Kiedy stajemy na plaży i nic nam nie przysłania widoku, ogarniamy wzrokiem horyzont oddalony o niecałe pięć kilometrów. Ciężko byłoby wnioskować o tym, jaka jest topologia morza, gdyby nasze morskie podróże ograniczały się do postawienia w wodzie dosłownie kilku kroków. A dokładnie z takim wyzwaniem borykamy się, starając się określić kształt wszechświata, w którym żyjemy.
Stoimy więc na plaży i zerkamy w górę na rozgwieżdżone nocne niebo. Widzialny horyzont kosmosu z Ziemi znajduje się niepomiernie dalej, niż kiedy patrzymy w morze. Możemy dostrzec galaktyki oddalone o miliony, a nawet miliardy lat świetlnych. Pierwsze wrażenie odnosimy takie, że wszechświat musi być nieskończony, zarówno w przestrzeni, jak i czasie. Jak jednak zauważył niemiecki astronom Heinrich Olbers w roku 1823, gdyby tak było, to zdołalibyśmy ujrzeć gwiazdy, patrząc w dowolnym kierunku, a więc nieboskłon powinien być rozświetlony litym ich dywanem. Ponieważ tak nie jest, paradoks Olbersa zdaje się świadczyć o tym, że wszechświat, przynajmniej w pewnych aspektach, gdzieś się mimo wszystko kończy.
Ponad sto lat później, w 1929 roku, amerykański astronom Edwin Hubble dokonuje obserwacyjnego odkrycia ucieczki galaktyk na podstawie przesunięcia dobiegającego z nich światła ku czerwieni. Widzialne układy gwiazd w większości się od nas oddalają, i to w każdą ze stron, a im są dalej, tym szybciej się poruszają. Stąd już tylko krok od dominującego obecnie poglądu na początek wszechświata w postaci Wielkiego Wybuchu. Jak coś wybucha, to odłamki lecą we wszystkich możliwych kierunkach, a środek zostaje pusty. Nazwa Wielki Wybuch jest o tyle myląca, że może sugerować, jakoby kosmos przyjmował kształt powiększającej się sfery materii w obrębie wielkiej, pustej przestrzeni – hipoteza dotyczy zaś „eksplozji” samej przestrzeni jako takiej. Solidny argument za tą teorią znaleziono przypadkowo w 1965 roku. Dwaj fizycy z laboratoriów Bella, Arno Penzias oraz Robert Wilson, testowali nowy typ bardzo czułej anteny. Mimo podejmowanych wysiłków antena ciągle odbierała szum, ze wszystkich stron nieba, dniami i nocami. Dzisiaj ów szum nazywamy mikrofalowym promieniowaniem tła i teoretycznie przewiduje się, że stanowi on relikt po Wielkim Wybuchu.
Początkowa ekspansja przestrzeni rozpoczęła się według wyliczeń 13,8 miliardów lat temu. Niezależnie od dostępnych technologii i teleskopów obserwowalny wszechświat jest dla nas ograniczony tym czasem, jaki miało światło, by dotrzeć z najodleglejszych galaktyk do Ziemi. Wspomnianego procesu nie doświadczamy lokalnie, w Układzie Słonecznym czy naszej galaktyce, Drodze Mlecznej, przypuszczalnie ze względu na oddziaływania grawitacyjne tych skupisk materii. Natomiast w ujęciu makro przestrzeń kosmosu dalej nieustannie się rozrasta. Dotychczasowe obserwacje nie wykazały żadnego obszaru, który można by określić jako centrum ekspansji – zdaje się ona zachodzić wszędzie. A jeśli wszechświat nie posiada środka, to prawdopodobnie nic go także nie krępuje.
W dwuwymiarowej przestrzeni łatwo wysnuć topologię bez środka oraz bez brzegu: stanie się nią powierzchnia torusa albo kuli. Żeglarzowi ocean wydaje się wielką płaszczyzną, podczas gdy faktycznie tafla wody zakrzywia się. Być może lecąc w kosmosie odpowiednio długo, wrócilibyśmy do tego samego punktu. Wyobrazić sobie jednak trójwymiarową przestrzeń zawiniętą w czwarty wymiar w celu otrzymania hipersfery nie jest równie prosto. Nasze oczy wyposażone są w dwuwymiarowe receptory światłoczułe. Z informacji przez nie pozyskanych mózg składa iluzję trójwymiarowego obrazu, który poddajemy analizie. Lecz skoro potrafimy na dwuwymiarowym ekranie komputerowym stworzyć iluzję obrazu w trzech wymiarach, szczególnie przekonującą w odpowiednim oświetleniu i ruchu, to teoretycznie w przyszłości, jak już pojawią się prawdziwe trójwymiarowe ekrany, zapewne łatwiej będzie nam ogarnąć naturę obiektów 4D.
Jedna z implikacji wszechświata zawiniętego w czterowymiarową hipersferę byłaby taka, że patrząc w niebo, dalibyśmy radę gdzieś tam w oddali spostrzec naszą własną galaktykę sprzed miliardów lat, tylko nie poznalibyśmy jej, bo wyglądała wtedy zupełnie inaczej. Przypuszczalnie kosmos wcale nie jest taki wielki, tylko oglądamy go jak w sali luster w wesołym miasteczku, z poprawką na przesunięcia czasowe widzianych obrazów. Ponieważ puchnięcie przestrzeni zapewne, w zgodzie z ogólną teorią względności, odbywa się szybciej niż z prędkością światła, poza obserwowalnym wszechświatem może równie dobrze znajdować się cały szmat dziedziny, której nadal nie dostrzegamy, oraz jeszcze większe połacie tej, jakiej nigdy nie ujrzymy – o ile wreszcie nie zaczniemy naprawdę podróżować do gwiazd.
„Patrz w górę na gwiazdy, a nie w dół na własne stopy. Spróbuj nadać sens temu, co widzisz, i zastanawiaj się, co sprawia, że kosmos istnieje.” – Stephen Hawking
Artykuł ukazał się w Pixelu #30, którego nakład został już wyczerpany. Zapraszamy jednak do sklepu Pixela po inne wydania drukowanego magazynu oraz po wersje cyfrowe Pixela.
