Twoja wyszukiwarka

MARIUSZ DĄBROWSKI
OSCYLUJĄCE WSZECHŚWIATY
Wiedza i Życie nr 2/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 2/1997

NOWE HIPOTEZY Z DZIEDZINY FIZYKI WYSOKICH ENERGII I CZĄSTEK ELEMENTARNYCH PODWAŻAJĄ DOMINUJĄCY WSPÓŁCZEŚNIE POGLĄD, ŻE WSZECHŚWIAT ROZPOCZĄŁ SIĘ OD STANU O NIESKOŃCZONEJ GĘSTOŚCI. WIELOMA GŁOSAMI POWRACA DO ŻYCIA STAROŻYTNA IDEA WSZECHŚWIATA TRWAJĄCEGO WIECZNIE - CYKLICZNIE PRZECHODZĄCEGO KOLEJNE ETAPY EWOLUCJI, ZNIKAJĄCEGO, BY PONOWNIE SIĘ ODRODZIĆ, BYĆ MOŻE W ZMIENIONEJ FORMIE...

Natura, jak się nam dziś wydaje, zna cztery typy oddziaływań fundamentalnych. Dwa z nich, grawitacyjne i elektromagnetyczne, swoim zasięgiem mogą obejmować nieskończony obszar przestrzeni, podczas gdy dwa pozostałe, zwane słabymi i silnymi, ujawniają się tylko na obszarach o promieniu nie większym od promienia jądra atomowego (10-13). Innymi słowy, dwie cząstki elementarne, które dzieli odległość większa od promienia jądra atomowego, mogą ze sobą oddziaływać grawitacyjnie i elektromagnetycznie, lecz nie słabo lub silnie.

Jednak nie wszystkie cząstki wywierają na siebie wpływ za pomocą określonego typu oddziaływania. Aby tak było, muszą mieć pewną cechę: odpowiedni ładunek - wielkość, która w szczególnym przypadku jest ładunkiem elektrycznym. Wyjątek stanowi tutaj oddziaływanie grawitacyjne, którego ładunkami są po prostu masy i które jest powszechne w tym sensie, że wszystkie cząstki podlegają temu oddziaływaniu. Jednak, mimo powszechności, oddziaływanie grawitacyjne jest znacznie słabsze od pozostałych i o ile determinuje ono wielkoskalową strukturę Wszechświata (1028 cm), o tyle jego wpływ na zjawiska zachodzące w głębi jąder atomowych jest zaniedbywalny. Wraz z odkryciem oddziaływań słabych i silnych zrodziła się myśl, że, na podobieństwo zjawisk elektrycznych i magnetycznych, połączonych w jedno oddziaływanie elektromagnetyczne, wszy-
stkie cztery oddziaływania mogą tworzyć jedno - nazywamy je zunifikowanym - oddziaływanie. W dużym uproszczeniu: aby cząstki mogły ze sobą oddziaływać za pomocą tego zunifikowanego oddziaływania, powinny znajdować się bardzo blisko siebie, znacznie bliżej, niż wynosi promień jądra atomowego. Aby cała materia Wszechświata mogła oddziaływać w ten sposób, należałoby wszystkie jego cząstki skupić w bardzo małym obszarze o ogromnej gęstości.

Fot. NASA

Obecnie mamy już bardzo dobrze ugruntowaną eksperymentalnie teorię oddziaływań elektrosłabych (Salama-Weinberga). Dwie cząstki zbliżone do siebie na odległość równą lub większą od promienia jądra atomowego mogą oddziaływać tylko słabo albo tylko elektromagnetycznie z odpowiednimi cząstkami podlegającymi temu samemu typowi oddziaływania; jednak zbliżone do siebie jeszcze bardziej, mogą oddziaływać ze sobą zarówno elektromagnetycznie, jak i słabo z jednakowym prawdopodobieństwem. Cząstki oddziałujące elektromagnetycznie mogą zamieniać się w cząstki oddziałujące słabo i odwrotnie bez żadnego problemu.

Fizykom udało się również stworzyć teorię opisującą możliwość wzajemnego oddziaływania cząstek, które na dużych odległościach wywierają na siebie wpływ poprzez elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe lub silne. Według takiej teorii cząstki oddziałujące elektromagnetycznie mogą zamieniać się w cząstki oddziałujące słabo lub silnie, cząstki oddziałujące słabo w cząstki oddziałujące elektromagnetycznie i silnie, a cząstki oddziałujące silnie w cząstki oddziałujące elektromagnetycznie i słabo. Teorię tę nazywa się teorią oddziaływań elektrosłabosilnych (lub Wielką Teorią Unifikacji). Wynika z niej, że aby cząstki mogły oddziaływać ze sobą elektrosłabosilnie, muszą zbliżyć się do siebie na odległość co najmniej milion miliardów mniejszą od promienia jądra atomowego (10-30 cm).

Wcześniej wspominałem już, że grawitacja jest stosunkowo słaba i można ją zaniedbać na odległościach mniejszych niż promień jądra atomowego. Jest to słuszne tylko do pewnej granicy. Gdybyśmy ścisnęli podstawowy składnik jądra atomowego, proton, do rozmiarów 10-54 cm, wytworzyłby on tak silne pole grawitacyjne, że spowodowałoby ono jego kurczenie się i powstanie czarnej dziury. Dla cząstki o hipotetycznej masie 10-5 g, zwanej masą Plancka, zajmującej obszar o promieniu sto miliardów miliardów mniejszym od promienia jądra atomowego (czyli 10-33 cm; wartość tę zwiemy długością Plancka), grawitacja staje się znów oddziaływaniem dominującym. Wszystkie teorie unifikujące: elektromagnetyczna, elektrosłaba oraz elektrosłabosilna są teoriami kwantowymi. W mechanice kwantowej położenie i pęd badanej cząstki można wyznaczyć z dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Położenie cząstki w danym punkcie przestrzeni jest określone tylko przez pewne niezerowe prawdopodobieństwo, nigdy przez pewność, jak dzieje się to w mechanice klasycznej, a pojęcie toru cząstki traci swój klasyczny sens. Te założenia prowadzą do wielu zadziwiających zjawisk.

Jednym z nich jest efekt tunelowy. Jeśli rzucimy piłkę w kierunku ściany domu, to - bazując na doświadczeniu z mechaniki klasycznej - spodziewamy się, że piłka odbije się od ściany. Jednak dla mikroskopowych cząstek, których prawa ruchu opisuje mechanika kwantowa, istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że przenikną one przez ścianę. Bardziej formalnie mówimy w takim przypadku, że cząstka tunelowała przez barierę potencjału. Zjawisko to znalazło swoje praktyczne zastosowanie w diodzie tunelowej. Zupełnie inną naturę ma teoria opisująca oddziaływanie grawitacyjne: ogólna teoria względności (OTW) Alberta Einsteina, która w ogóle nie odwołuje się do mechaniki kwantowej. U jej podstaw leży idea utożsamienia materii reprezentowanej przez masy (równoważne energii) z geometrią czterowymiarowego bytu fizycznego, zwanego czasoprzestrzenią. Jeśli nie ma cząstek (mas), znika również czasoprzestrzeń; jeśli są cząstki, istnieje czasoprzestrzeń, która jest tym bardziej zakrzywiona, im więcej cząstek zawiera. Gdyby wszystkie cząstki skupić w jednym miejscu, odpowiadałoby to nieskończonemu zakrzywieniu czasoprzestrzeni. Takie miejsca w OTW nazywamy osobliwościami. Nie należą one do czasoprzestrzeni i do ich opisu OTW już nie wystarcza.

Obserwacje przesunięć ku czerwieni w widmach odległych galaktyk we Wszechświecie dowodzą, że Wszechświat się rozszerza. Oznacza to, że cofając się w czasie dojdziemy do punktu, w którym wszystkie obserwowane przez nas obecnie cząstki mogły skupiać się w obszarze o promieniu o wiele mniejszym od długości Plancka - w osobliwości, którą nazywamy osobliwością początkową. Z drugiej strony, wędrując w przyszłość w czasie, możemy dotrzeć do chwili, w której grawitacja powstrzyma rozszerzanie się Wszechświata i zacznie się on kurczyć. Wówczas wszystkie cząstki - wraz z obserwatorami - po pewnym czasie zostaną wtłoczone do niewielkiego obszaru, który nazywamy osobliwością końcową.

Ryc. 1

Jeśli za podstawową wielkość fizyczną przyjąć funkcję czasu, określającą zmia-
nę odległości pomiędzy dwiema cząstkami w przestrzeni (nazywamy ją czynnikiem skali), to wykres przedstawiający ewolucję Wszechświata może, w dużym uproszczeniu, wyglądać jak połowa sinusoidy, która zaczyna się w zerze, osiąga w pewnej chwili wartość maksymalną i ponownie wraca do zera po skończonym czasie (ryc. 1). W myśl tego scenariusza, nie umiemy powiedzieć, skąd wziął się Wszechświat (osobliwość początkowa), a do tego jesteśmy przekonani, że na pewno rozpocznie się faza kurczenia i wszyscy zostaniemy "zgnieceni" w osobliwości końcowej.

Aby uniknąć fazy kurczenia, należałoby poszukać czy-
nnika, który mógłby przeciwstawić się powszechnemu grawitacyjnemu przyciąganiu. Takim czynnikiem może być ujemne ciśnienie. W OTW dodatnie ciśnienie powoduje jeszcze silniejsze przyciąganie grawitacyjne; natomiast ciśnienie ujemne działa jak grawitacyjne odpychanie. Ów pomysł pochodzi od samego Einsteina, który zastosował go pierwotnie do stworzenia modelu Wszechświata trwającego wiecznie; nie podlega on ewolucji w czasie, gdyż grawitacyjne przyciąganie jest równoważone przez odpychanie. Taki model w
sposób oczywisty przeczy danym obserwacyjnym, ale z pomocą przychodzą tutaj najnowsze pomysły z zakresu jednolitej teorii oddziaływań elektrosłabosilnych.

Ryc. 2

Jest oczywiste, że cofając się w czasie blisko osobliwości początkowej dojdziemy do stanu, w którym wszystkie cząstki znajdą się tak blisko siebie, aby mogły oddziaływać elektrosłabosilnie. Dzieje się to przy bardzo wysokiej temperaturze i przejście do stanu, w którym są już jedynie cząstki oddziałujące tylko elektrosłabo albo tylko silnie, można porównać do krystalizacji cieczy (przejście ciecz-ciało stałe). Produktem takiej przemiany są - podobnie jak przy krystalizacji cieczy - obszary oddzielające domeny fazy stałej, zwane ścianami domen. Ich grubość nie przekracza ułamków milimetra, ale materia, z których są zbudowane, została bardzo ściśnięta i wobec tego mają one ogromną masę. Najciekawsze jest to, że ich napięcie powierzchniowe odpowiada ujemnemu ciśnieniu, a zatem - sile odpychającej. Okazuje się, że dopuszczenie możliwości występowania wielu ścian domen we Wszechświecie pozwala na skonstruowanie uogólnionej wersji einsteinowskiego modelu statycznego Wszechświata, w którym grawitacyjne przyciąganie konkuruje z odpychaniem, spowodowanym ujemnym ciśnieniem ścian domen. Co więcej, w takim wszechświecie dochodzi do cyklicznej dominacji jednego lub drugiego czynnika. W takim modelu nie ma ani osobliwości początkowej, ani końcowej; wszechświat trwa wiecznie, a jednocześnie fakt ów nie przeczy danym obserwacyjnym, ponieważ w historię wszechświata wkomponowane są fazy rozszerzania, które przeplatają się z fazami kurczenia. Wykres przedstawiający ewolucję takiego wszechświata (lub ściślej: zmiany odległości między dwiema cząstkami w czasie) można porównać do sinusoidy przesuniętej w dodatnim kierunku osi y (ryc. 2). W takim wszechświecie dwie cząstki zbliżają się do siebie na pewną odległość minimalną, potem oddalają maksymalnie, by znów zbliżyć się do siebie, i tak w nieskończoność. W owym modelu istnieją pewne ograniczenia obserwacyjne na najmniejszą odległość między cząstkami, ale można go w zadziwiający sposób powiązać z modelem poprzednim, w którym takiego ograniczenia nie ma i który jest wciąż uważany za model standardowy.

Ryc. 3

Aby tego dokonać, wróćmy do wcześniejszych rozważań, dotyczących oddziaływania grawitacyjnego. Otóż na odległościach sto miliardów miliardów mniejszych niż promień jądra atomowego grawitacja staje się znów oddziaływaniem dominującym i w tej skali możemy dokonać próby połączenia jej z oddziaływaniem elektrosłabosilnym. Jak już wspominałem, teoria oddziaływania elektrosłabosilnego jest teorią kwantową, podczas gdy OTW to teoria klasyczna. Pojawiające się w OTW osobliwości mają naturę klasyczną; jeśli zatem chcemy je usunąć lub dowiedzieć się, "co było przedtem", musimy uwzględnić mechanikę kwantową. Problem ten jest największym wyzwaniem fizyki końca XX wieku, a teorię będącą połączeniem mechaniki kwantowej i OTW nazywa się kwantową grawitacją. Jej część dotycząca ewolucji całego Wszechświata zyskała miano kosmologii kwantowej, w odróżnieniu od kosmologii klasycznej, której rezultatem są, między innymi, modele opisane na rycinach 1 i 2.

Na początku lat osiemdziesiątych David Atkatz i Heinz Pagels wykazali (ideę tę rozwinęli później: Alexander Vilenkin oraz James Hartle i Stephen Hawking), że mechanika kwantowa dopuszcza stworzenie wszechświata ex nihilo - z niczego. Umożliwia to zjawisko tunelowania wszechświata przez barierę potencjału, analogiczne do wspomnianego wcześniej przeniknięcia piłki przez barierę ściany. Z jednej strony bariery znajduje się wszechświat o promieniu równym zero - coś, co interpretujemy jako "nic". Z pewnym niezerowym prawdopodobieństwem może on pojawić się po drugiej stronie bariery jako wszechświat rozpoczynający rozszerzanie się ze stanu o minimalnych rozmiarach.

Tunelowanie wszechświata "z niczego" nie stanowi może zbyt wielkiego zaskoczenia, ponieważ mamy do czynienia z obiektem o rozmiarach mniej więcej sto miliardów miliardów razy mniejszych niż promień jądra atomowego - obiektem mikroskopowym, dla którego mechanika kwantowa jest teorią najwłaściwszą.

Okazuje się jednak, że do podobnego wydarzenia może również dojść w przypadku wszechświata, którego rozmiary są zbliżone do promienia obserwowanego kosmosu - słowem, dla wszechświata o rozmiarach makroskopowych. Albowiem istnieje pewne niezerowe prawdopodobieństwo tunelowania wszechświata, którego rozmiary osiągnęły maksymalną wielkość i który z fazy rozszerzania przechodzi do fazy kurczenia. Innymi słowy, model oscylujący pozwala klasycznemu wszechświatowi na uniknięcie fazy kurczenia się, która grozi zgnieceniem całej materii w osobliwości końcowej.

Niestety, niebezpieczeństwo natrafienia ponownie na osobliwość końcową wciąż istnieje, gdyż wszechświat oscylujący może z równym prawdopodobieństwem tunelować w momencie osiągnięcia najmniejszych rozmiarów do stanu, w którym rozszerzanie przechodzi w
kurczenie się; wówczas musiałby się znów skurczyć (ryc. 3).

W kwantowej kosmologii pojawia się wiele problemów interpretacyjnych. Co na przykład znaczy tunelowanie wszechświata "z niczego"? Czy należy to traktować dosłownie, czy też kryją się za tym jakieś założenia natury filozoficznej lub konkretne byty fizyczne (chociażby fizyczna próżnia, jak sądzi Vilenkin, czy też czasoprzestrzenna "piana" Wheelera)?

Jedno jest pewne, "nic" oznacza, że nie ma już klasycznego pojęcia czasoprzestrzeni, a co ciekawsze, nie istnieje nawet pojęcie czasu. Rodzi się także pytanie, czy makroskopowy wszechświat, który tuneluje, przyjmując postać wszechświata oscylującego, to ten sam wszechświat, który tylko zmienił swój stan, czy jakiś inny, istniejący niezależnie? Te i wiele innych pytań pozostaje wciąż bez odpowiedzi.

Dr MARIUSZ P. DĄBROWSKI pracuje w Katedrze Fizyki Uniwersytetu Szczecińskiego; prowadzi badania nad relatywistycznymi modelami Wszechświata, kosmologią kwantową oraz zunifikowaną teorią czterech oddziaływań fundamentalnych, zwaną teorią strun.