Kosmologia kwantowa- Michał Heller.pdf

KOSMOLOGIA KWANTOWA

NA iCliłKACH

NAUKI

W 2000 roku w serii ukazały się:

Michio Kaku: Wizje, czyli jak nauka zmieni świat w XXI wieku

Rudolf Kippenhahn: Tajemne przekazy. Szyfry, Enigma i karty chipowe

Giną Kołata: Klon. Doiły była pierwsza

Donald Goidsmith: W poszukiwaniu Ŝycia na Marsie

Meyer Friedman, Gerald W. Friedland: Dziesięć największych odkryć

w medycynie

Deborah B l urn: Mózg i płeć. O biologicznych róŜnicach między

kobietami a męŜczyznami

Jared Diamond: Strzelby, zarazki, maszyny. Losy ludzkich społeczeństw

Z powrotem na Ziemię. Spór o pochodzenie cywilizacji ludzkich.

Pod redakcja Andrzeja K. Wróblewskiego

Witold Sadowski: Femme fatale. Trzy opowieści o królowej nauk

Alan H. Guth: Wszechświat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teorii

pochodzenia kosmosu

W 2001 w serii ukazały się:

Ed Regis: Nanotechnologia, czyli świat cząsteczka po cząsteczce

Brian Greene: Piękno Wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary

i poszukiwanie teorii ostatecznej

Fred Hoyle: Mój dom kędy wieją wiatry. Stronice z Ŝycia kosmologa

Richard Dawkins: Rozplatanie tęczy. Nauka, złudzenia i apetyt na cuda

CarI Sagan: Miliardy, miliardy. RozwaŜania o Ŝyciu i śmierci u schyłku

tysiąclecia

Andrzej Jerzmanowski: Geny i Ŝycie. Niepokoje współczesnego biologa

W przygotowaniu:

John J. Medina: Zegar Ŝycia. Dlaczego się starzejemy? Czy moŜna

cofnąć czas?

E. C. Krupp: Obserwatorzy nieba, szamani i królowie. Astronomia

i archeologia mocy

MICHAŁ HELLER

KOSMOLOGIA

KWANTOWA

"Prószy nski i S-ka

Warszawa 2001

Projekt okładki

Katarzyna A. Jarnuszkiewicz

Ilustracja na okładce

Science Photo Library/EAST NEWS

Ilustracje w ksiąŜce

Dorota Ostaszewska

na podstawie szkiców Autora

ISBN 83-7255-054-9

Wydawca

Prószyński i S-ka SA

ul. GaraŜowa 7

02-651 Warszawa

Druk i oprawa

OPOLGRAF

Spółka Akcyjna

ul. Niedziałkowskiego 8/12

45-085 Opole

SPIS RZECZY

WStęp 9

1 Czy współczesna fizyka jest chora na schizofrenię? 15

Stulecie fizyki 15

Rozdwojenie jaźni i strategia przybliŜeń 17

W erze Plancka 20

2 Względność i kwanty 22

Teorie i eksperymenty 22

Czasoprzestrzeń 23

Geometria przestrzeni Hllberta 25

Geometria czasoprzestrzeni 28

Obserwable 30

3 Jak teoretycy traktują Wszechświat? 33

Epoka Plancka 33

Ostateczny akcelerator 35

Co to jest model kosmologiczny? 36

Modele Friedmana 37

Co wolą obserwatorzy, a co teoretycy? 40

4 Kwantowanie kanoniczne 44

Program kanonicznego kwantowania 44

Przestrzeń stanów i kwantowanie 45

Geometrodynamika Wheelera 48

Kwantowy świat Wheelera-DeWitta 52

Trudności i perspektywy 54

6 • KOSMOLOGIA KWANTOWA

5 Ku jedności

Jedność w wielości

Unifikacja oddziaływań

Siły i symetrie

Supersymetria l superuniflkacja

Supergrawitacja

Superstruny

6 Wszechświat Hawkinga

Parowanie czarnych dziur

Czasoprzestrzenne tuby

Kwantowe stworzenie Wszechświata

Bez warunków brzegowych i początkowych

7 Wszechświat i instantony

Program badawczy Hawkinga

Instanton i inflacja

Inflacja w otwartym wszechświecie

Fluktuacje i struktura Wszechświata

8 Teoria M

Ocean struktur

Struny l superstruny

Świat wielkich wymiarów

Odkrywanie M-asywu

9 Ekpyrotyczny wszechświat

M-teorla l kosmologia

ZałoŜenia modelu

Scenariusz początku

Chwila na refleksję

10 Struktura początku i końca

Rywale

O entropii geometrycznie

Entropia l Wszechświat

Entropia czarnych dziur

100

104

106

SPIS RZECZY • 7

Termodynamika w pracowni Pana Boga

Struktura osobliwości

Kwantowa teoria grawitacji

Pod prąd

11 Nieprzemienny wszechświat

Gdzie szukać?

Nieprzemlenność l jej następstwa

Nieprzemienne modele

Bezczasowa fizyka

Przyczynowość

Nieprzemienny wszechświat

12 Od superstrun do geometrii nieprzemlenneJ

Zero-brany

Piana czasoprzestrzeni i jeszcze dalej

Próba scenariusza

Paradoks horyzontu l inne trudności

Zakończenie: w erze Plancka fizyka

spotyka się z filozofią

Bibliografia

Indeks

108

109

111

113

115

117

119

121

124

125

129

131

134

136

142

148

150

WSTĘP

Wyraz "wstęp" jest znaczeniowo rozmyty. MoŜe znaczyć

wstęp-wejście, na przykład "Wstęp wzbroniony", lub

wstęp-wprowadzenie, chociaŜby wstęp do ksiąŜki. Ale obydwa

te znaczenia mają ze sobą coś wspólnego: odwołują się do ja-

kiegoś wejścia, do drzwi, które dokądś prowadzą; zapraszają

do przejścia przez nie lub - przeciwnie - zakazują wstępu. Ja,

oczywiście, zapraszam Czytelnika, by wszedł. Wejście prowadzi

na taras widokowy, z którego moŜna podziwiać niezwykłą pa-

noramę. Ale nie jest to panorama w stanie gotowym - jak pa-

smo górskie rozciągające się na linii horyzontu: wystarczy tyl-

ko lekko odwrócić głowę, by móc kontemplować inny jego frag-

ment. Raczej jest to coś w rodzaju panoramicznego filmu, i to

z nie do końca ustalonym scenariuszem. Akcja dopiero się

tworzy. W jakim pójdzie kierunku? - w duŜej mierze zaleŜy to

od dotychczasowej drogi.

U wejścia na taras nie ma więc tabliczki z napisem "Wstęp

wzbroniony". KaŜdy jest mile widzianym gościem. Ale muszę

ostrzec: kto boi się intelektualnego wysiłku, pewnej myślowej

dyscypliny, niech raczej nie wchodzi. Poszukiwanie zbyt ła-

twych doznań na tym terenie moŜe grozić logicznym chaosem

i pomysłami, które prowadzą na manowce. Cała panorama,

choć jeszcze w stanie dynamicznego rozwoju, opiera się na dą-

Ŝeniu do matematycznej precyzji. Właśnie to sprawia, Ŝe pano-

rama Jest wyjątkowo piękna. Z chwilą gdy precyzja zostaje

osiągnięta, umysł w jasnym - ale nie oślepiającym - świetle

10 • KOSMOLOGIA KWANTOWA

dostrzega harmonię l konieczność. Konieczność polega na tym,

Ŝe jeśli postawi się jeden krok, to bardzo często natychmiast

wiadomo, w jakim kierunku naleŜy postawić krok następny.

Kolejne kroki układają się w logiczny ciąg, który jest w stanie

zaprowadzić tam, gdzie zwykły wzrok nie sięga, i ukazać takie

perspektywy, których istnienia dotychczasowy "zdrowy rozsą-

dek" nawet nie podejrzewał.

Cała panorama jest równieŜ dlatego tak wstrząsająco pięk-

na, Ŝe u jej podstaw kryje się poszukiwanie zrozumienia - zro-

zumienia najbardziej fundamentalnego: Dlaczego Wszechświat

jest, jaki jest? Jak myśmy się w nim znaleźli? Jaka Jest nasza

w nim rola? Na pytania te nie znamy dziś pełnej odpowiedzi

- to prawda; ale potrafimy je, zwłaszcza pierwsze z nich, prze-

tłumaczyć na wiele bardziej szczegółowych pytań i na niektóre

z tych pytań odpowiedzieć juŜ całkiem sensownie. Pytania nie-

zupełnie jeszcze jasne takŜe mają swoje znaczenie. MoŜe juŜ

wkrótce i one zaczną poddawać się naszej poznawczej pasji.

Chęć rozumienia jest w nas tak potęŜna, Ŝe raz postawionych

pytań nie da się juŜ wycofać.

Chcąc zrozumieć podstawy Wszechświata, musimy zrozu-

mieć podstawy fizyki. Problemem numer jeden współczesnej

fizyki jest połączenie dwóch jej wielkich teorii: ogólnej teorii

względności i mechaniki kwantowej. Ogólna teoria względno-

ści, czyli Einsteinowska teoria grawitacji, daje dobry obraz

Wszechświata w jego wielkiej skali - w skali galaktyk, ich

gromad i supergromad. Mechanika kwantowa pozwala zro-

zumieć Wszechświat na poziomie atomowym i subatomo-

wym, czyli na poziomie elektronów, protonów, kwarków

i gluonów. Ale obydwie te teorie dotychczas funkcjonują nie-

zaleŜnie od siebie l posługują się matematycznymi metoda-

mi, które diametralnie róŜnią się od siebie. A przecieŜ

Wszechświat wymagający zrozumienia jest jeden i, co więcej,

obie teorie niedwuznacznie sugerują, Ŝe na poziomie najgłęb-

szym muszą się zjednoczyć: grawitacja powinna ujawnić

swoje kwantowe oblicze, a metody kwantowe rozciągnąć się

takŜe na grawitację. Tym, czego szukamy, jest więc kwanto-

wa teoria grawitacji.

WSTĘP • 11

Metody współczesnej mechaniki kwantowej są w znacznej

mierze całościowe. W układzie kwantowym Jego części są ze

sobą "splecione" w taki sposób, Ŝe jedne wiedzą o drugich, na-

wet gdy są od siebie bardzo oddalone. WyraŜenie "splecione"

(entangled), pojawiające się w poprzednim zdaniu, nie jest fi-

gurą retoryczną, lecz terminem technicznym. Splecenie ukła-

du kwantowego oznacza, iŜ Jest on całością do tego stopnia, Ŝe

manipulacja jakąkolwiek jego częścią natychmiast odbija się

na całości. I to bez względu na przestrzenne oddalenie: dwa fo-

tony mogą tworzyć układ spleciony nawet wtedy, gdy znajdują

się na przeciwległych krańcach supergromady galaktyk. JeŜeli

ta cecha mechaniki kwantowej (a Jest to jej cecha Istotna)

przetrwa zjednoczenie z ogólną teorią względności, to teoria

kwantowej grawitacji musi być równieŜ kwantową kosmologią.

Kwantowy Wszechświat będzie "jeszcze bardziej jednością" niŜ

Wszechświat obecnej kosmologii, opartej na Einsteinowsklej

teorii grawitacji. Tytuł ksiąŜki, którą obecnie przekazuję Czy-

telnikowi - Kosmologia kwantowa - nie został wybrany przy-

padkowo. Fundamentalna teoria fizyczna nie moŜe nie być teo-

rią Wszechświata.

Metoda fizyki odznacza się swoistą agresywnością. Nigdy nie

zadowala się juŜ osiągniętym wynikami, lecz ciągle atakuje

problemy, jakie nasuwa namysł nad logiką dotychczasowych

wyników. Włoski filozof nauki, Evandro Agazzi, napisał kiedyś:

"zadaniem naukowca jest poszerzanie granic nauki, ale nigdy

ich przekraczanie".1 Poszerzanie granic nauki dokonuje się

właśnie dzięki tej agresywności. JuŜ rozwiązane problemy, sta-

wiając coraz to nowe pytania, wywierają swojego rodzaju ci-

śnienie na dotychczasowe granice fizyki i - w miarę uzyskiwa-

nia odpowiedzi na przynajmniej niektóre z pytań - stopniowo

wymuszają przesuwanie się tych granic. Teren pogranicza jest

zawsze niespokojny. Tu metoda funkcjonuje na skraju swoich

moŜliwości. Tu przebiega front badań naukowych, o włos gra-

niczący z polem niezbadanych moŜliwości. Zagadnienia, Jakie

' "Granice wiedzy naukowej a hipoteza transcendencji", w: Refleksje na rozdro-

Ŝu. Pod red. S. Wszelka. OBI-Kraków, Biblos, Tarnów 2000, s. 183.

12 • KOSMOLOGIA KWANTOWA

się tu porusza, są największym wyzwaniem l zwykle one niosą

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: