Relacje miedzy fizyką a kosmologią od lat są ustalone: fizyka przy pomocy kosmologii testuje swoje hipotezy(co najmniej pośrednio), a kosmologia buduje swoje modele i teorie wykorzystując aktualny stan zweryfikowanej wiedzy fizycznej.Relacja między Modelem Standardowym cząstek elementarnych a hipotezą Big Bangu bezbłędnie ilustruje powyższe stwierdzenie. Eksperymenty w dziedzinie wysokich energii dotyczące oddziaływania elektrosłabego, były inspirowane przez teorię Big Bangu i zarazem ją weryfikowały zamieniając z hipotezy w paradygmat.Niekiedy taka relacja ulega dekompozycji. Ma to miejsce wówczas, gdy kosmologia zmienia swoje modele i teorie pod wpływem nowych idei w fizyce, których status teoriopoznawczy nie posiada jednoznacznej weryfikacji eksperymentalnej. Mamy wówczas do czynienia z kosmologią wysoce spekulatywną i nie spełniającą kryteriów naukowości, lub – jak chcą niektórzy- spełniającą nowe kryteria .A jak przedstawia się relacja pomiędzy M-teorią a kosmologią? Czy powstała już kosmologia strunowa (The Strings Cosmology), lub kosmologia oparta na idei p-bran (The Branes Cosmology) ?Nie pomylę się, jeśli zwrócę uwagę na dość oczywisty fakt, że kosmologia strunowa zachowując Big Bang, jako paradygmat, unika jednocześnie osobliwości początkowej, która dla Modelu Standardowego była nie do “przełknięcia”. Według hipotezy Big Bangu, początek wszechświata dzieje się w nieskończenie małym elemencie czasoprzestrzeni a dokładnie w punkcie, gdzie znane prawa fizyki nie obowiązują czyli żadna racjonalna wiedza o tej chwili nie jest możliwa.Tymczasem p-brany mają skończone rozmiary różne od zera, najmniejsze są porównywalne z długością Plancka, osobliwość więc początkowa w tej teorii nie istnieje !Następną zmianę w wizji kosmologicznej wszechświata wprowadza idea wielowymiarowości czasoprzestrzeni, która przecież jest trzonem M-teorii.Wszechświat nie może być 4- wymiarowy, tak jak to wynika z ogólnej teorii względności ,jeśli mają w nim istnieć obiekty o 4 wymiarach przestrzennych, lub o wymiarowości wyższej (przestrzenie Colabiego-Yau).Powstają pytania: dlaczego nie doświadczamy wyższych wymiarów przestrzennych ponad trzy? Czy znikły? Jeśli są, to jak do tego doszło, że znane 3 wymiary przestrzenne są tak rozległe, ekspandowały, a tamtych nie widać?Robert Branderberger i Cumrun Vafa przedstawili ścisły scenariusz ewolucji wszechświata, w wyniku której nastąpiło naruszenie symetrii między dziesięcioma wymiarami przestrzennymi[1].Na początku wszystkie wymiary są ciasno zwinięte w przestrzeni o rozmiarach zbliżonych do długości Plancka. Po czasie nieco większym od czasu Plancka, trzy wymiary przestrzenne zaczynają się rozszerzać a pozostałe zachowują swoją wielkość. Dlaczego tylko trzy, a nie więcej lub wszystkie?W modelu tym wszystkie wymiary przestrzenne mają kształt okręgów(najbardziej elementarne przestrzenie Colabiego-Yau),a struny wokół nich owijają się, zapobiegając ich rozszerzaniu się. Obliczenia pokazały, że z 10-wymiarów przestrzennych, tylko trzy dowolne wymiary wyzwalają się ze sprężystego uścisku strun nawiniętych na tych wymiarach.Prawdopodobieństwo przypadkowego nawinięcia się ponownego struny na rosnące wymiary jest bardzo małe, gdyż potrzeba większej energii do tego, niż wtedy gdy wymiar ich był mały, a tymczasem temperatura wszechświata ciągle obniża się. Dynamika pozostałych siedmiu wymiarów ,w miarę stygnięcia wszechświata upraszcza się i przyjmuje postać takich przestrzeni Calabiego-Yau które są niewidoczne ale odpowiedzialne za odkrywany przez nas świat cząstek- modów drgań superstrun.W poprzednim wpisie wzmiankowałem o hipotezie Writtena [2] traktującej wszechświat jako 3-branę (trójbranę) wiszącą w przestrzeni o wymiarze wyższym(np.w przestrzeni pięciowymiarowej).Ideę tą rozwinęli : Lisa Randall [3] oraz S.Dimopoulos i G.Dvali [4].Lisa Randall, to już prawdziwa legenda amerykańskiej fizyki. Wybitnie utalentowana w matematyce. Doktorat z fizyki cząstek elementarnych na Harvard University,pod kierunkiem Edwarda Georgi, współautora pierwszej unifikacji dwóch oddziaływań. Pierwsza w historii nauki amerykańskiej kobieta-profesor fizyki teoretycznej Princeton University i Harvard University, członek The American Academy of Arts and Science i The American Physical Society.L.R., to nadzieja amerykańskiej fizyki na pierwszą w historii noblistkę .Według niej ,nasz wszechświat jest trójbraną (3-braną) w 5-cio wymiarowej przestrzeni, wytwarzającą b. silne pole grawitacyjne uniemożliwiające wydostanie się z niej atomów do tej przestrzeni rozciągającej się na nieskończoność. Struny reprezentujące całość materii, w trójbranie są swobodne, ale jednym końcem “przyczepione” do niej na stałe i “wyjście” materii w wyższe wymiary przestrzenne jest dla nich niemożliwe.Dlaczego jednak doświadczalnie stwierdzamy, iż siła grawitacji w świecie cząstek elementarnych(strun) jest zaniedbywalnie mała i oddziaływanie grawitacyjne należy w trójbranie do najsłabszych?Otóż grawitacja z tej trójbrany “wycieka” do 5-cio wymiarowej przestrzeni, w której znajduje się trójbrana i jednocześnie maleje jej intensywność.Z matematycznego modelu tego procesu(uzupełnionego o oddziaływanie hipotetycznej drugiej trójbrany, sąsiadkę naszej, rodzimej) Lisa Randall otrzymała rewelacyjny wynik: kwantowy efekt “wyciekania” grawitacji z 3-brany zwanej wszechświatem , nie zachodzi przy energiach rzędu 10E19 GeV (jak sądzono )lecz przy takich energiach, jakie osiągniemy w tym roku w Wielkim Zderzaczu Hadronów (HLC- CERN).Do podobnych wyników, niezależnie od L.Randall doszli Dimopoulos i Dvali, chociaż założyli, iż 5-cio wymiarowa przestrzeń obejmująca macierzystą 3-branę nie rozciąga się na nieskończoność, lecz ma rozmiar cienkiej powłoki o grubości nie przekraczającej 1 mm.[4]Tak więc wkroczenie M-teorii do kosmologii, dało impuls do badań nad wielowymiarowością świata oraz badań empirycznych nad grawitacją w świecie mikro, co do której dotychczas uważano, że nie jest ona w żadnym sensie “partnerem” w świecie oddziaływań jądrowych.The Branes Cosmology, proponuje jednak dodatkowo następną ,równorzędną, rewolucję w naszych poglądach dotyczących również czegoś równie fundamentalnego a mianowicie : Big Bangu oraz całej ewolucji wszechświata !The Branes Cosmology nie znosi i nie unieważnia hipotezy Big Bangu, nie. Jedynie swobodnie rozważa, co było przed Big Bangiem !Czyli co bylo przed narodzinami naszego wszechświata.Paul Steinhardt (Princeton University) oraz Neil Turok(Cambridge University) są autorami cyklicznej historii wszechświata [5,6],a ważną cegiełkę do niej dorzucili prawie natychmiast G.Veneziano i M.Gasperini [7].Stara to idea kosmogoniczna, bardzo stara. We współczesnych nam czasach ,Fryderyk Nietzsche wystąpił z tezą o “wiecznych powrotach świata” nawiązując do idei presokratyków. Oczywiście była to czysto filozoficzna wizja.W nowoczesnej astrofizyce, R.Tolman już na początku lat trzydziestych ubiegłego wieku, opracował w ramach ogólnej teorii względności hipotezę cyklicznej ewolucji wszechświata [8], nawiązując do rozwiązań równania Einsteina przedstawionych przez M.Friedmana, ale brak w tym modelu predykcji obserwacyjnych sprawił, że Tolmana hipotezę posłano do lamusa historii kosmologii.Model Steinhardta i Turoka przedstawia dwie równoległe, płaskie trójbrany, wzajemne odbicia lustrzane ,położone bardzo blisko siebie w 5-cio wymiarowej przestrzeni. Nie są one względem siebie w spoczynku lecz wykonują ruch oscylacyjny zbliżania i oddalana się od siebie, z cyklem wynoszącym tryliony lat. Podczas zbliżenia następuje wzajemne przenikanie się ich (zderzenie ) i występuje kreacja nowej materii i energii czyli ma miejsce Wielki Wybuch.Podczas oddalania się ich od siebie, zawartość bran(substancja i energia) podlega rozpraszaniu przez wiele miliardów lat i brany stają się puste ale wtedy ich dynamika ulega zmianie na przeciwną: zaczynają się zbliżać i dochodzi do ponownej kolizji i wyzwolenia Wielkiego Wybuch i kreacji światów.Model cykliczny wyjaśnia wiele faktów obserwacyjnych w kosmologii, bez Gutha hipotezy ery inflacyjnej.Występuje w nim pojęcie jednolitego, oscylacyjnego pola energii przynależnego do układu dwóch trój-bran ,które ma wykazywać specyficzną polaryzację. W bieżącym roku NASA wystrzeli następcę COBE, satelitę "Planck", ,który został zaprojektowany do przeprowadzenia -między innymi- pomiarów właśnie tego efektu polaryzacji.Kosmologia strun i p-bran w przestrzeniach kosmicznych jest bardzo młodą dziedziną fizyki teoretycznej i trudno oczekiwać od niej jednoznacznych predykcji empirycznych. Jednak takie zagadnienia jak : wielowymiarowość czasoprzestrzeni, cykliczność ewolucji kosmosu, a z ostatniej chwili- nowe model czarnych dziur, to interesujące otwarcie horyzontów nowego pojmowania porządku natury.Ewentualny spekulatywny charakter The Branes Cosmology, to choroba okresu dziecinnego. Literatura[1] R.H.Brandenberger,C,Vafa, Producing a Scale-Invariant Spectrum of perturbation in a Hagedorn Phase of String Cosmology,arxiv:hep-th/0511140 v2,16.XII.2005[2] http:// autodafe.salon24.pl/35250[3] L.Randall,,Warped passages:Unraveling the Mysteries of the Universes Hidden Dimensions,N Y , 2005[4] S.Dimopoulos,G.Divali, Phenomenology,astrophysics and cosmology,N.Y. 2003[5] P.J.Steinhardt,N.Turok, The ekpyrotic universe: Colliding branes and the origin of the hot big bang,Phys.Rev.,D , 64,2001 (arxiv:hep-th/0103239.)[6] P.J.Steinhardt,N,Turok, Cosmic evolution in a cyclic universe,Phs.Rev.,D,65,2002,(arxiv:hep-th/0111098.)[7] S.Veneziano,M.Gasperini, The pre-big bang scenario in string cosmology,Phys.Reports,373,2003,s.1-212[8]R.C.Tolman,Relativity,Thermodynamic sand Cosmology,Oxford,1934,rev.ed. 1987
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
