Lee Smolin i potomstwo czarnej dziury

Ćwierć wieku temu fizyk Lee Smolin zaproponował nowe spojrzenie na kosmologię. Skorzystał przy tym z rozważanej od niedawna w nauce koncepcji multiwersum (wieloświata), wedle której nasz Wszechświat jest tylko jednym z idącego w zyliony rojowiska wszechświatów o różnych parametrach fizycznych. Na jej potwierdzenie nie ma na razie żadnych dowodów poza intuicyjnymi: jak Słońce nie jest jedyną gwiazdą, a Galaktyka jedyną formacją gwiezdną, tak i zamieszkiwany przez nas Wszechświat należałby do wielkiego zbioru takich jak on obiektów. Jak liczny byłby to zbiór? Czy bylibyśmy w nim typowi, czy mieścilibyśmy się poza normą? Odpowiedzi na ten temat dopiero się rysują.

Kluczową rolę w rozważaniach Smolina odgrywają czarne dziury. Żeby zrozumieć ten fenomen, który zadziwia nawet zawodowych astrofizyków, wyobraźmy sobie gwiazdę kilkakrotnie bardziej masywną od naszego Słońca. Każda gwiazda jest unoszącym się w przestrzeni reaktorem termojądrowym, który wypromieniowuje energię powstałą w jej wnętrzu z syntezy jąder wodoru i helu. W rezultacie reakcji jądrowych wewnątrz gwiazdy powstają cięższe pierwiastki, jak azot, tlen czy węgiel, a także promieniowanie gamma. Zanim jednak przebije się ono ku powierzchni, upływa kilkadziesiąt lat, a miliardy zderzeń z innymi cząstkami tak wyhamowują kwanty gamma, że powierzchnię gwiazdy opuszczają już jako światło widzialne.

Zachwiana równowaga

Przez całe swe życie gwiazda – im masywniejsza, tym krótsze – pozostaje w równowadze pomiędzy dwiema siłami. Od powierzchni działa olbrzymia grawitacja, usiłująca ścisnąć obiekt do jak najmniejszych rozmiarów; od środka rozpiera ją ciśnienie produkowanego bez ustanku promieniowania. Dopóki nie brakuje wodoru i helu, dopóty promieniowanie przeciwstawia się grawitacji. Kłopoty zaczynają się wtedy, gdy gwiazda starzeje się i paliwa jądrowego nie jest już pod dostatkiem. Równowaga pomiędzy grawitacją a promieniowaniem zostaje zachwiana, olbrzymie kawały materii walą się od powierzchni w głąb, konstrukcja gwiazdy tego nie wytrzymuje i często kończy się to największym we Wszechświecie pokazem fajerwerków – wybuchem supernowej. Gwiazda obserwowana do tej pory jako blada kropka emituje w krótkim czasie tak olbrzymie ilości energii, że przez kilka miesięcy widać ją w sąsiednich galaktykach. Wybuchając, likwiduje ewentualne planety w swoim otoczeniu, a sąsiednie układy planet częstuje przenikliwym promieniowaniem o niezwykłej intensywności. Gdyby w układach tych istniało życie rozumne, po wybuchu bliskiej supernowej można by już o nim mówić w czasie przeszłym.

Po tym pokazie gwiazda znika z nieboskłonu, tracąc gwałtownie na jasności. Część jej materii rozprasza się, dając później początek nowym gwiazdom; reszta albo skupia się w gwiazdę neutronową, albo tworzy czarną dziurę. Ta ostatnia zawiera tyle skoncentrowanej materii, że jej gęstość osiąga wartości nigdzie indziej niespotykane, a prędkość ucieczki z jej powierzchni przekracza prędkość światła. W efekcie żaden obiekt materialny, a nawet samo światło, nie jest w stanie się od niej oderwać i dla reszty kosmosu znika ona bezpowrotnie. Jest zresztą wątpliwe, czy czarna dziura ma powierzchnię, gdyż ze zrozumiałych względów nikt do niej nie zajrzał.

Czarna dziura jest prawdziwym kosmicznym potworem. Jej powstaniu towarzyszy wytworzenie tzw. horyzontu zdarzeń, czyli strefy, z której ucieczka nie jest już możliwa. Taka gwiazda traci stopniowo na jasności i w krótkim czasie znika. Często otacza ją dysk akrecyjny, utworzony z materii ciał, które rozwaliła i po części wessała do swego wnętrza, a także bijące na wiele lat świetlnych strugi, zwane dżetami. Seansom astronomicznym czarnych dziur towarzyszy emisja przenikliwego promieniowania rentgenowskiego i gamma.

Horror astronauty

Istnienie czarnych dziur przewidział w 1783 r. pastor John Michell. Posługując się równaniami Newtona, obliczał prędkości ucieczki z różnych ciał kosmicznych – z Ziemi wynosi ona 11 km/s, ze Słońca 617 km/s. Ustalił, że muszą istnieć obiekty, z których nawet światło nie zdoła uciec, a zatem staną się niewidoczne dla reszty Wszechświata. Kluczowym parametrem okazał się rozmiar: dla gwiazdy o masie Słońca wynosił on 18,5 km. Innymi słowy masa Słońca wtłoczona do kuli o takiej średnicy musi dać w rezultacie czarną dziurę. W XVIII w. obiekty te nie dorobiły się jeszcze tej szlachetnej nazwy, którą w XX w. nadał im fizyk John Wheeler. Określano je jako ciemne gwiazdy; nazwa ta kojarzyła się ze wszystkim co najgorsze i jeszcze do dziś pokutuje w języku (vide typ spod ciemnej gwiazdy).

Takie same wnioski jak Michell opublikował 13 lat później Pierre de Laplace. Do ciemnych gwiazd odnoszono się z niechęcią, uważano je za ciekawostkę; traktowania serio doczekały się dopiero na początku XX w., po odkryciu przez Einsteina ogólnej teorii względności. Równania Einsteina rozwiązał Karl Schwarzschild, otrzymując model ciemnej gwiazdy, taki jak postulowali Michell i Laplace. Wśród „opiniotwórczych" fizyków, jak Eddington czy Einstein, pojawiła się tendencja do wyrażania sprzeciwu wobec tych szokujących obiektów. W 1939 r. Einstein opublikował nawet obliczenia dowodzące, że czarne dziury nie mogą istnieć. Właściwie dopiero w latach 60. XX w. przyznano, że są to obiekty realne.

Na ciała z zewnątrz czarna dziura oddziałuje grawitacyjnie: najpierw wciąga je na orbitę wokół siebie, a po pewnym czasie demontuje i pożera, zwiększając w ten sposób własną masę. Wielkie czarne dziury, usytuowane z reguły w centrach galaktyk, mają masy rzędu setek milionów mas Słońca, a największa z nich, niedawno odkryta, jest masywniejsza od naszej gwiazdy 10 miliardów razy. Takie olbrzymy żywią się całymi gwiazdami, rozwalając je najpierw olbrzymią grawitacją, a potem wbudowując w otaczający je dysk akrecyjny. Najbliższe sąsiedztwo takiego gwiazdożercy usiane jest resztkami obiektów, które złożyły się na jego pożywienie w przeszłości. Z dysku akrecyjnego, rozpalonego wskutek prędkości nadanej jego cząstkom przez grawitację i emitującego krótkie promieniowanie, czarna dziura pobiera systematycznie materię do swego wnętrza. Używając terminologii baśniowej: czarne dziury to takie smoki, które pożerają wszystko, co tylko się zjawi w pobliżu; o ich przeraźliwej działalności świadczą resztki poniewierające się wokół jaskini. Najmądrzejsze, co można zrobić, to trzymać się od nich z daleka.

O ile jednak dość dobrze wyobrażamy sobie, co się dzieje w pobliżu czarnej dziury, o tyle o zjawiskach zachodzących w jej wnętrzu nie mamy zielonego pojęcia. Brakuje teorii, która by to opisywała; dopiero kwantowa teoria grawitacji wszystko nam wyjaśni. Przypuszcza się, że materia zostaje tam ściśnięta do ogromnej gęstości, z jaką w naszym świecie się nie spotykamy. Jak udowodnił brytyjski matematyk Roger Penrose, we wnętrzu każdej czarnej dziury istnieje tzw. osobliwość, gdzie gęstość i natężenie pola grawitacyjnego sięgają nieskończoności. Smolin szacuje jednak, że jest to gęstość około 1079 (10 do potęgi 79) razy większa od gęstości materii jądrowej.

Astronauta, który miałby pecha dostać się pod horyzont zdarzeń, w pierwszej chwili niczego by nie poczuł. Później jednak jego los nie byłby godny pozazdroszczenia: ciało jego zaczęłoby się rozciągać w kierunku radialnym (wzdłuż promienia ciemnej gwiazdy), natomiast boki podlegałyby ściskaniu. W rezultacie zostałby wyciągnięty w nić nieskończonej długości i wbudowany w osobliwość. Inna szkoła utrzymuje, że tortura miałaby przebieg mniej regularny: ściskaniu i rozciąganiu podlegałyby na przemian różne części astronauty, i to w szybkim, oscylacyjnym tempie. Z zewnątrz oczywiście jego gehenna byłaby niewidoczna.

Niezależnie od tego, że horyzont zdarzeń odcina zewnętrznych obserwatorów, zapadanie się gwiazdy trwa nadal, aż dochodzi do powstania osobliwości. Warunków panujących w centrum nie jest w stanie przetrzymać nawet czasoprzestrzeń, która rozszczepia się na czas i przestrzeń, po czym obie zostają unicestwione. Końcowym produktem jest piana kwantowa, o której nie wiadomo nic pewnego.

Pomimo nieprawdopodobnych ciśnień i gęstości panujących wewnątrz czarnej dziury procesy w niej zachodzące trwają nadal. Nieskończonościom wewnątrz czarnej dziury sprzeciwia się teoria kwantowa, toteż niektórzy fizycy uważają, że do zatrzymania czasu nie dochodzi. Rozważają natomiast na serio tzw. efekt odbicia, polegający na tym, że ściśnięta materia (lub to co z niej zostało), wybucha gwałtownie, a ponieważ nie może tego uczynić w kierunku naszego Wszechświata (horyzont zdarzeń nie pozwala), kieruje się gdzie indziej. Gdzie? Jedni twierdzą, że w hipotetyczną hiperprzestrzeń, inni że do innych istniejących wcześniej wszechświatów, trzeci zaś, że jednak gdzieś w odległe rejony naszego Wszechświata.

Zjawisko to jako żywo przypomina Wielki Wybuch, który dał początek miriadom galaktyk składających się na nasz Wszechświat, przypuszcza się zatem, że eksplozja materii z czarnej dziury może być czymś podobnym. Czarne dziury nie byłyby więc niczym innym jak gniazdami, z których startują narodziny nowych wszechświatów: po początkowym impulsie i niezbędnej ewolucji dochodzić może do powstawania podobnych tworów jak ten, który obecnie zamieszkujemy – i tu wkracza Lee Smolin ze swoim pomysłem.

Na potrzeby ewolucji kosmologicznej Smolin przyjął dwa założenia: zjawiska kwantowe istotnie pozwalają uniknąć końca czasu wewnątrz czarnej dziury, a gdy dochodzi do wybuchu, wyłaniający się z niej nowy wszechświat pod względem parametrów fizycznych niewiele różni się od swego poprzednika. Dopiero cofając się o kilkanaście pokoleń, znaleźlibyśmy przodka danego wszechświata, który odbiegałby od niego znacznie. Gdyby start do ewolucji kosmologicznej przebiegał od losowo wybranych parametrów, pierwsze powstałe w ten sposób wszechświaty zapadałyby się w siebie, by po serii odbić wykształcić w sobie zdolność do wyprodukowania przynajmniej jednej czarnej dziury. Początkowa faza przebiegałaby względnie szybko, gdyż życie takiego felernego wszechświata liczy się w kilku jednostkach czasu Plancka (czas Plancka to 10–43 s – 10 do potęgi -43). Względnie szybko zatem otrzymalibyśmy coś, co po serii kolapsów i odbić można by nazwać bardzo dalekim protoplastą wszechświata takiego jak nasz. Od kiedy jednak do „rozmnażania" wszechświatów włączyłyby się czarne dziury, trwałoby to o wiele dłużej. Jednemu „pokoleniu" zajmowałoby to co najmniej kilkaset milionów lat naszego czasu, bo tyle trwa doprowadzenie wielkiej gwiazdy do stadium czarnej dziury.

Płodne wszechświaty

Ile jest takich wszechświatów wyłonionych w wybuchających czarnych dziur? Prawdopodobnie nieprzejrzane multum. Liczbę czarnych dziur w naszej Galaktyce Smolin szacuje na jakieś 100 mln; w całym Wszechświecie byłoby ich 10 do potęgi 18 – olbrzymia liczba. Niech co tysięczna z nich będzie zdolna do wydania z siebie nowego wszechświata, to i tak będą to tryliony. A przecież trudno przypuszczać, że nasz Wszechświat jest jedyny, takich jak on obiektów znowu są niezmierzone roje, jako że proces trwa już od dłuższego czasu.

Na pytanie, co było przed Wielkim Wybuchem, odpowiedź zatem już znamy. Zastępuje je inne: jaki proces i kiedy uruchomił całą sekwencję produkcji wszechświatów. Tu z odpowiedzią będzie o wiele trudniej, wątpliwe jest, czy kiedykolwiek ją uzyskamy.

Hipoteza multiwersum wyjaśnia zatem, skąd wziął się nasz Wszechświat w takiej postaci, jaką dziś obserwujemy. W wyniku Wielkiego Wybuchu, będącego wybuchem „białej dziury" w naszej przestrzeni, po etapie inflacji (jeśli uczeni zgodzą się, że jednak do niej doszło), po miliardach lat ekspansji przestrzeni powstał fenomen, którego wielkość szacowana jest na 92 mld lat świetlnych, a wiek na 13,7 mld lat. We Wszechświecie tym wynikło życie biologiczne, a potem cywilizacja istot rozumnych przynajmniej w jednym miejscu. Było to możliwe dzięki ewolucji kosmologicznej nieznanej liczby wszechświatów w czasie o nieznanej długości, co doprowadziło do wytworzenia przynajmniej jednego o warunkach sprzyjających takim procesom.

Jak do tego doszło? Ewolucja wszechświatów przy założeniach, jakie narzucił Smolin, preferuje powstawanie takich, które charakteryzują się maksymalną liczbą czarnych dziur. Te wszechświaty bowiem są najbardziej „płodne", gdyż to one wydadzą najwięcej potomstwa. Zatem liczba czarnych dziur w danym wszechświecie jest kluczowym parametrem i dobrze świadczy o jego „żyzności". Wszechświaty pozbawione czarnuch dziur albo wykazujące się małą ich liczbą skazane są na wleczenie się w ogonie ewolucji kosmologicznej i zostaną zdominowane przez te, które wydadzą najwięcej potomstwa. Statystyka gwarantuje, że w populacji takich wszechświatów liczba parametrów fizycznych korzystnych z naszego punktu widzenia będzie się ciągle zwiększać. Gdybyśmy mieli możliwość pobrania próbki ze zbioru wszechświatów, do którego się zaliczamy, z dużym prawdopodobieństwem należałaby ona do rodziny dominującej lokalnie w tej populacji i nadal się rozwijającej.

Analogia do teorii doboru naturalnego Darwina wydaje się oczywista: zmiany parametrów fizycznych kolejnych wszechświatów odpowiadają genom organizmów biologicznych. Do opisu doboru naturalnego wszechświatów Smolin zastosował ten sam formalizm co Darwin do organizmów żywych. Zarówno zmiany w organizmach, które wynikają z mutacji i rekombinacji płciowej, jak i zmiany w kolejnych pokoleniach wszechświatów są małe, a poprawa przystosowania następuje przez kumulację tych zmian. Geny rodziców biologicznych różnią się od genów potomstwa o niewielkie, przypadkowe korekty – i podobnie jest z wszechświatami, przy czym oczywiście w tym ostatnim przypadku o rodzicach nie ma mowy. Słuszniej byłoby wyobrazić sobie rozmnażanie bakterii, oczywiście monstrualnej wielkości.

Norma, nie dziwoląg

Tak więc wszechświaty rozmnażające się według przepisu Smolina posiadają wspólne cechy z układami biologicznym. Jednych i drugich jest wiele, tak że można stosować do nich prawa statystyki. Jedne i drugie można opisać przez pewien zbiór parametrów, ale tylko nieliczne z nich dają zadowalający świat z bogactwem struktur. Również struktury obu rodzajów, i biologiczne, i kosmologiczne, są trwałe i stabilne w czasie.

Jeśli więc pomysł Smolina ma cokolwiek wspólnego z rzeczywistością, jego opis ewolucji wszechświatów jest de facto nakreśleniem kosmologicznej Genesis. Nie tylko dowiadujemy się, co było przed Wielkim Wybuchem, ale także ów wybuch zostaje umieszczony wśród zdarzeń podobnego rodzaju, dających identyczne skutki. Nasz Wszechświat tym samym przestaje być obiektem pojedynczym, dziwolągiem, który wziął się nie wiedzieć skąd, a staje się kosmologiczną normą. Narodziny kolejnych wszechświatów przebiegają według ustalonego wzoru, a kumulujące się zmiany parametrów fizycznych muszą w końcu doprowadzić do powstania wszechświata takiego jak nasz, z warunkami sprzyjającymi życiu.

Smolin twierdzi, że jego idea ma podstawy naukowe, ponieważ da się falsyfikować jak każda teoria naukowa. Jego koledzy fizycy są dość sceptyczni, w szczególności dotyczy to strunowców, którzy w teorii strun widzą rozwiązanie wszelkich problemów trapiących fizykę. Wśród ostatnich osiągnięć teorii strun jest tzw. krajobraz teorii: okazuje się, że teorii strun jest wiele, a ściśle rzecz biorąc 10 do potęgi 500. Jeśli dobrze zrozumiałem, każda taka teoria stosuje się do jednego wszechświata, a więc rodzący się jakkolwiek wszechświat ma od razu do dyspozycji konkretną teorię, która doń pasuje i która go opisuje. Gdyby to była prawda – nie wszyscy wierzą w istnienie strun – otrzymujemy sygnał, jak liczny byłby zbiór realnych bądź potencjalnych wszechświatów w multiwersum: jest to owe 10 do potęgi 500. Liczba niewyobrażalnie ogromna, skoro w całym naszym Wszechświecie atomów jest tylko 10 do potęgi 80 – a więc można w niej zmieścić wszystko, co pomyśli głowa i jeszcze więcej.