Siła nieczysta

Siła nieczysta

Nobla z fizyki przyznano za odkrycie czegoś, o czym nikt nie wie, co to jest

Ciemna energia nie jest kosmicznym fenomenem odległym o miliardy lat świetlnych od nas. Jest wszędzie, nawet w pokoju, w którym czytacie Państwo ten tekst. Sprawia, że odsuwają się od siebie ściany i oddala od Państwa numer „Przeglądu”, który trzymacie w rękach. Nieważne, jak wielka siła was pcha, aby go przeczytać.
Na powiększenie metrażu przyjdzie jednak Państwu poczekać. Ciemna energia jest siłą kosmiczną, co znaczy, że w mikroskali jej efekty są znikome, ale trzeba się z nią liczyć, jeśli wziąć pod uwagę cały wszechświat.
Saula Perlmuttera, Briana Schmidta i Adama Reissa nagrodzono za wykazanie po raz pierwszy, że ekspansja kosmosu przyspiesza. Dokonali tego w swoich zespołach badawczych, niezależnie od siebie. Perlmutter rozpoczął swój Supernova Cosmology Project w 1988 r., Schmidt i Reiss przystąpili do wyścigu w ramach High-z Supernova Search Team sześć lat później i to oni jako pierwsi ogłosili wyniki. Perlmutter za to pobił ich, jeśli chodzi o publikację artykułu w czasopiśmie naukowym. Komitet Noblowski wydał więc salomonowy wyrok i przyznał nagrodę wszystkim trzem, ponieważ ich badania uzupełniają się i potwierdzają.

Kosmiczna doskonałość
Od czasów starożytnych ludzie z naszego kręgu cywilizacyjnego uważali, że kosmos jest niezmienny. Po raz pierwszy dobitnie stwierdził to grecki filozof Parmenides. Dla niego byt – to, co istnieje – był doskonały. A skoro tak, musiał też być niezmienny, nie godzi się bowiem, aby coś, co jeszcze się zmienia, uznać za doskonałe. Perfekcyjne może być tylko ukończone dzieło.
Po nim założenia te przejęli późniejsi filozofowie greccy. Atomy Demokryta były niezniszczalne, a więc niezmienne. Platońskie idee tak samo. Arystoteles uznał ciała niebieskie za zbudowane z piątej esencji, materii widzialnej, ale niezniszczalnej – w przeciwieństwie do rzeczy ulepionych z pozostałych czterech pierwiastków: wody, ziemi, ognia i powietrza. Planety i gwiazdy zawieszone daleko ponad naszymi głowami w świecie ponadksiężycowym krążyły po idealnie kulistych orbitach – jedynym kształcie godnym kosmicznej doskonałości.
Utwierdzone powagą Arystotelesa twierdzenia zostały przez kolejne wieki przyjęte bez sprzeciwu. Idea wszechświata niezmiennego była tak silna, że przetrwała do XX w. Prawdopodobnie było to spowodowane tym, że aż do poprzedniego stulecia nie doszło do astronomicznych odkryć, które mogłyby wstrząsnąć tym obrazem kosmosu. Przewrót kopernikański, choć wywrócił ideę geocentryzmu, niezmienności wszechświata nie ruszał.
Podskórne przekonanie, że z wszechświatem nic się nie dzieje, podzielał również Albert Einstein. Kiedy opublikował ogólną teorię względności, zorientował się, że można ją stosować do opisu zjawisk również w skali kosmologicznej – tzn. do opisu całego wszechświata. Zabrał się więc do pracy, lecz ku jego zdumieniu z równań wychodziło, że wszechświat nie jest tak stabilny, jak podejrzewał – może zacząć się kurczyć albo rozszerzać.
Aby zwalczyć to nieporozumienie, jak mu się wydawało, wprowadził do równań element, który nazwał stałą kosmologiczną. Miała ona zapewniać stabilność wszechświata, ale inni fizycy rychło wykazali, że nawet owa tajemnicza wartość nie zabezpiecza kosmosu przed dynamiką. Einstein stałą wyrzucił, nazywając ją największą pomyłką swojego życia. Dziś za jego największą pomyłkę uznajemy to, że za największą pomyłkę uznał swoją stałą.
Wtedy na scenie pojawił się Edwin Hubble z przełomowym odkryciem – że galaktyki od nas uciekają. Inne galaktyki były świeżym odkryciem, które również zawdzięczamy Hubble’owi. Nagle okazało się, że nie tylko nie jesteśmy mieszkańcami jedynej galaktyki we wszechświecie, ale w dodatku nasi sąsiedzi uciekają od nas. Z naszego punktu widzenia kosmos raptem się rozszerzył.

Czerwone światło
Hubble’owskie odkrycie stało się podstawą powszechnie uznawanej dzisiaj teorii tłumaczącej ewolucję wszechświata. Chodzi oczywiście o Wielki Wybuch, czyli teorię, zgodnie z którą wszechświat zaczął się 14 mld lat temu w bardzo małym punkcie i od tej pory się rozszerza.
Pozostało tylko jedno, początkowo nieśmiałe, w miarę upływu czasu fundamentalne dla kosmologii pytanie: wszechświat wybuchł, rozszerzył się i co dalej? Zgodnie z równaniami Einsteina opisującymi cały kosmos możliwości są trzy. Albo wszechświat z powrotem zacznie się kurczyć, albo będzie się rozszerzał w nieskończoność, albo zatrzyma się w punkcie kosmicznej równowagi i pozostanie na wieczność taki sam. Wielu fizyków uważało, że ta ostatnia możliwość jest najbardziej oczywista.
Aby rozwiązać ten problem raz na zawsze, tegoroczni nobliści rozpoczęli podobne eksperymenty, korzystając z podobnego pomysłu co Hubble, mając jednak do dyspozycji niepomiernie czulsze przyrządy. Jeśli światło jest emitowane przez obiekt, który przybliża się do nas, przesuwa się ono ku niebieskiemu fragmentowi spektrum. Jeśli przez obiekt, który się oddala – przesuwa się ku czerwieni. Im szybciej dany obiekt się przybliża albo oddala, tym większe przesunięcie ku niebieskiemu lub czerwonemu.
Pierwszą kwestią był dobór odpowiednich obiektów. Naukowcy nie mogli wybrać sobie mieszaniny gwiazd i galaktyk, każda z nich bowiem świeci inaczej i wyników obserwacji nie dałoby się w żaden sposób porównać. Potrzebny był kosmiczny wzorzec z Sčvres, obiekt, który bez względu na położenie zachowuje się mniej więcej tak samo. I kosmos takim właśnie obiektem dysponuje – są to supernowe, umierające gwiazdy. Konkretnie supernowe typu Ia, wybuchające białe karły, którym skończyło się już paliwo pod postacią wodoru i helu. Taki los czeka również nasze Słońce.
Te supernowe emitują więcej światła niż niejedna galaktyka, najważniejsze jednak, że robią to w przewidywalny sposób. Każda eksplozja przebiega dość podobnie, co zapewniło naukowcom możliwość porównania wyników. Teraz trzeba było tylko je zaobserwować, i to najlepiej jak najwięcej.
W tym miejscu badacze opowiadają, jak musieli wypraszać dostęp do urządzeń na całym świecie. Teleskop jest drogą maszyną i czas korzystania z niego rezerwuje się z wielomiesięcznym wyprzedzeniem. Ekipy nie miały tego komfortu – supernowa wybucha i albo skierujemy na nią nasze mechaniczne oczy, albo szansa jest stracona. Bez sensu jest kupowanie czasu pracy teleskopu, jeśli nie wie się z góry, gdzie i kiedy będzie się patrzeć. Gdy więc tylko pojawiała się wiadomość o zaobserwowaniu supernowej, naukowcy wydzwaniali do administratorów obserwatoriów, prosząc ich o zerknięcie w stronę kosmicznego błysku. To oznaczało przerwanie obserwacji zespołów, które zabukowały sobie czas teleskopowy wiele miesięcy wcześniej. Co robiono, by perswazje były skuteczne – nie wiadomo. Wiadomo, że razem udało się obejrzeć 50 takich kosmicznych wydarzeń.

Energia próżni
Obydwa zespoły poszukiwały śladów spowolnienia tempa rozszerzania się wszechświata. Zamiast tego odkryły, że rozszerzanie jest coraz szybsze. Obserwowane przesunięcie ku czerwieni było większe, niż przewidywał model zwalniającego wszechświata. Przyspieszenie to, niewyczuwalne na naszym małym podwórku, daje się zaobserwować dopiero w kosmicznych skalach. A w tych skalach okazuje się, że wszechświat składa się z ciemnej energii aż w trzech czwartych. 23% stanowi równie nieuchwytna ciemna materia, a zaledwie 4% to tworzywo, z którego ulepione są gwiazdy, autor tekstu i każdy z Państwa. Nie stanowimy ważkiego wkładu w kosmos.
Jeśli faktycznie tak jest, to wszechświat czeka nieciekawa przyszłość. Gdyby się kurczył, zginąłby w kuli ognia, bo wraz z kurczeniem się przestrzeni rosłaby gęstość, a z nią temperatura. Skoro jednak się rozszerza, czeka go zimna śmierć. Galaktyki będą od siebie uciekać, ich światło stanie się coraz słabsze. Kiedy się wypalą, pozostaną tylko czarne dziury, które także znikną w wyniku parowania odkrytego przez Stephena Hawkinga.
Istnieje kilka konkurencyjnych interpretacji fenomenu ciemnej energii. Jak choćby ta, że jest to osławiona stała kosmologiczna, która – jak się okazuje – była genialnym pomysłem i jest na trwałe obecna w powszechnie dzisiaj przyjmowanym modelu ewolucji kosmosu. Stała miałaby wyrażać właściwość samej przestrzeni, fakt posiadania przez nią energii. Innymi słowy – pustka nie jest taka pusta, jak mogłoby się wydawać. Sama idea nie jest „kosmiczna”, ponieważ mechanika kwantowa uczy nas, że próżnia to w rzeczywistości niezwykle ruchliwe miejsce, gdzie wirtualne cząstki powstają i znikają w ułamkach sekund. Każda objętość przestrzeni ma jej tyle samo. Problem w tym, że nikt nie wie, ile dokładnie, a obecne teorie przewidują wartości 100 razy za wysokie w stosunku do obserwacji astronomicznych.
Inna koncepcja powraca – przynajmniej etymologicznie – do Arystotelesa i jego piątej esencji. Kwintesencja miałaby być taką formą ciemnej energii, która nie jest równomiernie rozłożona w całym wszechświecie, ale manifestuje się w postaci pól rozsianych tu i ówdzie. Jako taka nie przyjmuje w każdym miejscu takiej samej wartości, lecz jest różna w różnych punktach.
Z perspektywy gatunku ludzkiego scenariusz ten wygląda nieciekawie. Jeśli nie uda nam się w jakiś sposób pokonać bariery prędkości światła, zostaniemy uwięzieni na naszym globie – którykolwiek byłby to glob za kilka miliardów lat – gdyż wraz z ekspansją wszechświata nieubłaganie będą się zwiększać odległości pomiędzy ciałami niebieskimi. O ile więc teraz możemy załadować cały nasz dobytek na hipotetyczny statek, poddać się hibernacji i 70 lat później dotrzeć na orbitę jakiegoś przychylnego świata, o tyle w dalekiej przyszłości możemy gdzieś utknąć.
Nie wszystko jednak stracone. Niektórzy fizycy sądzą, że obserwowane przez nas zjawiska są złudzeniem. To nie wszechświat się rozszerza, tylko nasza część przesuwa się względem innych. Koncepcja ta, zwana ciemnym fluidem, jest pociągająca dla tych wszystkich, którzy nie widzą kosmosu jako zimnego miejsca, którego nie może przebyć nawet światło. Choć kusząca, koncepcja ta nie jest potwierdzona eksperymentalnie. Na papierze wszystko wygląda nieźle, ale trzeba jeszcze zaprojektować pod tę hipotezę eksperyment.
Zginiemy w lodzie czy w ogniu? W poszukiwaniu odpowiedzi fizyka dopiero się rozkręca. Po stuleciu przełomowych odkryć, które zmieniły nasze rozumienie wszystkiego, nadchodzi następne, w którym odpowiedzi mogą być jeszcze bardziej zaskakujące. Naukowcy z CERN pod Genewą starają się jeszcze dalej posunąć naszą wiedzę dotyczącą mikroświata. W makroskali okazało się, że nie wiemy, z czego w 95% składa się wszechświat. Przed fizykami mnóstwo pracy. I jeszcze więcej Nagród Nobla.

Wydanie: 42/2011

Kategorie: Nauka

Napisz komentarz

Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy