Kosmologia kwantowa - FILOZOFIA KWANTOWA-QUANTUM PHILOSPHY

Hipoteza Rogera Penrose

Dobrym punktem wyjścia do rozważań na temat powstania Wszechświata będzie hipoteza wybitnego, brytyjskiego fizyka, matematyka i filizofa Rogera Penrose.
Nie jest to ściśle biorąc teoria kwantowa, ale zawiera pewne jej elementy. Sama nazwa tej teorii - konforemna kosmologia cykliczna (Conformal Cyclic Cosmology) -  zawiera w sobie podstawowe jej elementy. Należy do nich geometria konforemna, która operuje wyłącznie na pojęciu kąta odrzucając kwestię odległości. Wielki i mały trójkąt są w tym systemie nieodróżnialne, jeśli mają takie same kąty między bokami. Linie proste nie dają się odróżnić od okręgów. W czterowymiarowej czasoprzestrzeni Einsteina oprócz trzech wymiarów występuje także czas. Geometria konforemna rezygnuje nawet z tego! A to doskonale pasuje do teorii kwantowej zgodnie z którą czas i przestrzeń mogą być złudzeniem naszych zmysłów. Mamy zatem tylko kąty, a ściślej mówiąc stożki świetlne, czyli powierzchnie po których rozchodzi się promieniowanie. Ściśle określona jest też prędkość światła, gdyż mówimy tutaj o fotonach. Matematycznie taka ograniczona geometria wystarcza do opisu fizyki, o ile nie zajmuje się obiektami obdarzonymi masą. A Wszechświat po Wielkim Wybuchu składał się wyłącznie z wysoko energetycznych cząstek będących w istocie promieniowaniem. Ich masa prawie w 100% była zamieniona w energię, zgodnie z podstawowym wzorem Einsteina E=mc². Pomijając więc masę przy pomocy geometrii konforemnej możemy pokazać sam proces kreacji Wszechświata, a nawet jakis okres przed tą kreacją.  Trzeba jeszcze tylko uwzględnić grawitację występującą w stanie minimalnej entropii, czyli w wysokim stopniu uporządkowania. Znika nam wtedy owa osobliwość Wielkiego Wybuchu, a początek Wszechświata jawi sie po prostu, jako regularny brzeg pewnej czasoprzestrzeni.
Wpierw jednak powrócimy do kresu naszego Universum. Jego entropia stale rośnie, czyli staje się on coraz bardziej nieuporządkowany, chaotyczny i zimniejszy. Galaktyki rozbiegają sie w przestrzeni z coraz większą prędkością. Czarne dziury pochłoną w końcu całą materię i same po  bilionach lat wyparują. Wcześniej jednak będą się zderzać ze sobą powodując ekspansję gigantycznych fal grawitacyjnych, które będą reagować z ciemną materią następnego eonu dając początek nowemu Universum. Ta zadziwiająca hipoteza jest spójna matematycznie, a ostatnio znalazła potwierdzenie w badaniach promieniowania reliktowego. Zauważono tam koncentryczne okręgi  rozchodzące się podobnie, jak faliste pierścienie na powierzchni wody, które nie mogą być czymś innym, niż potężnymi falami grawitacji, z których rodził się nasz Wszechświat.
Nie przywiązywałbym specjalnej wagi do tej hipotezy, która nie wyjaśnia nam wielu rzeczy, jak chociażby tego, skąd się bierze owa ciemna materia dająca poczatek nowym Wszechświatom. Ale Roger Penrose jest jednym z twórców nowego podejścia do mechaniki kwantowej, a także opracował bliską mi szczególnie teorię świadomości opartą na teorii kwantów. Penrose wierzy w istnienie matematyki, jako abstrakcyjnego bytu niezależnego od nas, z czym się z kolei trudno zgodzić. To jest idealizowanie matematyki, narzędzia stworzonego przez ludzi dla przybliżonego opisu otaczającej nas rzeczywistości. Dzisiaj testujemy teorię Einsteina z fantastyczną dokładnością 15. miejsc po przecinku, ale wciąż jest to przecież wartość przybliżona.
Omawiana hipotez jest bardzo atrakcyjna, zainteresowanych odsyłam do poz. 3 w wykazie literatury tego rozdziału.

Model ekpyrotyczny

O cyklicznym Wszechświecie opowiada też teoria Steinhardta-Turoka (zob. poz. 18 wykazu). Nie mam do niej przekonania, gdyż nie wierze w teorię strun, czy w jej zmodyfikowaną wersje zwaną M-polem.W tym modelu kosmologicznym mamy dodatkowe wymiary, brany, ciemną energię i rozpad ciemnej energii. Podobnie jak w modelu Penrose ważne są tutaj fale grawitacyjne, które jak pamiętamy, wykryto w kosmicznym promieniowaniu tła. Brany natomiast to skrót od obiektów membranopodobnych powstających w wyniku operacji strunami w przestrzeni wielowymiarowej. A więc sama struna jest 1-braną, obiekty punktowe są 0-branami, a wielowymiarowe p-branami w zależności od tego w ilu wymiarach występują. Turok i jego współpracownik uważają, że dzisiejszą postać Wszechświat zawdzięcza wyodrębnieniu się w piątym wymiarze z Wszechświata sąsiedniego, nowego Wszechświata, który zderzył się i zespolił następnie z naszym. Tłumaczyłoby to nierównomierny rozkład materii w Kosmosie i pozwoliłoby ominąć kontrowersyjną hipotezę o rozszerzaniu się Wszechświata z prędkością większą niż prędkość światła. Nasz pierwotny Wszechświat był początkowo zimny i prawie pusty, dopiero po zderzeniu z sąsiednią braną, która wypączkowała z innego Wszechświata, powstał obecnie istniejący świat. Jeśli więc akceptujemy teorię M-pola, to ten model jest z nią zgodny i matematycznie poprawny. Tyle, że struny są już martwe, przyszłość należy do pętlowej grawitacji kwantowej.
Teoria strun  w pewnym stopniu pozwalała na powiązanie grawitacji z innymi siłami, ale wymagała karkołomych założeń istnienia 6-20 ukrytych wymiarów przestrzennych. Trzeba było zakładać istnienie nowej odmiany symetrii zwanej supersymetrią. Nikt jednak nigdy jej nie obserwował, podobnie jak samych strun. To tylko eleganckie założenia teoretyczne, a tak naprawdę ślepa uliczka fizyki.
Jest tak dlatego, iż fundamentalna i poprawna teoria powinna połączyć teorię kwantów z dynamicznym opisem czasu i przestrzeni oraz musi być niezależna od tła. Pętlowa grawitacja kwantowa daje nam takie perspektywy o silnych podstawach matematycznych, w przeciwieństwie do teorii strun. W moich rozważaniach jestem pewien, że Wszechświat w wielkiej skali jest rządzony przez ogólną teorię względności i teorię kwantów. Unifikację tych teorii zapewnia pętlowa grawitacja kwantowa, zbliża sie czas, kiedy zostanie ona potwierdzona eksperymentalnie. I wtedy nie będzie potrzebne 11 wymiarów przestrzennych, jak w nieszczęsnej teorii strun. Wystarczy nam realnie istniejący świat o trzech wymiarach przestrzennych i czwartym- czasie. Kosmologia strun nie istnieje po prostu.

Ostatnie uwagi prof. Lee Smolina


 Bardzo sobie cenię wszelkie hipotezy znakomitego fizyka Lee Smolina (foto), a w szczególności jego teorię pętlowej grawitacji kwantowej. W swej ostatniej wypowiedzi dla EDGE
Smolin twierdzi, iż należy pogrzebać teorię, jakoby Big Bang był początkiem czasu. Samo zaistnienie Wielkiego Wybuchu 13,7 mld lat temu wydaje się być w sposób wystarczający udowodnione, podobnie jak fakt późniejszej inflacji. Posiadamy dane obserwacyjne, szczególnie z badań promieniowania reliktowego, które zgadzają się z teorią Big Bangu. Nieznana jest jedynie rola ciemnej energii i ciemnej materii w procesie ekspansji Wszechświata. Nie mamy też pojęcia dlaczego nasz Wszechświat był pod początku niesłychanie homogeniczny i symetryczny.
Nauka może odpowiedzieć na te pytania, jeśli przyjmiemy założenie, iż Big Bang nie był początkiem czasu, ale momentem przejścia z wcześniejszego etapu Wszechświata do stanu gwałtownej inflacji. Ten wcześniejszy etap będziemy mogli badać naukowo bowiem zachodzące wówczas procesy w czasie przed Wielkim Wybuchem pozwoliły na powstanie naszego świata.
Szczegółowe modele kwantowych wszechświatów pokazują nam wcześniejszą erę, jako zapadanie się wszechświata, gdzie jego gęstość wzrasta do wielkich wartości, ale zanim taki wszechświat stanie nieskończenie gęsty, kwantowe procesy powodują jego ekspansję, z której rodzi się nowy wszechświat. Jak ująć to zjawisko w odpowiednio sprawdzalną teorię?
Pierwsze dwie teorie noszą nazwę nazwę pętlowej kosmologii kwantowej i geometrogenezy. To zupełnie nowy termin w kosmologii kwantowej oznaczający powstanie czasoprzestrzeni (i jednocześnie materii) z pre-geometrycznej mikro-teorii o wzajemnych oddziaływaniach systemów kwantowych. Pozostałe dwie teorie zostały już wczesniej opisane na tej stronie. Idzie o hipotezy Rogera Penrose'a oraz Steinhardta-Turoka o wszechświatach cyklicznych. Piąta teoria zakłada powstanie wszechświata w wyniku efektów kwantowych zachodzących w osobliwości czarnej dziury. Wszystkie te hipotezy są sprawdzalne w realnych obserwacja, mogą być falsyfikowane i odróżnione jedna od drugiej.

Ciemna materia, ciemna energia

Kiedyś w fizyce niezbędny był eter, jako srodowisko w którym rozchodziły się fale światła i fale elektromagnetyczne. Hipotezę istnienia eteru postawiono, gdyż
   do tego czasu wszystkie odkryte fale rozchodziły się w jakimś ośrodku jako drgania mechaniczne,
   fale elektromagnetyczne, a także światło (o którym nie wiedziano, że jest falą elektromagnetyczną) nie potrzebowały powietrza do rozchodzenia.
Wielu badaczom wydawało się, że istnienie eteru jest naturalną koniecznością dla ówczesnej nauki, by elektrodynamika Maxwella była słuszna.
Najpierw postawiono hipotezę o istnieniu "eteru światłonośnego", potem Maxwell wprowadził do nauki koncepcję "eteru elektromagnetycznego", a następnie udowodnił, że jest on tożsamy z "eterem światłonośnym". Doprowadziło go to do odkrycia elektromagnetycznej natury światła. Koncepcja ta upadła wraz z powstaniem szczególnej teorii względności.
Obecnie znowu szukamy owego mitycznego już eteru. Dobrym kandydatem na neo-eter jest ciemna energia, która równomiernie wypełnia przestrzeń. Jest to energia samej przestrzeni, która wskutek ekspansji nieustannie się rozrzedza i zachowuje się jak ujemne ciśnienie, co dodatkowo przyśpiesza ekspansję Wszechświata. Doszło tu do największej w historii fizyki niezgodności między teorią, a praktyką, bo okazało się, że teoria określa wartość tej energii na 10^120 J/cm^3 , a w kosmosie jej wartość szacuje się na 10^-33 J/cm^3. Jest różnica tak ogromna, że zupełnie niewyobrażalna.