Kosmologia kwantowa.txt

(275 KB) Pobierz
KOSMOLOGIA KWANTOWA




NA iCliłKACH
NAUKI
W 2000 roku w serii ukazały się:
Michio Kaku: Wizje, czyli jak nauka zmieni wiat w XXI wieku
Rudolf Kippenhahn: Tajemne przekazy. Szyfry, Enigma i karty chipowe
Ginš Kołata: Klon. Doiły była pierwsza
Donald Goidsmith: W poszukiwaniu życia na Marsie
Meyer Friedman, Gerald W. Friedland: Dziesięć największych odkryć
w medycynie
Deborah B l urn: Mózg i płeć. O biologicznych różnicach między
kobietami a mężczyznami
Jared Diamond: Strzelby, zarazki, maszyny. Losy ludzkich społeczeństw
Z powrotem na Ziemię. Spór o pochodzenie cywilizacji ludzkich.
Pod redakcja Andrzeja K. Wróblewskiego
Witold Sadowski: Femme fatale. Trzy opowieci o królowej nauk
Alan H. Guth: Wszechwiat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teorii
pochodzenia kosmosu
W 2001 w serii ukazały się:
Ed Regis: Nanotechnologia, czyli wiat czšsteczka po czšsteczce
Brian Greene: Piękno Wszechwiata. Superstruny, ukryte wymiary
i poszukiwanie teorii ostatecznej
Fred Hoyle: Mój dom kędy wiejš wiatry. Stronice z życia kosmologa
Richard Dawkins: Rozplatanie tęczy. Nauka, złudzenia i apetyt na cuda
CarI Sagan: Miliardy, miliardy. Rozważania o życiu i mierci u schyłku
tysišclecia
Andrzej Jerzmanowski: Geny i życie. Niepokoje współczesnego biologa
W przygotowaniu:
John J. Medina: Zegar życia. Dlaczego się starzejemy? Czy można
cofnšć czas?
E. C. Krupp: Obserwatorzy nieba, szamani i królowie. Astronomia
i archeologia mocy


MICHAŁ HELLER
KOSMOLOGIA
KWANTOWA
"Prószy nski i S-ka
Warszawa 2001


Copyright (c) by Michał Heller 2001
Projekt okładki
Katarzyna A. Jarnuszkiewicz
Ilustracja na okładce
Science Photo Library/EAST NEWS
Ilustracje w ksišżce
Dorota Ostaszewska
na podstawie szkiców Autora
ISBN 83-7255-054-9
Wydawca
Prószyński i S-ka SA
ul. Garażowa 7
02-651 Warszawa
Druk i oprawa
OPOLGRAF
Spółka Akcyjna
ul. Niedziałkowskiego 8/12
45-085 Opole
SPIS RZECZY
WStęp	9
1 Czy współczesna fizyka jest chora na schizofrenię? 15
Stulecie fizyki	15
Rozdwojenie jani i strategia przybliżeń	17
W erze Plancka	20
2 Względnoć i kwanty	22
Teorie i eksperymenty	22
Czasoprzestrzeń	23
Geometria przestrzeni Hllberta	25
Geometria czasoprzestrzeni	28
Obserwable	30
3 Jak teoretycy traktujš Wszechwiat?	33
Epoka Plancka	33
Ostateczny akcelerator	35
Co to jest model kosmologiczny?	36
Modele Friedmana	37
Co wolš obserwatorzy, a co teoretycy?	40
4 Kwantowanie kanoniczne	44
Program kanonicznego kwantowania	44
Przestrzeń stanów i kwantowanie	45
Geometrodynamika Wheelera	48
Kwantowy wiat Wheelera-DeWitta	52
Trudnoci i perspektywy	54


6  KOSMOLOGIA KWANTOWA
5 Ku jednoci
Jednoć w wieloci
Unifikacja oddziaływań
Siły i symetrie
Supersymetria l superuniflkacja
Supergrawitacja
Superstruny
6 Wszechwiat Hawkinga
Parowanie czarnych dziur
Czasoprzestrzenne tuby
Kwantowe stworzenie Wszechwiata
Bez warunków brzegowych i poczštkowych
7 Wszechwiat i instantony
Program badawczy Hawkinga
Instanton i inflacja
Inflacja w otwartym wszechwiecie
Fluktuacje i struktura Wszechwiata
8 Teoria M
Ocean struktur
Struny l superstruny
wiat wielkich wymiarów
Odkrywanie M-asywu
9 Ekpyrotyczny wszechwiat
M-teorla l kosmologia
Założenia modelu
Scenariusz poczštku
Chwila na refleksję
10 Struktura poczštku i końca
Rywale
O entropii geometrycznie
Entropia l Wszechwiat
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 osobliwoci
Kwantowa teoria grawitacji
Pod pršd
11 Nieprzemienny wszechwiat
Gdzie szukać?
Nieprzemlennoć l jej następstwa
Nieprzemienne modele
Bezczasowa fizyka
Przyczynowoć
Nieprzemienny wszechwiat
12 Od superstrun do geometrii nieprzemlenneJ
Zero-brany
Piana czasoprzestrzeni i jeszcze dalej
Próba scenariusza
Paradoks horyzontu l inne trudnoci
Zakończenie: w erze Plancka fizyka
spotyka się z filozofiš
Bibliografia
Indeks
108
109
111
113
115
115
117
119
121
124
125
129
129
131
134
136
142
148
150


WSTĘP
Wyraz "wstęp" jest znaczeniowo rozmyty. Może znaczyć
wstęp-wejcie, na przykład "Wstęp wzbroniony", lub
wstęp-wprowadzenie, chociażby wstęp do ksišżki. Ale obydwa
te znaczenia majš ze sobš co wspólnego: odwołujš się do ja-
kiego wejcia, do drzwi, które dokšd prowadzš; zapraszajš
do przejcia przez nie lub - przeciwnie - zakazujš wstępu. Ja,
oczywicie, zapraszam Czytelnika, by wszedł. Wejcie prowadzi
na taras widokowy, z którego można podziwiać niezwykłš pa-
noramę. Ale nie jest to panorama w stanie gotowym - jak pa-
smo górskie rozcišgajšce się na linii horyzontu: wystarczy tyl-
ko lekko odwrócić głowę, by móc kontemplować inny jego frag-
ment. Raczej jest to co w rodzaju panoramicznego filmu, i to
z nie do końca ustalonym scenariuszem. Akcja dopiero się
tworzy. W jakim pójdzie kierunku? - w dużej mierze zależy to
od dotychczasowej drogi.
U wejcia na taras nie ma więc tabliczki z napisem "Wstęp
wzbroniony". Każdy jest mile widzianym gociem. Ale muszę
ostrzec: kto boi się intelektualnego wysiłku, pewnej mylowej
dyscypliny, niech raczej nie wchodzi. Poszukiwanie zbyt ła-
twych doznań na tym terenie może grozić logicznym chaosem
i pomysłami, które prowadzš na manowce. Cała panorama,
choć jeszcze w stanie dynamicznego rozwoju, opiera się na dš-
żeniu do matematycznej precyzji. Włanie to sprawia, że pano-
rama Jest wyjštkowo piękna. Z chwilš gdy precyzja zostaje
osišgnięta, umysł w jasnym - ale nie olepiajšcym - wietle


10  KOSMOLOGIA KWANTOWA
dostrzega harmonię l koniecznoć. Koniecznoć polega na tym,
że jeli postawi się jeden krok, to bardzo często natychmiast
wiadomo, w jakim kierunku należy postawić krok następny.
Kolejne kroki układajš się w logiczny cišg, który jest w stanie
zaprowadzić tam, gdzie zwykły wzrok nie sięga, i ukazać takie
perspektywy, których istnienia dotychczasowy "zdrowy rozsš-
dek" nawet nie podejrzewał.
Cała panorama jest również dlatego tak wstrzšsajšco pięk-
na, że u jej podstaw kryje się poszukiwanie zrozumienia - zro-
zumienia najbardziej fundamentalnego: Dlaczego Wszechwiat
jest, jaki jest? Jak mymy się w nim znaleli? Jaka Jest nasza
w nim rola? Na pytania te nie znamy dzi pełnej odpowiedzi
- to prawda; ale potrafimy je, zwłaszcza pierwsze z nich, prze-
tłumaczyć na wiele bardziej szczegółowych pytań i na niektóre
z tych pytań odpowiedzieć już całkiem sensownie. Pytania nie-
zupełnie jeszcze jasne także majš swoje znaczenie. Może już
wkrótce i one zacznš poddawać się naszej poznawczej pasji.
Chęć rozumienia jest w nas tak potężna, że raz postawionych
pytań nie da się już wycofać.
Chcšc zrozumieć podstawy Wszechwiata, musimy zrozu-
mieć podstawy fizyki. Problemem numer jeden współczesnej
fizyki jest połšczenie dwóch jej wielkich teorii: ogólnej teorii
względnoci i mechaniki kwantowej. Ogólna teoria względno-
ci, czyli Einsteinowska teoria grawitacji, daje dobry obraz
Wszechwiata w jego wielkiej skali - w skali galaktyk, ich
gromad i supergromad. Mechanika kwantowa pozwala zro-
zumieć Wszechwiat na poziomie atomowym i subatomo-
wym, czyli na poziomie elektronów, protonów, kwarków
i gluonów. Ale obydwie te teorie dotychczas funkcjonujš nie-
zależnie od siebie l posługujš się matematycznymi metoda-
mi, które diametralnie różniš się od siebie. A przecież
Wszechwiat wymagajšcy zrozumienia jest jeden i, co więcej,
obie teorie niedwuznacznie sugerujš, że na poziomie najgłęb-
szym muszš się zjednoczyć: grawitacja powinna ujawnić
swoje kwantowe oblicze, a metody kwantowe rozcišgnšć się
także na grawitację. Tym, czego szukamy, jest więc kwanto-
wa teoria grawitacji.


WSTĘP  11
Metody współczesnej mechaniki kwantowej sš w znacznej
mierze całociowe. W układzie kwantowym Jego częci sš ze
sobš "splecione" w taki sposób, że jedne wiedzš o drugich, na-
wet gdy sš od siebie bardzo oddalone. Wyrażenie "splecione"
(entangled), pojawiajšce się w poprzednim zdaniu, nie jest fi-
gurš retorycznš, lecz terminem technicznym. Splecenie ukła-
du kwantowego oznacza, iż Jest on całociš do tego stopnia, że
manipulacja jakškolwiek jego częciš natychmiast odbija się
na całoci. I to bez względu na przestrzenne oddalenie: dwa fo-
tony mogš tworzyć układ spleciony nawet wtedy, gdy znajdujš
się na przeciwległych krańcach supergromady galaktyk. Jeżeli
ta cecha mechaniki kwantowej (a Jest to jej cecha Istotna)
przetrwa zjednoczenie z ogólnš teoriš względnoci, to teoria
kwantowej grawitacji musi być również kwantowš kosmologiš.
Kwantowy Wszechwiat będzie "jeszcze bardziej jednociš" niż
Wszechwiat obecnej kosmologii, opartej na Einsteinowsklej
teorii grawitacji. Tytuł ksišżki, którš obecnie przekazuję Czy-
telnikowi - Kosmologia kwantowa - nie został wybrany przy-
padkowo. Fundamentalna teoria fizyczna nie może nie być teo-
riš Wszechwiata.
Metoda fizyki odznacza się swoistš agresywnociš. Nigdy nie
zadowala się już osišgniętym wynikami, lecz cišgle atakuje
problemy, jakie nasuwa namysł nad logikš dotychczasowych
wyników. Włoski filozof nauki, Evandro Agazzi, napisał kiedy:
"zadaniem naukowca jest poszerzanie granic nauki, ale nigdy
ich przekraczanie".1 Poszerzanie granic nauki dokonuje się
włanie dzięki tej agresywnoci. Już rozwišzane problemy, sta-
wiajšc coraz to nowe pytania, wywierajš swojego rodzaju ci-
nienie na dotychczasowe granice fizyki i - w miarę uzyskiwa-
nia odpowiedzi na przynajmniej niektóre z pytań - stopniowo
wymuszajš przesuwanie się tych granic. Teren pogranicza jest
zawsze niespokojny. Tu metoda funkcjonuje na skraju swoich
możliwoci. Tu przebiega front badań naukowych, o włos gra-
niczšcy z polem niezbadanych możliwoci. Zagadni...
Zgłoś jeśli naruszono regulamin