Moda, wiara i fantazja we współczesnej fizyce Wszechświata - ebook

Podziękowania

Dość długi proces dojrzewania tej książki sprawił, że mojej pamięci umknęło wiele źródeł, z których czerpałem w trakcie jej pisania. Wszystkim moim przyjaciołom i współpracownikom, którzy służyli mi pomocą, ale których nazwisk teraz nie pomnę, oferuję więc jednocześnie wyrazy wdzięczności i przeprosiny. Są też oczywiście ci, którym jestem winien szczególnie gorące podziękowania, w szczególności mojej długoletniej współpracowniczce Florence Tsou (Sheung Tsun) za jej (oraz jej męża, Chan Hong-Mo) wielką pomoc w zakresie fizyki cząstek. Mój jeszcze dawniejszy kolega Ted (Ezra) Newman od wielu lat nieustannie dostarcza mi wskazówek i wsparcia. Wiele zawdzięczam też wiedzy i umiejętnościom Abhaya Ashtekara, Krzysztofa Meissnera i Andrzeja Trautmana. Współpracownicy z Oxfordu, Paul Tod, Andrew Hodges, Nick Woodhouse, Lionel Mason i Keith Hannabuss również w dużym stopniu wpłynęli na mój sposób myślenia. Wiele na temat kwantowania grawitacji nauczyli mnie Carlo Rovelli i Lee Smolin. Na szczególne podziękowanie zasługuje Shamit Kachru za staranną lekturę wczesnych wersji tej książki, i choć wątpię, czy z radością przyjmie wyrażone tu zastrzeżenia wobec teorii strun, krytyka z jego strony wielce pomogła mi w uniknięciu wielu błędów i nieporozumień.

Różnego typu wkład w powstanie tej książki mieli też: Fernando Alday, Nima Arkani-Hamed, Michael Atiyah, Harvey Brown, Robert Bryant, Marek Demianski, Mike Eastwood, George Ellis, Jörge Frauendiener, Ivette Fuentes, Pedro Ferreira, Vahe Gurzadyan, Lucien Hardy, Denny Hill, Lane Hughston, Claude LeBrun, Tristan Needham, Sara Jones Nelson, Pawel Nurowski, James Peebles, Oliver Penrose, Simon Saunders, David Skinner, George Sparling, John Statchel, Paul Steinhardt, Lenny Susskind, Neil Turok, Gabriele Veneziano, Richard Ward, Edward Witten i Anton Zeilinger.

Richard Lawrence i jego córka Jessica służyli mi bezcenną pomocą przy wyszukiwaniu faktów. W kwestiach administracyjnych korzystałem z pomocy Ruth Preston, Fiony Martin, Petrony Winton, Edyty Mielczarek i Anne Pearsall. Jestem niezwykle wdzięczny Vickie Kearn z Princeton University Press za jej wielką cierpliwość, wsparcie i zachętę, a także jej współpracowniczkom i współpracownikom: Carminie Alvarez za projekt okładki, Karen Fortgang i Dimitriemu Karetnikovi za pomoc przy tworzeniu diagramów oraz Jonowi Wainwrightowi z T&T Productions Ltd za staranną redakcję.

Moja wspaniała żona Vanessa podtrzymywała mnie w trudniejszych chwilach swą miłością, krytycznym wsparciem i wiedzą techniczną – nie raz cudownie ratując mnie, gdy na pozór beznadziejnie splątałem się przy pracy z komputerem. Wielkie podziękowanie dla niej i dla naszego nastoletniego syna Maxa, którego umiejętności techniczne i kochające wsparcie były bezcenne.

Prawa do ilustracji

Autor pragnie z wdzięcznością wymienić następujących posiadaczy praw do ilustracji.

Rys. 1-35: Za: Rovelli .

Rys. 1-38: M. C. Escher, Circle Limit I c 2016 The M. C. Escher Company – The Netherlands. Wszelkie prawa zastrzeżone. www.mcescher.com

Rys. 3-1: M. C. Escher, (a) Photo of Sphere, (b) Symmetry Drawing E45, (c) Circle Limit IV c 2016 The M. C. Escher Company – The Netherlands. Wszelkie prawa zastrzeżone. www.mcescher.com

Rys. 3-38 (a) i (b): Z: „Cosmic Inflation”, Andreas Albrecht, w: Structure Formation in the Universe (Red. R. Crittenden i N. Turok). Wykorzystane za pozwoleniem Springer Science and Business Media.

Rys. 3-38 (c): Z: „Inflation for Astronomers”, J. V. Narlikar i T. Padmanabhan, w wersji zmodyfikowanej: Ethan Siegel w „Why we think there’s a Multiverse, not just our Universe” (https://medium.com/starts-with-a-bang/why-we-think-theres-a -multiverse-not-just-our-universe-23d5ecd33707#.3iib9ejum). Wykorzystane za zgodą Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 1 września 1991, tom 29 c. Annual Reviews, http://www.annualreviews.org.

Rys. 3-38 (d): Z: „Eternal Inflation, Past and Future”, Anthony Aguirre, w: Beyond the Big Bang: Competing Scenarios for an Eternal Universe (The Frontiers Collection) (Red. Rudy Vaas). Wykorzystane za pozwoleniem Springer Science and Business Media.

Rys. 3-43: Prawo autorskie: ESA oraz Planck Collaboration

Wszystkie pozostałe ilustracje (oprócz wykresów widocznych na Rys. 2-2, 2-5, 2-10, 2-25, 3-6(b), A-1, A37, A-41, A-44, i A-46) zostały narysowane przez autora.Wprowadzenie do polskiego wydania

Ogromny postęp naukowy i technologiczny, jaki się dokonał w XX wieku, zmienił nie tylko nasze codzienne życie, ale też dramatycznie odmienił nasze wyobrażenia o otaczającym nas świecie. Doprowadził też do tego, że otoczeni jesteśmy i korzystamy z wielu nowoczesnych urządzeń, nie zdając sobie sprawy z zasad i praw fizyki, które one wykorzystują. Współczesne badania naukowe prowadzone są w celu poznania fundamentalnych praw opisujących otaczający nas świat i tylko czasami wyniki tych badań mają praktyczne zastosowania. Kiedy Albert Einstein w 1905 roku opisał własności spontanicznego i wymuszonego promieniowania atomów, nie myślał o laserze, a kiedy odkrył swój słynny wzór E = mc² nie przypuszczał, że ten związek pomoże wyjaśnić proces generowania energii w centrum Słońca, czyli odpowie na pytanie, dlaczego Słońce świeci, ale doprowadzi też do powstania bomby atomowej. W ciągu pierwszych dwudziestu lat XX wieku powstały trzy niezwykłe teorie fizyczne: szczególna i ogólna teoria względności i mechanika kwantowa. Przewidywania tych teorii często prowadziły do wniosków sprzecznych z naszymi codziennymi doświadczeniami. Zgodnie ze szczególną teorią względności prędkość światła jest niezależna od względnego ruchu źródła światła i obserwatora, zgodnie z ogólną teorią względności ciała spadają na Ziemię nie dlatego, że istnieje siła grawitacyjna, ale dlatego, że przestrzeń jest zakrzywiona, a zgodnie z mechaniką kwantową położenie elektronu lub jakiejkolwiek innej cząstki nie jest dokładnie określone. Pomimo tych „paradoksalnych” wniosków przewidywania powyższych teorii z niezwykłą dokładnością były potwierdzane przez różne doświadczenia i obserwacje. Do opisu zjawisk w skali subatomowej trzeba było stworzyć kwantową teorię pola, a do opisu mnogości cząstek elementarnych odkrywanych w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ubiegłego wieku stworzono Model Standardowy cząstek elementarnych. Początek XXI wieku przyniósł dwa nowe odkrycia – bozonu Higgsa, jedynej „brakującej” cząstki w schemacie Modelu Standardowego i fal grawitacyjnych, których istnienie przewidywała ogólna teoria względności. Okazało się przy tym, że sygnały zarejestrowane niezależnie przez dwie anteny fal grawitacyjnych zostały wysłane przez dwie zlewające się czarne dziury o masach 36 i 29 mas Słońca, co było też kolejnym niezależnym potwierdzeniem istnienia czarnych dziur – niezwykłych obiektów, których istnienie przewidywała ogólna teoria względności. Oba te odkrycia wymagały niezwykłych instrumentów: Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) – olbrzymiego kołowego akceleratora o promieniu 5 km i obwodzie 27 km, w którym protony i antyprotony są przyspieszane do prędkości 0,99999998c (!), tak, że dwie przeciwbieżnie zderzające się cząstki mają energie 13000 razy większą od energii równoważnej masie spoczynkowej protonu, to jest energia średniej wielkości pocisku artyleryjskiego. Fale grawitacyjne zostały zarejestrowane niezależnie przez dwa laserowe detektory LIGO. Każdy z tych detektorów składa się z dwóch prostopadłych rur o długości 4 km, a na ich obu końcach zawieszone są zwierciadła, między którymi przebiega sygnał laserowy dużej mocy. Dzięki metodom interferometrycznym można w nich mierzyć względne przesunięcia zwierciadeł o około jedną tysięczną promienia protonu! Oczywiście zbudowanie i utrzymanie LHC i LIGO wymagało ogromnych nakładów.

Wprawdzie oba te odkrycia są bardzo ważne, choć oczekiwane, ich znaczenie ma różną wagę. Odkrycie bozonu Higgsa wieńczy proces sprawdzania Modelu Standardowego cząstek elementarnych – niezwykłej konstrukcji początkowo budowanej mozolnie z powoli odkrywanych coraz to nowych cząstek i odsłaniających się własności symetrii obowiązujących w świecie cząstek elementarnych i wtłaczanie ich w piękny model pól cechowania. Fizycy cząstek elementarnych mogą z satysfakcją powiedzieć, że odkryli model, który znakomicie opisuje świat znanych cząstek elementarnych. Tak, to jest powód do dumy i satysfakcji, ale od dość dawna wiadomo, że model ten nie jest w pełni zadowalający. Po pierwsze, z czysto formalnego punktu widzenia zawiera on aż 19 parametrów, których wartości trzeba zadać, a po drugie, nie potrafi odpowiedzieć, na przykład, na tak fundamentalne pytanie, dlaczego we Wszechświecie występuje głównie materia, a nie mieszanina materii i antymaterii? Można bez przesady powiedzieć, że odkrycie bozonu Higgsa zakończyło bardzo ważny etap badania cząstek elementarnych. Jednak pomimo wielkiego wysiłku wielu zespołów badawczych nie udało się dotychczas znaleźć obserwacyjnych wskazówek, w jaki sposób należy rozszerzyć lub zmienić Model Standardowy cząstek elementarnych. Natomiast bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych otworzyła nowe okno na Wszechświat. Trudno w tej chwili powiedzieć, co mogą przynieść obserwacje Wszechświata w tej nowej dziedzinie. Już pierwsze zarejestrowane sygnały przyniosły dużą niespodziankę. Okazało się, że we Wszechświecie istnieją czarne dziury o masie 36 mas Słońca. Powszechnie uważa się, że czarne dziury powstają w ostatniej fazie ewolucji gwiazd o początkowych masach większych od 20 mas Słońca. Masy odkrytych dotychczas czarnych dziur w naszej galaktyce nie przewyższają 10 mas Słońca. Jeszcze zanim anteny LIGO zarejestrowały pierwsze sygnały fal grawitacyjnych, astronomowie, w tym grupa astrofizyków z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, zaproponowali scenariusz powstawania układów podwójnych czarnych dziur o masach powyżej 20 mas Słońca i przewidzieli, że impuls fal grawitacyjnych powstający podczas zlewania się takich czarnych dziur będzie najczęściej rejestrowany przez anteny LIGO. Być może wkrótce LIGO zarejestruje sygnał generowany podczas wchłaniania gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę. Takie zdarzenie będzie mogło być rejestrowane również w obszarze optycznym, radiowym, rentgenowskim i gamma. Tuż przed wchłonięciem przez czarną dziurę taka gwiazda neutronowa będzie silnie zdeformowana przez siły pływowe i w jej centralnych częściach, przez bardzo krótki okres czasu, mogą istnieć warunki niespotykane w żadnych innych sytuacjach we Wszechświecie i nie do uzyskania w ziemskich laboratoriach. Analiza sygnału z anten fal grawitacyjnych i różnych detektorów w pełnym zakresie promieniowania elektromagnetycznego może przynieść informacje o zachowaniu się materii w obszarze bardzo wysokich energii. Fale grawitacyjne o bardzo niskiej częstości, których detekcja będzie możliwa przez kosmiczne detektory o intrygującym akronimie eLISA, pozwolą na uzyskiwanie informacji o warunkach, jakie panowały na bardzo wczesnych etapach ewolucji Wszechświata, zaledwie 10^(–32) sekundy po Wielkim Wybuchu.

Pomimo tych niezwykłych osiągnięć jesteśmy nadal bardzo daleko od rozwiązania podstawowego problemu współczesnej fizyki – stworzenia jednolitego obrazu wszystkich oddziaływań. Trudno jest nawet przewidywać, kiedy pojawi się jakaś obserwacyjna wskazówka, w jaki sposób można połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności. Dlatego nadal moda, wiara i fantazja, choć nie są to motywy naukowe, będą odgrywały dużą rolę w wyznaczaniu kierunków badań fundamentalnych.

Sir Roger Penrose, autor książki, jest wybitnym angielskim matematykiem i fizykiem. Początkowo interesował się matematyką i w 1957 roku uzyskał stopień doktora matematyki na Uniwersytecie Cambridge. Zainspirowany wykładami Paula Diraca, Hermanna Bondiego i Dennisa Sciamy zainteresował się mechaniką kwantową, ogólną teorią względności i kosmologią. Bardzo szybko ujawnił się jego wielki talent w stosowaniu metod geometrycznych do rozwiązywania problemów fizycznych. Wbrew powszechnemu przekonaniu pokazał, że szybko poruszająca się kula jest widziana jako kula przez wszystkich inercjalnych obserwatorów. Na Międzynarodowej Konferencji Teorii Grawitacji, która odbyła się w 1962 roku w Jabłonnie, podał niezmienniczy sposób uzwarcania czasoprzestrzeni Minkowskiego. Na tej konferencji wspólnie z Tedem Newmanem przedstawili spinorowy opis równań Einsteina. Rok później, korzystając z tego formalizmu, Roy Kerr znalazł nowe rozwiązanie równań Einsteina, które, jak się później okazało, opisuje obracającą się czarną dziurę. Odkrycie kwazarów spowodowało wzrost zainteresowania fizyków i astrofizyków czarnymi dziurami. Stosując metody geometryczne Roger Penrose pokazał, że jeżeli tylko materia zostanie odpowiednio mocno ściśnięta, siły grawitacyjne są w stanie zdominować wszelkie siły ciśnienia i taki obiekt zapadnie się, powodując powstanie czarnej dziury i żadna informacja z jej wnętrza nie będzie mogła być przekazywana do zewnętrznego obserwatora, a w środku powstanie osobliwość, gdzie krzywizna czasoprzestrzeni staje się nieskończona. Wkrótce po tym Roger Penrose nawiązuje bardzo owocną współpracę z Stephenem Hawkingiem. Efektem tej współpracy są coraz ogólniejsze twierdzenia o istnieniu osobliwości kosmologicznych. Analiza globalnych metod geometrycznych w przestrzeniach zespolonych prowadzi do powstania koncepcji twistorów – nielokalnych obiektów opisujących możliwe trajektorie fotonów. Ten bardzo ogólny i efektywny formalizm pozwala na zunifikowany opis wszystkich cząstek bezmasowych, w tym hipotetycznego grawitonu.

Badania osobliwości kosmologicznych i asymptotycznych własności czasoprzestrzeni doprowadziły Sir Rogera do sformułowania nowej, radykalnej hipotezy o ewolucji Wszechświata. Zdaniem Penrose’a, jak to dokładnie wyjaśnia w czwartym rozdziale książki, Wszechświat trwa wiecznie, a jego ewolucja jest cyklicznie powtarzającą się sekwencją eonów od początkowego Wielkiego Wybuchu do końcowej wielkiej pustki, gdzie Wszechświat jest wypełniony tylko fotonami i neutrinami.

Duży rozgłos przyniosły Penrose’owi jego dwie popularne książki Nowy umysł cesarza: O komputerach, umyśle i prawach fizyki oraz Cienie umysłu: Poszukiwanie naukowej teorii świadomości, w których krytykuje powszechny pogląd, że aktywność mózgu sprowadza się do zachodzących po sobie algorytmicznych procesów. Zdaniem Penrose’a, wyjaśnienie tajemnic świadomości wymaga nowej fizyki.

O różnorodnych zainteresowaniach Penrose’a świadczy też problem, którym właściwie zajmował się od dziecka, a mianowicie poszukiwanie minimalnej ilości elementów (płytek), którymi można pokryć nieskończoną płaszczyznę, tak aby uzyskiwane wzory nie powtarzały się. Po wielu latach poszukiwań Penrose wykazał, że można tego dokonać korzystając z sześciu elementów, a na początku lat osiemdziesiątych znalazł sposób na nieperiodyczne pokrycie nieskończonej płaszczyzny tylko dwoma elementami. Później okazało się, że takie nieperiodyczne struktury powstają w ciekłych kryształach.

Swoje wieloletnie przemyślenia o matematyce, fizyce, kosmologii, świadomości i informatyce zebrał Penrose w monumentalnej, liczącej ponad 1100 stron książce Droga do Rzeczywistości: Wyczerpujący przewodnik po prawach rządzących Wszechświatem.

Osiągnięcia naukowe Sir Rogera Penrose’a zostały uhonorowane wieloma nagrodami i zaszczytami, oto najważniejsze z nich: jest członkiem Royal Society i Amerykańskiej National Academy of Sciences, oraz członkiem zagranicznym Polskiej Akademii Nauk, wspólnie z S. Hawkingiem otrzymał Nagrodę Fundacji Wolfa z fizyki, Royal Society przyznała mu Royal Medal, otrzymał nagrodę i medal Alberta Einsteina. W 1994 roku królowa brytyjska za zasługi dla nauki nadała mu tytuł szlachecki. Od 2005 roku jest doktorem honoris causa Uniwersytetu Warszawskiego.

Marek Demiański