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...
rutkowska-j