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 odpowiedź na pytanie o przyczyny takiego jej rozkładu we wszechświecie, jaki mamy obecnie, może być 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 część 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 odbiegać 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 zaznaczyć, że do końca tego roku ma być 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 przyspieszać przeciwbieżne paczki protonów do rekordowo wysokich energii, 7 tysięcy razy przewyższających energie związane z ich masą spoczynkową. Oczekuje się, że LHC pomoże odpowiedzieć na podstawowe pytania dotyczące takich składników materii i energii we wszechświecie, jak ciemna materia i ciemna energia, oraz pozwoli wyjaśnić mechanizm uzyskiwania masy przez cząstki elementarne.


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


– Uważam tę opinię za błędną. Antymaterię bowiem nie tylko jest bardzo trudno wytworzyć w dostatecznie dużej ilości, lecz także nadzwyczaj trudno przechowywać. 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 rozchodzić. 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 zaobserwować, 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 doprowadzić 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 uzyskać 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 obfitość helu jest większa niż jego ilość, jaka mogła być wytworzona we wnętrzach gwiazd. Zatem hel musiał zostać 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 maleć. Tymczasem 10 lat temu zaobserwowano, iż jest odwrotnie. Wszechświat przyspiesza ekspansję. Galaktyki z coraz większą prędkością oddalają się od siebie, ponieważ szybkość „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 nicość 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 gęstość. W laboratoriach potrafimy już wytworzyć warunki panujące we wszechświecie w czasie 1-bilionowej sekundy po wielkim wybuchu. Mogło być jednak tak, że gęstość ciemnej energii skokowo znacznie się zmniejszyła, lecz nie do zera. Na początku dominowało przyciąganie, lecz gęstość materii stale malała, a gęstość ciemnej energii była stała. Spowodowało to, iż od około 5 miliardów lat gęstość ciemnej energii jest większa niż gęstość 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 obserwować coraz mniejszą część wszechświata. W efekcie wszystkie galaktyki „uciekną od nas”, będą dla nas niewidoczne, ponieważ ich promieniowanie będzie docierać 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 ludzkość. W dalszej przyszłości również zanikną ślady świadczące o wielkim wybuchu. Promieniowanie tła przestanie do nas docierać, ponieważ jego intensywność będzie bardzo mała, także z uwagi na jego silne pochłanianie przez zjonizowany gaz międzygwiazdowy. Możliwy jest również inny scenariusz.


Jaki?


– Obecne obserwacje astronomiczne dopuszczają możliwość 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 rozpadać się Układ Słoneczny. Jakieś pół godziny przed tą totalną katastrofą eksplodowałaby Ziemia. W końcu zostałyby tylko swobodne cząstki elementarne.


Kiedy mogłoby dojść 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 trwać w nieskończoność. Życie w dowolnym miejscu we wszechświecie nie może trwać w nieskończoność…


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


– Ludzkość musi mieć koniec. Dojdzie bowiem do wypalenia się wszystkich gwiazd i takiej globalnej destrukcji wszechświata, że zachowanie życia będzie niemożliwe. Tak jak każdy człowiek musi umrzeć, tak i ludzkość musi umrzeć. 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 przetrwać. Zresztą mogą zdarzyć 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 ludzkość nie przetrwałaby tego. Takich scenariuszy jest więcej. Kiedyś wraz z jednym z moich magistrantów rozważaliśmy mianowicie taką oto możliwość: maleje gęstość 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 postępować w czasie. Najpierw zauważylibyśmy, że Jowisz oddala się szybko od zwiększającego swoje rozmiary Słońca. Potem Księżyc „odleciałby” od Ziemi. Następnie Ziemia zaczęłaby „puchnąć”, 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 schować przed tymi zjawiskami.


Jakie jest prawdopodobieństwo wystąpienia takiego scenariusza?


– Tego nie wiemy. Można tylko powiedzieć, że taki scenariusz może zrealizować się w każdej chwili, w przeciwieństwie do wielkiego rozerwania, które może ewentualnie nastąpić za kilkadziesiąt miliardów lat.


Będziemy wiedzieć, dlaczego doszło do wielkiego wybuchu?


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

Czy także przy badaniu tych zjawisk fizycy muszą przekraczać 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, choć 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, samoświadomość 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 zastanawiać 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 powiedzieć, że zastosował zasadę Berkeleya: tylko gdy widzę, że coś jest, wtedy rzeczywiście to istnieje. Wheeler obawiał się jednak doprowadzić swoje rozumowanie do końca, ponieważ prowadzi ono do absurdalnego wniosku. Bo jak mogło powstać coś myślącego (podmiot) w świecie, który był tylko zbiorem możliwości? Dlatego zainteresowałem się tym tematem wiele lat temu i próbuję pokazać, jak należy opisać 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 oprzeć się temu, bo inaczej nie można odpowiedzieć na pytania: jaka rzeczywistość kryje się za formalizmem matematycznym fizyki kwantowej? Stąd, aby zrozumieć fizykę kwantową, musimy przejść 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 wyprowadzić 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 zrozumieć, jaką rzeczywistość 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 opisać funkcjonowanie wszechświata, muszą dokonywać ogromnych ekstrapolacji. Bowiem wszechświat jest bardzo duży, a my możemy obserwować tylko małą jego część. 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 przedstawić tę wielkość 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 odpowiedzieć na wiele pytań zadawanych przez tę dyscyplinę, m.in. o początek wszechświata?


– Jeżeli przyjmiemy, że wszechświat ma skończoną objętość, co przewiduje ogólna teoria względności, i jeśli cofniemy się w czasie, to dojdziemy do wniosku, że wszechświat w przeszłości miał objętość 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 powstać „za darmo”, to nie mogą w nim zachodzić zmiany. Tymczasem obserwujemy, że wszechświat się zmienia. Powstaje więc pytanie – dlaczego. W tym miejscu musimy dokonać założeń przekraczających granice fizyki. Właśnie o tym mówiłem na jednym z seminariów w obecności Ojca Świętego Jana Pawła II w Castel Gandolfo. Musi istnieć rzeczywistość 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 mówić o „nieustannym poruszycielu”. Można więc uznać, 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 „zapchać” dziury w naszej wiedzy. Jednak takiego zarzutu nie można postawić teorii kwantów. Jest to bowiem logiczny i spójny system, którego nie można poprawiać, nie można niczego istotnego dodawać do jego podstaw, bo inaczej załamuje się cała teoria. Pisał o tym znany amerykański noblista, Steven Weinberg, notabene ateista, który próbował zmieniać te podstawy, ale nie odniósł sukcesu.


Dziękuję za rozmowę.
drukuj

Drogi Czytelniku naszego portalu,
każdego dnia – specjalnie dla Ciebie – publikujemy najważniejsze informacje z życia Kościoła i naszej Ojczyzny. Odważnie stajemy w obronie naszej wiary i nauki Kościoła. Jednak bez Twojej pomocy kontynuacja naszej misji będzie coraz trudniejsza. Dlatego prosimy Cię o pomoc.
Od pewnego czasu istnieje możliwość przekazywania online darów serca na Radio Maryja i Tv Trwam – za pomocą kart kredytowych, debetowych i innych elektronicznych form płatniczych. Prosimy o Twoje wsparcie
Redakcja portalu radiomaryja.pl