Początek. Jim Baggott
pociąga za sobą również powstanie samego czasu. W konsekwencji „chwila zerowa” jest raczej słabo określona, a wszelkie odwoływanie się do czasu „po Wielkim Wybuchu” należy uważać za nieco niejednoznaczne.
Temperatura Wszechświata w jego najwcześniejszej fazie jest niemożliwa do wyliczenia (co więcej, pojęcie temperatury, jako wielkości fizycznej, traci w tym kontekście sens). Jednak Wszechświat rozszerza się i ochładza. Jego rozszerzanie zaczyna się, gdy jest on nieskończenie małym (i wymykającym się próbom precyzyjnego definiowania) punktem, lecz osiąga stan, w którym przynajmniej możemy spróbować objąć go naszym rozumem.
To era Plancka. Charakteryzowana jest przez miary odległości i czasu, które otrzymuje się dzięki powiązaniu ze sobą wybranych fundamentalnych stałych fizycznych, które to powiązanie po raz pierwszy zostało dostrzeżone przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka17. Powiązanie to reprezentuje miary, poniżej których nauka nie ma do powiedzenia nic sensownego. Teoretycznie nie może być odległości mniejszych od długości Plancka, czyli 1,6 × 10–35 metra. Nie można też mówić o krótszym przedziale czasu niż czas Plancka, 5 × 10–44 sekundy – tyle czasu potrzebuje światło, aby pokonać dystans wyznaczany długością Plancka.
Wszechświat rozszerza się i stygnie do temperatury około 1032 kelwinów. Aby zobaczyć to we właściwej perspektywie, przypomnę, że temperatura wnętrza Słońca sięga 16 milionów kelwinów, tak więc na wczesnym etapie rozwoju Wszechświat był około 6 bilionów bilionów razy gorętszy niż wnętrze Słońca.
To, co dzieje się potem, można porównać do przemiany fazowej. Kiedy zdejmę rondel z rozgrzaną parą wodną z palnika i odstawię na bok, jego temperatura zacznie maleć. W miarę stygnięcia para wodna będzie ulegać kondensacji, powstaną kropelki wody, które będą powoli ściekać po ściankach rondla na jego dno. Stan skupienia wody zmienia się z gazowego w ciekły, z czym wiąże się, jak już zauważyliśmy wcześniej, spontaniczne złamanie lub ograniczenie symetrii.
Podobnie, gdy niedawno powstały Wszechświat zbliża się do czcigodnego wieku 10–43 sekundy, pierwotna siła „ulega kondensacji”. Wyodrębnia się siła, którą później będziemy kojarzyć z oddziaływaniem grawitacyjnym, a także siła zunifikowanych oddziaływań elektro-jądrowych, łączących w sobie oddziaływania jądrowe silne i słabe, oraz elektromagnetyzm (rysunek 4).
Wszechświat rozpoczyna się na dobre.
ERA WIELKIEJ UNIFIKACJI: OD 10–43 SEKUNDY DO 10–35 SEKUNDY
Nie istnieje ogólnie akceptowana teoria, która opisywałaby siłę pierwotną. Podobnie nie ma też przyjętej teorii, która opisywałaby siłę, jaka powstałaby w wyniku zunifikowania sił oddziaływań jądrowych silnych i słabych oraz elektromagnetyzmu. Podejmowano wiele prób wyprowadzenia takich teorii, które określa się mianem „teorii wielkiej unifikacji” albo „teorii GUT”, jednak wszelkie wysiłki niezmiennie zderzają się z brakiem spójności z wynikami przeprowadzanych eksperymentów.
Warto zwrócić uwagę na to, że wspomniane eksperymenty nie mają na celu odtworzenia warunków panujących we wczesnym Wszechświecie w trakcie tak zwanej ery wielkiej unifikacji, potrzebne energie i temperatury bowiem wciąż pozostają poza zasięgiem jakiejkolwiek aparatury zbudowanej przez człowieka. Mimo to teorie GUT wykazują tendencję do odciskania piętna na cząstkach i siłach, jakie wyłoniły się po tym okresie, a które możemy dziś poddać obserwacji przy znacznie skromniejszych energiach i temperaturach. Do tej pory żadna teoria GUT nie przewiduje wyników doświadczalnych spójnych z tym, co udało nam się zaobserwować.
Co zawiera ten świeżo upieczony Wszechświat? Naprawdę trudno powiedzieć. Większość modeli kosmologicznych zakłada, że młody Wszechświat zachowuje się podobnie jak gorący, jednorodny gaz, nie wdając się w szczegóły dotyczące natury tego gazu. Jeśli są to jakiegoś rodzaju cząstki, bezpiecznie możemy przyjąć, że są one bezmasowe i wysokoenergetyczne, nie przypominają żadnych cząstek, jakie znamy dzisiaj.
Wszechświat wciąż się rozszerza i stygnie, osiągając temperaturę około 1027 kelwinów. Gdy na zegarze odliczającym czas od momentu Wielkiego Wybuchu pojawia się wskazanie 10–35 sekundy, natrafiamy na kolejną przemianę fazową. Kondensacja powoduje rozdzielenie oddziaływań jądrowych silnych i oddziaływań „elektrosłabych”.
Tym razem jednak przebiega to inaczej.
KOSMICZNA INFLACJA: OD 10–35 SEKUNDY DO 10–32 SEKUNDY
Kiedy lód w rondlu topnieje, symetria rośnie, a cząsteczki wody zostają uwolnione z więzienia krystalicznej sieci. Do zakończenia takiej przemiany fazowej wymagana jest znacząca ilość energii cieplnej. Ciepło potrzebne jest do uwolnienia cząsteczek wody z ich wiązań, lecz nie zmienia temperatury substancji podczas przemiany fazowej (która pozostaje stała i jest równa temperaturze krzepnięcia wody: 0ºC lub 273 kelwiny). O takiej przemianie fazowej mówimy, że jest endotermiczna – aby mogła zajść, konieczne jest dostarczenie energii cieplnej.
Odwrotnie, kiedy ciekła woda ulega krzepnięciu i zamienia się w lód, energia ta lub „ukryte ciepło” zostaje uwolniona, toteż taką przemianę nazywamy egzotermiczną – energia cieplna jest emitowana. Ciepło to uwalnia się w krótkotrwałym impulsie, który towarzyszy tworzeniu się lodu. Nie dostrzegamy tego, gdy zamrażamy kostki lodu w lodówce, ale efekt z łatwością można zmierzyć za pomocą kalorymetru.
W moim kuchennym eksperymencie pozwalam gorącej parze wodnej przejść etap kondensacji do stanu ciekłego, a dopiero później umieszczam rondel w zamrażarce, gdzie ciecz ulega dalszej kondensacji i zmienia się w lód. Mówimy o zwyczajnej zamrażarce, która na schłodzenie cieczy będzie potrzebować niemało czasu. Załóżmy jednak, że woda w rondlu jest ekstremalnie czysta, a wnętrze rondla – idealnie gładkie, co znacznie ogranicza liczbę możliwych punktów, w których może zajść krystalizacja. Jeśli teraz ochłodzę rondel w bardzo gwałtowny sposób, przekonam się, że można schłodzić ciecz do temperatury znacznie niższej od temperatury krzepnięcia, prawie do –50ºC (223 kelwiny), a wciąż nie powstanie ani jeden kryształek lodu. Efekt ten nazywamy przechłodzeniem.
W przechłodzonej wodzie ukryte ciepło nie jest uwalniane w sposób niezwłoczny. Pozostaje ukryte.
W 1979 roku młody amerykański badacz pracujący nad habilitacją, Alan Guth, oraz jego kolega, Henry Tye, próbowali rozwikłać niektóre z kosmologicznych zagadek dotyczących młodego Wszechświata. Zadali sobie pytanie, co takiego mogłoby się stać, gdyby Wszechświat, zamiast doświadczyć łagodnego przejścia fazowego pod koniec ery wielkiej unifikacji, uparcie trwał dalej w fazie związanej z wielką unifikacją, choć temperatury byłyby kilka rzędów niższe od temperatury przejścia fazowego.
Przechłodzenie stanowi rozwiązanie stawianego przez nich problemu. Jednak Guth zaczął badać efekty przechłodzenia w szerszym kontekście i odkrył znacznie więcej, niż początkowo planował. Zauważył mianowicie, że ukryte ciepło przechłodzonego Wszechświata przechowywane jest w próżni, w samej czasoprzestrzeni. Pamiętajcie, że energia próżni odgrywa mniej więcej taką samą rolę jak kosmologiczne wyrażenie Einsteina – wymusza na czasoprzestrzeni przyspieszanie tempa ekspansji. Wrzucenie ogromnej ilości energii do czasoprzestrzeni skutkuje niezwykle krótkotrwałym, wybuchowym przyrostem czasoprzestrzeni, który opisywany jest przez funkcję wykładniczą. W każdym ułamku sekundy równym 10–34 tej jednostki czasu następowało podwojenie rozmiarów Wszechświata. Setka następujących po sobie takich podwojeń mogła doprowadzić do zwiększenia jego rozmiarów o czynnik 1030.
„Nie pamiętam, abym kiedykolwiek zastanawiał się nad znalezieniem nazwy dla tego niezwykłego zjawiska wykładniczej ekspansji – pisał później Guth – ale z zapisów w moim osobistym dzienniku wynika, że pod koniec grudnia [1979] zacząłem używać określenia inflacja”18.