Ruszyć w dowolnym kierunku i przemierzać wszechświat. Poza naszym układem słonecznym, poza skrajem Drogi Mlecznej, przez las galaktyk składających się na naszą Grupę Lokalną, w dzicz dalekiego kosmosu, obok czarnych dziur i galaktyk oraz nieskończenie bliskich światów… czy aby na pewno one są nieskończone?
Czy mógłbyś podróżować w nieskończoność czy ostatecznie dotarłbyś do krawędzi? A może skończyłbyś znowu tam, gdzie zacząłeś? To największy problem kosmologii, zwłaszcza jeśli dosłownie rozumiesz słowo „największy”: jaki jest dokładnie rozmiar i kształt naszego wszechświata? Mamy kilka wskazówek, ale żadna z nich nie wskazuje na jednoznaczny kierunek, więc pozostaje w dużej mierze tajemnicą.
Kiedy rozmawiam o wszechświecie z przyjaciółmi lub kolegami, często przypominam im, że przestrzeń jest ogromna, być może nawet bezkresna. To trudne do ogarnięcia, ale kosmolodzy i wielcy myśliciele zastanawiają się nad tym od wieków. Najlepszym sposobem, aby dowiedzieć się, jak duża jest przestrzeń, jest zacząć od ustalenia, jaki ma kształt. I istnieje wiele pomysłów na to, jaki kształt mógłby przyjąć nasz wszechświat.
Najprostszym kształtem dla wszechświata byłoby dość płaskie płótno. Oczywiście, jest to o wiele bardziej skomplikowane, ale to przydatna metafora (co można powiedzieć o większości rzeczy w fizyce). Przeskoczę pewne techniczne szczegóły, ale wystarczy powiedzieć, że jeśli wszechświat jest płaski, działa cała geometria, którą uczyłeś się w szkole: narysuj trójkąt, a jego kąty będą wynosiły 180 stopni, a wszystkie linie będą proste. Ale jeśli kosmos jest zakrzywiony, zaczynają dziać się rzeczy nietypowe. Twój trójkąt nie byłby trójkątem, jak go znasz, ale efekty byłyby tak małe, że byś tego nie zauważył. Wszechświat mógłby mieć kształt siodła lub nawet kuli, a w obu przypadkach geometria staje się nieliniowa, a więc trochę dziwna.
Rozmiar i kształt wszechświata są określane przez dwie wielkości: grawitację i ciemną energię. Grawitacja wszystkiego we wszechświecie przyciąga go, a ciemna energia popycha do rozszerzania się. Jeśli te dwie siły są idealnie zrównoważone, wszechświat jest płaski. Jeśli ciemna energia zwycięża, jest w kształcie chipsa. Każdy z tych kształtów pozwoliłby wszechświatowi być skończonym lub nieskończonym – istnieją modele, które działają dla obu.
Jeśli grawitacja zwycięża, wszechświat jest kulisty i dlatego skończony – co jest najprostszym rozwiązaniem. Jednak o ile możemy wywnioskować z różnych obserwacji wszechświata, wydaje się, że wszechświat jest prawdopodobnie płaski. Z drugiej strony, najnowsze obserwacje pokazują, że ciemna energia może słabnąć w czasie, co naprawdę podkreśla, jak niewiele tak naprawdę wiemy na pewno o wszechświecie w skali makro. Podobnie tajemnicza jest ciemna materia, nawet gdy budujemy coraz bardziej precyzyjne mapy jej w całym wszechświecie, jest ona kluczowym składnikiem grawitacji wszechświata. Dlatego „prawdopodobnie płaski” powinno być traktowane z rezerwą.
Na tym etapie powinienem powiedzieć, że nie jestem całkowicie stronniczym narratorem w tej kwestii. Ja, podobnie jak wielu fizyków, nie lubię nieskończoności. Oczywiście, są one interesujące do myślenia, ale wkładając je do świata fizycznego, co to w ogóle oznacza? Być może jest to kwestia granic mojego ludzkiego umysłu, ale trudno mi zaakceptować, że cokolwiek może być znacząco nieskończone. Wszystko musi mieć jakąś granicę, nawet jeśli jest ona niezwykle duża. Nieskończoność wydaje mi się trochę ucieczką do przodu. Nie ma na nią sposobu na pomiar. Jeśli nasze równania nie działają poprawnie, założymy po prostu, że idzie bez końca? Niech mnie ktoś zawiesi.
Nie jestem sam w tej kwestii, biorąc pod uwagę ogólne niechęć do nieskończoności, istnieje wiele teorii na temat tego, jak mógłby wyglądać skończony wszechświat. Nawet jeśli jest płaski, istnieje wiele opcji na to, jak różne części czasoprzestrzeni mogą być ze sobą połączone – jak wspomniałem, podział na płaszczyznę/kulę/siodło jest uproszczeniem. Po pierwsze, pojawia się pytanie, czy skończony wszechświat musi mieć krawędź. Jeśli wszechświat jest skończony i płaski jak kartka papieru, musi ją mieć – ale wtedy pytamy się, co jest za tą krawędzią? Być może inne wszechświaty, być może nic. To może być cokolwiek. Ale co się dzieje tuż przy krawędzi? Czy istnienie po prostu… kończy się? To trochę przerażające i trudne do wyobrażenia, a także trudne do ujęcia w równaniach opisujących nasz wszechświat.
Jeśli czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, opcje stają się trochę bardziej otwarte. Sfera nie ma krawędzi, więc jeśli podróżowałbyś zbyt daleko w jednym kierunku, po prostu skończyłbyś tam, gdzie zacząłeś. Albo mogłaby mieć kształt pączka, butelki Kleina lub dziwnej ścierki z dziurkami do tunelowania, lub dowolnej liczby innych możliwości – niektórzy fizycy sugerowali, że mógłby mieć kształt orzeszka ziemnego, stożka lub jabłka, ostatnia opcja byłaby możliwa tylko dzięki dodaniu większej liczby wymiarów, niż istniejemy obecnie. Jak już powiedziałem, to jest skomplikowane.
Wszystkie te kształty, o których właśnie wspomniałem, są skończone. Dodaj nieskończoność do tego wszystkiego, a wszystko staje się jeszcze dziksze – można nawet powiedzieć nieporęczne. Możesz podróżować w nieskończoność i odkrywać tylko przestrzeń bez końca, nieskończoną różnorodność galaktyk, układów gwiazdnych i światów. Nie musisz martwić się o krawędzie ani to, co jest „poza” wszechświatem, ponieważ wszystko byłoby w nim.
W pewnym sensie perspektywa ta jest ekscytująca. Możesz znaleźć cokolwiek tam. Na pewno istniałyby inne formy życia – tylko ze względu na czystą prawdopodobieństwo – chociaż to prawdopodobnie dotyczy również wszechświata, który nie jest nieskończony, ale po prostu bardzo, bardzo duży. Osobiście jednak nie mogę oprzeć się wrażeniu, że nieskończona ilość wszechświata to po prostu za dużo. Uwielbiam wyobrażać sobie, co mogłoby tam być, ale jeśli odpowiedź brzmi „wszystko, co jest możliwe, bo wszechświat trwa wiecznie”, to wydaje się, że nie ma sensu rozważać wyobrażeń.
Jest to jednak kwestia osobistych odczuć, a jak wszystko w fizyce, ostatecznie sprowadzi się do obserwacji i matematyki. To część tego, co kocham w fizyce, jej konkretne podejście – a nieskończoność po prostu nie jest wystarczająco konkretne. Jeśli wybieram kierunek i oddalam się przez wszechświat, w końcu chcę dotrzeć do czegoś, czy to krawędzi czy po prostu znów do domu.
