»

ALANH. GUTH

WSZECHŚWIAT INFLACYJNY

W poszukiwaniu nowej teorii pochodzenia kosmosu

Przełożyli

Ewa L. Łokas

i Bogumił Bieniok

2000r.

Przedmowa  

Wstęp

1.         Największy darmowy obiad

2.         Kosmiczna perspektywa z Ithaki w stanie Nowy Jork  

3.         Narodziny współczesnej kosmologii

4.         Echa rozżarzonej przeszłości

5.         Kondensacja pierwotnej zupy

6.         Problemy materii i antymaterii

7.         Rewolucja w fizyce cząstek elementarnych w latach siedemdziesiątych

8.         Teorie wielkiej unifikacji

9.         Walcząc z przekleństwem monopoli magnetycznych

10.      Wszechświat inflacyjny  

11.      Owoce odkrycia

12.      Nowy Wszechświat inflacyjny

13.      Zmarszczki na gładkim tle

14.      Wskazówki z głębi Ziemi i dalekiego kosmosu

15.      Wieczny, samoodtwarzający się Wszechświat inflacyjny

16.      Tunele czasoprzestrzenne i tworzenie wszechświatów w laboratorium

17.      Wszechświat ex nihilo  

Epilog  

Dodatek A: Energia grawitacyjna

Dodatek B: Newton i nieskończony statyczny Wszechświat  

Dodatek C: Promieniowanie ciała doskonale czarnego

Dodatek D: Jednostki i miary

Przypisy

Każda kultura ma swoją kosmologię, historię powstania Wszechświata, przekonania co do tego, z czego się on składa i dokąd zmierza. Zdumiewające jest to, że w obecnym stuleciu kosmologia stała się nauką, dobrze określoną dziedziną badań w ramach astronomii i fizyki.

W latach siedemdziesiątych w badaniach kosmologicznych nastąpiły znaczne przemiany pojęciowe. Wcześniej współcześni kosmologowie zadawali pytania w rodzaju: Z czego składają się galaktyki i jak są rozmieszczone w przestrzeni kosmicznej? Jak szybko rozszerza się Wszechświat? Jaka jest średnia gęstość materii w kosmosie? Później, w „nowej kosmologii" zaczęto poważnie zastanawiać się nad innymi kwestiami: Dlaczego materia w ogóle istnieje i skąd się wzięła? Dlaczego Wszechświat jest tak jednorodny w tak dużych skalach? Dlaczego gęstość materii w kosmosie jest akurat taka, że energia ekspansji Wszechświata i energia przyciągania grawitacyjnego zawartej w nim materii niemal się równoważą? Innymi słowy, zmieniła się natura stawianych pytań. Stały się one bardziej fundamentalne. Pytanie „Dlaczego?" dołączyło do „Co?", „Jak?" i „Gdzie?". Alan Guth był jednym z pionierów nowej kosmologii, którzy pytali „dlaczego?", a jego teoria inflacyjnego Wszechświata dostarczyła wielu odpowiedzi.

Niektóre z tych pytań stawiano już wcześniej, ale nie badano ich zbyt wytrwale, głównie dlatego, że wydawało się, iż nie ma nadziei na znalezienie odpowiedzi, i nie zaproponowano żadnych teorii. Wyjaśnień takich nie mogła dostarczyć standardowa teoria Wielkiego Wybuchu, istniejącą od czasów prac Einsteina, Friedmana i Lemaitre'a z lat dwudziestych. Kosmologowie akceptowali niektóre z najbardziej interesujących zaobserwowanych własności Wszechświata, takie jak jego jednorodność i dokładne równoważenie się energii. Rzeczywiście, przed przełomem, jaki nastąpił w latach siedemdziesiątych i na początku osiemdziesiątych, wielu kosmologów stało na stanowisku, że niektóre cechy Wszechświata należy traktować jako istniejące warunki początkowe, które mogą być zupełnie przypadkowe lub też - z zasady - nawet nieprzewidywalne. W każdym razie obserwowanych, ale nie dających się wyjaśnić własności nie traktowano jako poważnych wad standardowego modelu Wielkiego Wybuchu.

Przymykanie oczu na pewne fakty obserwacyjne lub anomalie, których nie można wytłumaczyć za pomocą obowiązującej teorii, nie jest zjawiskiem rzadkim w nauce. Na przykład, zanim w 1912 roku Alfred Wegener ogłosił teorię dryfu kontynentów, pojęciowe ramy badań geologów opierały się na założeniu, że lądy mogą się przemieszczać tylko w kierunku pionowym. Taka teoria nie pozwalała wyjaśnić obserwowanego niezwykłego podobieństwa kształtów linii brzegowej po przeciwległych stronach Atlantyku. W szczególności Ameryka Południowa i Afryka ukształtowane są tak, jakby były dwoma pasującymi do siebie kawałkami układanki. Geologowie wypowiadali się na temat tej szczególnej cechy geograficznej, ale na ogół traktowali ją jako ciekawostkę, a nie zagadkę czekającą na rozwiązanie. Dopiero po zaproponowaniu przez Wegenera nowej teorii, dostarczającej naturalnego mechanizmu rozchodzenia się w kierunku poziomym kontynentów, które początkowo stanowiły jeden ląd, ich dopasowanie zostało uznane za poważny problem starej teorii.

Kolejny przykład pochodzi z biologii i dotyczy braku przystosowania niektórych organizmów do ich środowiska. Istnieją kaczki, które nie pływają, a mają nogi przystosowane do pływania; zwierzęta, takie jak żyjący w ciemnych jaskiniach szczur Neotoma, które posiadają oczy, lecz ich nie używają; ptaki, takie jak pingwin, które posiadają skrzydła, lecz nie latają. Przed pojawieniem się teorii doboru naturalnego Darwina obserwowano takie nieprawidłowości, ale przymykano na nie oko w obliczu obowiązującej teorii kreacjonistycznej, która utrzymywała, że każdy gatunek został znakomicie dopasowany do swojego środowiska i nigdy się nie zmienia. Jednak teoria Darwina wyjaśnia zarówno nieprzystosowanie, jak i przystosowanie, ponieważ dobór naturalny wymaga ewolucji oraz zmian. Organizm, który przystosował się do pewnego środowiska, może je zmienić, ale ciągle przekazywać wcześniej wytworzoną cechę, jak w przypadku wielu pokoleń szczurów, które wybrały ciemną jaskinię zamiast światła dziennego. Po powstaniu teorii Darwina nieprzystosowanie niektórych zwierząt zaczęto traktować jako poważne uchybienie w teorii kreacjonistycznej. Taka jest konserwatywna natura i psychologiczne podłoże badań naukowych.

Podobnie, brak wyjaśnienia obserwowanej jednorodności Wszechświata i dokładnego zrównoważenia jego energii uznany został przez większość społeczności naukowej za poważne uchybienie w modelu Wielkiego Wybuchu dopiero po zaproponowaniu teorii inflacyjnego Wszechświata. Stworzenie tej nowej teorii umożliwiły nowe idee, jakie wnieśli fizycy teoretycy, którzy wcześniej zajmowali się cząstkami elementarnymi i podstawowymi siłami natury. Powstałe na początku lat siedemdziesiątych nowe teorie fizyki cząstek, zwane teoriami wielkiej unifikacji, sugerowały, że trzy spośród czterech fundamentalnych sił natury - silne i słabe oddziaływania jądrowe oraz siła elektromagnetyczna - są w rzeczywistości przejawami jednej, bardziej podstawowej siły. (Unifikacja i prostota są odwiecznym Świętym Graalem fizyków i artystów. Arystoteles chciał sprowadzić wszystkie substancje do pięciu żywiołów; Picasso twierdził, że malarz powinien tworzyć z jak najmniejszej liczby elementów). Zgodnie z nowymi teoriami temperatura, przy której może się uwidocznić pojedyncza siła, jest niewiarygodnie wysoka: 1029 stopni Celsjusza, dużo wyższa niż temperatura, jaka kiedykolwiek istniała na Ziemi, a nawet we wnętrzach gwiazd. Tak niesamowicie wysoka temperatura mogła występować tylko w jednym miejscu, czy raczej w jednej chwili: w bardzo młodym Wszechświecie, wkrótce po Wielkim Wybuchu. W ten sposób fizycy cząstek zaczęli się interesować kosmologią. Jednym z najbardziej znanych i zasłużonych fizyków cząstek, którzy przyczynili się w owym czasie do połączenia teorii wielkiej unifikacji z kosmologią, był Steven Weinberg. Do młodszych uczonych zalicza się Alan Guth.

Za ogromne osiągnięcie Gutha należy uznać wysunięcie hipotezy, że, zgodnie z teorią wielkiej unifikacji, młody Wszechświat przeszedł przez krótką fazę niezwykle szybkiej ekspansji, po czym powrócił do spokojniejszego tempa wzrostu zgodnego ze standardową teorią Wielkiego Wybuchu. Zaproponowana przez Gutha modyfikacja starszej teorii została nazwana teorią Wszechświata inflacyjnego. Teoria ta, wraz z jej różnymi ulepszonymi wersjami, dostarcza wyjaśnienia niektórych wcześniej pozostających tajemnicą „anomalii" zaobserwowanych przez kosmologów. Moim zdaniem, teoria inflacyjnego Wszechświata jest najbardziej znaczącym nowym wkładem w myśl kosmologiczną od czasu stworzenia podstaw tej nauki w latach dwudziestych.

Ponieważ kluczowe zjawisko teorii Wszechświata inflacyjnego - niezwykle szybka kosmiczna ekspansja - zaszło bardzo dawno temu, możliwe, że nigdy nie dowiemy się na pewno, czy zdarzenie to rzeczywiście miało miejsce. (Teoria dysponuje również pewnymi dokładnymi przewidywaniami co do obecnego Wszechświata, ale na ich podstawie nie można dowieść jej prawdziwości). Jednak, podobnie jak koncepcja, w myśl której kontynenty były kiedyś połączone w jeden ląd, idea inflacji ma tak wielką moc wyjaśniającą, że stała się obecnie podstawowym założeniem w pracy wielu kosmologów. W myśleniu kosmologicznym doszło więc do intelektualnej rewolucji. Mówiąc językiem historyka nauki z MIT [Massachusetts Institute of Technology], Thomasa Kuhna, mamy obecnie w kosmologii nowy paradygmat.

Napisana przez Alana Gutha książka jest niezwykła z kilku powodów. Wyjaśnia ona trudne idee naukowe bez odwoływania się do równań. Została napisana z taką samą jasnością i elegancją, jak oryginalny, przełomowy artykuł Gutha opublikowany w „Physical Review" w roku 1981. Jest rzetelna i przemyślana. Przedstawia uczciwie osobistą karierę naukową, jak również historię odkrycia w jej aspekcie ludzkim i naukowym. Jednak najbardziej niezwykłe jest to, iż książka ta, podobnie jak Podwójna helisa Jamesa Watsona, jest niepowtarzalna w swojej dziedzinie. Została napisana przez uczonego, który odegrał kluczową rolę w opisanym odkryciu. Chociaż w odkryciu i rozwijaniu teorii inflacyjnego Wszechświata brali udział takż...