Zapytaj Ethana: Gdzie jest centrum Wszechświata?

Są dwie rzeczy, których ludzie dowiadują się o Wszechświecie, a które zaskakują ich bardziej niż inne: że Wszechświat nie istnieje od zawsze, lecz tylko przez skończony czas od Wielkiego Wybuchu, oraz że rozszerza się od tego wydarzenia. Większość ludzi intuicyjnie słyszy „bang” i wyobraża sobie eksplozję, a następnie wyobraża sobie ekspansję tak, jak wyobraża sobie odłamki miotane we wszystkich kierunkach. To prawda, że materia i energia we Wszechświecie zaczęły się w gorącym i gęstym stanie naraz, a następnie rozszerzały się i stygły, gdy wszystkie poszczególne składniki oddalały się od siebie. Ale to nie znaczy, że obraz „eksplozji” jest poprawny. Mamy bardzo dobre pytanie od Jaspera Eversa, który zastanawia się:

Zastanawiam się, jak to się stało, że nie ma centrum wszechświata i jak kosmiczne promieniowanie tła jest daleko wszędzie, gdzie spojrzymy. Wydaje mi się, że kiedy wszechświat się rozszerza… powinno istnieć miejsce, w którym zaczął się rozszerzać.

Przecież to, o co pyta to dokładnie to, co pokrywa się z naszym doświadczeniem za każdym razem, gdy napotykamy eksplozję.

W każdym przypadku eksplozji, niezależnie od tego, czy jest ona oparta na reakcji spalania, wybuchu jądrowym, pęknięciu spowodowanym nadmiernym ciśnieniem w pojemniku, itp, następujące rzeczy są prawdziwe.

• Wybuch zawsze zaczyna się w określonym miejscu w przestrzeni.
• Wybuch początkowo zajmuje małą, ale skończoną objętość.
• I eksplozja rozszerza się gwałtownie we wszystkich kierunkach, ograniczona jedynie przez siły zewnętrzne i bariery, które napotyka.

Gdy mamy eksplozję, niektóre materiały będą często pochwycone i/lub dotknięte przez nią i będą wypychane promieniście na zewnątrz, z niektórymi z tych materiałów (zazwyczaj najlżejszymi) poruszającymi się najszybciej na zewnątrz. Ten najszybciej poruszający się materiał będzie rozprzestrzeniał się szybciej i dalej niż reszta materiału, a w rezultacie stanie się mniej gęsty. Nawet jeśli gęstość energii spada wszędzie, spada ona najszybciej najdalej od wybuchu, ponieważ bardziej energetyczny materiał szybciej traci gęstość: na obrzeżach. Po prostu mierząc trajektorie tych różnych cząstek, zawsze można zrekonstruować, gdzie nastąpiła eksplozja.

Ale ten obraz, który właśnie namalowałem dla Ciebie – eksplozji – nie pasuje do naszego Wszechświata. Wszechświat wygląda tak samo tutaj, jak i kilka milionów, a nawet kilka miliardów lat świetlnych stąd. Ma taką samą gęstość, taką samą energię, taką samą liczbę galaktyk w danej objętości przestrzeni, itd.

Obiekty, które są bardzo daleko, rzeczywiście wydają się oddalać od nas z większą prędkością niż obiekty znajdujące się w pobliżu, ale nie wydają się też być w tym samym wieku, co wolniejsze, bliższe obiekty. Zamiast tego, w miarę oddalania się od nas, te dalsze wydają się młodsze, mniej rozwinięte, liczniejsze oraz mniejsze pod względem rozmiarów i masy. Pomimo faktu, że możemy dostrzec galaktyki oddalone o ponad 30 miliardów lat świetlnych, jeśli prześledzimy, jak wszystko się porusza i zrekonstruujemy ich trajektorie z powrotem do wspólnego początku, zobaczymy najbardziej nieprawdopodobny z rezultatów: postrzegane „centrum” ląduje dokładnie na nas.

Spośród wszystkich trylionów galaktyk we Wszechświecie, jakie są szanse, że przypadkiem znajdziemy się w samym centrum eksplozji, która zapoczątkowała Wszechświat? Jakie są szanse, na dodatek te znikome, że początkowa eksplozja została skonfigurowana właśnie w taki sposób, wraz z

• nieregularnymi, niejednorodnymi gęstościami,
• zmiennymi czasami rozpoczęcia formowania się gwiazd i wzrostu galaktyk,
• energiami, które różnią się ogromnie z miejsca na miejsce w odpowiedni, precyzyjnie dostrojony sposób,
• oraz tajemniczą poświatą tła o temperaturze 2.7 K tła świecącego we wszystkich kierunkach,

spiskować tak, abyśmy byli dokładnie w centrum? Wiele musielibyśmy wymyślić, aby to wyjaśnić, a wiele obserwacji nadal pozostałoby niewytłumaczalnych. Scenariusz eksplozji nie jest po prostu nierealistyczny; jest sprzeczny ze znanymi prawami fizyki.

W zamian jednak prawo grawitacji, które rządzi naszym Wszechświatem – Ogólna Teoria Względności Einsteina – przewiduje, że Wszechświat pełen materii i energii nie eksploduje, ale zamiast tego rozszerza się. Wszechświat, który wszędzie jest pełen jednakowych ilości materii, o takich samych średnich gęstościach i temperaturach, musi albo się rozszerzać, albo kurczyć; ponieważ obserwujemy pozorną recesję, rozwiązanie polegające na rozszerzaniu się jest jedynym fizycznym. (W ten sam sposób pierwiastek kwadratowy z 4 może wynosić +2 lub -2, ale tylko jeden z nich będzie odpowiadał fizycznej liczbie jabłek w twoich rękach.)

Jest błędne przekonanie, że rozszerzający się Wszechświat może być ekstrapolowany z powrotem do jednego punktu; to nieprawda! Zamiast tego, może on być ekstrapolowany do obszaru o skończonych rozmiarach i pewnych właściwościach (tj. wypełnionego materią, promieniowaniem, prawami fizyki, itd.), ale następnie musi ewoluować zgodnie z zasadami określonymi przez naszą teorię grawitacji.

Do czego to prowadzi, w sposób nieunikniony, jest Wszechświat, który wszędzie ma podobne właściwości. Oznacza to, że w każdym skończonym, jednakowej wielkości regionie przestrzeni powinniśmy zobaczyć taką samą gęstość jak we Wszechświecie, taką samą temperaturę jak we Wszechświecie, taką samą liczbę galaktyk itd. Widzielibyśmy również Wszechświat, który wydawał się ewoluować z czasem, jako że bardziej odległe regiony powinny wydawać się nam takie, jakie były w przeszłości, po tym jak mniej się rozszerzyły, doświadczyły mniejszego przyciągania grawitacyjnego i mniejszych ilości skupisk.

Ponieważ Wielki Wybuch wydarzył się wszędzie na raz, skończoną ilość czasu temu, nasz lokalny zakątek Wszechświata będzie wydawał się być najstarszym zakątkiem Wszechświata, jaki istnieje. Z naszego punktu widzenia to, co jawi się nam w pobliżu, jest prawie tak stare jak my, ale to, co pojawia się w dużych odległościach, jest o wiele bardziej podobne do tego, jak wyglądał nasz pobliski Wszechświat wiele miliardów lat temu.

Odległe galaktyki, które istnieją, stale emitują światło, a my widzimy światło, które dotarło do nas dopiero po zakończeniu swojej podróży, aby dotrzeć do nas przez rozszerzający się Wszechświat. Galaktyki, którym dotarcie tutaj zajęło miliard lub dziesięć miliardów lat, pojawiają się w takiej postaci, w jakiej były miliard lub dziesięć miliardów lat temu. Gdybyśmy cofnęli się aż do momentu Wielkiego Wybuchu, okazałoby się, że w tak młodym Wszechświecie dominowało promieniowanie, a nie materia. Musi się rozszerzać i stygnąć, aby materia zyskała na znaczeniu pod względem energetycznym.

Z czasem, gdy Wszechświat się rozszerza i stygnie, neutralne atomy mogą się wreszcie stabilnie uformować, nie będąc natychmiast rozsadzane. Promieniowanie, które niegdyś dominowało we Wszechświecie, wciąż jednak istnieje, stygnie i przesuwa się ku czerwieni w związku z rozszerzaniem się przestrzeni. To, co postrzegamy dziś jako Kosmiczne Mikrofalowe Tło jest zgodne z tym, że jest pozostałością po Wielkim Wybuchu, ale jest również obserwowalne z dowolnego miejsca we Wszechświecie.

We Wszechświecie niekoniecznie musi istnieć centrum; to tylko nasza stronnicza intuicja mówi nam, że powinno ono istnieć. Możemy ustalić dolną granicę rozmiaru regionu, w którym musiał nastąpić Wielki Wybuch – nie może być mniejszy niż rozmiar piłki nożnej – ale nie ma górnej granicy; region przestrzeni, w którym nastąpił Wielki Wybuch, mógł być nawet nieskończony.

Jeśli naprawdę istnieje centrum, może być dosłownie wszędzie, a my nie mielibyśmy jak się tego dowiedzieć. Część Wszechświata, która jest dla nas obserwowalna, jest niewystarczająco duża, aby ujawnić tę informację, nawet jeśli mogłaby być prawdziwa. Musielibyśmy widzieć krawędź Wszechświata (nie widzimy), lub obserwować fundamentalną anizotropię, gdzie różne kierunki wydają się różne (ale widzimy te same temperatury i liczbę galaktyk), i musielibyśmy widzieć Wszechświat, który wydawał się być różny od regionu do regionu w największych skalach kosmicznych (ale zamiast tego wydaje się być jednorodny).

To brzmi tak rozsądnie, aby zadać pytanie: „skąd Wszechświat zaczął się rozszerzać?”. Ale kiedy zdasz sobie sprawę z tego wszystkiego, co powyżej, rozpoznasz, że jest to całkowicie niewłaściwe pytanie. Odpowiedź na to pytanie brzmi: „Wszędzie, wszystko naraz”, a to głównie dlatego, że Wielki Wybuch nie odnosi się do jakiegoś szczególnego miejsca w przestrzeni, ale raczej do szczególnego momentu w czasie.

To właśnie jest Wielki Wybuch: stan, który wpływa na cały obserwowalny Wszechświat – i prawdopodobnie na dużo, dużo większy obszar – wszystko naraz, w jednym konkretnym momencie. To powód, dla którego patrząc na obiekty znajdujące się dalej w przestrzeni, widzimy je takimi, jakimi były w odległej przeszłości. To dlatego wszystkie kierunki wydają się mieć przybliżone właściwości, które są jednakowe niezależnie od tego, gdzie patrzymy. I to dlatego możemy prześledzić naszą kosmiczną historię, poprzez ewolucję obiektów, które widzimy, tak daleko wstecz, jak tylko pozwalają nam na to nasze obserwatoria.

Dobrze, że mamy dostęp do – mimo wszystko, że nasze teorie i obserwacje mówią nam – jest jeszcze ogromna ilość, która pozostaje nieznana do nas. Nie wiemy, jaki jest rzeczywisty rozmiar całego Wszechświata; mamy tylko dolną granicę, że musi on mieć obecnie co najmniej 46,1 miliarda lat świetlnych w promieniu we wszystkich kierunkach z naszej perspektywy.

Nie wiemy, jaki jest kształt tkaniny kosmicznej i czy jest ona pozytywnie zakrzywiona jak kula, negatywnie zakrzywiona jak siodło, czy też idealnie płaska, jak arkusz lub walec. Nie wiemy, czy zakrzywia się ona z powrotem do siebie, czy też ciągnie się w nieskończoność. Wszystko, co wiemy, oparte jest na tym, co możemy zaobserwować. Z tych informacji mo „emy wnioskowa¢, „e jest to zgodne z byciem nieskończonym w rozmiarze, jest to zgodne z idealną płask¡, ale informacje przeciwne mog¡ znajdowa¢ si¦ w następnej znaczącej cyfrze danych lub tuż za naszym obserwowalnym kosmicznym horyzontem. Istotne jest, abyśmy nie przestawali szukać.

Powód, dla którego nie możemy poznać prawdziwej natury Wszechświata – całego, nieobserwowalnego Wszechświata – jest taki, że część, do której mamy dostęp, jest skończona. Istnieje skończona ilość informacji, które jesteśmy w stanie uzyskać o naszym kosmosie, nawet jeśli rozwiniemy arbitralnie potężne instrumenty i detektory. Jest wielce prawdopodobne, że nawet jeśli będziemy czekać nieskończoną ilość czasu, nigdy nie dowiemy się, czy Wszechświat jest skończony czy nieskończony, ani jaki jest jego kształt geometryczny.

Czy postrzegasz tkaninę kosmosu jako zakwaszony bochenek chleba z rodzynkami, czy rozszerzający się balon z monetami przyklejonymi do powierzchni, musisz pamiętać, że część Wszechświata, do której mamy dostęp, jest prawdopodobnie tylko maleńkim składnikiem tego, co faktycznie istnieje. To, co jest dla nas obserwowalne, wyznacza jedynie dolną granicę dla całości tego, co tam jest. Wszechświat może być skończony lub nieskończony, ale to czego jesteśmy pewni to to, że się rozszerza, ma coraz mniejszą gęstość, a bardziej odległe obiekty wyglądają tak samo jak dawno temu. Jak zauważa astrofizyk Katie Mack:

Wszechświat rozszerza się tak, jak rozszerza się twój umysł. Nie rozszerza się w nic; po prostu stajesz się mniej gęsty.