Nasz wszechświat rozpoczął się ok. 13,8 mld lat temu. Jego narodziny nazywamy Wielkim Wybuchem (WW), co jest nieco mylące. Nie była to bowiem eksplozja, jak odpalenie petardy, detonacja niewypału czy wybuch bomby atomowej, lecz było to błyskawiczne rozszerzanie się przestrzeni. Genialny fizyk Stephen Hawking radził, aby o WW myśleć jak o pieczeniu ciasta z rodzynkami: gdy ciasto rośnie, rodzynki oddalają się od siebie, choć same pozostają w swoich miejscach.

W kosmicznym „piekarniku”

Trzymając się tego kulinarno-kuchennego porównania, dodajmy, że w początkowych ułamkach pierwszej sekundy kosmiczny „prodiż” był niewyobrażalnie rozgrzany. Temperatura sięgała 1032 kelwinów, a to o bilion bilionów razy więcej niż w jądrze naszego Słońca – tam temperatura sięga „tylko” 15 mln kelwinów.

W takich warunkach wybuchu nie istniała materia w znanej nam postaci. Wszystko było plazmą energii i elementarnych cząstek, takich jak kwarki i gluony. W czasie od 10-36 do 10-32 sekund po WW doszło do inflacji – procesu, w którym wszechświat zwiększył swoją objętość biliony razy. To tak jakby ziarnko piasku stało się większe od Układu Słonecznego.

Kiedy kosmiczny „prodiż” ostygł do 3 tys. kelwinów – 380 tys. lat po WW – elektrony zaczęły łączyć się z protonami i tworzyć atomy wodoru i helu. Z czasem grawitacja zaczęła skupiać materię w większe struktury i tworzyć pierwsze gwiazdy i galaktyki – było to kilkaset milionów lat po WW. Kolejny etap to powstanie supergromad galaktyk, w których centrach są czarne dziury. Teoria WW oparta na ogólnej teorii względności Alberta Einsteina została potwierdzona obserwacyjnie. Jednym z najważniejszych dowodów jest odkryte w 1965 r. przez Arna Penziasa i Roberta Wilsona mikrofalowe promieniowanie tła (CMB). Jest ono pozostałością po gorącej i gęstej fazie wybuchu. O wielkim bum świadczy także rozkład pierwiastków lekkich – wodoru, helu, litu – który jest zgodny z przewidywaniami procesów jądrowych zachodzących po wybuchu. Kolejnym dowodem jest rozszerzanie się wszechświata. Widać to podczas obserwacji odległych galaktyk. Im dalej od nas jest dana galaktyka, tym szybciej nam „ucieka”, a emitowane przez nią fale świetlne rozciągają się (przesuwają się ku czerwieni). Odkrycie to – Edwina Hubble’a w latach 20. XX wieku – było kluczowym potwierdzeniem kosmicznej ekspansji zapoczątkowanej WW. Choć wiemy o nim naprawdę bardzo dużo, to jednak nie wszystko.

Nauka sięga do ok. 10-43 sekund po rozpoczęciu wielkiego bum. Jest to tzw. czas Plancka, poniżej którego obecne teorie fizyczne – ogólna teoria względności i mechanika kwantowa – przestają działać. Brak wiedzy o tym, co było w „godzinie 0”, nie paraliżuje jednak kosmologów przed tworzeniem śmiałych hipotez, które starają się wyjaśnić, co było przed Wielkim Wybuchem. Poznajmy kilka takich teorii.

Odbicia i eony

W 2001 r. Paul Steinhardt i Neil Turok zaproponowali model cykliczny zwany Wielkim Odbiciem. Według tej hipotezy, wszechświat przechodzi przez cykliczne fazy ekspansji i kontrakcji, w których osiąga stan maksymalnego ściśnięcia. Wtedy następuje kolejne „odbicie”. A zatem WW nie mógł być ani jednorazowym wydarzeniem, ani żadnym początkiem, tylko był etapem w nieskończonym cyklu rozszerzania się i kurczenia wszechświata.

Krytycy Wielkiego Odbicia uważają, że jeśli teoria ta miałaby być prawdziwa, to w CMB powinny zostać ślady po poprzednich cyklach. Na razie ich nie znaleziono. Kolejna trudność to entropia. Zgodnie z tą miarą nieporządku każde kolejne wszechświaty powinny być bardziej chaotyczne. Tego również nie potwierdzają dotychczasowe obserwacje.

Inną hipotezę niż Wielkie Odbicie proponuje sir Roger Penrose. W jego teorii – konforemnej cyklicznej kosmologii – wszechświat przechodzi przez eony. Każdy z nich zaczyna się WW, a kończy, gdy materia niemal znika: gwiazdy gasną, galaktyki się rozpadają, a czarne dziury wyparowują. Pozostaje jedynie promieniowanie, czas i przestrzeń tracą znaczenie. A to umożliwia płynne przejście do nowego eonu. Penrose ślady poprzednich eonów znalazł w CMB. Mają one postać koncentrycznych okręgów (pierścienie Hawkinga) i zdaniem angielskiego fizyka, są „bliznami” po supermasywnych czarnych dziurach z wcześniejszego eonu. Część kosmologów uważa jednak, że pierścienie mogą być przypadkowymi zaburzeniami gęstości materii i energii. Dyskusja na ten temat trwa.

Wszechświaty

A co, jeśli nasz wszechświat nie jest jedyny? W 1992 r. fizyk teoretyczny Lee Smolin, zainspirowany teorią ewolucji Karola Darwina, zaproponował teorię kosmologicznego doboru naturalnego. Według niej, nasz wszechświat jest jednym z wielu, a nowe wszechświaty powstają w czarnych dziurach. Bo wszystko, co do nich wpada, zostaje tak mocno skompresowane, że może stworzyć nowe przestrzeń i czas. Zdaniem Smolina, czarne dziury odgrywają jakby rolę „matek” nowych wszechświatów. A każdy z nich może mieć nieco inne stałe fizyczne, np. różną stałą grawitacji.

Nie tylko zwolennicy kosmicznego doboru naturalnego, mówiąc o kosmosie, używają liczby mnogiej. Podobną ideę rozwija teoria multiwersum. Zakłada ona, że nasz wszechświat jest jednym z wielu „bąbelków” w kosmicznej pianie. Każdy bąbelek może mieć własne gwiazdy, planety, a co najciekawsze – może mieć inne prawa fizyki.

Multiwersum tłumaczy, dlaczego stałe fizyczne naszego wszechświata są precyzyjnie dostrojone do życia. W innym wszechświecie parametry te mogłyby np. nie sprzyjać powstaniu planet. Teoria ta jest trudna do przetestowania, ponieważ inne wszechświaty mogą leżeć poza naszym horyzontem kosmologicznym, czyli ich światło nigdy do nas nie dotrze. Właśnie z powodu niemożliwości tzw. falsyfikacji, czyli możliwości obalenia tej teorii na podstawie dowodów empirycznych, część naukowców stawia multiwersum na granicy nauki i filozofii.

Zderzenia czy lustrzane odbicie?

Niemal na karty powieści science fiction przenosi nas teoria strun. Zakłada ona, że nasz wszechświat to brana – gigantyczna płaszczyzna unosząca się w dziewięciowymiarowej przestrzeni. Zderzenie bran wyzwala energię wystarczającą do Wielkiego Wybuchu.

Testowanie tej hipotezy jest poza zasięgiem dzisiejszych technologii. Wymagałoby np. wykrycia śladów kolizji w falach grawitacyjnych. Jeszcze bardziej niezwykłą wizję w 2018 r. zaproponowali kanadyjscy naukowcy Neil Turok i Latham Boyle. Twierdzą oni, że w momencie Wielkiego Wybuchu powstały dwa wszechświaty: nasz i jego lustrzane odbicie, w którym czas płynie wstecz, a zamiast materii dominuje antymateria. Taki antywszechświat mógłby wyjaśnić choćby naturę ciemnej materii – substancji, która wpływa na grawitację, ale nie emituje ani nie pochłania światła.

Autorzy teorii przyznają, że wymaga ona dalszych badań, zwłaszcza w zakresie przewidywanych sygnatur w CMB lub w falach grawitacyjnych. Niemniej hipoteza ta budzi wśród naukowców duże emocje, bo może rozwiązać niektóre zagadki kosmosu. I o to w tych wszystkich teoriach chodzi – o rozwiązywanie zagadek, co pozwoli odkryć prawdę.

Hipotezy są ważne

Laikom kosmologiczne teorie mogą się wydawać szalone. W procesie naukowym są one jednak konieczne i bezcenne. Zmuszają bowiem badaczy do zadawania ważnych pytań, przeprowadzania nowych eksperymentów czy projektowania lepszych narzędzi: teleskopów, sond, detektorów fal grawitacyjnych itd. Przykładem tego, jak od hipotezy przechodzi się do odkrycia, jest wspomniana na początku artykułu teoria inflacji Alana Gutha, która wyjaśnia strukturę wszechświata. Dzisiaj jej twierdzenia potwierdzają pomiary CMB dokonane przez satelity (m.in. COBE, Planck), ale kiedy w 1981 r. Guth ogłaszał teorię inflacji, była ona czystą spekulacją.

Kto wie, może naukowcy przesuną granice naszej niewiedzy o jeden stopień dalej, podpierając się którąś z przedstawionych wyżej teorii? A pewnego dnia udowodnią nawet to, co naprawdę było przed Wielkim Wybuchem?