Fragment książki "Granice kosmosu i kosmologii"

 
Rozdział 25
 
Granice kosmologii

  

Nowa nauka

  
Z perspektywy historycznej wiek XX nie będzie miał wielu powodów do dumy: stulecie wojen, rewolucji, totalitaryzmów… Ale niewątpliwie powstanie kosmologii, jako nauki w nowoczesnym znaczeniu tego słowa, na zawsze pozostanie jego mocnym atutem. W poprzednich rozdziałach tej książki śledziliśmy, jak dziewiętnastowieczne spekulacje na temat kosmosu stopniowo przekształcały się we współczesną teorię fizyczną. Było to zasługą  Einsteina,  Friedmana,  Lemaître’a,  Robertsona i wielu innych. Matematyczne modele, mocno osadzone w ogólnej teorii względności, zastąpiły dawniejsze intuicje, wspomagane tylko doraźnymi obliczeniami. Początkowo baza obserwacyjna młodej kosmologii była wiotka, ale rozwój astronomii pozagalaktycznej i technik obserwacyjnych stopniowo zmieniał tę sytuację. Odkrycie mikrofalowego promieniowania tła stało się pod tym względem czymś zasługującym na miano rewolucji. Dzięki temu odkryciu uzyskaliśmy niemal bezpośredni wgląd w procesy fizyczne, które przebiegały we wczesnym Wszechświecie. Zawęziło to znacznie zbiór dopuszczalnych modeli teoretycznych (i faktycznie wyeliminowało kosmologię stanu stacjonarnego), co umożliwiło stopniową konsolidację modelu standardowego.

Model standardowy daje wiarygodny obraz Wszechświata wstecz w czasie aż do około jednej sekundy po Wielkim Wybuchu. Obfitości powstałych wówczas jąder atomowych są skutecznym testem potwierdzającym teoretyczne przewidywania. Rekonstrukcja wcześniejszych etapów kosmicznej ewolucji jest bardziej hipotetyczna, ale opiera się na odpowiedzialnych teoriach współczesnej fizyki cząstek elementarnych i teoriach pól kwantowych. Mała Unifikacja  Weinberga– Salama ma już status empirycznie potwierdzonej teorii fizycznej, a Wielka Unifikacja, choć stanowi daleko idącą ekstrapolację tego, co wiemy, mieści się w dopuszczalnym zakresie dociekań fizyków teoretyków. Ostatecznie postęp w nauce polega na ustawicznym wkraczaniu w obszary jeszcze nie podbite. W ten sam sposób można by usprawiedliwiać zapuszczanie się na teren Superunifikacji, ale znajdujemy się tu na znacznie bardziej grząskim gruncie.

Najnowsze dzieje kosmologii są interesujące jeszcze z innego powodu. Oto byliśmy świadkami rodzenia się i dojrzewania nowej nauki empirycznej. Może raczej wypadałoby powiedzieć „obserwacyjnej”, ale obserwacje astronomiczne – zwłaszcza gdy wykorzystuje się w nich nowoczesne, wyrafinowane techniki – należy uznać za nie gorszy od innych rodzaj doświadczenia. Filozofowie nauki mogli niejako „na żywo” analizować procesy, które na ogół (w innych przypadkach) studiują, rekonstruując dawne dzieje.

  
Na granicy metody

  
Wraz z modelem inflacyjnym po raz pierwszy pojawiła się w metodologii kosmologii nowa jakość. Model ten nie został powołany do życia ani jako wniosek, wynikający z dotychczasowych założeń, ani przez zastosowanie do kosmologii znanych praw lub teorii fizycznych, lecz głównie po to, by zaradzić trudnościom, w jakie uwikłał się standardowy scenariusz kosmologiczny. Co więcej, model inflacyjny się przyjął, choć nie miał na swoje poparcie żadnych przewidywań empirycznych. Wprawdzie jego zwolennicy często powołują się na to, że inflacja przewiduje, iż krzywizna przestrzeni winna być równa lub bliska zeru, co wydaje się zgodne z obserwacjami, ale jest to przepowiednia raczej jakościowa (co to znaczy „bliska zeru”?) i pozostaje w zgodzie także z wieloma innymi modelami.

Liczne prace nad modelem inflacyjnym z czasem doprowadziły do bardziej konkretnych przewidywań. Jeżeli mechanizm inflacji połączyć z tym, co wiemy na temat rozchodzenia się zaburzeń gęstości w epoce promienistej, to można wyliczyć, w jaki sposób zaburzenia te „odcisnęły się” na mikrofalowym promieniowaniu tła już po wyjściu Wszechświata z fazy inflacyjnej. Gdy wzrośnie dokładność pomiarów promieniowania tła – a spodziewamy się, że nastąpi to rychło w wyniku przygotowywanych już misji satelitarnych – prognozy modelu inflacyjnego zapewne będzie można skonfrontować z wynikami obserwacji. Nie zmienia to jednak faktu, że model ten był przez długi czas badany i uznawany, choć takie możliwości jeszcze nie istniały.

Pod tym względem model inflacyjny przypomina modele Superunifikacji. I one muszą czekać na jakieś, bodaj pośrednie, potwierdzenia doświadczalne. Wprawdzie nie ma szans na osiągnięcie w przewidywalnym czasie energii, potrzebnych do ich bezpośredniego zweryfikowania, ale można żywić nadzieję, że uda się odnaleźć w obecnym Wszechświecie jakieś ślady, pozostałości z pierwszych ułamków sekundy po Wielkim Wybuchu. Metodologiczny status tych modeli jest więc zbliżony do statusu kosmologii inflacyjnej. Tradycyjna metoda fizyki z dobrym i stosunkowo łatwo osiągalnym zapleczem doświadczalnym lub obserwacyjnym została na tym terenie wyparta przez wysoko rozwiniętą teorię z perspektywami na ewentualny kontakt z empirią w przyszłości. Jest to o tyle zrozumiałe, że zbliżyliśmy się tak bardzo do „granic Wszechświata”, iż dotychczasowe metody nie wytrzymują napięcia ekstrapolacji.

Są to granice zarówno teoretyczne, jak i finansowe. „Na granicach kosmosu” teorie współczesnej fizyki znajdują się w stanie ostatecznego napięcia; tak olbrzymiego, że nie do końca wiadomo, czy ich wyniki można jeszcze uznawać za wiarygodne. A finansowanie eksperymentów, które potwierdziłyby lub obaliły te teorie, przekracza już nie tylko możliwości najbogatszych państw, lecz nawet całej ludzkości. Poznawczego pędu człowieka nie da się jednak zatrzymać. Jeżeli nie może on zadawać pewnych pytań w obszarze kontrolowanym przez metodę naukową, prędzej czy później postawi je poza nim.
  

Już poza granicami

  
Jeżeli model inflacyjny jest prawdziwy, to mamy prawo przypuszczać, że – jak pisze  Guth – „niepohamowana ekspansja niemal na pewno rozciągnęła nasz obszar przestrzeni do rozmiarów znacznie większych niż zasięg najnowocześniejszych teleskopów”. Co więcej, nie tylko poza zasięg najnowocześniejszych teleskopów, lecz także poza teoretyczny horyzont tego, co kiedykolwiek uda nam się zobaczyć. Guth stwierdza:

Wszechświat, który możemy zobaczyć, jest tylko niewielką częścią wszystkiego, co istnieje. Chociaż nie możemy liczyć na to, że kiedyś uda nam się sprawdzić przewidywania inflacji dla obszaru znajdującego się poza obserwowalnym Wszechświatem, nie potrafimy się powstrzymać przed spekulacjami na jego temat.

Istotnie, takich spekulacji nie brakuje.

Jako jeden z pierwszych „poza horyzont” zapuścił się Andriej  Linde. Stworzył on model, który nazwał wieczną, chaotyczną inflacją. Faza inflacyjna rozdyma Wszechświat do nieskończoności, ale w trakcie tego procesu w wielu miejscach tworzą się zalążki obszarów, w których inflacja rozpoczyna się od nowa. W ten sposób rodzą się kolejne wszechświaty. Proces ten trwa wiecznie i jest chaotyczny w tym sensie, że ciągle pączkujący zbiór Wszechświatów staje się podobny do samopowielającego się fraktala.


  

Oczywiście model Lindego nie został po prostu wymyślony. Z takim modelem nikt by się nie liczył.  Linde opracował swój model matematycznie i starał się go uprawdopodobnić rozmaitymi argumentami, zaczerpniętymi z fizyki, astronomii i ich filozoficznych obrzeży.

Warto zwrócić uwagę na to, że filozofia Lindego bardzo przypomina filozofię, którą kierowali się twórcy kosmologii stanu stacjonarnego. W tamtej teorii początek Wszechświata (Wielki Wybuch) został zastąpiony nieustannym powstawaniem z niczego cząstek materialnych; teraz funkcję cząstek przejęły pączkujące wszechświaty. Nie jest to tylko odległa analogia. Okazuje się, że inflację opisuje rozwiązanie de  Sittera (przedstawiające wykładniczą ekspansję), zupełnie tak samo jak w dawnym modelu stanu stacjonarnego.

Odmienny scenariusz samoreprodukującego się wszechświata proponuje Lee  Smolin. Według niego każdy proces kolapsu grawitacyjnego prowadzi do powstania nowego wszechświata, całkowicie nieobserwowalnego z naszego Wszechświata. Smolin zakłada, że w tych nowych wszechświatach prawa fizyki i podstawowe stałe fizyczne mogą nieco różnić się od praw i stałych w macierzystym Wszechświecie. A jeżeli tak, to w zbiorze wszechświatów działa prawo doboru naturalnego. Po długim czasie w zbiorze tym będą dominować wszechświaty, które wydają najwięcej potomstwa (podobnego do siebie). Smolin usiłuje nas przekonać, że zamieszkiwany przez nas Wszechświat należy właśnie do tej najliczniejszej rodziny. Nic zatem dziwnego, że żyjemy w takim a nie innym Wszechświecie. Gra prawdopodobieństw wyjaśnia wszelkie problemy.

Ale nie wszyscy kosmologowie entuzjazmują się możliwościami powstawania wszechświatów, jakie stwarzają inflacja i fizyka czarnych dziur. Pod koniec poprzedniego rozdziału wspomniałem o tym, że w teorii superstrun i jej rozwinięciu, M-teorii, oprócz strun pojawiły się dwuwymiarowe membrany i więcej-wymiarowe brany. Znalazły one zastosowanie w kosmologii bran.

Jednym z pierwszych modeli kosmologicznych nowego typu był model ekpyrotyczny (nazwa została zapożyczona z kosmologii stoików, którzy przyjmowali cykliczną historię wszechświata; każdy cykl miał się kończyć zniszczeniem wszystkiego w ogniu), zaproponowany przez zespół: Justin  Khoury, Burt A.  Ovrut, Paul J.  Steinhardt i Neil  Turok. Według tego modelu Wszechświat, w którym żyjemy, jest 3-braną, tak zwaną braną widzialną. Istnieje także inna 3-brana, będąca braną ukrytą. Pomiędzy tymi dwiema branami, w 5-wymiarowej czasoprzestrzeni oscyluje trzecia brana – brana objętościowa. Jej zderzenie z naszą braną (widzialną) powoduje Wielki Wybuch i rozpoczęcie fazy rozszerzania się naszego Wszechświata.

Era przed zderzeniem odpowiada fazie kontrakcji. Zderzenie obydwu bran odbywa się prawie równocześnie na całej powierzchni naszej brany. Zapewnia to naszemu Wszechświatowi wszędzie jednakowe (z małymi odchyleniami) warunki początkowe, bez konieczności odwoływania się do inflacji. W innej wersji tego pomysłu, w modelu cyklicznym, nie ma brany objętościowej. Nasza brana ma swoją kopię, inną 3-branę, znajdującą się od niej w odległości subatomowej. Pomiędzy tymi branami działają siły, podobne do sił sprężystości, powodujące oscylacje bran. Co jakiś czas brany zderzają się ze sobą, po czym zaczynają oddalać się od siebie. Zderzenie to wewnątrz Wszechświata wygląda jak Wielki Wybuch, a cała materialna zawartość kosmosu rodzi się z energii przekazywanej naszej branie podczas zderzenia. Proces ten może się powtarzać, dając w efekcie cykliczny Wszechświat, który odradza się w kolejnych wielkich wybuchach.

Kosmologia bran rozwija się dynamicznie. Wprawdzie wymaga ona od poświęcających się jej badaczy dużej sprawności matematycznej, ale znajduje się wielu entuzjastów, którzy uważają, że warto w tę dziedzinę zainwestować dużo czasu i wysiłku. Głównym motywem, jaki przyświeca ich pracom, jest chęć uwiarygodnienia teorii superstrun (lub M-teorii): może dzięki modelom branowym uda się przewidzieć jakieś zjawiska, które potem astronomowie odnajdą we Wszechświecie.

Wszystkie modele kosmologiczne, z jakimi spotkaliśmy się w tym rozdziale, rozwiązują problem genezy Wszechświata przez odsunięcie go do minus nieskończoności. Takie postawienie sprawy opiera się na założeniu, że jeżeli świat nie ma czasowego początku, to nie pozostaje nic do wyjaśnienia. Bardziej radykalnym podejściem do problemu genezy Wszechświata są podejmowane przez pewnych autorów próby skonstruowania modelu, który przedstawiałby, jak kosmos mógł powstać z niczego, nie tylko nie naruszając praw fizyki, lecz właśnie dzięki nim. Najbardziej znaną próbą tego rodzaju był model skonstruowany jeszcze w 1983 roku przez Jima  Hartle’a i Stephena W.  Hawkinga. Uczeni ci zaproponowali roboczą wersję unifikacji ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Podali oni pewien sposób, zgodny z fizyką kwantową, obliczania prawdopodobieństwa, z jakim Wszechświat może przejść ze stanu A do stanu B.

Przyjmując, że przed progiem  Plancka czas traci swoją własność „upływania”, stając się czwartym wymiarem przestrzeni, można tą metodę obliczeniową zastosować do sytuacji, kiedy nie ma stanu A. Wówczas uzyskuje się odpowiedź na pytanie, jakie jest prawdopodobieństwo wyłonienia się stanu A Wszechświata z nicości. Wedle obydwu autorów daje to ni mniej, ni więcej tylko kwantowy mechanizm powstawania Wszechświata z nicości. Jak jednak zauważył Gordon  McCabe – brak stanu A oznacza w gruncie rzeczy tylko tyle, że na ten stan nie nakładamy żadnych warunków fizycznych, może tam być cokolwiek. Według niego  Hartle i  Hawking nie zaproponowali modelu kwantowego powstawania Wszechświata z nicości, lecz model jego powstawania z czegokolwiek. Problem genezy stanowi zawsze wyzwanie dla ludzkiej myśli.

  

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj