Ciemna strona Wszechświata

Artykuł ukazał się w kwartalniku Czas Fantastyki 2/2013.

Ciemna materia i ciemna energia stanowią dziś modny temat dociekań znacznie wykraczających poza rubieże astrofizyki i kosmologii. Ich temperaturę podniósł werdykt przyznający w 2011 roku  Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki trzem astrofizykom: S. Perlmutterowi i A. Riess'owi  oraz B. Schmidt'owi za odkrycie faktu przyspieszania ekspansji Wszechświata mające kluczowe znaczenie w potwierdzeniu hipotezy o istnieniu ciemnej energii. Stąd też obserwujemy zalew bardziej lub mniej profesjonalnych artykułów drążących ten temat, które można znaleźć w mediach, zwłaszcza w Internecie.

Niniejszy esej stanowi próbę popularnonaukowej syntezy historii i dzisiejszego stanu badań nad ciemną materią i ciemną energią. Jeśli nie liczyć końcowej, odautorskiej refleksji, jest to kompilacja powszechnie dostępnej wiedzy na ten temat.

Ciemność… widzę ciemność!

Te pierwsze po wybudzeniu z hibernacji słowa Maksa, bohatera  filmu Seksmisja, weszły na stałe do klasyki kultowych cytatów. W czasach powstania tego filmu nie dotarła jeszcze do powszechnej świadomości myśl, że ciemność jest dominującym bytem we Wszechświecie. Taką możliwość rozważali już jednak naukowcy (ściślej – przyrodnicy) ów Wszechświat badający.

W latach 70. ubiegłego wieku, gdym studiował astronomię, najbardziej ekscytujące „w branży” pytanie dotyczyło gęstości Wszechświata[1]. Wedle obowiązujących podówczas, opartych na koncepcji Wielkiego Wybuchu (Big Bang), modeli kosmologicznych los rozszerzającego się Wszechświata zależał od tej gęstości właśnie. Jeśli byłaby ona większa od pewnej krytycznej wartości, Wszechświat wyhamowałby swoją ekspansję i wszedł w fazę kontrakcji, czyli kurczenia się. W przeciwnym wypadku rozszerzałby się w nieskończoność, kończąc swój żywot tzw. śmiercią cieplną – dziś nazywa się to Wielkim Chłodem (Big Freeze).

Nic więc dziwnego, że astronomowie jęli z zacięciem buchalterów zliczać wszelką występującą we Wszechświecie materię. Mimo że po dokonaniu takiej megakosmicznej inwentaryzacji okazało się, iż tej materii jest stukrotnie za mało, aby można było przyjąć opcję kontrakcji, powszechnie wierzono, że jest ona bardziej prawdopodobna (czyżby podświadomy wpływ koncepcji końca świata spotykanych wszak we wielu religiach?)

W pewnym sensie intuicja ta się sprawdziła: według dzisiejszych danych[2] Wszechświat składa się w 73% z ciemnej energii i 23% z ciemnej materii, podczas gdy znana nam materia stanowi jedynie niespełna 4% jego masy; tylko 0,5% (sic!) przypada na materię świecącą, reszta to międzygalaktyczny gaz. No i jak tu nie krzyknąć „widzę ciemność”?

Ale wróćmy do początków. Do momentu, w którym miłościwie nam panującą jasność przykryła

Ciemna materia

Jej kariera rozpoczęła się w 1933 r., kiedy to astrofizyk Fritz Zwicky, badając prędkości poruszania się galaktyk w gromadzie Coma w konstelacji Warkocza Bereniki odkrył, iż galaktyki obracają się tak szybko, że już dawno powinny się urwać z uwięzi grawitacji, a cała gromada rozlecieć jak zerwane z łańcucha siodełka karuzeli. Chyba że ich masy – a zatem także wiążące je siły grawitacji – są dużo większe, niż można wnioskować z tego, co widać w teleskopach.

Przez teleskopy widać tylko materię świecącą. Tę hipotetyczną, dodatkową masę w galaktykach, która nie była widoczna, nazwano ciemną materią. Lecz hipoteza nie była traktowana poważnie, pełniąc rolę astronomicznej ciekawostki.

Temat wrócił w drugiej połowie XX wieku za sprawą „królowej” astrofizyki amerykańskiej Very Rubin, która obserwując gwiazdy w Mgławicy Andromedy odkryła, że prędkość gwiazd bliższych i dalszych względem centrum jest taka sama, podczas gdy należało spodziewać się, że te bardziej oddalone od środka galaktyki poruszają się wolniej, niż te bliższe. Wszystko wskazywało na to, że na ruch gwiazd ma wpływ jakiś masywny, acz niewidzialny obłok, w którym galaktyki są zanurzone – galaktyczne halo ciemnej materii.

Można by więc rzec, że twierdzenie o istnieniu ciemnej materii ma charakter poszlakowy. Osłabia to jego wiarygodność, lecz podobne przypadki w historii nauk ścisłych miały już miejsce – choćby casus odkrycia planety Neptun, którego podstawą był jej grawitacyjny wpływ na ruch Urana.

Obecnie w większości modeli ewolucji Wszechświata ciemna materia odgrywa kluczową rolę – to ona miała najpierw tworzyć potężne włókna i grona, które ułatwiły świecącej materii sformowanie galaktyk i gromad. Kusi wyobraźnię wizja Wszechświata na wzór świątecznie przyozdobionych ulic: świecące galaktyki niczym żarówki rozwieszone na niewidocznych strukturach ciemnej materii.

Nauki ścisłe kierują się jednak niewzruszonymi rygorami: koncepcje nie podparte empirycznym (obserwacyjnym) potwierdzeniem nie mają tu prawa bytu w postaci innej niż hipoteza. Ale jak zaobserwować coś, czego nie widać? Już tam uczeni mają swoje sposoby! Wszak ciemna materia musi jakoś wchodzić w interakcje zarówno sama z sobą jak też ze „zwykłą” materią, a konsekwencje tych interakcji mogą być obserwowalne.

Poszukiwania ciemnej materii idą w dwóch kierunkach. Pierwszy zakłada, że jest to zwykła materia barionowa (czyli złożona z poczciwych protonów i neutronów) występująca w masywnych, lecz nieświecących ciałach. Takie ciała nazywają się MACHO. Drugi – że ciemną materię stanowią nieznane cząstki elementarne zwane WIMP-ami.

MACHO – czyli krzepki facet

Nie bez kozery, bo skrót ten oznacza  ciała bardzo masywne (Massive Compact Halo Objects). Są one wykrywane w obserwacjach na podstawie ich oddziaływania z czasoprzestrzenią (efekt tzw. mikrosoczewkowania grawitacyjnego). Do tej grupy zalicza się brązowe karły, czyli obiekty protogwiazdowe („poronione” gwiazdy), których masa była za mała by doszło do „zapłonu” termojądrowego, komety, planetoidy, pył międzygwiazdowy i międzygalaktyczny, a także gwiazdy neutronowe, czarne dziury, białe i czarne karły.

MACHO nie mogą jednak stanowić całej ciemnej materii, bo prowadziłoby to do zmiany tempa starzenia się gwiazd, co nakazywałoby zrewidować nasze poglądy odnośnie wieku Wszechświata. Dlatego pojawił się drugi kandydat:

WIMP – czyli słabeusz

WIMP to także celny skrót: Weakly Interacting Massive Particles (słabo oddziaływające masywne cząstki). Są to hipotetyczne cząstki elementarne, które nie wchodzą w skład znanej nam materii. Każda galaktyka zanurzona byłaby w wielkim obłoku takich cząstek. Niewiele o nich wiadomo poza tym, że jak wskazuje ich nazwa, słabo oddziaływają ze znaną materią (co jest oczywiste, bo gdyby silnie oddziaływały, już dawno zostałyby odkryte).

Niedawno wydawało się, że ten rodzaj ciemnej materii stanowią neutrina – bardzo słabo oddziaływające cząstki, których miliony w każdej sekundzie przeszywają bez żadnego śladu każdy centymetr kwadratowy naszego ciała, więcej – przenikają one przez całą kulę ziemską równie łatwo jak fotony przez czystą szybę.

Neutrino wymyślił słynny fizyk Wolfgang Pauli, chcąc ratować prawo zachowania energii w rozpadzie promieniotwórczym beta. Cząstka ta miała zabierać część energii, której brakowało w bilansie tej reakcji jądrowej. Na pytanie, czemu nikt jeszcze jej nie odkrył, Pauli odpowiadał roztropnie: bo nie ma ona ładunku elektrycznego (stąd jej nazwa) oraz bardzo słabo oddziaływa z materią. Wygląda to na hochsztaplerkę, ale Pauli miał dobrą intuicję, choć potwierdziło się to dopiero po ponad ćwierć wieku: w 1956 r. po raz pierwszy odkryto ślad neutrina w detektorach.

Niestety neutrina nie okazały się wdzięcznymi kandydatami na ciemną materię. Owszem, słabo oddziaływają ale nie są masywne – ważą setki tysięcy razy mniej niż najlżejsze ze znanych cząstek elektrony. Do tego są diabelnie szybkie – osiągają prędkości podświetlne i nie zdradzają najmniejszych chęci do wiecowania – czyli do gromadzenia się razem w jednym miejscu. Tymczasem stwierdzono, że ciemna materia ma tendencję do skupiania się, podobnie jak zwykła materia. Wniosek prosty: jej skupiska mogą tworzyć jedynie cząstki powolne i ciężkie, czyli "zimne".

W poszukiwaniu kandydata na prawdziwego WIMP-a wiązano nadzieje z dwoma typami cząstek postulowanych przez teorię supersymetrii lub superstrun, których dotąd nie odkryto: tzw. partnerami supersymetrycznymi znanych cząstek oraz tzw. cząstkami zwierciadlanego świata. Te ostatnie miałyby oddziaływać ze zwykłą materią tylko grawitacyjnie, byłyby więc naprawdę doskonale ciemną materią[3].

WIMP upolowany?

Przyrodnicy nie ustawali w poszukiwaniach WIMP-ów. W czerwcu 2010 r. ogłoszono, że w sztolniach kopalni Soudan w stanie Minnesota fizycy w ramach eksperymentu CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology) złapali pierwsze cząstki ciemnej materii. Stało się to podczas badań nad trwałością protonów, które według obecnej wiedzy nigdy się nie rozpadają. Naukowcy używali 30 niewielkich detektorów z kryształów krzemu i germanu schłodzonych do temperatury bliskiej zera bezwzględnego. Przed naturalnym promieniowaniem ziemskich skał chroniły je osłony z ołowiu, a przed promieniami z kosmosu – blisko 800-metrowa warstwa ziemi nad stropem sztolni. Jednak taka zapora ponoć nie jest żadną przeszkodą dla WIMP-ów.

Eksperyment CoGeNT prawdopodobnie zarejestrował średnio jedną interakcję WIMPa z detektorem dziennie w trakcie 15 miesięcy z okresową zmiennością w okolicach 16 procent. Pomiary energii zgadzają się z przewidywaniami, że masa cząstek WIMP jest od 6 do 10 razy większa od masy protonu. Z grubsza pokrywa się to z wynikami włoskiego eksperymentu DAMA (DArk MAtter), który od 14 lat rejestruje podobne fluktuacje[4].

Warto dodać, że w tej samej kopalni przeprowadzono w 2009 r. eksperyment CDMS, w którym  zaobserwowano dwa zdarzenia niedające się wyjaśnić jako oddziaływanie ze znaną materią.

Żeby nie było tak słodko: na miesiąc przed ogłoszeniem rezultatów eksperymentu CoGeNT ogłoszono  negatywny wynik eksperymentu XENON100 w laboratorium Gran Sasso, gdzie użyto detektora wypełnionego ciekłym ksenonem. Także w wielu innych (choć nie tak dokładnych) eksperymentach nie wykryto niczego ciekawego[5].

Ciemną materię można też znaleźć pośrednio – np. szukając efektów jej anihilacji w postaci strumienia antycząstek. Poszukiwania takie prowadzi się nie w kopalniach, lecz przeciwnie – w górnych warstwach atmosfery lub na orbicie okołoziemskiej. W latach 2004-2011 przeprowadzono kilka takich eksperymentów: HEAT, PAMELA, ATIC, HESS, uzyskując raz pozytywne, raz negatywne rezultaty. Czyli też słodko nie jest.

Ani MACHO ani WIMP, tylko…

Wiarygodne potwierdzenie empiryczne musi cechować powtarzalność. Zatem do polowania włączyły się też inne zespoły na świecie, lecz sukcesów na razie brak. Nie dziwi więc obecność sceptyków – niektórzy z nich twierdzą wręcz, że nie ma żadnej ciemnej materii, a wszystkie obserwacje ruchu galaktyk i gwiazd będą do siebie pasować, jeśli tylko odpowiednio zmodyfikujemy prawo ciążenia.

…szczególne miejsce Ziemi?

W 2008 Timothy Clifton, Pedro G. Ferreira i Kate Land z Oksfordu zaproponowali hipotezę wyjaśniającą przyspieszanie ekspansji kosmosu oraz problem „brakującej masy” we Wszechświecie, za to kwestionująca zasadę kopernikańską będącą jednym z metodologicznych fundamentów współczesnych nauk przyrodniczych. Mówi ona, najkrócej ujmując, że położenie Ziemi we Wszechświecie nie jest w żaden sposób uprzywilejowane, co oznacza, że obserwacje prowadzone z dowolnego miejsca we Wszechświecie powinny pozwolić na dojście do takich samych wniosków, jak obserwacje prowadzone z Ziemi[6]. Tymczasem panowie ci twierdzą, że problem ciemnej materii (tudzież ciemnej energii) znika przy założeniu, że Ziemia znajduje się w szczególnym miejscu we Wszechświecie, gdzie gęstość materii jest znacznie niższa niż w pozostałych częściach kosmosu.

Nie ma jednak żadnych obserwacyjnych podstaw do takiego założenia – przeciwnie –  najnowsze badania mikrofalowego promieniowania tła pochodzące zarówno z obserwacji teleskopem Hubble’a jak też satelity WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), zdają się potwierdzać jednorodność i izotropowość Wszechświata[7].

…odgrzana dynamika Newtona?

Izraelski fizyk Mordehaj Milgrom twierdzi, że obserwowany ruch galaktyk można wyjaśnić bez odwoływania się do ciemnej materii. Zaproponował w tym celu zmodyfikowaną dynamikę newtonowską MOND (MOdified Newtonian Dynamics), która zakłada nieliniową zależność siły od przyspieszenia. MOND co prawda nie do końca rozwiązuje problem „brakującej masy” w gromadach galaktyk, ale radzi sobie z tym dobrze jej relatywistyczne rozwinięcie, jakim jest TeVeS – teoria tensorowo-wektorowo-skalarnej grawitacji, która zakłada, że oddziaływanie grawitacyjne zmienia się wraz z odległością (im większa odległość tym silniejsza grawitacja).

Wskazując na tę koncepcję polski fizyk-teoretyk, blogujący na Salonie24 pod nickiem Eine mówi, że lekceważy hipotezę istnienia we Wszechświecie tzw. ciemnej materii dlatego, że nie ma ona nawet cienia bezpośredniego, choćby jednego dowodu empiryczno-obserwacyjnego, a dowody pośrednie są tak kulawe, naciągane, i w każdej chwili mogą być wymienione na inne, że ta obfita pisanina na ten temat niczym się nie różni od tandetnej science fiction[8].

No właśnie, co na to Empiria?

Owszem, tandety i banałów w twórczości naukowców nie brak, ale przecież w naukach przyrodniczych fałszywe hipotezy powinna wykosić Empiria. Tymczasem ona też nie jest jednoznaczna.

Wykorzystując dane o ponad 70 000 jasnych, odległych i czerwonych galaktykach zebrane w ramach cyfrowego przeglądu nieba zespół profesora fizyki i astronomii UC Berkeley, Urosa Seljaka, wykazał, że TeVeS gorzej pasuje do rezultatów analiz niż ogólna teoria względności. Jednym z głównych wniosków tych badań jest potwierdzenie, iż istnienie ciemnej materii to wciąż najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie obserwowanych ruchów galaktyk i ich gromad[9].

Z kolei w 2011 r. teoria Mordehaja Milgroma została pozytywnie zweryfikowana empirycznie przez Stacy McGaugha z Univeristy of Maryland. Wraz ze swym zespołem przebadał on 47 galaktyk gazowych (zasadniczą masę stanowią w nich nie gwiazdy lecz wodorowa materia pyłowa) wykazując, że ciemna materia nie jest potrzebna do wyjaśnienia ich ruchu[10].

Obserwując ten dramat poznania zagadki Wszechświata możemy popaść we frustrację – no bo komu tu wierzyć? Lecz frustracja dotyka także samych aktorów owego dramatu. Mark Walker z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, który wraz z Jorge Peñarrubia z Uniwersytetu w Cambridge zmierzył położenie, prędkość i skład 1500-2500 gwiazd w galaktykach Karzeł Pieca i Karzeł Rzeźbiarza powiedział: Po zakończeniu naszych badań wiemy o ciemnej materii mniej niż przedtem[11].

A przecież to jeszcze nie koniec zagadek! Oto na deskach teatru pojawia się

Ciemna energia

W opowiadaniu Arka Noego[12] sugerowałem, że Wszechświat z niewiadomego powodu przeszedł gwałtownie w fazę kontrakcji. Tymczasem wszystkie obecne pomiary stwierdzają, że Wszechświat nie kurczy się tylko rozszerza coraz szybciej – ale też z niewiadomego powodu – więc częściowo trafiłem!

Fantasta owszem, ale przyrodnik nie może sobie pozwolić na „niewiadome powody”. Dlatego musi znaleźć winowajcę odpowiedzialnego za niezgodną z rozkładem jazdy (czyli obowiązującymi teoriami) ekspansję Wszechświata. A jeśli winowajcy nie widać, trzeba go wymyślić! W ten sposób powstała hipoteza ciemnej energii, która miałaby wywoływać ujemne ciśnienie, czyli grawitację odpychającą (jeśli ktoś nie umie sobie wyobrazić ujemnego ciśnienia, radzę pobawić się gumką od majtek).

Zobaczmy najpierw jak funkcjonuje gwiazda znajdująca się w stanie równowagi (trwającym przez ładnych kilka miliardów lat!). Stan ten to efekt równoważenia się dwóch sił: grawitacyjnej, ściągającej masę gwiazdy ku środkowi i odśrodkowego ciśnienia promieniowania powstającego w wyniku reakcji termonuklearnej w jądrze gwiazdy (synteza wodoru w hel). Gdyby nie było pierwszej z tych sił, gwiazda eksplodowałaby, gdyby nie było drugiej – zapadłaby się.

Podobnie może funkcjonować Wszechświat jako całość. Impet materii będący konsekwencją Wielkiego Wybuchu jest hamowany przez siły grawitacyjne, które ściągają materię do środka natomiast ciemna energia, wywierając odśrodkowe (odpychające) ciśnienie rekompensuje te siły z nadwyżką, powodując w efekcie przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata.

Wszystkiemu winni nobliści!

Skąd jednak wiemy, że Wszechświat przyspieszył ekspansję? Przez tych wścibskich astronomów, którzy go podglądają czym i kiedy się da.

Pod koniec lat 90. XX w. na podstawie obserwacji odległych supernowych typu Ia Saul Perlmutter wraz z Brianem P. Schmidtem z Australii i, niezależnie od nich, Adam G. Riess z USA wykazali, że we Wszechświecie działa siła odpychająca, która przeciwstawia się przyciągającej sile grawitacji. To właśnie ona powoduje, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej.

Ze zjawiskiem tym kosmologowie spotkali się już wcześniej – zaproponowana przez A. Gutha hipoteza inflacji kosmologicznej[13] to nic innego jak gwałtowne przyspieszenie ekspansji Wszechświata, która nastąpiła tuż po jego narodzinach. Potem tempo ekspansji miałoby się znacznie zmniejszyć. Stąd wyniki tych obserwacji sugerujące przyspieszenie ekspansji Wszechświata stanowiły całkowite zaskoczenie dla kosmologów, którzy skłaniali się do poglądu, że Wszechświat albo wyhamuje ekspansję i przejdzie w fazę kontrakcji albo uzyska stan równowagi i będzie rozszerzał się w sposób jednostajny. Takie zaskoczenie jest zwykle bodźcem do zintensyfikowania badań mających zweryfikować nieprzystające do teorii wyniki.

W 2002 r. na Kosmicznym Teleskopie Hubble'a zamontowano nowy instrument, który był „wytresowany” do polowania na supernowe. Zespół pod kierunkiem Adama G. Riessa wykrył za jego pomocą sześć supernowych, które wybuchły ponad 7 mld lat temu, czyli mniej więcej w połowie wieku Wszechświata. Badania potwierdziły zwolnienie ekspansji młodego Wszechświata, a następnie przejście w fazę przyśpieszania, co miało miejsce około 5 mld lat temu[14].

To kosmiczne przyspieszenie było wielką niespodzianką, a jego natura pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej nauki. Nie dziwi więc przyznanie jego odkrywcom: Saulowi Perlmutterowi, Brianowi Schmidtowi i Adamowi Riesse nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za 2011 r.

Objaśnić ciemną energię

Klocki ułożyły się w logicznie nieskazitelną całość, ale pytanie o naturę tajemnicę ciemnej energii pozostało. Czym jest? Czy jej zapostulowanie nie jest powrotem do koncepcji kosmicznego eteru? Na szczęście badania odległych supernowych rzuciły także na nią nieco światła.

Pierwsza hipoteza zakłada, że może nią być energia próżni. Jej matematycznym odpowiednikiem jest stała kosmologiczna wprowadzona w 1917 r. przez Einsteina do równania pola grawitacyjnego w OTW, bo przy założeniu statycznego modelu Wszechświata (a takie podówczas panowało przeświadczenie) równanie to prowadziło do absurdalnych rozwiązań (albo że Wszechświat jest pusty, albo że materia wywiera ujemne ciśnienie). Einstein uważał stałą kosmologiczną za twór sztuczny; z ulgą z niej zrezygnował, gdy w 1929 r. za sprawą Hubble'a, okazało się, że Wszechświat rozszerza się, czyli nie jest statyczny.

Kiedy jednak okazało się, że ekspansja Wszechświata przyspiesza, a jednym z możliwych wyjaśnień jest przyjęcie istnienia ujemnego ciśnienia, stała kosmologiczna wróciła do łask. Dlaczego? Bo jeśli przyjąć jej wartość dodatnią, oznacza to właśnie ujemne ciśnienie.

Jako alternatywa dla hipotezy energii próżni, rozważane jest pole skalarne występujące w roli ciemnej energii. Pole takie nazywane jest kwintesencją (tak Arystoteles nazywał piąty, obok ziemi, ognia, wody i powietrza, żywioł klasyczny).

Pierwsza z proponowanych form ciemnej energii (energia próżni utożsamiana ze stałą kosmologiczną) ma charakter statyczny, druga (pole skalarne czyli kwintesencja) – dynamiczny.

Która z nich ma większe szanse awansu z hipotezy na teorię? O tym zdecydują kolejne obserwacje, które pozwoliłyby dokładnie określić zależność tempa ekspansji Wszechświata od czasu. To dziś  główne zadanie kosmologii obserwacyjnej[15].

Jaśnie oświecona opozycja

Niemniej istnienie ciemnej energii wciąż pozostaje hipotezą, której nie akceptuje część środowiska fizyków i kosmologów. Podobnie jak w przypadku ciemnej materii niektórzy twierdzą, że przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata to cios zadany ogólnej teorii względności, która nie sprawdza się w układach wielkoskalowych i trzeba ją wymienić (może nawet przeprosić się z dynamiką newtonowską – patrz wyżej opisany casus MOND Mordehaja Milgroma). Powstają też modyfikacje ogólnej teorii względności „inspirowane” teorią strun, które postulują wprowadzenie dodatkowych wymiarów mających powodować osłabienie oddziaływania grawitacyjnego na dużych odległościach. Obejrzyjmy bliżej dwa pomysły, jakie pojawiły się na ławach tej „jaśnie oświeconej” opozycji.

Big Bang do lamusa!

Wun-Yi Shu z Thing Hua University na Tajwanie zaproponował nowe modele kosmologiczne, które mogą lepiej wyjaśniać budowę Wszechświata niż teoria Wielkiego Wybuchu, a zjawisko coraz szybszego rozszerzania się Wszechświata objaśniać bez wprowadzania hipotezy ciemnej energii. Koncepcja zakłada zupełnie odmienne potraktowanie czasu, przestrzeni i masy. Otóż w fazie ekspansji Wszechświata czas zmienia się w przestrzeń, a masa w odległość, zaś w fazie kontrakcji zachodzą przemiany odwrotne.

Jak szaleć to na całego! Prędkość światła i stała grawitacji nie są w modelu tajwańskiego naukowca stałymi, czas nie ma początku ani końca, zaś Wszechświat ma kształt hipersfery, przez co znikają problemy  horyzontu zdarzeń i płaskości występujące w teorii Wielkiego Wybuchu.

A jak z potwierdzeniem empirycznym? Shu przetestował swój model wykorzystując do tego celu najnowsze obserwacje dotyczące supernowych typu Ia. Twierdzi, że jego model do tych obserwacji pasuje – i, rzecz jasna, nie potrzebuje hipotezy ciemnej energii[16].

Antygrawitacja

Massimo Villata z obserwatorium astronomicznego w Turynie również uważa, że ciemna energia nie jest potrzebna do wyjaśnienia przyspieszonej ekspansji Wszechświata, która jest według niego rezultatem oddziaływania materii i antymaterii, odpychających się od siebie.

Zakłada on, że materia przyciąga materię, a antymateria – antymaterię, lecz nawzajem materia z antymaterią się odpychają. W większej skali objawia się to rozszerzaniem Wszechświata.

Dlaczego tak jest? Bo antymateria istnieje jak gdyby w odwróconej czasoprzestrzeni – wyjaśnia Villata. Na pytanie dlaczego zatem nie dochodzi do anihilacji materii i antymaterii odpowiada, że są one od siebie zbyt oddalone, bo znajdują się w olbrzymich przestrzeniach pomiędzy gromadami galaktyk[17].

Weryfikację konceptu Villaty chce przeprowadzić CERN. W eksperymencie pod akronimem AEGIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) fizycy zbadają, jak grawitacja Ziemi oddziałuje na wodór i antywodór[18].

Nihil novi ab SOLEcki

Moglibyśmy zatem, wzorując się na kibicach piłkarskich, zaśpiewać: nic się nie stało, Ziemianie nic się nie stało. To znaczy nic się nie zmieniło od lat 70. ubiegłego wieku, kiedy to wiedzieliśmy już, że według danych z obserwacji we Wszechświecie jest o dwa rzędy wielkości za mało materii. Dziś wiemy nadal, że powinno jej być więcej, lecz nie potrafimy tego obserwacyjnie udokumentować. Jakby nie dość było kłopotów, dla uratowania miłościwie nam panujących teorii kosmologicznych, zostaliśmy zmuszeni do postawienia hipotezy o istnieniu ciemnej energii, której również obserwacyjnie potwierdzić nie potrafimy.

Dlatego nie dziwi niemałe grono sceptyków, którzy hipotezy ciemnej energii i ciemnej materii nazywają łataniem dziur w teorii Wielkiego Wybuchu – bo poza tym, że umożliwiają jej zgodność z doświadczeniem, niewiele wyjaśniają, na dodatek zręcznie bawią się z nami w chowanego, wymachując przed nosem brzytwą Ockhama.

Wciąż więc pozostajemy z bagażem pytań, na które brak odpowiedzi. Oto najważniejsze z nich:

1. Dlaczego nastąpił Wielki Wybuch?

2. Problem początkowej osobliwości, sugerowanej przez ogólną teorię względności?

3. Jaki jest naprawdę scenariusz i mechanizm inflacji?

4. Czym jest „ciemna materia”?

5. Czym jest „ciemna energia”?

6. Dlaczego około 5 mld lat temu Wszechświat zaczął przyspieszać ekspansję?

7. Jaki będzie przyszły scenariusz ewolucji Wszechświata?[19]

Lecz nie miejmy złudzeń: nawet jeśli uporamy się z tymi pytaniami, to pojawią się następne. Ten Wszechświat już tak ma.

Dwie refleksje końcowe

filozoficzna…

W latach 70. XX wieku ks. prof. Michał Heller, dziś wybitny, wówczas dobrze zapowiadający się kosmolog, nadał na łamach miesięcznika Znak niezbyt korzystną dla materialistów wiadomość: materia nie jest dobrym kandydatem na Byt Absolutny, ponieważ nie spełnia podstawowych cech, jakie według filozofów winien On spełniać[20]. A ponieważ filozofowie wszelkich orientacji w jednym pozostają zgodni: Byt Absolutny istnieć musi, przeto wiadomość, że nie jest nim materia musiała postawić materialistów w niezbyt komfortowej sytuacji.

Czy dziś materialiści mogą czuć się pokrzepieni? Mam mieszane uczucia. Wszak zawsze twierdzili, że liczy się tylko to, co się da zważyć, zmierzyć, dotknąć, jednym słowem – zaobserwować. Tymczasem ciemna materia i ciemna energia, stanowiące 96% zawartości Wszechświata, póki co starannie się przed naszymi możliwościami obserwacyjnymi ukrywają. W tym sensie nie dysponują cechami, które materialiści chcą im przypisywać. Za to stają się coraz bardziej podobne do Boga, który też się skrywa przed naszymi urządzeniami obserwacyjnymi (podobne nie znaczy tożsame; proszę mnie tu nie posądzać o panteizm!). Dla materialistów, którzy chełpią się tym, że liczy się tylko wiedza, świadomość , iż w tym stanie rzeczy zdani są na wiarę, sytuacja wciąż daleka jest od komfortu.

… i teologiczna

W eseju Czy Pan Bóg jest przeciw technologii[21] dokonałem aktu antropomorfizacji Boga rozumianego jako Ojca. Ma ona swe źródło w głębokiej wierze w Jego zakorzenienie w świecie, w historii. We wielu religiach relacje między Bogiem a światem nie kończą się na akcie stwórczym. Bóg ze swym ojcowskim stosunkiem do człowieka otacza go troską, jest obecny na dobry i zły czas. W chrześcijaństwie, dowodząc swej ojcowskiej troskliwości, Bóg daje i realizuje obietnicę odkupienia świata.

Relację Bóg Ojciec – człowiek próbowałem oszacować, obserwując ojca wychowującego swoje dzieci, który w miarę ich dorastania sprzyja usamodzielnieniu pro­wadzącemu do ustalenia się stanu partnerstwa. Skoro Bóg jest Ojcem, to cze­mu nie miałby stopniowo dozować zakresu naszego poznania ergo naszych możliwości – w mia­rę dojrzewania i wzrostu odpowiedzialności?

Dziś spytam: Ojcze nasz, co się stało, skoro zamiast świetlanej przyszłości rysuje się nam ponura perspektywa Wielkiego Chłodu? Czy to jakaś – znów wracam do konwencji piłkarskiej, wszak mówią, żeś Sędzią także – żółta kartka?

Tadeusz Solecki

___________________________________________________

[1] słowo "Wszechświat" piszę dużą literą jako imię własne, gdyż rozważania dotyczą naszego Wszechświata a nie hipotetycznych elementów Multiverse.

[2] na podstawie danych dostarczonych przez satelitę WMAP

[3] http://www.fizyka.net.pl

[4] https://news.uchicago.edu/article/2011/06/06/new-data-still-have-scientists-dark-over-dark-matter

[5] http://www.deltami.edu.pl/temat/fizyka/struktura_materii/2011/10/31/Ciemna_materia_ciekawe_czasy/

[6] http://pl.wikipedia.org/wiki/Zasada_kopernika%C5%84ska

[7] http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/cosmic-expansion.html

  Earth Not Center Of The Universe, Surrounded By “Dark Energy”, Science Daily. s. 2008-12-19

[8] http://autodafe.salon24.pl/283790,a-jednak-nowa-fizyka

[9] http://newscenter.berkeley.edu/2010/03/10/general_relativity/

[10] http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1102/1102.3913v1.pdf

[11] http://www.cfa.harvard.edu/news/2011/pr201129.html

[12] Tadeusz Solecki, Muzyka Sfer Niebieskich – opowiadania SF, wyd. „W Drodze”, 2009

[13] A.H. Guth, Wszechświat Inflacyjny, Pruszyński i S-ka 2000

[14] Adam G.Riess i Michael S.Turner, Od supernowych do antygrawitacji, „Świat Nauki”, nr 3/2004, s. 42-47.

[15] pl.wikipedia.org/wiki/Ciemna_energia

[16] Wun-Yi Shu, Cosmological Models with No Big Bang, http://arxiv.org/abs/1007.1750

[17] http://www.universetoday.com/84934/antigravity-could-replace-dark-energy-as-cause-of-universes-expansion/

[18] http://aegis.web.cern.ch/aegis/home.html

[19] Kazimierz Grotowski, Astronomia i fizyka – stosunki doskonałe, czy raczej stulecia wzajemnych, coraz bardziej kłopotliwych pytań? -, Instytut Fizyki UJ (http://www.if.uj.edu.pl/Foton/97/pdf/02%20grotowski.pdf)

[20] Michał Heller, Dyskusje na temat nieskończoności Wszechświata, Znak nr 237, s. 361 (Bóg fizyków-188-189)

[21] Tadeusz Solecki, Czy Pan Bóg jest przeciw technologii?, „W drodze” nr 10/1987