KOSMOLOGIA KWANTOWA NA iCli�KACH NAUKI W 2000 roku w serii ukaza�y si�: Michio Kaku: Wizje, czyli jak nauka zmieni �wiat w XXI wieku Rudolf Kippenhahn: Tajemne przekazy. Szyfry, Enigma i karty chipowe Gin� Ko�ata: Klon. Doi�y by�a pierwsza Donald Goidsmith: W poszukiwaniu �ycia na Marsie Meyer Friedman, Gerald W. Friedland: Dziesi�� najwi�kszych odkry� w medycynie Deborah B l urn: M�zg i p�e�. O biologicznych r�nicach mi�dzy kobietami a m�czyznami Jared Diamond: Strzelby, zarazki, maszyny. Losy ludzkich spo�ecze�stw Z powrotem na Ziemi�. Sp�r o pochodzenie cywilizacji ludzkich. Pod redakcja Andrzeja K. Wr�blewskiego Witold Sadowski: Femme fatale. Trzy opowie�ci o kr�lowej nauk Alan H. Guth: Wszech�wiat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teorii pochodzenia kosmosu W 2001 w serii ukaza�y si�: Ed Regis: Nanotechnologia, czyli �wiat cz�steczka po cz�steczce Brian Greene: Pi�kno Wszech�wiata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej Fred Hoyle: M�j dom k�dy wiej� wiatry. Stronice z �ycia kosmologa Richard Dawkins: Rozplatanie t�czy. Nauka, z�udzenia i apetyt na cuda CarI Sagan: Miliardy, miliardy. Rozwa�ania o �yciu i �mierci u schy�ku tysi�clecia Andrzej Jerzmanowski: Geny i �ycie. Niepokoje wsp�czesnego biologa W przygotowaniu: John J. Medina: Zegar �ycia. Dlaczego si� starzejemy? Czy mo�na cofn�� czas? E. C. Krupp: Obserwatorzy nieba, szamani i kr�lowie. Astronomia i archeologia mocy MICHA� HELLER KOSMOLOGIA KWANTOWA "Pr�szy nski i S-ka Warszawa 2001 Copyright (c) by Micha� Heller 2001 Projekt ok�adki Katarzyna A. Jarnuszkiewicz Ilustracja na ok�adce Science Photo Library/EAST NEWS Ilustracje w ksi��ce Dorota Ostaszewska na podstawie szkic�w Autora ISBN 83-7255-054-9 Wydawca Pr�szy�ski i S-ka SA ul. Gara�owa 7 02-651 Warszawa Druk i oprawa OPOLGRAF Sp�ka Akcyjna ul. Niedzia�kowskiego 8/12 45-085 Opole SPIS RZECZY WSt�p 9 1 Czy wsp�czesna fizyka jest chora na schizofreni�? 15 Stulecie fizyki 15 Rozdwojenie ja�ni i strategia przybli�e� 17 W erze Plancka 20 2 Wzgl�dno�� i kwanty 22 Teorie i eksperymenty 22 Czasoprzestrze� 23 Geometria przestrzeni Hllberta 25 Geometria czasoprzestrzeni 28 Obserwable 30 3 Jak teoretycy traktuj� Wszech�wiat? 33 Epoka Plancka 33 Ostateczny akcelerator 35 Co to jest model kosmologiczny? 36 Modele Friedmana 37 Co wol� obserwatorzy, a co teoretycy? 40 4 Kwantowanie kanoniczne 44 Program kanonicznego kwantowania 44 Przestrze� stan�w i kwantowanie 45 Geometrodynamika Wheelera 48 Kwantowy �wiat Wheelera-DeWitta 52 Trudno�ci i perspektywy 54 6 � KOSMOLOGIA KWANTOWA 5 Ku jedno�ci Jedno�� w wielo�ci Unifikacja oddzia�ywa� Si�y i symetrie Supersymetria l superuniflkacja Supergrawitacja Superstruny 6 Wszech�wiat Hawkinga Parowanie czarnych dziur Czasoprzestrzenne tuby Kwantowe stworzenie Wszech�wiata Bez warunk�w brzegowych i pocz�tkowych 7 Wszech�wiat i instantony Program badawczy Hawkinga Instanton i inflacja Inflacja w otwartym wszech�wiecie Fluktuacje i struktura Wszech�wiata 8 Teoria M Ocean struktur Struny l superstruny �wiat wielkich wymiar�w Odkrywanie M-asywu 9 Ekpyrotyczny wszech�wiat M-teorla l kosmologia Za�o�enia modelu Scenariusz pocz�tku Chwila na refleksj� 10 Struktura pocz�tku i ko�ca Rywale O entropii geometrycznie Entropia l Wszech�wiat Entropia czarnych dziur 91 91 92 93 96 98 98 100 104 106 SPIS RZECZY � 7 56 56 57 60 64 64 66 70 70 71 73 76 79 79 81 82 83 84 84 85 87 89 Termodynamika w pracowni Pana Boga Struktura osobliwo�ci Kwantowa teoria grawitacji Pod pr�d 11 Nieprzemienny wszech�wiat Gdzie szuka�? Nieprzemlenno�� l jej nast�pstwa Nieprzemienne modele Bezczasowa fizyka Przyczynowo�� Nieprzemienny wszech�wiat 12 Od superstrun do geometrii nieprzemlenneJ Zero-brany Piana czasoprzestrzeni i jeszcze dalej Pr�ba scenariusza Paradoks horyzontu l inne trudno�ci Zako�czenie: w erze Plancka fizyka spotyka si� z filozofi� Bibliografia Indeks 108 109 111 113 115 115 117 119 121 124 125 129 129 131 134 136 142 148 150 WST�P Wyraz "wst�p" jest znaczeniowo rozmyty. Mo�e znaczy� wst�p-wej�cie, na przyk�ad "Wst�p wzbroniony", lub wst�p-wprowadzenie, chocia�by wst�p do ksi��ki. Ale obydwa te znaczenia maj� ze sob� co� wsp�lnego: odwo�uj� si� do ja- kiego� wej�cia, do drzwi, kt�re dok�d� prowadz�; zapraszaj� do przej�cia przez nie lub - przeciwnie - zakazuj� wst�pu. Ja, oczywi�cie, zapraszam Czytelnika, by wszed�. Wej�cie prowadzi na taras widokowy, z kt�rego mo�na podziwia� niezwyk�� pa- noram�. Ale nie jest to panorama w stanie gotowym - jak pa- smo g�rskie rozci�gaj�ce si� na linii horyzontu: wystarczy tyl- ko lekko odwr�ci� g�ow�, by m�c kontemplowa� inny jego frag- ment. Raczej jest to co� w rodzaju panoramicznego filmu, i to z nie do ko�ca ustalonym scenariuszem. Akcja dopiero si� tworzy. W jakim p�jdzie kierunku? - w du�ej mierze zale�y to od dotychczasowej drogi. U wej�cia na taras nie ma wi�c tabliczki z napisem "Wst�p wzbroniony". Ka�dy jest mile widzianym go�ciem. Ale musz� ostrzec: kto boi si� intelektualnego wysi�ku, pewnej my�lowej dyscypliny, niech raczej nie wchodzi. Poszukiwanie zbyt �a- twych dozna� na tym terenie mo�e grozi� logicznym chaosem i pomys�ami, kt�re prowadz� na manowce. Ca�a panorama, cho� jeszcze w stanie dynamicznego rozwoju, opiera si� na d�- �eniu do matematycznej precyzji. W�a�nie to sprawia, �e pano- rama Jest wyj�tkowo pi�kna. Z chwil� gdy precyzja zostaje osi�gni�ta, umys� w jasnym - ale nie o�lepiaj�cym - �wietle 10 � KOSMOLOGIA KWANTOWA dostrzega harmoni� l konieczno��. Konieczno�� polega na tym, �e je�li postawi si� jeden krok, to bardzo cz�sto natychmiast wiadomo, w jakim kierunku nale�y postawi� krok nast�pny. Kolejne kroki uk�adaj� si� w logiczny ci�g, kt�ry jest w stanie zaprowadzi� tam, gdzie zwyk�y wzrok nie si�ga, i ukaza� takie perspektywy, kt�rych istnienia dotychczasowy "zdrowy rozs�- dek" nawet nie podejrzewa�. Ca�a panorama jest r�wnie� dlatego tak wstrz�saj�co pi�k- na, �e u jej podstaw kryje si� poszukiwanie zrozumienia - zro- zumienia najbardziej fundamentalnego: Dlaczego Wszech�wiat jest, jaki jest? Jak my�my si� w nim znale�li? Jaka Jest nasza w nim rola? Na pytania te nie znamy dzi� pe�nej odpowiedzi - to prawda; ale potrafimy je, zw�aszcza pierwsze z nich, prze- t�umaczy� na wiele bardziej szczeg�owych pyta� i na niekt�re z tych pyta� odpowiedzie� ju� ca�kiem sensownie. Pytania nie- zupe�nie jeszcze jasne tak�e maj� swoje znaczenie. Mo�e ju� wkr�tce i one zaczn� poddawa� si� naszej poznawczej pasji. Ch�� rozumienia jest w nas tak pot�na, �e raz postawionych pyta� nie da si� ju� wycofa�. Chc�c zrozumie� podstawy Wszech�wiata, musimy zrozu- mie� podstawy fizyki. Problemem numer jeden wsp�czesnej fizyki jest po��czenie dw�ch jej wielkich teorii: og�lnej teorii wzgl�dno�ci i mechaniki kwantowej. Og�lna teoria wzgl�dno- �ci, czyli Einsteinowska teoria grawitacji, daje dobry obraz Wszech�wiata w jego wielkiej skali - w skali galaktyk, ich gromad i supergromad. Mechanika kwantowa pozwala zro- zumie� Wszech�wiat na poziomie atomowym i subatomo- wym, czyli na poziomie elektron�w, proton�w, kwark�w i gluon�w. Ale obydwie te teorie dotychczas funkcjonuj� nie- zale�nie od siebie l pos�uguj� si� matematycznymi metoda- mi, kt�re diametralnie r�ni� si� od siebie. A przecie� Wszech�wiat wymagaj�cy zrozumienia jest jeden i, co wi�cej, obie teorie niedwuznacznie sugeruj�, �e na poziomie najg��b- szym musz� si� zjednoczy�: grawitacja powinna ujawni� swoje kwantowe oblicze, a metody kwantowe rozci�gn�� si� tak�e na grawitacj�. Tym, czego szukamy, jest wi�c kwanto- wa teoria grawitacji. WST�P � 11 Metody wsp�czesnej mechaniki kwantowej s� w znacznej mierze ca�o�ciowe. W uk�adzie kwantowym Jego cz�ci s� ze sob� "splecione" w taki spos�b, �e jedne wiedz� o drugich, na- wet gdy s� od siebie bardzo oddalone. Wyra�enie "splecione" (entangled), pojawiaj�ce si� w poprzednim zdaniu, nie jest fi- gur� retoryczn�, lecz terminem technicznym. Splecenie uk�a- du kwantowego oznacza, i� Jest on ca�o�ci� do tego stopnia, �e manipulacja jak�kolwiek jego cz�ci� natychmiast odbija si� na ca�o�ci. I to bez wzgl�du na przestrzenne oddalenie: dwa fo- tony mog� tworzy� uk�ad spleciony nawet wtedy, gdy znajduj� si� na przeciwleg�ych kra�cach supergromady galaktyk. Je�eli ta cecha mechaniki kwantowej (a Jest to jej cecha Istotna) przetrwa zjednoczenie z og�ln� teori� wzgl�dno�ci, to teoria kwantowej grawitacji musi by� r�wnie� kwantow� kosmologi�. Kwantowy Wszech�wiat b�dzie "jeszcze bardziej jedno�ci�" ni� Wszech�wiat obecnej kosmologii, opartej na Einsteinowsklej teorii grawitacji. Tytu� ksi��ki, kt�r� obecnie przekazuj� Czy- telnikowi - Kosmologia kwantowa - nie zosta� wybrany przy- padkowo. Fundamentalna teoria fizyczna nie mo�e nie by� teo- ri� Wszech�wiata. Metoda fizyki odznacza si� swoist� agresywno�ci�. Nigdy nie zadowala si� ju� osi�gni�tym wynikami, lecz ci�gle atakuje problemy, jakie nasuwa namys� nad logik� dotychczasowych wynik�w. W�oski filozof nauki, Evandro Agazzi, napisa� kiedy�: "zadaniem naukowca jest poszerzanie granic nauki, ale nigdy ich przekraczanie".1 Poszerzanie granic nauki dokonuje si� w�a�nie dzi�ki tej agresywno�ci. Ju� rozwi�zane problemy, sta- wiaj�c coraz to nowe pytania, wywieraj� swojego rodzaju ci- �nienie na dotychczasowe granice fizyki i - w miar� uzyskiwa- nia odpowiedzi na przynajmniej niekt�re z pyta� - stopniowo wymuszaj� przesuwanie si� tych granic. Teren pogranicza jest zawsze niespokojny. Tu metoda funkcjonuje na skraju swoich mo�liwo�ci. Tu przebiega front bada� naukowych, o w�os gra- nicz�cy z polem niezbadanych mo�liwo�ci. Zagadnienia, Jakie ' "Granice wiedzy naukowej a hipoteza transcendencji", w: Refleksje na rozdro- �u. Pod red. S. Wszelka. OBI-Krak�w, Biblos, Tarn�w 2000, s. 1...
GAMER-X-2015