Przyszłość wszechświata

Przed około czterema tysiącami lat egipscy astronomowie dokonywali pierwszych, znanych nam dzisiaj, prognoz dotyczących pór roku, a w konsekwencji - wylewów Nilu. Około roku 700 przed Chr. Babilończycy potrafili już przewidywać zaćmienia Księżyca i Słońca. Dzisiaj w astronomii przewiduje się przyszłe orbity planet, zaciemnienia gwiazd podwójnych, odpływy i przypływy, precesję osi Ziemi, orbity sond i wiele innych. Codziennie zdajemy się na naukowe prognozy dotyczące funkcjonowania maszyn, niezawodności konstrukcji betonowych czy też zmęczenia materiału nośnego samolotów. Prognozy przyszłych zdarzeń są jedynie twierdzeniami; ich słuszności nie da się sprawdzić, można je zweryfikować dopiero, gdy nastąpi samo zdarzenie.

W astrofizyce nie zawsze możemy na to czekać. Spośród wielu możliwych prognoz musimy wybrać tę, która najlepiej sprawdzała się w przeszłości. Podobnie jak wyjaśnienia przeszłych zdarzeń, naukowe przewidywania są modelami, opartymi na znanych faktach i doświadczeniach. Nie muszą one być ani całkowicie niezawodne, ani absolutnie prawdziwe. Prawdę powiedziawszy, nie zaskakuje nas fakt, że literatura naukowa dotycząca przyszłości Wszechświata jest bardzo skromna. Jeśli już zajmuje się najodleglejszymi zakątkami w morzu możliwości, jest tak samo spekulatywna jak teorie początku.

Nie istnieją prognozy bez określonych założeń. W najprostszej prognozie pogody zakłada się persystencję: jest tak, jak jest. A to założenie w przypadku pogody zazwyczaj bywa prawdziwe przez kilka godzin, czasem przez jeden czy dwa dni, rzadko przez dłuższy czas. Lepszą prognozę otrzymamy, jeśli będziemy zakładać nie to, że dany stan się utrzyma, lecz że obowiązują pewne reguły, które powodują określone stany. Znamy prawa przyrody, określające fronty atmosferyczne, kształtowanie się chmur, obfitość opadów śniegu i deszczu.

Na podstawie wyników obserwacji aktualnego stanu pogody superkomputery mogą z wyprzedzeniem obliczyć jej rozwój. W rezultacie powstają najlepsze prognozy, których pewność czasem jednak nieco zawodzi. Równania atmosfery ziemskiej są w wysokim stopniu nieliniowe, wobec czego, jak wyjaśniłem w poprzednim rozdziale, długoterminowe prognozy nie są możliwe. Niemniej jednak na podstawie zasad zachowania, zwłaszcza zasady zachowania energii, da się określić pewne wartości graniczne, które nie zostaną przekroczone. Tak na przykład przy obecnym promieniowaniu słonecznym nie można ogrzać żadnego punktu na powierzchni Ziemi do temperatury wyższej niż 100°C. Ten wynik modelowych obliczeń zgadza się z wynikami obserwacji istot żywych, które w ciągu minionych trzech miliardów pięciuset tysięcy lat stały się skamielinami. Z wyjątkiem prostych bakterii termofilnych żadna z form życiowych nie przetrwała wyższej temperatury. Nawet zasady zachowania nie są absolutnymi pewnikami - wyprowadzono je wszak z ograniczonych doświadczeń - i jest wielce prawdopodobne, że nie znamy wszystkich czynników, które określają przyszłość. Dla naszych prognoz będziemy musieli trzymać się zasad zachowania jako „żelaznych ram"; rozwój, choć w nich się mieści, ma - po części — charakter otwarty.

Słońce i Ziemia przeminą

To, jak długo jeszcze będzie świeciło Słońce, można przewidzieć z prawdopodobieństwem większym niż pogodę na najbliższy miesiąc. Słońce początkowo zawierało 1,3 • 1027 ton wodoru. Przy syntezie każdych czterech jąder atomowych w jądro helu jedna setna ich masy była uwalniana jako energia. Prosty rachunek wykazuje, że te zasoby energetyczne przy obecnej jasności wystarczą na osiemdziesiąt jeden miliardów lat. Słońce, choć powstało przed zaledwie czterema miliardami sześciuset milionami lat, już się zmieniło.

Dotychczas wodór łączył się w najbardziej wewnętrznej części Słońca, w jądrze. Zużycie nawet niewielkiego procentu wodoru, a to właśnie dzieje się dzisiaj na Słońcu, zmienia budowę gwiazdy. Wzbogacone o hel jądro staje się gęstsze i gorętsze. Oba te czynniki przyspieszają syntezę jądrową i powodują zwiększoną produkcję ciepła. Rosną powierzchnia gwiazdy i jej jasność, a czas życia się skraca. Zużywszy dziesięć procent wodoru, Słońce przyspieszy swój rozwój - dlatego zapasy energii wyczerpią się w czasie krótszym niż wspomniane osiemdziesiąt jeden miliardów lat. Starzejąca się gwiazda będzie tak duża, że jej powierzchnia ostygnie i stanie się czerwona. Przejdzie ona w dobrze znaną fazę czerwonego olbrzyma i w imponującym finale spali większą część swoich zapasów energii w krótkim czasie.
Równania modelowe zgadzają się z obserwacjami sąsiednich, podobnych do Słońca gwiazd, które są w wieku Słońca i w podobnym lub nieco mniej zaawansowanym stadium rozwoju.

Na stronach 19-20 przedstawiłem również inną możliwość sprawdzenia prognoz dotyczących gromad gwiazd, w których wszystkie ciała są mniej więcej w tym samym wieku. Różnica mas powoduje zróżnicowanie poziomu ich rozwoju. Ciekawym przykładem jest gromada kulista gwiazd 47 Tucanae, licząca mniej więcej dziesięć miliardów lat, w której wszystkie gwiazdy o masie nieco większej niż masa Słońca są już czerwonymi olbrzymami, a masywniejsze gwiazdy już dawno stały się białymi karłami, gwiazdami neutronowymi albo czarnymi dziurami.

Od czasu powstania Słońca jego jasność zwiększyła się o czterdzieści procent. Za pięć i pół miliarda lat będzie ona dwukrotnie większa niż dziś. Po kolejnych trzystu tysiącach lat jądro skurczy się, synteza wodoru będzie się odbywała w warstwie, która je otacza, a powierzchnia stanie się czerwona. Po upływie dalszego miliarda lat jasność zwiększy się tysiąckrotnie.

Jądro Słońca, gdy to stanie się czerwonym olbrzymem, będzie zupełnie inne niż dzisiaj. Gęstość materii Słońca wyniesie około dziesięć kilogramów na centymetr sześcienny. Z tego powodu gaz elektronowy ulegnie degeneracji i będzie tak dobrze przewodził ciepło, że temperatura w całym jądrze ujednolici się. Gdy jądro skurczy się bardziej, a temperatura przekroczy sto milionów stopni, jądra atomów helu połączą się w jądra węgla i tlenu.

Z powodu jednolitości temperatury reakcja rozpocznie się niemal jednocześnie w całym jądrze i będzie trwała kilka stuleci. Ten tak zwany błysk helowy nastąpi tylko w jądrze. Minie trzydzieści milionów lat, zanim wytwarzane tam ciepło widocznie zmieni powierzchnię. Wówczas Słońce po raz ostatni rozszerzy się - jego średnica będzie stukrotnie większa od dzisiejszej, a jasność dwa tysiące razy mocniejsza. W tej fazie ukształtuje się być może mgławica planetarna, której najbardziej zewnętrzna warstwa zostanie odrzucona i będzie ekspandować jako niebiesko-czerwona świetlista powłoka w przestrzeni międzygwiazdowej. Będzie ona przez trzydzieści tysięcy lat wspaniałym widowiskiem dla ewentualnych widzów w całej Drodze Mlecznej.

Następnie Słońce wypełni przestrzeń mniej więcej do orbity Wenus. Merkury i Wenus odparują w jego gorącym gazie. Na Ziemi Słońce będzie przykrywało za dnia jedną trzecią nieba i sprowadzi żar, który wypali wszystko. Wszystkie oceany wyparują, ich para oraz powietrze ulotnią się - na skutek gorąca - w przestrzeń kosmiczną. Temperatura powierzchni wzrośnie do około 1500°C, tak że nawet skały staną się częściowo płynne. Nie będzie już życia na Ziemi, nie przetrwają ani bakterie termofilne, ani wirusy. Wymazane zostaną wszystkie ślady życia.

Do tego czasu gorąco będzie również w zewnętrznym Układzie Słonecznym. Nawet w pobliżu Plutona promieniowanie Słońca będzie nieco większe niż to, które dziś dociera do Ziemi. Pancerz metanowy i lodowy Plutona stopnieje i być może kolonia naszych potomków założy tam nową cywilizację. Nie zapominajmy jednak, że rodzaj Homo silnie rozwinął się fizycznie i umysłowo w ciągu zaledwie ostatniego miliona lat. Nasz gatunek, Homo sapiens, ukształtował się dopiero przed około dwustoma tysiącami lat. Kolonizatorzy za sześć miliardów osiemset milionów lat mogą różnić się od nas tak bardzo, że prawie nie będą rozpoznawani jako osobniki naszego gatunku - ewolucja ludzkości powinna następować w tempie równym jednej tysięcznej dotychczasowej prędkości.

Po upływie kolejnych kilkudziesięciu milionów lat Słońce definitywnie się skurczy. Jego powierzchnia - z powodu kontrakcji - stanie się gorąca i biała. Będzie to biały karzeł o średnicy mniej więcej równej średnicy Ziemi, jego gęstość wyniesie tonę na centymetr sześcienny. Jednak jasność Słońca będzie wówczas dziesięć tysięcy razy mniejsza niż dziś, tak że w Układzie Słonecznym zapanuje lodowaty chłód. Ziemia ochłodzi się do temperatury przestrzeni kosmicznej: -270°C. Nie będzie już żadnych planet, które mogłyby stanowić schronienie dla życia, chyba że przyszłe istoty żywe zbudują je sarnę w pobliżu Słońca. Dopiero za sto bilionów (10¹⁴) lat Słońce ochłodzi się całkowicie. Nie będzie ono wówczas już kulą gazową, jak dzisiaj, lecz zestalonym, podobnym do kryształu materiałem, kulą wielkości Ziemi z gazową atmosferą o grubości kilku metrów. Ludzie nie mogliby tam żyć, gdyż siła ciężkości przekraczałaby sto tysięcy razy wartość grawitacji ziemskiej i przygniatałaby ich do podłoża.

Wszechświat się zmienia

Czy Wszechświat będzie w ogóle istniał za sto bilionów lat, a więc po okresie dziesięć tysięcy razy dłuższym niż jego obecny wiek? Zgodnie z dzisiejszym stanem wiedzy, dotyczącej zjawisk przyrodniczych o charakterze kauzalnym, owo przyszłe istnienie zależy od tego, czy ekspansja kosmiczna będzie postępowała, czy też masa całego Wszechświata okaże się wystarczająca, by zahamować ten ruch i doprowadzić do jego zapadnięcia. Jak już wspomniałem na stronach 81nn, odpowiedź na to pytanie jest jeszcze kwestią sporną. Z jednej strony gęstość gwiazd i obłoków gazowych - samoświecąca, widzialna materia — jest prawie stukrotnie za mała, aby wstrzymać ekspansję. Masa galaktyk, która jest potrzebna, aby wyjaśnić prędkość obiegu odległych kulistych gromad gwiazd i galaktyk satelitarnych wokół ich galaktyk macierzystych, i która zawiera także masę niewidzialną, jest wciąż jeszcze dziesięciokrotnie za mała. Liczby te nie zmieniły się istotnie od ponad trzydziestu lat.

Z drugiej strony - model inflacji wczesnego Wszechświata przewidywał wielokrotnie większą masę. Wraz z odkryciem przyspieszenia kosmicznej ekspansji w roku 1999 różnica ta została wyjaśniona i przyszłość Wszechświata stała się nieco jaśniejsza. Większość teoretyków przypuszcza, że energia próżni oddziałuje podobnie jak ciśnienie, a geometria przestrzeni nadyma się jak balon. Ekspansja Wszechświata będzie więc postępowała dalej, bez końca - i będzie coraz szybsza.

Ta „ciemna energia", jak się ją często nazywa, wynosi, jak już wspomniałem, około trzy czwarte dodatniej energii Wszechświata - jest więc bliska wartości, jakiej wymaga teoria inflacji. Ciemna energia pełni tu również rolę masy. W przeciwieństwie jednak do masy widzialnej i niewidzialnej, nie ma ona udziału w tworzeniu galaktyk i powstawaniu gwiazd. Przypuszczenia dotyczące tych trzech składników i ich udziału w całkowitej masie Wszechświata zgadzają się z modelowymi obliczeniami rozwoju wczesnego Wszechświata.

Przyszłość kosmicznej ekspansji jest jeszcze na tyle niejasna, że teorie zapadającego się Wszechświata będą nas nadal prześladowały. Milion lat przed „Wielkim Krachem" („Big Crunch"), jak się to - niezwykle obrazowo - określa, kosmiczne promieniowanie musiałoby być tak intensywne, że całe życie spłonęłoby jak w kuchence mikrofalowej. Można sobie wyobrazić, że Wszechświat w końcu znów zanurzy się i zniknie w próżni, z której być może powstał. Nie różniłaby się ona niczym od pierwotnej próżni, jaka istniała przed powstaniem Wszechświata. Równolegle ciągle jeszcze funkcjonuje model okresowo pulsującego Wszechświata, który po zapaści znów będzie ekspandował. Dla teorii tych nie ma jednak żadnych uzasadnień fizycznych ani astronomicznych - toteż mają one charakter wysoce spekulatywny. Możemy sobie natomiast wyobrazić, że z próżni ponownie powstanie kiedyś spontanicznie Wszechświat.

Pozostajemy przy najlepiej potwierdzonym przez obserwacje założeniu, że Wszechświat będzie się rozszerzał w sposób nieograniczony. W założeniu tym przyjmuje się, że grawitacja ma tendencję do porządkowania Wszechświata w układy, czyli w galaktyki, gwiazdy czy czarne dziury. W naszej galaktyce, Drodze Mlecznej, istnieje dostatecznie dużo wodoru, by kształtowanie się gwiazd mogło następować jeszcze przez kilkadziesiąt bilionów (10¹³) lat. Nawet gwiazdy o masie mniejszej niż masa Słońca, których czas życia jest nadzwyczaj długi, nim minie 10M lat, zapadną się i staną się białymi karłami. To, jak długo będą jeszcze powstawały nowe gwiazdy, zależy od natury materii niewidocznej. Wypowiedzi na ten temat są jeszcze nieprecyzyjne. Wydaje się jednak przekonujące, że zapas wodoru zostanie kiedyś wyczerpany i powstawanie nowych gwiazd będzie niemożliwe.

Orbita Słońca jest chaotyczna i w gąszczu setek miliardów innych gwiazd nie można jej określić dla odległej przyszłości. Krążąc wokół galaktycznego centrum, Słońce spotyka się z innymi gwiazdami. Kiedyś minimalna odległość od sąsiadów będzie tak niewielka, że w orbitach planet nastąpią wyraźne zakłócenia. Jeśli dwie gwiazdy zbliżą się do siebie na odległość równą promieniowi orbity którejś z planet, może się zdarzyć, że planeta ta uwolni się od gwiazdy macierzystej i przejdzie do innej lub przepadnie w przestrzeni międzygwiazdowej. Przeciętny czas możliwego zbliżenia się Ziemi do innej gwiazdy w taki sposób, żeby mogła ona uwolnić się od Słońca i przepaść w przestrzeni kosmicznej, wynosi 10¹⁵ lat.

Po stu takich spotkaniach z pewnością wszystkie planety danej gwiazdy zostaną wybite ze swych orbit. W takim przypadku - gdy minie 10¹⁷ lat, osamotniona Ziemia krążyć będzie w Drodze Mlecznej, dopóki nie otrzyma na tyle silnego dodatkowego pędu, że zostanie wyrzucona z galaktyki. Mniej prawdopodobne i rzadsze są takie spotkania, które mogą nawet odchylić Słońce od jego toru. Przy bardzo bliskich spotkaniach Słońce mogłoby osiągnąć tak dużą prędkość, że również zostałoby wyrzucone z Drogi Mlecznej. O wiele bardziej prawdopodobne jest jednak to, że straciłoby ono energię i opadało w kierunku centrum galaktycznego.

Wzajemne oddziaływanie, będące skutkiem licznych bliskich spotkań, zmniejsza galaktyczną energię i sprawia, że dysk Drogi Mlecznej zapada się. Ten sam efekt towarzyszy parowaniu cieczy: najszybsze cząsteczki opuszczają powierzchnię i ciecz, w której pozostały cząsteczki wolniejsze, ochładza się. Ten proces obserwuje się również w kulistych gromadach gwiazd i jest on dobrze znany. Za 10¹⁹ lat zjawisko to będzie tak zaawansowane, że większość gwiazd i planet - w tej liczbie także Słońce i Ziemia - albo zanurzy się bezpowrotnie w centralnej czarnej dziurze Drogi Mlecznej, albo będzie błądziła jako „wyparowane" pojedyncze gwiazdy w przestrzeni międzygwiezdnej.

Materia jąder atomów jest niestabilna, co widać w dłuższej perspektywie czasowej: według - niepotwierdzonej - teorii unifikacji oddziaływań cząstek elementarnych, która leży u podstaw kosmicznej inflacji, protony rozpadną się po czasie połowicznego zaniku (około 10³³ lat). Protony przypominają wirujące piłki, złożone z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego oraz z kwantów pola, gluonów, które je wiążą.

Z powodu swojej kwantowej natury składniki mogą przekształcić się na krótki czas w inne cząstki elementarne. Jeśli ich energia przekracza energię protonu, muszą się one ponownie połączyć - w bardzo krótkim lecz nieznanym czasie. Zasada zachowania energii działa przy tym jak surowy kontroler rachunkowy, który wciąż dba o to, by obliczenia końcowe się zgadzały. Jeśli suma masy tych składników jest mniejsza, rozpad może być ostateczny. Dzięki nadmiernej energii nowe cząstki poruszają się względem siebie. W przypadku protonów kwarki przekształcają się - zgodnie ze wspomnianą teorią - co około 10³³ lat w jedną TT° cząstkę (neutralny pion) i pozyton (antycząstkę elektronu).

Cząstki TT° rozpadają się w ułamku sekundy na dwa wysokoenergetyczne fotony lub jeden foton, elektron i pozyton. Cały proces rozpadu w zasadzie jest odwracalny, jednak z biegiem czasu prawdopodobieństwo, że nowo powstałe cząstki odnajdą się i znów połączą, maleje. Tym bardziej prawdopodobniene staje się to, że upływ czasu jest nieodwracalny, co wyjaśniał Ludwig Boltzmann w drugiej głównej zasadzie termodynamiki. Z igraszki kipienia chaotycznej próżni wyłania się groźna powaga. Bez protonów również neutrony, a przez to jądra atomów są niestabilne. Wraz z protonem rozpadną się wszystkie podwaliny naszego makrokosmosu. Po upływie czasu mniej więcej dwustukrotnie przekraczającego czas połowicznego zaniku, być może za 1035 lat, rozpadnie się ostatni nukleon.

Materia Wszechświata będzie wówczas istniała jako rzadki gaz, złożony z fotonów i leptonów - przede wszystkim elektronów, pozytonów i neutrin - który będzie owiewał szkielet supermasywnych czarnych dziur*. Być może również czarne dziury są niestabilne i wypromieniowują całą zawartą w ich masie energię, aż zanikną zupełnie. Hipotezę taką zaproponował w 1974 roku Hawking: cząstki - przede wszystkim fotony - mogą „przejść przez tunel" pod krawędzią czarnej dziury, gdyż ich położenie jest nieoznaczone. Zjawisko to jest na tyle powolne, że zanim duża czarna dziura, której masa równa jest masie galaktyki, zostanie całkowicie wypromieniowana, minie 10¹⁰⁰ lat.

Wszelkie twierdzenia, dotyczące dalekiej przyszłości Wszechświata - przy założeniu, że obowiązywać wciąż będą prawa przyrody, jakie znamy dzisiaj - z pewnością są spekulatywne. Nie znamy jeszcze wystarczająco dobrze Wszechświata i fizycznych zasad zachowania, dlatego choć możemy przewidywać jego przyszłość, wybiegać w nią o kilkadziesiąt miliardów lat - nie są to precyzjne oceny. Pewność mamy tylko co do przyszłości naszego Słońca. Jego rozwój wydaje się jednak znamienny dla całego Wszechświata.

Gdy gwiazda ta wejdzie w fazę końcowej utraty energii, Układ Słoneczny drastycznie się zmieni, a Ziemia nie będzie już zdatna do zamieszkania (w dzisiejszym tego słowa znaczeniu) przez żadną ze znanych nam form życia - najpierw będzie zbyt gorąca, później zbyt zimna. Bez wątpienia rozwój Wszechświata postępuje. Czy życie, a w szczególności ta jego forma, jaką jest gatunek ludzki, mogłoby dostosować się do przyszłego rozwoju? Być może ludzkość jest jednym z wielu rozdziałów w rozwoju Wszechświata, które mają swój koniec.

Powyższy fragment pochodzi z książki:

Benz Arnold
PRZYSZŁOŚĆ WSZECHŚWIATA
Przypadek, chaos, Bóg?
Wyd. Święty Wojciech
Poznań 2009
Tłum.: Bianka Pawelczyk

O książce:
Wydaje się więc, że w naukach przyrodniczych brak jakiegokolwiek uzasadnienia dla nadziei. Jednak to w tych właśnie prognozach autor dostrzega grunt dla koniecznego – i fascynującego – dialogu między naukami przyrodniczymi i religią. Historia kosmosu jest dla niego metaforycznym obrazem przyszłego rozwoju każdej jednostki i całego świata.