Co każda dziewczynka i każdy chłopiec o Wielkim Wybuchu wiedzieć powinni?
Wszechświat, który znamy dzisiaj, wypełniony gwiazdami i galaktykami w wielkiej kosmicznej otchłani, nie istnieje od zawsze. Pomimo faktu, że widoczne są dla nas około 2 biliony galaktyk rozciągających się na odległości dziesiątek miliardów lat świetlnych, istnieje granica tego, jak daleko możemy patrzeć. Nie dzieje się tak dlatego, że Wszechświat jest skończony – w rzeczywistości może być nawet nieskończony – ale dlatego, że miał początek, który miał miejsce skończoną ilość czasu temu: Wielki Wybuch.
Fakt, że możemy dziś spojrzeć na nasz Wszechświat, zobaczyć, jak rozszerza się i stygnie, oraz wnioskować o naszych kosmicznych początkach, jest jednym z najgłębszych osiągnięć naukowych XX wieku. Wszechświat powstał z gorącego, gęstego, wypełnionego materią i promieniowaniem stanu około 13,8 miliarda lat temu i od tego czasu rozszerza się, stygnie i grawituje. Ale sam Wielki Wybuch nie działa tak, jak myśli większość ludzi. Przeczytajcie o pięciu faktach na temat Wielkiego Wybuchu, o których dobrze jest wiedzieć bo przecież to jest także nasza historia.
Fakt, że możemy dziś spojrzeć na nasz Wszechświat, zobaczyć, jak rozszerza się i stygnie, oraz wnioskować o naszych kosmicznych początkach, jest jednym z najgłębszych osiągnięć naukowych XX wieku. Wszechświat powstał z gorącego, gęstego, wypełnionego materią i promieniowaniem stanu około 13,8 miliarda lat temu i od tego czasu rozszerza się, stygnie i grawituje. Ale sam Wielki Wybuch nie działa tak, jak myśli większość ludzi. Przeczytajcie o pięciu faktach na temat Wielkiego Wybuchu, o których dobrze jest wiedzieć bo przecież to jest także nasza historia.
1.) Wielki Wybuch nie był zwykłą eksplozją, która zapoczątkowała nasz Wszechświat. Za każdym razem, gdy patrzymy na odległą galaktykę we Wszechświecie i próbujemy zmierzyć, co dzieje się z jej światłem, widzimy wyłaniający się ten sam wzór: im dalej znajduje się galaktyka, tym bardziej jej światło jest systematycznie przesuwane w kierunku coraz dłuższych, o czerwonej barwie, fal. To przesunięcie ku czerwieni, które obserwujemy dla tych obiektów, przebiega według przewidywalnego wzoru, dwukrotny wzrost odległości powoduje dwukrotnie zwiększenie odległości fali.
Dlatego odległe galaktyki wydają się oddalać od nas. Im większa jest odległość galaktyki od nas, tym większe jest mierzone przesunięcie ku czerwieni jej światła. W tych okolicznościach sensowne wydaje się jest myślenie, że jeśli bardziej odległe galaktyki oddalają się od nas z rosnącą szybkością to możemy prześledzić ruch wstecz każdej galaktyki, którą dziś widzimy, aż dojdziemy do pojedynczego punktu w przeszłości: ogromnej eksplozji.
Przedstawione wyżej rozumowanie nie jest słuszne. Aby to wyjaśnić wykorzystajmy ciasto drożdżowe z rodzynkami, które może być dobrym modelem rozszerzającego się Wszechświata. Gdy drożdże "pracują" ciasto zwiększa swoją objętość a odległości względne między rodzynkami zwiększają się wraz z rozszerzaniem się przestrzeni ciasta. Rodzynki zatopione w cieście nie mają ruchów własnych a poruszają się tylko dlatego, że są unoszone przez pęczniejące ciasto. Im dalej od siebie znajdują się dowolne dwie rodzynki, tym większe będzie obserwowane przesunięcie ku czerwieni światła odebranego przez obserwatora. Związek przesunięcia ku czerwieni i odległości przewidywane przez model rozszerzającego się Wszechświata znajduje potwierdzenie w obserwacjach już od lat dwudziestych XX wieku (poszukaj informacji o obserwacjach Vesto Sliphera i Edwina Hubble'a).
Niektórzy myśląc o Wielkim Wybuchu popełniają błąd wyobrażając sobie, że te galaktyki poruszają się przez sam Wszechświat (traktowany jak pojemnik na galaktyki, który na początku pusty napełnia się galaktykami powstałymi w eksplozji Wielkiego Wybuchu), prawda jest jednak taka, że to sama przestrzeń, z której składa się Wszechświat, rozszerza się. Tak jak rodzynki wydają się oddalać proporcjonalnie do ich odległości w wyrastającej porcji ciasta, galaktyki wydają się oddalać od siebie w miarę rozszerzania się (pęcznienia, rozdymania) Wszechświata. Rodzynki nie poruszają się względem ciasta; to samo pęcznienie ciasta unosi je ze sobą, co my obserwujemy jako ich oddalanie się od siebie.
Wielki Wybuch nie był początkową eksplozją wewnątrz (pustego) Wszechświata, która spowodowała oddalanie się galaktyk od siebie, ale raczej fizycznym zjawiskiem rozszerzania się (pęcznienia) Wszechświata, zgodnie z Ogólną Teorią Względności Einsteina, które powoduje, że przestrzeń (z zawartymi w niej galaktykami) rozszerza się. Nie było eksplozji, tylko gwałtowna ekspansja, która ewoluowała w oparciu o skumulowane efekty grawitacyjne, wszystkiego, co zawiera nasz Wszechświat.
Dlatego odległe galaktyki wydają się oddalać od nas. Im większa jest odległość galaktyki od nas, tym większe jest mierzone przesunięcie ku czerwieni jej światła. W tych okolicznościach sensowne wydaje się jest myślenie, że jeśli bardziej odległe galaktyki oddalają się od nas z rosnącą szybkością to możemy prześledzić ruch wstecz każdej galaktyki, którą dziś widzimy, aż dojdziemy do pojedynczego punktu w przeszłości: ogromnej eksplozji.
Przedstawione wyżej rozumowanie nie jest słuszne. Aby to wyjaśnić wykorzystajmy ciasto drożdżowe z rodzynkami, które może być dobrym modelem rozszerzającego się Wszechświata. Gdy drożdże "pracują" ciasto zwiększa swoją objętość a odległości względne między rodzynkami zwiększają się wraz z rozszerzaniem się przestrzeni ciasta. Rodzynki zatopione w cieście nie mają ruchów własnych a poruszają się tylko dlatego, że są unoszone przez pęczniejące ciasto. Im dalej od siebie znajdują się dowolne dwie rodzynki, tym większe będzie obserwowane przesunięcie ku czerwieni światła odebranego przez obserwatora. Związek przesunięcia ku czerwieni i odległości przewidywane przez model rozszerzającego się Wszechświata znajduje potwierdzenie w obserwacjach już od lat dwudziestych XX wieku (poszukaj informacji o obserwacjach Vesto Sliphera i Edwina Hubble'a).
Niektórzy myśląc o Wielkim Wybuchu popełniają błąd wyobrażając sobie, że te galaktyki poruszają się przez sam Wszechświat (traktowany jak pojemnik na galaktyki, który na początku pusty napełnia się galaktykami powstałymi w eksplozji Wielkiego Wybuchu), prawda jest jednak taka, że to sama przestrzeń, z której składa się Wszechświat, rozszerza się. Tak jak rodzynki wydają się oddalać proporcjonalnie do ich odległości w wyrastającej porcji ciasta, galaktyki wydają się oddalać od siebie w miarę rozszerzania się (pęcznienia, rozdymania) Wszechświata. Rodzynki nie poruszają się względem ciasta; to samo pęcznienie ciasta unosi je ze sobą, co my obserwujemy jako ich oddalanie się od siebie.
Wielki Wybuch nie był początkową eksplozją wewnątrz (pustego) Wszechświata, która spowodowała oddalanie się galaktyk od siebie, ale raczej fizycznym zjawiskiem rozszerzania się (pęcznienia) Wszechświata, zgodnie z Ogólną Teorią Względności Einsteina, które powoduje, że przestrzeń (z zawartymi w niej galaktykami) rozszerza się. Nie było eksplozji, tylko gwałtowna ekspansja, która ewoluowała w oparciu o skumulowane efekty grawitacyjne, wszystkiego, co zawiera nasz Wszechświat.
2.) Nie istnieje w przestrzeni taki punkt, do którego możemy prześledzić wstecz „wydarzenie” Wielkiego Wybuchu. Oznacza to, że nie ma „centralnego punktu”, w którym rozpoczął się Wielki Wybuch. Mamy pokusę aby pomyśleć, że jeśli wszystko wydaje się oddalać od wszystkiego innego, to możliwe jest ekstrapolowanie wszystkiego z powrotem do miejsca, w którym wszystko co się oddala było skupione razem. Przychodzi nam na myśl, że tak jak wybuchający granat jest centralnym miejscem, z którego musiały pochodzić wszystkie rozbiegające się odłamki, wydaje się rozsądne myślenie, że Wszechświat musiał mieć podobny punkt początkowy.
Ale Wszechświat nie wybuchł; on po prostu zaczął się rozszerzać. W rozszerzającym się Wszechświecie każde miejsce w kosmosie wygląda tak samo, jeśli wziąć pod uwagę wystarczająco dużą jego objętość. Uśredniając, w dużej skali Wszechświat wydaje się mieć wszędzie tę samą gęstość, tę samą temperaturę i taką samą liczbę galaktyk. A jeśli będziemy ekstrapolować to w czasie, będziemy oglądać go coraz gorętszym i gęstszym, ale to dlatego, że sama przestrzeń również ewoluuje i kurczy się.
Kiedy ekstrapolujemy model matematyczny Wszechświata wstecz w czasie, obliczenia wskazują, że w przeszłości musiał on być mniejszy, gęstszy i gorętszy, ale dotyczy to całej przestrzeni dla wszystkich obserwatorów. Każdy obserwator w każdym punkcie ma takie samo prawo do bycia w centrum, tak jak każdy obszar przestrzeni ma takie same właściwości wielkoskalowe, jak każdy inny obszar o podobnej wielkości. Każdy z nas ma chyba prawo powiedzieć: "tam gdzie ja, tam środek Wszechświata!".
Wielki Wybuch nie wydarzył się w jednym miejscu, ale raczej stał się wszędzie na raz i miał miejsce skończoną ilość czasu temu. Kiedy patrzymy wstecz na bardziej odległe regiony Wszechświata, spoglądamy w przeszłość, podobnie jak każdy inny obserwator z każdej innej perspektywy, jaką oferuje Wszechświat. Fakt, że Wszechświat nie ma powtarzających się struktur, nie wykazuje żadnej możliwej do zidentyfikowania krawędzi i nie ma preferowanego kierunku, wszystko wskazuje na to, że nie ma określonego punktu początkowego Wielkiego Wybuchu: wydarzyło się to wszędzie na raz, bez preferowanej lokalizacji centralnej.
Gwiazdy i galaktyki, które widzimy dzisiaj, nie zawsze istniały, a im dalej się cofamy, tym bliżej początkowej osobliwości Wszechświat staje się coraz gorętszy, gęstszy i bardziej jednorodny. Istnieją jednak ograniczenia tej ekstrapolacji, ponieważ powrót do początkowej osobliwości tworzy zagadkę, na którą dziś nie możemy odpowiedzieć.
Ale Wszechświat nie wybuchł; on po prostu zaczął się rozszerzać. W rozszerzającym się Wszechświecie każde miejsce w kosmosie wygląda tak samo, jeśli wziąć pod uwagę wystarczająco dużą jego objętość. Uśredniając, w dużej skali Wszechświat wydaje się mieć wszędzie tę samą gęstość, tę samą temperaturę i taką samą liczbę galaktyk. A jeśli będziemy ekstrapolować to w czasie, będziemy oglądać go coraz gorętszym i gęstszym, ale to dlatego, że sama przestrzeń również ewoluuje i kurczy się.
Kiedy ekstrapolujemy model matematyczny Wszechświata wstecz w czasie, obliczenia wskazują, że w przeszłości musiał on być mniejszy, gęstszy i gorętszy, ale dotyczy to całej przestrzeni dla wszystkich obserwatorów. Każdy obserwator w każdym punkcie ma takie samo prawo do bycia w centrum, tak jak każdy obszar przestrzeni ma takie same właściwości wielkoskalowe, jak każdy inny obszar o podobnej wielkości. Każdy z nas ma chyba prawo powiedzieć: "tam gdzie ja, tam środek Wszechświata!".
Wielki Wybuch nie wydarzył się w jednym miejscu, ale raczej stał się wszędzie na raz i miał miejsce skończoną ilość czasu temu. Kiedy patrzymy wstecz na bardziej odległe regiony Wszechświata, spoglądamy w przeszłość, podobnie jak każdy inny obserwator z każdej innej perspektywy, jaką oferuje Wszechświat. Fakt, że Wszechświat nie ma powtarzających się struktur, nie wykazuje żadnej możliwej do zidentyfikowania krawędzi i nie ma preferowanego kierunku, wszystko wskazuje na to, że nie ma określonego punktu początkowego Wielkiego Wybuchu: wydarzyło się to wszędzie na raz, bez preferowanej lokalizacji centralnej.
Gwiazdy i galaktyki, które widzimy dzisiaj, nie zawsze istniały, a im dalej się cofamy, tym bliżej początkowej osobliwości Wszechświat staje się coraz gorętszy, gęstszy i bardziej jednorodny. Istnieją jednak ograniczenia tej ekstrapolacji, ponieważ powrót do początkowej osobliwości tworzy zagadkę, na którą dziś nie możemy odpowiedzieć.
3.) W trakcie Wielkiego Wybuchu był taki moment, że cała materia i cała energia w naszym Wszechświecie przeszły przez stan o niesłychanie wysokiej temperaturze i gęstości. Jeśli dzisiaj Wszechświat rozszerza się i stygnie, to w przeszłości musiał być mniejszy, gęstszy i gorętszy. Możemy sobie wyobrazić, że cofamy się aż do momentu, do którego zabierze nas wyobraźnia, aż osiągniemy nieskończenie mały rozmiar, co prowadzi do niewyobrażalnie wysokich gęstości i temperatur. Być może to był „moment” Wielkiego Wybuchu: nieskończenie gorący, gęsty stan.
Mamy kilka sposobów, aby sprawdzić tę hipotezę! Po pierwsze, obserwujemy dzisiaj mikrofalowe promieniowanie tła co świadczy, że Wszechświat kiedyś był gorący. Potwierdziły to rezultaty osiągnięte w latach 1990, 2000 i 2010 przez satelitarne misje COBE, WMAP i Planck. Po drugie, mikrofalowe promieniowanie tła nie jest jednorodne ale wykazuje fluktuacje temperatury co świadczy, że Wszechświat kiedyś nie był idealnie jednorodny dzięki czemu w przyszłości mogły powstać gromady galaktyk, galaktyki i gwiazdy.
Fluktuacje kosmicznego tła mikrofalowego mają tak małą wielkość i taki szczególny rozkład, że stanowią bardzo silną przesłankę z tym, że Wszechświat zaczął się wszędzie z tą samą temperaturą z fluktuacjami na poziomie tylko 1 do 30 000 (różnica między najgorętszym i najchłodniejszym miejscem wynosiła jak 1 do 30 0000). Wysoka jednorodność promieniowania tła oraz przyczyny i wielkość obserwowanych fluktuacji są jak dotąd trudne do wyjaśnienia w ramach prostego modelu gorącego Wielkiego Wybuchu.
Mamy kilka sposobów, aby sprawdzić tę hipotezę! Po pierwsze, obserwujemy dzisiaj mikrofalowe promieniowanie tła co świadczy, że Wszechświat kiedyś był gorący. Potwierdziły to rezultaty osiągnięte w latach 1990, 2000 i 2010 przez satelitarne misje COBE, WMAP i Planck. Po drugie, mikrofalowe promieniowanie tła nie jest jednorodne ale wykazuje fluktuacje temperatury co świadczy, że Wszechświat kiedyś nie był idealnie jednorodny dzięki czemu w przyszłości mogły powstać gromady galaktyk, galaktyki i gwiazdy.
Fluktuacje kosmicznego tła mikrofalowego mają tak małą wielkość i taki szczególny rozkład, że stanowią bardzo silną przesłankę z tym, że Wszechświat zaczął się wszędzie z tą samą temperaturą z fluktuacjami na poziomie tylko 1 do 30 000 (różnica między najgorętszym i najchłodniejszym miejscem wynosiła jak 1 do 30 0000). Wysoka jednorodność promieniowania tła oraz przyczyny i wielkość obserwowanych fluktuacji są jak dotąd trudne do wyjaśnienia w ramach prostego modelu gorącego Wielkiego Wybuchu.
4.) Wielki Wybuch nie wyklucza tego, że nasz Wszechświat zaczął się od osobliwości. Nawet jeśli Wszechświat osiągnął maksymalną temperaturę we wczesnych stadiach gorącego Wielkiego Wybuchu, nadal potrzebna była faza, która poprzedzała i ustanawiała tę gorącą fazę. Do Do zadowalającego wyjaśnienia tego co obserwujemy, musimy mieć: (1) mechanizm, który rozciągnął Wszechświat tak, aby był nie do odróżnienia od płaskiego; (2) mechanizm, który wzgenerował fluktuacje kwantowe, które rozciągają się w całym Wszechświecie; (3) fluktuacje powinny być niewielkie; 1 część na 30 000, bo tak wskazują pomiary niejednorodności mikrofalowego promieniowania tła; (4) fluktuacje powinny zachowywać stałą entropię (tj. powinny być adiabatyczne, zachowujące stałą krzywiznę przestrzeni), (5) gorący, gęsty stan pełen cząstek i antycząstek, który jest równoznaczny z naszym gorącym Wielkim Wybuchem. Teoria, która ustanawia wszystkie te warunki początkowe Wielkiego Wybuchu, jest znana jako kosmiczna inflacja i została już zweryfikowana na wiele sposobów.
Jedną z kluczowych niespodzianek, jakie przyniosła inflacja, była następująca sugestia: jeśli inflacja poprzedza Wielki Wybuch, to nie prowadzi do Wszechświata, który osiąga nieskończenie mały rozmiar w skończonym czasie w przeszłości. Nie można wykluczyć, że istniała oddzielna faza, która istniała przed kosmiczną inflacją, a jeśli tak, to być może jednak Wszechświat zaczął się od osobliwości. Ale możemy tylko stwierdzić, na podstawie dowodów obserwacyjnych, które posiadamy, że inflacja trwała co najmniej przez niewielki ułamek sekundy, nie doprowadziła do samej osobliwości na początku gorącego Wielkiego Wybuchu, i nie wiemy, co nastąpiło przed rozpoczęciem inflacji.
Jedną z kluczowych niespodzianek, jakie przyniosła inflacja, była następująca sugestia: jeśli inflacja poprzedza Wielki Wybuch, to nie prowadzi do Wszechświata, który osiąga nieskończenie mały rozmiar w skończonym czasie w przeszłości. Nie można wykluczyć, że istniała oddzielna faza, która istniała przed kosmiczną inflacją, a jeśli tak, to być może jednak Wszechświat zaczął się od osobliwości. Ale możemy tylko stwierdzić, na podstawie dowodów obserwacyjnych, które posiadamy, że inflacja trwała co najmniej przez niewielki ułamek sekundy, nie doprowadziła do samej osobliwości na początku gorącego Wielkiego Wybuchu, i nie wiemy, co nastąpiło przed rozpoczęciem inflacji.
5.) Jeśli materia i promieniowanie mają zachowywać się tak, jak dziś, a ogólna teoria względności ma wciąż obowiązywać, to musi istnieć pewien moment w przeszłości Wszechświata, gdy wystąpił stan o nieskończonej gęstości i temperaturze. Sformułowanie ogólnej teorii względności przez Alberta Einsteina umożliwiło opracowanie i zbadanie pierwszych matematycznych modeli całego Wszechświata. Tylko najprostsze rozwiązania równań Einsteina znaleziono na drodze ręcznych obliczeń dzięki wprowadzeniu upraszczających założeń zakładających istnienie znacznych symetrii we Wszechświecie (najważniejsze to jednorodność i izotropowość rozkładu materii). Na szczęście okazało się, że uzyskane dzięki temu rozwiązania doskonale odpowiadają widzialnej części Wszechświata wraz z jego odległą przeszłością. Przedstawiają one rozszerzający się Wszechświat, w którym odległe gromady galaktyk odsuwają się od siebie z rosnącą szybkością (nie mówimy o odsuwaniu się pojedynczych galaktyk ponieważ te zazwyczaj nie są samotne ale wchodzą w skład grawitacyjnie związanych gromad galaktyk). Odchyłki od ścisłej symetrii tych szczególnych rozwiązań można wprowadzić w dość prosty sposób, dopóki są one niewielkie, zaś skutkiem tej procedury jest dobry opis niejednorodności faktycznie występujących we Wszechświecie (są to na przykład niejednorodności mikrofalowego promieniowania tła oraz zagęszczenia materii występujące w postaci galaktyk, gwiazd i planet).
Gdy jednak próbujemy zrekonstruować przeszłą historię tego typu modeli kosmologicznych, natrafiamy na uderzającą rzecz. Jeśli materia i promieniowanie mają zachowywać się tak, jak dziś, a teoria Einsteina ma wciąż obowiązywać, to musi istnieć pewien moment w przeszłości, gdy wystąpił stan o nieskończonej gęstości i temperaturze. Kiedy własność ta po raz pierwszy została rozpoznana, została albo zignorowana albo wywołała wyraźnie formułowany sprzeciw (patrz reakcje Einsteina na publikacje Friedmanna i Lemaître'a). Sam Einstein uważał, że jest to po prostu konsekwencja rozważania ekspandującego wszechświata, w którym występuje materia niewykazująca znaczącego ciśnienia. Po włączeniu do obliczeń ciśnienia (reprezentowanego przez stałą Λ; działającego na zewnątrz czyli przeciwstawiającego się grawitacji prowadzącej do skupiania się materii), uważał Einstein, przeciwdziałałoby ono kurczeniu się wszechświata do nieskończonych gęstości i utrzymywało go w stanie statycznym. Jego intuicja okazała się jednak mylna. Po wzięciu pod uwagę ciśnienia w modelach wszechświata osobliwość stała się jeszcze bardziej problematyczna, ponieważ w myśl teorii Einsteina wszystkie formy energii, także te związane z ciśnieniem, posiadają masę i wywierają wpływ grawitacyjny poprzez zakrzywianie przestrzeni. Ów osobliwy stan o nieskończonej gęstości nie zniknął.
Inni uważali, że osobliwy „początek” pojawił się tylko dlatego, że analizowane modele przedstawiały wszechświaty, które były zbyt symetryczne: kuliste, o dokładnie takim samym tempie ekspansji w każdym kierunku. Gdyby zrezygnować z takich symetrii, na przykład gdyby tempo to było odrobinę inne w różnych kierunkach, to po prześledzeniu ekspansji wstecz w czasie być może okazałoby się, że cała materia nie znajduje się w jednym miejscu w tym samym momencie i nie pojawia się osobliwość. Niestety, okazało się, że i to rozumowanie nie chroni nas przed początkiem w osobliwości. Obracające się, niesymetryczne, niejednorodne wszechświaty również wydają się posiadać moment początkowy; jeśli we wszechświecie jest w tym momencie obecna materia, to jej gęstość jest nieskończona.
Podejmowano również bardziej subtelne próby uniknięcia tej konkluzji. Być może to tylko nasz sposób mierzenia czasu i przestrzeni w modelowanym przez nas wszechświecie prowadzi do anomalii, jaką jest osobliwość, podobnie jak ma to miejsce ze współrzędnymi geograficznymi. Na biegunach wszystkie południki się przecinają i powstaje osobliwość w systemie współrzędnych geograficznych, jednak na powierzchni Ziemi nie dzieje się nic dziwnego. Być może, analogicznie, nic dramatycznego nie dzieje się w naszych modelach początku Wszechświata; wystarczy przestawić się na odmienny sposób mierzenia czasu i przestrzeni i, jeśli to konieczne, powtarzać ten proces dowolną liczbę razy wraz z przesuwaniem się wstecz w czasie. Okazało się, ze to również nie załatwia sprawy: osobliwość początkowa nie daje się usunąć.
Aż do połowy lat 60. XX wieku nie potrafiono rozstrzygnąć wątpliwości związanych z realnością istnienia początkowej osobliwości w historii Wszechświata. Kres dyskusji przyniosły prace Rogera Penrose’a. Spojrzał on na całe zagadnienie w odmienny sposób, rozważając zbiór wszystkich możliwych historii dostępnych dla wszystkich cząstek materii i promieni światła. Omijając wszelkie problemy związane z kształtem i jednorodnością Wszechświata oraz metodą mierzenia czasu, Penrose pokazał, że jeśli teoria Einsteina jest słuszna, jeśli podróż w czasie jest niemożliwa, a grawitacja jest zawsze siłą przyciągającą, to jeśli tylko istnieje wystarczająco dużo materii i promieniowania we Wszechświecie, to przynajmniej jeden z takich zbiorów historii musi mieć początek – nie da się go przedłużać dowolnie daleko wstecz. Obserwacje potwierdziły, że ilość materii we Wszechświecie w zupełności wystarcza dla spełnienia tego ostatniego warunku, a wszystkie formy materii znane wówczas lub podejrzewane o istnienie powodowały przyciąganie grawitacyjne.
Rozumowanie Penrose’a prowadziło do tak stanowczego i ogólnego wniosku, ponieważ nie było w nim obecne założenie, że to właśnie nieskończona gęstość – sam moment Wielkiego Wybuchu – jest charakterystyczny dla początku Wszechświata. Zamiast tego rozważana w nim była prostsza i bardziej kluczowa idea historii z początkiem – pogląd, że wszechświat czasu i przestrzeni posiada brzeg. Może być tak, że historiom z początkiem towarzyszą nieskończone gęstości, ale jest to odmienna i znacznie bardziej złożona kwestia, która do dziś pozostaje nie w pełni rozwiązana. Ponadto wystarczy, aby jedna przeszła historia miała początek, a nie wszystkie. W prostym modelu rozszerzającego się wszechświata, który tak skutecznie opisuje nasz Wszechświat, wszystkie historie urywają się jednocześnie w pewnym określonym momencie w przeszłości, gdy gęstość staje się nieskończona. Z analiz Penrose’a nie wynika nic na temat istoty tego początku wszystkich historii, a jedynie to, że musi on wystąpić, jeśli zostaną spełnione podane przez niego warunki.
Co interesujące, twierdzenia Penrose’a przewidują istnienie osobliwości, względem której nie istnieje wyjaśnienie, dlaczego nastąpiła. Oznacza ona po prostu czasowy brzeg Wszechświata. Nie ma żadnego „wcześniej”; żadnego powodu, dla którego rozpoczęły się historie; żadnej przyczyny Wszechświata. Jest to opis prawdziwego stworzenia z niczego.
Gdy jednak próbujemy zrekonstruować przeszłą historię tego typu modeli kosmologicznych, natrafiamy na uderzającą rzecz. Jeśli materia i promieniowanie mają zachowywać się tak, jak dziś, a teoria Einsteina ma wciąż obowiązywać, to musi istnieć pewien moment w przeszłości, gdy wystąpił stan o nieskończonej gęstości i temperaturze. Kiedy własność ta po raz pierwszy została rozpoznana, została albo zignorowana albo wywołała wyraźnie formułowany sprzeciw (patrz reakcje Einsteina na publikacje Friedmanna i Lemaître'a). Sam Einstein uważał, że jest to po prostu konsekwencja rozważania ekspandującego wszechświata, w którym występuje materia niewykazująca znaczącego ciśnienia. Po włączeniu do obliczeń ciśnienia (reprezentowanego przez stałą Λ; działającego na zewnątrz czyli przeciwstawiającego się grawitacji prowadzącej do skupiania się materii), uważał Einstein, przeciwdziałałoby ono kurczeniu się wszechświata do nieskończonych gęstości i utrzymywało go w stanie statycznym. Jego intuicja okazała się jednak mylna. Po wzięciu pod uwagę ciśnienia w modelach wszechświata osobliwość stała się jeszcze bardziej problematyczna, ponieważ w myśl teorii Einsteina wszystkie formy energii, także te związane z ciśnieniem, posiadają masę i wywierają wpływ grawitacyjny poprzez zakrzywianie przestrzeni. Ów osobliwy stan o nieskończonej gęstości nie zniknął.
Inni uważali, że osobliwy „początek” pojawił się tylko dlatego, że analizowane modele przedstawiały wszechświaty, które były zbyt symetryczne: kuliste, o dokładnie takim samym tempie ekspansji w każdym kierunku. Gdyby zrezygnować z takich symetrii, na przykład gdyby tempo to było odrobinę inne w różnych kierunkach, to po prześledzeniu ekspansji wstecz w czasie być może okazałoby się, że cała materia nie znajduje się w jednym miejscu w tym samym momencie i nie pojawia się osobliwość. Niestety, okazało się, że i to rozumowanie nie chroni nas przed początkiem w osobliwości. Obracające się, niesymetryczne, niejednorodne wszechświaty również wydają się posiadać moment początkowy; jeśli we wszechświecie jest w tym momencie obecna materia, to jej gęstość jest nieskończona.
Podejmowano również bardziej subtelne próby uniknięcia tej konkluzji. Być może to tylko nasz sposób mierzenia czasu i przestrzeni w modelowanym przez nas wszechświecie prowadzi do anomalii, jaką jest osobliwość, podobnie jak ma to miejsce ze współrzędnymi geograficznymi. Na biegunach wszystkie południki się przecinają i powstaje osobliwość w systemie współrzędnych geograficznych, jednak na powierzchni Ziemi nie dzieje się nic dziwnego. Być może, analogicznie, nic dramatycznego nie dzieje się w naszych modelach początku Wszechświata; wystarczy przestawić się na odmienny sposób mierzenia czasu i przestrzeni i, jeśli to konieczne, powtarzać ten proces dowolną liczbę razy wraz z przesuwaniem się wstecz w czasie. Okazało się, ze to również nie załatwia sprawy: osobliwość początkowa nie daje się usunąć.
Aż do połowy lat 60. XX wieku nie potrafiono rozstrzygnąć wątpliwości związanych z realnością istnienia początkowej osobliwości w historii Wszechświata. Kres dyskusji przyniosły prace Rogera Penrose’a. Spojrzał on na całe zagadnienie w odmienny sposób, rozważając zbiór wszystkich możliwych historii dostępnych dla wszystkich cząstek materii i promieni światła. Omijając wszelkie problemy związane z kształtem i jednorodnością Wszechświata oraz metodą mierzenia czasu, Penrose pokazał, że jeśli teoria Einsteina jest słuszna, jeśli podróż w czasie jest niemożliwa, a grawitacja jest zawsze siłą przyciągającą, to jeśli tylko istnieje wystarczająco dużo materii i promieniowania we Wszechświecie, to przynajmniej jeden z takich zbiorów historii musi mieć początek – nie da się go przedłużać dowolnie daleko wstecz. Obserwacje potwierdziły, że ilość materii we Wszechświecie w zupełności wystarcza dla spełnienia tego ostatniego warunku, a wszystkie formy materii znane wówczas lub podejrzewane o istnienie powodowały przyciąganie grawitacyjne.
Rozumowanie Penrose’a prowadziło do tak stanowczego i ogólnego wniosku, ponieważ nie było w nim obecne założenie, że to właśnie nieskończona gęstość – sam moment Wielkiego Wybuchu – jest charakterystyczny dla początku Wszechświata. Zamiast tego rozważana w nim była prostsza i bardziej kluczowa idea historii z początkiem – pogląd, że wszechświat czasu i przestrzeni posiada brzeg. Może być tak, że historiom z początkiem towarzyszą nieskończone gęstości, ale jest to odmienna i znacznie bardziej złożona kwestia, która do dziś pozostaje nie w pełni rozwiązana. Ponadto wystarczy, aby jedna przeszła historia miała początek, a nie wszystkie. W prostym modelu rozszerzającego się wszechświata, który tak skutecznie opisuje nasz Wszechświat, wszystkie historie urywają się jednocześnie w pewnym określonym momencie w przeszłości, gdy gęstość staje się nieskończona. Z analiz Penrose’a nie wynika nic na temat istoty tego początku wszystkich historii, a jedynie to, że musi on wystąpić, jeśli zostaną spełnione podane przez niego warunki.
Co interesujące, twierdzenia Penrose’a przewidują istnienie osobliwości, względem której nie istnieje wyjaśnienie, dlaczego nastąpiła. Oznacza ona po prostu czasowy brzeg Wszechświata. Nie ma żadnego „wcześniej”; żadnego powodu, dla którego rozpoczęły się historie; żadnej przyczyny Wszechświata. Jest to opis prawdziwego stworzenia z niczego.
6.) Przestrzeń, czas i prawa fizyki istniały także przed Wielkim Wybuchem. Gdybyśmy dotarli do prawdziwej osobliwości lub miejsca, w którym osiągnęlibyśmy nieskończone gęstości i temperatury, znane nam dzisiaj prawa fizyki o czasie i przestrzeni prawa załamałyby się. Dzisiej Wszechświat opisujemy przede wszystkim w ramach Ogólnej Teorii Względności a w teorii tej osobliwości są miejscem, w którym czasoprzestrzeń może powstać lub przestać istnieć, a bez czasoprzestrzeni być może przestaną istnieć nawet prawa rządzące fizycznym Wszechświatem.
Jeśli przyjmiemy hipotezę inflacji, to powinniśmy zgodzić się, że prawa fizyki z pewnością musiały istnieć również w fazie inflacji (bo przecież nią zarządzały), która zapoczątkowała sam Wielki Wybuch. Jednak wraz z zaakceptowaniem koncepcji inflacji i obserwacyjnym potwierdzeniem jej przewidywań pojawiają się nowe pytania, na przykład: (1) czy stan inflacyjny był stały?, (2) czy inflacja trwała nieskończenie długo, wiecznie w przeszłości?, (3) czy inflacja jest związana z ciemną energią, ponieważ jej obecność również powoduje ekspansję Wszechświata w tempie wykładniczym?
Są trzy zasadnicze możliwości upływu czasu w naszym Wszechświecie: (1) czas istniał zawsze i zawsze będzie istniał, (2) że czas istniał tylko przez określony czas, jeśli ekstrapolujemy wstecz, (3) czas jest cykliczny i będzie się powtarzał , bez początku i bez końca. Badania Wielkiego Wybuchu sugerowały przez jakiś czas, że mogą dać odpowiedź która możliwość jest realizowana, ale od pewnego czasu przez wprowadzenie różnych koncepcji inflacji oraz przez próby sformułowania kwantowych teorii grawitacji, znów pogrążyliśmy się w niepewności.
Prawda jest taka, że mamy przeczucia, ale nie wiemy na pewno. Jedynie ułamek sekundy inflacji odciska się w naszym Wszechświecie, a wszystko, co wydarzyło się przed tą chwilą, zostało dosłownie nadmuchane. Nawet teoretyczne próby sporu o całkowitą / niepełną naturę czasoprzestrzeni inflacyjnych nie są konkretne; możliwe, że inflacja nie trwała wiecznie i miała szczególny początek, ale możliwe jest również, że albo trwała wiecznie, albo nawet miała charakter cykliczny, z przestrzenią i czasem zapętlonymi w końcu.
Już tysiące lat temu ludzie rozważali trzy główne możliwości tego jak powstał czas: zawsze istniał, rozpoczął w przeszłości określony czas trwania lub ma charakter cykliczny. Nawet mając wszystko, czego nauczyliśmy się o Wielkim Wybuchu i tym, co go stworzyło, nie można wyciągnąć solidnych wniosków. Nie mamy wystarczających informacji w naszym obserwowalnym Wszechświecie, aby wiedzieć, czy czas jest skończony, czy nieskończony; czy to cyklicznie czy liniowo. Wydaje się, że możemy być pewni, że nawet przed Wielkim Wybuchem przestrzeń, czas i same prawa fizyki istniały jakiekolwiek by one nie były.
Jeśli przyjmiemy hipotezę inflacji, to powinniśmy zgodzić się, że prawa fizyki z pewnością musiały istnieć również w fazie inflacji (bo przecież nią zarządzały), która zapoczątkowała sam Wielki Wybuch. Jednak wraz z zaakceptowaniem koncepcji inflacji i obserwacyjnym potwierdzeniem jej przewidywań pojawiają się nowe pytania, na przykład: (1) czy stan inflacyjny był stały?, (2) czy inflacja trwała nieskończenie długo, wiecznie w przeszłości?, (3) czy inflacja jest związana z ciemną energią, ponieważ jej obecność również powoduje ekspansję Wszechświata w tempie wykładniczym?
Są trzy zasadnicze możliwości upływu czasu w naszym Wszechświecie: (1) czas istniał zawsze i zawsze będzie istniał, (2) że czas istniał tylko przez określony czas, jeśli ekstrapolujemy wstecz, (3) czas jest cykliczny i będzie się powtarzał , bez początku i bez końca. Badania Wielkiego Wybuchu sugerowały przez jakiś czas, że mogą dać odpowiedź która możliwość jest realizowana, ale od pewnego czasu przez wprowadzenie różnych koncepcji inflacji oraz przez próby sformułowania kwantowych teorii grawitacji, znów pogrążyliśmy się w niepewności.
Prawda jest taka, że mamy przeczucia, ale nie wiemy na pewno. Jedynie ułamek sekundy inflacji odciska się w naszym Wszechświecie, a wszystko, co wydarzyło się przed tą chwilą, zostało dosłownie nadmuchane. Nawet teoretyczne próby sporu o całkowitą / niepełną naturę czasoprzestrzeni inflacyjnych nie są konkretne; możliwe, że inflacja nie trwała wiecznie i miała szczególny początek, ale możliwe jest również, że albo trwała wiecznie, albo nawet miała charakter cykliczny, z przestrzenią i czasem zapętlonymi w końcu.
Już tysiące lat temu ludzie rozważali trzy główne możliwości tego jak powstał czas: zawsze istniał, rozpoczął w przeszłości określony czas trwania lub ma charakter cykliczny. Nawet mając wszystko, czego nauczyliśmy się o Wielkim Wybuchu i tym, co go stworzyło, nie można wyciągnąć solidnych wniosków. Nie mamy wystarczających informacji w naszym obserwowalnym Wszechświecie, aby wiedzieć, czy czas jest skończony, czy nieskończony; czy to cyklicznie czy liniowo. Wydaje się, że możemy być pewni, że nawet przed Wielkim Wybuchem przestrzeń, czas i same prawa fizyki istniały jakiekolwiek by one nie były.
7.) Wiemy, że Wszechświat nie zawsze wyglądał tak jak widzimy go dzisiaj. Kiedyś powstały nie tylko poszczególne gwiazdy, lecz także całe galaktyki. Nie zawsze istniały one we Wszechświecie, a zawarte w nich gwiazdy nie zawsze świeciły. Zauważywszy, że otaczające nas galaktyki, średnio rzecz biorąc, nieustannie się od nas oddalają, stwierdziliśmy, że nasz Wszechświat musi się rozszerzać. Wszystko, co znajduje się w kosmosie, oddala się coraz bardziej od pozostałych obiektów. Jeśli cofniemy się w czasie, dochodzimy do nieuniknionego wniosku, że kiedyś w przeszłości cały Wszechświat musiał rozpocząć swoją ekspansję. Możemy z przekonaniem powiedzieć, że w przeszłości Wszechświat doświadczył czegoś, co można nazwać jego początkiem, chociaż być może odkryjemy jeszcze, że istniał na długo przed rozpoczęciem ekspansji.