Kwantowy Wszechświat – nauka o Genesis

Zaduma nad pytaniem skąd pochodzimy i dokąd zmierzamy ma w nauce bardzo liczne odniesienia. Do najciekawszych należą te, które dotyczą szeroko rozumianego prapoczątku.

Uczeni badający wczesny etap rozwoju Wszechświata wprowadzili koncepcję Wielkiego Wybuchu. Według nich ten najwcześniejszy etap to chwila, kiedy rozmiar Wszechświata równał się zeru a gęstość materii była nieskończona. Wydaje się więc że Wszechświat został w tym momencie stworzony. Co to oznacza? Jak można naukowo zrozumieć epokę Wielkiego Wybuchu?

Pytania, pytania i jeszcze raz pytania. Co to znaczy, że Wszechświat miał rozmiar równy zeru a równolegle gęstość materii była nieskończona? Jak we Wszechświecie równemu zero mogła znajdować się jakakolwiek materia?

Otóż okazuje się, że określenia, którymi posługują się fizycy kwantowi nie są do końca ścisłe. Według nich owe „zero” to etap rozwoju Wszechświata, w którym był on wielokrotnie mniejszy od rozmiaru atomu. Aby mieć o takim stanie Wszechświata wyobrażenie trzeba sobie jeszcze uzmysłowić, że na przestrzeni jednego milimetra mieści się sto milionów atomów. Czy o takim Wszechświecie, można mówić, że miał rozmiar równy zeru?

Najbardziej przebiegli fizycy kwantowi, dla spokoju własnego sumienia, wprowadzili pojęcie tzw. Osobliwości, tj. stanu, w którym nie obowiązują żadne znane nam prawa fizyki. Chyba tylko oni wiedzą do końca na, czym polega owa osobliwość.

Moment, w którym Wszechświat był nieskończenie gorący i gęsty wydaje się bardzo dobrze przystawać do chwili stworzenia. Faktycznie bardzo często w literaturze popularnej (i niestety także w stricte naukowej) wypowiada się zdanie, że Wszechświat został stworzony 15 x10 000000000 lat temu (mówiąc bardziej po ludzku 15 miliardów lat temu), w trakcie Wielkiego Wybuchu. Dla wygody przemilcza się tu ową nieskończoną małość Wszechświata na tym etapie. Próbując uzasadnić takie zjawisko ekstrapoluje się teorię grawitacji Einsteina i modele kosmologiczne na niej oparte do bardzo małych rozmiarów. Nie jest to jednak takie proste jeśli uświadomimy sobie, że fizykę mikroświata trzeba wyrażać językiem mechaniki kwantowej. Wydaje się więc, że dopóki nie zostanie stworzony kwantowy opis kosmologii, nie uda się zrozumieć najwcześniejszych chwil istnienia Wszechświata zaraz po Wielkim Wybuchu. Jest to tym bardziej zasadne, że aktualnie fizyków kwantowych od początku interesuje wygląd Wszechświata już od 10^-24 sekundy od Wielkiego Wybuchu ( w bardziej ( w bardziej zrozumiałym języku jest to ułamek, w którym w liczniku jest „1” a w mianowniku „1” z dwudziestoma czterema zerami). Jak łatwo się domyślić nie jest to takie proste, ale gałąź wiedzy zwana kosmologią kwantową stara się dostarczyć takiego opisu i być może kiedyś odpowie na niektóre pytania. Być może będzie to odpowiedź dotycząca aktu stworzenia i to w sposób nie biblijny ale naukowy.

Interesujące wydaje się być też pytanie dlaczego w ogóle powstał Wszechświat? Dlaczego powstała materia? Kosmologia klasyczna nie daje na nie odpowiedzi. Uwzględniając istnienie pewnej ilości materii we Wszechświecie, pozwala ona jedynie prześledzić jego historie wstecz aż do Wielkiego Wybuchu i nic poza tym. Pusta przestrzeń jest dla kosmologii klasycznej tak samo do przyjęcia, jak cale bogactwo rozwijającego się Wszechświata.

Natomiast niektóre modele Wszechświata oparte na mechanice kwantowej udzielają oczekiwanych odpowiedzi. Można w nich wykazać, że równania opisujące taki Wszechświat nie dopuszczają istnienia pustki. Inaczej mówiąc, kosmologia kwantowa nie tylko opisuje Wszechświat zawierający materie, ale wręcz wymaga, aby ja zawierał. W tych modelach pusta przestrzeń staje się niestabilna w wyniku fluktuaeji kwantowych pola grawitacyjnego i zachodzi spontaniczne przejście do stanu rozszerzającego się wszechświata wypełnionego materią.

Można uznać, że do stworzenia materii i wywołania jej ekspansji potrzebna jest pewna energia zatem tworząc materię z pustki przestrzeni, gwałci się prawo zachowania energii, które jest tak ważną i owocną zasadą fizyki. Istotnie jest to kwestia, która nękała już wielu filozofów: jak cos może powstać z niczego? W rzeczywistości jednak w procesie tym nie zachodzi pogwałcenie prawa zachowania energii. Pole grawitacyjne ma bowiem energię ujemną, ponieważ wiąże materię ze sobą (elektron związany z protonem znajduje się w stanie o ujemnej energii. Tę sama cechę ma każda siła przyciągająca, a siła grawitacji jest właśnie taka) Można więc bez trudu pogodzić się z sytuacją, w której ujemna energia grawitacyjna dokładnie równoważy dodatnią energię materii (i ekspansję), sprowadzając w ten sposób całą energię do zera. Równania kosmologii kwantowej wskazują więc, że wszechświat właściwie samorzutnie pojawił się w próżni w wyniku fluktuacji kwantowych.

Taki proces mógłby wydawać się zjawiskiem bardzo dziwnym, jeśli nie prześledzi się starannie subtelności kwantowego opisu wszechświata. W teorii kwantów próżnia nie jest po prostu pustką, jak w teorii klasycznej. Przeciwnie, kłębi się od cząsteczek  elementarnych i od pól podlegających ciągłym fluktuacjom. Matematyka takich modeli wskazuje, że ten stan może doprowadzić do powstania (stworzenia) świata materialnego.

Bylibyśmy oczywiście w błędzie mówiąc, że o Wszechświecie wiemy już wszystko. W najlepszym przypadku można jedynie stwierdzić, że kosmologia kwantowa jest na początku swojej długiej drogi. Trzeba wyjaśnić jeszcze wiele powiązań w szeregu argumentów i wypełnienie wielu luk. Wydaje się jednak pewne, że połączenie teorii kwantów i ogólnej teorii względności-tych dwóch głównych triumfów intelektu naszego stulecia-doprowadzi nas ku znacznie bogatszemu i piękniejszemu obrazowi naszego wszechświata.

Kwant