| powrót do czytelni |





Na antymaterii nie dolecimy do gwiazd


Z prof. Zbigniewem Jacyną–Onyszkiewiczem, fizykiem z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu, rozmawia Mariusz Bober


Niedawno w znanym czasopiśmie naukowym pojawił się raport analizujący kwestię antymaterii, który zakłada, że odpowiedźna pytanie o przyczyny takiego jej rozkładu we wszechświecie, jaki mamy obecnie, może byċ kluczem do odpowiedzi na pytanie o początek wszechświata. Zgadza się Pan z tym poglądem?

— Każda cząstka elementarna ma swoją antycząstkę. Kiedy cząstka spotyka swoją antycząstkę, następuje tzw. proces anihilacji, czyli zamiany ich na fotony — kwanty promieniowania elektromagnetycznego. Obserwowalny wszechświat, czyli częśċ wszechświata dostępna dla naszych badań, zbudowana jest tylko z materii. W obserwowalnym wszechświecie na jeden atom przypada około 30 miliardów fotonów. Oznacza to, że we wszechświecie nastąpiła niemal całkowita anihilacja materii i antymaterii. Pozostała jedynie niewielka nadwyżka materii, z której wszystko jest zbudowane. Powstanie takiej nadwyżki było możliwe tylko w epoce, w której wszechświat znajdował się w stanie dalekim od stanu równowagi termodynamicznej. Ponadto procesy przemian antycząstek musiały odbiegaċ od przemian cząstek, czego nie wyjaśnia standardowy model cząstek elementarnych. Dlatego zgadzam się z poglądem, iż obserwowana we wszechświecie asymetria materia–antymateria dużo mówi nam o przeszłości obserwowanej części wszechświata.

W tym miejscu warto zaznaczyċ, że do końca tego roku ma byċ uruchomiony w CERN pod Genewą Wielki Zderzacz Hadronów LHC (ang. Large Hadron Collider), którego jednym z ważnych zadań będzie wyjaśnienie, dlaczego we wszechświecie występuje niemal wyłącznie materia, a nie także antymateria. W tym celu skonstruowano specjalny detektor LHCb do rejestrowania hadronów zawierających kwarki i antykwarki b (hadrony, np. proton, są to układy związane cząstek elementarnych zwanych kwarkami). LHC to największe i najbardziej złożone, warte około 19 miliardów złotych urządzenie, jakim kiedykolwiek dysponowali fizycy badający cząstki elementarne. LHC będzie przyspieszaċ przeciwbieżne paczki protonów do rekordowo wysokich energii, 7 tysięcy razy przewyższających energie związane z ich masą spoczynkową. Oczekuje się, że LHC pomoże odpowiedzieċ na podstawowe pytania dotyczące takich składników materii i energii we wszechświecie, jak ciemna materia i ciemna energia, oraz pozwoli wyjaśniċ mechanizm uzyskiwania masy przez cząstki elementarne.


A podziela Pan opinię, że antymateria może byċ paliwem przyszłości, pozwalającym nawet na podróże poza nasz Układ Słoneczny?

— Uważam tę opinię za błędną. Antymaterię bowiem nie tylko jest bardzo trudno wytworzyċ w dostatecznie dużej ilości, lecz także nadzwyczaj trudno przechowywaċ. Poza tym w procesie anihilacji materii i antymaterii powstają fotony promieniowania jonizującego, zabójczego dla organizmów żywych.


Mówi Pan o teorii wielkiego wybuchu jak o pewniku. Tymczasem są osoby, które podważają ją, a także przeciwstawiają koncepcji kreacji...

— Mamy coraz więcej przekonujących dowodów przemawiających za tym, że wielki wybuch dał początek istnieniu obserwowalnego wszechświata. Dotychczasowe badania pokazują, iż wszechświat nie jest jednorodny w czasie. Gdy obserwujemy głęboki kosmos, to tak naprawdę docierają do nas informacje o wcześniejszych chwilach istnienia wszechświata, ponieważ im dany obiekt jest dalej położony od Ziemi, tym dłużej jego światło biegnie do nas. Okazuje się, że wcześniej wszechświat był inny niż obecnie. Wiemy o tym m.in. dzięki temu, że w 1965 r. odkryto promieniowanie tła (promieniowanie reliktowe), a więc promieniowanie elektromagnetyczne, które dociera do nas z najdalszej możliwej odległości. Na początku wszechświat był gorący i światło nie mogło się w nim rozchodziċ. Ale od około 13,7 miliardów lat jest on na tyle chłodny, że jest przezroczysty dla światła. Od tego czasu obserwujemy zmiany we wszechświecie, ale nie możemy zaobserwowaċ, co było wcześniej.

Na początku lat 90. XX w. dokładnie przebadano promieniowanie tła przy pomocy sondy kosmicznej COBE. Stwierdzono, iż rozkład tego promieniowania doskonale potwierdza teorię kwantów. Za to odkrycie Amerykanie John C. Mather i George F. Smoot otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki za rok 2006. Obecnie, od pięciu lat, amerykańska sonda kosmiczna Wilkinson MAP dokładnie bada to promieniowanie.


Czy te informacje wnoszą coś nowego do obecnego stanu wiedzy?

— Okazuje się, że promieniowanie tła wykazuje małe fluktuacje, które mogły jednak doprowadziċ do powstania galaktyk i obserwowanych niejednorodności w rozkładzie materii. W najbliższych miesiącach [31.10.2008 r. — przyp. red.] zostanie wystrzelona europejska sonda Planck, która jeszcze dokładniej zbada to promieniowanie. Dzięki temu będzie można uzyskaċ informacje o wszechświecie 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu. Rozkład materii pierwotnej we wszechświecie, a więc wodoru i helu, potwierdza również teorię wielkiego wybuchu. Obserwowana obfitośċ helu jest większa niż jego ilośċ, jaka mogła byċ wytworzona we wnętrzach gwiazd. Zatem hel musiał zostaċ wytworzony w procesie termojądrowym zachodzącym w gorącym wszechświecie. Ponadto modele dynamiki wszechświata oparte na ogólnej teorii względności przewidują, że jeżeli mamy materię we wszechświecie, to tempo jego ekspansji powinno maleċ. Tymczasem 10 lat temu zaobserwowano, iż jest odwrotnie. Wszechświat przyspiesza ekspansję. Galaktyki z coraz większą prędkością oddalają się od siebie, ponieważ szybkośċ „produkcji przestrzeni” jest coraz większa.


Jak to jest możliwe?

— Chodzi o to, że energia zawarta jest również w próżni, w samej przestrzeni. Jest to tzw. ciemna energia. Próżnia fizyczna to nie jest nicośċ ontologiczna. W próżni istnieją fluktuacje. Spontanicznie powstają szybko znikające cząstki, tzw. cząstki wirtualne, które oddziałują ze sobą. Jeśli próżnia fizyczna ma dodatnią energię, to powoduje ujemne ciśnienie, w efekcie wszechświat jest „rozpychany”, wbrew siłom grawitacji.

Najprostszy scenariusz kosmogenezy kwantowej zakłada, iż spontanicznie powstał wszechświat o bardzo małej objętości, ogromnej gęstości ciemnej energii i całkowitej energii równej dokładnie zero. To spowodowało, że w ułamku sekundy maleńki wszechświat stał się gigantyczny. Nazywamy to procesem inflacji. Jednak stan o wysokiej gęstości ciemnej energii jest niestabilny, układ zawsze dąży do stanu możliwie najmniejszej energii. W efekcie ciemna energia przekształciła się w energię zawartą w cząstkach elementarnych i energię termiczną. Dopiero w tym momencie doszło do gorącego wielkiego wybuchu. Powstała bardzo gęsta i gorąca plazma cząstek. Dalej rozwój potoczył się już zgodnie z zasadami znanej fizyki. Materia powstała we wszechświecie z ciemnej energii zwalniała tempo jego ekspansji, zmniejszała się jego temperatura i gęstośċ.

W laboratoriach potrafimy już wytworzyċ warunki panujące we wszechświecie w czasie 1–bilionowej sekundy po wielkim wybuchu. Mogło byċ jednak tak, że gęstośċ ciemnej energii skokowo znacznie się zmniejszyła, lecz nie do zera. Na początku dominowało przyciąganie, lecz gęstośċ materii stale malała, a gęstośċ ciemnej energii była stała. Spowodowało to, iż od około 5 miliardów lat gęstośċ ciemnej energii jest większa niż gęstośċ materii. Badania sondy Wilkinson MAP pokazały, że średnio 72 procent energii wszechświata stanowi ciemna energia, 23 procent słabo zbadana tzw. ciemna materia, a tylko około 5 procent materia, którą znamy. Dlatego wszechświat coraz bardziej przyspiesza.




Co to oznacza?

— Oznacza to, że z czasem będziemy obserwowaċ coraz mniejszą częśċ wszechświata. W efekcie wszystkie galaktyki „uciekną od nas”, będą dla nas niewidoczne, ponieważ ich promieniowanie będzie docieraċ do nas jako długofalowe promieniowanie elektromagnetyczne. Widoczna będzie tylko nasza tzw. Lokalna Grupa Galaktyk, które połączą się w jeden twór za mniej więcej 6 miliardów lat. Zapewne nie przeżyjemy tego jako ludzkośċ. W dalszej przyszłości również zanikną ślady świadczące o wielkim wybuchu. Promieniowanie tła przestanie do nas docieraċ, ponieważ jego intensywnośċ będzie bardzo mała, także z uwagi na jego silne pochłanianie przez zjonizowany gaz międzygwiazdowy. Możliwy jest również inny scenariusz.


Jaki?

— Obecne obserwacje astronomiczne dopuszczają możliwośċ istnienia tzw. fantomowej ciemnej energii. Taka forma ciemnej energii nie jest przez długie okresy stała w czasie, lecz stale rośnie w miarę ekspansji wszechświata. Gdyby we wszechświecie dominowała taka forma ciemnej energii, to w przyszłości galaktyki tak szybko „rozbiegałyby się”, że wszechświat zostałby rozerwany.
    Kilka miesięcy przed czasem wielkiego rozerwania (ang. Big Rip) zacząłby rozpadaċ się Układ Słoneczny. Jakieś pół godziny przed tą totalną katastrofą eksplodowałaby Ziemia. W końcu zostałyby tylko swobodne cząstki elementarne.


Kiedy mogłoby dojśċ do tego?

— Za jakieś 60 miliardów lat.


W takim razie jeszcze mamy „trochę” czasu...

— Tak, ale w skali kosmologicznej to nie taki długi okres.


Więc fizyczny koniec wszechświata nie nastąpi za mniej więcej 200 mld lat, tak jak to również Pan przedstawił w jednej z publikacji?

— Rozważane są różne możliwe scenariusze przyszłości wszechświata oparte na analizie danych, jakimi dysponujemy. Niestety, te dane wyjściowe nie są dokładne. Możliwe jest również, że wszechświat będzie się bardzo długo rozszerzał, ale życie na Ziemi i tak nie może trwaċ w nieskończonośċ. Życie w dowolnym miejscu we wszechświecie nie może trwaċ w nieskończonośċ...


Więc nie będziemy się mogli przenieśċ na jakąś inną planetę, jak to jest opisywane w niektórych scenariuszach, i pozostaną one science fiction?

— Ludzkośċ musi mieċ koniec. Dojdzie bowiem do wypalenia się wszystkich gwiazd i takiej globalnej destrukcji wszechświata, że zachowanie życia będzie niemożliwe. Tak jak każdy człowiek musi umrzeċ, tak i ludzkośċ musi umrzeċ. Żadne nasze osiągnięcia, którymi obecnie tak się szczycimy, nie przetrwają. Podróże kosmiczne nic tu nie pomogą.


Nawet jeśli statki kosmiczne będą napędzane superwydajnym paliwem, jak np. antymaterią?

— Nawet wówczas będzie to niemożliwe, bo nie będzie miejsca, gdzie życie będzie mogło przetrwaċ. Zresztą mogą zdarzyċ się również bardziej przyziemne, w dosłownym tego słowa znaczeniu, katastrofy. Wystarczy, że w miarę blisko Ziemi nastąpi wybuch gwiazdy supernowej. Powstałoby wówczas tak silne promieniowanie, iż ludzkośċ nie przetrwałaby tego. Takich scenariuszy jest więcej.

Kiedyś wraz z jednym z moich magistrantów rozważaliśmy mianowicie taką oto możliwośċ: maleje gęstośċ ciemnej energii, podobnie jak było w momencie wielkiego wybuchu. W efekcie następuje zmiana charakteru sił grawitacyjnych. Oznacza to, że na dalekich odległościach przyciąganie zanikłoby szybciej, a na bliskich — nie. To mogłoby postępowaċ w czasie. Najpierw zauważylibyśmy, że Jowisz oddala się szybko od zwiększającego swoje rozmiary Słońca. Potem Księżyc „odleciałby” od Ziemi. Następnie Ziemia zaczęłaby „puchnąċ”, ponieważ zmniejszyłyby się siły grawitacyjne. Wystąpiłyby ogromne trzęsienia ziemi i rozpętałaby się prawdziwa nawałnica mórz. Wyglądałoby to niemal jak ewangeliczny opis końca świata. Ludzie nie mieliby gdzie się schowaċ przed tymi zjawiskami.


Jakie jest prawdopodobieństwo wystąpienia takiego scenariusza?

— Tego nie wiemy. Można tylko powiedzieċ, że taki scenariusz może zrealizowaċ się w każdej chwili, w przeciwieństwie do wielkiego rozerwania, które może ewentualnie nastąpiċ za kilkadziesiąt miliardów lat.


Będziemy wiedzieċ, dlaczego doszło do wielkiego wybuchu?

— Fizyka dopuszcza istnienie tzw. zjawisk bezprzyczynowych. Nie można ich przewidzieċ metodami fizyki. Przyczyny niektórych zjawisk zachodzących w mikroświecie są transcendentne względem naturalistycznej metodologii badań fizycznych.


Czy także przy badaniu tych zjawisk fizycy muszą przekraczaċ metodologię naturalistyczną, co jest stawiane jako zarzut w tego typu badaniach, również wobec Pana?

— Metodologia ta zawodzi w kosmologii kwantowej, gdy opisujemy wszechświat z punktu widzenia naszej najlepszej teorii fizycznej, mianowicie teorii kwantów. Okazuje się bowiem, że dotychczasowa metodologia już tutaj nie wystarcza. Pierwszy wyłom, choċ niewielki, uczynił w 1929 roku Karol Galton Darwin, wnuk twórcy teorii ewolucji. Zauważył on, że do pełnego opisu zjawisk kwantowych potrzebny jest jakiś element rzeczywistości nieopisywany przez fizykę kwantową. Przyjął on, że jest nim umysł, samoświadomośċ człowieka. Tę myśl rozwinął John von Neuman, wybitny matematyk, który jest twórcą architektury komputerów. W wydanej w 1932 r. książce „Matematyczne podstawy mechaniki kwantowej” udowodnił pewne ścisłe twierdzenia matematyczne wspierające tę ideę.

Nie podobało się to jednak większości fizyków, ponieważ wyszedł on poza ramy metodologii fizyki. Mimo to ten nurt „tlił się” aż do połowy lat 60., gdy — jak wspomniałem — wykryto promieniowanie reliktowe i podjęto pierwsze ważne eksperymenty w tej dziedzinie. Znany fizyk amerykański John A. Wheeler, który zmarł 13 kwietnia br. w wieku 96 lat, zastosował w latach siedemdziesiątych ideę von Neunanna w odniesieniu do całego wszechświata. Dopiero wówczas pojawiły się prawdziwe problemy interpretacyjne. Kiedy badamy układy mikroskopowe w laboratorium, nie musimy zastanawiaċ się nad problemem interpretacji fizyki kwantowej, uważając, że otoczenie wygasza różne możliwości, pozostawiając jedną. Jednak na zewnątrz wszechświata nie ma żadnego otoczenia i dlatego bez świadomego obserwatora wszechświat jest jedynie zbiorem możliwości.


Czy to nie jest doprowadzone do granic absurdu stwierdzenie Kartezjusza „myślę, więc jestem”?

— Wheeler poszedł jeszcze dalej. Można powiedzieċ, że zastosował zasadę Berkeleya: tylko gdy widzę, że coś jest, wtedy rzeczywiście to istnieje. Wheeler obawiał się jednak doprowadziċ swoje rozumowanie do końca, ponieważ prowadzi ono do absurdalnego wniosku. Bo jak mogło powstaċ coś myślącego (podmiot) w świecie, który był tylko zbiorem możliwości?

Dlatego zainteresowałem się tym tematem wiele lat temu i próbuję pokazaċ, jak należy opisaċ wszechświat, aby wnioski wynikające z kosmologii kwantowej nie były absurdalne. Jednak decydując się na to, wychodzę poza granice fizyki. To już jest metafizyka. Ale trudno oprzeċ się temu, bo inaczej nie można odpowiedzieċ na pytania: jaka rzeczywistośċ kryje się za formalizmem matematycznym fizyki kwantowej? Stąd, aby zrozumieċ fizykę kwantową, musimy przejśċ na grunt metafizyki. Dzięki uprzejmości księży Pallotynów ostatnio ukazała się właśnie moja książka pt. „Monotrynitarna tajemnica Boga”, (Pallottinum, Poznań 2008), w której przedstawiona została metafizyka rozwiązująca problemy interpretacyjne kosmologii kwantowej, czyli teorii kwantów zastosowanej do opisu wszechświata jako całości. Z tego powodu jestem jednak krytykowany i niektórzy złośliwie mówią np. że „kwantuję Boga".


A nie jest tak?

— Oczywiście, że nie. Zaletą proponowanej koncepcji jest to, że z jej założeń metafizycznych można wyprowadziċ zasadniczy schemat formalizmu matematycznego teorii kwantów. Co prawda fizycy już w latach 20. ubiegłego wieku odkryli formalizm matematyczny teorii kwantów, na podstawie doświadczeń fizycznych w skali atomowej, opisujący perfekcyjnie właściwości atomów, jednak u jego podstaw nie legła żadna głębsza idea, jak np. u podstaw ogólnej teorii względności Einsteina.


Czy taka ekstrapolacja wyników badań fizyki na filozofię jest uprawniona? Takie zarzuty stawiają filozofowie?

— Fizyka jako taka nie przekracza granic swojej naturalistycznej metodologii, stanowiącej o jej istocie. Jednak kiedy chcemy zrozumieċ, jaką rzeczywistośċ opisuje fizyka kwantowa w odniesieniu do całego wszechświata, to zmuszeni jesteśmy do takiej ekstrapolacji, co, ze zrozumiałych względów, budzi zastrzeżenia filozofów. Poza tym, jeśli fizycy chcą opisaċ funkcjonowanie wszechświata, muszą dokonywaċ ogromnych ekstrapolacji. Bowiem wszechświat jest bardzo duży, a my możemy obserwowaċ tylko małą jego częśċ. Nigdy nie wyjdziemy poza to ograniczenie. Jesteśmy zamknięci w centrum kuli o promieniu 13,7 mld lat świetlnych, która w bardzo małym stopniu zwiększa się, jeśli weźmiemy pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, a więc ok. 100 tysięcy lat.


Może Pan bardziej obrazowo przedstawiċ tę wielkośċ wszechświata i proporcje naszej Ziemi?

— Gdybyśmy sobie wyobrazili, że wszechświat jest kulą o promieniu 140 metrów, to w czasie istnienia naszej cywilizacji jej promień zwiększył się tylko o milimetr.


Więc bez przekroczenia granic fizyki klasycznej nie da się odpowiedzieċ na wiele pytań zadawanych przez tę dyscyplinę, m.in. o początek wszechświata?

— Jeżeli przyjmiemy, że wszechświat ma skończoną objętośċ, co przewiduje ogólna teoria względności, i jeśli cofniemy się w czasie, to dojdziemy do wniosku, że wszechświat w przeszłości miał objętośċ mniejszą od objętości atomu. Taki wszechświat poprawnie opisuje tylko fizyka kwantowa, a nie fizyka klasyczna. Jednak fizyka kwantowa pokazuje, że jeśli mamy obiekt zamknięty, a jego całkowita energia jest równa zeru, a więc mógł powstaċ „za darmo”, to nie mogą w nim zachodziċ zmiany. Tymczasem obserwujemy, że wszechświat się zmienia. Powstaje więc pytanie — dlaczego.

W tym miejscu musimy dokonaċ założeń przekraczających granice fizyki. Właśnie o tym mówiłem na jednym z seminariów w obecności Ojca Świętego Jana Pawła II w Castel Gandolfo. Musi istnieċ rzeczywistośċ transcendentna względem wszechświata, coś, co uruchamia w nim zmiany i co nie jest opisywane przez fizykę kwantową...


...więc jednak Arystoteles miał dużo racji, mówiąc o „pierwszym poruszycielu”...

— Raczej należy mówiċ o „nieustannym poruszycielu”. Można więc uznaċ, że kosmologia kwantowa nie jest zamkniętym systemem teoretycznym i wyprowadza nas poza granice fizyki. Jednak takie wnioski też narażają na ataki, np. że w ten sposób wymyślamy Boga, którym chcemy „zapchaċ” dziury w naszej wiedzy. Jednak takiego zarzutu nie można postawiċ teorii kwantów. Jest to bowiem logiczny i spójny system, którego nie można poprawiaċ, nie można niczego istotnego dodawaċ do jego podstaw, bo inaczej załamuje się cała teoria. Pisał o tym znany amerykański noblista, Steven Weinberg, notabene ateista, który próbował zmieniaċ te podstawy, ale nie odniósł sukcesu.


Dziękuję za rozmowę.



| powrót do startu |    | powrót do czytelni |