Jak pogodzić ewidentne “starzenie się” Wszechświata z paradygmatem jego wiecznego istnienia? Prawda, kosmologiczną ewolucję Wszechświata w sposób niewątpliwy potwierdzają liczne obserwacje, a założenie o braku początku i końca Wszechświata ma jedynie filozoficzno-estetyczne korzenie. Jednakże na gruncie nauk przyrodniczych, jeżeli nie przyjmiemy, że świat istniał wiecznie, musimy wymyślić/odkryć prawa rządzące jego powstaniem z niczego. W tej sytuacji już łatwiej uznać, że istniał suwerennie nie mając początku.

Wróćmy do problemu ewolucji Wszechświata. Ponad wszelką wątpliwość wiemy, że się rozszerza - galaktyki uciekają od siebie i wobec tego średnia gęstość materii spada. Stąd oczywisty wniosek, że dawniej była większa niż obecnie, co równiez potwierdzają obserwacje. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu wydawało sie, że Ogólna Teoria Względności potrafi ten fakt pogodzić z wiecznym istnieniem świata. Jeden z modeli oparty na OTW przewidywał cykliczne, powtarzające się w nieskończoność okresy ekspansji Wszechświata i jego kurczenia. Kolejna ekspansja rozpoczynała się tzw. Wielkim Wybuchem - Wszechświat był niezmiernie gęsty i gorący, stopniowo - coraz wolniej zwiększał swoje rozmiary, z chaosu wyodrebniały się galaktyki zbudowane z gwiazd, mogło też gdzieniegdzie pojawić sie życie, nawet inteligentne, po czym następowała faza kontrakcji - Wszchświat kurczył się nieuchronnie zmierzając do krytycznego momentu wielkich temperatur i gęstości, by rozpocząć swe nowe życie kolejnym Wielkim Wybuchem.

Ten prosty schemat w ostatnich latach okazał się sprzeczny z obserwacjami i z przewidywaniami teorii, a dokładniej z fundamentalnym prawem fizyki, II Zasadą Termodynamiki. Zwykle materiał na gwoździe do trumny nowej hipotezy fizycznej ma pochodzenie obserwacyjne. W naszym wypadku obserwacje dokładnie taką rolę spełniły. Okazało się bowiem, że ekspansja Wszechświata zamiast hamować, przyspiesza i o żadnej nowej fazie zapadania się Wszechświata nie ma mowy. Niezależnie drugi cios cyklicznemu Wszechświatowi zadały rozważania teoretyczne. Przyglądając się dokładniej temu - można dziś powiedzieć - naiwnemu modelowi, widzimy jego zasadnicze mankamenty. Wymienię jeden: w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, a także jeszcze kilkaset tysięcy lat potem, Wszchświat był niemal idealnie jednorodny. Natomiast cała jego dalsza ewolucja prowadziła i nadal prowadzi do narastanie “nierówności”: wskutek działania grawitacji powstają zagęszczenia materii, z których wyłaniają się gwiazdy, a przestrzenie między nimi stają się niemal puste. Niektóre gwiazdy kończą swoje życie jako czarne dziury - obiekty skrajnie różniące się od pustej przestrzeni, a w centrach większości galaktyk usadawiają się monstrualne czarne dziury o masach mierzonych w milionach mas Słońca. Grawitacyjny rozwój zagęszczeń i niejednorodności wnosi swój wkład do wzrostu entropii. W tym miejscu tok narracji zaczyna zgrzytać. Nie dość, że entropia nie należy do pojęć “łatwo przyswajalnych” przez Czytelnika, który studiował w młodości inny kierunek niż fizyka, to samym fizykom określenie wartości entropii obejmujące efekty grawitacyjne na razie nastręcza trudności, gdyż wciąż brak teorii grawitacji uwzględniajacej efekty kwantowe. O entropii związanej z polem grawitacyjnym, w szczególności entropii czarnych dziur, wiemy jednak na tyle dużo, aby dostrzegać problemy przytoczonego wyżej modelu Wszechswiata.

Mówiąc najprościej i z konieczności mało precyzyjnie, entropia jest miarą nieuporządkowania badanego układu, w naszym przypadku – całego Wszechświata. Gdy grawitacja odgrywa istotna rolę, entropia rośnie w miarę narastania niejednorodności rozmieszczenia materii. Końcowym stanem tego procesu są czarne dziury, obiekty o bardzo wysokiej entropii. Nasz Wszechświat “zaczął się” Wielkim Wybuchem z niewielką entropią. Przez wszystkie kolejne etapy ewolucji Wszechświat rozszerzał się, stawał bardziej niejednorodny, a jego entropia rosła. W takim ujęciu nie widać możliwości odwrócenia biegu wydarzeń i pojawienia się kolejnego Wielkiego Wybuchu z małą entropią. Aby zbudować model wiecznego Wszechświata, odnawiającego się samoistnie co pewien czas, musimy porzucić niektóre założenia i przyjąć wiele nieoczywistych propozycji. Taką drogą prowadzi nas Roger Penrose w ``Cyklach czasu''. Jest to książka trudna. Jej pełna zawartość jest w zasadzie adresowana do absolwentów ścisłych kierunków studiów, najlepiej fizyki teoretycznej z rozszerzonym kursem teorii kwantów i OTW. Nie do końca prawdziwe jest stwierdzenie w notatce informacyjnej na ostatniej stronie okładki, że “autorowi udaje się przedstawić te zagadnienia w sposób niezwykle przystępny”. Ot, choćby dla uzasadnienia, że znikanie masy spoczynkowej nie jest pomysłem niedorzecznym, Penrose wyjaśnia, że “masa spoczynkowa nie jest dokładnie operatorem Casimira grupy de Sittera ...”.

Zatem książka nie jest może najbardziej “przystępna”, ale z pewnością jest bardzo interesująca. Czytając należy starannie analizować konsekwencje fizyczne rozważań autora, nawet jeżeli wyjaśnienia matematyczne uznamy za zbyt hermetyczne. Nie sposób w tym miejscu przedstawić szczegóły propozycji Penrose'a obejścia trudności wspomnianego wyżej modelu cyklicznego, a tym bardziej wymienić wszystkie konsekwencje jego teorii. Ograniczymy się do omówienia tezy wyjściowej. Obserwacje wskazują, że w trakcie coraz szybszej ekspansji Wszechświata, materia będzie się skupiać w czarnych dziurach i po bardzo długim czasie będziemy mieli przestrzeń wypełnioną jedynie promieniowaniem (i innymi cząstkami pozbawionymi masy, poruszającymi się z prędkością światła) oraz swobodnymi czarnymi dziurami. Nie jest to jednak stan końcowy Wszechświata. Czarne dziury nie są bowiem wieczne, gdyż wbrew swojej nazwie emitują promieniowanie, a więc tracą energię, zatem i masę. W rezultacie, za jakieś 10¹⁰⁰ lat we Wszechświecie pozostanie wyłącznie promieniowanie. Zniknięcie obiektów obdarzonych masą, być może wymusza zanik czasu, gdyż zgodnie ze Szczególną Teorią Względności, fotony nie “czują” upływu czasu - dla nich czas stoi w miejscu. Trudno powiedzieć, jak interpretować załamanie architektury czasoprzestrzeni (z pomiarem odległości również będą kłopoty). Penrose sugeruje, że taki stan Wszechświata jest w sensie geometrycznym równoważny z Wielkim Wybuchem, w którym w pierwszych chwilach również nie występują cząstki obdarzone masą, a jedynie promieniowanie. Redukcja własności geometrycznych czasoprzestrzeni do struktury właściwej jedynie dla promieniowania, dopuszcza znaczną dowolność w opisie własności Wszechświata. Penrose spekuluje, że w takim Wszechświecie będzie można na nowo zdefiniować czasoprzestrzeń i nic nie stanie na przeszkodzie, by w nowych warunkach “stare” promieniowanie uzyskało własności podobne do tych, jakie obserwujemy w Wielkim Wybuchu. Stąd tylko krok do stwierdzenia, że ostatnia faza istnienie naszego Wszechświata stanie się Wielkim Wybuchem “odnowionego” Wszechświata i rozpocznie się nowy “eon” jego istnienia.

Brzmi to dosyć fantastycznie i trudno powiedzieć, czy Wszechświat bez materii to rzeczywistość, czy nierzeczywistość. Pozostaje jeszcze problem redukcji entropii, by nowy eon Wszechświata nie różnił się zasadniczo od poprzedniego. Tu również Penrose proponuje rozwiązanie odważne i ciekawe. Stanowi ono jeszcze jeden powód, dla którego warto zajrzeć do jego książki.