Kosmos w kształcie lejka?

Niewielu rzeczy na temat wszechświata możemy być pewni. Miał swój początek, jest skończony (choć olbrzymi) i chyba nigdy nie będzie miał końca. Poza tym cały czas się rozszerza, i to z coraz większym impetem. Ma około 14 miliardów lat, choć może też być starszy. Jaki ma kształt? Nie wiadomo.

Wszechświat jest niewdzięcznym obiektem badań. Po pierwsze, jest strasznie duży, a my niezwykle mali. Po drugie, jest najpewniej jedyny, więc nie możemy „przerzucić się” na inny obiekt badań. Wreszcie po trzecie, nie można się w jego badaniach kierować intuicją. Intuicją ziemską, tzn. taką, z którą mamy do czynienia tutaj, na ziemi.

Dociekania bardziej filozoficzne niż fizyczne na temat kształtu kosmosu skończyły się wraz z odkryciem w 1965 r. kosmicznego promieniowania tła. To echo Wielkiego Wybuchu i jedyny sposób, by zajrzeć w historię tak odległą. Promieniowanie, które teraz potrafimy rejestrować, to nic innego jak resztki światła, które emitował rozgrzany i potwornie ściśnięty młody wszechświat. Dokładny jego obraz znamy (dzięki satelicie COBE i WMAP), ale pełnej zgody co do interpretacji nie ma. A właściwie jest pełna niezgoda. Co chwila pojawiają się nowe pomysły i interpretacje tych samych danych, tych samych obrazów.

Już teraz jednak wydaje się, że poprawić trzeba klasyczną teorię kosmologiczną, według której wszechświat jest płaski i nieskończony. To klasyczne podejście sprawdza się jedynie dla wycinka całego nieba. Z danych z satelity WMAP wynika, że wszechświat jest skończony i w jakiś sposób zamknięty. Czy to oznacza, że jest gdzieś jego brzeg? Nie. Gdyby iść cały czas w jednym kierunku, wróciłoby się do miejsca, w którym rozpoczęła się podróż. Jak to możliwe? To mniej więcej tak, jak podróż dookoła kuli ziemskiej. Wychodząc z jakiegokolwiek miejsca i idąc przed siebie (niezależnie od kierunku), w końcu wrócimy z powrotem do domu.

Pomiędzy wszechświatem a ziemią jest jeszcze jedna analogia. I w jednym, i drugim przypadku zakrzywienie jest niezwykle trudno zaobserwować. W naszym najbliższym otoczeniu ziemia jest przecież płaska. Z pokładu samolotu, a najlepiej z orbity okołoziemskiej dopiero widać, że jest inaczej. Niestety, w przypadku wszechświata wzniesienie się ponad jest niemożliwe – nie ma przecież żadnego „ponad”.

Czyli wszechświat jest kulą? Być może. Ostatnio pojawił się jednak pomysł, że jest owalny. Do takich wniosków doszli przynajmniej fizycy z dwóch włoskich uniwersytetów (Ferrara i Bari). Nieco starsza koncepcja to cylinder – czyli figura, która powstaje, gdy zwinie się w rulon kartkę papieru. To z kolei pomysł amerykańskich badaczy z Uniwersytetu w Pensylwanii. Metoda badawcza, którą ci ostatni się posługiwali, może być jednak obarczona poważnym błędem, bo sformułowana została po obserwacjach niezwykle dużych struktur na mikrofalowej mapie tła. Struktury są wielkie i jest ich niewiele, więc błąd może być duży.

Pewnym rozwinięciem koncepcji cylindra jest pomysł torusa. Gdyby zrobiony ze zwiniętej kartki cylinder skleić końcami, powstałaby figura w kształcie opony samochodowej – czyli torus. Problem w tym, że koncepcja torusa jest jeszcze bardziej skomplikowana niż „zwykłego walca”.Kilkanaście miesięcy temu drugą młodość przeżywał pomysł, który ma... prawie 2,5 tysiąca lat. Wtedy właśnie Platon, grecki filozof i matematyk, postulował, że przestrzeń ma kształt dwunastościanu – czyli figury, która składa się z 12 identycznych pięciokątów. Zespół amerykańskich i francuskich badaczy, opierając się wyłącznie na pomiarach mikrofalowego promieniowania tła, obliczył, że jego średnica nie może być większa od 70 mld lat świetlnych. Posklejane ze sobą jednym z boków pięciokąty działałyby jak lustra i może dlatego pomysł ochrzczono modelem komnaty lustrzanej.

Co zobaczyłby człowiek, gdyby doleciał do brzegu takiego wszechświata? Najpewniej swoje własne odbicie, bo światło od wewnętrznych brzegów dwunastościanu miałoby się odbijać. Gdyby na siłę spróbował sforsować tę granicę... wleciałby z powrotem do wnętrza dwunastościanu przez pięciokąt po przeciwnej stronie tego, którym wyleciał. Skomplikowane? Być może, ale podobno wszystko pasuje jak ulał do zdjęć dostarczonych przez WMAP.

Innego zdania jest Frank Steiner z Uniwersytetu w Ulm w Niemczech. On także uważa, że wszechświat ma skończone rozmiary, ale analizując te same zdjęcia, doszedł do wniosku, że przestrzeń ma kształt lejka lub rogu. Z jednej strony jest wydłużona i prawie nieskończenie długa, a z drugiej rozszerza się, „wywijając na zewnątrz”, przypominając nieco dzwon.

Także ten pomysł nie jest nowością. Po raz pierwszy powstał ok. 15 lat temu, gdy zaczęto analizować dane z satelity COBE.

Autorzy „wszechświata – lejka” uważają, że pomysł komnaty lustrzanej jest błędny, bo na zdjęciach WMAP powinny pojawić się charakterystyczne obrazy powstałe w wyniku odbicia światła od wewnętrznej „lustrzanej” powierzchni dwunastościanu. Miałoby to być coś podobnego do „zajączków”, które można puszczać lusterkiem na ścianie w słoneczny dzień.

Czy jest jakieś rozwiązanie tego sporu? Dostępne dane z WMAP nie wykluczają żadnego z tych rozwiązań. Wydaje się, że potrzeba nowych dowodów, nowych badań. Z tymi trzeba będzie jednak poczekać do 2008 roku, kiedy to planowane jest wysłanie w kosmos europejskiej sondy Planck.

Rozważanie przez kosmologów zagadnień związanych z kształtem wszechświata nie jest czczym gadaniem rozmiłowanych w swoim abstrakcyjnym świecie naukowców. Gdy rodziła się koncepcja ziemi jako kuli, wielu zapewne twierdziło, że to sprzeczne z intuicją, bo przecież ci, którzy mieszkają po przeciwnej stronie, pospadaliby w dół. A tymczasem przecież nie ma żadnego dołu!

Odpowiedź na pytanie o kształt kosmosu ma tymczasem funkcje nie tylko czysto poznawcze. Chodzi także o zrozumienie praw fizyki. Fizyki, która jest taka sama w skali makro i mikro. Poza tym kto wie, czy odgadnięcie prawdziwego kształtu wszechświata nie będzie miało w przyszłości całkiem praktycznego zastosowania. Może się okazać, że dystans pomiędzy dwoma odległymi punktami można pokonać, „idąc na skróty”. Czy wtedy podróże kosmiczne staną się możliwe? Nie ma żadnych argumentów naukowych, które by na to nie pozwalały.

Tomasz Rożek
doktor fizyki, dziennikarz naukowy, stały współpracownik Radia eM