2014-12-26
Autor: nTimes

Przewodnik po Wszechświecie: czas, przestrzeń i struktura

Brian-Greene-8•••••• RZECZYWISTOŚĆ I WYOBRAŹNIA ••••••

14. W NIEBIOSACH I NA ZIEMI. DOŚWIADCZENIA Z PRZESTRZENIĄ I CZASEM

O planowanych eksperymentach weryfikujących nowe teorie. Duża część postępu w nauce, od Newtona do rewolucyjnych odkryć XX wieku, jest efektem potwierdzania w doświadczeniach przewidywań teoretycznych. Od połowy lat 80. XX wieku tak daleko jednak przesuwamy granicę naszego rozumienia, że teorie wkroczyły w obszary nieosiągalne dla współczesnej techniki. Jeśli jednak wykażemy się uporem i dopisze nam szczęście, wiele najnowszych idei będzie można sprawdzić w ciągu kilku następnych dziesięcioleci: istnienie dodatkowych wymiarów, skład ciemnej materii i ciemnej energii, pochodzenie oceanu Higgsa, poprawność teorii strun itd.

Einsteinowskie ciągnięcie czasoprzestrzeni

Z ogólnej teorii względności (OTW) wynika, że obracające się ciało pociąga za sobą okoliczną przestrzeń i czas. Jest to tzw. zjawisko wleczenia układów inercyjnych „frame dragging” (Lense, Thirring, Brill, Cohen, Pfister, Braun, Schiff, Puch). Ostateczne potwierdzenie doświadczalne tego zjawiska ma dostarczyć satelita Gravity Probe B. [red.: w 2011 r. sonda potwierdziła dwa główne wnioski wynikające z teorii względności Einsteina, t.zn. efekt geodetyczny (czyli zakrzywienie przestrzeni i czasu w obecności Ziemi oraz zakrzywienie przestrzeni i czasu wokół obracającej się Ziemi). „Wyobraźmy sobie, że Ziemia jest zanurzona w miodzie. Gdy planeta się obraca, miód wokół niej wiruje, i to samo dzieje się z przestrzenią i czasem. To potwierdzenie ma daleko idące konsekwencje dla badań astrofizycznych” – mówił Francis Everitt z Uniwersytetu Stanforda, główny naukowiec misji GP-B. Źródło: KopalniaWiedzy.pl].

Łapiąc falę

Gravitational-Waves

Fale grawitacyjne nie rozchodzą się w przestrzeni, ale są zaburzeniami samej przestrzeni.

Ogólna teoria względności: masa i energia powodują zakrzywienie czasoprzestrzeni, wzbudzają fale. Wybuchy kosmiczne, np. wybuch supernowej powodują rozchodzenie się fal grawitacyjnych. Fale te nie rozchodzą się w przestrzeni, ale są zaburzeniami samej przestrzeni. Jest wiele pośrednich dowodów na istnienie tych fal, ale niebawem zostanie to zweryfikowane ostatecznie dzięki aparaturze LIGO, zbudowanej na terenie stanów Luizjana i Waszyngton w USA. Obserwatorium LIGO to nie jedna, lecz dwie identyczne instalacje, oddalone od siebie o ponad 3 tys. kilometrów. Są to dwie 4-kilometrowe rury, w których umieszczone lustra spowodują zwielokrotnienie długości biegu wiązki laserowej do 800 km. Fala grawitacyjna powinna zmienić taki monitorowany dystans o jedną stumilionową rozmiaru atomu.

W poszukiwaniu dodatkowych wymiarów

O ile dodatkowe wymiary są dostatecznie duże, rzędu 10-20 metra lub więcej, będą mogły być wykryte w uruchomionym w 2008 r. Wielkim Zderzaczu Hadronów. Istnienie czarnych dziur może być także potwierdzone eksperymentami w tym akceleratorze albo w zbudowanym w Argentynie obserwatorium Pierre Augera, o polu obserwacji liczącym ponad 3 tysięcy kilometrów kwadratowych (Shapere, Feng).

Cząstka Higgsa, supersymetria i teoria strun

Wielki Zderzacz Hadronów, który wykrył cząstkę Higgsa, daje też nadzieję na zdobycie ewentualnych dowodów przemawiających za supersymetrią. Supersymetria tworzy pary z cząstek, których spiny różnią się o pół jednostki. Np. supersymetryczny elektron to selektron a supersymetryczne kwarki to skwarki. Potwierdzenie supersymetrii byłoby kolejnym krokiem w rozwoju teorii strun, która wykryła to zjawisko. Możliwości Wielkiego Zderzacza Hadronów dają również nadzieję na postęp w badaniach nad koncepcją bran.

Ciemna materia, ciemna energia i przyszłość Wszechświata

Trwają poszukiwania cząstek, które mogą być składnikiem ciemnej materii (25% zawartości Wszechświata) i ciemnej energii (70% zawartości Wszechświata). Jest bardzo wielu hipotetycznych kandydatów, od aksjonów po zetiny. Być może są to neutrina lub cząstki supersymetryczne.

15. TELEPORTACJA I WEHIKUŁY CZASU. PODRÓŻE W PRZESTRZENI I W CZASIE

O mechanizmach teleportacji oraz technikach i paradoksach podróży w czasie.

Teleportacja w świecie kwantowym

Teleportacja pojedynczej cząstki jest w świetle teorii kwantowej w pełni możliwa. Co do teleportacji skupiska cząstek, nie mamy żadnej wiedzy doświadczalnej, ale argumenty teoretyczne przemawiają za sukcesem takiej operacji.

Kwantowe splątanie i kwantowa teleportacja

W 1997 roku przeprowadzono udaną teleportację pojedynczego fotonu wykorzystując zjawisko splątania kwantowego (Zeilinger, De Martini w oparciu o prace Benneta, Brassarda, Crapeau, Jasze, Peresa, Woottersa).

Realistyczna teleportacja

Przejście do teleportacji skupisk cząstek zdecydowanie wykracza poza wszystko co obecnie jest osiągalne.

Zagadki podróży w czasie

Wiadomo, przynajmniej teoretycznie, jak wykonać podróż w przyszłość. Należy udać się w podróż w przestrzeń kosmiczną z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Jeden dzień w takiej pędzącej rakiecie będzie się równał 1000 latom na Ziemi. Podróż w przeszłość jest trudniejsza do wyobrażenia. Pojawia się znany paradoks, co się stanie ze mną, jeśli po przeniesieniu się do przeszłości zabiję moją matkę w jej dzieciństwie i nie będzie mogła mnie urodzić.

Zagadki z nowego punktu widzenia

Ten paradoks oparty jest na błędzie rozumowania. Czasoprzestrzeń, w której są Twoje urodziny, istnieje niezależnie od tego, dla kogo chwila Twoich urodzin jest przeszłością (np. dla Ciebie) a dla kogo przyszłością (np. dla osoby odległej o lata świetlne od Ciebie, która zbliża się do Ziemi). Nie ma sensu mówić, że „przedtem” (np. przed Twoją wyprawą w przeszłość) czasoprzestrzeń wyglądała tak a „później” (tzn. po tej wyprawie) zupełnie inaczej. Czasoprzestrzeń po prostu istnieje. Jeśli jest w niej Twoja podróż w przeszłość, do dzieciństwa Twojej matki, to owo zdarzenie jest zapisane w czasoprzestrzeni, podobnie jak Twoje narodziny.

Wolna wola, wielość światów i podróże w czasie

Wyjaśnienie powyższe musi jednak odpowiedzieć na pytanie: jeśli nie mogę w czasie podróży w przeszłość zapobiec moim urodzinom, jak to się ma do mojej wolnej woli, która właśnie chce tego dokonać? Jeśli wolna wola jest złudzeniem, nie zabijesz matki, bo coś będzie musiało stanąć temu na przeszkodzie, np. po przybyciu stracisz ochotę na zaplanowany czyn albo nie będziesz mógł matki odnaleźć albo jeszcze coś innego. Jeśli jednak wolna wola nie jest iluzją, a podróże wstecz są możliwe, fizyka kwantowa oferuje inne, alternatywne możliwości rozwoju wydarzeń. Np. propozycja Deutscha odwołuje się do interpretacji mechaniki kwantowej w postaci wielu światów. Według niej każdy potencjalny rezultat zawarty w kwantowej funkcji falowej realizowany jest w osobnym, równoległym świecie. Tak więc zabijasz swoją matkę, gdy jest ona dzieckiem, ale dzieje się to nie tylko w innym czasie, ale i w innym, równoległym wszechświecie.

Czy możliwe są podróże w przeszłość?

Interesował się tym zagadnieniem Einstein, ale nie osiągnął pozytywnych wyników. Po nim inni, m.in. von Stockum i Gödel. Ostatnio nową propozycję przedstawił Kip Thorne. Są to tunele czasoprzestrzenne.

Przepis na wehikuł czasu z tunelu czasoprzestrzennego

Jest to tunel łączący dwa punkty w przestrzeni wzdłuż nowego, nieistniejącego wcześniej fragmentu przestrzeni. Nie wiadomo, czy takie tunele rzeczywiście istnieją, ale ich istnienie jest dozwolone przez matematykę ogólnej teorii względności. Mogą więc być przedmiotem poważnych badań teoretycznych. Zajmował się nimi John Wheeler, ale dopiero Thorne odkrył, że takie tunele są nie tylko skrótami w przestrzeni, ale i w czasie.

16. SPOJRZENIE W PRZYSZŁOŚĆ. PERSPEKTYWY PRZESTRZENI I CZASU

Czy przestrzeń i czas są pojęciami fundamentalnymi? Czy czasoprzestrzeń nie jest epifenomenem czegoś bardziej fundamentalnego?

Wielu fizyków podejrzewa, że przestrzeń i czas nie są podstawowym składnikiem rzeczywistości, że mają źródło w innych, bardziej fundamentalnych składnikach. Określają tę możliwość mówiąc, że przestrzeń jest iluzją. Że istnieje jeszcze bardziej elementarny opis Wszechświata, nieodwołujący się ani do czasu ani do przestrzeni.

Kwantowe uśrednianie

Dlaczego przestrzeń i czas mogą nie być podstawowymi składnikami rzeczywistości? Po pierwsze, choć są podstawą naszych równań i wypełniają nasze myśli, pojawiają się w wyniku procesu kwantowego uśredniania. Mikroskopowa struktura czasoprzestrzeni jest pełna zaburzeń i to co obserwujemy jako gładką, spokojną postać czasoprzestrzeni to uśredniony obraz, jak w przypadku ekranu telewizyjnego, na którym obraz wydaje się gładki tylko w oddaleniu. Kwantowe uśrednianie jest przystępną interpretacją twierdzenia, że znana nam czasoprzestrzeń może być złudzeniem. Po drugie, zaburzenia kwantowe pojawiające się w bardzo małych skalach sugerują, że dzielenie czasu i przestrzeni kończy się przy długości Plancka (10-33 cm) i czasie Plancka (10-43 cm). Dalej mamy coś, o czym trudno mówić jako o czasie i przestrzeni. Być może czai się tam jakiś protoskładnik, jakiś najbardziej elementarny budulec czasoprzestrzeni.

Geometria w tłumaczeniu

Innym źródłem podejrzeń co do niefundamentalnego charakteru czasoprzestrzeni jest zagadnienie geometrycznej dualności. Jak wiemy, dzięki M-teorii możemy tłumaczyć jedne na drugie równania pięciu istniejących równolegle teorii strun. M-teoria tłumaczy także geometrię dodatkowych wymiarów jednej teorii na drugą. W ten sposób, w ramach jednej teorii twierdzimy, że przestrzeń Wszechświata, łącznie z dodatkowymi wymiarami ma określony kształt i rozmiar, zaś w ramach innej, równoważnej teorii mówimy coś innego o tym kształcie i rozmiarach. I nie chodzi tu o równoważne przekroje czasoprzestrzeni, ale o globalną strukturę samej czasoprzestrzeni. Gdyby czasoprzestrzeń była czymś fundamentalnym, większość fizyków spodziewałaby się, że bez względu na język i teorię opisu panuje zgoda co do geometrycznych własności czasoprzestrzeni. Skoro tak nie jest, czasoprzestrzeń może być czymś wtórnym.

Entropia czarnych dziur

Czarną dziurę określają trzy własności: masa (mówi jak duża jest czarna dziura – określa odległość od jej środka do horyzontu zdarzeń, otaczającej ją powierzchni, z której nie ma powrotu), ładunek elektryczny i tempo obracania. Czarne dziury mają największą entropię wśród obiektów o danym rozmiarze. Ile jest tej entropii? Entropia czarnej dziury (czyli miara nieuporządkowania, chaosu) jest proporcjonalna nie do jej objętości, ale (ze względu na gigantyczną grawitację) do pola jej powierzchni, a dokładnie, do obszaru jej horyzontu zdarzeń (Bekenstein, Hawking). Ponieważ nie ma większej entropii niż czarnej dziury, wniosek jest taki, że maksymalna entropia jakiegoś obszaru jest proporcjonalna do jego powierzchni. Dlaczego ten wniosek jest w ogóle istotny?

Po pierwsze, daje kolejną poszlakę, że ultramikroskopowa przestrzeń nie jest ciągła, ale zatomizowana. Jeśli podzielimy powierzchnię czarnej dziury na szachownicę o kwadratach o boku równym długości Plancka (10-33 cm), wówczas entropia czarnej dziury będzie równa liczbie takich kwadratów. Wniosek: kwadrat Plancka jest minimalną jednostką przestrzeni, posiadającą jednostkę entropii. Nic nie może się zdarzyć wewnątrz tego kwadratu, bo każde działanie mogłoby zwiększyć entropię a to niemożliwe. W ten sposób dochodzimy z innej strony do elementarnej jednostki przestrzeni.

Po drugie, jeśli maksymalna entropia jakiegoś obszaru jest proporcjonalna do jego powierzchni a nie do objętości tego obszaru, to może prawdziwe, fundamentalne stopnie swobody – cechy, które mogą spowodować nieuporządkowanie – w rzeczywistości istnieją na powierzchni tego obszaru, a nie w jego objętości. Może więc rzeczywiste procesy fizyczne we Wszechświecie zachodzą na cienkiej, odległej, otaczającej nas powierzchni, a wszystko co widzimy i czego doświadczamy, jest jedynie projekcją tych procesów. Możliwe, że Wszechświat przypomina hologram.

Czy Wszechświat jest hologramem?

Taką koncepcję Wszechświata jako hologramu wysunęli na początku lat 90. XX wieku Gerard ’t Hooft i Leonard Susskind. Wsparcia tej koncepcji udzielił w roku 1997 argentyński fizyk Juan Maldacena, który opracował model wielowymiarowej przestrzeni, opisując jej wnętrze jako równoważne opisowi jej powierzchni. Nie jest przy tym tak, że jeden z tych opisów jest pierwotny a drugi wtórny. Jest to kolejna poszlaka wskazująca, że konkretna postać czasoprzestrzeni, którą znamy, jest być może tylko epifenomenem (zjawisko wtórne), który zmienia się przy przejściu z jednego ujęcia teorii fizycznej do innego.

Składniki czasoprzestrzeni

Nie wiemy jeszcze dokładnie jakie są podstawowe składniki czasoprzestrzeni, ale w końcu 100 lat temu sama hipoteza atomowej budowy materii uchodziła za kontrowersyjną.

Postęp dokonany od tamtej pory jest ogromny. Generalnie są dwa obiecujące kierunki poszukiwań elementarnych składników czasoprzestrzeni. Jeden pochodzi od teorii strun, drugi – od teorii pętlowej grawitacji kwantowej. W teorii strun nie udało się stworzyć takiego jej ujęcia, które nie zawiera odwołań do przestrzeni i czasu. Fizycy nazywają to ujęciem niezależnym od tła (czasoprzestrzeń jako tło, w którym zachodzą zjawiska fizyczne). Teoria strun zakłada jednak istnienie czasoprzestrzeni i jest to jeden z kilku jej największych nierozwiązanych problemów. Teorie strun i ich pochodne (jak M-teoria) zakładają poza strunami również inne obiekty jak brany. Status bran jest niejasny. Czy brana jest czymś pierwotnym czy nie? Fizycy analizując scenariusze z branami odkryli, że teoria zawiera także zerobrany – składniki pozbawione rozciągłości przestrzennej. Na pozór jest to sprzeczne z M-teorią, która odchodzi od opisu cząstek punktowych. Jednak zerobrany pojawiają się z przyczepionymi do nich strunami, a ich oddziaływaniami rządzą struny. Nie są więc tworami punktowymi, pozbawionymi rozmiarów. Fizycy Banks, Fisher, Susskind i Shenker stworzyli tzw. macierzową wersję M-teorii, w której zerobrany są fundamentalnymi składnikami. Teoria pętlowej grawitacji kwantowej powstała w latach 80. XX wieku. W swej analizie wychodzi od dużych skal, grawitacyjnych i zmierza do ku małym, kwantowym. Odwrotnie niż teoria strun. Jak powiedzieliśmy, niedociągnięciem teorii strun jest konieczność zakładania istnienia tła, czyli czasoprzestrzeni, w której wszystko się rozgrywa. Osiągnięciem pętlowej grawitacji kwantowej jest to, że jest formalizmem wolnym od tła. Nie zakłada istnienia czasoprzestrzeni. Są w niej pewne obiekty, jakby przypominające struny. Obie teorie sugerują zatomizowaną strukturę czasoprzestrzeni z jakąś dolną granicą. Niewykluczone, że obie koncepcje kiedyś się połączą.

Przestrzeń i kosmos

W XIX wieku na liście zjawisk badanych przez fizykę nie było spowolnienia czasu, względności równoczesności, różnych przekrojów czasoprzestrzeni, grawitacji jako zniekształcenia czasu i przestrzeni, probabilistycznej natury rzeczywistości, splątania kwantowego na dużych odległościach. W naszych czasach mamy własny zestaw nieoczekiwanych idei: ciemną energię i ciemną materię, które są dominującymi składnikami Wszechświata, fale grawitacyjne, ocean Higgsa, inflacyjną ekspansję Wszechświata, teorię strun, dodatkowe wymiary, czy inne obiekty, takie jak brany. W ciągu następnej dekady coraz potężniejsze akceleratory zweryfikują wiele z tych konstrukcji teoretycznych i umożliwią im kontakt z testami doświadczalnymi i eksperymentem.

Brian Greene
Opracowanie: Jacek Kwaśniewski

Struktura-Kosmosu-thumbBrian Greene – Struktura kosmosu. Przestrzeń, czas i struktura rzeczywistości. (“The Fabric of the Cosmos. Space, Time, And the Texture of Reality”). Wydawnictwo Prószyński i S-ka, 2005. Stron: 552. Znana książka, pokazująca stan rozwoju fizyki i kosmologii u progu XXI wieku. Przeznaczona dla szerokiego kręgu odbiorców. Napisana wyjątkowo klarownie, kompetentnie i bez zbytnich uproszczeń. Uważny czytelnik, także humanista, poczuje sporą satysfakcję, mogąc bez większych problemów ogarnąć dziedzinę, zwykle uważaną za bardzo hermetyczną. Jacek-Kwasniewski-thumbStreszczenie książki wykonał Jacek Kwaśniewski. Artykuł jest połączeniem wyciągu z tekstu oryginalnego i streszczenia własnego. Znajdziesz go na stronie autora; tamże również wersja PDF.

You need to install or upgrade Flash Player to view this content, install or upgrade by clicking here.

„Odyseja Kosmiczna” to jeden z odcinków serialu naukowego Poza Kosmosem [Beyond The Cosmos] nadawanego przez National Geographic Polska. Cykl prowadzi Brian Greene. National Geographic nadaje setki takich programów, sprawdź, zobacz, naprawdę warto.

SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Poznaj Chiny

Artykuły w Kategoriach:

Ziemia Nocą

Komentarze (temp. OFF)

Teleskop Hubble'a