Wszechświat w bąbelku piwa

jak wyobrazić sobie niewyobrażalne w ludzki sposób. Model, który pokazuje, gdzie może być ukryta ciemna energia.

„Wyobraźnia jest ważniejsza niż wiedza, bo choć wiedza wskazuje na to, co jest, wyobraźnia wskazuje na to, co będzie.”

                        Albert Einstein

Nasze wyobrażenie o tym co nas otacza wydaje się być kluczowym elementem decydującym o tempie postępu cywilizacyjnego, który do tej pory miał miejsce i najprawdopodobniej nadal tak będzie w przyszłości, no chyba że zostanie to w zaskakujący dla nas sposób zmienione przez sztuczną inteligencję.  Analizując jego historię możemy zauważyć, że podstawowym problemem ludzkości zawsze było wyobrażenie sobie czegoś, czego w danej chwili jeszcze nie było.

Można mnożyć przykłady poczynając od wynalezienia koła, którego w naturze próżno szukać. Należało sobie to wyobrazić i zastosować jako coś użytecznego, co w tym przypadku miało kolosalne znaczenie dla dalszego rozwoju ludzkiego gatunku.

Nieco inaczej było z rozwojem astronomii. Wszyscy wpatrywali się w nieboskłon i analizowali ruchy ciał niebieskich snując przy tym różne teorie jak to działa. W pewnym momencie doprowadziło to do ugruntowania jedynie słusznego wniosku, że jesteśmy „pępkiem” całego otaczającego nas świata i zaczęliśmy dreptać w miejscu, na szczęście tylko przez ‘’krótką’’ chwilę.

Moim zdaniem jednym z głównych hamulcowych w dążeniu do szybkiego rozwoju jest to, co jednocześnie go napędza – aktualna dla danego okresu ugruntowana wiedza.

O tym z pewnością przekonał się Charles Darwin ogłaszając swoją teorię ewolucji. Trudno było bowiem polemizować z całym naukowym światem, że człowiek pochodzi od małpy w kontekście ówczesnego poglądu (NIEwiedzy) na temat wieku Świata, który szacowano na 6-10 tys. lat. Ewolucja występuje, nie tylko w naturze, ale również, a może przede wszystkim w nauce, przyspieszając obecnie w szybszym tempie niż byśmy się tego spodziewali. To co jeszcze wczoraj było dogmatem, dziś może być już błędne.

Ciekawym przykładem błądzenia w dziejach nauki i to nie jedynym zresztą, jest historia zawarta w książce pod tytułem ‘’Nowe Życie ‘’ autorstwa Edwarda Dolnicka [1] ukazująca jak najtęższe umysły świata, na przestrzeni wieków próbowały odpowiedzieć na wydawało by się dzisiaj proste pytanie ‘’skąd się biorą dzieci?’’. W doskonały sposób przedstawia perypetie badaczy próbujących rozwikłać rzeczoną zagadkę, uciekając się do przeprowadzania ciekawych eksperymentów zarówno fizycznych jak i myślowych. Wniosek, który możemy wyciągnąć z tej historii jest dość oczywisty, że czytając współczesne pozycje naukowe możemy być wprowadzani, w błąd wynikający nie ze złej woli, tylko złej interpretacji rzeczywistości, która nas otacza.

Do wyobrażenia sobie jakiegoś zjawiska, procesu czy rzeczy, której nie można w bezpośredni sposób zobaczyć, bo odbywa się to zbyt szybko lub zbyt wolno, albo jest to dla nas zbyt małe lub wręcz nieskończone, staramy się ‘’budować’’ modele. Odzwierciedlają one w bardziej lub mniej przybliżonym zakresie ideę, którą chcielibyśmy opisać. Każdy z nas z pewnością kojarzy sobie ze szkolnych lat model budowy atomu, bazujący na układzie Słonecznym.

            W większości takich właśnie przypadków, tego typu zbudowany w naszym umyśle substytut rzeczywistości pozwala nam na opracowywanie nowych teorii, które w zderzeniu z tą prawdziwą, potwierdzają się lub wpadają do kosza. Jak to powiedział Richard P. Feynman ‘’ Nie ma znaczenia jak piękna jest Twoja teoria. Nie ma znaczenia jak mądry jesteś. Jeśli TO nie zgadza się z eksperymentem, mylisz się.’’

Spacerując po Ziemi intuicyjnie odnosimy wrażenie, że jest ona płaska i wydaje się być nieskończona, ale skądinąd wiemy, że tak nie jest. Problem ukryty jest w skali i perspektywie, z której całą tę sytuację postrzegamy. Astronauta przebywający na orbicie nie ma z tym żadnego problemu. Analogiczną do pewnego stopnia sytuację mamy w przypadku Wszechświata, który wydaje się być nieskończony, a w którego wnętrzu tkwimy. Chwilowo nie ma mowy o jakiejkolwiek zmianie perspektywy, żeby to zobaczyć nawet w wyobraźni. Ale gdybyśmy spróbowali zmienić skalę? Do tego jeszcze w radykalnym stopniu, na przykład według poniższego scenariusza.

W tym celu weźmy butelkę z piwem, najlepiej z jakimś dobrym i niezbyt mętnym, żeby dalszy ciąg tego co chciałbym opisać był strawny i wystarczająco klarowny. Nasze piwo jest klarowne dopóty, dopóki nie otworzymy butelki, bo już chwilę po, pojawią się w nim pęcherzyki gazu, wędrujące od dna butelki w górę, powiększając swoją objętość. I z pewnością nie ma w tym zjawisku nic co mogło by nas zaskoczyć, no chyba że zaczniemy się temu dokładniej przyglądać, uruchamiając naszą wyobraźnię. Z pozoru ten prozaiczny proces jak się finalnie okazało został przeanalizowany przez naukowców z Departamentu Nauk Geologicznych Uniwersytetu w Michigan [2]. Zgłębianie fizyki bąbelków było w tym przypadku czymś więcej niż czystą akademicką ciekawością, gdyż w badaniach tych znaleźli oni analogię do rzeczywistych procesów zachodzących w naturze. Podobne interakcje gaz-ciecz napędzają wybuchowe erupcje wulkaniczne, erupcje jezior i oceanów.

Skoro tak, to spróbujmy rozszerzyć ten model na nasz Wszechświat, który w tym momencie mógłby być takim właśnie pęcherzykiem. To co dzisiaj wiemy w temacie początków Wszechświata to to, że powstał ok. 13.7 mld lat temu ‘’z niczego”, z punktu i nazywaliśmy to Wielkim Wybuchem. Przed tym momentem nie było czasu, nie istniała przestrzeń. Z niczego powstało coś. Nie wiem jak Wam, ale mnie taka wizja początku jakoś słabo przemawia do wyobraźni.

            Natomiast jeśli przyjrzymy się w jaki sposób powstaje pęcherzyk w piwie, to możemy doszukać się pewnych analogii w obu zjawiskach. Po otworzeniu butelki, następuje gwałtowne uwolnienie wewnętrznego ciśnienia i na drobnych cząsteczkach, wtrąceniach (defektach), które są zarodkami przyszłych pęcherzyków, następuje dyfuzja gazu (CO2 lub N2) zgromadzonego w piwie, do wnętrza powstającego pęcherzyka. Skupmy się przez chwilę na tym co dzieje się we wnętrzu takiego bąbelka. W pierwszych chwilach ze względu na dużą różnicę ciśnień, szybkość zachodzącego procesu, a tym samym przyrost objętości pęcherzyka jest niezmiernie gwałtowny. Wraz z gazem do wnętrza pęcherzyka ‘’porywane’’ są również cząsteczki piwa. Jeśli przyjmiemy założenie, że dyfundujący gaz jest odpowiednikiem materii bądź jej prekursorem, a ‘’piwo’’ przyporządkujemy do komponentu, z którego zbudowane są czarne dziury tudzież ciemna materia, to mamy pierwsze przybliżenie modelu Wielkiego Wybuchu, tyle że w miniaturce. Biorąc pod uwagę ostatnie odkrycia dokonane dzięki Kosmicznemu teleskopowi Jamesa Webba, dotyczące skrajnie odległych i uformowanych w zaawansowanej formie galaktyk jak i supermasywnych czarnych dziur, których z punktu widzenia obecnej wiedzy o rozwoju Wszechświata, nie powinno tam być, możemy śmiało uznać, że nasz model to przewiduje. W końcu wnętrze pęcherzyka w jego początkowej fazie wypełnione jest ‘’pianą’’, zarówno gazem (materią), jak i drobinkami skraplającego się piwa (ciemnej materii) w wyniku obniżania się ciśnienia i temperatury. Tak przyjęty model w stosunkowo prosty sposób pozwala nam na wyobrażenie sobie skąd na tak wczesnym etapie rozwoju Wszechświata tego typu struktury mogły się tam pojawić. Uzasadnia również istnienie superwielkich kręgów złożonych z galaktyk, które w obecnie przyjętym modelu nie bardzo mogły się uformować pod wpływem jednego czynnika jakim jest grawitacja.

Wracając do współczesności, wiemy, że Wszechświat się rozszerza, a matematycznym podsumowaniem tego procesu jest stała Hubble’a. W tym miejscu możemy dokonać kolejnego ciekawego spostrzeżenia porównując wykres stałej Hubble’a [rys.1][3] do wykresu szybkości rozszerzania się pęcherzyka podczas jego wędrówki w piwie [rys.2][2]. Na podstawie tego możemy dojść do wniosku, że i w tym punkcie model oparty na rozszerzalności pęcherzyka dobrze odzwierciedla zachowanie naszego nieskończonego Wszechświata. Pozostaje jeszcze jeden kluczowy element nie poruszony przeze mnie w tym modelu. Z naukowych analiz makro-oddziaływań we Wszechświecie wynika, że składa się on z ok.5% materii tzw. widzialnej, ok. 25% ciemnej materii, kojarzonej z częściową aktywnością czarnych dziur i ok. 70% tzw. ciemnej energii, o której praktycznie nic nie wiemy, oprócz tego, że jest odpowiedzialna za rozszerzanie się Wszechświata i na dodatek chwilowo nigdzie nie możemy jej znaleźć. I pewnie szybko jej nie znajdziemy, bo jak zapewne się domyślacie z przedstawionego modelu klarownie wynika, że ciemna energia jest na zewnątrz butelki. W tym miejscu należało by jeszcze napomknąć, że ostatnio kosmolodzy doszli do wniosku, że brakuje jeszcze jednego czynnika w obecnie funkcjonującym ‘’standardowym modelu kosmologicznym’’ i nazwali go Wczesną ciemną energią, której gęstość powinna spadać wraz z wiekiem Wszechświata. No i jest pięknie. Mamy i to w naszym modelu, bo początkowa różnica ciśnień na zewnątrz i we wnętrzu butelki z upływem czasu dąży do wyrównania.

Są jeszcze inne poboczne, niemniej obiecujące aspekty takiego modelu Wszechświata, w formie małego bąbelka widzianego z zewnątrz, a pozornie nieskończonej przestrzeni widzianej od środka. Otóż nasz pęcherzyk otoczony jest równomiernie ‘’piwem’’- ciemną materią z jej ogromnym oddziaływaniem ze wszystkich stron. Finalnie pole ciemnej materii się równoważy, niemniej jednak pęcherzyk jest w nim ‘’zatopiony’’. Wówczas tzw. ‘’upiorne oddziaływanie na odległość’’ Einsteina, czyli efekt splątania cząstek, przestaje być już takie ‘’upiorne’’, bo i odległości z takiej perspektywy nie są już tak wielkie.  Powstawanie i znikanie cząstek w próżni w takim małym bąbelku, też może przestać nas w tej sytuacji aż tak bardzo dziwić. Jeśli zaprezentowany model w jakimkolwiek stopniu odzwierciedla prawa fizyki w skali Wszechświata, a być może i większej, to myślę, że warto by było się nad tym pochylić. Analizując tempo rozszerzalności pęcherzyka w zależności od parametrów takich jak ciśnienie zewnętrzne, temperatura oraz gęstości substratów biorących udział w procesie, może będziemy w stanie wysnuć jakieś istotne wnioski dotyczące zachowania się odpowiedników tych substratów w skali Wszechświata. To jednak pozostawiam profesjonalistom od matematyki, astrofizyki i filozofii, posiadającym właściwe analityczne narzędzia.

Pół tysiąca lat temu, nasz świat był ‘’ograniczony’’ w naszej wyobraźni, do Układu Słonecznego z centralnie umiejscowioną Ziemią. Obecnie, mówimy o Wielkim Wybuchu i rozszerzającym się, nieskończonym Wszechświecie. Czy nie nadeszła ta chwila, w której powinniśmy zweryfikować nasze poglądy na temat przyjętego modelu Wszechświata, skoro coraz więcej obserwacji, zaczyna podważać jego poprawność? Może zmiana perspektywy, z której na to patrzymy, pomoże nam nabrać innego wyobrażenia o tym co tak naprawdę nas otacza.

Zbigniew Sieradzki

26.11.2024r.

Postscriptum

Nie ma znaczenia jak brzydki jest ten model Wszechświata. Nie ma znaczenia, że może jestem naiwny. Jeśli TO pozwala mi wyobrazić sobie coś, co jest niewyobrażalne, to jestem szczęśliwy.

A tak naprawdę już na zakończenie, proszę nie pytajcie mnie z czego została zrobiona butelka. Po prostu tego nie potrafię sobie wyobrazić…. jeszcze.

Wszystkie podobieństwa zawarte w tekście, do artykułu naukowego są przypadkowe, autor nie bierze na siebie odpowiedzialności za dalsze losy Wszechświata.

Z.S.

Bibliografia:

[1] Edward Dolnick ‘’Nowe życie’’
[2] https://public.websites.umich.edu/~youxue/publications/Zhang2008Elements.pdf “Fizzics” of Bubble Growth in Beer and Champagne Youxue Zhang* and Zhengjiu Xu*
Department of Geological Sciences, University of Michigan
[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Hubble’a-Lemaître’a