Przez tysiące lat ludzie myśleli albo że Wszechświat istniał od zawsze, albo że został stworzony 6 tysięcy lat wcześniej czy coś w tym rodzaju. Dopiero powstanie ogólnej teorii względności było przełomem – mówi w Radiu Naukowym dr Stanisław Bajtlik z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN. – Już w latach 20.  ubiegłego wieku odkryto, że z tej teorii wynika, iż Wszechświat miał początek, że musi się rozszerzać. Szybko potwierdzono to obserwacyjnie: zauważono, że galaktyki oddalają się od siebie i to z prędkością proporcjonalną do odległości między nimi. Jeżeli się oddalają, to znaczy że w przeszłości musiały być bliżej siebie – dodaje.

Stąd dalej idące wnioski. – Jeżeli cofniemy się w głąb czasu, to zrozumiemy, że kiedyś musiała być taka epoka, w której nie mogło być gwiazd, bo odległości między nimi byłyby tak małe, że atomy, z których są zbudowane, nie wiedziałyby, do której gwiazdy należą. Jeszcze wcześniej musiała być taka epoka, w której nie mogło być atomów, bo odległości między nimi byłyby mniejsze niż ich rozmiary – opowiada astrofizyk.

Niemniej koncepcja wielkiego początku, Wielkiego Wybuchu (nazwa „Big Bang” została użyta ironicznie, ale się przyjęła), wywoływała dużą niechęć. Wiązało się z nią (i wiąże) sporo kłopotów. Dlaczego Wszechświat, gdzie nie spojrzeć, w dużej skali jest jednorodny? Dlaczego jego geometria jest płaska (czyli suma kątów w trójkącie wynosi 180 stopni)? To wcale nie jest oczywiste. Dziś zwykle tłumaczy się to zjawiskiem kosmicznej inflacji – ale ta wciąż nie została udowodniona.

O samych początkach dużo jeszcze nie wiemy i niewykluczone, że nigdy się nie dowiemy. Nie powinniśmy jednak lekceważyć gigantycznego postępu nauki w ostatnich dekadach. Ile się dowiedzieliśmy, odkąd dr Bajtlik zajmuje się nauką? – To jest nieporównywalne! Kiedy kończyłem studia, nie było teorii inflacji kosmicznej. Nie było żadnej hipotezy, która wyjaśniałaby, jak powstały pierwotne fluktuacje gęstości, z których powstały galaktyki… – wylicza astrofizyk.

W podcaście rozmawiamy o zmaganiach naukowców z odkrywaniem początków Wszechświata, zastanawiamy się nad tym, czy w ogóle istniała chwila zero, i dotykamy granic poznania – czy era Plancka jest granicą dla naszego pojmowania nie do przekroczenia? Posłuchajcie!

Obrazek: frament mapy mikrofalowego promieniowania tła, pokazująca obraz wczesnego Wszechświata; obraz uzyskany przez satelitę Planck

 

TRANSKRYPCJA

INTRO

Stanisław Bajtlik: Astronomia właśnie dzięki rozwojowi fizyki, dzięki rozwojowi instrumentów astronomicznych pozwoliła nam badać rzeczy, które się dzieją na końcu Wszechświata. A im coś jest dalej, tym jest starsze.

Karolina Głowacka: Co i skąd wiemy o samych początkach Wszechświata? Jak głęboko w jego historię jesteśmy w stanie sięgnąć? I jak wiele dowiedzieliśmy się w ciągu ostatnich dekad? Nazywam się Karolina Głowacka, to jest Radio Naukowe – podcast, który działa i rozwija się dzięki wsparciu patronek i patronów w serwisie Patronite. W tym odcinku o numerze sześćdziesiąt temat klasyczny – Wielki Wybuch i jego tajemnice. Zaczynamy.

***

K.G.: Gościem Radia Naukowego jest doktor Stanisław Bajtlik z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika – jedna z legend popularyzacji astronomii w Polsce. Dzień dobry.

S.B.: Dzień dobry, dziękuję za taką ocenę. [śmiech]

K.G.: Zdradzę państwu trochę kulis – otóż nagrywamy naszą rozmowę w sali wykładowej Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika, tak że okoliczności są bardzo piękne. A będziemy rozmawiać o samych początkach. Mam takie pytanie wstępne, to znaczy, czy twoim zdaniem my jako ludzie nauki wiemy dużo, czy mało o początkach Wszechświata?

S.B.: Nic nie jest duże ani małe samo z siebie tylko zawsze w porównaniu. W porównaniu z tym, co wiedzieliśmy jeszcze sto lat temu, a nawet powiedzmy, jeszcze siedemdziesiąt lat temu, to wiemy bardzo dużo. Bardzo dużo. Czy to jest obiektywnie dużo, to znaczy w stosunku do jakiejś pełnej, ostatecznej prawdy o Wszechświecie i o jego początkach, to trudno ocenić. Bo po prostu nie wiemy, ile jeszcze nie wiemy.

K.G.: Ale sporo wiemy, to na pewno.

S.B.: Bardzo dużo wiemy.

K.G.: Bo my się skupiamy zwykle na tym, że nie wiemy. Że jeszcze nie wiemy tych samych początków, czy był ten czas, czy go nie było…

S.B.: Ja myślę, że to, co jest bardzo ważne, to jest to, że w dużej mierze zdajemy sobie sprawę z tego, czego jeszcze nie wiemy. Przez tysiące lat ludzie myśleli albo, że Wszechświat nie miał początku, to znaczy, że istniał od zawsze, albo myśleli, że Wszechświat został stworzony sześć tysięcy lat temu czy coś w tym rodzaju.

Dopiero powstanie ogólnej teorii względności było momentem przełomowym dlatego, że już w latach dwudziestych ubiegłego wieku odkryto, że z tej teorii wynika, iż Wszechświat miał początek. Dlatego, że odkryto, że Wszechświat musi się rozszerzać.

To zostało bardzo szybko, po kilku latach potwierdzone obserwacyjnie jako efekt tzw. ucieczki galaktyk. Zauważono, że galaktyki, które są takimi podstawowymi cegiełkami rozkładu materii we Wszechświecie – to są skupiska setek miliardów gwiazd – oddalają się od siebie i to z prędkością proporcjonalną do odległości pomiędzy nimi. Jeżeli galaktyki się oddalają, to znaczy, że w przeszłości musiały być bliżej siebie. To znaczy, że musiał być taki moment, w którym nie mogło być galaktyk dlatego, że byłyby tak blisko siebie, że gwiazdy nie rozróżniałyby tych galaktyk, nie wiedziałyby, do której galaktyki należą. Jeżeli cofniemy się jeszcze dalej w głąb czasu, to zrozumiemy, że kiedyś musiała być taka epoka, w której nie mogło być nawet gwiazd dlatego, że odległości pomiędzy nimi byłyby tak małe, że atomy, z których są zbudowane, nie wiedziałyby, do której gwiazdy należą. Jeszcze wcześniej musiała być taka epoka, w której nie mogło być atomów dlatego, że odległości pomiędzy nimi byłyby mniejsze niż ich rozmiary. Musiała powstać taka zupa, mieszanina elektronów i jąder atomowych. Jeszcze wcześniej nie mogło być nawet jąder atomowych, bo nukleony, czyli protony i neutrony, z których są zbudowane, byłyby zbyt blisko siebie. A jeszcze wcześniej musiała być taka epoka, w której nie mogło być nawet nukleonów. Wszechświat musiał być wypełniony taką zupą kwarkową.

Co więcej, w latach sześćdziesiątych odkryto coś, co zostało przewidziane znacznie wcześniej, coś, co zostało przewidziane w latach czterdziestych ubiegłego wieku – odkryto tzw. mikrofalowe promieniowanie tła. To jest promieniowanie elektromagnetyczne, które wypełnia równomiernie cały Wszechświat. Promieniowaniu elektromagnetycznemu można przypisać temperaturę. I obecnie ta temperatura wynosi dwa i siedem dziesiątych Kelwina.

K.G.: Czyli bardzo, bardzo, bardzo mało.

S.B.: To jest blisko zera absolutnego. Czyli Wszechświat jest bardzo zimny. Ale jeżeli prześledzimy losy tego promieniowania w przeszłości, podobnie jak cząstek materii, no to im bardziej się cofniemy w przeszłość, tym to promieniowanie musiało mieć wyższą temperaturę. Czyli w tym momencie, do którego przed chwilą dojechaliśmy, wtedy, kiedy Wszechświat był wypełniony tą taką zupą kwarkową, to promieniowanie musiało mieć ogromną temperaturę.

K.G.: Bardzo chętnie będę wędrować przez ten czas, kiedy już coś wiemy o Wszechświecie, natomiast chciałabym jeszcze zapytać o jedną ciekawostkę. Czy to jest prawda, że kiedy się włączy telewizor i nie ma żadnego kanału, tylko śnieży, to jakiś tam odsetek tego, co śnieży, to to jest właśnie mikrofalowe promieniowanie tła, czyli echo Wielkiego Wybuchu?

S.B.: Tak, to prawda. Około jeden procent mocy tego szumu na ekranie telewizora to jest właśnie rejestrowane przez antenę mikrofalowe promieniowanie tła.

K.G.: Czyli możemy oglądać Wielki Wybuch.

S.B.: Możemy oglądać, w tym sensie możemy oglądać. Ale teraz wracając do tej opowieści, to dojechaliśmy do takiej epoki, w której Wszechświat był wypełniony fotonami o bardzo wysokiej energii, czyli cząstkami światła, cząstkami promieniowania elektromagnetycznego oraz kwarkami. Tu zaczynają się problemy. Jak daleko w przeszłość możemy ekstrapolować? Niektórzy uważają, że możemy się posunąć jeszcze, jeszcze dalej. Inni uważają, że dosyć szybko dochodzimy do momentu, w którym materia znajdowała się w stanie, w którym załamują się znane nam prawa fizyki. I tutaj jest spór, jak daleko możemy się posunąć, ale wielu fizyków, może nawet większość, uważa, że możemy się cofnąć do epoki, w której wiek Wszechświata wynosił około dziesięciu do minus trzydziestej trzeciej sekundy. Czyli to jest zero, przecinek, zero, zero, zero i na trzydziestym pierwszym miejscu po przecinku jedynka. Taki niewyobrażalnie mały ułamek sekundy. Do tego momentu możemy dojechać, stosując znane nam z ziemskich laboratoriów prawa fizyki.

K.G.: Ale to jest chyba trochę później niż ta słynna era Plancka?

S.B.: To jest później niż era Plancka, tak. Niektórzy uważają, że możemy się cofnąć do tzw. ery Plancka. To jest chyba dziesięć do minus czterdziestej trzeciej sekundy. Czyli zero, przecinek, zero, zero, zero i jest jedynka. Wtedy już na pewno prawa fizyki nie działają dlatego, że rozmiar tego przyczynowo związanego Wszechświata jest mniejszy niż rozmiary najmniejszych cząstek elementarnych.

K.G.: To zacznijmy od początku. Znaczy, od początku – czymkolwiek ten początek jest. Ale to może ustalmy właśnie po kolei: ta era Plancka – dziesięć do minus czterdziestej trzeciej sekundy – nieprawdopodobnie mały czas. I mówisz, że się załamują prawa fizyki – to znaczy, tak, jak my je opisujemy?

S.B.: Tak, te prawa, które znamy.

K.G.: I dlatego tam nie możemy sięgnąć? Bo nie możemy tego zweryfikować? Możemy sobie tylko dywagować?

S.B.: Nie, bo nie znamy praw fizyki, które opisywałyby Wszechświat w takim stanie. Mało tego – niektórzy fizycy uważają, że to jest moment, w którym załamuje się nasze rozumienie przestrzeni i czasu. Są takie teorie, ale oczywiście to są głównie matematyczne spekulacje, że wtedy ujawnia się taka ziarnista struktura samej przestrzeni. Przestrzeń  wydaje nam się czymś zupełnie ciągłym, to znaczy, że możemy z jednego punktu przesuwać się do dowolnie bliskiego drugiego punktu w ciągły sposób. Niektórzy fizycy badają takie matematyczne teorie, które przewidują, że przestrzeń wtedy jak gdyby rozpada się, staje się dyskretna.

K.G.: Czyli też ma jakby cząstki, takie schodki?

S.B.: Wyobraźmy sobie zeszyt w kratkę. I wyobraźmy sobie, że reguły przesuwania ołówka po tym zeszycie są takie, że możemy się przesunąć tylko od jednego skrzyżowania tych linii tworzących kratkę do drugiego skrzyżowania, ale że nie możemy się znaleźć pomiędzy tymi punktami. Takie teorie też są rozważane.

K.G.: I tak być może mogło być na tym samiusieńkim początku?

S.B.: Tego nie wiemy.

K.G.: A był wtedy czas czy nie?

S.B.: No właśnie z czasem jest podobny problem: jest pytanie, kiedy ten czas się urodził. Jeżeli była ta chwila zero, kiedy wszystko się zaczęło… Bo też można sobie spekulować na temat takich teorii, w których takiej chwili nie było. No i tu są różne możliwości.

K.G.: Trochę nam się też załamuje taki język mówiony. Jak o tym opowiadać?

S.B.: On się załamuje, bo staramy się te bardzo trudne i głównie matematyczne rzeczy uprościć i uprzystępnić, ale ci, którzy się tym zajmują, posługują się tymi pojęciami w ścisły sposób. Z tym początkiem Wszechświata są jeszcze takie oto problemy: kiedy obserwujemy Wszechświat dzisiaj, to patrząc w jednym danym kierunku na niebo, możemy zmierzyć temperaturę promieniowania tła i przekonać się, że ona wynosi dwa i siedem dziesiątych Kelwina. Możemy policzyć, jaka jest gęstość galaktyk, czyli liczba galaktyk w jednostce objętości obserwowanych w danym kierunku. Ale jak spojrzymy w kierunku przeciwnym, to zmierzymy taką samą temperaturę promieniowania tła i wyznaczymy taką samą liczbę galaktyk w jednostce objętości. Tymczasem te obszary znajdują się w takiej odległości, że światło w ciągu całego wieku Wszechświata nie mogło przelecieć z tego obszaru w pierwszym kierunku do obszaru w drugim kierunku. Prędkość światła jest skończona.

K.G.: W tym sensie, że my jesteśmy w swoim miejscu obserwacyjnym i patrzymy, powiedzmy w uproszczeniu, w prawo. No i z tego prawo bardzo długo leciało do nas to światło i zdążyło do nas dolecieć…

S.B.: Przez cały wiek Wszechświata, który wynosi około czternastu miliardów lat.

K.G.: Tak. Ale jak spojrzymy w nasze – tu jest bardzo duża umowność – lewo, no to stamtąd też do nas leci, ale to jest skrajny punkt z lewej i z prawej, one by się właśnie wzajemnie nie widziały. O to tutaj chodzi.

S.B.: Tak, o to chodzi. One mają takie same własności. I powstaje pytanie dlaczego. Na ogół, jeżeli coś jest takie homogeniczne, czyli jednorodne, to znaczy, że w każdym punkcie ma takie same własności, to wynika to z tego, że pomiędzy tymi punktami możliwe było jakieś oddziaływanie. Cząstki się mogły zderzać, mogły przenikać z jednego punktu do drugiego, ciepło, czyli światło mogło przechodzić z jednego punktu do drugiego. Tymczasem tutaj mówimy o obszarach, które nie mogły być w żadnej komunikacji ze sobą. Mało tego – wcale nie trzeba patrzeć w prawo i w lewo, czyli w kierunkach przeciwnych. Jak spojrzymy w jakimś kierunku na niebo, to wystarczy, że przesuniemy nasze obserwacje o kilka kątowych stopni i już zobaczymy obszar, który w ciągu całego wieku Wszechświata nie mógł być w przyczynowym kontakcie z tym pierwszym obszarem.

K.G.: No ale jak nie mógł być? A na tym samym początku nie mógł być?

S.B.: No właśnie o to chodzi, że nie mógł. Dlatego, że na samym początku wiek Wszechświata był bardzo krótki – ułamek sekundy. I wtedy odległości pomiędzy tymi obszarami, chociaż były bardzo małe, no to ten czas dostępny był jeszcze na tyle mały, że te obszary się nie mogły komunikować. To był jeden z paradoksów i problemów teorii Wielkiego Wybuchu – jak to jest możliwe, że Wszechświat jest taki jednorodny.

Drugim takim problemem teorii Wielkiego Wybuchu było: dlaczego Wszechświat jest taki – jak mówią w swoim żargonie fizycy – płaski. Ogólna teoria względności przewiduje, że czasoprzestrzeń może być zakrzywiona. Jeżeli materii jest mało, to przestrzeń ma, jak się mówi, ujemną krzywiznę. To znaczy, trudno jest to sobie wyobrazić w przypadku trójwymiarowej, a jeszcze bardziej czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Ale jeżeli byśmy sobie zbudowali taki model dwuwymiarowego Wszechświata, taki, że żyjemy nie w trójwymiarowej przestrzeni, ale w dwuwymiarowej, to wtedy geometria tego Wszechświata odpowiadałaby powierzchni siodła. Suma kątów w trójkącie, która na płaskiej kartce papieru, zawsze wynosi sto osiemdziesiąt stopni, jak nas uczą w szkołach, na powierzchni siodła zawsze będzie sumą kątów mniejszą od stu osiemdziesięciu stopni. Ale jeśli materii jest dużo, to geometria Wszechświata w tym dwuwymiarowym analogu będzie odpowiadać powierzchni kuli. Na powierzchni kuli sumy kątów we wszystkich trójkątach są większe od stu osiemdziesięciu stopni. I jest wyróżniona geometria – Wszechświat może mieć geometrię płaską i ten dwuwymiarowy Wszechświat, ten analog odpowiadałby po prostu powierzchni stołu. I sumy kątów w dowolnych trójkątach zawsze wynosiłyby sto osiemdziesiąt stopni.

K.G.: I tak jest? Nawet w bardzo dużych skalach?

S.B.: I z obserwacji astronomicznych wynika, że Wszechświat z bardzo dużą dokładnością ma geometrię odpowiadającą właśnie tej geometrii płaskiej, w dwuwymiarowym analogu powierzchni stołu. Tymczasem z równań ogólnej teorii względności wynika, że jest to możliwe wyłącznie w przypadku niesłychanie precyzyjnie dobranych tzw. warunków początkowych. To znaczy, że na początku Wszechświata, bo rozmawiamy przecież głównie o początku, średnia gęstość materii wypełniającej Wszechświat, czyli masa w danej jednostce objętości, musiała być bardzo dobrze dostrojona do tego warunku, który zapewni, że Wszechświat będzie miał geometrię euklidesową, geometrię płaską, taką jak powierzchnia stołu.

K.G.: A gdyby był siodełkiem albo gdyby był kulą, to co by było?

S.B.: Gdyby był kulą ten dwuwymiarowy analog, czyli nasz trójwymiarowy Wszechświat miałby inną geometrię, to Wszechświat zakończyłby swoją ewolucję błyskawicznie, zanim powstałyby gwiazdy czy galaktyki. Z kolei, gdyby miał geometrię taką jak siodło, to też bardzo szybko by się rozjechał. I znowu, materia nie mogłaby w tym Wszechświecie utworzyć gwiazd ani galaktyk.

Powstaje pytanie, dlaczego Wszechświat uzyskał te własności, które zapewniają, że istnieje czternaście miliardów lat, że powstały galaktyki, że powstały gwiazdy i że w końcu mogło powstać życie. To była zagadka.

Na początku lat osiemdziesiątych zaproponowano rozwiązanie problemów teorii Wielkiego Wybuchu. Tym rozwiązaniem miała być teoria kosmicznej inflacji. Zgodnie z tą teorią oprócz zwykłej materii atomów, tego, z czego jesteśmy zrobieni my, powietrze wokół nas, woda itd., wiemy, że istnieje we Wszechświecie tzw. ciemna materia, czyli materia, której jeszcze nie wykryliśmy w laboratorium, ale widzimy skutki jej istnienia we Wszechświecie.

Ale oprócz tych dwóch składników Wszechświat w ogromnej mierze, w około siedemdziesięciu czy siedemdziesięciu pięciu procentach wypełniony jest tajemniczym ośrodkiem o niezwykłych własnościach. Jest to tzw. ciemna energia. To jest tylko nazwa. Ale jest to pewien ośrodek, który ma niezwykłe własności, które polegają na tym, że po pierwsze ma ujemne ciśnienie, a po drugie ma taką dziwną własność, że jeśli zamkniemy go w naczyniu i będziemy to naczynie powiększać, czyli np. wtłaczamy go do cylindra z tłokiem i ten tłok wyciągamy tak, że objętość wypełniona tym ośrodkiem wewnątrz cylindra powiększa się, to jeśli to zrobimy np. ze zwykłym gazem…

K.G.: To się rozrzedzi.

S.B.: To się rozrzedzi. Tymczasem ten ośrodek ma taką własność, że jego gęstość będzie stała. Pomimo powiększającej się objętości. I te dwie niezwykłe własności sprawiają za przyczyną tego, iż w ogólnej teorii względności tym, co decyduje o, nazwijmy to, grawitacji, czyli to, co ma wpływ na kształt czasoprzestrzeni, a to z kolei ma wpływ na to, jak się ciała poruszają, jest nie tylko materia, nie tylko gęstość materii, tak, jak w teorii Newtona, w prawie powszechnego ciążenia, ale również ciśnienie.

I to ujemne ciśnienie sprawia, że, jak wynika z równań Einsteina, na początku Wszechświata, kiedy ta ciemna energia dominowała w sensie masy, gęstości nad zwykłą materią i nad ciemną materią, że Wszechświat rozszerzał się w niezwykle szybki sposób. Rozszerzał się w tempie eksponencjalnym, czyli odległości we Wszechświecie zwiększały się zgodnie z prawem e, czyli podstawa logarytmów naturalnych, do potęgi t, czyli czas. W tempie eksponencjalnym, bardzo szybkim. Dzisiaj Wszechświat rozszerza się w tempie potęgowym, to znaczy odległości pomiędzy dowolnie wybranymi punktami powiększają się jak czas do którejś potęgi, a więc o wiele wolniej. I ten gwałtowny, eksponencjalny rozwój, rozrost czy powiększanie się Wszechświata spowodował, że nawet jeśli początkowo ta gęstość materii nie była tak dostrojona, żeby sprawić, że Wszechświat jest płaski, to wskutek tej gwałtownej ekspansji taka się stała.

K.G.: Czyli to by znaczyło, że to nie jest nic szczególnego, ta płaskość.

S.B.: Teoria kosmicznej inflacji właśnie chce tak postulować. Druga rzecz wynikająca z teorii inflacji jest taka, że te obszary, które nam się wydaje, że nigdy nie były w kontakcie przyczynowo-skutkowym, na samym początku Wszechświata były. Były bardzo blisko siebie. Ale wskutek tej gwałtownej, eksponencjalnej, inflacyjnej epoki, w której Wszechświat się rozszerzał, one się rozjechały, one wyjechały poza to, co naiwnie nazywalibyśmy tym horyzontem zdarzeń, tym obszarem przyczynowo związanym. Ponieważ ten obszar się z czasem powiększał, to one jak gdyby z powrotem wjechały do obszaru, który jest objęty tym horyzontem zdarzeń. Czyli, że my obserwujemy te odległe, przeciwległe obszary i myśląc, że Wszechświat cały czas się rozszerzał w tempie potęgowym, widzimy, że mamy paradoks, bo te obszary nie mogły być ze sobą przyczynowo związane. Natomiast, jeżeli uwzględnimy, że była epoka, w której Wszechświat rozszerzał się w tym tempie inflacyjnym, to z tego wynika, że one były kiedyś w obszarze przyczynowo związanym, wyjechały z niego, a potem ten obszar się powiększył i z powrotem je objął.

K.G.: To kiedy była inflacja i jak długo trwała?

S.B.: No tego nie wiadomo, bo to ciągle są spekulacje. Nie mamy obserwacyjnych dowodów na inflację. Dowody są tak logiczne, że jeżeli chcemy się pozbyć tego paradoksu przyczynowości, jeżeli się chcemy pozbyć tego paradoksu płaskości Wszechświata, to możliwe, że inflacja rzeczywiście była na samym początku Wszechświata. Potem się skończyła dlatego, że gęstość tej ciemnej energii już nie pozwalała napędzać tej inflacji. I ta inflacja była mniej więcej w epoce dziesięć do minus trzydziestej trzeciej sekundy i trwała bardzo krótko, trwała maleńki ułamek sekundy, ale to wystarczyło, żeby nadać Wszechświatowi te własności, które dzisiaj obserwujemy.

Ale powtarzam, to jest ciągle hipoteza. Poszukujemy dowodów na to, że inflacja rzeczywiście miała miejsce. I jak się wydaje, w tej chwili jedyną drogą do obserwacyjnego, choć pośredniego wykazania, potwierdzenia, że inflacja rzeczywiście nastąpiła, są obserwacje mikrofalowego promieniowania tła. Powiedziałem, że ono wypełnia Wszechświat w taki bardzo równomierny sposób. Prawie równomierny. To jest najstarsze światło we Wszechświecie. Obserwując rozkład temperatury tego promieniowania na całym niebie, my budujemy coś w rodzaju fotografii Wszechświata w wieku niemowlęcym.

K.G.: Kiedy to było? Trzysta tysięcy lat?

S.B.: Około trzystu tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Odstępstwa od równomierności rozkładu temperatury na niebie są bardzo małe. To jest mniej więcej jedna stutysięczna część Kelwina różnicy temperatury pomiędzy jednym a drugim punktem na niebie. I te różnice są fotografią takich pierwotnych nierównomierności w rozkładzie materii. I te nierównomierności odegrały fundamentalną rolę dlatego, że z nich wskutek niestabilności grawitacyjnej powstały później galaktyki, gwiazdy, gromady galaktyk. Powstała ta wielkoskalowa struktura, którą obserwujemy we Wszechświecie.

W tym promieniowaniu tła w rozkładzie temperatury na niebie zawarte jest nie tylko to zdjęcie niemowlęcego Wszechświata, ale także bardzo ważna informacja o tym, jakie były prędkości materii. Takie swoiste prędkości niezależne od prędkości wynikających z ekspansji Wszechświata. Takie ruchy materii we wczesnym Wszechświecie. I to jest zapisane w polaryzacji tego promieniowania. Mikrofalowe promieniowanie tła to jest promieniowanie elektromagnetyczne, w pewnym sensie można powiedzieć, że to jest światło. Otóż światło jest falą elektromagnetyczną, czyli jest zaburzeniami pola elektrycznego i magnetycznego w przestrzeni. To pole można opisać przy pomocy wektora, czyli takiej strzałki. Fotony niosą informację o tym, jak ten wektor jest zorientowany. Polaryzacja polega na ułożeniu tych wektorów w jednej płaszczyźnie. Mikrofalowe promieniowanie tła jest częściowo spolaryzowane. I ta polaryzacja była obserwowana. Taką polaryzację nazywamy polaryzacją liniową. Czyli tak, różnica temperatur, ta jedna stutysięczna Kelwina niesie informację o rozkładzie gęstości materii w niemowlęcym Wszechświecie. Badanie polaryzacji liniowej pozwala wyznaczyć, jakie były różnice prędkości pomiędzy różnymi obszarami.

Ale jest jeszcze inny rodzaj polaryzacji, tzw. polaryzacja kołowa. I ta polaryzacja byłaby wywołana tłem fal grawitacyjnych generowanych przez inflację. Z teorii inflacji wynika, że inflacja powinna generować fale grawitacyjne. O falach grawitacyjnych ostatnio bardzo dużo się mówiło, tylko że te fale grawitacyjne, które udało się zarejestrować w ziemskich laboratoriach, to są fale, które powstają w wyniku zderzeń czarnych dziur, zderzeń gwiazdy neutronowej z czarną dziurą, zderzeń dwóch gwiazd neutronowych. Czyli zdarzeń, które wydarzyły się stosunkowo blisko i stosunkowo niedawno. Dlatego te fale są dosyć silne. Trzydzieści lat zajęło zbudowanie detektorów, które byłyby w stanie je wykryć.

K.G.: Są ultradelikatne, wrażliwe i precyzyjne, tak.

S.B.: To tło fal grawitacyjnych, które powstałoby w wyniku inflacji, jest o wiele, o wiele słabsze i ma zupełnie inne długości fal, niż to, co mogą zarejestrować nasze detektory.

K.G.: Czyli technicznie nie do zrobienia jest to, żebyśmy mogli zarejestrować takie fale?

S.B.: No właśnie mamy nadzieję, że to zrobimy.

K.G.: Jednak? Bezpośrednio?

S.B.: Pośrednio. To znaczy, tego typu fale grawitacyjne, oddziałując, wpływając na to promieniowanie tła, wywoływałyby w tym promieniowaniu polaryzację kołową. Możliwość rejestracji tej polaryzacji kołowej jest na granicy naszych obecnych technicznych możliwości. Były już doniesienia o wykryciu tej polaryzacji kołowej. Nie zostały potwierdzone.

K.G.: Pamiętam, kilka lat temu huknęło w Internecie.

S.B.: Tak. Eksperyment BICEP na Antarktydzie i takie rzeczy. Tak więc jest szansa, że zarejestrujemy polaryzację kołową i wtedy będziemy mogli powiedzieć coś o tym tle fal grawitacyjnych i zobaczyć, czy to jest taki sygnał, jakiego spodziewamy się w wyniku inflacji. Będzie to oczywiście bardzo pośrednia, ale jednak wskazówka, że teoria inflacji jest poprawna.

K.G.: Chciałoby się oczywiście zarejestrować bezpośrednio takie fale grawitacyjne, poinflacyjne, ale to chyba naprawdę jest niemożliwe, bo o ile sobie dobrze przypominam, ta amplituda pierwszych fal grawitacyjnych, które zarejestrowaliśmy, zdaje się, że była chyba mniejsza od rozmiarów atomu.

S.B.: Od rozmiarów protonu.

K.G.: Od rozmiarów protonu, tak. Czyli leciała sobie fala grawitacyjna z czarnych dziur, względnie nieodległych i względnie niedawno się to wydarzyło w porównaniu z inflacją, o czym rozmawiamy. I jak one przechodziły przez Ziemię, to czasoprzestrzeń zafalowała w amplitudzie mniejszej niż proton, a my byliśmy w stanie to zarejestrować. To jest naprawdę fenomenalne. Chciałabym zapytać jeszcze o taką rzecz: dlaczego era Plancka – wracając do tych samiutkich początków – to jest właśnie dziesięć do minus czterdziestej trzeciej sekundy? Dlaczego akurat taki czas jest tutaj istotny?

S.B.: W fizyce są takie stałe fundamentalne. Kiedyś jak chodziliśmy do szkoły dziesiątki lat temu, to musieliśmy nosić w tornistrze tablice fizyczne. I to były takie grube książeczki i tam były tysiące stałych fizycznych.

Dzisiaj rozumiemy, że tak naprawdę to nie były żadne stałe fizyczne, bo to były wielkości, które możemy wyliczyć, np. prędkość dźwięku w wodzie można obliczyć z pierwszych zasad, z fundamentalnych praw fizyki. Oczywiście nikt tego nie robi, to się mierzy w eksperymencie i szkoda sobie tym zawracać głowy. Poza tym to jest bardzo trudne w wielu przypadkach, ale akurat w wodzie to jest łatwe. Albo własności mechaniczne jakichś ciał stałych czy coś takiego. Więc to nie są prawdziwe stałe fizyczne.

Takie fundamentalne stałe fizyczne to są takie wielkości jak stała grawitacji, czyli to jest ta stała, która pojawia się w prawie powszechnego ciążenia Newtona, tradycyjnie oznaczana literą G. To jest prędkość światła, która wynosi trzysta tysięcy kilometrów na sekundę. To jest stała Plancka, czyli stała, która opisuje różne prawa i różne zjawiska zachodzące w mikroświecie, w świecie cząstek elementarnych i atomów. Z kombinacji iloczynów, ilorazów i odpowiednich potęg tych stałych można zbudować takie wielkości jak właśnie czas. I ten czas nazywamy czasem Plancka. Można zbudować jednostkę masy, stosując inną kombinację tych stałych. I można zbudować kombinację odległości, wielkość o wymiarze odległości – trzeba tylko te stałe fundamentalne połączyć w inny sposób. A więc to jest stała, która stąd się bierze, ale czy ona wyraża coś głębszego, czy wiąże się z jakimś zjawiskiem, które wtedy zaszło, tego nie wiemy.

K.G.: Ale skoro to jest dziesięć do minus czterdziestej trzeciej, to znaczy, że krócej się nie da?

S.B.: Że na pewno znane nam obecnie prawa fizyki wtedy już nie są słuszne. I tutaj na samym początku wspomniałem, że przez tysiące lat ludzie spierali się o to, czy Wszechświat istniał wiecznie, czy też kiedyś miał swój początek. Teraz cały czas mówimy o teorii Wielkiego Wybuchu, która zakłada, że ten Wielki Wybuch nastąpił około czternastu miliardów lat temu, że była ta chwila zero.

Ale wspomniałem też o tej możliwości, o której spekulują fizycy czy matematycy, że na tym samym początku jak gdyby zanika pojęcie przestrzeni i prawdopodobnie również czasu. I są fizycy, m.in. Roger Penrose – laureat nagrody Nobla sprzed kilku lat, którzy budują teorie przewidujące taki cykliczny Wszechświat. To znaczy, że nie było tej chwili zero, że owszem, Wszechświat przechodził przez ten bardzo egzotyczny dla nas etap, ale nie skurczył się do zera i nie miał takiego swojego początku, tylko że było to w miarę płynne przejście od poprzedniej epoki. I Penrose te epoki nazywa eonami. On wyobraża sobie taki cykliczny Wszechświat, który ewoluuje i przechodzi od jednego eonu do drugiego przez takie ekstremalne przejście, które my nazywamy Wielkim Wybuchem, ale które nie musi się wiązać z tą chwilą zero, z tym, że czas się urywa czy też wtedy zaczyna.

K.G.: No to jesteśmy, powiedzmy, w jednym z tych eonów. Co się takiego musi wydarzyć, żeby była powtórka z historii? Gdzie to będzie? To się wszystko tutaj rozjedzie, ten Wszechświat zmarznie do końca, wszystkie gwiazdy wygasną, wszystkie galaktyki się od siebie oddalą, i co?

S.B.: Taka teoria to jest czysta fantazja i spekulacja, i tu są różne możliwości. Wszechświat może się zapaść, skurczyć znowu do takiego bardzo małego rozmiaru i przejść w jakiś taki płynny albo niepłynny sposób do kolejnej epoki. To jest jedna możliwość. Druga możliwość jest taka – i to się niektórym podoba, chociaż większość fizyków uważa to za stratę czasu i czystą spekulację – że nasz Wszechświat jest tylko jednym z wielu. Że można to sobie wyobrazić w ten sposób: jak mamy w wannie pianę z płynu do kąpieli i tam są te bąbelki, to one też tak żyją – rozszerzają się, kurczą, pojawiają, znikają, jest ich bardzo wiele. I ten multiwszechświat według zwolenników takich poglądów składałby się z takich, można to nazwać, domen, czyli takich obszarów, w których obowiązują jakieś prawa fizyki, które mają jakąś swoją ewolucję…

K.G.: Mają też swoje stałe?

S.B.: Mają swoje stałe, oczywiście. I są na tyle duże, że nie jesteśmy w stanie zobaczyć tych innych Wszechświatów, które do tego naszego obszaru przylegają, a tam mogą być inne prawa fizyki, inne stałe fizyczne i w związku z tym zupełnie inna ewolucja.

K.G.: Ale to jest takie zawracanie głowy. To ja też sobie tak mogę pogadać po prostu przy kawie o tym, że o, gdzieś tam coś tam jest jakoś tam inaczej. I kto mi coś zrobi? Bo i tak nikt nigdy tego nie zweryfikuje.

S.B.: No więc od czasu, jak się narodziła nowoczesna nauka, czyli powiedzmy od czasów Keplera, Galileusza, Newtona, Hooke’a, ten gwałtowny rozwój nauki w ostatnich czterystu latach wynikał z wypracowania tzw. metody naukowej, która polega na tym, że nie spekulujemy, tylko obserwujemy, eksperymentujemy. Na podstawie wyników obserwacji i eksperymentów wyciągamy jakieś przypuszczenia, jakieś hipotezy. I te hipotezy są twórcze wtedy, jeśli pozwalają na postulowanie kolejnych obserwacji, nowych obserwacji i nowych eksperymentów. Przeprowadzamy je i sprawdzamy, czy one są zgodne z przewidywaniami tych hipotez. Jeżeli to zrobimy wielokrotnie i uzbieramy bardzo wiele takich potwierdzeń, to wtedy ta hipoteza staje się teorią naukową. I dalej ją sprawdzamy, weryfikujemy, ale to już ma status teorii naukowej. I to jest ta twarda nauka, która działa w ten sposób.

Ale jeśli sobie wyobrazimy, że ta twarda nauka stanowi jakiś obszar, jakąś przestrzeń intelektualną, to ta przestrzeń jest otoczona takim mgławicowym obszarem, w którym pojawiają się… To nawet nie są hipotezy. Pojawiają się spekulacje, które są zupełnie tak oderwane od eksperymentów, od obserwacji, które…

K.G.: I jaki jest twój stosunek do tych spekulacji? Bo ja z tyłu głowy już słyszę teraz protesty: „Nie ma czegoś takiego jak twarda nauka i miękka nauka! Albo jest nauka, albo nie ma nauki”.

S.B.: To jest tak, że ogromna większość tych spekulacji z tego obszaru otaczającego twardą naukę idzie w niepamięć. Ale czasami pojawiają się jakieś takie dzikie hipotezy czy tam spekulacje, które po latach zyskują charakter hipotezy i wchodzą do tego obszaru twardej nauki. Tak że moim zdaniem ta hipoteza wielu światów należy do tego mgławicowego obszaru. Natomiast hipoteza inflacji to już jest tak albo na granicy, albo już w obszarze tej twardej nauki dlatego, że pozwala na postulowanie obserwacji, które ewentualnie by ją potwierdziły. To jest właśnie poszukiwanie tej polaryzacji kołowej w promieniowaniu tła.

K.G.: Czy możemy jeszcze krótko o materii? Jak ona się kształtowała na samiutkich początkach? Bo wiemy, że mamy tam ery – te ery były bardzo krótkie, ale tak dumnie brzmią, że era hadronowa, era leptonowa. Jak to się kształtowało pokrótce oraz skąd my to możemy wiedzieć?

S.B.: Na samym początku Wszechświat był wypełniony taką bardzo gorącą plazmą, czyli mieszaniną cząstek światła i cząstek materii. I tymi cząstkami materii były kwarki, z których w miarę jak Wszechświat ekspandował, to te kwarki się utworzyły w nukleony. Jak Wszechświat liczył sobie około jednej sekundy, to zaczęła się era pierwotnej nukleosyntezy. I wtedy nukleony łączyły się ze sobą i zaczynały tworzyć jądra izotopów najlżejszych pierwiastków, czyli wodoru, helu, trochę litu, bardzo mało berylu. Dalej już Wszechświat zbyt szybko się rozszerzył, stał się zbyt zimny, nie zdążyły powstać cięższe pierwiastki, wszystkie cięższe pierwiastki aż do żelaza powstały wewnątrz gwiazd, w jądrach gwiazd, reaktorach jądrowych, jakimi są gwiazdy. A jeszcze cięższe pierwiastki powstały w bardziej egzotycznych sytuacjach, typu zderzenia gwiazd, oddziaływanie wiatru gwiazdowego z gazem międzygwiazdowym itd.

Więc to była era nukleosyntezy, po czym Wszechświat był wypełniony tymi jądrami izotopów lekkich pierwiastków, fotonami i elektronami. I jak liczył sobie około trzystu tysięcy lat, to stał się na tyle zimny, ale jeszcze dostatecznie gorący, bo wtedy średnia gęstość materii we Wszechświecie wynosiła około jednego grama na centymetr sześcienny, czyli tyle, co gęstość wody i na tyle zimny, że elektrony mogły zostać wyłapane przez te jądra izotopów ciężkich pierwiastków, i powstały neutralne atomy.

K.G.: To trochę to zajęło.

S.B.: No, trzysta tysięcy lat. Natomiast sama pierwotna nukleosynteza, czyli tworzenie jąder tych izotopów trwało trzy minuty. Stąd tytuł słynnej książki Stevena Weinberga Pierwsze trzy minuty. Natomiast w związku z początkiem Wszechświata jest bardzo ciekawe pytanie. Na początku, jeszcze przed powstaniem barionów, czyli protonów, neutronów, było tak gęsto i tak gorąco, że cząstki materii i antymaterii były w równowadze, było ich mniej więcej tyle samo. I powstaje pytanie, dlaczego w dzisiejszym Wszechświecie mamy tylko materię? Nie mamy antymaterii. Skąd się to wzięło? No bo wiadomo, że jak się cząstka materii spotka z cząstką antymaterii, to one, jak to mówimy, anihilują, znikają. Pozostają po nich fotony, żeby się zachowała energia i pęd. Czyli gdyby ta równowaga liczbowa cząstek materii i antymaterii była utrzymana, to one na początku Wszechświata by ze sobą zanihilowały i zostałoby tylko promieniowanie, światło.

K.G.: No i co się takiego stało?

S.B.: No więc właśnie, to jest zagadka. Skąd się wzięła ta nadwyżka cząstek materii nad cząstkami antymaterii? Ta nadwyżka była bardzo niewielka. Jedna dodatkowa cząstka materii na miliard cząstek materii i antymaterii. Te cząstki materii i antymaterii zanihilowały ze sobą, powstało światło, mikrofalowe promieniowanie tła, natomiast ta jedna cząstka już nie miała pary i została.

K.G.: I jesteśmy. I dzięki temu gadamy ze sobą.

S.B.: Tak. Tutaj są różne hipotezy. Na ten temat były prace w latach sześćdziesiątych, m.in. rosyjski fizyk Sacharow tym się zajmował, napisał jedną z pierwszych prac na ten temat. Wygląda na to, że to się wiąże z takimi fundamentalnymi prawami obowiązującymi w świecie cząstek elementarnych, że chodzi o to, że już na poziomie cząstek elementarnych pojawia się asymetria w czasie. Prawa fizyki są odwracalne w czasie. Jak patrzymy na kule bilardowe, to można odwrócić film i wszystko będzie dobrze. Nie zauważymy, że to działa w złą stronę. Tymczasem na poziomie cząstek elementarnych są procesy, które łamią tę symetrię w czasie. Można by powiedzieć tak: gdybyśmy mieli taką kamerę, która by nam pozwoliła nagrać te cząstki elementarne i zobaczyć, jak one się zachowują, to bylibyśmy w stanie, patrząc na ekran, powiedzieć, czy ten film jest puszczony do przodu, czy do tyłu. Właśnie tego typu zjawiska, takie łamiące tę symetrię w czasie prawdopodobnie są odpowiedzialne za powstanie tej nadwyżki cząstek nad antycząstkami.

K.G.: To na koniec: skąd my to wiemy? To znaczy, na podstawie czego jesteś w stanie mi opowiadać o tym, co się działo dziesięć do minus trzydziestej trzeciej sekundy po Wielkim Wybuchu, że najpierw była taka era, później inna, później, co się działo z cząstkami? Skąd my to możemy wiedzieć? No nikt tego nie widział.

S.B.: Wiemy to dlatego, że w XX wieku poznaliśmy świat cząstek elementarnych, poznaliśmy fizykę jądrową…

K.G.: Czyli co my robimy, odtwarzamy trochę warunki Wielkiego Wybuchu?

S.B.: Także. A poza tym wnioski, które wyciągamy z tych wszystkich eksperymentów z cząstkami elementarnymi czy w fizyce reaktorowej, możemy stosować do interpretacji, do wyjaśniania tego, co obserwujemy na niebie. I tak jak fizyka przeżywała swoje wielkie dekady w pierwszej połowie XX wieku i jeszcze tak, powiedzmy, do lat sześćdziesiątych, tak astronomia właśnie dzięki rozwojowi fizyki, który pozwolił na teoretyczne interpretacje wyników, ale przede wszystkim dzięki rozwojowi instrumentów astronomicznych, pozwoliła nam zobaczyć właściwie całą objętość tego przyczynowo związanego Wszechświata i badać rzeczy, które się dzieją na końcu Wszechświata. A im coś jest dalej, tym jest starsze. I to pozwala odtwarzać historię Wszechświata, ale takim zasadniczym przełomem było powstanie ogólnej teorii względności na początku XX wieku i prace takich ludzi jak Lemaître, jak Gamow.

K.G.: Ale też fajne jest to, że właśnie astronomowie się musieli zakolegować z cząstkowcami, prawda? Bo okazuje się, że astronomowie, którzy zajmują się gigantycznymi rzeczami, musieli się porozumieć z cząstkowcami, żeby zrozumieć te najmniejsze podstawy.

S.B.: W tej chwili sytuacja się odwróciła, bo fizyka trochę ugrzęzła. Właśnie po tym Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN-ie nie bardzo widać, skąd mógłby przyjść jakiś przełom. Wiadomo, że przez długi czas nikt nie zbuduje większego instrumentu.

K.G.: Jest planowany, o ile wiem.

S.B.: To jest bardzo odległa sprawa. Przede wszystkim nie ma takiej teoretycznej motywacji. Fizycy nie mogą przyjść do amerykańskiego Kongresu czy do Brukseli i powiedzieć: „Z naszych równań wynika, że jak nam dacie tyle i tyle miliardów, to zbudujemy maszynę, która potwierdzi nasze hipotezy”. Astronomowie są w lepszej sytuacji, bo ciągle jeszcze mogą pójść do odpowiedniej agencji i powiedzieć: „Jak nam dacie tyle i tyle pieniędzy, to my zobaczymy to i tamto”. I co więcej, dotychczas tak było, że każdy instrument astronomiczny nowej klasy przynosił przełomowe odkrycia. I w tej chwili bardzo wielu fizyków, właśnie głównie fizyków cząstek elementarnych „przekwalifikowuje się” na astrofizyków i zajmuje się poszukiwaniem ciemnej materii i badaniami podstaw początków Wszechświata, takimi rzeczami.

K.G.: Wydaje mi się, że jak sięgniesz pamięcią do czasów, kiedy zaczynałeś zajmować się nauką, to w porównaniu z tym, co wiemy teraz, to jest to jakaś zupełnie rewolucyjna zmiana.

S.B.: Oczywiście. To jest nieporównywalne. Wtedy, kiedy ja kończyłem studia, to nie było teorii inflacji kosmicznej, tych niepokojących paradoksów teorii Wielkiego Wybuchu, tego paradoksu płaskości, paradoksu przyczynowości. Nie było żadnej hipotezy, w jaki sposób powstały te pierwotne fluktuacje gęstości, z których potem powstały galaktyki. Pamiętam, że wtedy taki wielki kosmolog Jim Peebles, niedawny laureat nagrody Nobla, powiedział: „Dajcie mi tysiąc przesunięć ku czerwieni galaktyk, a powiem wam, jaka jest struktura Wszechświata”. Czerwieni galaktyk, czyli tych wielkości, które mierzą, jak szybko galaktyki się od nas oddalają. Dzisiaj znamy miliony przesunięć ku czerwieni. Ciągle nie jesteśmy pewni, jaka jest struktura Wszechświata, ale to jest ta skala. Kiedy ja kończyłem studia, to znanych było kilkadziesiąt pulsarów. W tej chwili to są tysiące. Nie znano ani jednej planety pozasłonecznej. Dzisiaj znamy ich tysiące. I tak dalej.

K.G.: Dlatego dobrze jest czasami skupić się na tym, ile nauka się już dowiedziała, bo czasami wydaje mi się, że jako publiczność mamy tendencję do takiego marudzenia, że tego jeszcze nie wiecie, tego jeszcze nie wiecie. A tymczasem naprawdę wiele rzeczy udało się już ustalić.

S.B.: Ale to, co zostało teraz powiedziane, to dotyczy nie tylko astronomii i nie tylko fizyki. Takim absolutnie wstrząsającym sukcesem nauki jest tak szybkie opracowanie szczepionki na COVID-19.

K.G.: To prawda, to prawda. Bardzo dziękuję. Doktor Stanisław Bajtlik, Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk. Dziękuję za rozmowę.

S.B.: Dziękuję.

Tak sobie pomyślałam po rozmowie z doktorem Bajtlikiem, że warto by pociągnąć temat czasu. Kiedy zaczął się czas? To zawsze jest emocjonujące pytanie, prawda? Podobałby się wam taki temat w Radiu Naukowym? Dajcie znać, proszę, koniecznie. I tradycyjnie dajcie znać, proszę, czy podobał wam się ten odcinek. A tymczasem za tydzień w odcinku numer sześćdziesiąt jeden będzie o wirusach. Będziemy rozmawiać o książce Carla Zimmera Planeta wirusów. Czy wirusy sterują życiem na Ziemi?. Książka jest wydana przez Copernicus Center Press – krakowskie znakomite wydawnictwo, a Radio Naukowe objęło książkę dumnym patronatem medialnym. Już teraz serdecznie zapraszam. Dziękuję za uwagę i do usłyszenia.