Artykuł Filozofia nauki Filozofia przyrody

Tim Maudlin: Czy kosmos jest dostrojony?

Pewne rzeczy dzieją się przez przypadek. Mark Twain urodził się w dniu pojawienia się na niebie komety Halleya w 1835 roku i zmarł, gdy ukazała się ona ponownie w 1910. Odczuwamy pokusę, by zatrzymać się przy takiej historii i zastanowić, czy w spiętym tak poetycką klamrą życiu kryje się jakiś głębszy sens. Ale większość z nas szybko porzuca takie rozważania.

Zapisz się do naszego newslettera

Z zado­wo­le­niem przy­po­mi­na­my sobie, że w zde­cy­do­wa­nej więk­szo­ści przy­pad­ków życie nie jest aż tak ści­śle powią­za­ne z rucha­mi ciał nie­bie­skich, po czym wra­ca­my do wła­snych spraw. Jed­nak nie­któ­re zbie­gi oko­licz­no­ści są bar­dziej nie­po­ko­ją­ce, szcze­gól­nie gdy nasu­wa­ją wnio­ski na temat więk­szych obsza­rów zja­wisk, lub nawet całe­go zna­ne­go nam wszech­świa­ta. W cią­gu ostat­nich kil­ku dekad fizy­ka odkry­ła pod­sta­wo­we wła­sno­ści kosmo­su, któ­re na pierw­szy rzut oka wyglą­da­ją na szczę­śli­we zbie­gi oko­licz­no­ści. Współ­cze­sne teo­rie suge­ru­ją, że naj­pow­szech­niej­sze ele­men­ty struk­tu­ry wszech­świa­ta – gwiaz­dy i pla­ne­ty, a tak­że zawie­ra­ją­ce je galak­ty­ki – są wytwo­rem pre­cy­zyj­nie dostro­jo­nych praw i warun­ków, któ­re wyda­ją się zbyt pięk­ne, żeby były praw­dzi­we. A co jeśli na nasze fun­da­men­tal­ne pyta­nia, na tra­pią­cą nas nocą roz­ter­kę, dla­cze­go tu jeste­śmy, moż­na jedy­nie wzru­szyć w despe­ra­cji ramio­na­mi i mruk­nąć: „Wyglą­da na to, że po pro­stu tak wyszło”?

Kosmiczne zbiegi okoliczności

Kon­tem­plo­wa­nie nie­praw­do­po­dob­nej natu­ry wła­snej egzy­sten­cji, śle­dze­nie wstecz związ­ków przy­czy­no­wych, by odkryć łań­cuch szczę­śli­wych zbie­gów oko­licz­no­ści, któ­re zapro­wa­dzi­ły cię przed ekran kom­pu­te­ra, tele­fo­nu, czy dowol­ne­go urzą­dze­nia, na któ­rym czy­tasz te sło­wa, może być nie­po­ko­ją­ce. Abyś w ogó­le zaist­niał, twoi rodzi­ce musie­li się spo­tkać, co już wyma­ga­ło spo­rej dozy przy­pad­ku i zbie­gów oko­licz­no­ści. Gdy­by two­ja mat­ka nie zde­cy­do­wa­ła się pójść na tam­te zaję­cia z ana­li­zy mate­ma­tycz­nej, albo gdy­by jej rodzi­ce zde­cy­do­wa­li się zamiesz­kać w innym mie­ście, to być może twoi rodzi­ce nigdy by się nie spo­tka­li. Ale to tyl­ko wierz­cho­łek góry lodo­wej. Nawet jeśli twoi rodzi­ce świa­do­mie zde­cy­do­wa­li się na dziec­ko, szan­sa, że połą­czył się ten kon­kret­ny plem­nik i ta kon­kret­na komór­ka jajo­wa, z któ­rych powsta­łeś, wyno­si jeden do kil­ku miliar­dów. To samo doty­czy zresz­tą oboj­ga two­ich rodzi­ców, któ­rzy musie­li już ist­nieć, abyś ty mógł zaist­nieć, więc przy dwóch poko­le­niach mamy już do czy­nie­nia z szan­są rzę­du jeden do 1027. Idąc dalej tym tro­pem, praw­do­po­do­bień­stwo two­je­go zaist­nie­nia, przy ogól­nym sta­nie wszech­świa­ta nawet kil­ka wie­ków temu, jest nie­mal nie­skoń­cze­nie małe. Ty, ja i każ­dy inny czło­wiek jeste­śmy rezul­ta­tem przy­pad­ku i powsta­li­śmy wbrew wszel­kie­mu praw­do­po­do­bień­stwu.

I tak jak two­je zaist­nie­nie wyda­je się z punk­tu widze­nia fizy­ki bar­dzo nie­praw­do­po­dob­ne, ist­nie­nie całe­go rodza­ju ludz­kie­go wyglą­da na czy­sty przy­pa­dek. W 1994 roku Ste­phen Jay Gould stwier­dził, że szcze­gó­ło­wy tok ewo­lu­cji jest rów­nie przy­pad­ko­wy jak dro­ga poje­dyn­cze­go plem­ni­ka do komór­ki jajo­wej. Pro­ce­sy ewo­lu­cyj­ne nie zmie­rza­ją ze swo­jej natu­ry do Homo sapiens, ani nawet do ssa­ków. Gdy­by cof­nąć czas i pozwo­lić histo­rii poto­czyć się jesz­cze raz, ale z choć­by drob­ną zmia­ną począt­ko­wą, jej bio­lo­gicz­ny wynik mógł­by być zupeł­nie inny. Na przy­kład gdy­by aste­ro­ida nie ude­rzy­ła w Juka­tan 66 milio­nów lat temu, być może dino­zau­ry wciąż cho­dzi­ły­by po naszej pla­ne­cie, a czło­wiek by nigdy nie wyewo­lu­ował.

Uzna­nie tak rady­kal­nej przy­god­no­ści ludz­ko­ści może być emo­cjo­nal­nie trud­ne. Szcze­gól­nie jeśli zosta­ło się kul­tu­ro­wo uwa­run­ko­wa­nym przez biblij­ną histo­rię stwo­rze­nia, któ­ra upa­tru­je w ludziach powo­du ist­nie­nia całe­go fizycz­ne­go wszech­świa­ta i namasz­czo­nych wład­ców jed­ne­go, cen­tral­ne­go, zapro­jek­to­wa­ne­go, zdat­ne­go do zamiesz­ka­nia obsza­ru. Miko­łaj Koper­nik oba­lił ten obraz w XVI wie­ku prze­su­wa­jąc Zie­mię w miej­sce nie­co odda­lo­ne od cen­trum i każ­de następ­ne nasze odkry­cie na temat kosmicz­nej geo­gra­fii to potwier­dza­ło – z punk­tu widze­nia kosmo­su Zie­mia nie odgry­wa żad­nej wyróż­nio­nej roli. Sam pomysł, że miliar­dy obser­wo­wal­nych galak­tyk, nie mówiąc o prze­stwo­rzach, któ­rych nie widzi­my, ist­nie­ją tyl­ko ze wzglę­du na nas, jest absur­dal­ny. Kosmo­lo­gia nauko­wa ode­sła­ła ten pogląd do lamu­sa.

Kosmos czyli ład

Dobrze nam idzie, praw­da? Wpraw­dzie na począt­ku trud­no to prze­łknąć, ale w koń­cu moż­na być spo­koj­nym wie­dząc, że jest się dzie­łem przy­pad­ku, podob­nie jak cała ludz­kość. Ale co z wszech­świa­tem? Czy może być kwe­stią przy­pad­ku to, że w ogó­le ist­nie­ją galak­ty­ki, albo że reak­cje jądro­we we wnę­trzach gwiazd pro­du­ku­ją z wodo­ru i helu che­micz­ne cegieł­ki życia? Zgod­nie z pew­ny­mi teo­ria­mi, pro­ce­sy sto­ją­ce za tymi zja­wi­ska­mi zale­żą od pre­cy­zyj­nie ska­li­bro­wa­nych warun­ków począt­ko­wych lub mało praw­do­po­dob­nych zbie­gów oko­licz­no­ści zwią­za­nych ze sta­ły­mi przy­ro­dy. Wpraw­dzie zawsze moż­na uznać je za dzie­ło szczę­śli­we­go tra­fu, ale wie­lu kosmo­lo­gów uwa­ża­ło takie roz­wią­za­nie za nie­sa­tys­fak­cjo­nu­ją­ce i pró­bo­wa­ło zna­leźć fizycz­ne mecha­ni­zmy mogą­ce wytwo­rzyć życie przy sze­ro­kim zakre­sie róż­nych oko­licz­no­ści.

Gdy Edwin Hub­ble odkrył w latach 20. XX wie­ku, że wszyst­kie obser­wo­wal­ne galak­ty­ki odda­la­ją się od sie­bie, kosmo­lo­dzy przy­ję­li pew­ną ogól­ną teo­rię doty­czą­cą histo­rii obser­wo­wal­ne­go wszech­świa­ta. Zgod­nie z nią wszech­świat miał począ­tek w nie­wy­obra­żal­nie gęstym i gorą­cym sta­nie. Przed rokiem 1980 stan­dar­do­we mode­le Wiel­kie­go Wybu­chu zakła­da­ły jed­no­staj­ne roz­sze­rza­nie się i sty­gnię­cie wszech­świa­ta od począt­ku cza­su aż do dziś. Mode­le te były udo­sko­na­la­ne przez takie dobie­ra­nie warun­ków począt­ko­wych, by odpo­wia­da­ły one danym obser­wa­cyj­nym. Zaczę­to się jed­nak zasta­na­wiać, jak dokład­ne i wyjąt­ko­we muszą być te warun­ki.

Na przy­kład mode­le Wiel­kie­go Wybu­chu przy­pi­su­ją począt­ko­we­mu sta­no­wi kosmo­su gęstość ener­gii – ilość ener­gii na cen­ty­metr sze­ścien­ny – oraz począt­ko­we tem­po roz­sze­rza­nia się prze­strze­ni. Póź­niej­sza ewo­lu­cja wszech­świa­ta jest bar­dzo wraż­li­wa na zmia­ny rela­cji począt­ko­wej gęsto­ści ener­gii i tem­pa eks­pan­sji. Jeśli upa­ku­je­my ener­gię zbyt gęsto, wszech­świat w koń­cu zapad­nie się i nastą­pi Wiel­ki Kolaps; jeśli zbyt rzad­ko, będzie się roz­sze­rzał w nie­skoń­czo­ność, a mate­ria będzie się roz­rze­dzać tak szyb­ko, że gwiaz­dy i galak­ty­ki nie będą mogły się ufor­mo­wać. Mię­dzy tymi dwo­ma skraj­no­ścia­mi leży wyso­ce spe­cja­li­stycz­na histo­ria, zgod­nie z któ­rą wszech­świat nigdy się nie zapad­nie, a tem­po eks­pan­sji w koń­cu wyha­mu­je do zera. W żar­go­nie kosmo­lo­gów ta spe­cjal­na sytu­acja nazy­wa­na jest W = 1. Obser­wa­cje kosmo­lo­gicz­ne ujaw­nia­ją, że war­tość W dla obser­wo­wal­ne­go wszech­świa­ta na chwi­lę obec­ną jest bli­ska 1. Jest to odkry­cie zaska­ku­ją­ce samo w sobie, a trze­ba jesz­cze dodać, że począt­ko­we mode­le Wiel­kie­go Wybu­chu mówi­ły, iż W = 1 sta­no­wi nie­sta­bil­ny punkt rów­no­wa­gi, taki jak ide­al­nie zba­lan­so­wa­na kul­ka leżą­ca na szczy­cie kopu­ły. Jeśli kul­ka znaj­du­je się dokład­nie na szczy­cie, to tam pozo­sta­nie, ale jeśli drgnie choć odro­bi­nę, zacznie się gwał­tow­nie sta­czać i stra­ci ten wyróż­nio­ny stan.

Jest to przy­kład kosmo­lo­gicz­ne­go dostro­je­nia. Aby moż­na było ze stan­dar­do­we­go mode­lu Wiel­kie­go Wybu­chu uzy­skać wszech­świat choć odro­bi­nę podob­ny do nasze­go, ten począt­ko­wy waru­nek musiał być ide­al­nie dopa­so­wa­ny od same­go począt­ku. Nie­któ­rzy kosmo­lo­dzy mają opo­ry wobec takie­go poglą­du. Mogło być szczę­śli­wym tra­fem, że powstał Układ Sło­necz­ny, a na Zie­mi wyewo­lu­owa­ło życie, ale trud­no im przy­jąć, iż powsta­nie całe­go obser­wo­wal­ne­go wszech­świa­ta w sta­nie tak bli­skim kry­tycz­nej gęsto­ści ener­gii wyma­ga­nej do powsta­nia jakich­kol­wiek struk­tur kosmicz­nych było kwe­stią przy­pad­ku.

Porządek od narodzin wszechświata

A nie jest to jedy­ny dostro­jo­ny waru­nek począt­ko­wy wyma­ga­ny przez ory­gi­nal­ny model Wiel­kie­go Wybu­chu. Jeśli wyce­lu­je się radio­te­le­skop w dowol­ny punkt na nie­bie, zaob­ser­wo­wać moż­na kosmicz­ne pro­mie­nio­wa­nie tła, tak zwa­ną „poświa­tę po Wiel­kim Wybu­chu”. Jego nie­ty­po­wą cechą jest dość jed­no­rod­na tem­pe­ra­tu­ra, nie­za­leż­nie od tego, gdzie się ją mie­rzy. Moż­na podej­rze­wać, że ta jed­no­rod­ność wyni­ka ze wspól­nej histo­rii tych obsza­rów i że musia­ły one powstać z tego same­go źró­dła. Ale zgod­nie ze stan­dar­do­wy­mi mode­la­mi Wiel­kie­go Wybu­chu tak nie było. Pro­mie­nio­wa­nie pro­wa­dzi do kom­plet­nie oddzie­lo­nych od sie­bie czę­ści pier­wot­ne­go sta­nu wszech­świa­ta. Jed­no­rod­ność tem­pe­ra­tu­ry musia­ła już więc ist­nieć w tym pier­wot­nym sta­nie Wiel­kie­go Wybu­chu i mimo że jest to z pew­no­ścią moż­li­we, wie­lu kosmo­lo­gom wyda­je się wyso­ce nie­praw­do­po­dob­ne.

W 1980 roku ame­ry­kań­ski kosmo­log Alan Guth zapro­po­no­wał inny sce­na­riusz, któ­ry łago­dził wymóg spe­cjal­nych warun­ków począt­ko­wych wyja­śnia­ją­cych jed­no­rod­ność pro­mie­nio­wa­nia tła i gęstość ener­gii obser­wo­wal­ne­go obec­nie wszech­świa­ta. Guth nazwał swo­ją teo­rię „infla­cją”, ponie­waż postu­lo­wa­ła krót­ki okres wykład­ni­cze­go roz­sze­rza­nia się wszech­świa­ta nie­dłu­go po Wiel­kim Wybu­chu. Ten ogrom­ny roz­rost zarów­no „spłasz­czył­by” wszech­świat, bar­dzo zbli­ża­jąc W do 1, nie­za­leż­nie od jej poprzed­niej war­to­ści, jak i zapew­nił­by wspól­ną histo­rię dla obsza­rów, z któ­rych pocho­dzi całe obser­wo­wal­ne pro­mie­nio­wa­nie tła.

Na pierw­szy rzut oka sce­na­riusz z infla­cją wyda­je się roz­wią­zy­wać pro­blem dostro­je­nia: zmie­nia­jąc histo­rię o ewo­lu­cji wszech­świa­ta spra­wia­my, że jego stan obec­ny sta­je się mniej wraż­li­wy na zmien­ność pre­cy­zyj­nych warun­ków począt­ko­wych. Ale wciąż mamy powo­dy do zmar­twie­nia, ponie­waż nie może­my prze­cież wpro­wa­dzić infla­cji mocą naszych poboż­nych życzeń; musi­my zapro­po­no­wać fizycz­ny mecha­nizm, któ­ry za nią stoi. Pierw­sze pró­by były inspi­ro­wa­ne uświa­do­mie­niem sobie, że pew­ne typy pól – w szcze­gól­no­ści hipo­te­tycz­ne pole Hig­g­sa – pro­du­ko­wa­ły­by infla­cję w natu­ral­ny spo­sób. Ale dokład­niej­sze obli­cze­nia poka­za­ły, że infla­cja wytwa­rza­na przez pole Hig­g­sa nie dopro­wa­dzi­ła­by do powsta­nia zna­ne­go nam dziś wszech­świa­ta. Kosmo­lo­dzy prze­cię­li więc węzeł gor­dyj­ski: zamiast poszu­ki­wać źró­deł infla­cji w polu wpro­wa­dzo­nym z jakichś innych powo­dów, przy­ję­li jako postu­lat ist­nie­nie nowe­go pola – „pola infla­cji” – posia­da­ją­ce­go dokład­ne cha­rak­te­ry­sty­ki wyma­ga­ne do wywo­ła­nia odpo­wied­nie­go zja­wi­ska.

Nie­ste­ty zja­wi­sko, któ­re chce­my wyja­śnić, to nie tyl­ko obec­na gęstość ener­gii i pro­mie­nio­wa­nie tła, ale też for­mo­wa­nie i two­rze­nie grup galak­tyk i gwiazd, co wyma­ga dość szcze­gól­nej for­my infla­cji. Ta „spo­wol­nio­na” infla­cja nakła­da bar­dzo ści­słe ogra­ni­cze­nia na postać pola infla­cji. Są one tak wyma­ga­ją­ce, że nie­któ­rzy kosmo­lo­dzy oba­wia­ją się, iż jed­na postać dostro­je­nia (dokład­ne warun­ki począt­ko­we pier­wot­nej teo­rii Wiel­kie­go Wybu­chu) zosta­ła zamie­nio­na na inną (pre­cy­zyj­ne szcze­gó­ły pola infla­cji). Ale sce­na­riusz infla­cji tak dobrze zbie­ga się ze szcze­gó­ła­mi fluk­tu­acji tem­pe­ra­tu­ry pro­mie­nio­wa­nia tła, że epo­ka infla­cji sta­ła się powszech­nie uzna­ną czę­ścią teo­rii Wiel­kie­go Wybu­chu. Wyglą­da więc na to, że pomi­mo nie­zna­jo­mo­ści jej pre­cy­zyj­ne­go mecha­ni­zmu, jest ona sta­łą czę­ścią teo­rii.

Skąd ta harmonia?

W tym miej­scu koń­czy się nasza wie­dza i poja­wia głę­bo­ka, nie­pew­ność, czy mamy w ogó­le pro­blem z naszy­mi obec­ny­mi wyja­śnie­nia­mi wszech­świa­ta. Jeśli nie zna­my pocho­dze­nia pola infla­cji, to jak mamy oce­nić, czy jest ono jakoś „nie­ty­po­we” albo „dostro­jo­ne”, a nie „zupeł­nie nie­za­ska­ku­ją­ce”? Jak widzie­li­śmy, same zja­wi­ska nie posia­da­ją pla­kie­tek z taki­mi okre­śle­nia­mi. To, co jest jedy­nie kwe­stią przy­pad­ku w jed­nej teo­rii fizycz­nej, w innej sta­je się typo­wym zja­wi­skiem, a tam, gdzie sama fizy­ka jest nie­pew­na, oce­ny „praw­do­po­do­bień­stwa” lub „nie­praw­do­po­do­bień­stwa” jakie­goś zja­wi­ska rów­nież są nie­pew­ne. Pro­blem tyl­ko się powięk­szy, gdy weź­mie­my pod uwa­gę pew­ne „sta­łe przy­ro­dy”.

Tak jak cała histo­ria i kształt obser­wo­wal­ne­go wszech­świa­ta zale­żą od spe­cjal­nych warun­ków począt­ko­wych w pier­wot­nym mode­lu Wiel­kie­go Wybu­chu, tak wie­le spo­śród naj­ogól­niej­szych jego cech jest wyraź­nie uza­leż­nio­nych od dokład­nych war­to­ści róż­nych „sta­łych przy­ro­dy”. Wśród nich są takie wiel­ko­ści jak masy czą­stek ele­men­tar­nych (kwar­ków, elek­tro­nów, neu­trin itp.) czy para­me­try fizycz­ne, jak na przy­kład sta­ła struk­tu­ry sub­tel­nej, któ­ra odzwier­cie­dla względ­ną siłę róż­nych oddzia­ły­wań. Nie­któ­rzy fizy­cy twier­dzą, że gdy­by war­to­ści tych „sta­łych” zmie­nić choć odro­bi­nę, pod­sta­wo­we ele­men­ty struk­tu­ry wszech­świa­ta znacz­nie by się zmie­ni­ły. Na przy­kład pro­ton jest nie­co lżej­szy od neu­tro­nu, ponie­waż kwark dol­ny jest odro­bi­nę cięż­szy od gór­ne­go, a jako że pro­ton jest lżej­szy od neu­tro­nu, nie może się roz­paść na neu­tron i pozy­tron. W rze­czy samej, pomi­mo inten­syw­nych eks­pe­ry­men­tal­nych wysił­ków, roz­pad pro­to­nu nie został nigdy zaob­ser­wo­wa­ny. Ale gdy­by był odpo­wied­nio cięż­szy od neu­tro­nu, był­by nie­sta­bil­ny, co rady­kal­nie zmie­ni­ło­by całą zna­ną nam che­mię.

Podob­nie argu­men­to­wa­no, że gdy­by sta­ła struk­tu­ry sub­tel­nej, któ­ra cha­rak­te­ry­zu­je siłę oddzia­ły­wań elek­tro­ma­gne­tycz­nych, zmie­ni­ła war­tość o 4 pro­cent, to węgiel nie mógł­by być pro­duk­tem fuzji jądro­wej we wnę­trzach gwiazd. A bez wystar­cza­ją­cych zaso­bów węgla, życie na nim opar­te nie mogło­by powstać. Jest to kolej­ny powód, dla któ­re­go życie, jakie zna­my, może się oka­zać rady­kal­nie przy­god­ne. Gdy­by sta­łe przy­ro­dy mia­ły mini­mal­nie inne war­to­ści, nie było­by nas tutaj.

Naturalistyczne wyjaśnienia dostrojenia?

Jed­nak do szcze­gó­łów tego typu obli­czeń trze­ba podejść z rezer­wą. Mogło­by się wyda­wać, że pyta­nie o kon­se­kwen­cje mani­pu­lo­wa­nia „sta­ły­mi” przy­ro­dy jest zwy­kłym mate­ma­tycz­nym zagad­nie­niem, pomyśl­my jed­nak o ogrom­nym inte­lek­tu­al­nym wysił­ku, któ­ry trze­ba było wło­żyć w wymy­śle­nie fizycz­nych kon­se­kwen­cji rze­czy­wi­stych war­to­ści tych sta­łych. Nikt nie mógł­by usiąść i dro­bia­zgo­wo wypra­co­wać zupeł­nie nowej fizy­ki w week­end. Ale nawet jeśli przyj­mie­my głów­ny wnio­sek, że wła­sno­ści wie­lu spo­śród naj­pow­szech­niej­szych struk­tur we wszech­świe­cie oraz bar­dziej zło­żo­nych fizycz­nych struk­tur, pozwa­la­ją­cych na ist­nie­nie orga­ni­zmów żywych, zale­żą od war­to­ści tych sta­łych – to co z tego wyni­ka?

Nie­któ­rzy fizy­cy po pro­stu sądzą, że ist­nie­nie gwiazd, pla­net i życia nie powin­no wyma­gać tak wie­le „szczę­ścia”. Pre­fe­ro­wa­li­by teo­rię fizycz­ną, w któ­rej powsta­wa­nie takich struk­tur jest typo­wym i powszech­nym zja­wi­skiem, a nie zakład­ni­kiem szczę­śli­we­go rzu­tu kosmicz­ny­mi kość­mi, któ­ry decy­du­je o war­to­ściach sta­łych przy­ro­dy. Oczy­wi­ście meta­fo­ra rzu­tu kosmicz­ny­mi kość­mi nie jest zbyt for­tun­na: jeśli „sta­ła przy­ro­dy” napraw­dę posia­da usta­lo­ną war­tość, to nie jest efek­tem żad­ne­go pro­ce­su loso­we­go. Nie jest więc jasne, co by w tym kon­tek­ście mia­ło ozna­czać, że pew­ne war­to­ści, któ­re uzy­ska­li­śmy, były „nie­praw­do­po­dob­ne” lub „nie­ocze­ki­wa­ne”.

Jeśli jed­nak sądzi­my, że ist­nie­nie zaso­bów węgla we wszech­świe­cie nie powin­no wyma­gać, by war­to­ści sta­łych przy­ro­dy były spe­cjal­ne i dalej nie­wy­tłu­ma­czal­ne, to jakie inne wyja­śnie­nia nam pozo­sta­ją? Widzie­li­śmy, jaki wpływ mia­ła zmia­na pod­sta­wo­wej dyna­mi­ki Wiel­kie­go Wybu­chu na zmniej­sze­nie wraż­li­wo­ści pew­nych zja­wisk na warun­ki począt­ko­we, przez co nabra­ły one raczej typo­we­go niż wyjąt­ko­we­go cha­rak­te­ru. Czy jest jakaś fizy­ka, któ­ra mogła­by dostar­czyć podob­ne­go wyja­śnie­nia dla samych war­to­ści „sta­łych przy­ro­dy”?

Jeden ze spo­so­bów na odpar­cie zarzu­tu, że jakiś wynik jest nie­praw­do­po­dob­ny, to zwięk­sze­nie licz­by oka­zji, przy któ­rych ten wynik może się poja­wić. Szan­sa, że kon­kret­ny plem­nik znaj­dzie komór­kę jajo­wą jest mała, ale zwięk­sze­nie licz­by plem­ni­ków prze­bi­ja to niskie indy­wi­du­al­ne praw­do­po­do­bień­stwo, dzię­ki cze­mu regu­lar­nie pro­du­ko­wa­ne jest potom­stwo. Szan­sa, że mał­pa napi­sze Ham­le­ta ude­rza­jąc loso­wo w kla­wi­sze maszy­ny do pisa­nia jest zni­ko­ma, ale gdy­by­śmy mie­li wystar­cza­ją­co dużo małp i maszyn, hipo­te­tycz­ne praw­do­po­do­bień­stwo uzy­ska­nia maszy­no­pi­su tej sztu­ki zbli­ży­ło­by się do 100 pro­cent. Podob­nie, nawet jeśli war­to­ści „sta­łych przy­ro­dy” muszą się zmie­ścić w wąskim prze­dzia­le, któ­ry umoż­li­wi powsta­nie węgla, to przy odpo­wied­nio ­dużej licz­bie loso­wań przy­naj­mniej jeden wynik może dać te spe­cjal­ne war­to­ści. Ale jak może być wie­le „wyni­ków loso­wa­nia” ­war­to­ści sta­łych przy­ro­dy, sko­ro mówi się, że są one wiel­ko­ścia­mi sta­ły­mi?

Inflacja i superstruny

Teo­ria strun pod­su­wa tu pew­ną moż­li­wość. Zgod­nie z nią, cza­so­prze­strzeń posia­da wię­cej wymia­rów niż nam się wyda­je na pierw­szy rzut oka, i te dodat­ko­we wymia­ry powy­żej czwar­te­go są „uzwar­co­ne” i zwi­nię­te w ska­li mikro­sko­po­wej, two­rząc prze­strzeń Cala­bie­go-Yau. Moż­na poka­zać, że „sta­łe przy­ro­dy” są uza­leż­nio­ne od dokład­nej for­my uzwar­ce­nia. Ist­nie­ją set­ki tysię­cy, a poten­cjal­nie nie­skoń­cze­nie wie­le, róż­nych moż­li­wych prze­strze­ni Cala­bie­go-Yau, a więc rów­nież odpo­wied­nio wie­le spo­so­bów uzy­ska­nia „sta­łych przy­ro­dy”. Jeśli ist­nie­je mecha­nizm pozwa­la­ją­cy na zre­ali­zo­wa­nie wszyst­kich tych moż­li­wo­ści, to jest moż­li­we, że przy­naj­mniej jed­na z nich będzie odpo­wia­da­ła obser­wo­wa­nym przez nas war­to­ściom.

Jed­na z teo­rii infla­cji, zwa­na wiecz­ną infla­cją, dostar­cza mecha­ni­zmu pro­wa­dzą­ce­go do wszyst­kich moż­li­wych prze­strze­ni. W tej teo­rii, pier­wot­nie przed­sta­wio­nej przez kosmo­lo­gów Andre­ia Lin­de­go ze Stan­for­du i Ale­xan­dra Vilen­ki­na z Tufts, wszech­świat jest o wie­le, wie­le więk­szy i bar­dziej egzo­tycz­ny niż ten, któ­ry obser­wu­je­my i któ­re­go jeste­śmy świa­do­mi. Więk­sza jego część jest w cią­głym sta­nie wykład­ni­czej infla­cji, podob­nej do tej z fazy infla­cji w nowym mode­lu Wiel­kie­go Wybu­chu. W tym cią­gle roz­sze­rza­ją­cym się rejo­nie loso­wo powsta­ją „bąble” powo­li roz­sze­rza­ją­cej się cza­so­prze­strze­ni. W każ­dej z nich poja­wia się inne uzwar­ce­nie Cala­bie­go-Yau, a wraz z nią róż­ne „sta­łe przy­ro­dy”. Tak jak z mał­pa­mi i maszy­na­mi do pisa­nia, jest pew­ne, że w koń­cu powsta­nie ide­al­na kom­bi­na­cja, tak więc nie powin­no zaska­ki­wać, że ist­nie­ją wszech­świa­ty przy­ja­zne życiu, takie jak nasz, i że isto­ty żywe, takie jak my, będą zamiesz­ki­wa­ły jeden z nich.

Lot na spadającym głazie

Ist­nie­je jesz­cze jed­na moż­li­wość unik­nię­cia dostro­je­nia, któ­rą war­to roz­wa­żyć, nawet jeśli nie ma jesz­cze kon­kret­nej teo­rii fizycz­nej, któ­ra by ją wspie­ra­ła. W tym sce­na­riu­szu dyna­mi­ka wszech­świa­ta nie „celu­je” w żaden kon­kret­ny wynik ani też wszech­świat nie spraw­dza loso­wo wszyst­kich moż­li­wo­ści, a mimo to powsta­ją świa­ty wyglą­da­ją­ce, jak­by wiel­ko­ści fizycz­ne zosta­ły w nich zestro­jo­ne ze sobą. Tego typu pro­ce­sy fizycz­ne noszą nazwę home­osta­zy.

Oto pro­sty przy­kład. Kie­dy duży obiekt spa­da w atmos­fe­rze, począt­ko­wo przy­spie­sza ze wzglę­du na siłę gra­wi­ta­cji. Gdy jego pręd­kość się zwięk­sza, zwięk­sza się też opór powie­trza, któ­ry prze­ciw­dzia­ła gra­wi­ta­cji. W koń­cu obiekt osią­ga pręd­kość koń­co­wą, gdzie siła opo­ru jest rów­na sile gra­wi­ta­cji, więc przy­spie­sze­nie spa­da do zera, a pręd­kość obiek­tu przyj­mu­je sta­łą war­tość.

Załóż­my, że na tym spa­da­ją­cym obiek­cie, ale już po tym, jak osią­gnął koń­co­wą pręd­kość, wyewo­lu­owa­ły inte­li­gent­ne isto­ty. Roz­wi­ja­ją teo­rię gra­wi­ta­cji, na pod­sta­wie któ­rej mogą wyli­czyć ogól­ną siłę gra­wi­ta­cji na swo­im spa­da­ją­cym domu. Te obli­cze­nia wyma­ga­ły­by stwier­dze­nia dokład­ne­go skła­du obiek­tu w całej jego obję­to­ści, by moż­na było okre­ślić jego masę. Roz­wi­ja­ją rów­nież teo­rię opo­ru. Wiel­kość opo­ru wywo­ła­ne­go przez powierzch­nię obiek­tu była­by funk­cją jego dokład­ne­go kształ­tu: im gład­sza powierzch­nia, tym mniej­szy opór. Sko­ro obiekt spa­da ze sta­łą pręd­ko­ścią, to z fizy­ki tych istot wyni­ka­ła­by „sta­ła przy­ro­dy” wią­żą­ca kształ­ty obiek­tów z siła­mi. Aby obli­czyć cał­ko­wi­ty opór, isto­ty te musia­ły­by pre­cy­zyj­nie odwzo­ro­wać kształt powierzch­ni i zasto­so­wać swo­ją „sta­łą przy­ro­dy”.

Po skoń­cze­niu tych trud­nych zadań, odkry­ły­by one nie­sa­mo­wi­tą „zbież­ność”: siła gra­wi­ta­cji, któ­ra jest funk­cją obję­to­ści i skła­du obiek­tu, nie­mal dokład­nie zga­dza się z cał­ko­wi­tym opo­rem, któ­ry jest funk­cją kształ­tu powierzch­ni! Wyda­wa­ło­by się, że jest to przy­kład nie­sa­mo­wi­te­go dostro­je­nia: dane wyko­rzy­sta­ne w jed­nych obli­cze­niach nie mia­ły­by nic wspól­ne­go z dany­mi wyko­rzy­sta­ny­mi w dru­gich, a mimo to wyni­ki by się pokry­wa­ły. Gdy­by zmie­nić skład obiek­tu bez zmia­ny kształ­tu jego powierzch­ni, albo zmie­nić powierzch­nię bez zmia­ny skła­du, obie war­to­ści prze­sta­ły­by być (nie­mal) rów­ne.

Ale ta „magicz­na zbież­ność” nie była­by wca­le przy­pad­ko­wa. Pro­ble­mem było­by to, że nasze isto­ty trak­to­wa­ły­by pręd­kość spa­da­ją­ce­go obiek­tu jako „sta­łą przy­ro­dy” – w koń­cu była sta­ła odkąd ist­nia­ły – mimo że tak napraw­dę jest ona zmien­na. Gdy obiekt zaczął spa­dać, siła gra­wi­ta­cji nie rów­no­wa­ży­ła opo­ru, więc przy­spie­szał, zwięk­sza­jąc pręd­kość, a zara­zem opór, dopó­ki siły te się nie zrów­na­ły. Podob­nie może­my wyobra­zić sobie odkry­cie, że pew­ne war­to­ści uzna­wa­ne przez nas za sta­łe nie są zmien­ny­mi pomię­dzy róż­ny­mi bąbla­mi, ale wewnątrz bąbli. Przy odpo­wied­nich prze­ciw­staw­nych siłach mogły one osią­gnąć natu­ral­nie stan rów­no­wa­gi i wyglą­dać póź­niej na sta­łe. A w tym sta­nie róż­ne nie­za­leż­ne zmien­ne mogły się póź­niej „dostro­ić” do sie­bie.

Od zrozumienia do rozwiązania

Pro­blem kosmicz­ne­go dostro­je­nia nigdy nie został jasno przed­sta­wio­ny. Po pierw­sze nie wia­do­mo, kie­dy zasad­na jest skar­ga, że teo­ria fizycz­na trak­tu­je jakieś zja­wi­sko jako wyso­ce przy­god­ne „dzie­ło przy­pad­ku”. Tam, gdzie jest ona uza­sad­nio­na, kosmo­lo­dzy mają kil­ka róż­nych spo­so­bów unik­nię­cia pro­ble­mu. Teo­ria Wiel­kie­go Wybu­chu z infla­cją poka­zu­je, jak zmia­na w dyna­mi­ce może prze­kształ­cić deli­kat­ną zależ­ność od warun­ków począt­ko­wych w moc­ną nie­za­leż­ność. Sce­na­riusz bąbel­ko­we­go wszech­świa­ta przed­sta­wia, jak moż­na obejść niskie indy­wi­du­al­ne praw­do­po­do­bień­stwa przez zwięk­sze­nie licz­by loso­wań. Home­osta­za zaś dostar­cza mecha­ni­zmu dla natu­ral­nej ewo­lu­cji zmien­nych wiel­ko­ści w spe­cjal­ne nie­zmie­nia­ją­ce się wiel­ko­ści, któ­re moż­na omył­ko­wo wziąć za sta­łe przy­ro­dy.

Jed­nak nasze współ­cze­sne rozu­mie­nie kosmo­lo­gii rze­czy­wi­ście degra­du­je wie­le fak­tów o cen­tral­nym zna­cze­niu dla ludzi – w szcze­gól­no­ści fakt ist­nie­nia nasze­go gatun­ku – do zwy­kłe­go kosmicz­ne­go przy­pad­ku i żad­na z metod prze­zwy­cię­że­nia dostro­je­nia nie pozwa­la unik­nąć tego wnio­sku. Być może osta­tecz­nie musi­my pogo­dzić się z tym, że jeste­śmy tyl­ko kolej­nym przy­pad­kiem w przy­pad­ko­wym wszech­świe­cie.

Prze­ło­ży­ła Elż­bie­ta Droz­dow­ska

The Cali­bra­ted Cosmos, “Aeon”, 12 listo­pa­da 2013. Prze­kład za zgo­dą Auto­ra.


Tekst jest dostęp­ny na licen­cji: Uzna­nie autor­stwa-Na tych samych warun­kach 3.0 Pol­ska.

Ilu­stra­cja: Peter Apian, Cosmo­gra­phia, Antwer­pia 1539

Najnowszy numer można nabyć od 30 października w salonikach prasowych wielu sieci. Szczegóły zob. tutaj.

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2020 można zamówić > tutaj.

Aby dobrowolnie WESPRZEĆ naszą inicjatywę dowolną kwotą, kliknij „tutaj”.

Dołącz do Załogi F! Pomóż nam tworzyć jedyne w Polsce czasopismo popularyzujące filozofię. Na temat obszarów współpracy można przeczytać tutaj.

55 podróży filozoficznych okładka

Wesprzyj „Filozofuj!” finansowo

Jeśli chcesz wesprzeć tę inicjatywę dowolną kwotą (1 zł, 2 zł lub inną), przejdź do zakładki „WSPARCIE” na naszej stronie, klikając poniższy link. Klik: Chcę wesprzeć „Filozofuj!”

Polecamy