energia świata jest stała”) oraz, że dąży do równowagi termodynamicznej (Clausiusa “Entropia świata dąży do maksimum”), wobec czego – jak twierdził – “wszystkie naturalne procesy muszą ustać”. [Heller 2013, s. 23, 24]
“…Muszą ustać”, gdyż w nieograniczonej z naszego punktu widzenia przestrzeni kosmicznej cała energia rozproszyła by się, skutkiem czego byłby pusty i ciemny wszechświat. Biorąc pod uwagę nawet termodynamikę relatywistyczną, gdzie równowaga nie zależy tylko od temperatur, ale też od potencjałów grawitacyjnych, dostajemy stan, w którym entropia ciągle rośnie nie osiągając nigdy maksimum. [Heller 1985, s. 111, 112] Gdyby zatem ziemia przetrwała i został by na niej ostatni człowiek, musiał by on przeżyć pozbawiony wszelkiej energii w temperaturze prawie -273 stopni Celsjusza. Było by tak, ponieważ słońce, ale też większość gwiazd zakończyło by swe życie spalając całe paliwo. Podobny los podzieliła by też reszta galaktyk w kosmosie. Ów człowiek patrząc w górę widział by absolutnie bezgwiezdne niebo, kompletnie ciemne i puste, po czym powoli uleciał by w przestrzeń, atom po atomie, w zgodzie z drugą zasadą termodynamiki.
Przyśpieszenie ekspansji, jeśli okaże się dostateczne, może też doprowadzić do kresu
W otwartym wszechświecie
czego skutkiem było by wielkie rozdarcie – spontanicznie ekspandująca czasoprzestrzeń, w której cała kosmiczna materia uległa by rozerwaniu. W kosmologicznej skali czasu, w ostatniej chwili wszystko rozszerzyło by się tak nagle, że nawet przestrzeń wewnątrz atomów zwiększyła by swoje rozmiary. W następstwie tego oddziaływania wiążące cząstki elementarne przestały by działać i atomy z nich utworzone rozpadły by się. Porcelanowa filiżanka, nim by się stłukła, rozsypała by się w pył i znikła. Gwiazdy i planety rozleciały by się na cząstki elementarne, a ostatniego człowieka szybko ogarnęła by ciemność w której obrócił by się w elementarny proch.
Widać najwyraźniej, że czas wielkiego chaosu staje się nieunikniony, niezależnie od scenariusza który się sprawdzi. A więc, nie możemy przeżyć okresu maksymalnej entropii, jako, że każda żywa istota trwa utrzymując ją w niskich wartościach. [Heller, Życiński 1986, s. 252] Nie wykluczone jest, iż wszechświat zamknięty jest cyklem powtarzalnym – rodzi się w wielkim wybuchu, rozszerza i kurczy z powrotem, by zapaść się pod własną grawitacją i narodzić ponownie. Wszystko w przyrodzie – także i My – rodzi się, rozwija, następnie ginie i rodzi na nowo…
Zasada antropiczna zakłada, iż życie może zaistnieć tylko wówczas, gdy istnieje termodynamiczna strzałka czasu. Tak się składa, że w tym czasie wszechświat się powiększa. Kiedy osiągnie krytyczne rozmiary, entropia będzie w maksimum i termodynamiczna strzałka czasu “zniknie” wraz z warunkami sprzyjającymi życiu. Więc zanim wszechświat osiągnie swój kres, ludzi raczej już nie będzie. Ludzie mogą istnieć tylko wtedy, gdy kosmos umiarkowanie się rozszerza i tylko wtedy mogą zadać pytanie o koniec wszechświata.
Marcin Gibas
Tekst ukazał się w miesięczniku Nieznany Świat, nr 11/2021
Literatura:
- Stephen Hawking, „Krótka Historia Czasu”, wydanie poszerzone i uaktualnione, Zysk i S – Ka Wydawnictwo, Poznań 1996.
- Michał Heller, „Filozofia Kosmologii”, Copernicus Center Press, Kraków 2013.
- Michał Heller, „Ewolucja kosmosu i Kosmologii”, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1985.
- Michał Heller, Józef Życiński, „Wszechświat i Filozofia”, Polskie Towarzystwo Teologiczne, Kraków 1986.
- Albert Einstein, „Istota Teorii Względności”, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1958.