Jak człowiek stworzył świat

Optymista wierzy, że żyjemy w najlepszym z możliwych światów, a pesymista obawia się, że to może być prawda.

Obaj mają rację, bo z punktu widzenia praw natury świat wydaje się zaprojektowany w sposób doskonały. Niewiele można tu poprawić, bo najmniejsza zmiana prowadziłaby do... eliminacji człowieka. Nasza planeta krąży wokół Słońca na tyle blisko, by zapewnić przyjemne ciepło i wodę w stanie ciekłym, i na tyle daleko, by nie zamienić się w piekło. Gdyby Księżyc znajdował się o jedną piątą bliżej, to przypływy oceanów na Ziemi byłyby tak wielkie, że całkowicie zatapiałyby lądy. Takich zbiegów okoliczności (przypadkowych?) jest dużo więcej.

Czy Bóg wygrał nas w kości?

„Naprawdę interesuje mnie, czy Bóg, stwarzając świat, miał jakikolwiek wybór” – zastanawiał się Albert Einstein. Okazuje się, że zmiana – nawet o ułamek procentu – w wartościach różnych stałych lub w prawach natury zaowocowałaby światem pustym lub znikającym w ułamku sekundy, a niemal na pewno nieprzyjaznym dla życia.

Gdyby na przykład siły jądrowe zespalające w jądrach atomowych protony i neutrony były odrobinę słabsze, Wszechświat byłby wypełniony jedynie wodorem. Jądra cięższych pierwiastków nigdy by nie powstały. Ale też gdyby siły jądrowe były odrobinę silniejsze, to w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu cały wodór zamieniłby się w hel.

Inny przykład: stała grawitacji jest niezwykle małą liczbą. Wystarczyłoby, żeby była tylko troszkę większa, a tworzyłyby się gwiazdy sporo większe od Słońca. Tak duże gwiazdy bardzo szybko się spalają. Wszystkie umierają w gwałtownym wybuchu supernowej, zmiatając w podmuchu eksplozji całe swoje otoczenie. Gwiazdy nie byłyby więc bezpiecznym źródłem energii dla planet. Z kolei gdyby grawitacja była jednak trochę słabsza, niż jest, to w ogóle nie tworzyłyby się ciężkie gwiazdy i zmalałaby liczba supernowych. Tymczasem to właśnie wybuchy supernowych rozsiewają w przestrzeni międzygwiezdnej pierwiastki cięższe od wodoru i helu, które są potem budulcem planet i organizmów żywych.

Podobne konsekwencje dotyczą także tego, co działo się po Wielkim Wybuchu. Dziś szacuje się, że na każdy miliard kwarków i antykwarków przypadał jeden dodatkowy kwark, dzięki czemu po anihilacji materii i antymaterii pozostała jakaś materia. Gdyby po Wielkim Wybuchu przewaga materii nad antymaterią była minimalnie większa, to pozostałoby więcej materii, a większa masa Wszechświata szybciej wyhamowałaby jego ekspansję. A powstanie życia wymaga czasu. Potrzeba miliarda lat, żeby utworzyły się pierwsze gwiazdy, dalszych pięciu miliardów lat, żeby powstały gwiazdy takie jak Słońce, a potem jeszcze pięciu miliardów lat, żeby rozwinęło się życie na planetach.

Jednym słowem, gdyby zestaw stałych fizycznych był tylko odrobinę inny, to być może powstałyby jakieś światy istniejące dłużej niż ułamek sekundy, ale niemal na pewno nie byłoby w nich istot, które mogłyby to potwierdzić.

Amerykański fizyk teoretyk Lee Smolin w książce „Życie Wszechświata” szacuje, że gdyby Bóg wybierał wszystkie parametry stałych fizycznych na chybił trafił, to szansa, że wyjdzie mu kosmos, w którym mogłyby zaistnieć przynajmniej gwiazdy (nie mówiąc o ludziach), wynosi 1:10 229. Jak to się stało, że mamy takie niewiarygodne wręcz szczęście?

Inteligentny Stwórca czy ślepa ewolucja?

Znalezienie się w najlepszym z możliwych światów jest tak mało prawdopodobne, że chyba nie możemy składać wszystkiego tylko na uśmiech losu. Niektórzy upatrują w tym nieskończonej boskiej inteligencji – któż inny jeśli nie wszechmocny i wszechrozumny Stwórca mógłby dostroić kosmiczny mechanizm wystarczająco precyzyjnie, tak by powstałe we Wszechświecie rozumne istoty mogły go chwalić? Inni twierdzą, że istnieje nieskończona mnogość przeróżnych wszechświatów o najprzeróżniejszych wartościach stałych fizycznych. Znakomita większość z nich jest ułomna i nieciekawa – są małe, istnieją krótko, nie ma w nich gwiazd ani planet. Pierwsze wyjaśnienie wybiega z dziedziny nauki w sferę mistyki, drugie – w istocie rzeczy nie jest żadnym wyjaśnieniem, tylko złożeniem broni.

Z kolei Lee Smolin rozwiązuje ten problem w ten sam sposób, w jaki nauka poradziła sobie z zagadką pochodzenia życia i człowieka, którego przypadkowe powstanie również z pozoru wydaje się niemal nieprawdopodobne. Smolin podąża śladami Darwina i sugeruje, że doskonałość kosmosu – podobnie jak zachwycająca doskonałość ziemskiego życia – jest wynikiem ewolucji i swoistego doboru naturalnego. Tak jak biologiczny sukces zwierzęcia liczony jest tym, ile pozostawi po sobie potomstwa (zdrowsze, silniejsze i sprytniejsze zdołają urodzić i wychować więcej dzieci), tak samo – twierdzi Smolin – jest w przypadku wszechświatów. Udane i zdrowe wszechświaty będą miały więcej dzieci, czyli więcej wszechświatów potomnych.

Wszechświaty mają dzieci

A jak rozmnażają się światy? Kiedy paliwo zasilające gwiazdę wyczerpie się, zewnętrzna powłoka gwiazdy zostaje odrzucona, a jądro zaczyna się zapadać. Jeśli początkowa masa gwiazdy była dość duża, powstanie czarna dziura. Nie wiemy, co się dzieje w jej wnętrzu, ale nasze teorie dopuszczają możliwość, że zachodzące tam gwałtowne procesy prowadzą do narodzin nowego wszechświata. Wszechświat taki – twierdzi Smolin – będzie dość podobny do swego rodzica, choć niektóre parametry stałych fizycznych mogą się trochę zmutować.

Wszechświaty o „nieudanych” prawach fizyki, w których nie powstały jądra atomowe i nie narodziły się gwiazdy na tyle duże, by przekształcić się w czarne dziury, umrą szybko i bezpotomnie. Sukces reprodukcyjny odniosą natomiast kosmosy podobne do naszego – długo żyjące, porządne światy, których pustkę rozświetlają niezliczone wielkie słońca.

Co ważne, te same prawa fizyki, które pozwalają na powstanie masywnych gwiazd, stwarzają w układach słonecznych warunki korzystne dla powstania życia.

Pomijając kwestie natury filozoficznej, od razu rzuca się w oczy słaby punkt tej teorii. W jaki sposób wszechświaty potomne dziedziczą cechy (czytaj: parametry stałych fizycznych) po swoich przodkach? Ba, czy w ogóle dziedziczą? Wprawdzie Darwin, gdy pisał rozprawę „O pochodzeniu gatunków”, też nie dysponował szczegółową wiedzą na temat mechanizmów genetyki. Miał jednak nad Smolinem pewną istotną przewagę: mógł obserwować potomstwo różnych gatunków. Smolinowi zaś nie będzie dane być świadkiem rozmnażania się wszechświatów. Nawet jednego. Ma więc słabe podstawy, by przekonywać nas do teorii ewolucji kosmosu.

Ostateczny cios pomysłowi Smolina zadał niedawno Aleksander Wilenkin, kosmolog z Tufts University w Massachusetts. Zauważył on, że jeśli narodziny nowej rzeczywistości następują we wnętrzach czarnych dziur, to wszechświaty rodzą się nie tylko w dużych czarnych dziurach powsta-łych po śmierci gwiazd, ale także w miniaturowych, którymi – zgodnie z teorią kwantów – wypełniona jest próżnia.

Wilenkin wyliczył, że nasz Wszechświat, wbrew temu, co sugeruje Smolin, wcale nie jest najwydajniejszą z możliwych fabryką czarnych dziur. Dużo więcej potomków powstałych właśnie w miniaturowych czarnych dziurach rodziłyby wszechświaty o większej od naszego wartości stałej kosmologicznej. I takie właśnie światy – niewielkie, krótko żyjące, puste i z naszego punktu widzenia nieciekawe – wygrałyby ewolucyjny wyścig w kosmosie.

To my zmieniliśmy Wszechświat i fizykę (przy okazji) Najbardziej niezwykłe wyjaśnienie fenomenu naszego doskonale dostrojonego do biologicznego życia Wszechświata zawdzięczamy mechanice kwantowej. Jest ono równie szalone i sprzeczne z tradycyjną fizyką, jak sama teoria kwantów.

Według tej hipotezy świat nie jest ani dziełem jakiejś nadnaturalnej inteligencji, ani ślepej siły ewolucji. Jest do nas dostosowany idealnie, bo my sami to sprawiliśmy.

W jaki sposób nasze pojawienie się na Ziemi aż 13,7 miliarda lat po Wielkim Wybuchu mogło wpłynąć na prawa fizyki oraz wartości ładunków, mas cząstek i innych stałych fizycznych, które obowiązywały przecież od samego początku? – Ano trzeba zapomnieć o tym, że cokolwiek jest ustalone raz na zawsze – pisze w jednym z ostatnich „New Scientist” australijski fizyk Paul Davies. Jednym z fundamentów mechaniki kwantowej jest zasada nieoznaczoności, która między innymi mówi, że nie można jednocześnie zmierzyć z nieskończoną precyzją położenia i prędkości cząstki elementarnej. To wcale nie jest tak, że cząstka ma jakąś obiektywną prędkość i położenie, a my nie jesteśmy w stanie ich ustalić, bo jeszcze nie skonstruowaliśmy dostatecznie dobrych przyrządów pomiarowych. Po prostu kwantowe prawa mówią, że nasza wiedza nigdy nie będzie pełna. Zawsze będzie nieco rozmyta. Jeśli superdokładnie zmierzymy położenie elektronu, to w tym samym momencie wartość jego prędkości będzie nieustalona. Ta dziwna reguła została
potwierdzona do tej pory w niezliczonych eksperymentach.

A Paul Davies idzie w swoich wnioskach dużo dalej. Sugeruje, że podobne rozmycie dotyczy samych praw natury. Po Wielkim Wybuchu nie były one raz na zawsze ustalone. Mogły przybrać taką lub inną postać. I to właśnie my, ludzie, sprawiliśmy, że koniec końców są one dla nas korzystne.

Zaraz, zaraz, ale czy to oznacza, że mogliśmy jakoś zmienić przeszłość? Nie inaczej. Ale w mechanice kwantowej to nic dziwnego. By to wyja-śnić, przypomnijmy teraz jeden z najsławniejszych eksperymentów fizyki, w którym obserwowano interferencję światła.

Podglądanie przez szczeliny

Jeśli światło przechodzi przez malutki otwór w zaciemnionym pokoju, to na ekranie za tym otworem zobaczymy plamkę światła – intensywniejszą w środku, nieco rozmytą na brzegach. Co zobaczymy, jeśli obok siebie będą dwie dziurki? Moglibyśmy spodziewać się dwóch rozmytych plamek, ale w rzeczywistości obraz będzie zupełnie inny – na ekranie powstanie szereg czarno-białych prążków. Skąd one się biorą? Światło jest falą elektromagnetyczną, więc obraz na ekranie jest wynikiem nakładania się (interferencji) fal dobiegających od obu dziurek. Tam, gdzie grzbiety lub doliny fal się nakładają, następuje wzmocnienie światła (pojawia się jasny prążek), a tam, gdzie spotyka się dolina z grzbietem, następuje wygaszenie (ciemność).

Kłopot z taką falową interpretacją zaczyna się wtedy, kiedy zmniejszamy natężenie światła. Zgodnie z mechaniką kwantową światło to również zbiór fotonów, czyli maleńkich porcji (kwantów). Co się stanie, jeśli w kierunku obu dziurek nie będzie leciała cała ich chmara, lecz tylko jeden jedyny foton? Na zdrowy rozum powinien on przelecieć tylko jednym z otworów i trafić w ekran tuż za nim. Nie powinno więc dojść do żadnej interferencji. Powinniśmy widzieć dwie osobne plamki światła.

Ale eksperyment dowodzi, że nawet jeśli wystrzelimy jeden jedyny foton, to na ekranie również pojawią się prążki interferencyjne! Foton przelatuje jakimś sposobem przez dwa otworki naraz i interferuje sam ze sobą. Ba! Żeby tylko foton! Nawet – zdawałoby się – przyzwoity, całkiem materialny elektron wyczynia podobne cuda!

Zaintrygowani fizycy postanowili sprawdzić, czy faktycznie cząstki potrafią się rozdwajać. Przed każdym z otworków ustawili detektor, który miał pokazywać, którędy przeleci cząstka światła. Wtedy okazało się, że wprawdzie foton za każdym razem wybiera tylko jeden z otworków, ale też obraz prążków interferencyjnych na ekranie znikał, a pojawiały się dwie plamki.

Nasza obserwacja zmieniała więc rzeczywistość. Pod naszym czujnym okiem fotony zmieniały zachowanie.

Naukowcy postanowili przechytrzyć naturę. Ustawili detektory tuż za otworkami. Foton przecież nie może z góry podejrzewać – zanim doleci do otworków – że po ich minięciu będzie śledzony. Może więc przeleci dwoma otworkami naraz i wtedy uda się go złapać na gorącym uczynku, jak maluje prążki interferencyjne?

Niestety, detektory zawsze wykrywały foton wyłaniający się tylko z jednej ze szczelin. Nigdy z obu jednocześnie. Ale prążki na ekranie też się nie pojawiały. Pokazywały się tylko wtedy, kiedy detektory nie pracowały (były wyłączone), a więc nie wiedzieliśmy, którym z otworków przelatywały fotony.

Jak się okazuje, nasze obserwacje zmieniają nawet przeszłość. Niewinny sprawdzian, którym z otworków przeleciały fotony, nawet po tym, kiedy to już się stało, odwraca skutek całego eksperymentu! Tę niewiarygodną właściwość naszego świata fizycy ochrzcili mianem kwantowej postselekcji. Jest zwariowana, przedziwna i sprzeczna ze zdrowym rozsądkiem, ale potwierdzona eksperymentem.

Paul Davies wraz z Yakirem Aharonovem i Jeffem Tollaksenem pracują teraz nad ścisłym matematycznym rozpracowaniem podobnego schematu dla ewolucji naszego Wszechświata i jego praw. Ich zwariowana hipoteza mówi, że to nasze istnienie i obserwacje tak zmieniły przeszłość kosmosu, że dziś wygląda on na idealnie dopasowany do ludzi. Podobnie jak włączenie detektora zmieniło obraz, jaki dało światło po prześlizgnięciu się przez otworki. Jednym słowem, nasze istnienie miało sprawić, że z nieogarnionej liczby możliwości rozwoju i cech nasz Wszech-świat przybrał właśnie takie, w których teraz żyjemy.

Irena Cieślińska