10 najważniejszych pytań dotyczących kosmosu, na które wciąż nie znamy odpowiedzi

To jedno z najstarszych i najbardziej fundamentalnych pytań ludzkości. Czy istnieje życie poza Ziemią? Czy jest ono inteligentne i czy możemy się z nim skontaktować? Jak wygląda i jak się rozwija? Jakie są szanse na spotkanie z innymi cywilizacjami? Na te pytania nie mamy pewnych odpowiedzi, choć istnieją różne hipotezy i projekty badawcze. Na przykład równanie Drake’a próbuje oszacować liczbę potencjalnych cywilizacji w naszej galaktyce, a program SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) poszukuje sygnałów radiowych z kosmosu. Dotychczas nie znaleźliśmy jednak żadnego dowodu na istnienie życia poza naszą planetą, co może oznaczać, że jest ono bardzo rzadkie lub bardzo trudne do wykrycia.

Przeczytaj także: Odnalezienie życia pozaziemskiego oznaczałoby zagładę Ziemi

Jednym z argumentów na rzecz istnienia życia we wszechświecie jest jego ogromna wielkość i różnorodność. Według obecnych szacunków nasza galaktyka zawiera około 100 miliardów gwiazd, a cały obserwowalny wszechświat około 100 miliardów galaktyk. Naukowcy przewidują, że co najmniej 10 miliardów planet w Drodze Mlecznej ma rozmiar zbliżony do Ziemi i znajduje się w strefie mieszkalnej swojej gwiazdy, czyli takiej odległości, która umożliwia istnienie ciekłej wody na powierzchni. Niektóre z tych planet mogą mieć warunki podobne do naszej, inne mogą być zupełnie odmienne, ale nadal sprzyjać życiu. Możliwe jest też, że życie może tolerować warunki, które są dla nas nieprzyjazne lub nieznane.

Innym argumentem na rzecz istnienia życia we wszechświecie jest jego niezwykła zdolność do adaptacji i ewolucji. Na Ziemi życie pojawiło się około 3,5 miliarda lat temu i od tego czasu rozwinęło się w niesamowity sposób, tworząc miliony gatunków roślin i zwierząt o różnych kształtach, rozmiarach i umiejętnościach. Życie na Ziemi przetrwało wiele katastrof i zmian klimatu, dostosowując się do nowych warunków. Występuje także w najbardziej ekstremalnych środowiskach, takich jak gorące źródła, głębokie oceaniczne rowy czy arktyczne lodowce. Jeśli życie na Ziemi jest tak elastyczne i odporne, to dlaczego nie miałoby być tak samo gdzie indziej?

Czytaj także:
- Chcą zbudować na Księżycu coś wielkiego. Srebrny Glob aż się prosi o taki obiekt
- Czarna dziura miała przemierzać wszechświat ciągnąc gwiazdy. Teraz pojawiło się nowe wyjaśnienie

Według obecnie dominującej teorii kosmologicznej, wszechświat powstał około 14 mld lat temu w wyniku Wielkiego Wybuchu (ang. Big Bang). Był to moment, w którym cała materia i energia były skoncentrowane w nieskończenie małym punkcie o nieskończonej gęstości i temperaturze. Następnie nastąpiła gwałtowna ekspansja, która trwa do dziś. Wiąże się z nią ochłodzenie wszechświata. Ale co było przed Wielkim Wybuchem? Czy istniał jakiś inny wszechświat? Czy Wielki Wybuch był jednorazowym wydarzeniem, czy częścią cyklu? Na te pytania nie mamy odpowiedzi, ponieważ fizyka klasyczna nie jest w stanie opisać stanu wszechświata przed Wielkim Wybuchem. Możliwe są jednak różne spekulacje oparte na teoriach kwantowych.

Przeczytaj także: Na początku był ocean, a z niego powstało wszystko inne. Tak wyglądała pierwsza mikrosekunda wszechświata

Jedną z takich spekulacji jest hipoteza tzw. osobliwości początkowej (ang. initial singularity). Zakłada ona, że przed Wielkim Wybuchem nie było niczego – ani czasu, ani przestrzeni, ani materii. Wszystko to powstało dopiero w momencie eksplozji z punktu o zerowej objętości i nieskończonej gęstości.

Inną hipotezą jest tzw. wieczna inflacja (ang. eternal inflation). Zakłada ona, że przed Wielkim Wybuchem istniało pole kwantowe o bardzo wysokiej energii, które rozszerzało się z coraz większą prędkością. To pole było niestabilne i podlegało fluktuacjom kwantowym. Losowo, w różnych miejscach pola następowały przejścia do stanu o niższej energii, tworząc bańki przestrzeni z własnymi prawami fizyki. Każda taka bańka mogła być początkiem innego wszechświata. Nasz wszechświat byłby jedną z takich bańek, która powstała około 14 mld lat temu.

Jeszcze inną spekulacją jest hipoteza tzw. wielkiego odbicia (ang. big bounce). Zakłada ona, że przed Wielkim Wybuchem istniał inny wszechświat, który się kurczył i osiągnął minimalną wielkość. Następnie nastąpiło odbicie i rozpoczęła się nowa faza ekspansji. Taki cykl kurczenia i rozszerzania się wszechświata mógłby się powtarzać w nieskończoność. Hipoteza ta opiera się na pętlowej grawitacji kwantowej (ang. loop quantum gravity), która próbuje pogodzić mechanikę kwantową z ogólną teorią względności Einsteina.

Jak widać, pytanie o to, co było przed Wielkim Wybuchem, nie ma prostej odpowiedzi. Może nigdy jej nie poznamy lub może będziemy musieli zmienić nasze pojęcia o czasie i przestrzeni, aby ją znaleźć.

Obserwacje astronomiczne pokazują, że zwykła materia (atomy, cząstki, gwiazdy, planety itp.) stanowi tylko około 5 proc. masy i energii wszechświata. Reszta to tzw. ciemna materia (około 27 proc.) i ciemna energia (około 68 proc.). Ciemna materia jest niewidzialna dla promieniowania elektromagnetycznego, ale oddziałuje grawitacyjnie z innymi obiektami. Bez niej galaktyki nie mogłyby się utrzymać razem i rozpadłyby się pod wpływem rotacji. Ciemna energia jest tajemniczą siłą, która przyspiesza ekspansję wszechświata i przeciwdziała grawitacji. Nie wiemy jednak, co to jest ciemna materia i ciemna energia ani jak powstały.

Więcej na temat ciemnej materii i ciemnej energii przeczytasz w artykule: Nie widzimy ich, ale wiemy, że tam są. Czym jest ciemna materia i ciemna energia?

Podróż w czasie to marzenie wielu ludzi i motyw wielu utworów literackich i filmowych. Czy jednak jest ona możliwa fizycznie? Według teorii względności Einsteina czas nie jest stały i absolutny, ale zależy od prędkości obserwatora i grawitacji. Im szybciej się poruszamy lub im silniejsze jest pole grawitacyjne, tym wolniej płynie dla nas czas. To oznacza, że podróż w przyszłość jest możliwa, jeśli osiągniemy bardzo dużą prędkość lub zbliżymy się do bardzo masywnego obiektu. Na przykład astronauta na orbicie Ziemi doświadcza minimalnie wolniejszego upływu czasu niż osoba na powierzchni planety. Jednak różnica ta jest zbyt mała, by była zauważalna. Aby podróżować w przyszłość w znaczący sposób, trzeba by się poruszać z prędkością zbliżoną do prędkości światła lub znaleźć się w pobliżu czarnej dziury. Obie te opcje są jednak poza naszymi możliwościami technicznymi.

Przeczytaj także: Matematyk obliczył, że podróże w czasie mogą się udać. „Paradoks dziadka nie wystąpi”

Podróż w przeszłość jest jeszcze trudniejsza i bardziej kontrowersyjna. Wygląda na to, że jest niemożliwa lub zabroniona przez jakąś zasadę fizyczną. Niektóre teorie dopuszczają jednak istnienie tzw. zamkniętych krzywych czasopodobnych, czyli ścieżek w czasoprzestrzeni, pętli w czasie, które wracają do tego samego punktu. Takie ścieżki mogłyby umożliwić podróżowanie wstecz w czasie, ale wymagałyby istnienia bardzo nietypowych warunków, takich jak tunel czasoprzestrzenny czy obracająca się czarna dziura.

Teoretycznie, czarne dziury mogą obracać się, a zjawisko to nazywa się "obracającą się czarną dziurą" lub "czarną dziurą Kerra". W 1963 roku, amerykański fizyk Roy Kerr zaproponował model matematyczny czarnej dziury, która obraca się wokół własnej osi.

Nie wiemy jednak, czy takie obiekty istnieją i czy są stabilne. Ponadto podróż w przeszłość rodzi wiele paradoksów logicznych i sprzeczności przyczynowo-skutkowych, np. paradoks dziadka (co by się stało, gdyby podróżnik w czasie zabił swojego dziadka przed narodzinami swojego ojca?). Niektórzy naukowcy próbują rozwiązać te paradoksy zakładając istnienie wielu światów lub samonaprawiającej się czasoprzestrzeni.

Czy nasz wszechświat jest jedyny czy jest częścią większej struktury, zwanej multiversum? Czy istnieją inne wszechświaty, w których historia i fizyka mogły potoczyć się inaczej? Czy możemy się z nimi komunikować lub do nich przenosić? To pytania, które nurtują nie tylko naukowców, ale i pisarzy czy filmowców. Istnieje kilka hipotez dotyczących istnienia równoległych wszechświatów, takich jak teoria strun, teoria inflacji wiecznej czy interpretacja wieloświatowa mechaniki kwantowej. Jednak żadna z nich nie została potwierdzona obserwacyjnie ani eksperymentalnie.

Jedną z hipotez jest teoria strun, która zakłada, że podstawowymi obiektami fizycznymi nie są punktowe cząstki, ale jednowymiarowe struny drgające w dziesięciowymiarowej przestrzeni. Sześć z tych wymiarów jest zwiniętych w tak małe skale, że nie są dla nas zauważalne. Teoria strun dopuszcza istnienie różnych bran (membran), które są wielowymiarowymi obiektami zbudowanymi ze strun. Nasz wszechświat mógłby być jedną z takich bran zawieszoną w wyższym wymiarze. Możliwe jest też, że istnieją inne brany oddzielone od naszej niewielką odległością. Jeśli dwie brany zderzyłyby się ze sobą, mogłyby wywołać Wielki Wybuch i stworzyć nowy wszechświat.

Inną hipotezą jest wspomniana wyżej wieczna inflacja.

Jeszcze inną hipotezą jest interpretacja wieloświatowa mechaniki kwantowej, która zakłada, że każdy pomiar kwantowy prowadzi do rozgałęzienia wszechświata na wiele możliwych wyników. Na przykład jeśli mierzymy położenie elektronu w atomie wodoru, możemy uzyskać różne wartości z pewnym prawdopodobieństwem. Interpretacja wieloświatowa twierdzi, że każda z tych wartości jest realizowana w innym wszechświecie i że my sami się kopiujemy wraz z każdym pomiarem. W ten sposób powstaje nieskończona liczba równoległych wszechświatów różniących się od siebie drobnymi szczegółami lub całkowicie odmiennymi historiami.

Czarne dziury to obiekty kosmiczne o tak dużej gęstości i sile grawitacji, że nic nie może z nich wydostać się, nawet światło. Powstają z zapadania się jąder umierających gwiazd lub z zlewania się mniejszych czarnych dziur. Wokół każdej czarnej dziury istnieje granica zwana horyzontem zdarzeń, która oznacza punkt bez powrotu dla wszystkiego, co się do niej zbliża. Ale co się dzieje za horyzontem zdarzeń? Co jest w środku czarnej dziury? Na te pytania nie mamy pewnych odpowiedzi, ponieważ fizyka klasyczna nie jest w stanie opisać warunków panujących wewnątrz czarnej dziury. Możliwe są jednak różne spekulacje oparte na teoriach kwantowych lub alternatywnych.

Przeczytaj także: To monstrum ma masę 60 miliardów słońc. NASA przygotowała niezwykłe wideo

Jedną z takich spekulacji jest hipoteza tzw. osobliwości (ang. singularity). Zakłada ona, że cała materia i energia wewnątrz czarnej dziury są skupione w jednym punkcie o zerowej objętości i nieskończonej gęstości i krzywiznie przestrzeni-czasu. W takim punkcie wszystkie znane prawa fizyki przestają obowiązywać i nie wiemy, co się tam dzieje.

Hipoteza tzw. gwiazd Plancka (ang. Planck stars) zakłada, że głęboko wewnątrz czarnej dziury materia nie jest skompresowana do osobliwości, ale do stanu ekstremalnie wysokiej gęstości i temperatury, w którym obowiązują prawa grawitacji kwantowej (połączenia mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności). W takim stanie materia mogłaby odbijać się od siebie i tworzyć sferyczny obiekt o promieniu bliskim długości Plancka (najmniejszej możliwej długości w fizyce). Taki obiekt mógłby emitować promieniowanie Hawkinga (kwantowe fluktuacje na horyzoncie zdarzeń) i stopniowo tracić masę i energię, aż do wybuchu i uwolnienia całej zawartości czarnej dziury.

Jeszcze innym pomysłem jest hipoteza tzw. grawastarów (ang. gravastars). Zakłada ona, że na granicy horyzontu zdarzeń istnieje warstwa egzotycznej materii o ujemnym ciśnieniu, która zapobiega zapadaniu się wnętrza czarnej dziury do osobliwości. W takim przypadku wnętrze czarnej dziury byłoby pustą przestrzenią o stałej gęstości i temperaturze zerowej. Taka struktura byłaby stabilna i nie emitowałaby promieniowania Hawkinga.

Życie jest jednym z największych cudów wszechświata. Z nieożywionej materii wyłoniły się organizmy zdolne do wzrostu, reprodukcji, adaptacji i ewolucji. Ale jak to się stało? Jak z prostych cząsteczek organicznych powstały pierwsze komórki i jak z nich wyewoluowały wszystkie formy życia na Ziemi? Na te pytania nie mamy jeszcze ostatecznych odpowiedzi, choć istnieją różne teorie i hipotezy dotyczące pochodzenia życia. Niektóre z nich są oparte na eksperymentach i obserwacjach, inne na spekulacjach i domysłach.

Jedną z teorii jest hipoteza tzw. zupy pierwotnej (ang. primordial soup). Zakłada ona, że życie powstało w oceanach wczesnej Ziemi, gdzie znajdowały się proste cząsteczki organiczne, takie jak aminokwasy, cukry czy nukleotydy. Te cząsteczki mogły być syntetyzowane w atmosferze pod wpływem wyładowań elektrycznych lub promieniowania kosmicznego i następnie spadać do oceanów. Tam mogły się łączyć w większe struktury, takie jak białka czy kwasy nukleinowe. Z czasem mogły powstać pierwsze systemy samoreplikujące się i podlegające selekcji naturalnej.

Hipoteza tzw. gliny (ang. clay) zakłada, że życie powstało na lądzie, gdzie znajdowały się minerały glinokrzemianowe o krystalicznej strukturze. Te minerały mogły służyć jako katalizatory i szablony do tworzenia i organizowania cząsteczek organicznych. Na powierzchni gliny mogły powstawać warstwy białek i kwasów nukleinowych, które mogły tworzyć pierwsze komórki otoczone błonami lipidowymi.

Jeszcze inną teorią jest hipoteza tzw. hydrotermalnych źródeł (ang. hydrothermal vents). Zakłada ona, że życie powstało na dnie oceanu, gdzie znajdowały się kominy hydrotermalne wydzielające gorącą wodę bogatą w minerały i związki siarki. W takim środowisku mogły powstawać proste cząsteczki organiczne oraz gradienty termiczne i chemiczne sprzyjające reakcjom biochemicznym. W szczelinach skalnych lub w mikroporach komina mogły się tworzyć pierwsze komórki chronione przed zewnętrznymi warunkami.

Wszechświat jest nieskończony i nie ma granic – tak brzmi najprostsza odpowiedź na to pytanie. Ale co to właściwie znaczy i jak możemy być tego pewni? Możliwe są trzy scenariusze: wszechświat jest nieograniczony, skończony i zamknięty (np. w kształcie sfery lub torusa), wszechświat jest skończony i otwarty (np. w kształcie siodła) lub wszechświat jest nieskończony i płaski. Nie wiemy też, co się dzieje poza horyzontem zdarzeń, czyli granicą obserwowalnego wszechświata, która wynika z ograniczonej prędkości światła.

Zacznijmy od tego, co wiemy na pewno. Wiemy, że wszechświat się rozszerza, czyli odległości między galaktykami stale rosną. Wiemy też, że wszechświat ma około 13,8 miliarda lat i że zaczął się od Wielkiego Wybuchu – stanu ekstremalnej gęstości i temperatury, z którego wyłoniła się materia, energia, czas i przestrzeń.

Ale co było przed Wielkim Wybuchem? I co jest za horyzontem zdarzeń – granicą obserwowalnego wszechświata, poza którą nie możemy zobaczyć niczego ze względu na ograniczoną prędkość światła? Czy tam znajduje się koniec wszechświata lub jakaś bariera?

Naukowcy uważają, że jest to mało prawdopodobne. Nie ma żadnych dowodów na istnienie takiego końca lub bariery. Zamiast tego, najbardziej akceptowanym modelem jest taki, w którym wszechświat jest jednorodny i izotropowy – czyli taki sam we wszystkich kierunkach i miejscach. Taki wszechświat nie ma krawędzi ani środka i może być nieskończony w rozmiarze.

Oczywiście nie możemy tego sprawdzić bezpośrednio, ponieważ nie możemy podróżować szybciej niż światło ani wyjść poza obserwowalny wszechświat. Ale możemy wnioskować o właściwościach całego wszechświata na podstawie tego, co widzimy w naszym lokalnym obszarze. I wszystkie obserwacje wskazują na to, że wszechświat jest jednorodny na dużych skalach.

To nie znaczy, że nie ma innych możliwości. Niektóre teorie alternatywne sugerują, że wszechświat może być zakrzywiony lub mieć skomplikowany kształt geometryczny. Może też być częścią większej struktury lub mieć wiele kopii, lub odbić lustrzanych.

Podróżowanie z prędkością większą niż światło (FTL) jest hipotetyczną możliwością przemieszczania się materii lub informacji szybciej niż prędkość światła w próżni (c), która wynosi około 300 000 km/s. Teoria względności Einsteina zakłada, że tylko cząstki o zerowej masie spoczynkowej (np. fotony) mogą poruszać się z prędkością światła i że nic nie może poruszać się szybciej. Istnienie cząstek o prędkości większej niż światło (tachionów) zostało zaproponowane, ale ich istnienie naruszałoby zasadę przyczynowości i implikowałoby podróże w czasie. Naukowcy nie osiągnęli w tej sprawie konsensusu.

Jednak istnieją pewne propozycje, które zakładają, że niektóre zniekształcone regiony czasoprzestrzeni mogłyby umożliwić materii dotarcie do odległych miejsc w krótszym czasie niż światło w normalnej („niezniekształconej”) czasoprzestrzeni. Takie "pozorne" lub "efektywne" FTL nie są wykluczone przez ogólną teorię względności, ale ich fizyczna wiarygodność jest obecnie spekulatywna. Przykładami takich propozycji są napęd Alcubierre’a, rury Krasnikowa, wormhole i tunelowanie kwantowe.

Implikacje podróżowania z prędkością większą niż światło dla naszej wiedzy o kosmosie są trudne do przewidzenia, ponieważ wymagają nowej fizyki i eksperymentów. Jedną z możliwych konsekwencji byłaby możliwość podróżowania w czasie i paradoksów logicznych związanych z przyczynowością. Inna konsekwencja byłaby możliwość eksploracji odległych gwiazd i planet w ciągu ludzkiego życia.  Na przykład najbliższa gwiazda poza Układem Słonecznym, Proxima Centauri, jest oddalona o około 4,25 roku świetlnego. Podróż z prędkością światła zajęłaby tylko 4 lata i 3 miesiące, a podróż z prędkością większą niż światło byłaby jeszcze szybsza.

Zaginione planety to hipotetyczne obiekty w Układzie Słonecznym, których istnienie nie jest potwierdzone, ale zostało wywnioskowane z obserwacji naukowych. Przez lata zaproponowano wiele hipotetycznych planet, z których wiele zostało obalonych. Jednak nawet dzisiaj istnieją spekulacje naukowe na temat możliwości istnienia planet nieznanych, które mogą znajdować się poza zasięgiem naszej obecnej wiedzy.

Jedną z takich hipotetycznych planet jest Phaeton (lub Phaethon), która miała istnieć między orbitami Marsa i Jowisza, a jej zniszczenie miało doprowadzić do powstania pasa asteroid (w tym karłowatej planety Ceres). Hipoteza ta jest obecnie uważana za mało prawdopodobną, ponieważ pas asteroid ma zbyt małą masę, aby pochodzić z eksplozji dużej planety. W 2018 roku badacze z University of Florida stwierdzili, że pas asteroid powstał z fragmentów co najmniej pięciu lub sześciu starożytnych obiektów wielkości planety, a nie z jednej planety.

Inną hipotetyczną planetą jest Planet V, która według Johna Chambersa i Jacka Lissauera kiedyś istniała między Marsem a pasem asteroid, na podstawie symulacji komputerowych. Planet V mogła być odpowiedzialna za Wielkie Bombardowanie (LHB), które miało miejsce około 4 miliardy lat temu i spowodowało liczne krater uderzeniowe na Księżycu i innych ciałach wewnętrznego Układu Słonecznego.

Istnieją również różne hipotezy dotyczące planet poza Neptunem, takie jak Planet Nine, Planet X, Tyche i inne. Niektóre z nich mają na celu wyjaśnić pozorne anomalie w orbitach niektórych odległych obiektów transneptunowych (TNO). Jednak żadna z tych planet nie została dotąd zaobserwowana bezpośrednio i ich istnienie jest nadal dyskusyjne.