Czy Wszechświat jest jednorodny?

Przede wszystkim, o jakich skalach mowa? Dla potrzeb szybkiej orientacji w rozmiarach rzeczy we Wszechświecie dobrze jest mieć pod ręką pomoc naukową. Ja zwykle stosuję w takich sytuacjach następujący schemat, który można szybko odtworzyć na kartce papieru. Konstrukcja jest następująca:

Na osi pionowej odłożona jest (logarytmiczna!) skala przestrzenna – od najmniejszych zmierzonych rzeczy (których reprezentantem będzie dla nas proton), po granice wszelkich obserwacji, czyli rozmiar obserwowalnego Wszechświata. Dokładnie pośrodku stawki znajdują się obiekty o wielkości sporego miasta. Następnie dzielimy tak uzyskane przedziały na pół i znowu na pół, uzyskując całkiem poręczną, przybliżoną skalę wielkości o 9 punktach charakterystycznych, odległych od siebie o mniej więcej 5 rzędów wielkości. Oznacza to, że atom jest w przybliżeniu 100000 razy większy od protonu, miasto ok. 100000 razy większe od człowieka itd. Z perspektywy obiektów leżących na dowolnym szczeblu tej drabiny wielkości, patrząc „w dół” na sąsiedni szczebel, natrafia się na obiekt akurat na tyle mały, żeby jego istnienie było w zasadzie niedostrzegalne „z góry”. Patrząc natomiast „w górę”, ogląda się swoje bezpośrednie „środowisko naturalne”. W pewnym sensie miasto „patrzy” więc na ludzi tak, jak człowiek na bakterie, a bakteria na atomy. Bakteria zaś „patrzy” na człowieka tak, jak człowiek na miasto, a miasto na planetę.

Cytowane odkrycie astronomów dotyczy tzw. zasady kosmologicznej, czyli postulatu, zgodnie z którym dla każdego obserwatora Wszechświat wygląda statystycznie jednakowo (jest izotropowy). Jedną z ważniejszych konsekwencji tej zasady jest postulat jednorodności Wszechświata w największych skalach przestrzennych, zgodnie z którym gęstość materii wokół dowolnego punktu, mierzona w odpowiednio dużej skali, jest zawsze taka sama, i odpowiada ustalonej średniej gęstości materii kosmicznej. Żeby przyzwyczaić się do procedury mierzenia gęstości w określonej skali, warto trochę poćwiczyć i przy okazji zaprzyjaźnić się bliżej z naszą logarytmiczną skalą wielkości.

Wyobraźmy sobie, że przykładamy hipotetyczny sześcian o boku jednego metra w dowolnym wybranym punkcie Wszechświata i odnotowujemy, co nam w ten sześcian wpadło. Na początek wycelujmy w sam środek własnej głowy. Udało nam się złapać kawałek materii biologicznej, sporą objętość powietrza, trochę mebli i trochę ubrań oraz kubek z kawą. Po zważeniu tego wszystkiego i podzieleniu przez objętość sześcianu otrzymujemy średnią gęstość materii w tym punkcie w skali jednego metra, która leży niechybnie gdzieś między gęstością powietrza a gęstością wody. Po przyłożeniu sześcianu w środku oceanu otrzymamy gęstość wody, po przyłożeniu sześcianu w jądrze Słońca otrzymamy liczbę kilkaset razy większą, a po przyłożeniu w pustej przestrzeni międzygalaktycznej – niewielką liczbę bliską zeru. Jak widać, w skali jednego metra „spektrum” dostępnych gęstości jest całkiem spore i sięga od najrzadszych do najgęstszych obiektów we Wszechświecie.

Jeśli wybierzemy sześcian o boku długości promienia protonu, sytuacja zrobi się niezwykle ciekawa, choć w pewnym sensie znacznie prostsza. Zauważmy przede wszystkim, że przeważająca większość masy „normalnej” materii pochodzi od masy jąder atomowych, te zaś można w uproszczeniu (technicznie: w przybliżeniu modelu kroplowego) traktować jako obiekty o stałej, niebywale wysokiej gęstości, określanej jako gęstość materii jądrowej. W najmniejszych skalach przestrzennych nasze pudełko może więc zarejestrować tylko jedną z dwóch możliwości – albo natrafi na pustą przestrzeń pomiędzy jądrami atomowymi i zarejestruje gęstość pustej przestrzeni, albo natrafi na jądro i zarejestruje gęstość materii jądrowej. (Dla potrzeb tego artykułu zostawmy na boku hipotetyczne stany materii gęstsze od materii jądrowej, czarne dziury, ciemną materię i całą tę menażerię współczesnej kosmologii. Ich brak tym razem nie będzie szczególnie dotkliwy).

Wybierzmy teraz siatkę o boku dziesięć razy dłuższym od rozmiarów sporej supergromady galaktyk, czyli skalę z samego szczytu naszej drabiny wielkości. Tutaj sytuacja okazuje się jeszcze prostsza – gdziekolwiek by nie przyłożyć pudełka, zawsze złowi się to samo: kilka supergromad, pewną liczbę gromad i małych grup galaktyk, nieco kosmicznych pustek… i tyle. Zawsze to samo. Takie przynajmniej są przewidywania zasady kosmologicznej oraz wyniki dotychczasowych wielkoskalowych obserwacji astronomicznych. Aż do stycznia 2013 roku…

Zanim skomentujemy te nowe odkrycia astronomiczne, rzućmy jeszcze okiem na diagram ilustrujący symbolicznie opisane przed chwilą zależności:

Na osi pionowej ponownie odłożone są rozmiary przestrzenne. Na osi poziomej zaznaczono natomiast gęstość, również w skali logarytmicznej. Wartości rosną ku prawej stronie. Obszar zaznaczony na szaro oznacza zakres gęstości dostępnych przy danej skali przestrzennej. Dwie „nóżki” w dolnej części rysunku symbolizują fakt, że w małych skalach przestrzennych rozrzucone po całym Wszechświecie pudełka pomiarowe złapią tylko dwie różne gęstości. „Brzuszek” diagramu to te wszystkie skale przestrzenne – od bakterii po planety i gwiazdy – w których pudełka pomiarowe będą trafiać na najróżniejsze gęstości, od pustej przestrzeni (lewa strona diagramu), po supergęste wnętrza gwiazd (prawa strona diagramu). Zwężająca się „szyja” symbolizuje największe skale przestrzenne, w których coraz trudniej jest tak przyłożyć pudełko, żeby złapać obszar całkowicie wypełniony przez gęste obiekty. Już w skali galaktyki dowolnie wycentrowane pudełko zagarnie przecież znaczną objętość rzadkiego gazu galaktycznego, obniżającego uzyskaną gęstość. Gdyby zasada kosmologiczna była słuszna, „szyja” wykresu ciągnęłaby się nieskończenie daleko ku górze, będąc tylko cieniutką nitką oznaczającą średnią gęstość materii kosmicznej.

Czerwona kropka oznacza cytowany we wstępie, nowo uzyskany wynik astronomiczny – strukturę o potężnych rozmiarach, która stanowi skupienie materii powyżej poziomu średniego, który powinien dominować w tych skalach przestrzennych. O czym my właściwie mówimy? Kwazary to nic innego, jak obszary centralne młodych galaktyk, które – tak jak ludzie, wulkany, letnie burze, partie polityczne i tysiące innych obiektów naturalnych – właśnie w fazie swojej młodości wykazują maksimum aktywności, zwykle trochę chaotycznej i wywierającej dramatyczny wpływ na otoczenie. Zasada kosmologiczna głosi zaś, że powyżej pewnej skali przestrzennej galaktyki nie powinny tworzyć grup, lecz być w miarę równomiernie rozrzucone w przestrzeni. Czyżby szykowała się rewolucja w nauce? A może uda się podkręcić modele matematyczne tak, aby „szara strefa” objęła również czerwoną kropkę?

Do tego problemu można podejść na wiele sposobów. Przede wszystkim zwróćmy uwagę, że zasada kosmologiczna jest w kosmologii bardzo ważnym postulatem z punktu widzenia „strukturalnego”. Tak jak w każdej innej dziedzinie fizyki, pierwszym krokiem przy konstruowaniu modeli matematycznych jest poczynienie założeń. Rolą wszelkiego typu założeń prostoty, jednorodności czy symetrii jest zawsze upraszczanie obliczeń; w większości przypadków model „działa” tylko wtedy, jeżeli z racji takich założeń człony równań kasują lub przyjmują dogodne wartości typu 1 lub 0, całe równania znikają lub stają się matematycznie trywialne itp. Nie znaczy to, że niemożliwe byłoby skonstruowanie modelu kosmologicznego o globalnie niejednorodnym rozkładzie masy. Oznacza to jednak utratę elegancji obecnego modelu i konieczność żmudnego konstruowania na nowo wszelkich wyników zależnych od założenia izotropowości i jednorodności.

Ponadto, izotropowość Wszechświata jest też przecież właściwością obserwowalną, i to dobrze potwierdzoną. Szczególnie spektakularne są pomiary kosmicznego promieniowania tła demonstrujące, że w którymkolwiek kierunku by nie spojrzeć, młody Wszechświat miał niemal identyczną temperaturę. (Choć bardziej dociekliwych Czytelników z pewności zainteresuje fakt, że promieniowanie tła posiada dominujący dipol, co w praktyce oznacza, że wydaje się istnieć „gorętsza” i „chłodniejsza” półkula Kosmosu… Wyjaśnienie tego faktu to ciekawa historia na inną okazję.) Pomiary jednorodności są jednak znacznie trudniejsze niż pomiary izotropowości i cytowane w tej pracy odkrycie pokazuje, że w kwestii wielkoskalowego rozkładu masy we Wszechświecie wiele pozostaje jeszcze do zbadania.

Zostawmy jednak perspektywę czysto naukową na boku. Ponieważ jednak wolno mi w tym momencie pokusić się o odrobinę filozofii, spróbujmy odpowiedzi „filozoficznej”. Zauważmy trzy niewinne „zbiegi okoliczności”.

Pierwszy, że ludzkość jako taka siedzi dokładnie w samym środeczku naszego diagramu. Mówiąc inaczej, granice naszego poznania sięgają tak samo daleko w górę, co w dół. Drugi, że w skali najlepiej przez nas poznanej: w skali związków chemicznych, bakterii, ludzi, miast, planet, gwiazd i galaktyk – jak okiem sięgnąć – roi się od złożonych struktur, niejednorodności i zaskoczeń. Trzeci, że to właśnie w skalach najgorzej przez nas poznanych, czyli na brzegach, przewidujemy sytuację nieskomplikowaną i jednorodną.

Łudząco przypomina to sytuację człowieka stojącego na wzgórzu. Raz: w każdą stronę sięgamy wzrokiem mniej więcej tak samo daleko. Dwa: wokół naszych stóp rozciąga się oszałamiające bogactwo detali. Trzy: na horyzoncie ujawnia nam się jednorodna, szarobłękitna zupa bez konturów.

Tylko czy ktokolwiek twierdzi, że świat kończy się na horyzoncie?

Łukasz Lamża