Foto: Pixabay/domena publiczna
To co wydaje nam się wielkie i najważniejsze – galaktyki, gwiazdy, gazy i planety – jest tylko niewielkim dodatkiem do jeszcze nieznanej strony kosmosu. Jednocześnie, aby rozważać jego losy, jesteśmy zmuszeni do zgadywania i przewidywania skutków implikowanych przez ciągle badane składniki, o których nie wiemy niemal nic.
W latach 60. XX wieku, świetny astronom, Vera Rubin, dzieliła swój cenny czas między opiekę nad czwórką dzieci a badaniem rotacji galaktyk. Niezbyt porywająca dyscyplina. Wszystko w kosmosie się kręci: księżyce wokół planet, planety wokół gwiazd, a całe układy dryfują dookoła masywnych centrów galaktyk. Jakież było zdziwienie Rubin, kiedy okazało się, iż jednak nie wszystko jest do bólu przewidywalne, a galaktyki zachowują się w inny sposób niż powinny!
Oto problem. Gdy obserwujemy planety Układu Słonecznego, to zgodnie z mechaniką klasyczną, zauważamy, iż poruszają się one z różną prędkością. Merkury położony najbliżej Gwiazdy Dziennej okrąża ją najszybciej (87 dni, około 50 km/s), ziemski rok, jak wiadomo, trwa 365 dni (około 30 km/s), a najdalszy Neptun dla przebycia swojej orbity potrzebuje aż 164 lat (około 5 km/s). To typowe i Vera Rubin na pewno spodziewała się analogicznych wniosków płynących z badań galaktyk.
Okazało się jednak, że prędkość obiektów na peryferiach galaktyk i w ich środkach są bardzo zbliżone. W uproszczeniu można powiedzieć, że gwiazdy zachowują się jakby naklejone na jakąś wielką winylową płytę, obracającą się swoim tempem. Inaczej mówiąc, do wyjaśnienia tego fenomenu brakowało masy, z której owa płyta byłaby zbudowana. Wielkiej ilości niewidocznej materii, kilkukrotnie przewyższającej masę wszystkich gwiazd i gazów – ciemnej materii.
Czym jest ciemna materia? Ze względu na jej naturę wiemy bardzo niewiele – nie odbija światła, jest masywna i tworzy szkielet dla widzialnego wszechświata. Jedną z hipotez jest połączenie idei ciemnej materii z teorią supersymetrii (SUSY). W wielkim skrócie, oznaczyłoby to, iż niewidoczna strona kosmosu zbudowana jest z poszukiwanych przez teoretyków cząstek, zwanych superpartnerami. Są one niczym innym niż ciężkimi odbiciami znanych nam cząstek o sympatycznych nazwach jak fotina, gluina i skwarki.
Wkrótce potem nauka przeżyła kolejne trzęsienie. Jeszcze nie ukształtowały się usystematyzowane modele dotyczące ciemnej materii, a naukowcy zauważyli, że nawet ona wszystkiego nie wyjaśnia. Siła grawitacji, zwłaszcza przy założeniu istnienia wielkiej masy niewidocznej materii, powinna powodować spowolnienie ekspansji kosmosu.
Tymczasem, obserwacje prowadzone na supernowych kompletnie zbiły z tropu astronomów. Wszechświat rozszerza się coraz szybciej! Werdykt był oczywisty: Od zarania do teraz na całą materię działa niewidzialna siła odpychająca: ciemna energia. Obie tajemnicze substancje, ciemna materia i ciemna energia, stanowią jakieś 96% bilansu materii-energii uniwersum. Nie podobna snuć teorii na temat przyszłości wszechświata nie uwzględniając jego, powiedzmy szczerze, głównego składnika. Od czasu tych odkryć nauka jest zgodna: Dzieje kosmosu to fizyczne przeciąganie liny między ciemną materią a ciemną energią. Co nam przyniesie wygrana którejś ze stron?
Wielki skurcz
Na lekcjach fizyki w szkole, często porównuje się wszechświat, do nadmuchiwanego balonu z namalowanymi na jego powierzchni kropkami symbolizującymi ciała niebieskie. To całkiem wygodna metafora. Kosmos rzeczywiście ciągle rośnie nadmuchiwany przez ciemną energię, a leżące odpowiednio daleko struktury oddalają się od siebie nawzajem. To uzmysławia jak potężny musiał być Wielki Wybuch.
Nasuwa się tu podstawowe pytanie: Czy taki stan rzeczy może trwać wiecznie? Nawet intuicyjnie odczuwamy, iż to mało prawdopodobne. Kiedy kopniemy do góry piłkę, to będzie ona najpierw przyśpieszała, następnie stopniowo zwalniała, aż w końcu się zatrzyma i zacznie spadać na ziemię. Musielibyśmy wystrzelić piłkę ze znacznie większą energią, nadając jej prędkość ponad 11 km/s, aby miała szansę uwolnić się z więzów ziemskiej grawitacji i wylecieć w przestrzeń kosmiczną. Podobnie jest z kosmosem. Zależnie od jego właściwości i sił w nim działających, można się spodziewać ciągłej inflacji bądź… Wielkiego kolapsu.
Rozważmy drugi scenariusz, w którym wszechświat nigdy nie osiągnie prędkości krytycznej. Dojdzie na pewno do momentu w którym, podobnie jak nasza pierwsza piłka, przestrzeń wyhamuje, następnie zatrzyma i zacznie się kurczyć aż nastąpi kolaps. Proces ten będzie z początku powolny, ale systematycznie nabierze przyśpieszenia – tak jak obecnie przyśpiesza inflacja. Z metaforycznego balonu zejdzie powietrze i zapadnie się.
Przyczyną takiego stanu rzeczy jest wszechobecna grawitacja. Można rzec, że czarna materia pokona ciemną energię. Najpierw bliskie sobie galaktyki będą się zderzać i łączyć w większe skupiska gwiazd. Ich gigantyczna masa, coraz bardziej napinająca płótno czasoprzestrzeni, spowoduje dryfowanie ku sobie. W centrach wielkich galaktyk królować będą czarne dziury, jeszcze masywniejsze od dzisiejszych supermasywnych czarnych dziur.
Gdy wszystkie ciała niebieskie znajdą się w jednej, olbrzymiej aglomeracji gwiezdnej, proces przyśpieszy, temperatura wzrośnie, aż gwiazdy i planety zaczną się ze sobą spajać. Na tym etapie już nie powinno istnieć żadne życie. Dojdzie do rozpadu cząsteczek, atomów, a nawet protonów i neutronów. Utworzy się zupa najbardziej elementarnych cząstek, jak kwarki i elektrony, poruszających się zbyt szybko aby mogły odtworzyć wiązania. W końcu załamią się prawa fizyki, które powrócą do stanu pierwotnego: oddziaływania silne, słabe, elektromagnetyzm i grawitacja zunifikują się w jedno. Wrócimy do punktu wyjścia.
Osobliwości.
Zaskoczę niektórych tezą, że to całkiem optymistyczny obraz przyszłości. Mamy tu do czynienia z… Kosmicznym recyklingiem? To chyba trafne określenie. Zgodnie z zasadą koniec końców i tak rodzi początek, można się spodziewać, że finalna osobliwość znów utworzy kosmos. Kolejny raz dojdzie do inflacji wszechświata, a w nim rozkwitnie życie. Jeżeli rzeczywiście przestrzeń wokół nas ciągle pulsuje, zapadając się i znów rozrastając, to wysoce prawdopodobne, że nawet my sami jesteśmy właścicielami cząstek z jakich zbudowane były inne istoty, żyjące przed ostatnim wielkim skurczem. Idea o tyle przyjazna, że przy odrobinie szczęścia nigdy nie nastąpi prawdziwy koniec. Jedynym minusem jest to, iż ewoluujące miliardy lat istoty rozumne, nie mają żadnych szans na poznanie swoich poprzedników, a i same są skazane na zapomnienie.
Wielkie rozerwanie
Następna katastrofa, choć ciężko w to uwierzyć, jest jeszcze bardziej złowroga. Nadmuchiwany balon, symbolizujący kosmos po prostu pęknie, rozszarpany przez ciemną energię. To skomplikowane zjawisko. Zarówno przyczyny jak i efekty są trudne do wyjaśnienia. Zwolennicy teorii wielkiego rozerwania uważają, że ciemna energia ma tzw. fantomowy charakter. Egzotyczną cechą substancji fantomowej jest jej bardzo duże ujemne ciśnienie. Wyjaśnia to tempo ekspansji wszechświata i na pierwszy rzut oka nie wygląda źle. Jednak jeżeli rzeczywiście mamy do czynienia z energią fantomową, to kosmos nigdy nie przestanie się rozszerzać. Mało tego, inflacja z każdą chwilą będzie przyśpieszać i to w nieskończoność. Zgodnie z tym pomysłem, czeka nas ekstremalny, nieco futurystyczny finał.
Pierwszy etap wielkiego rozdarcia to oddalanie się od siebie wielkich struktur, takich jak grupy galaktyk. Nie różni się od tego co przeżywa obecnie obserwowany przez nas wszechświat. Czym dany obiekt dalej się znajduje, tym szybciej przed nami “ucieka” – to zauważył już Edwin Hubble. Po miliardach lat galaktyki będą położone od siebie tak daleko, że ustaną jakiekolwiek oddziaływania między nimi. Bez grawitacji ciemna energia bezproblemowo rozpędzi je do prędkości podświetlnych. Zaczną się dziać rzeczy przedziwne: same galaktyki rozkruszą się, a pojedyncze ciała niebieskie zaczną mknąć w stronę ciemności, z dala od siebie. W końcu nawet gwiazdy i planety ulegną destrukcji, rozpadając się na coraz mniejsze części.
Degeneracji ulegną pozostałe, obok grawitacji, siły – oddziaływanie słabe, silne oraz elektromagnetyzm. W końcu same molekuły i atomy szlag trafi. Powstanie nietypowa osobliwość (osobliwość z definicji ma być nietypowa, ale ta jest najbardziej nietypowa wśród nietypowych), w której odległości i prędkości będą ciągle dążyć do nieskończonych wartości. Żeby było smutniej, śmiertelne skutki wielkiego rozdarcia, mogą mieć miejsce już za około 20 miliardów lat. To wcale nie tak dużo w stosunku do wieku wszechświata, liczącego sobie obecnie 13,7 miliardów lat. Nie pozostanie po nas nic. Każda subatomowa cząstka budująca nasze ciała będzie samotna, oddalona o lata świetlne od kolejnej pojedynczej cząstki.
Wielki chłód
Spójrzcie w bezchmurną noc na rozgwieżdżone niebo. Przez wzgląd na dominujące na nim świetliste kule gazowe, obecne stadium rozwoju kosmosu zwykło się nazywać erą gwiazdową. Ostatni scenariusz śmierci wszechświata, bezpowrotnie pozbawi nas tego widoku, kończąc z hegemonią gwiazd i obiektów im pochodnych. Wszystko co sympatycznie żarzy się na nieboskłonie zgaśnie, podobnie jak pozostawiona sama sobie świeczka. To proste do wyobrażenia. Załóżmy, że nigdy nie nastanie wielkie rozerwanie, ani wielki kolaps. Kosmos w niepohamowany sposób będzie rósł przez całą wieczność. Żadnych nowych źródeł materii ani energii – tylko obecnie istniejące galaktyki i gazy skąpane w stale ekspandującej przestrzeni.
Ewolucja gwiazdy trwa sporo czasu zanim dojdzie do jej śmierci. Bardziej masywne gwiazdy eksplodują jako supernowe, pozostawiając po sobie potwory, w formie supergęstych gwiazd neutronowych bądź czarnych dziur. Mniejsze, jak nasze Słońce, skończą jako małe, stosunkowo słabo świecące białe karły. W centrach wielkich obłoków gazowych nadal będą się tworzyć młode gwiazdy, ale i one w końcu dokonają swego żywota. Gdyby do tego czasu zachował się jakiś człowiek, nie widziałby na nocnym niebie niemal nic. Stygnący karzeł w centrum Układu Słonecznego nie oświetli powierzchni Ziemi lepiej niż Księżyc, natomiast zgliszcza innych gwiazd nie będą w ogóle widoczne na tle ciemnego bezkresu. Nastanie mrok.
Co gorsza, gdy wyczerpią się galaktyczne akumulatorki, temperatura wszechświata zbliży się do zera absolutnego. Ostatecznie dojdzie do momentu, w którym nawet emerytowane formy – karły, pulsary i magnetary – wyemitują całą posiadaną energię. Rozpocznie się era czarnych dziur, gdyż to one pozostaną ostatnimi blado promieniującymi obiektami we wszechświecie. A i to nie jest pewne, gdyż parowanie osobliwości, wynikające z prac Stephena Hawkinga, to do dziś tylko nieudowodniona teoria.
Epilogiem, następującym po wyciszeniu czarnych dziur jest era ciemna, czekająca na nas za mniej więcej 10^100 lat. (Dla uzmysłowienia tej wielkości podam, że owa liczba zwana googolem, jest większa niż ilość wszystkich atomów w kosmosie). Fizycy zwracają uwagę, iż na skutki wielkiego chłodu wskazuje druga zasada termodynamiki, stanowiąca że entropia (chaos) zamkniętego układu nieustannie wzrasta. Jedna z interpretacji owej zasady dowodzi, iż wraz z utratą energii cała materia ulegnie powolnej degeneracji. Być może po odpowiednio długim czasie protony i neutrony rozpadną się, a jedyne co pozostanie to mizerne promieniowanie. Po znanym nam wszechświecie, pełnym wysokoenergetycznych wybuchów, dżetów, zderzających się galaktyk i pulsujących gwiazd neutronowych, pozostanie wielki chłód, nieprzenikniona ciemność i posępna pustka.
Wielu znawców tematu bez wahania wybrałoby właśnie taką przyszłość. Pierwszym powodem jest subtelność takiej śmierci. Większość z nas wolałoby umrzeć ze starości w ciepłym łóżku, niż rozerwani na strzępy bądź spaleni. Dlaczego nie miałby tak skończyć cały wszechświat? Przestrzeń się oziębi, a metabolizm będący w tym przypadku wszelkimi procesami fizycznymi zaniknie. Szczególnym problemem dla prób zachowania życia, jest dążenie natury do osiągnięcia jak najniższego stanu energetycznego. Gdy w całym uniwersum zapanuje temperatura bliska −273 °C, zaniknie możliwość przetwarzania informacji. Transfer cząstek jest niemożliwy, bowiem te zastygną w bezruchu.
Nawet najprostszy fizyczny znak, w formie zmiany jednego układu w drugi, staje się nieosiągalny, bowiem energia w każdym miejscu jest identyczna. W takim świecie nie może się rozwinąć, ani nawet istnieć stworzona już świadomość. Drugim powodem, odczuwania mniejszego strachu przed scenariuszem wielkiego chłodu, wydaje się czas. Objawy śmierci cieplnej wszechświata dadzą się we znaki żywym istotom nie wcześniej niż za bilion lat. Wtedy to, galaktyki wyraźnie ściemnieją, rozświetlane pojedynczymi, małymi gwiazdami, mogącymi palić się znacznie dłużej niż ich większe rodzeństwo. Fantaści przygotowali całe plany, opisujące jak inteligentne istoty poradzą sobie w takim otoczeniu.
W ruch pójdzie inżynieria genetyczna, która dostosuje organizmy żywe do oszczędnego dysponowania energią. Po jakimś czasie i to nie wystarczy, a inteligencja opuści niedoskonałe ciała organiczne, aby przesiąść się do sztucznych – nie potrzebujących światła, odpornych na choroby i promieniowania. Po kolejnych eonach, gdy mróz znacznie utrudni przepływ danych, inteligencja przeniesie się na jeszcze bardziej nietypowe nośniki. W końcu pomyślenie jednego zdania zajmować będzie całe wieki. Nim komputerowa świadomość się obejrzy, nastąpi jej całkowita hibernacja i to będzie prawdziwy koniec.
[...]
>Tam, gdzie jest teoria kwantowa, tam jest nadzieja. Nigdy nie możemy być całkowicie pewni, że dojdzie do śmierci cieplnej kosmosu, ponieważ nie umiemy wystarczająco dokładnie przewidzieć przyszłości Wszechświata opisywanego mechaniką kwantową. W nieskończonej przyszłości kwantowej wszystko, co może się wydarzyć, w końcu się wydarzy<<".
