Jak Wielki Wybuch mógł powstać z niczego?

Alastair Wilson

Jak Wielki Wybuch mógł powstać z niczego?

Wpis jest tłumaczeniem artykułu “How could the Big Bang arise from nothing?”, autor: Alastair Wilson; The Conversation, 03-01-2022; na licencji Creative Commons, tłumaczenie Arkadiusz Polak, zdjęcie: NASA.

PYTANIE CZYTELNIKA: Moje rozumienie jest takie, że nic nie pochodzi z nicości. Aby coś mogło istnieć, musi być dostępny materiał lub składnik, a aby one były dostępne, musi być dostępne coś innego. Teraz moje pytanie: skąd pochodzi materiał, który spowodował powstanie Wielkiego Wybuchu i co się stało najpierw, aby ten materiał mógł powstać? Peter, 80 lat, Australia.
Ostatnia gwiazda będzie powoli stygnąć i gasnąć. Wraz z jej odejściem wszechświat stanie się po raz kolejny pustką, bez światła, życia i sensu.

Tak ostrzegał fizyk Brian Cox w niedawnym serialu BBC “Universe“. Zgaśnięcie tej ostatniej gwiazdy będzie tylko początkiem nieskończenie długiej, mrocznej epoki. Cała materia zostanie w końcu pochłonięta przez monstrualne czarne dziury, które z kolei wyparują w najsłabszych promieniach światła. Przestrzeń będzie się rozszerzać coraz bardziej, aż nawet to słabe światło stanie się zbyt rozproszone, by móc oddziaływać. Aktywność ustanie.

Czy tak się stanie? O dziwo, niektórzy kosmolodzy uważają, że poprzedni, zimny, ciemny, pusty wszechświat, taki jak ten, który czeka nas w dalekiej przyszłości, mógł być źródłem właśnie naszego Wielkiego Wybuchu.

Pierwsza materia

Zanim jednak do tego przejdziemy, przyjrzyjmy się, jak “materiał” – materia fizyczna – pojawił się po raz pierwszy. Jeśli chcemy wyjaśnić pochodzenie stabilnej materii składającej się z atomów lub cząsteczek, to z pewnością nie było jej w czasie Wielkiego Wybuchu – ani przez setki tysięcy lat po nim. W rzeczywistości mamy dość szczegółowe zrozumienie tego, jak pierwsze atomy uformowały się z prostszych cząsteczek, gdy warunki ochłodziły się na tyle, by złożona materia była stabilna i jak te atomy zostały później stopione w cięższe pierwiastki w gwiazdach. Ale to zrozumienie nie odpowiada na pytanie, czy coś powstało z niczego.

Przemyślmy to, sięgając dalej do przeszłości. Pierwszymi długo żyjącymi cząstkami materii były protony i neutrony, które razem tworzą jądro atomowe. Powstały one około jednej dziesięciotysięcznej sekundy po Wielkim Wybuchu. Przed tym momentem nie istniała tak naprawdę żadna materia w znanym nam znaczeniu tego słowa. Fizyka pozwala nam jednak prześledzić linię czasu wstecz – do procesów fizycznych, które poprzedzają powstanie jakiejkolwiek stabilnej materii.

To prowadzi nas do tak zwanej “ery wielkiej unifikacji“. Tutaj wchodzimy już w sferę fizyki spekulatywnej, ponieważ nie możemy wytworzyć w naszych eksperymentach wystarczającej ilości energii, aby zbadać procesy, które zachodziły w tamtym czasie. Jednak wiarygodna hipoteza mówi, że świat fizyczny składał się z zupy krótkotrwałych cząstek elementarnych – w tym kwarków, budulca protonów i neutronów. Istniała zarówno materia, jak i “antymateria” w mniej więcej równych ilościach: każdy rodzaj cząstki materii, taki jak kwark, ma swojego antymateryjnego “lustrzanego” towarzysza, który jest niemal identyczny z nim samym, różniąc się tylko jednym aspektem. Jednakże materia i antymateria anihilują w błysku energii, gdy się spotkają, co oznacza, że cząstki te były stale tworzone i niszczone.

Ale jak te cząstki w ogóle zaistniały? Kwantowa teoria pola mówi nam, że nawet próżnia, rzekomo odpowiadająca pustej czasoprzestrzeni, jest pełna aktywności fizycznej w postaci fluktuacji energii. Fluktuacje te mogą powodować wyskakiwanie cząstek, tylko po to, by wkrótce potem zniknąć. Może to brzmieć raczej jak matematyczne dziwactwo niż prawdziwa fizyka, ale takie cząstki zostały zauważone w niezliczonych eksperymentach.

Próżnia czasoprzestrzenna jest pełna cząstek, które są nieustannie tworzone i niszczone, pozornie “z niczego”. Ale być może wszystko to mówi nam, że próżnia kwantowa jest (pomimo swojej nazwy) raczej czymś niż niczym. Filozof David Albert w pamiętny sposób skrytykował opisy Wielkiego Wybuchu, które obiecują uzyskanie czegoś z niczego właśnie w ten sposób.

Symulacja fluktuacji próżni kwantowej w chromodynamice kwantowej.
Ahmed Neutron, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Przypuśćmy, że zapytamy: skąd wzięła się sama czasoprzestrzeń? Wtedy możemy cofnąć zegar jeszcze dalej, do prawdziwie starożytnej “epoki Plancka” – okresu tak wczesnego w historii wszechświata, że nasze najlepsze teorie fizyki załamują się. Epoka ta miała miejsce zaledwie jedną dziesięciomilionową bilionową część bilionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu. W tym momencie przestrzeń i czas same zaczęły podlegać fluktuacjom kwantowym. Fizycy zwykle pracują osobno nad mechaniką kwantową, która rządzi mikroświatem cząstek i nad ogólną teorią względności, która obowiązuje w dużych, kosmicznych skalach. Jednak aby naprawdę zrozumieć epokę Plancka, potrzebujemy kompletnej teorii kwantowej grawitacji, łączącej obie te nauki.

Nadal nie mamy idealnej teorii kwantowej grawitacji, ale są próby – jak teoria strun i pętlowa grawitacja kwantowa. W tych próbach zwykła przestrzeń i czas są zwykle postrzegane jako emergentne, jak fale na powierzchni głębokiego oceanu. To, czego doświadczamy jako przestrzeń i czas, jest produktem procesów kwantowych działających na głębszym, mikroskopowym poziomie – procesów, które nie mają większego sensu dla nas, jako istot zakorzenionych w makroskopowym świecie.

W epoce Plancka załamuje się nasze zwykłe rozumienie przestrzeni i czasu, więc nie możemy już dłużej polegać na naszym zwykłym rozumieniu przyczyny i skutku. Mimo to wszystkie proponowane teorie kwantowej grawitacji opisują coś fizycznego, co działo się w epoce Plancka – jakiś kwantowy prekursor zwykłej przestrzeni i czasu. Ale skąd on się wziął?

Nawet jeśli przyczynowość nie ma już zastosowania w żaden zwykły sposób, to wciąż może być możliwe wyjaśnienie jednego składnika wszechświata z epoki Plancka w kategoriach innego. Niestety, do tej pory nawet nasza najlepsza fizyka nie jest w stanie dostarczyć odpowiedzi. Dopóki nie dokonamy dalszego postępu w kierunku “teorii wszystkiego”, nie będziemy w stanie udzielić żadnej ostatecznej odpowiedzi. Na tym etapie możemy co najwyżej powiedzieć z całą pewnością, że fizyka nie znalazła jak dotąd żadnych potwierdzonych przypadków powstawania czegoś z niczego.

Cykle z prawie niczego

Aby naprawdę odpowiedzieć na pytanie, jak coś może powstać z niczego, musielibyśmy wyjaśnić kwantowy stan całego wszechświata na początku epoki Plancka. Wszystkie próby dokonania tego pozostają wysoce spekulatywne. Niektóre z nich odwołują się do sił nadprzyrodzonych, takich jak stwórca. Ale inne proponowane wyjaśnienia pozostają w sferze fizyki – takie jak multiwersum, które zawiera nieskończoną liczbę równoległych wszechświatów, lub cykliczne modele wszechświata, który rodzi się i odradza ponownie.

Nagrodzony w 2020 roku Nagrodą Nobla fizyk Roger Penrose zaproponował jeden intrygujący, ale kontrowersyjny model cyklicznego wszechświata nazwany “konforemną kosmologią cykliczną”. Penrose zainspirował się ciekawym matematycznym związkiem pomiędzy bardzo gorącym, gęstym, małym stanem wszechświata – takim, jaki był w momencie Wielkiego Wybuchu – a niezwykle zimnym, pustym, rozszerzonym stanem wszechświata – takim, jaki będzie w dalekiej przyszłości. Jego radykalna teoria wyjaśniająca tę zgodność polega na tym, że stany te stają się matematycznie identyczne, gdy zostaną doprowadzone do swoich granic. Choć może się to wydawać paradoksalne, całkowity brak materii mógł dać początek całej materii, którą widzimy wokół nas w naszym wszechświecie.

W tym ujęciu Wielki Wybuch powstał z prawie niczego. Jest to coś, co pozostało po tym, jak cała materia we wszechświecie została pochłonięta przez czarne dziury, aby następnie ulotnić się z nich jako fotony – zagubione w pustce. Cały wszechświat powstaje więc z czegoś, co – patrząc z innej perspektywy fizycznej – jest tak bliskie zeru, jak to tylko możliwe. Ale to nic jest wciąż jakimś rodzajem czegoś. To wciąż fizyczny wszechświat, jakkolwiek pusty.

Jak ten sam stan może być z jednej perspektywy zimnym, pustym wszechświatem, a z drugiej gorącym, gęstym wszechświatem? Odpowiedź leży w skomplikowanej procedurze matematycznej zwanej “skalowaniem konforemnym”, przekształceniu geometrycznym, które w efekcie zmienia rozmiar obiektu, ale pozostawia jego kształt bez zmian.

Penrose pokazał, jak zimny pusty stan i gorący gęsty stan mogą być powiązane przez takie przeskalowanie, tak że pasują do siebie pod względem kształtów swoich czasoprzestrzeni – choć nie pod względem rozmiarów. Trudno jest, co prawda, pojąć, jak dwa obiekty mogą być w ten sposób identyczne, gdy mają różne rozmiary, ale Penrose argumentuje, że rozmiar jako pojęcie przestaje mieć sens w tak ekstremalnych środowiskach fizycznych.

W konforemnej kosmologii cyklicznej kierunek wyjaśnienia idzie od starego i zimnego do młodego i gorącego: gorący gęsty stan istnieje z powodu zimnego pustego stanu. Ale ten “powód” nie jest znany – przyczyna, za którą w czasie podąża jej skutek. Nie tylko wielkość przestaje być istotna w tych ekstremalnych stanach: czas również. Zimny pusty stan i gorący gęsty stan znajdują się w efekcie na różnych liniach czasowych. Zimny pusty stan trwałby wiecznie z perspektywy obserwatora w jego własnej geometrii czasowej, ale gorący gęsty stan, który powstaje, efektywnie zamieszkuje nową, własną linię czasową.

Może pomóc zrozumienie gorącego stanu gęstego jako wytworzonego z zimnego stanu pustego w jakiś nieprzyczynowy sposób. Być może powinniśmy powiedzieć, że gorący stan gęsty wyłania się z, lub jest ugruntowany w, lub realizowany przez zimny, pusty stan. Są to wyraźnie metafizyczne idee, które były szeroko badane przez filozofów nauki, szczególnie w kontekście kwantowej grawitacji, gdzie zwykła przyczyna i skutek wydają się załamywać. Na granicy naszej wiedzy fizyka i filozofia stają się trudne do rozdzielenia.

Eksperymentalny dowód?

Konforemna kosmologia cykliczna oferuje pewne szczegółowe, choć spekulatywne, odpowiedzi na pytanie, skąd wziął się nasz Wielki Wybuch. Ale nawet jeśli wizja Penrose’a zostanie potwierdzona przez przyszłe postępy kosmologii, możemy sądzić, że nadal nie odpowiemy na głębsze filozoficzne pytanie – pytanie o to, skąd wzięła się sama fizyczna rzeczywistość. Jak doszło do powstania całego systemu cykli? Wtedy w końcu trafiamy na czyste pytanie, dlaczego istnieje raczej coś niż nic – jedno z największych pytań metafizyki.

Skupimy się jednak na wyjaśnieniach, które pozostają w sferze fizyki. Istnieją trzy szerokie możliwości odpowiedzi na głębsze pytanie o to, jak zaczęły się cykle. Może to nie mieć żadnego fizycznego wyjaśnienia. Albo mogą istnieć nieskończenie powtarzające się cykle, z których każdy jest osobnym wszechświatem, a początkowy stan kwantowy każdego z nich jest uzasadniony jakąś cechą poprzedniego wszechświata. Albo może być jeden cykl i jeden powtarzający się wszechświat, z początkiem tego cyklu uzasadnionym przez jakąś cechę jego końca. Te dwa ostatnie podejścia nie wymagają żadnych spontanicznych zdarzeń i to nadaje im szczególny urok. Nic nie pozostałoby niewyjaśnione przez fizykę.

Trwające cykle odrębnych wszechświatów w konformalnej kosmologii cyklicznej.
Rysunek: Roger Penrose, Researchgate, CC BY 2.0

Penrose przewiduje sekwencję niekończących się nowych cykli z powodów częściowo związanych z jego własną preferowaną interpretacją teorii kwantowej. W mechanice kwantowej system fizyczny istnieje w superpozycji wielu różnych stanów w tym samym czasie i tylko “wybiera” jeden z nich losowo, kiedy go mierzymy. Dla Penrose’a każdy cykl wiąże się z losowymi zdarzeniami kwantowymi, które przebiegają w inny sposób – co oznacza, że każdy cykl będzie się różnił od poprzednich i następnych. Jest to dobra wiadomość dla fizyków doświadczalnych, ponieważ może pozwolić nam zajrzeć do starego wszechświata, który dał początek naszemu, poprzez słabe ślady lub anomalie w promieniowaniu pozostałym po Wielkim Wybuchu, widzianym przez satelitę Plancka.

Penrose i jego współpracownicy uważają, że mogli już dostrzec te ślady, przypisując wzory w danych z programu Plancka promieniowaniu z supermasywnych czarnych dziur w poprzednim wszechświecie. Jednak ich twierdzenia zostały zakwestionowane przez innych fizyków i ława przysięgłych nadal tego nie rozstrzygnęła.

Mapa kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. ESA/Planck Collaboration

Nieskończenie nowe cykle są kluczem do wizji samego Penrose’a. Istnieje jednak naturalny sposób na przekształcenie konforemnej cyklicznej kosmologii z formy wielocyklowej na jednocyklową. Wtedy rzeczywistość fizyczna składa się z pojedynczego cyklu poprzez Wielki Wybuch do maksymalnie pustego stanu w dalekiej przyszłości – a następnie ponownie do tego samego Wielkiego Wybuchu, dając początek temu samemu wszechświatowi od nowa.

Ta ostatnia możliwość jest zgodna z inną interpretacją mechaniki kwantowej, zwaną interpretacją wielu światów. Interpretacja wielu światów mówi nam, że za każdym razem, gdy mierzymy układ będący w superpozycji, pomiar ten nie wybiera losowo stanu. Zamiast tego, wynik pomiaru, który widzimy, jest tylko jedną z możliwości – tą, która rozgrywa się w naszym własnym wszechświecie. Wszystkie inne wyniki pomiarów rozgrywają się w innych wszechświatach w multiwersum, efektywnie odciętych od naszego. Tak więc bez względu na to, jak mała jest szansa na wystąpienie czegoś, jeśli ma to niezerową szansę, to występuje w jakimś kwantowym świecie równoległym. W innych światach są ludzie tacy jak ty, którzy wygrali na loterii, zostali porwani w chmury przez szalony tajfun, spontanicznie się zapalili lub zrobili wszystkie trzy rzeczy jednocześnie.

Niektórzy uważają, że takie równoległe wszechświaty mogą być również obserwowalne w danych kosmologicznych, jako odciski spowodowane przez inny wszechświat zderzający się z naszym.

Teoria kwantowa wielu światów daje nowy zwrot w konforemnej kosmologii cyklicznej, choć nie taki, z którym zgadza się Penrose. Nasz Wielki Wybuch może być odrodzeniem pojedynczego kwantowego multiwersum, zawierającego nieskończenie wiele różnych wszechświatów, które występują razem. Wszystko, co możliwe, wydarza się – a następnie powtarza się, i powtarza, i powtarza.

Starożytny mit

Dla filozofa nauki wizja Penrose’a jest fascynująca. Otwiera ona nowe możliwości wyjaśnienia Wielkiego Wybuchu, wynosząc nasze wyjaśnienia poza zwykłą przyczynę i skutek. Jest więc świetnym testem do badania różnych sposobów, w jakie fizyka może wyjaśnić nasz świat. Zasługuje na więcej uwagi ze strony filozofów.

Uroboros na grobowcu Tutanchamona. fot.: Djehouty, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Dla miłośnika mitu wizja Penrose’a jest piękna. W preferowanej przez Penrose’a formie wielocyklowej, obiecuje ona nieskończenie wiele nowych światów zrodzonych z popiołów ich przodków. W formie jednocyklowej jest to uderzające, nowoczesne przywołanie starożytnej idei Uroborosa, czyli węża świata. W mitologii norweskiej wąż Jörmungandr jest dzieckiem Lokiego, sprytnego kanciarza i olbrzyma Angrboda. Jörmungandr zjada swój własny ogon, a powstały krąg podtrzymuje równowagę świata. Ale mit Uroborosa został udokumentowany na całym świecie – włączając w to tak odległe czasy jak starożytny Egipt.

Uroboros jedynego cyklicznego wszechświata jest rzeczywiście majestatyczny. Zawiera w sobie nasz własny wszechświat, jak również każdy z dziwacznych i wspaniałych alternatywnych możliwych wszechświatów dopuszczonych przez fizykę kwantową – w miejscu, gdzie jego głowa spotyka się z ogonem, jest całkowicie pusty, a jednocześnie tryskający energią o temperaturze stu tysięcy milionów miliardów bilionów stopni Celsjusza. Nawet Loki, zmiennokształtny, byłby pod wrażeniem.

The Conversation

Alastair Wilson – Profesor filozofii, Uniwersytet w Birmingham

Alastair Wilson jest filozofem na Uniwersytecie w Birmingham, zajmuje się metafizyką, epistemologią, filozofią nauki i filozofią fizyki. Jego praca doktorska dotyczyła metafizyki Everettowskiej (wielo-światowej) mechaniki kwantowej, a zwieńczeniem tej linii myślenia jest jego książka “The Nature of Contingency: Quantum Physics as Modal Realism” (OUP, 2020). Ostatnio pracował nad wyjaśnianiem i zależnością w fizyce i metafizyce w ramach finansowanego przez ERC projektu FraMEPhys, dotyczącego metafizycznego wyjaśniania w fizyce. Pracował również nad prawami natury, przypadkiem, własnościami, przyczynowością, kontrfaktycznością oraz epistemologią niezgody i samolokalizacji przekonań. Był przewodniczącym Society for the Metaphysics of Science w latach 2017-18 i honorowym sekretarzem British Society for the Philosophy of Science w latach 2018-19. Pozostaje w komitetach SMS i BSPS, a także jest członkiem grupy zadaniowej ds. klimatu w Philosophy of Science Association oraz Trustee w Philosophy of Physics Association. Jest redaktorem PhilPapers dla kategorii “Interpretacja mechaniki kwantowej” i “Teorie modalności”, a także redaktorem zarządzającym czasopisma open-access “Ergo”.

Ten artykuł jest częścią Life’s Big Questions.

Nowa seria The Conversation, wydawana wspólnie z BBC Future, stara się odpowiedzieć na nurtujące naszych czytelników pytania dotyczące życia, miłości, śmierci i wszechświata. Współpracujemy z profesjonalnymi naukowcami, którzy poświęcili swoje życie na odkrywanie nowych perspektyw w kwestiach, które kształtują nasze życie.

Aby uzyskać wszystkie ważne życiowe odpowiedzi, dołącz do setek tysięcy ludzi, którzy cenią sobie wiadomości oparte na dowodach, zapisując się do naszego newslettera. Możesz wysłać nam swoje ważne pytania pocztą elektroniczną na adres bigquestions@theconversation.com, a my postaramy się zaangażować w sprawę jakiegoś badacza lub eksperta.

Type at least 1 character to search
Słuchaj
Obserwuj
Twitter:

Aurélie Bröckerhoff @AMBrockerhoff i Mahmoud Soliman opowiadają o Masafer Yatta - ostatnim takim miejscu, okupowanym przez #Izrael, gdzie jaskinie są wykorzystywane jako domy przez palestyńską społeczność, która nie może żyć w pokoju.

https://naukowo.net/2022/11/14/palestynskie-terytorium-ktore-izrael-zamienil-w-strefe-ostrzalu-poznajcie-zamieszkujacych-jaskinie-mieszkancow-masafer-yatta/

#nauka #Palestyna

Czy szczury tańczą do rytmu muzyki?
Jak rośnie szczęście po otrzymaniu 10 000$?
Gdzie patrzą się ryby podczas pływania?
Czy nowa terapia pozwoli chodzić po paraliżu?

Zapraszam na 68. odcinek @PodkastNaukowo !

#nauka #naukowo #podkast

https://youtu.be/0VH3_fdgpXk

Obecność wody to spory problem dla chcącego powstać życia, które potrzebuje suchego miejsca, aby zaistnieć.
Czy rozwiązaniem tego problemu może być #woda?
@NicolasMorato pokazuje jak mikrokrople mogły przyczynić się do powstania życia na Ziemi.

https://naukowo.net/2022/11/10/woda-byla-zarowno-niezbedna-jak-i-stanowila-bariere-dla-wczesnego-zycia-na-ziemi-mikrokropelki-sa-jednym-z-potencjalnych-rozwiazan-tego-paradoksu/
#nauka