Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie Boska
Cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

Mikroprzestrzeń/
makroprzestrzeń

Akcelerator z
nieograniczonym
budżetem

Teorie takie i siakie
GUT-y
Susy
Superstruny
Płaskość i ciemna
materia

Charlton, Golda i Guth
Inflacja i cząstka
skalarna

Przed początkiem
czasu

Powrót Greka
Do widzenia
Koniec fizyki?
Obowiązkowe boskie
zakończenie
  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Inflacja i cząstka skalarna
 
Inflacja i cząstka skalarna
 
W
tej skróconej historii ostatnich 15 miliardów lat zapomniałem wspomnieć, że ewolucja Wszechświata w  zasadzie w  całości zawiera się w  równaniach Einsteina dotyczących ogólnej teorii względności. Kiedy Wszechświat ostygł do temperatury 1032 kelwinów, pałeczkę przejmuje klasyczna (nie-kwantowa) teoria względności i  następne wydarzenia są już po prostu konsekwencjami teorii Einsteina. Niestety, to nie sam Mistrz odkrył potęgę teorii względności, lecz jego następcy. W  roku 1916, przed Hubble'em i  Knubble'em, sądzono, że Wszechświat jest znacznie spokojniejszym, statycznym obiektem. Równania przewidywały wprawdzie rozszerzanie się Wszechświata, ale Einstein dodał do nich pewne wyrażenie, by temu zapobiec. Potem sam przyznawał, że była to „największa pomyłka jego życia”. Ponieważ wykład ten nie jest poświęcony kosmologii, na pewno nie uda mi się oddać sprawiedliwości tym zagadnieniom, z  których wiele znacznie wykracza poza zakres moich obowiązków służbowych.
       Dziełem Gutha było odkrycie procesu, na który zezwalały równania Einsteina. W  procesie tym wytwarza się tak wielka energia, że doprowadza do szalonego rozszerzania się Wszechświata, czyli inflacji. W  tym czasie – w  ciągu około 10–33 sekundy – jego rozmiary wzrosły od 10–15 metra (znacznie mniej niż średnica protonu) do wielkości piłki golfowej. Ta inflacyjna faza pojawiła się, jak sądzimy, pod wpływem nowego pola – bezkierunkowego (skalarnego) – które wygląda, zachowuje się i  pachnie jak... pole Higgsa!
       To Higgs! Astrofizycy odkryli działanie Higgsa w  całkowicie nowym kontekście. Jaką rolę może odgrywać pole Higgsa w  tym dziwacznym zdarzeniu, nazwanym przez nas inflacją?
       Zauważyliśmy, że pole Higgsa wiąże się ściśle z  pojęciem masy. Zakłada się, że pole Higgsa wypełniało przedinflacyjny Wszechświat. Energia tego pola była tak wielka, że doprowadziła do szybkiego rozszerzania się przestrzeni. Tak więc powiedzenie: „Na początku było pole Higgsa”, może rzeczywiście odpowiadać prawdzie. Pole Higgsa – stałe w  całej przestrzeni – zmienia się w  czasie zgodnie z  prawami fizyki. Prawa te w  połączeniu z  równaniami Einsteina prowadzą do pojawienia się fazy inflacyjnej, która zajmuje kolosalny przedział czasu: 10–35 do 10–33 sekundy od narodzin Wszechświata. Kosmolodzy teoretycy opisują początkowy stan jako „fałszywą próżnię” z  powodu energii zawartej w  polu Higgsa. Przejście do stanu prawdziwej próżni uwalnia tę energię, która stwarza cząstki i  promieniowanie o  ogromnej temperaturze. Potem następuje stosunkowo lepiej znana faza, polegająca na spokojniejszym rozszerzaniu się i  stygnięciu. W  wieku 10–33 sekundy można już mówić o  istnieniu Wszechświata. „Jestem już Wszechświatem” – można zaintonować w  tym momencie.
       Ofiarowawszy całą swą energię na tworzenie cząstek, Higgs chwilowo usuwa się ze sceny, ale pojawia się kilkakrotnie w  różnych przebraniach, aby podtrzymać spójność matematyki, wygaszać nieskończoności i  nadzorować narastającą złożoność Wszechświata w  okresie, kiedy zaczynają się różnicować oddziaływania i  cząstki. Oto Boska Cząstka w  całym jej majestacie.
       Chwileczkę, to nie ja to wszystko wymyśliłem. Twórca tej teorii, młody fizyk zajmujący się cząstkami elementarnymi, czyli Alan Guth, próbował rozwiązać, zdawałoby się, zupełnie inny problem: standardowy model Wielkiego Wybuchu przewidywał istnienie monopoli magnetycznych – izolowanych, pojedynczych biegunów magnetycznych. Północ i  południe miałyby się zatem do siebie tak, jak materia i  antymateria. Szukanie monopoli było ulubioną rozrywką łowców cząstek. Wykorzystywano do tych poszukiwań każdą nową maszynę, ale były one bezowocne. Dlatego też monople są, co najwyżej, bardzo rzadko spotykanymi obiektami, mimo absurdalnej kosmologicznej zapowiedzi, że powinno ich być mnóstwo. Guth, kosmolog amator, wpadł na pomysł inflacji, która pozwoliłaby pozbyć się monopoli magnetycznych z  modelu Wielkiego Wybuchu. Potem odkrył, że udoskonalając tę teorię, można usunąć wszystkie inne jej defekty. Guth mówił później, że miał niezwykłe szczęście, iż dokonał tego odkrycia, bo wszystkie jego składniki były już znane. Co dowodzi, jak wielkie znaczenie dla aktu twórczego ma cnota niewinności. Wolfgang Pauli skarżył się kiedyś, że utracił zdolności twórcze: „Ach, wiem już zbyt dużo”.
       Na zakończenie hołdu składanego Higgsowi powinienem w  krótkich słowach wyjaśnić, jak to szybkie rozszerzanie się rozwiązuje kryzys izotropowości, czyli przyczynowości, oraz problem płaskości. Inflacja, która zachodzi z  prędkością znacznie przewyższającą prędkość światła (teoria względności nie nakłada żadnych ograniczeń na tempo rozszerzania się przestrzeni), jest dokładnie tym, czego potrzebowaliśmy. Na początku niewielkie obszary przestrzeni znajdowały się w  bliskim kontakcie ze sobą. Inflacja znacznie je powiększyła, rozdzielając ich części na obszary przyczynowo rozłączne. Po inflacji rozszerzanie się przebiega z  prędkością znacznie mniejszą od prędkości światła, dlatego wciąż odkrywamy nowe obszary Wszechświata, w  miarę jak dociera do nas światło od nich biegnące. „Ach – mówi kosmiczny głos – znowu się spotykamy”. Teraz już się nie dziwimy, gdy zauważamy, że odległe rejony są do nas podobne: izotropia!
       A  płaskość? Inflacyjny Wszechświat daje jasno do zrozumienia, że ma masę krytyczną. Rozszerzanie się będzie przebiegało coraz wolniej, ale nigdy nie ulegnie odwróceniu. Płaskość: w  ogólnej teorii względności Einsteina wszystko sprowadza się do geometrii. Obecność masy powoduje zakrzywienie przestrzeni. Im większa jest masa, tym większa krzywizna. Płaski Wszechświat jest sytuacją graniczną między dwiema przeciwstawnymi rodzajami krzywizny. Wielka masa zakrzywia przestrzeń do wewnątrz (przykładem takiej przestrzeni jest powierzchnia kuli). Jest to działanie przyciągające i  ma tendencję do zamykania Wszechświata. Mała masa zakrzywia przestrzeń na zewnątrz (tworząc coś w  rodzaju siodła). W  tym przypadku powstaje Wszechświat otwarty. Wszechświat płaski natomiast ma masę krytyczną, która lokuje się pomiędzy masą Wszechświata otwartego i  zamkniętego. Inflacja polega na tym, że maleńki kawałek zakrzywionej powierzchni zostaje rozciągnięty do ogromnych rozmiarów, przez co robi się płaski – bardzo płaski. Hipotezę, według której Wszechświat jest tak dokładnie płaski, że znajduje się w  stanie idealnego zawieszenia między zapadaniem a  rozszerzaniem, można zweryfikować za pomocą obserwacji. Trzeba tylko zidentyfikować składniki ciemnej materii i  dalej mierzyć gęstość masy. Jak nas zapewniają astrofizycy, da się to zrobić.
       Jeszcze inne sukcesy inflacyjnego modelu Wszechświata zapewniły mu powszechną aprobatę. Na przykład jedna z  drugorzędnych” niedogodności kosmologii Wielkiego Wybuchu polega na tym, że teoria ta nie pozwala wyjaśnić „grudkowatej” budowy Wszechświata: istnienia galaktyk, gwiazd i  całej reszty. Jakościowo, grudkowatość wydaje się zupełnie do przyjęcia. Za sprawą losowych fluktuacji pewna ilość materii zbija się w  grudkę zawieszoną w  jednorodnej plazmie. Nieduże dodatkowe oddziaływanie grawitacyjne przyciąga do niej jeszcze więcej materii, powodując wzrost siły grawitacji. Proces przebiega dalej i  wcześniej czy później mamy do czynienia z  galaktyką. Ale szczegółowa analiza wykazuje, że proces ten byłby zbyt powolny, gdyby miał polegać jedynie na „losowych fluktuacjach”, dlatego zarodki, z  których powstały galaktyki, musiały zostać wszczepione już w  fazie inflacji.
       Teoretycy, którzy myśleli o  tych zarodkach, wyobrażają je sobie jako niewielkie (mniejsze niż 0,1 procent) odchylenia od przeciętnej gęstości początkowego rozkładu materii. Skąd one się wzięły? Inflacja Gutha dostarcza bardzo atrakcyjnego wytłumaczenia. Trzeba wrócić do kwantowej fazy historii Wszechświata, w  której dziwaczne fluktuacje kwantowomechaniczne mogą doprowadzić do niewielkich nieregularności. Inflacja powiększa te mikroskopijne fluktuacje do skali porównywalnej z  galaktykami. Najnowsze wyniki obserwacji (ogłoszono je w  kwietniu 1992 roku), których dokonał satelita COBE, dotyczące maleńkich różnic w  temperaturze mikrofalowego promieniowania tła pochodzącego z  różnych kierunków na niebie, są zachwycająco zgodne ze scenariuszem inflacyjnym.
       To, co zobaczył satelita COBE, odzwierciedla warunki, które panowały w  młodym (mającym 300 tysięcy lat) Wszechświecie, naznaczonym piętnem niejednorodności spowodowanych przez inflację. To one sprawiały, że temperatura promieniowania tła wzrastała tam, gdzie Wszechświat był gęstszy, a  obniżała się w  obszarach o  mniejszej gęstości. W  ten sposób obserwowane różnice temperatury dostarczyły eksperymentalnego dowodu na istnienie zarodków, bez których galaktyki nie mogłyby powstać. Nic dziwnego, że wiadomość o  tym trafiła na pierwsze strony gazet na całym świecie. Różnice temperatur wynosiły tylko kilka milionowych części stopnia i  wykrycie ich wymagało nadzwyczajnej staranności przy dokonywaniu pomiarów, ale jakież przyniosły one efekty! Pozwoliły wykryć ślady grudek istniejących w  homogenicznej brei, grudek, które dały początek galaktykom, słońcom, planetom i  nam. „Czuliśmy się tak, jakbyśmy zobaczyli oblicze Boga” – powiedział rozradowany astronom George Smoot.
       Heinz Pagels podkreśla filozoficzne znaczenie fazy inflacyjnej jako ostatecznej wieży Babel, która nie pozwala stwierdzić, co było przedtem. Inflacja rozciągnęła i  rozwodniła wszelkie wcześniej powstałe struktury, więc choć dysponujemy ciekawą historą stworzenia od chwili 10–33 sekundy aż do 1017 sekund (dziś), to przecież nie unikniemy pytań tych utrapionych dzieciaków, które będą chciały się dowiedzieć: skoro Wszechświat istnieje, jak się zaczął?
       W  roku 1987 zorganizowaliśmy w  Fermilabie konferencję poświęconą „obliczu Boga”, na której astro/kosmo/teoretycy zebrali się, by przedyskutować początki ewolucji Wszechświata. Konferencja ta była oficjalnie poświęcona kosmologii kwantowej i  została zwołana po to, by eksperci mogli wspólnie poużalać się nad rozmiarami swej niewiedzy. Nie dysponujemy zadowalającą teorią grawitacji i  dopóki taka nie powstanie, nie radzimy sobie z  opisem fizycznej sytuacji Wszechświata w  najwcześniejszych jego chwilach.
       Na konferencji obecny był kwiat tej egzotycznej dyscypliny: Stephen Hawking, Murray Gell-Mann, Jakow Zeldowicz, Andriej Linde, Jim Hartle, Mike Turner, Rocky Kolb, David Schramm i  inni. Prowadzono ożywione dyskusje, bardzo abstrakcyjne i  naszpikowane matematyką. Nie rozumiałem większości tego, co tam mówiono, ale bardzo mi się podobał podsumowujący referat o  początkach Wszechświata, wygłoszony w  niedzielny poranek przez Stephena Hawkinga. Mniej więcej o  tej samej porze w  całych Stanach Zjednoczonych przy szesnastu tysiącach czterystu dwadziestu siedmiu innych pulpitach głoszono nauki. Z  jedną wszakże różnicą. Rzecz w  tym, że referat Hawkinga został nam przekazany za pomocą syntezatora głosu, co nadawało mu pewną szczególną aurę. Jak zwykle miał on wiele ciekawych i  skomplikowanych rzeczy do powiedzenia, ale najgłębszą myśl wyraził całkiem prosto: „Wszechświat jest tym, czym jest, bo był tym, czym był”.
       Hawking mówił o  tym, że zadanie teorii kwantowej w  odniesieniu do kosmologii polega na określeniu warunków początkowych, które musiały panować w  chwili narodzin Wszechświata. Zakładał przy tym, że stosowne prawa przyrody – które (mamy nadzieję) zostaną sformułowane przez jakiegoś geniusza, obecnie ucznia trzeciej klasy szkoły podstawowej – zaczną wtedy działać i  opiszą dalszy przebieg ewolucji. Nowa wspaniała teoria powinna łączyć w  sobie opis warunków początkowych Wszechświata z  doskonałym zrozumieniem praw przyrody, tak aby mogła wytłumaczyć wszystkie obserwacje kosmologiczne. Jej konsekwencją musi być obecnie przyjmowana wersja modelu standardowego. Jeśli dzięki nadprzewodzącemu superakceleratorowi zdołamy przed tym przełomem sformułować nowy model standardowy, znacznie dokładniej opisujący wszystkie dane zebrane od czasów Pizy, to tym lepiej. Nasz sarkastyczny Pauli narysował kiedyś prostokąt i  twierdził, że to kopia najwspanialszego dzieła Tycjana – brakuje tylko pewnych szczegółów. Podobnie nasz obraz Narodziny i  ewolucja Wszechświata wymaga jeszcze kilku pociągnięć pędzla, ale rama jest piękna.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach