nauki ścisłe
Autor: Jim Baggott | dodano: 2020-06-09
Zarodki nowych wszechświatów

Fot. Indigo Images

 

Naukowcy próbują ustalić strukturę przestrzeni, czasu i materii, a także co było przed Wielkim Wybuchem

Być może zaskoczeniem dla niektórych jest fakt, że dość łatwo możemy sobie wyobrazić okoliczności, w których prawa fizyki mogłyby się zmienić. Zniknięcie osobliwości Wielkiego Wybuchu w pętlowej kosmologii kwantowej oznacza, że przed naszym wszechświatem mógł istnieć inny wszechświat. Jeśli w chwili odbicia prawa fizyki nie znikają całkowicie, ale ulegają jedynie nieznacznym przypadkowym zmianom, to być może uda nam się kiedyś zrozumieć, jak prawa te zmieniały się z biegiem czasu we wszechświecie, który podlega powtarzającym się cyklom odbicia, ekspansji, kurczenia się i ponownego odbicia. Taka cykliczna pętlowa kosmologia kwantowa nadal wymaga przyjęcia założenia o kosmicznej inflacji i choć nieco zmniejsza wagę problemu warunków początkowych, to całkowicie go nie rozwiązuje.

Zderzenia bran

Uczeni zaproponowali jednak również inne kosmologie cykliczne, w których nie ma osobliwości Wielkiego Wybuchu ani inflacji (szybkie rozszerzanie się wszechświata). Jeden z takich modeli opracowali w 2001 r. fizycy Paul Steinhardt, Justin Khoury, Burt Ovrut i Neil Turok. Model ten opiera się na wykorzystaniu zjawiska zderzeń bran (w teorii strun brany używane są jako punkty zamocowania strun; teoria strun to model matematyczny przewidujący, że podstawowym budulcem materii nie są cząstki, lecz struny wielkości 10‒31 m), podczas których niewielka część energii zderzeń przekształca się w gorące promieniowanie. Z naszego punktu widzenia takie zderzenie mogłoby być Wielkim Wybuchem, po którym następuje przyspieszona ekspansja bez potrzeby wprowadzania inflacji. Brany zderzają się, a potem ulegają rozdzieleniu, ale nigdy nie oddalają się od siebie na tyle, by wydostać się spod wpływu wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Po upływie kilku bilionów lat dochodzi do ponownego zderzenia bran. Wszechświat się odnawia i cały cykl zaczyna się od nowa.

Ponieważ w tym modelu nie ma potrzeby wprowadzania inflacji kosmologicznej, nie pojawiają się w nim też pierwotne fale grawitacyjne. Jednak, jak to się mówi, brak dowodu nie jest dowodem braku – fakt, że uczonym nie udało się jeszcze wykryć pierwotnych fal grawitacyjnych, nie oznacza, iż nie uda się ich odkryć w przyszłości. Modele cykliczne przewidują również, że różnice temperatury w kosmicznym promieniowaniu tła nie powinny być całkowicie przypadkowe, i ponowna analiza najnowszych danych zgromadzonych przez satelitę Planck doprowadziła do wniosku, że dane te zupełnie nie zgadzają się z najprostszymi scenariuszami inflacyjnymi.

Najlepiej więc będzie, jeśli stwierdzimy, że fizykom nie udało się jeszcze rozstrzygnąć tej kwestii. To prawda, że kosmologie cykliczne nie mają większego sensu, jeśli nie przyjmie się założenia, że czas jest rzeczywisty. Paul Steinhardt i Neil Turok przekonują też, że model cykliczny popycha wszechświat w kierunku znanych nam praw i warunków początkowych: „Mechanizm napędzający cykle jest łagodny i samoregulujący się. […] Prostota i skąpstwo rządzą. W zasadzie każdy skrawek co jakiś czas tworzy galaktyki, gwiazdy, planety i życie”. Jeżeli jednak każde zderzenie zeruje prawa i warunki początkowe, a następnie nadaje im losową postać – jak należałoby się spodziewać – to trudno zrozumieć, w jaki sposób kolejne cykle mogłyby zapewnić powstanie takiego wszechświata, jaki jest nam potrzebny.

 

Kosmologiczny dobór naturalny

Musimy znaleźć model mechaniczny, który podąża nieugięcie w kierunku takiej złożoności praw i warunków początkowych, jaka przeważa w naszym wszechświecie. Lee Smolin, amerykański fizyk teoretyczny, opisuje taki właśnie model w swojej pierwszej książce „Życie wszechświata”, wydanej w 1997 r. Nazywa go kosmologicznym doborem naturalnym. W modelu tym zakłada działanie swoistego recyklingu, ale nie w takim rozumieniu, jakie spotykamy w kosmologiach cyklicznych. Smolin zakłada mianowicie, że rozsiane po wszechświecie czarne dziury same są zarodkami, z których powstają zupełnie nowe obszary czasoprzestrzeni, czyli nowe wszechświaty. W pętlowej kosmologii kwantowej przodkiem nowego wszechświata jest zapadający się wszechświat, istniejący przed Wielkim Odbiciem.

W modelu kosmologicznego doboru naturalnego przodkiem nowego wszechświata jest czarna dziura, istniejąca przed jego odbiciem. W takiej sytuacji są większe szanse na pojawienie się „typowego” wszechświata, ponieważ każdy macierzysty wszechświat ma liczne potomstwo (wiele czarnych dziur). Podobnie jak ewolucja życia na Ziemi kształtuje się pod wpływem procesów losowych mutacji genetycznych i doboru naturalnego, z biegiem czasu wszechświat będzie dążył do samopodtrzymującej się struktury, maksymalizując liczbę czarnych dziur.

 

Więcej informacji w książce Jima Baggotta „Przestrzeń kwantowa. Pętlowa grawitacja kwantowa i poszukiwanie struktury przestrzeni, czasu i wszechświata”, Prószyński i S-ka, 2020.

 

 

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 06/2020 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
07/2020
06/2020
Kalendarium
Lipiec
15
W 1864 r. Alfred Nobel otrzymał patent na nitroglicerynę.
Warto przeczytać
Natura szaleje. Gdy dojdziemy do podstawowych praw fizyki, do samego fundamentu, znajdziemy się w domenie szaleństwa i chaosu, gdzie wiedza staje się wyobraźnią i odwrotnie. To miejsce, w którym na każdym kroku czają się wszechświaty równoległe i zadziwiające paradoksy, a przedmioty nie muszą zważać na przestrzeń ani czas.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jim Baggott | dodano: 2020-06-09
Zarodki nowych wszechświatów

Fot. Indigo Images

 

Naukowcy próbują ustalić strukturę przestrzeni, czasu i materii, a także co było przed Wielkim Wybuchem

Być może zaskoczeniem dla niektórych jest fakt, że dość łatwo możemy sobie wyobrazić okoliczności, w których prawa fizyki mogłyby się zmienić. Zniknięcie osobliwości Wielkiego Wybuchu w pętlowej kosmologii kwantowej oznacza, że przed naszym wszechświatem mógł istnieć inny wszechświat. Jeśli w chwili odbicia prawa fizyki nie znikają całkowicie, ale ulegają jedynie nieznacznym przypadkowym zmianom, to być może uda nam się kiedyś zrozumieć, jak prawa te zmieniały się z biegiem czasu we wszechświecie, który podlega powtarzającym się cyklom odbicia, ekspansji, kurczenia się i ponownego odbicia. Taka cykliczna pętlowa kosmologia kwantowa nadal wymaga przyjęcia założenia o kosmicznej inflacji i choć nieco zmniejsza wagę problemu warunków początkowych, to całkowicie go nie rozwiązuje.

Zderzenia bran

Uczeni zaproponowali jednak również inne kosmologie cykliczne, w których nie ma osobliwości Wielkiego Wybuchu ani inflacji (szybkie rozszerzanie się wszechświata). Jeden z takich modeli opracowali w 2001 r. fizycy Paul Steinhardt, Justin Khoury, Burt Ovrut i Neil Turok. Model ten opiera się na wykorzystaniu zjawiska zderzeń bran (w teorii strun brany używane są jako punkty zamocowania strun; teoria strun to model matematyczny przewidujący, że podstawowym budulcem materii nie są cząstki, lecz struny wielkości 10‒31 m), podczas których niewielka część energii zderzeń przekształca się w gorące promieniowanie. Z naszego punktu widzenia takie zderzenie mogłoby być Wielkim Wybuchem, po którym następuje przyspieszona ekspansja bez potrzeby wprowadzania inflacji. Brany zderzają się, a potem ulegają rozdzieleniu, ale nigdy nie oddalają się od siebie na tyle, by wydostać się spod wpływu wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Po upływie kilku bilionów lat dochodzi do ponownego zderzenia bran. Wszechświat się odnawia i cały cykl zaczyna się od nowa.

Ponieważ w tym modelu nie ma potrzeby wprowadzania inflacji kosmologicznej, nie pojawiają się w nim też pierwotne fale grawitacyjne. Jednak, jak to się mówi, brak dowodu nie jest dowodem braku – fakt, że uczonym nie udało się jeszcze wykryć pierwotnych fal grawitacyjnych, nie oznacza, iż nie uda się ich odkryć w przyszłości. Modele cykliczne przewidują również, że różnice temperatury w kosmicznym promieniowaniu tła nie powinny być całkowicie przypadkowe, i ponowna analiza najnowszych danych zgromadzonych przez satelitę Planck doprowadziła do wniosku, że dane te zupełnie nie zgadzają się z najprostszymi scenariuszami inflacyjnymi.

Najlepiej więc będzie, jeśli stwierdzimy, że fizykom nie udało się jeszcze rozstrzygnąć tej kwestii. To prawda, że kosmologie cykliczne nie mają większego sensu, jeśli nie przyjmie się założenia, że czas jest rzeczywisty. Paul Steinhardt i Neil Turok przekonują też, że model cykliczny popycha wszechświat w kierunku znanych nam praw i warunków początkowych: „Mechanizm napędzający cykle jest łagodny i samoregulujący się. […] Prostota i skąpstwo rządzą. W zasadzie każdy skrawek co jakiś czas tworzy galaktyki, gwiazdy, planety i życie”. Jeżeli jednak każde zderzenie zeruje prawa i warunki początkowe, a następnie nadaje im losową postać – jak należałoby się spodziewać – to trudno zrozumieć, w jaki sposób kolejne cykle mogłyby zapewnić powstanie takiego wszechświata, jaki jest nam potrzebny.

 

Kosmologiczny dobór naturalny

Musimy znaleźć model mechaniczny, który podąża nieugięcie w kierunku takiej złożoności praw i warunków początkowych, jaka przeważa w naszym wszechświecie. Lee Smolin, amerykański fizyk teoretyczny, opisuje taki właśnie model w swojej pierwszej książce „Życie wszechświata”, wydanej w 1997 r. Nazywa go kosmologicznym doborem naturalnym. W modelu tym zakłada działanie swoistego recyklingu, ale nie w takim rozumieniu, jakie spotykamy w kosmologiach cyklicznych. Smolin zakłada mianowicie, że rozsiane po wszechświecie czarne dziury same są zarodkami, z których powstają zupełnie nowe obszary czasoprzestrzeni, czyli nowe wszechświaty. W pętlowej kosmologii kwantowej przodkiem nowego wszechświata jest zapadający się wszechświat, istniejący przed Wielkim Odbiciem.

W modelu kosmologicznego doboru naturalnego przodkiem nowego wszechświata jest czarna dziura, istniejąca przed jego odbiciem. W takiej sytuacji są większe szanse na pojawienie się „typowego” wszechświata, ponieważ każdy macierzysty wszechświat ma liczne potomstwo (wiele czarnych dziur). Podobnie jak ewolucja życia na Ziemi kształtuje się pod wpływem procesów losowych mutacji genetycznych i doboru naturalnego, z biegiem czasu wszechświat będzie dążył do samopodtrzymującej się struktury, maksymalizując liczbę czarnych dziur.

 

Więcej informacji w książce Jima Baggotta „Przestrzeń kwantowa. Pętlowa grawitacja kwantowa i poszukiwanie struktury przestrzeni, czasu i wszechświata”, Prószyński i S-ka, 2020.