Mason, Big Bang Rys. 2.jpg

Jim Mason
Big Bang. Nauka czy science fiction? [*]
Artykuł w Scientific American przytacza fascynujące odkrycia

Galileusz napisał: „Matematyka jest językiem, w którym Bóg napisał wszechświat”.

Niedawny artykuł w Scientific American [1] zwraca uwagę, że kosmologia – nauka o pochodzeniu wszechświata – jest „nauką napędzaną przez matematykę”. Dlatego „zwykle uważa się, że jest ona niezwykle precyzyjna”.

Jeśli tak jest, to badanie wszechświata korzysta z języka, w którym Bóg napisał wszechświat. Jak dotąd wszystko wydaje się w porządku. Ale czy ta precyzyjna kosmologia jest też dokładna? (Oba te pojęcia są spokrewnione, ale mają odmienne znaczenie; patrz słowniczek na końcu artykułu, gdzie znajdują się definicje wszystkich terminów wyróżnionych pogrubioną czcionką).

Ludzkiego języka można używać do rozmaitych rzeczy; do opisu i przewidywania (np. opisu aktualnej pogody i prognozy przyszłej pogody), do opisu dawnych wydarzeń i tekstów naukowych czy do powieści historycznych i science fiction. Podobnie można używać matematyki do różnych rzeczy. Na przykład możemy opisać siłę grawitacji (F) między dwiema masami (m) w danej odległości (r) jako F = Gm1m2/r^2. I możemy przewidzieć prędkość (v) w czasie (t) po starcie z prędkością początkową (u) i stałym przyspieszeniem (a) ze wzoru: v=u+at.

Za licznymi popularnymi opisami Wielkiego Wybuchu kryje się skomplikowany matematyczny gmach. Artykuł w Scientific American nazywa to „konceptualną ramą roboczą”, do której „dodawano kolejne warstwy nie naruszając reszty”. Z tą matematyką wiąże się cała opowieść. Czy jednak ta opowieść jest mocno zakorzeniona w nauce obserwacyjnej i eksperymentalnej, czy też jest w dużej mierze historycznym opowiadaniem z elementami science fiction?

Artykuł w Scientific American zdecydowanie sugeruje, że chodzi o to drugie – jest to opowiadanie. Opiera się ono na domniemanej historii i jest luźno wsparte elementami rzeczywistej nauki. Ale jest w nim też dużo science fiction, w tym, jak zobaczymy, odpowiedniki mitycznych kryształów dilitu, napędu warp i pól maskujących z serialu Star Trek:

Zrodzony z kosmicznego wybuchu 13,8 miliardów lat temu wszechświat uległ gwałtownej inflacji [zwiększeniu objętości] i tym samym ochłodził się, obecnie nadal rozszerza się w coraz szybszym tempie i składa się głównie z nieznanej ciemnej materii i ciemnej energii… prawda?

Tę dobrze znaną opowieść zwykle traktuje się jako oczywisty fakt naukowy, pomimo sporego braku wspierających go faktów empirycznych – i pomimo nie malejących rozbieżności wynikających z obserwacji odległych fragmentów wszechświata. [1]

Każda opowieść potrzebuje dobrych ilustracji i NASA stworzyła taką, która pasuje do tej „historii”. Całkiem dobrze radzi sobie ona z różnymi wątkami i cechami tej opowieści umieszczając je na jednej stronie (Rys. 1, patrz załączniki).

Rys. 1: Ilustracja NASA przedstawiająca rzekomy Wielki Wybuch

Większość powieści historycznych zawiera fikcyjne szczegóły wydarzeń związanych z dobrze ustalonymi wydarzeniami, które miały miejsce na znanej osi czasu. Teoria Wielkiego Wybuchu ma inny charakter. O wydarzeniach historycznych jedynie wnioskuje się tu bardzo ogólnie – dawno, dawno temu nie było ani wszechświata, ani gwiazd, słońca czy Ziemi; a teraz to wszystko istnieje. Tak więc musiały mieć miejsce wydarzenia, które powołały je do istnienia z niebytu. Jednak wg świeckich kosmologów nie ma niezależnego zapisu tych wydarzeń, czasu, kiedy miały miejsce, czy kolejności występowania. Koncepcja Wielkiego Wybuchu jest próbą ustalenia tych rzeczy, a także wypełnienia wszystkich związanych z nimi szczegółów.

Szczegóły te obejmują takie rzeczy jak:
● kwantowa fluktuacja z kwantowej próżni;
● początkowa supergorąca, supergęsta „osobliwość”;
● krótki okres superszybkiej kosmicznej inflacji (ekspansji szybszej niż światło);
● powstawanie gwiazd;
● powstawanie galaktyk;
● powstawanie planet;
● ciemna materia; oraz
● ciemna energia.
Wiele z nich zostało zamieszczonych na wspomnianej ilustracji NASA.

Kiedy czytamy tę opowieść („Zrodzony z kosmicznego wybuchu…”), może brzmieć ona bardzo wiarygodnie. Jednak przy dokładnym zbadaniu (1 Tesaloniczan 5:21 [2]) każdy z wymienionych powyżej elementów jest albo niezgodny z tym, co wiemy z fizyki, albo nie ma bezpośredniego wsparcia obserwacyjnego, albo też jedno i drugie. Na przykład w artykule zauważono (podkreślenie dodane), że

niedawno wystrzelona sonda odkryła galaktyki, których cechy są niezgodne z teorią ciemnej materii zakładającej, że ta hipotetyczna substancja jest wszechobecna. […] Kluczową funkcją takich teorii jak teoria ciemnej materii, ciemnej energii i inflacji […] nie jest opisywanie znanych zjawisk empirycznych, ale raczej utrzymanie matematycznej spójności samej ramy roboczej przy uwzględnieniu rozbieżnych obserwacji. Właściwie są to nazwy czegoś, co musi istnieć ]…]. [1]

A to wszystko dlatego, że „opowieść” wymaga ich istnienia, aby funkcjonował jej aparat matematyczny.

W historii Wielkiego Wybuchu kosmiczna inflacja następuje niemal natychmiast po „fluktuacji kwantowej”. Fluktuacja kwantowa przenosi całą masę/energię wszechświata z czegoś, co nazywa się „próżnią kwantową”, do istniejącej w rzeczywistej czasoprzestrzeni „osobliwości” o zerowej objętości i nieskończonej gęstości. I wtedy inflacja powiększa objętość tej osobliwości, przyjmując niezerową objętość.

To rozszerzanie się objętości zachodzi tak szybko, że dowolne dwa punkty w jej wnętrzu oddalają się od siebie z prędkością znacznie większą niż prędkość światła. Inflacja jest napędem warp Wielkiego Wybuchu.

Nie ma żadnej znanej, ani nawet hipotetycznej, siły lub energii, która mogłaby spowodować tę ekspansję – czegoś w rodzaju kryształu dilitu dla Wielkiego Wybuchu – ani nie znamy żadnego mechanizmu jej zatrzymania. Artykuł w Scientific American stwierdza (podkreślenie dodane):

[…] teoria inflacji opiera się na rozwiązaniach ad hoc, aby uwzględnić niemal wszystkie dane, a […] postulowane przez nią pole fizyczne nie ma empirycznego uzasadnienia. Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że kluczowyn zadaniem inflacji jest przejście od niepoznawalnego Wielkiego Wybuchu do fizyki, jaką znamy dzisiaj. Czy to nauka, czy wygodny wymysł? [1]

Taki „wygodny wymysł” jest oczywiście znakiem rozpoznawczym science fiction. Inflacja ma miejsce w historii Wielkiego Wybuchu w epoce, której nie jesteśmy w stanie zobaczyć. Nie można więc zweryfikować jej istnienia przy pomocy bezpośredniej obserwacji. (W efekcie staje się ona niewidoczna dzięki czemuś w rodzaju pola maskującego z serialu Star Trek).

Uczeni przypuszczają jednak, że inflacja wygenerowała fale grawitacyjne, które powinny dać się wykryć nie bezpośrednio, ale poprzez pewien wpływ, jaki wywarłyby one na obserwowane promieniowanie.

To, czy znaleziono fale grawitacyjne, znajduje się pod dużym znakiem zapytania

W marcu 2014 r. ogłoszono z fanfarami, że taki wpływ rzeczywiście wykryto, co miało dowodzić, że inflacja rzeczywiście miała miejsce. Jednak jeszcze przed czerwcem 2014 r., kiedy to opublikowano artykuł na ten temat, ustalono, że obserwowany efekt w rzeczywistości pochodzi od pyłu międzygalaktycznego. [3] Ponieważ inflacja jest tak kluczowa dla teorii Wielkiego Wybuchu, niezrażeni tym uczeni kontynuowali próby wykrycia fal grawitacyjnych, ale jak dotąd bez powodzenia.

Naprawdę perspektywa ich odnalezienia staje się coraz mniejsza, co ma głębokie implikacje.

Najnowsze poszukiwania fal grawitacyjnych z początkowego okresu istnienia Wszechświata nie wykryły żadnej oznaki ich istnienia, z czego wynika, że niektóre popularne modele wczesnego Wszechświata jest coraz trudniej utrzymywać. [4]

A więc nie dało się jednoznacznie zaobserwować efektu przewidywanego przez niektóre konstrukcje matematyczne (modele) inflacji. Eksperymentalna niepewność (stopień precyzji) tych pomiarów była wystarczająca, aby ostatecznie wykazać, że niektóre modele są na pewno błędne, chociaż inne nadal jeszcze są możliwe. Planowane są przyszłe eksperymenty z udoskonalonym sprzętem, które zmniejszą niepewność eksperymentów. Być może nawet więcej teorii okaże się błędnych (patrz Rys. 3, załączniki).

Rys. 3. Kolorem zielonym i niebieskim zaznaczono przedziały przewidywane przez dwa zestawy teorii inflacji dla dwóch konkretnych parametrów. Zakresy dla tych parametrów, na jakie zezwalają wyniki ostatnich eksperymentów, są zaznaczone na czerwono. Wykres pokazuje, że wszystkie „niebieskie” teorie i niektóre „zielone” są błędne i należy je odrzucić. Jeśli planowane przyszłe eksperymenty mające na celu zmniejszenie niepewności eksperymentów – czyli rozmiaru obszaru „czerwonego”– doprowadzą do tego, że „czerwony” obszar będzie się znajdował na prawo od „zielonego”, to te teorie również okażą się błędne i będzie trzeba je odrzucić. Wtedy będzie to stanowić główny problem teorii Wielkiego Wybuchu.

Byłaby to bardzo zła wiadomość dla zwolenników teorii Wielkiego Wybuchu, ponieważ inflacja jest niezbędna do rozwiązania kilku wspomnianych wcześniej „niezgodnych wzajemnie obserwacji”. Jedna z nich dotyczy nadzwyczajnej jednorodności „temperatury” kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMBR) – patrz dodatek pod artykułem „Problem podróżowania światła w teorii Wielkiego Wybuchu”.

Koncepcja inflacji, postulowana w celu rozwiązania problemu podróży światła w teorii Wielkiego Wybuchu, tworzy następny problem. Ekstremalna jednorodność mikrofalowego promieniowania tła implikuje niezwykle równomierny rozkład materii emitującej to promieniowanie. Ale koncepcja Wielkiego Wybuchu wymaga niejednorodnego – ziarnistego – rozkładu materii, aby istniały jądra kondensacji przy formowania się gwiazd poprzez kolaps grawitacyjny. [5]

Ratunkiem ciemna materia?

Hipotetyczna ciemna materia, w przeciwieństwie do „normalnej” materii, jest niewidoczna, ale na szczęście towarzyszy jej „normalne” pole grawitacyjne. W rezultacie „skupiska” tej ciemnej materii – ich wygodna niewidzialność jest kolejnym polem maskującym – zapewniają niezbędny mechanizm powstawania gwiazd w opowieści o Wielkim Wybuchu, pozwalając „zachować matematyczną spójność jej ramy roboczej”. [1]

Trzecim hipotetycznym bytem wymienionym w artykule Scientific American jest ciemna energia. Ale czy ona naprawdę istnieje? John Rennie, redaktor naczelny Scientific American tak napisał na jej temat w 2009 roku:

[…] kiedy astronomowie nagle zdali sobie sprawę, że wszechświat nie tylko się rozszerza, ale że też przyspiesza swoją ekspansję, większość z nich doszła do wniosku, że jakaś skądinąd niewykrywalna siła antygrawitacyjna, właśnie „ciemna energia”, odpycha galaktyki od siebie. Istnieje jednak alternatywna możliwość wyjaśniająca te obserwacje jako wynik geometrii kosmologicznej. Unika ona przywoływania ad hoc ciemnej energii jako przyczyny, ale za cenę odrzucenia zasady Kopernika: z grubsza mówiąc, umieszcza Ziemię, a przynajmniej naszą galaktykę, z powrotem w centrum obserwowalnego wszechświata. [6]

Zasada kopernikańska nie jest czymś, co wynika z danych obserwacyjnych, ale jest raczej niekwestionowanym założeniem, które arbitralnie i niepotrzebnie narzucono interpretacji danych. „Odrzucenie” czegoś, co jest arbitralne i niekonieczne trudno uznać za nierozsądne. Byłoby to podobne do wyrzucenie śmieci, które nie wiadomo po co podniosłeś z pobocza drogi i których tak naprawdę nie potrzebujesz.

A więc zgodnie z artykułem w Scientific American koncepcja Wielkiego Wybuchu „opiera się na pewnej pojęciowej ramie roboczej”, która z kolei opiera się na szeregu „hipotetycznych” bytów (inflacja, ciemna materia, ciemna energia), „aby zachować matematyczną spójność tej ramy roboczej, wyjaśniając jednocześnie wzajemnie niezgodne obserwacje”. Jak ujął to autor, aby zachować ten paradygmat:

[…] musimy zaakceptować fakt, że 95 procent naszego kosmosu składa się z całkowicie nieznanych elementów i sił i nie mamy żadnego empirycznego potwierdzenia ich istnienia. Żeby uczony zaufał w prawdziwość tego obrazu, potrzebuje wyjątkowej wiary w potęgę matematycznej unifikacji. [1]

Ponadto, gdyby okazało się, że podobnie jak w przypadku Newtonowskiej teorii grawitacji niektóre założenia dzisiejszej kosmologii nie mają zastosowania w skali Wszechświata, co Ekeberg nazywa „dość prawdopodobnym”, pisze on (podkreślenia dodane), że:

[…] dzisiejszy wielowarstwowy teoretyczny gmach paradygmatu Wielkiego Wybuchu okazałby się zagmatwaną mieszanką fikcyjnych bestii wymyślonych w celu podtrzymania modelu wraz z empirycznie uzasadnionymi zmiennymi wzajemnie od siebie zależnymi do tego stopnia, że niemożliwe staje się oddzielenie nauki od fikcji. [1]

Cienie Star Treka

Wszystko to brzmi jak ucieleśnienie science fiction — wraz z odpowiednikami kryształów dilitu, napędu warp i pól maskujących.

Z drugiej strony biblijny opis powstania wszechświata to historia klasyczna — szczegółowy zapis dobrze określonych zdarzeń. Występują w określonej kolejności chronologicznej w określonym okresie (6 dni około 6000 lat temu), bez odwoływania się do „wymyślonych fikcyjnych bestii”. A wszystko to jest wyrażone łatwym do zrozumienia językiem naturalnym, a nie zawiłą matematyką.

Co więcej, będąc Słowem Boga (który wymyślił zarówno ludzki umysł, jak i język matematyki), opis ten jest i dokładny, i precyzyjny.

Przypisy:
[*] Oryginał: Jim Mason, „The Big Bang. Science or Science Fiction?”, Creation 2022, vol. 44, no. 3, s. 46-50. Z jęz. ang. tłum. Marta Cuberbiller.
[1] B. Ekeberg, „Cosmology has some big problems”, blogs.scientificamerican.com, 30 Apr 2019.
[2] „Wszystko badajcie, a co szlachetne – zachowujcie.”
[3] John Hartnett „The authors of the claimed biggest astrophysics discovery of the century admit they may have been wrong”, creation.com/backflip, 3 Jul 2014.
[4] D. Meerburg, „Squeezing down the theory space for cosmic inflation”, Physics Oct 2021, vol. 14, no. 135, s. 4; physics.aps.org.
[5] See creation.com/stars.
[6] J. Rennie, „In our expanding universe, earth is nothing special”, scientificamerican.com, 1 Apr 2009.

JIM MASON B.SC., PH.D.

Dr Mason obronił doktorat z eksperymentalnej fizyki jądrowej na McMaster University w Ontario, Kanada. Spędził dziesięciolecia na badaniach i rozwijaniu jednej z największych kanadyjskich firm zajmujących się elektroniką obronną, w której zajmował kilka wysokich stanowisk. Jim wielokrotnie wygłaszał wykłady z ramienia CMI-Canada. Więcej informacji: creative.com/dr-jim-mason.