Kosmologia kwantowa - FILOZOFIA KWANTOWA-QUANTUM PHILOSPHY

Idź do spisu treści

Menu główne:

Kosmologia kwantowa

Teoria kwantów



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. Zob. także artykuł "Tajemnicze kręgi na niebie", który może potwierdzać tą hipotezę.

Przebywając niedawno w Polsce Penrose osobiście objaśniał swoją teorię, a nawet sporządził rysunek, który zamieszczam. Wynika z niego, że teoria eonów przewiduje nieskończony cykl rodzenia się i zaniku kolejnych wszechświatów. Czas trwania jednego eonu ma wynosić jeden googol, czyli jedynkę z setką zer. Penrose obala w ten sposób teorię kosmicznej inflacji. Cyt. "Moim zdaniem eksponencjalne rozszerzanie przestrzeni następuje na długo przed Wielkim Wybuchem, a nie tuż po nim. Kosmiczna inflacja nigdy mi się nie podobała, bo wiele obiecywała, ale w rzeczywistości niewiele wyjaśniła."



 Z niecierpliwością oczekujemy na nową książkę tego wspaniałego uczonego FASHION, FAITH AND FANTASY ("Moda, wiara i fantazja"). Podważa tam on niektóre podstawowe założenia mechaniki kwantowej, gdyż nie działa ona w ludzkiej skali. Mimo jej sukcesów jest to teoria wewnętrznie sprzeczna. Penrose widzi potrzebę nowej teorii opisującej zjawiska kwantowe. Pisze też o teorii strun podaważając wielowymiarową przestrzeń tj. 25. lub 9. niezbędną w tej teorii.  Zderzające się brany, to także mrzonki.



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.












WIELOŚWIAT ISTNIEJE
 
Nie ma już dzisiaj wątpliwości, że nasz Wszechświat nie jest jedynym istniejącym. Dlaczego tak się dzieje? Otóż odkryto, że inflacja bez końca wytwarza coraz więcej przestrzeni. Kończy sie jedynie w niektórych punktach kosmosu i ten koniec to coś, co znamy pod nazwą Wielkiego Wybuchu. Podstawowym pytaniem jest czy nieskończona przestrzeń mogła powstać w skończonym czasie? Inflacja ma na to sposób, gdyż potrafić wytworzyć nieskończoną objętość w objętości o skończonych rozmiarach. Może wziąć coś mniejszego od atomu i wytworzyć w tak ograniczonej przestrzeni nieskończoność zawierającą nieskończoną liczbę galaktyk, nie zmieniając przy tym przestrzeni na zewnątrz. I to jest sedno naszych rozważań, które wynika wprost z ogólnej teorii względności i będzie dalej bardziej dokładnie przestawione. (zob. Max Tegmark, str. 170).  Taki nieskończony wszechświat mógłby wyglądać, jak subatomowa czarna dziura widziana  z zewnątrz.
Teoria inflacji wyjaśnia, że zjawisko coraz szybszego rozszerzania się wszechświata jest wynikiem ponownego uruchomienia inflacji w zwolnionym tempie tak, że rozmiar Wszechświata podwaja się nie co ułamek sekundy, ale co 8 mld lat. To, co nazywamy Big Bangiem nie było początkiem, a końcem inflacji w naszej części przestrzeni. W innych obszarach przestrzeni proces ten trwa wiecznie. Trzeba więc zastanowić się nad klasyfikacją tych mnogich wszechświatów i poszukać dowodów na ich istnienie.

1/ Nasz Wszechświat-kulisty obszar przestrzeni, z którego światło zdążyło do nas dotrzeć w ciągu 14. miliardów lat, jakie upłynęły od Wielkiego Wybuchu. Materia w pobliżu granic naszego Wszechświata, której światło dociera do nas dopiero teraz po podróży trwającej 14 mld lat, znajduje się w odległości 5x10^26 metrów od nas. Wszechświat zawiera 10^11 galaktyk, 10^32 gwiazd, 10^80 protonów i 10^89 fotonów.

2/ Nasz bliźniaczy wszechświat jest kulą o takim samym rozmiarze, ale żadnej jego części nie widzimy, ponieważ światło do nas jeszcze nie dotarło. To właśnie jest wszechświatem równoległym poziomu I. Wszystkie wszechświaty równoległe poziomu I tworzą razem multiwszechświat poziomu I. Obowiązują w nich te same empiryczne prawa fizyki, ale mogą mieć inna historię.

3/ Wg klasyfikacji Tegmarka multiwszechświat poziomu II to odległe obszary przestrzeni, które na zawsze pozostaną poza zasięgiem naszych obserwacji, ponieważ w przestrzeni między nimi, a naszym Wszechświatem zachodzi wieczna inflacja.

4/ Multiwszechświat poziomu III to różne części kwantowej przestrzeni Hilberta. Opiera się na twierdzeniu, że funkcja falowa nigdy nie ulega redukcji. Sama przestrzeń Hilberta to abstrakcyjna przestrzeń matematyczna o nieskończonej liczbie wymiarów, w której działa funkcja falowa. Te wszechświaty zwane są czasem wszechświatami Hugh Everetta, gdyż to ten uczony w swojej pracy doktorskiej przewidział ich istnienie.
W teorii kwantowej cząstki mogą powstawać i ulegać zniszczeniu, mogą też przebywać w kilku miejscach naraz, ale funkcja falowa będzie zawsze jedna. Funkcja jest obiektem przemierzającym przestrzeń Hilberta zgodnie z tym, jak opisuje to równanie Schroedingera. Taka najprostsza matematycznie teoria kwantowa przewiduje istnienie wszechświatów równoległych,  w których przeżywamy niezliczone warianty naszego życia. Zobaczyć je możemy jedynie w najgłębszych fazach medytacji, choć na codzień czujemy je intuicyjnie.

5/ Multiwszechświat poziomu IV ma zawierać w sobie wszystkie struktury matematyczne odpowiadające podstawowym prawom fizyki. Trudno zgodzić się z tezą Tegmarka, że nie można powołać do życia struktury matematycznej, ona po prostu istnieje poza czasem i przestrzenią, to czas i przestrzeń są w jej wnętrzu. To idealizacja matematyki ściśle powiązanej z fizyką.  Prędzej zgodzimy się hipotezą obliczalnego wszechświata, która mówi, że struktura matematyczna będąca naszą zewnętrzną, fizyczną rzeczywistością jest możliwa do zdefiniowania za pomocą funkcji obliczalnych. W pełni zgadzam się z tezą Wolframa, że prawa przyrody są obliczalne i skończone niczym automat komórkowy lub symulacja komputerowa. Wyjaśnię później, gdzie są dokonywane te olbrzymie ilości obliczeń kreujących istniejącą rzeczywistość. Bo są one faktycznie gigantyczne. Opisanie stanu każdej cząstki w naszym Wszechświecie wymagałoby podania prawie googola (10>100) bitów informacji! Wolfram twierdzi, że znaczna część tej informacji jest jedynie iluzją, jak w przypadku fraktali, gdzie struktury powtarzają się na wszystkich poziomach. Poza tym można liczby opisujące nasz Wszechświat zredukować prawie do zera przy pomocy niezbyt skomplikowanego algorytmu kompresji danych. I tak się w istocie dzieje w odniesieniu do wszechświata poziomu III, który jest symulacją komputerową działającą za pomocą stosunkowo prostego programu komputerowego. Oczywiście żadna istota wyższa nie napisała tego programu, on po prostu istnieje. Z filozoficznego punktu widzenia zgodzić się należy z teorią realizmu modalnego Davida Lewisa, która postuluje, że "wszystkie możliwe światy są tak rzeczywiste, jak nasz." Nie ulega dla mnie wątpliwości, że to obliczenia są odpowiedzialne za ewolucję naszego Wszechświata, cała nasza rzeczywistość jest obliczalna. Nie istnieje matematyczny wszechświat Tegmarka, gdzie obliczenia jedynie opisują Wszechświat wyznaczając obowiązujące w nim relacje.
Podsumowując trzeba stwierdzić, że omawiane wszechświaty równoległe tworzą zagnieżdżoną, czteropoziomową hierarchię, której kolejne poziomy charakteryzują się coraz większą różnorodnością.

-poziom I to odległe obszary przestrzeni niemożliwe do obserwowania

- poziom II to inne obszary poinflacyjne

- poziom III to obszary kwantowej przestrzeni HIlberta

-poziom IV to inne struktury matematyczne.

 To klasyfikacja Tegmarka.
Uważam, że potrzebna jest nam solidna brzytwa Ockhama, która zlikwiduje wszechświaty poziomu II i IV, co pozwoli się nam skupić na badaniu pozostałych.
Ale na temat w następnych artykułach i na naszym forum.
 
 
 
Wróć do spisu treści | Wróć do menu głównego