Pomysłów na kształt wszechświata jest sporo. Być może przestrzeń jest walcem, może kulą, a może lejkiem. Pomijając jednak tę wyliczankę, co to właściwie znaczy, że przestrzeń ma jakiś kształt?
Kula ziemska nie ma granicy, ale jest skończona. Idąc cały czas w jednym kierunku po jakimś czasie (raczej długim) dochodzimy do punktu wyjścia. Nie ma ściany, nie ma przepaści czy końca ziemi. Ale z drugiej strony Ziemia ma jak najbardziej skończone rozmiary. Przecież można ją oglądać np. z powierzchni Księżyca. Z faktu, że coś nie ma granic wcale nie wynika, że jest nieskończone. Czy tak samo jest z wszechświatem? Na razie nie ma na to pytanie pewnej odpowiedzi.
Z badań mikrofalowego promieniowania tła wynika, że rzeczywiście przestrzeń jest skończona i zamknięta. Ale… Nie chodzi o to w jakim kształcie jest zamknięty wszechświat. Czy siedzimy w środku kuli, stożka czy walca, tylko w jaki kształt zaklęta jest przestrzeń. Wszystko co wokoło widzimy: planety, gwiazdy, galaktyki, to wszystko znajduje się na trójwymiarowej powierzchni jakiejś figury. Ale ta figura nie ma środka. Jest tylko powierzchnia, która ma pewien stopień krzywizny. Inny będzie dla kształtu stożkowatego, jeszcze inny będzie dla torusa. Ale wciąż mówimy o samej tylko powierzchni. Trudno to zrozumieć, bo mówiąc o powierzchni, wyobrażamy sobie przestrzeń, która ma dwa wymiary. A nasz świat jest (przynajmniej) trójwymiarowy. Jak to pogodzić? Chyba się nie da. Nasz mózg nie jest w stanie wyobrazić sobie trójwymiarowej przestrzeni wygiętej w jakikolwiek kształt. Ale gdybyśmy żyli w świecie dwuwymiarowym, nie bylibyśmy w stanie sobie wyobrazić figur przestrzennych. W takim dwuwymiarowym świecie naukowiec opowiadający np. o balonie, który nadmuchiwany „zyskuje” trzeci wymiar i staje się figurą przestrzenną, byłby tak samo niezrozumiany jak… kosmologowie, którzy próbują dociec jaki kształt ma nasza trójwymiarowa przestrzeń. W dwuwymiarowym świecie, balon nienadmuchany jest (w przybliżeniu) dwuwymiarowy. Jak to możliwe, że tą dwuwymiarową przestrzeń da się jakoś skrzywić – mogą się zastanawiać dwuwymiarowi ludzie. Dokładnie tak samo jak my, ludzie trójwymiarowi, zastanawiamy się nad skrzywieniem przestrzeni trójwymiarowej.
Dywagacje na temat kształtu (zakrzywienia) przestrzeni mogą się wydawać sporem abstrakcyjnym, akademickim i nikomu do niczego niepotrzebnym. Nic bardziej mylnego. Bez informacji o cechach przestrzeni, w której żyjemy nigdy nie zrozumiemy ani tego jak wszechświat powstał, ani tego jak funkcjonuje, ani tego jaki będzie jego koniec. Choć w najbliższej kosmicznej okolicy wydaje się, że przestrzeń jest płaska, to raczej takie samo złudzenie jak to, że płaska jest Ziemia. Na płaskiej powierzchni obowiązują jednak inne zasady niż na powierzchni zakrzywionej. Na płaszczyźnie suma wszystkich kątów w trójkącie wynosi 180°. Na powierzchni zakrzywionej już nie. Podobnie, na zakrzywionej powierzchni nie obowiązuje twierdzenie Pitagorasa, dwie linie proste i do siebie równoległe mogą się przeciąć, albo „rozjechać”, a dwa punkty może łączyć więcej prostych niż jedna (na płaskiej powierzchni łączy tylko jedna). Podobnie jest z zakrzywieniem przestrzeni trójwymiarowej. W zależności od stopnia tego zakrzywienia i „kierunku” (czy przestrzeń jest wklęsła czy wypukła) zasady, które są dla nas fundamentem współczesnej nauki, mogą wcale nie być aż tak fundamentalne.
W kosmologii niewiele rzeczy można zrozumieć uruchamiając ziemską intuicję.
Czy my w ogóle jesteśmy w stanie pojąć zakrzywienie trójwymiarowej przestrzeni? Czy możemy je w takim razie badać? Niektórzy potrafią w jakiś niewytłumaczalny sposób swoją intuicję wyłączyć czy zagłuszyć. Może oni mają szansę? I na sam koniec. Pomijając kwestie „twardej nauki”, poznanie kształtu przestrzeni może nam się opłacać. Na kartce papieru punkty A i B może łączyć tylko jedna linia prosta. Ale jeżeli tą samą kartkę zwinąć i zrobić z niej walec, punkty A i B może łączyć więcej niż jedna prosta. Z punktu A do punktu B być może da się przedostać jakoś na skróty, może zamiast po powierzchni walca, da się przelecieć przez jego środek? Kto wie, czy wiedza o zakrzywieniu przestrzeni nie pozwoli w dalekiej przyszłości na pokonywanie dużych odległości w krótkim czasie?
dr Tomasz Rożek
———————————
Jest doktorem fizyki, dziennikarzem naukowym tygodnika Gość Niedzielny i autorem książek popularno-naukowych. Prowadzi vbloga „Nauka. To lubię”.
dr Tomasz Rożek