Prof. dr hab. Zbigniew Jacyna-Onyszkiewicz
METAKOSMOLOGIA
Poznań 1999
Ó Copyright by Zbigniew Jacyna-Onyszkiewicz 1999 All rights reserved
Książka ta z pewnością zainteresuje czytelnika o wykształceniu ogólnym, którego niepokoją lub interesują fundamentalne problemy światopoglądowe. Proponuje ona bowiem całościową i spójną wizję rzeczywistości w pełni zgodną z fundamentalnymi teoriami współczesnej fizyki i kosmologii. Wyjaśnia sens istnienia wszechświata i każdego człowieka oraz daje odpowiedź na wszystkie, nawet te najgłębsze, pytania egzystencjalne. Pokazuje również, że istnienie wszechświata ma to samo źródło, co jego racjonalność.
Zbigniew Jacyna-Onyszkiewicz, profesor zwyczajny na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, doktor honoris causa Uniwersytetu w Królewcu jest autorem ponad 100 prac naukowych i książek z zakresu fizyki teoretycznej oraz fundamentalnych problemów teorii kwantów i kosmologii kwantowej.
Spis treści
Wprowadzenie 1. Podstawowe fakty obserwacyjne dotyczące wszechświata 2. Kosmologia fizyczna 2.1. Kosmologia klasyczna 2.2. Kosmologia inflacyjna 2.3. Kosmologia kwantowa 3. Metakosmologia 3.1. Pochodzenie zasad kosmologii kwantowej 3.2. Źródło istnienia i racjonalności wszechświata
Wprowadzenie
Jednym z najgłębszych pytań, jakie można postawić przed nauką, to pytanie o pochodzenie, ewolucję i strukturę wszechświata. Od wieków próbowali znaleźć na nie odpowiedź filozofowie i teologowie, leżało ono bowiem daleko poza możliwościami nauk przyrodniczych. Dopiero gwałtowny rozwój tych nauk w XX wieku umożliwił udzielenie naukowej, spójnej i całościowej odpowiedzi na to pytanie. W XX wieku narodziła się bowiem nowa nauka przyrodnicza - kosmologia (czasami nazywana również kosmologią fizyczną), badająca i opisująca wszechświat jako całość. Kosmologia rozumiana jako globalna teoria kosmosu może być uważana za dział fizyki, gdyż jest w swej istocie fizyką kosmosu. Kosmologia jest obecnie jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi nauk ścisłych. Odniosła ogromny sukces, dając zgodne z obserwacjami astronomicznymi wyjaśnienie powstania, ewolucji i budowy wszechświata.
Kosmologia -nauka przyrodnicza stosująca empiryczno-matematyczną metodę badań fizycznych - nie jest jednak w stanie udzielić odpowiedzi na takie fundamentalne pytania, jak: Czy istnienie wszechświata ma sens? Co istniało, zanim wszechświat powstał? Dlaczego wszechświat jest racjonalny? Jakie jest miejsce człowieka we wszechświecie?
Pragnąc odpowiedzieć na powyższe pytania w niniejszej książeczce musimy opuścić ramy kosmologii fizycznej i wkroczyć na teren uważany za domenę filozofii. Dlatego nosi ona tytuł Metakosmologia, a przedrostka "meta" użyto w znaczeniu "poza". Tytuł ten oznacza więc rozważania dotyczące wszechświata jako całości, wykraczające poza ramy kosmologii fizycznej. W takim rozumieniu metakosmologia jest rozważaniem zagadnień metafizycznych odnoszących się do kosmosu i może być uważana za dział metafizyki.
Rozpatrzymy własności wszechświata na czterech poziomach: na poziomie faktów uzyskanych bezpośrednio z obserwacji astronomicznych prowadzonych metodami fizycznymi, na poziomie klasycznej i kwantowej teorii wielkiego wybuchu oraz na poziomie metakosmologicznym. Rozważania metakosmologiczne prowadzą do pewnego ogólnego modelu rzeczywistości. Właśnie ten model rzeczywistości umożliwia uzyskanie odpowiedzi na fundamentalne pytania natury egzystencjalnej. Pozwala również na prezentację całościowej i spójnej wizji rzeczywistości w pełni zgodnej z wynikami współczesnej fizyki i kosmologii.
Książeczka z pewnością zainteresuje czytelnika o wykształceniu ogólnym, którego niepokoją lub interesują fundamentalne problemy światopoglądowe. Znajdzie w niej bowiem sporo materiału do przemyśleń nawet wtedy, gdy nie zaakceptuje proponowanego w niej ogólnego modelu rzeczywistości i związanego z nim światopoglądu.
Została ona napisana jako pozycja popularnonaukowa, a jej dodatkową zaletą jest fakt, że nie zawiera żadnych wzorów matematycznych. Ze względu jednak na częste występowanie "astronomicznie" wielkich liczb zastosowano ich zapis potęgowy. Tak więc na przykład bilion sekund to 1012 s, a jedna miliardowa część metra - 10-9 m itp.
Rozdział 1 zawiera opis zasadniczych dla kosmologii faktów astronomicznych odnoszących się do obserwowanego wszechświata. W rozdziale 2 przedstawiono w skrócie podstawowe kwestie dotyczące trzech głównych działów kosmologii fizycznej: kosmologii klasycznej, kosmologii inflacynej i kosmologii kwantowej. Omówienie każdego z nich kończy się pytaniami, na które nie znajdujemy odpowiedzi w ramach danego działu kosmologii. W rozdziale 3 przekroczono ramy kosmologii fizycznej, przechodząc do rozważań metakosmologicznych, które pozwoliły na wyprowadzenie zasad teorii kwantów i kosmologii kwantowej. Na końcu podrozdziału 3.1 sformułowano pytania, na które zaproponowana metakosmologia nie potrafi odpowiedzieć. Z tego powodu podrozdział 3.2 poświęcono wzbogaceniu metakosmologii o nowe, dalekie od fizyki pojęcia, które umożliwiają skonstruowanie metakosmologii udzielającej odpowiedzi na wszystkie fundamentalne pytania egzystencjalne i wyjaśniającej sens istnienia człowieka oraz wszechświata. Metakosmologia ta wskazuje również źródło istnienia i racjonalności wszechświata.
1. Podstawowe fakty obserwacyjne dotyczące wszechświata
Najbardziej oczywistą cechą, dotyczącą wszechświata jako pewnej całości, znaną od zarania dziejów ludzkości, jest
Fakt 0. Nocne niebo jest ciemne.
Przez wieki nie zdawano sobie sprawy, że informacja ta dużo mówi o rozkładzie świecącej materii we wszechświecie. Można wykazać, że wynika z tego, iż wieczny wszechświat o jednorodnym rozkładzie świecącej materii nie może rozciągać się w nieskończoność.
Wykorzystując zdobycze współczesnej fizyki, astronomii, techniki i technologii kosmicznej do obserwacji Księżyca, planet, komet, Słońca, Drogi Mlecznej i odległych obiektów pozagalaktycznych, stwierdzono ponad wszelką wątpliwość, że:
Fakt 1. W obserwowanej części wszechświata obowiązują te same prawa fizyki co na Ziemi.
Właśnie ten fundamentalny fakt umożliwia stosowanie metod wypracowanych i odkrytych na Ziemi do badania całego dostępnego nam kosmosu. Dzięki temu mogła rozwinąć się astrofizyka, a następnie kosmologia.
I właśnie badania astrofizyczne wykazały, że:
Fakt 2. W obserwowanej części wszechświata nie istnieją obiekty starsze niż mające 20 miliardów lat.
Jest to bardzo istotny fakt umożliwiający określenie wielkości obserwowalnego (możliwego do zaobserwowania) wszechświata. Zgodnie bowiem ze szczególną teorią względności Alberta Einsteina informacje nie mogą być przesyłane z prędkością większą niż prędkość światła w próżni - 300 000 km/s. Wynika stąd, że możemy obserwować obiekty astronomiczne oddalone od Ziemi nie dalej niż 20 miliardów lat świetlnych. Odległość ta wyznacza horyzont dla naszych obserwacji. Obserwowalny wszechświat ma więc postać kuli o promieniu mniejszym niż 20 miliardów lat świetlnych, czyli mniejszym niż 4 ´1025 m, w środku której znajduje się Ziemia. Kula ta jest największym układem, jaki możemy badać metodami fizycznymi. W kosmologii fizycznej właśnie ten układ fizyczny traktuje się jako wszechświat.
Obserwowalny wszechświat ma ogromne, trudne do uzmysłowienia sobie rozmiary. Żeby pomóc naszej wyobraźni, dokonajmy następującego przeskalowania. Załóżmy, że odległość Ziemia-Słońce, wynoszącą około 150 miliardów metrów, którą światło pokonuje w przybliżeniu w czasie 8 minut, zmniejszamy do rozmiarów 1 mm. W tej skali odległość do sąsiadujących ze Słońcem gwiazd jest rzędu 300m. Natomiast średnica Drogi Mlecznej, galaktyki składającej się z co najmniej 100 miliardów gwiazd (w tym Słońca), w tej skali wynosi około 6000 km. Jeżeli jeszcze raz dokonamy zmniejszenia rozmiarów wszechświata i założymy, że średnica naszej Drogi Mlecznej jest równa 1 cm, to w tej skali promień kuli stanowiącej obserwowalny wszechświat wynosi około 1500 m. Kula ta wypełniona jest prawie równomiernie co najmniej 100 miliardami galaktyk, z grubsza centymetrowej wielkości, oddalonych jedna od drugiej średnio o kilkadziesiąt centymetrów. Galaktyki te grupują się w gromady i supergromady. Obserwacje wskazują również, że w tej kuli istnieją duże, kilkudziesięciometrowe obszary pozbawione prawie zupełnie galaktyk. Jednak w dużej skali, rzędu stu i więcej metrów, rozkład przestrzenny galaktyk jest jednorodny i izotropowy (niezależny od miejsca ani kierunku obserwacji). Zatem obserwowalny wszechświat możemy w przybliżeniu wyobrazić sobie jako kulę wypełnioną równomiernie gazem złożonym z galaktyk. W związku z tym stwierdzamy, że:
Fakt 3. W dużej skali (rzędu miliardów lat świetlnych i większej) obserwowalny wszechświat jest jednorodny i izotropowy.
Obserwacje zdają się również wskazywać, że:
Fakt 4. Przestrzeń obserwowalnego wszechświata w dużej skali ma geometrię euklidesową,
To znaczy taką, jakiej uczyliśmy się w szkole. Oznacza to na przykład, że suma kątów trójkąta o boku rzędu miliardów lat świetlnych wynosi 180o niezależnie od położenia tego trójkąta we wszechświecie.
Jest rzeczą zrozumiałą, że ze względu na skończoną prędkość rozchodzenia się światła odległe obiekty obserwujemy we wcześniejszym czasie ich istnienia. Na przykład, gdyby nagle przestało świecić Słońce, to dowiedzielibyśmy się o tym dopiero po 8 minutach. Tyle bowiem czasu potrzebuje światło na dotarcie ze Słońca do Ziemi. Obserwacje astronomiczne dowodzą, że wcześniejszy wszechświat był inny niż obecny. Zawierał on chociażby znacznie więcej niż obecnie radiogalaktyk i kwazarów. Zatem wszechświat ma swoja historię i zmienia się z upływem czasu. Oznacza to, że:
Fakt 5. Wszechświat jest niejednorodny w czasie.
W połowie lat sześćdziesiątych wykryto, że wszechświat wypełniony jest promieniowaniem elektromagnetycznym (o podobnych właściwościach jak promieniowanie elektromagnetyczne stosowane w kuchenkach mikrofalowych) o charakterystycznej temperaturze około 2,7 K. Późniejsze badania pokazały, że względem tego promieniowania Ziemia porusza się z prędkością około 620 km/s w kierunku gwiazdozbiorów Hydry i Centaura. Poza tym stwierdzono, że rozkład tego promieniowania odpowiada izotropowemu promieniowaniu ciała doskonale czarnego. Odstępstwa od izotropowości pojawiają się dopiero na poziomie jednej stutysięcznej wartości średniej. Odkryto więc, że:
Fakt 6. Wszechświat wypełniony jest promieniowaniem mikrofalowym o wysokim stopniu izotropowości i rozkładzie widma promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Zaobserwowano, że w różnych obszarach nieboskłonu promieniowanie to ma nieco inną charakterystyczną temperaturę. Różnice te, czyli fluktuacje temperatury, są niewielkie i wynoszą około 10-5 K.
Promieniowanie to nazywa się promieniowaniem tła lub promieniowaniem reliktowym. Fizyka uczy nas, że w pewnym sensie promieniowanie elektromagnetyczne można traktować jako zbiór mikrocząstek zwanych fotonami. Czasami zamiast nazwy "foton" używa się nazwy "kwant promieniowania" (elektromagnetycznego). Oszacowania astrofizyczne pokazują, że:
Fakt 7. We wszechświecie średnio na jeden atom przypada około 30 miliardów fotonów.
Oznacza to, że we wszechświecie zwykła materia, którą spotykamy na Ziemi jest czymś wyjątkowym.
Poza tym obserwacje astronomiczne wykazują, że:
Fakt 8. Materia we wszechświecie składa się w 75% z atomów wodoru i w 25% z atomów helu i śladowych ilości pozostałych pierwiastków, głównie litu, oraz że średnia gęstość materii we wszechświecie wynosi około 10-29 gęstości wody.
Obserwacje astronomiczne, między innymi dynamiki gromad galaktyk, świadczą, że:
Fakt 9. Większą część materii we wszechświecie stanowi materia nieświecąca (tzw. materia ciemna) i przez to niewidoczna dla obserwatora z Ziemi.
Niewykluczone, ze materia ciemna stanowi więcej niż 90% materii wszechświata. Obecnie nie znamy składu ciemnej materii. Przypuszczalnie jest ona mieszaniną różnego rodzaju cząstek elementarnych, w tym cząstek egzotycznych nie zaobserwowanych dotychczas w ziemskich laboratoriach.
W 1929 roku amerykański astronom, Edwin Hubble odkrył, że:
Fakt 10. Odległe galaktyki oddalają się od nas z prędkością wprost proporcjonalną do odległości od Ziemi. Prędkość ta zależy tylko od odległości, a nie zależy od kierunku, w którym obserwujemy daną galaktykę.
Na przykład galaktyka odległa od nas o 100 milionów lat świetlnych oddala się od nas z prędkością 2000 km/s, podczas gdy inna, odległa o miliard lat świetlnych ucieka od nas z prędkością 20 000 km/s. Oznacza to, że wszechświat podlega ekspansji, podczas której galaktyki coraz bardziej odsuwają się jedna od drugiej, czyli że gęstość materii we wszechświecie stopniowo zmniejsza się.
W końcu:
Fakt 11. Nie zaobserwowano ruchu obrotowego obserwowalnego wszechświata.
Wszystkie wymienione podstawowe fakty dotyczące wszechświata wymagają wyjaśnienia. Ich wyjaśnieniem zajmuje się kosmologia fizyczna.
2. Kosmologia fizyczna
W starożytnej filozofii greckiej kosmologia oznaczała naukę o przyrodzie. Współcześnie kosmologia rozumiana jest jako nauka o wszechświecie jako pewnej całości i o prawach nim rządzących. Często termin "kosmologia" używany jest w dwóch znaczeniach: jako dział filozofii lub jako nauka przyrodnicza. Dlatego czasami mówi się o kosmologii filozoficznej, rozumianej jako filozoficzna refleksja nad wszechświatem, oraz o kosmologii fizycznej, czyli o fizyce badającej największy z możliwych układów fizycznych, a tym największym układem jest możliwa do zaobserwowania część wszechświata. Z kolei w kosmologii fizycznej wyróżnia się kosmologię klasyczną i kosmologię kwantową. Nasze rozważania rozpoczniemy od zwięzłego omówienia podstawowych założeń i rezultatów klasycznej kosmologii fizycznej, bazującej na faktach obserwacyjnych dotyczących wszechświata i na klasycznych teoriach fizycznych zastosowanych do opisu jego globalnej dynamiki.
2.1. Kosmologia klasyczna
Podstawowym założeniem kosmologii fizycznej jest tzw. zasada kopernikowska. Istotą podejścia Kopernika było przyjęcie, że to nie Ziemia jest środkiem wszechświata. A więc, mówiąc ogólniej, zasada kopernikowska stwierdza, że każde miejsce we wszechświecie jest równouprawnione, a nasze w nim położenie jest typowe. Jeśli pominąć drobnoskalowy rozkład materii wypełniającej wszechświat to, średnio rzecz biorąc, rozkład ten jest jednorodny i izotropowy. Zasada kopernikowska jest więc uogólniającym wnioskiem wynikającym z danych obserwacyjnych.
Ponieważ jedynymi siłami, jakie znamy, mogącymi oddziaływać na odległościach międzygalaktycznych są siły grawitacyjne, dlatego drugim podstawowym założeniem kosmologii fizycznej jest przyjęcie, że właśnie te siły określają globalną dynamikę wszechświata.
Fizyka dysponuje doskonałą klasyczną teorią grawitacji sformułowaną w 1915 roku przez Alberta Einsteina. Teoria ta, tzw. ogólna teoria względności, jest obecnie najlepiej potwierdzaną eksperymentalnie teorią fizyczną. Jest ona potwierdzona z dokładnością jak 1 do 100 bilionów!
Z jednorodności i izotropowości wszechświata wynika, że w dużej skali siły grawitacyjne w każdym punkcie wszechświata są, średnio rzecz biorąc, takie same. Ogólna teoria względności redukuje zjawisko grawitacji do ruchu bezwładnego w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Z jednorodności wszechświata wynika więc, że w każdym jego punkcie krzywizna przestrzeni jest taka sama. Można pokazać, że istnieją tylko trzy rodzaje przestrzeni o stałej, niezależnej od miejsca krzywiźnie: przestrzeń o geometrii sferycznej (w takiej przestrzeni suma kątów w trójkącie jest większa od 180o), przestrzeń o geometrii hiperbolicznej (w takiej przestrzeni suma kątów w trójkącie jest mniejsza od 180o) i przestrzeń płaska o geometrii euklidesowej. Przestrzeń sferyczna ma skończoną objętość i istnieje w niej największa, skończona odległość, natomiast w przestrzeniach hiperbolicznej i płaskiej można oddalić się na nieskończoną odległość. Z tego powodu wszechświat o geometrii sferycznej nazywa się wszechświatem zamkniętym, a wszechświaty o geometriach płaskich i hiperbolicznych - wszechświatami otwartymi. Poza tym całkowita energia wszechświata o geometrii sferycznej jest dokładnie równa zero. Dodatnia energia materii w takim wszechświecie jest ściśle rekompensowana przez ujemną energię pola grawitacyjnego. Natomiast całkowita energia wszechświata o przestrzeni hiperbolicznej lub płaskiej jest nieskończona.
Geometria przestrzeni wszechświata zależy od średniej gęstości materii w nim zawartej. Jeżeli jest mniejsza od pewnej wartości krytycznej, to wszechświat ma przestrzeń o geometrii hiperbolicznej. Gdy wszechświat ma gęstość równą gęstości krytycznej, to jego przestrzeń jest przestrzenią płaską (euklidesową). Natomiast gdy gęstość materii przekracza gęstość krytyczną, to przestrzeń wszechświata ma geometrię sferyczną.
Obserwacje astronomiczne i obliczenia teoretyczne nie pozwalają obecnie na rozstrzygnięcie, czy gęstość materii we wszechświecie jest większa czy mniejsza od gęstości krytycznej. Z całą pewnością możemy tylko powiedzieć, że gęstość ta nie odbiega zbytnio od gęstości krytycznej. W każdym razie łącznie z faktem 4 (por.rozdz.1) oznacza to, że obserwowana część wszechświata stanowi mały fragment skończonego lub nieskończonego wszechświata.
W przypadku gęstości mniejszej lub równej gęstości krytycznej na podstawie obliczeń teoretycznych stwierdzamy, że gęstość materii będzie stale, bez ograniczeń czasowych, stopniowo maleć, dążąc do zera. Natomiast w przypadku gdy gęstość materii we wszechświecie jest większa od gęstości krytycznej, będzie ona maleć przez co najmniej 100 miliardów lat, a następnie zacznie stopniowo rosnąć, by w dalekiej przyszłości, za ponad 200 miliardów lat, osiągnąć wartość nieskończoną. W tym momencie, zgodnie z ogólną teorią względności, nastąpi koniec wszechświata - zniknie czasoprzestrzeń i materia w niej zawarta.
We wszystkich przypadkach przestrzeni o stałej krzywiźnie, gdy cofamy się w czasie, gęstość materii we wszechświecie rośnie nieograniczenie. Przez ekstrapolację otrzymuje się, że około 15 miliardów lat temu gęstość ta osiągnęła wartość nieskończoną. Stan taki nazywamy początkową osobliwością. Zgodnie z prawami termodynamiki, gdy rośnie gęstość wszechświata, rośnie również jego temperatura. W stanie początkowej osobliwości temperatura podobnie jak gęstość materii przyjmuje wartość nieskończoną.
Zgodnie z prawami fizyki klasycznej dzieje wszechświata przypominają gigantyczną eksplozję ze stanu początkowej osobliwości. Dlatego model teoretyczny opisujący te dzieje często nazywa się teorią wielkiego wybuchu.
W pewnym stopniu temperaturę wszechświata możemy uważać za wielkość fizyczną będącą miarą średniej energii kinetycznej cząstek. Im większa jest średnia prędkość cząstek, tym wyższa jest temperatura wszechświata. We współczesnych akceleratorach potrafimy doprowadzać do zderzeń cząstek o energiach kinetycznych odpowiadających temperaturze około 1015 K (trylion kelwinów). Teoria wielkiego wybuchu przewiduje, że taka temperatura panowała we wszechświecie w czasie jednej stumiliardowej części sekundy (10-11 s) po chwili początkowej osobliwości, którą w kosmologii przyjęto oznaczać jako chwilę zerową i zapisuje się jako czas t = 0. W jeszcze wcześniejszym czasie, 0 < t < 10-11 s, we wszechświecie panowały warunki, których nie potrafimy obecnie wytworzyć w naszych ziemskich laboratoriach. Z tego powodu kosmologia młodszego niż t = 10-11 s wszechświata opiera się na ekstrapolacji znanych teorii fizycznych lub ich hipotetycznych uogólnień na zakresy temperatur i energii niedostępne na razie dla badań eksperymentalnych.
Fizyka dysponuje teorią, nazwaną standardowym modelem cząstek elementarnych, która dobrze opisuje zachowanie się cząstek o energiach równych lub mniejszych od energii odpowiadającej temperaturze 1015 K. Z tego powodu możemy twierdzić, że dysponujemy dostateczną wiedzą pozwalającą na odtworzenie, przynajmniej w ogólnych zarysach, historii wszechświata od czasu t = 10-11 s po wielkim wybuchu do chwili obecnej.
W czasie t = 10-11 s gęstość materii była 1028 razy większa od gęstości wody. O ile obecnie stosunek różnicy gęstości materii we wszechświecie i gęstości krytycznej do gęstości krytycznej (która odpowiada geometrii euklidesowej) jest mniejszy od 3, o tyle w czasie t = 10-11 s był on mniejszy od 10-18. Oznacza to, że w tym czasie, z dużą dokładnością, wszechświat miał geometrię euklidesową.
Przyjmując powyższe warunki fizyczne oraz zakładając, że w czasie t = 10-11 s wszechświat wypełniony był gorącą materią o temperaturze 1015 K i gęstości 1028 razy wiekszą od gęstości wody, składającą się ze znanych cząstek elementarnych -kwarków, leptonów, bozonów cechowania -i z ciemnej materii o niezupełnie idealnie jednorodnej gęstości, potrafimy dokładnie prześledzić historię wszechświata. Potrafimy wytłumaczyć pochodzenie obecnej struktury wszechświata, składu zawartej w niej materii, rozkładu promieniowania tła itd.
Można wyodrębnić następujące podstawowe stadia ewolucji wszechświata:
. czas t = 10-...
grappa25