Zanim zaczniemy mówić o kształcie Wszechświata, może parę słów o skończoności, nieskończoności i granicach. Z faktu, że coś nie ma granic, wcale nie wynika, że jest nieskończone. Biała kartka papieru ma granice i jest skończona, ale gdyby wyciąć w niej odpowiedni kształt, posklejać i zrobić kulę, okazałoby się, że ta bryła granicy nie ma. Choć wciąż jest przecież skończona.

Podobnie dzieje się z Ziemią. Jest oczywiście skończona (o czym mogą się przekonać np. pracujący na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej astronauci), ale pozbawiona granic. Innymi słowy: można przed siebie iść, iść, iść i co najwyżej wróci się w to samo miejsce, z którego się wyszło. Nie dojdzie się do żadnego brzegu, do żadnej ściany. Czy tak samo wygląda Wszechświat?

Teoria Wielkiego Wybuchu, czyli jak powstał Wszechświat

To pytanie za pięć punktów. A właściwie za Nobla. Bo jak sprawdzić kształt czegoś takiego, jak cały Wszechświat? Zacznijmy od początku.

Teoria Wielkiego Wybuchu mówi, że Wszechświat miał swój początek w nieskończenie małym gęstym i gorącym punkcie. Punkcie, który równocześnie zajmował całą przestrzeń. Poza nim nic nie istniało. Pomińmy fakt, że wspomniana teoria nie wyjaśnia, ani czym ten punkt był i skąd się wziął, ani co spowodowało, że „Wielce Wybuchł”. Na szczęście dalej robi się nieco łatwiej.

Od „chwili zero” przestrzeń zaczęła pęcznieć, niosąc ze sobą materię. To wydarzenie nastąpiło około 13,7 mld lat temu. To, że było tak rzeczywiście, potwierdza ucieczka galaktyk, mikrofalowe promieniowanie tła oraz ilość znajdujących się w przestrzeni pierwiastków lekkich.

Z tych trzech filarów podtrzymujących Teorię Wielkiego Wybuchu najłatwiejszy do zrozumienia jest pierwszy. W 1929 roku Edwin Hubble ogłosił, że wszystkie galaktyki cały czas się od siebie oddalają i to niezależnie od kierunku, w którym się spojrzy. Dzisiaj są bliżej siebie niż będą jutro, wczoraj były bliżej niż są dzisiaj. Mało tego – kilka lat temu okazało się, że to oddalanie przyspiesza stale od prawie 14 mld lat.

Fizykom te obserwacje dawały do myślenia, ale rozstrzygający był dla nich inny eksperyment. W 1948 roku George Gamow wyliczył, że o Wielkim Wybuchu musi świadczyć otaczające nas zewsząd promieniowanie. Coś w rodzaju echa tamtych wydarzeń, które nazwał mikrofalowym promieniowaniem tła albo inaczej promieniowaniem reliktowym. Z teorii wynikało, że jeżeli rzeczywiście kiedyś cała materia Wszechświata znajdowała się w jednym punkcie, to w początkowym okresie rozszerzania się kosmos musiał być tak gęsty, że kwanty promieniowania nie potrafiły „odkleić” się od materii.

Do tego odklejenia mogło dojść dopiero wtedy, gdy Wszechświat już się trochę rozszerzył, dzięki czemu gęstość materii nieco spadła. Z obliczeń Gamowa wynikało, że nie mogło to stać się wcześniej niż 300 tys. lat po Wielkim Wybuchu. W 1948 roku takie założenie brzmiało bardzo abstrakcyjnie. 15 lat później opisane teoretycznie przez Gamowa promieniowanie reliktowe rzeczywiście odkryto

​Kształt Wszechświata - intelektualna prowokacja

Promieniowanie reliktowe nie jest ciekawostką czy niszą, w której swobodnie buszuje zaledwie kilku fizyków na świecie. Dla zrozumienia kształtu i ewentualnych granic Wszechświata to temat kluczowy. Bo robiąc mapę mikrofalowego promieniowania tła, dostajemy jednocześnie coś w rodzaju zdjęcia Wszechświata w wieku niemowlęcym.

W niemal 14 mld lat po Wielkim Wybuchu uzyskujemy dzięki promieniowaniu reliktowemu obraz z czasu, gdy Wszechświat miał tylko 300 tys. lat! To mniej więcej tak, jakby zrobić 90-letniemu staruszkowi zdjęcie, na którym po wywołaniu widzimy go zaledwie kilkanaście godzin po urodzeniu.

Zrobienie takiego zdjęcia daje nam wgląd w przeszłość – w czasy, kiedy cały kosmos miał wielkość ziarenka maku (w porównaniu z objętością, jaką zajmuje teraz). W tym ziarenku nie było jeszcze galaktyk, tylko miejsca większych zagęszczeń materii, z których w przyszłości uformują się gromady galaktyk. Z ich kształtu i rozmieszczenia można wyciągać wnioski dotyczące kształtu przestrzeni. Można też z większą dozą prawdopodobieństwa pokusić się o „przewidywanie” przyszłości. Promieniowanie reliktowe jest dla kosmologów tak istotne, że od lat wysyłają w kosmos sondy, których jedyne zadanie polega na mierzeniu mikrofalowego promieniowania tła.

W 1989 roku wystrzelono sondę COBE. W 2003 roku przyszła kolej na sondę WMAP, a w połowie 2009 roku dołączyła do nich europejska sonda Planck. To m.in. z ich badań wynika, że Wszechświat jest skończony i zamknięty, ale nie ma granicy. A jaki ma kształt?

Odpowiedź na to pytanie jest bardziej niż trudna. Z tych samych danych różne grupy badaczy wyciągają różne wnioski. Nowe interpretacje pojawiają się i znikają. Niektóre z teoretycznych dywagacji są niczym innym niż intelektualną prowokacją, inne powstały raczej w czasie burzy mózgów kosmologów czy fizyków teoretyków. Wśród dyskutowanych modeli jest np. model komnaty lustrzanej, w którym przestrzeń ma kształt dwunastościanu.

Są też modele, w których Wszechświat jest walcem, stożkiem, torusem (wygięty walec połączony podstawami – czyli kształt nadmuchanej dętki rowerowej), a nawet lejkiem. W tym ostatnim przypadku przestrzeń z jednej strony miałaby być wydłużona i prawie nieskończenie długa, a z drugiej miałaby się rozszerzać (wywijać na zewnątrz), przypominając nieco dzwon albo róg. Najstarsza i najłatwiejsza do zrozumienia jest koncepcja zakładająca, że Wszechświat jest sferą.

Wszechświat ma trzy wymiary – lub więcej

Wyobraźmy sobie nadmuchiwany balon. My, wszystkie galaktyki, cały Wszechświat – to jego powierzchnia. Nie ma czegoś takiego jak środek balonu, nie ma czegoś takiego jak obszar go otaczający. Jest tylko powierzchnia, która ma pewien stopień krzywizny.

Ale zaraz, przecież nasz świat jest (przynajmniej) trójwymiarowy, a ta analogia mówi o świecie dwuwymiarowym (powierzchniowym). No i tu właśnie leży trudność. Mózg nie jest w stanie wyobrazić sobie trójwymiarowej przestrzeni wygiętej w jakikolwiek kształt. Proszę nie mylić tego z wygiętą powierzchnią dwuwymiarową. Napompowany balon jest trójwymiarowy, ale ten trzeci wymiar bierze się z wygięcia płaszczyzny (płaskich ścianek balonu). A jak sobie wyobrazić wygięcie przestrzeni, która już jest trójwymiarowa? To jest totalna abstrakcja. Zmagając się z nią, stawiamy się w sytuacji istot żyjących w świecie dwuwymiarowym, niezdolnych do wyobrażenia sobie figur przestrzennych, powstających z uginania płaszczyzn.

Gdyby ktoś w takim płaskim świecie zaczął opowiadać o wspomnianym balonie, który po nadmuchaniu tworzy trójwymiarowy kształt, byłby tak samo niezrozumiany jak dzisiejsi kosmologowie, którzy próbują dociec, jaki kształt ma nasza trójwymiarowa przestrzeń – być może wygięta w kolejnym, czwartym wymiarze. Tak, można tę dawkę abstrakcji jeszcze bardziej skomplikować, dodając, że wszechświat niekoniecznie ma tylko trzy wymiary.

Jak zbadać kształt Wszechświata?

Ale to już lepiej zostawmy i wróćmy do kształtów. Skoro w dwuwymiarowym świecie dwuwymiarowi ludzie nie byliby w stanie zrozumieć zakrzywienia swojego świata, czy my jesteśmy w stanie pojąć zakrzywienie naszej trójwymiarowej przestrzeni? Nie wiem, może nie, ale na pewno jesteśmy ją w stanie zbadać. Żeby zrozumieć jak, najlepiej zrobić proste ćwiczenie.

Połóż na stole białą kartkę i narysuj na niej dwa oddalone od siebie punkty A i B. Spróbuj połączyć je linią prostą. Pytanie: ile linii prostych łączy dwa punkty na płaszczyźnie? Tak, masz rację. Tylko jedna. Następnie posmaruj klejem brzeg kartki i sklej z niej walec. Postaraj się, żeby narysowane wcześniej punkty były na zewnętrznej jego powierzchni, tak żeby były wyraźnie widoczne. A teraz ile linii prostych łączy te dwa punkty? Na pewno nie jedna. Nie jedna, ale kilka! Jedna linia może biec z punktu A do B z prawej strony walca, druga może bryłę obiegać z lewej strony. Trzecia prosta może przechodzić na przestrzał przez środek walca, a kolejne dwie górą oraz dołem. Takich prostych może być dużo. I to nie jest geometryczna ciekawostka. To jest kapitalna cecha zakrzywionej w którąkolwiek stronę przestrzeni.

Jeżeli my z naszą Ziemią jesteśmy w punkcie B, a w punkcie A znajduje się galaktyka, którą obserwujemy, oznacza to, że światło przez nią wyemitowane może trafiać do naszych oczu różnymi drogami, z różnych stron nieba. Każda z tych dróg ma na dodatek inną długość, co znaczy, że ten sam obiekt może być obserwowany w różnym wieku.

Dlaczego tak się dzieje? Bo światło ma skończoną prędkość. Porusza się najszybciej, jak to tylko możliwe, ale wciąż – biorąc pod uwagę gigantyczne odległości we Wszechświecie – ma spore opóźnienia. Patrząc na oddaloną od nas o 2,5 mln lat świetlnych Galaktykę Andromedy – nasze najbliższe galaktyczne sąsiedztwo – widzimy ją nie taką, jaka jest teraz, tylko taką, jaka była 2,5 mln lat temu. To światło, które teraz do nas trafia, opuściło galaktykę właśnie wtedy.

​Jeśli przyjmiemy, że to światło może docierać do nas różnymi drogami o różnej długości, jest całkiem możliwe, że patrząc w północnym kierunku nocnego nieba, zobaczymy galaktykę X, gdy miała 2 mld lat, zerkając na południe – gdy miała 3 mld, a na zachód, gdy dopiero rozbłyskała. Tyle teoria.

W praktyce nie mamy pojęcia, czy wpatrując się w różne obszary nieba, widzimy za każdym razem inne galaktyki, czy część z nich to te same, tylko w innym stadium rozwoju. Nie mamy nawet pomysłu, jak to sprawdzić. Gdyby jednak jakoś się nam udało, określenie kształtu Wszechświata i zakrzywienia przestrzeni wymagałoby tylko komputera o dużej mocy obliczeniowej. Wtedy astronomowie „wrzucaliby” do niego informacje, które galaktyki widzą podwójnie albo potrójnie, w jakim one są wieku i z jakiego kierunku nadlatuje wyemitowane przez nie światło.

Odpowiedni program powinien poradzić sobie z wyliczeniem zakrzywienia przestrzeni czy inaczej – kształtu Wszechświata. Inaczej bowiem będą układały się obrazy galaktyk, gdy kosmos będzie kulą, a inaczej, gdy będzie stożkiem czy torusem. W badaniu mikrofalowego promieniowania tła chodzi dokładnie o to samo. Trudno wyobrazić sobie sytuację, w której przestrzeń zmienia swój kształt (zakrzywienie) w czasie. Kształt, jaki został nadany Wszechświatowi w pierwszych ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu, jest prawdopodobnie tym samym kształtem, który ma dzisiaj. Stąd tak dużą wagę kosmologowie przywiązują do analizy mikrofalowego promieniowania tła. Chcą na tym zdjęciu niemowlęcego Wszechświata zobaczyć odbicia, regularności albo nieregularności charakterystyczne dla ugiętej przestrzeni

Geometria nieeuklidesowa i opis Wszechświata

W kosmologii niewiele rzeczy można zrozumieć, uruchamiając naszą ziemską intuicję. Podobnie jest zresztą w fizyce cząstek elementarnych. Niektórzy potrafią jednak intuicję w jakiś sposób zagłuszyć. A może ich intuicja działa na wyższych poziomach? Takie zagadnienia jak Wielki Wybuch czy rozszerzanie się przestrzeni można jeszcze próbować sobie wyobrazić, ale kształt przestrzeni – już nie bardzo. Tymczasem nie da się zrozumieć konstrukcji Wszechświata bez odpowiedzi na pytanie o cechy przestrzeni, którą wypełnia. Bez tego nie sposób dowiedzieć się, jaka była jego przeszłość i jaka będzie przyszłość.

W naszej skali przestrzeń jest płaska jak kartka papieru. Podobnie jak w skali naszego najbliższego otoczenia płaska jest także Ziemia. Dwie linie równoległe zawsze będą w takich warunkach równoległe, a suma kątów w trójkącie zawsze będzie wynosiła 180 stopni. To podstawy tzw. geometrii euklidesowej. Jednak na wygiętej kartce, w zakrzywionej przestrzeni nic już nie jest takie jednoznaczne. Wówczas dwie linie proste i równoległe mogą się rozjechać albo skrzyżować. Wzory na pola figur czy zależności geometryczne, których dzieci uczą się w pierwszych klasach szkoły, przestają być prawdziwe. Nieprawdziwe staje się twierdzenie Pitagorasa!

Jaki więc jest nasz świat? Gdy patrzymy na niego z bliska, jest euklidesowy, płaski. Ale gdyby spojrzeć na niego z większej odległości, staje się zakrzywiony. Szkoda, że na razie nie wiadomo, jak się zakrzywia i w którą stronę.

Odkrycie tej tajemnicy może mieć praktyczne zastosowanie. Jeżeli dwa punkty może w zakrzywionej, nieeuklidesowej przestrzeni łączyć kilka różnych linii prostych, to może nauczymy się kiedyś podróżować na duże odległości drogą na skróty, np. przez sam środek przykładowego walca. Gdyby tak się stało, moglibyśmy zacząć przygotowywać się do podróży międzygwiezdnych, a nawet międzygalaktycznych – bo okazałoby się, że odległości pomiędzy najdalszymi obiektami we wszechświecie wcale nie są takie duże.

A jaka będzie przyszłość Wszechświata? 

Koniec będzie np. nowym początkiem. Tak głosi hipoteza Wielkiego Kolapsu (BIG CRUNCH). Zakłada ona, że Wszechświat nie będzie rozszerzał się wiecznie i że kiedyś nastąpi proces odwrotny, a wtedy galaktyki zaczną się do siebie zbliżać. 

Na razie coraz szybciej się od siebie oddalają i nic nie wskazuje na to, by miały kiedyś zwolnić. A więc bardziej prawdopodobna jest raczej koncepcja nazwana Wielkim Rozdarciem (BIG RIP). To rozdarcie, które opisał kosmolog Robert Caldwell, miałoby dotyczyć nie tylko galaktyk, ale także atomów. Protony, neutrony i elektrony, a później nawet kwarki, rozsypałyby się w przestrzeni jak koraliki z zerwanego naszyjnika. 

Trzecią - najmniej prawdopodobną - hipotezą jest Wielki Chłód (BIG CHILL). Rozszerzanie Wszechświata zatrzyma się; w pewnym momencie, gdy „wypalą” się lekkie pierwiastki, po prostu zabraknie w nim energii.

CZWARTY SCENARIUSZ: ZMODYFIKOWANY WIELKI CHŁÓD 

Według tej teorii Wszechświat (przypominający róg albo dzwon) będzie rozszerzać się z coraz większą szybkością. Struktury niezwiązane grawitacją będą się od siebie oddalać szybciej niż prędkość światła. Przestrzeń może tak pęcznieć, materia i promieniowanie nie (dotyczy ich organicznie prędkości do 300 tys. km/s, postulowane przez teorię względności). Końcem będzie tu również Wielki Chłód.