Największe zagadki fizyki [cz. 2]

Pod koniec lat 60. Charles Misner spojrzał w nocne niebo i stwierdził, że coś tu się nie zgadza. Wszechświat ma wszędzie taką samą temperaturę. Wynosi ona 2,728 stopni kelwina z wariacją +/- 0,004. Dlaczego zapanowała taka homogeniczność, skoro energia nie może podróżować szybciej niż światło? Zapraszam na drugą część największych zagadek fizyki.

Problem horyzontu

Misner zwrócił uwagę na to, że pewne regiony wszechświata nie "skontaktowały" się ze sobą (światło nie dotarło z jednego zakątka kosmosu do drugiego), więc energia nie mogła przepłynąć z jednego obszaru do drugiego. Mimo to wszędzie panuje taka sama temperatura i rządzą te same prawa fizyczne.

Zakładając klasyczny transfer energii z Wielkiego Wybuchu, powinniśmy wyróżnić cieplejsze obszary wszechświata oraz zimniejsze, czyli najprawdopodobniej graniczne. Tak jednak nie jest. Wszechświat wydaje się tworem, który powstał nie stopniowo, ale pojawił się nagle i od samego początku był porażająco wielki (czy mogło się tak zdarzyć, wspomnę na końcu wpisu).

Gdy obserwujemy galaktykę oddaloną od nas o 10 miliardów lat świetlnych, to widzimy ją taką, jaka była 10 miliardów lat temu. Tyle czasu potrzebuje światło, by dotrzeć do ziemskiego obserwatora. Wyobraźmy sobie teraz, że spoglądamy najpierw w jednym kierunku i widzimy taką galaktykę. Obracamy się następnie o 180 stopni i spoglądamy w drugi koniec otchłani kosmosu i także widzimy podobną galaktykę, również oddaloną o 10 miliardów lat świetlnych. Dystans między tymi galaktykami wynosi więc 20 miliardów lat świetlnych. Odległości te robią wrażenie, ale nie powinny szokować, gdyż średnica wszechświata obserwowalnego wynosi 92 miliardy lat świetlnych.

Biorąc pod uwagę to, że wszechświat ma 13,7 miliarda lat, jest oczywiste, że galaktyki nie wiedzą o sobie; leżą poza swoimi horyzontami cząsteczek (ani materia, ani energia nie mogły dotrzeć z jednej galaktyki do drugiej). Mimo to wspomniana wcześniej temperatura jest wszędzie taka sama, jakby energia w jakiś sposób rozprzestrzeniła się po wszechświecie, łamiąc podstawowe prawa fizyki (np. podróżując szybciej niż światło).

Zgodnie z klasycznymi prawami fizyki żadna informacja nie może przemieszczać się szybciej niż światło. Innymi słowy, nie jest możliwa fizyczna interakcja pewnych obszarów kosmosu ani transfer energii do stanu pełnej homogeniczności. A jednak tak się stało.

Temperatura, o której mówimy, dotyczy mikrofalowego promieniowania tła. Jego progresywną wizualizację możecie obejrzeć na ilustracji poniżej. Jest to teoretyczna pozostałość po równie teoretycznym Wielkim Wybuchu. Załóżmy na chwilę, że taki wybuch miał miejsce. Bum! Świat rozszerza się! 300 000 lat po narodzinach gęstość wszechświata spada. Fotony przestają zatrzymywać się na materii, uwalniają się z plazmy i rozbłyskują w kierunku nieznanego. Biorąc pod uwagę tempo rozszerzania się wszechświata i szybkość światła, rozbłysk ten nie mógł nadążyć za pędzącym wszechświatem i wypełnić go energią. Mimo to promieniowanie reliktowe ma wszędzie 2,728 stopni kelwina.

Opisywana w poprzedniej części kosmologiczna inflacja pomaga wyjaśnić ten fenomen. Podczas tej szalonej ekspansji świat, choć wciąż niewielki, był homogeniczny (znajdował się w obszarze połączonym więzami przyczynowo-skutkowymi). Gdy inflacja wyhamowała, rozpoczął się etap powolnego rozszerzania, który obserwujemy do dzisiaj, ale dotyczy on świata już uporządkowanego.

Niestety, z teorią kosmologicznej inflacji są spore problemy. Ma ona tyle samo wrogów co zwolenników, a luk i niejasności pojawia się coraz więcej. Wspominany przeze mnie Roger Penrose przyjrzał się obrazowi promieniowania reliktowego z WMAP (rys. powyżej) i stwierdził, że wcale nie było żadnego pojedynczego Wielkiego Wybuchu ani inflacji kosmologicznej, a wszechświat najprawdopodobniej kurczył się i wybuchał nieskończoną liczbę razy, niczym pulsujący organizm. Wskazują na to dziwne koncentryczne okręgi, w jakie układa się promieniowanie reliktowe w niektórych miejscach. Takie struktury nie są możliwe w przypadku kosmologicznej inflacji.

Problem pozostaje nierozwiązany. Mimo dużej elastyczności (wciąż operujemy na teoriach) nie ma sposobu na wyjaśnienie tych magicznych 2,728 stopni kelwina. A czy nie jest tak, że źle interpretujemy wyniki...?