Filozofowie debatowali nad naturą „niczego” przez tysiące lat, ale co współczesna nauka ma na ten temat do powiedzenia? W wywiadzie dla The Conversation Martin Rees, astronom królewski i emerytowany profesor kosmologii i astrofizyki na Uniwersytecie w Cambridge, wyjaśnia, że kiedy fizycy mówią o niczym, mają na myśli pustą przestrzeń (próżnię). Może to brzmieć prosto, ale eksperymenty pokazują, że pusta przestrzeń nie jest tak naprawdę pusta – jest w niej ukryta tajemnicza energia, która może nam coś powiedzieć o losach wszechświata.

Rees udzielił wywiadu dla podcastu The Conversation’s Anthill na temat niczego. To Q&A jest oparte na zredagowanym zapisie tego wywiadu.

Q: Czy pusta przestrzeń to naprawdę to samo co nic?

A: Pusta przestrzeń wydaje się być dla nas niczym. Przez analogię, woda może wydawać się niczym dla ryby – jest tym, co zostaje, gdy odejmiesz wszystkie inne rzeczy pływające w morzu. Podobnie, przypuszcza się, że pusta przestrzeń jest dość skomplikowana.

Wiemy, że wszechświat jest bardzo pusty. Średnia gęstość przestrzeni wynosi około jednego atomu na każde dziesięć metrów sześciennych – o wiele bardziej rozrzedzona niż jakakolwiek próżnia, którą możemy osiągnąć na Ziemi. Ale nawet jeśli odejmiemy całą materię, przestrzeń ma pewien rodzaj elastyczności, która (jak niedawno potwierdzono) pozwala falom grawitacyjnym – falom w samej przestrzeni – rozchodzić się w niej. Co więcej, dowiedzieliśmy się, że w samej pustej przestrzeni istnieje egzotyczny rodzaj energii.

Q: Po raz pierwszy dowiedzieliśmy się o tej energii próżni w XX wieku wraz z powstaniem mechaniki kwantowej, która rządzi maleńkim światem atomów i cząsteczek. Sugeruje ona, że pusta przestrzeń składa się z pola fluktuującej energii tła – dając początek falom i wirtualnym cząstkom, które pojawiają się i znikają. Mogą one nawet wytworzyć maleńką siłę. Ale co z pustą przestrzenią na dużą skalę?

A: Fakt, że pusta przestrzeń wywiera siłę na dużą skalę, został odkryty 20 lat temu. Astronomowie stwierdzili, że ekspansja wszechświata przyspiesza. To była niespodzianka. Ekspansja była znana od ponad 50 lat, ale wszyscy spodziewali się, że będzie ona spowalniać z powodu grawitacyjnego przyciągania, jakie wywierają na siebie galaktyki i inne struktury. Wielką niespodzianką było więc odkrycie, że to spowolnienie spowodowane grawitacją zostało przytłoczone przez coś, co „pcha” ekspansję. Istnieje, jak gdyby, energia ukryta w samej pustej przestrzeni, która powoduje rodzaj odpychania, przewyższającego przyciąganie grawitacyjne w tak dużych skalach. Zjawisko to – nazwane ciemną energią – jest najbardziej dramatycznym przejawem tego, że pusta przestrzeń nie jest pozbawiona cech i nie ma znaczenia. W rzeczywistości determinuje ona długoterminowy los naszego wszechświata.

Q: Ale czy istnieje granica tego, co możemy wiedzieć? W skali bilion bilion razy mniejszej niż atom, kwantowe fluktuacje w czasoprzestrzeni mogą dać początek nie tylko wirtualnym cząstkom, ale i wirtualnym czarnym dziurom. Jest to zakres, którego nie możemy zaobserwować i w którym musimy połączyć teorie grawitacji z mechaniką kwantową, aby zbadać, co dzieje się teoretycznie – co jest notorycznie trudne do zrobienia.

A: Istnieje kilka teorii, które chcą to zrozumieć, z których najbardziej znana jest teoria strun. Ale żadna z tych teorii nie jest jeszcze związana z prawdziwym światem – są to więc wciąż niesprawdzone spekulacje. Ale myślę, że prawie każdy akceptuje, że przestrzeń sama w sobie może mieć skomplikowaną strukturę w tej małej, malutkiej skali, gdzie spotykają się efekty grawitacyjne i kwantowe.

Wiemy, że nasz wszechświat ma trzy wymiary w przestrzeni: możesz iść w lewo i w prawo, do tyłu i do przodu, w górę i w dół. Czas jest jakby czwartym wymiarem. Ale istnieje silne podejrzenie, że gdybyś powiększył mały punkt w przestrzeni tak, że badałbyś tę maleńką, maleńką skalę … odkryłbyś, że jest to ciasno zwinięte origami w około pięciu dodatkowych wymiarach, których nie widzimy. To tak, jakbyś patrzył na wąż z daleka i myślał, że to tylko linia. Ale kiedy przyjrzysz się bliżej, zobaczysz, że jeden wymiar był w rzeczywistości trzema wymiarami. Teoria strun zawiera skomplikowaną matematykę – podobnie jak konkurencyjne teorie. Ale właśnie takiej teorii będziemy potrzebować, jeśli mamy zrozumieć na najgłębszym poziomie to, co najbliższe nicości, jaką możemy sobie wyobrazić: czyli pustą przestrzeń.

Baca juga: Obcy, bardzo dziwne wszechświaty i Brexit – Martin Rees Q&A

Q: W ramach naszego obecnego rozumienia, jak możemy wyjaśnić cały nasz wszechświat rozszerzający się z niczego? Czy naprawdę mógł zacząć się od odrobiny fluktuującej energii próżni?

A: Jakieś tajemnicze przejście lub fluktuacja mogły nagle spowodować rozszerzenie się części przestrzeni – przynajmniej tak sądzą niektórzy teoretycy. Fluktuacje nieodłącznie związane z teorią kwantową byłyby w stanie wstrząsnąć całym wszechświatem, gdyby został on ściśnięty do wystarczająco małej skali. Stałoby się to w czasie około 10-44 sekund – tak zwanym czasie Plancka. Jest to skala, w której czas i przestrzeń są tak splecione, że idea tykającego zegara nie ma sensu. Możemy z dużym prawdopodobieństwem ekstrapolować nasz wszechświat do nanosekundy, a z pewnym prawdopodobieństwem do czasu Plancka. Ale potem wszystkie zakłady są odwołane, ponieważ … fizyka w tej skali musi zostać zastąpiona przez jakąś wielką, bardziej skomplikowaną teorię.

Q: Jeśli jest możliwe, że fluktuacja jakiejś przypadkowej części pustej przestrzeni dała początek wszechświatowi, dlaczego dokładnie to samo nie mogłoby się zdarzyć w innej części pustej przestrzeni – dając początek równoległym wszechświatom w nieskończonym multiwersum?

A: Idea, że nasz Wielki Wybuch nie jest jedyny i że to, co widzimy przez nasze teleskopy, stanowi maleńki ułamek fizycznej rzeczywistości, jest popularna wśród wielu fizyków. I istnieje wiele wersji cyklicznego wszechświata. Dopiero 50 lat temu po raz pierwszy pojawiły się mocne dowody na Wielki Wybuch. Ale od tego czasu spekuluje się, czy nie jest to tylko epizod w cyklicznym wszechświecie. Rośnie też poparcie dla koncepcji, że fizyczna rzeczywistość to coś więcej niż objętość przestrzeni i czasu, którą możemy zbadać – nawet za pomocą najpotężniejszych teleskopów.

Nie mamy więc pojęcia, czy był jeden Wielki Wybuch, czy wiele – istnieją scenariusze, które przewidują wiele Wielkich Wybuchów, i takie, które przewidują jeden. Myślę, że powinniśmy zbadać je wszystkie.

Q: Jak skończy się wszechświat?

A: Najprostsza długoterminowa prognoza przewiduje, że wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie, staje się coraz bardziej pusty i coraz zimniejszy. Cząstki w nim zawarte mogą się rozpadać, przez co rozcieńczanie będzie postępować w nieskończoność. W końcu mielibyśmy, w pewnym sensie, ogromną objętość przestrzeni, ale byłaby ona jeszcze bardziej pusta niż jest teraz. To jeden ze scenariuszy, ale są też inne, które zakładają odwrócenie „kierunku” ciemnej energii z odpychania na przyciąganie, tak że nastąpi kolaps do tak zwanego „Wielkiego Kryształu”, kiedy gęstość ponownie zmierza ku nieskończoności.

Jest też pomysł, dzięki fizykowi Rogerowi Penrose, że wszechświat rozszerza się, stając się coraz bardziej rozrzedzony, ale w jakiś sposób – kiedy nie ma w nim nic poza fotonami, cząstkami światła – rzeczy mogą być „przeskalowane”, tak że po tym ogromnym rozrzedzeniu przestrzeń staje się w pewnym sensie generatorem jakiegoś nowego Wielkiego Wybuchu. Więc to jest raczej egzotyczna wersja starego cyklicznego wszechświata – ale proszę nie pytaj mnie o wyjaśnienie pomysłów Penrose’a.

Q: Jak bardzo jesteś przekonany, że nauka może ostatecznie złamać to, czym jest nic? Nawet gdybyśmy mogli udowodnić, że nasz wszechświat zaczął się od jakiejś dziwnej fluktuacji pola próżni, czy nie musimy zapytać, skąd to pole próżni się wzięło?

A: Nauka próbuje odpowiedzieć na pytania, ale za każdym razem, gdy na nie odpowiadamy, pojawiają się nowe – nigdy nie będziemy mieli pełnego obrazu. Kiedy zaczynałem badania w późnych latach 60-tych, kontrowersyjne było to, czy Wielki Wybuch w ogóle miał miejsce. Teraz to już nie jest kontrowersyjne i możemy powiedzieć z około 2% dokładnością, jak wyglądał wszechświat od obecnych 13,8 miliardów lat do nanosekundy. To ogromny postęp. Nie jest więc absurdalnym optymizmem wierzyć, że w ciągu następnych 50 lat trudne kwestie dotyczące tego, co dzieje się w erze kwantowej lub „inflacyjnej” zostaną zrozumiane.

Ale oczywiście rodzi to kolejne pytanie: jak wiele z nauki będzie dostępne dla ludzkiego mózgu? Może się na przykład okazać, że matematyka teorii strun jest w pewnym sensie poprawnym opisem rzeczywistości, ale że nigdy nie będziemy w stanie zrozumieć jej na tyle dobrze, by sprawdzić ją z jakąkolwiek prawdziwą obserwacją. Wtedy być może będziemy musieli poczekać na pojawienie się jakiegoś rodzaju postludzi, aby uzyskać pełniejsze zrozumienie.

Ale każdy, kto zastanawia się nad tymi tajemnicami, powinien zdać sobie sprawę, że pusta przestrzeń fizyka – próżnia – nie jest tym samym, co „nic” filozofa.