Na początku była biała kartka

Zacznijmy jednak od początku. Wielki Wybuch jest zwykle opisywany w fatalnie mylący sposób. Czasem jako faktyczny wybuch, eksplozja – co sprawia, że oczami wyobraźni widzimy kulę ognia, języki płomieni i fruwające we wszystkie strony szrapnele cząstek elementarnych. Czasem jako „punkt początkowy” – co sprawia, że zaczynamy sobie wyobrażać jakieś zwężające się do punktu baloniki. A to wszystko nie tak…

Zróbmy inaczej. Wyjdźmy od zmysłów. Nauka jest wszak przedsięwzięciem opartym na obserwacjach, na danych zmysłowych. Prawdziwie naukowy opis Wielkiego Wybuchu powinien więc nam mówić o tym, jakie generuje wrażenia zmysłowe, prawda? Czego więc doświadczyłby obserwator przeniesiony w bezpiecznym kombinezonie w pierwszą sekundę życia naszego Wszechświata?

Zapach Wielkiego Wybuchu

Zmysły węchu i smaku nie powiedziałyby nam nic, ponieważ nasze nabłonki węchowe i smakowe są zoptymalizowane raczej pod kątem rozróżniania subtelnych różnic między związkami organicznymi, a nie między rozpędzonymi do prędkości światła odmianami kwarków. Wielki Wybuch nie smakuje więc i nie pachnie.

Zmysł dotyku powiedziałby nam najprawdopodobniej – gdybyśmy heroicznym doprawdy aktem wyobraźni założyli, że ręka ludzka zanurzona w plazmie o temperaturze biliona stopni wciąż informuje nas o konsystencjach i kształtach – że wszystko wokół nas to jednorodna supergęsta zupa. Człowiek zanurzony w Wielkim Wybuchu czułby się mniej więcej tak, jak wetknięty w wyjątkowo lepkie, jednorodne bagno – unieruchomiony lub brodzący z wielkim trudem, bez możliwości wymacania lub złapania czegokolwiek.

Zmysł słuchu podawałby do naszej świadomości wyłącznie nieprzerwany, ogłuszający, jednolity szum. Z odgłosów naturalnych najbliższy mu byłby prawdopodobnie ów niemal fizycznie odczuwalny świst, którego doznajemy, gdy wystawimy ucho pod wyjątkowo silny wiatr. Z odgłosów nienaturalnych oczywistym kandydatem jest szum odbiornika telewizyjnego nienastawionego na żaden kanał.
Zmysł wzroku zostałby zalany potężnym, nieprzerwanym, idealnie śnieżnobiałym światłem, bez żadnej skazy i najmniejszego choćby dostrzegalnego gołym okiem śladu struktury.

Młody Wszechświat to niekończąca się przestrzeń, płodna pierwotną energią, ale wciąż niezrealizowana i bez treści. Pusta nie z braku materii, lecz formy. Jak idealna niezapisana kartka.
Świat tymczasem jest grafomanem i czysta kartka go kusi. Swędzi. Niemogący tworzyć Kosmos jest jak wielkie spętane zwierzę – stopniowo więc, uzyskując swobodę ruchu w miarę rozluźniania się dławiącej go siatki czasoprzestrzennej, zaczyna rozprężać się i sięgać po własny ogon. I tak, po trochu, stają się rzeczy i zdarzają się zjawiska.

Przyjrzyjmy się może metodologii tego kosmicznego samowzbudzania. Zapełnienie nieskończonej pustej przestrzeni tysiącem i jedną opowieścią dokonuje się bowiem w ściśle określonym porządku.

Pierwszy rozdział: skąd gwiazdy?

Każdemu bowiem, kto ma, będzie dodane, tak że nadmiar mieć będzie. Temu zaś, kto nie ma, zabiorą nawet to, co ma (Mt 25, 29).

Świat nie wybrzydza i pracuje z tym, co ma. Parę milionów lat po Punkcie Zero, kiedy gęstości materii spadły do warunków znanych już z dzisiejszego Kosmosu, gaz kosmiczny zaczął rozprężać się w miarę swobodnie, nieuwiązany już do kosmicznego pola promieniowania, jak wcześniej.

Występujące w nim niewielkie nawet niejednorodności gęstości zaczęły tymczasem narastać. Działa tu prosty mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego – im więcej materii, tym silniejsze lokalne pole grawitacyjne, a więc tym silniejsza tendencja, aby w tym miejscu gromadziło się jeszcze więcej materii.

Pierwszy krok na drodze od Chaosu do Kosmosu polegał zatem na pracowitym dogęszczaniu tych obszarów Wszechświata, których gęstość była trochę wyższa od otoczenia. W ten sposób powstały pierwsze protogalaktyki – amorficzne chmury gazu, których potrzeba setek, aby ulepić normalnej wielkości galaktykę jak Droga Mleczna, ale stanowiące niejako pierwszą próbę organizacji w skali galaktycznej.

W ramach tych skupień dochodziło do ponownego powtórzenia tej samej sztuki, tylko w mniejszej skali: lokalne chmurki gazu po przekroczeniu gęstości krytycznej są w stanie zapadać się, gromadząc tym samym jeszcze więcej materii. Gdyby nie pojawiła się żadna siła powstrzymująca, gęstość w centralnym punkcie takiego dośrodkowego wiru rosłaby w nieskończoność. Szczęśliwie w pewnym momencie zagęszczony i rozgrzany gaz kosmiczny zapala się, a powstały w ten sposób obiekt określamy jako gwiazdę.

Tym, co może wydawać się oczywiste, ale w rzeczywistości budzi olbrzymie zainteresowanie naukowców, jest zasadnicza niestabilność jednorodnego rozkładu gazu. W klasycznej fizyce zwykło się uważać, że nie ma układu bardziej stabilnego niż pudełko jednorodnie wypełnione gazem; że świat ma ogólną tendencję do degeneracji i z czasem każdy układ zdąża do tego, aby wszelkie formy porządku rozmyły się i nastąpiło idealne wymieszanie składników. Tendencja jest raczej taka, że skarpetki tworzące parę rozdzielają się z czasem, a nie spontanicznie odnajdują się na dnie szuflady i zwijają w gotową do użytku kulkę; farba raczej kruszy się, odłazi z płotu, spada na ziemię i jest zmywana do rzeki, a nie na odwrót: unoszące się w strumieniu cząsteczki barwnika skupiają się do postaci barwnej drobiny, która odparowuje z rzeki, jest porywana przez wiatr i osiada na płocie, nadając mu z czasem piękny jednolity kolor. Wszelkie formy niejednorodności miałyby być – mówi klasyczna termodynamika – tylko tymczasowym, z wielkim trudem podtrzymywanym krokiem pośrednim na drodze do Doskonałego Wymieszania.

Tu mamy sytuację odwrotną – oto pięknie wymieszany zbiornik z gazem sam z siebie dokonuje lokalnego skupiania się w obiekty o wyższej gęstości. Rzecz w tym, że ojcowie klasycznej termodynamiki nie myśleli o grawitacji, formułując fundamentalne prawa swojej dyscypliny. Od lat trwają próby powiązania nauki o grawitacji z termo- dynamiką; pierwszym odruchem naukowców było takie sformułowanie idei „porządku”, aby proces grawitacyjnego wyłaniania się protogalaktyk i gwiazd z jednorodnego pierwotnego gazu mimo wszystko dał się opisać jako przejście od porządku do nieporządku. Technicznie – aby takiej przemianie towarzyszył wzrost entropii. Matematycznie nie jest to trudne do zrobienia – matematyka w ogóle jest bardzo grzecznym i posłusznym sługą fizyki (natomiast kiedy próbuje być panem, zaczynają się problemy, ponieważ jest to istota obdarzona nieposkromioną fantazją – królestwo fizyki pod miłościwym panowaniem matematyki staje się więc państewkiem owszem pięknym, ale o zgoła bajkowym charakterze). Zagubiona zostaje jednak pewna fundamentalna intuicja. Do dziś większość kosmologów przyciśniętych do muru przyzna, że trudno jest użyć słów „entropia” i „Wszechświat” w jednym zdaniu, a Roger Penrose (choćby w „Cyklach czasu”) pisze otwarcie, że przekonujące pożenienie termodynamiki z kosmologią stanowi największą nierozwiązaną zagadkę współczesnej nauki.

Na razie jest tak, że świat wydaje się postępować na opak: tam, gdzie powinien – w zgodzie z klasycznymi zasadami fizyki – spocząć spokojnie i trwać w błogiej bezzjawiskowości, tam sam z siebie, niekarmiony żadną dodatkową energią, zaczyna wytwarzać coraz to nowe struktury. To jednak dopiero początek.

Rozdział drugi: skąd planety?

Nasz Wszechświat – taki, jakim go przedstawiliśmy na razie w tym tekście – nie ma w sobie jeszcze zbyt wiele treści. Ot, świecące kulki poutykane w wirujących chmurach gazu. Przyjrzyjmy się więc bliżej tym kulkom, w końcu jedna z nich dostarcza nam energii od paru miliardów lat.

Równolegle z zagęszczaniem się centralnego obszaru młodej gwiazdy wokół niej zaczyna się formować płaski dysk, zwany dyskiem akrecyjnym. Jest to pierwotna postać tego, co dziś określamy jako układ planetarny – zespół orbitujących wokół gwiazdy centralnej drobiazgów. Aby z płaskiego, gładkiego dysku gazowo-pyłowego powstało kilka osobnych planet i kilkadziesiąt pomniejszych planetek, świat znowu musi „zebrać się w sobie” i skłonić do aktywności twórczej. Bo przecież, zauważmy, mamy znów to samo. Względnie jednorodne medium: po prostu płaski jak talerz dysk gazu z wirującymi w nim, jak kryształki śniegu w zawiei, drobnymi ziarenkami pyłu i lodu. A teraz? Jowisz z plamami, Mars z wulkanami, Ziemia z… szkoda gadać, z czym. Dysk protoplanetarny – bo tak też się go określa – to więc wolna przestrzeń do zagospodarowania. Jak to się dzieje tym razem? Znów kluczowe będzie słowo „niestabilność”.

Istnieje całe zoo niestabilności występujących w dyskach protoplanetarnych. Ot, niestabilność magnetorotacyjna (wiem, zachęcająca nazwa). W skrócie idea jest następująca: zaczynamy od płaskiego dysku wirującego wokół punktu centralnego, który „przesiąknięty” jest do tego polem magnetycznym. Jest to mniej więcej to, czego można by się spodziewać po młodym dysku protoplanetarnym – Słońce od pierwszych chwil swojego życia jest źródłem względnie silnego pola magnetycznego przenikającego Układ Słoneczny. Przyjrzyjmy się teraz małemu fragmentowi wirującego sobie spokojnie dysku. Jego wewnętrzna część (od strony Słońca) porusza się nieco szybciej od zewnętrznej – z tego samego powodu, dla którego Merkury porusza się szybciej od Ziemi, a Ziemia od Plutona. Dysk dąży więc do tego, aby się „rozcierać” – gdy włożymy w sam środek miski z ciastem naleśnikowym kopystkę i zaczniemy nią intensywnie kręcić, będzie to wyglądało z góry właśnie jak dysk protoplanetarny. Z drugiej strony pole magnetyczne jest, jak to się ładnie mówi, „wmrożone” w gaz i do pewnego stopnia powoduje opór – za każdym razem, kiedy dwa elementy gazu odsuwają się od siebie na boki, pole magnetyczne działa jak łącząca je gumka i przy coraz większym odsunięciu działa coraz silniej. Jest to niestabilna sytuacja i z czasem w dysku powstają lokalne zawirowania – minitornada magnetyczne, w których linie pola zwijają się w spiralki, a gaz rozrzedza się.

Okazuje się, że tego typu mechanizm powstawania lokalnych wirów magnetycznych jest bardzo skuteczną metodą zagęszczania zawieszonego w gazie pyłu. Gdy patrzy się z mostu na przepływającą dołem rzekę, można zauważyć, że wszystkie liście, patyki i śmieci zbierają się we względnie spokojnych punktach nurtu – pomiędzy silnymi wirami. Gdy patrzy się na garnek z rosołem, widać, że szumowina zbiera się w „spokojnych” miejscach pomiędzy obszarami, w których bulgocze. Wiry w pewnym sensie odpychają unoszący się w wodzie drobiazg. Mogło być więc tak – chociaż nie musiało – że w spokojnych miejscach pomiędzy wirami magnetorotacyjnymi dochodziło do zbierania się pyłu protoplanetarnego, który zbijał się tam, scalał i ubijał, stanowiąc ostatecznie kluczowy krok na drodze od pyłków do planet.

Zanim spojrzymy na ten urywek astrofizyki planetarnej z odpowiedniej perspektywy, zapoznajmy się jeszcze z paroma przykładami. Przed filozoficznym deserem musimy solidnie pożywić się mięsem naukowego konkretu.

Rozdział trzeci: skąd góry i chmury?

Istnieje cała masa niestabilności zachodzących w skali planety. Największą ich grupą są tzw. niestabilności hydrodynamiczne, czyli występujące w płynach, przy czym cały dowcip polega na tym, że w zasadzie każdy materiał budujący naszą planetę: od powietrza i wody, przez lód i piasek, po najtwardsze na pozór skały, można traktować jako płyn. Czasem trzeba anielskiej cierpliwości, ale prędzej czy później wszystko „popłynie”. A do dyspozycji mamy przecież geologiczną skalę czasu…
Ot, przykład. Jednorodny zbiornik nieruchomego, podgrzewanego od spodu płynu zacznie w pewnym momencie – jeśli ów płyn jest odpowiednio „luźny” (mało lepki), a ogrzewanie wystarczająco intensywne – spontanicznie organizować się w wyrafinowane formy geometryczne, za pomocą których ciepło transportowane jest z dołu na górę. Tego typu wytrącenie ze stanu równowagi to właśnie prototypowa niestabilność. Choć opis ten może wydawać się bardzo abstrakcyjny, właśnie tak modeluje się ruchy ziemskiego płaszcza, wywołujące ostatecznie ów przedziwny taniec powierzchni Ziemi zwany tektoniką płyt. W jakim sensie płaszcz skalny Ziemi można porównać do garnka na płycie gazowej? Po pierwsze, jest on, bądź co bądź, podgrzewany od spodu przez jądro Ziemi, wciąż gubiące po trochu ciepło swoich ognistych początków, oraz przez izotopy promieniotwórcze rozproszone po skałach budujących naszą planetę. Po drugie, choć materiałem budującym masę skalną Ziemi są przede wszystkim całkiem swojskie skały krzemianowe, to w temperaturach powyżej tysiąca stopni i w skalach czasowych milionów lat skały te powolutku „podpływają”. Skutek? Cała skalna powłoka Ziemi w ślimaczym tempie „pełznie”, co na powierzchni daje o sobie znać trzęsieniami ziemi, zderzeniami kontynentów, rowami oceanicznymi itd. Zdarzeniem inicjującym ten taniec jest opisana przed chwilą niestabilność, zwana formalnie niestabilnością Bénarda.

Inny przykład. W sytuacji, gdy sąsiadują ze sobą zbiorniki płynu o różnych gęstościach, a ten lżejszy napiera na ów cięższy, może dojść do niestabilności Rayleigha-Taylora. Znów zbyt abstrakcyjne? No to wyobraźmy sobie, że tym lżejszym płynem jest cienka, płaska warstwa soli kamiennej, która utknęła między pokładami skalnymi, jak warstwa kremu między dwiema warstwami kruchego ciasta. Jako że sól jest lżejsza od, powiedzmy, piaskowca, z czasem zaczyna dochodzić do głosu nieubłagane parcie w górę – z tego samego powodu, dla którego bąbelek powietrza „chce” wypłynąć na powierzchnię wody, jednak w zupełnie innej skali czasowej. Powstają przy tym przeróżnego typu grzebienie, grzyby i kolumny solne, które w skali milionów lat potrafią „wybić” na powierzchni. Bochnia i Wieliczka są zlokalizowane właśnie przy tego typu tworach, wielkości wielu kilometrów, które po dziesiątkach milionów lat od pogrzebania są dziś tuż pod powierzchnią. Niewykluczone, że w podobny sposób doszło też do powstania pierwszych kontynentów. Wiemy, że tak właśnie powstaje wiele naturalnych struktur w formie palców, grzybków i innego typu wypustek.

Jeszcze parę losowych przykładów i już kończę. Jednorodny słup wody – np. taki, który wypływa z odkręconego kranu (albo moczowodu…), jest niestabilny: gdy pozwolić mu opadać swobodnie, po pokonaniu pewnej odległości zacznie się wić, pogrubiać i zwężać, a ostatecznie podzieli się na poszczególne krople. To niestabilność Plateau- -Rayleigha; znajduje zastosowanie w wyjaśnianiu zjawisk astronomicznych i atmosferycznych – wszędzie tam, gdzie jakiegoś typu strumień dzieli się na osobne kropelki. Dwie przesuwające się względem siebie warstwy płynu potrafią wzbudzać pomiędzy sobą regularne, spiralne fale – to niestabilność Kelvina-Helmholtza, obserwowana w ziemskiej atmosferze, w oceanach, ale też na powierzchni Jowisza. Jest to szczególnie skuteczna metoda generowania wielu małych, poskręcanych chmurek. Wiatr wiejący nad płaskim morzem piasku prędzej czy później wytworzy na nim zmarszczki, a potem wydmy. (Zjawisko to nie ma osobnej nazwy, ale mogłoby zostać nazwane niestabilnością Bagnolda, na cześć wielkiego badacza pustyń Ralpha Bagnolda).

Nic jest niestabilne

Nie jest oczywiście tak, że za każde zjawisko naturalne odpowiada pewnego typu niestabilność. Nie ma nic gorszego niż dobra obserwacja, którą z lenistwa intelektualnego próbuje się rozciągnąć do granic możliwości, tłumacząc nią wszystko. Można jednak pokusić się o innego typu uogólnienie: gdy tylko w przyrodzie pojawi się odpowiednio duży obszar jednorodności, dochodzi do jakiegoś typu niestabilności, która prowadzi z kolei do wyłaniania się drobnych form urozmaicających ten obszar. Kiedyś mówiło się, że Natura nie znosi próżni. Ja bym raczej powiedział, że nudy.

Co ciekawe, sformułowanie „obszar jednorodności” można rozciągnąć również na wymiar czasowy: zbyt długi okres nicnierobienia „lubi” być przerywany przez krótki zryw aktywności. Stąd epizodyczny charakter trzęsień ziemi i burz na Słońcu (a może wojen?). Okres pozornej ciszy jest w rzeczywistości stopniowym kumulowaniem się pewnego typu „ładunku”, który, początkowo rozproszony jednorodnie po całej objętości układu, w końcu zostaje „upuszczony” w postaci zlokalizowanej fali aktywności.

Cechą wspólną wszystkich opisywanych tu procesów jest spontaniczna samoorganizacja, prowadząca do nagłego wyłaniania się formy w nieuformowanej wcześniej materii. Często mówi się, że świat ma zdolność do samodzielnego wytwarzania form na podłożu pozornego chaosu – jest to jedno z wielkich odkryć XX wieku. „Zdolność” to jednak nie wszystko. Interesująca jest raczej nie sama abstrakcyjna hipotetyczna możliwość, co widoczna gołym okiem, żywa skłonność. Świat, zupełnie dosłownie, nie może ustać w miejscu. Nudzi się, jak grupka ludzi pozostawionych bez żadnego zajęcia w poczekalni u lekarza. Parę minut może i usiedzą. Po kwadransie zaczną się jednak rozmowy, a najpóźniej po godzinie wyłoni się komitet kolejkowy, który w końcu szturmem wedrze się do gabinetu, aby wyjaśnić przyczynę przedłużającego się oczekiwania.

John Cage, awangardowy kompozytor amerykański, zasłynął m.in. utworem o tytule „4’33’”. Jego wykonanie dokonuje się następująco: instrumentalista (może być to np. pianista, choć znane są wersje w różnym składzie) siada do instrumentu, po czym nie generuje żadnego dźwięku przez cztery minuty i trzydzieści trzy sekundy. Jest to więc kompozycja na ludzkie szepty, szelesty marynarek i stłumione kaszlnięcia. Bo ludzie – nawet wyrobieni melomani, którzy znają dowcip – nie usiedzą cicho.

Jak daleko można „pociągnąć” tego typu model? Cóż, istnieją we współczesnej spekulatywnej kosmologii modele „powstawania świata z próżni”. W praktyce owa fizyczna próżnia nie jest tak naprawdę prawdziwą metafizyczną pustką, lecz raczej dość bogatym ośrodkiem, któremu po prostu przydarzyło się być najprostszym możliwym stanem przestrzeni. Nie jest to nic, ale z pewnością nie występuje w nim też nic konkretnego – doskonały model pustej kartki papieru, która jest wszak papierem, tylko niezapisanym. Propozycja jest więc taka, iż pustota jest stanem niestabilnym.

Modelem takim bawił się kontynuator myśli Platona, filozof-mistyk Plotyn. Jego zdaniem świat jest efektem końcowym długiego procesu spontanicznego wyłaniania się kolejnych składowych świata z początkowej idealnej Jedni. Każde kolejne rozwinięcie tej Jedni było niesatysfakcjonujące; i procesu tego nie da się już dziś powstrzymać. Każda następna emanacja pierwotnej formy zawiera w sobie możliwość kolejnych form – tak jak liczba 1 domaga się liczby 2, a każda odpowiedź prowokuje do kolejnych pytań.

Tego typu rozumowanie wyjaśnia jednak tylko samo istnienie abstrakcyjnego drzewa możliwości, które rozgałęzia się w nieskończoność, żywiąc się stwórczym charakterem pierwotnej, autoreferencyjnej operacji logicznej. Aby ruszyła lawina bytu, do głosu musi jeszcze dojść wrodzone ADHD świata, które każe mu podążać za każdą z tych możliwości. Procesu tego nie da się zatrzymać. ©

Łukasz Lamża

Autor jest doktorem filozofii, nauczycielem akademickim, członkiem Centrum Kopernika i redaktorem działu naukowego „Tygodnika”.