Mit poczÄ…tku czasu Gabriele Veneziano Z teorii strun wynika, Å»e Wielki Wybuch nie by" poczÄ…tkiem WszechĘwiata, lecz tylko jednym z wydarzeÅ‚ w jego dziejach 48 ÂWIAT NAUKI CZERWIEC 2004 Czy czas rzeczywiĘcie zaczÄ…" p"ynÄ…ç dopiero w momencie Wielkiego Wybuchu ? Czy teÅ» WszechĘwiat istnia" juÅ» wczeĘniej? Jeszcze dziesi´ç lat temu takie dociekania zosta"yby uznane za bluÄ™nierstwo. Wi´kszoĘç kosmologów uwaÅ»a"a je po prostu za pozbawione sensu tak samo jak pytanie, co znajduje si´ na pó"noc od bieguna pó"nocnego. JednakÅ»e post´py fizyki teo- retycznej, a zw"aszcza narodziny teorii strun, doprowadzi"y do zmiany tej sytuacji: WszechĘwiat przed Wielkim Wybuchem sta" si´ przedmiotem badaÅ‚ kosmologii. RosnÄ…ce zainteresowanie tÄ… tematykÄ… oznacza, Å»e wahad"o intelektu, które waha si´ tam i z po- wrotem od tysiÄ…cleci, osiÄ…gn´"o kolejne skrajne po"oÅ»enie. W tej czy innej postaci kwestia poczÄ…t- ku wszechrzeczy zaprzÄ…ta"a umys"y filozofów i teologów w niemal wszystkich kulturach. Jest ona elementem rozleg"ej problematyki, którÄ… najkrócej zreasumowa" Paul Gaguin w swym s"ynnym obrazie z 1897 roku: D ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous? (SkÄ…d przychodzimy? Kim jesteĘmy? DokÄ…d zmierzamy?). Dzie"o przedstawia cykl narodzin, Å»ycia i Ęmierci, z którym wiąŻą si´ pytania o pochodzenie, toÅ»samoĘç i przeznaczenie rodzaju ludzkiego. Pytania te dotyczÄ… kaÅ»dego z nas, a zarazem majÄ… wymiar kosmiczny. MoÅ»emy przeĘledziç naszÄ… lini´ genealogicznÄ… przez pokolenia przodków i dalej przez gatunki zwierzÄ…t, które da"y poczÄ…tek ludziom rozumnym, pierwsze prymitywne formy Å»ycia, pierwiastki zsyntetyzowane we wczesnym WszechĘwiecie aÅ» po pierwotnÄ… bezpostaciowÄ… energi´. Czy moÅ»emy tak cofaç si´ w nieskoÅ‚czonoĘç, czy teÅ» to nasze poszukiwanie korzeni ma swój ostateczny kres? Czy kosmos jest tak jak my sami czymĘ nie- trwa"ym i przemijajÄ…cym? PoczÄ…tek czasu by" przedmiotem zaÅ»artych sporów staroÅ»ytnych Greków. Arystoteles, który uwa- Å»a", iÅ» nigdy takiego poczÄ…tku nie by"o, powo"ywa" si´ na zasad´, Å»e nic nie moÅ»e powstaç z nicze- go: jeĘli WszechĘwiat nie móg" wy"oniç si´ z nicoĘci, musia" istnieç zawsze. Ta i inne przes"anki do- prowadzi"y go do wniosku, Å»e czas rozciÄ…ga si´ bez koÅ‚ca w przesz"oĘç i przysz"oĘç. Teolodzy chrzeĘcijaÅ‚scy na ogó" przyjmowali przeciwny punkt widzenia. Âw. Augustyn utrzymywa", iÅ» w mo- cy Boga, bytujÄ…cego poza przestrzeniÄ… i czasem, jest powo"ywanie ich do istnienia, podobnie jak stworzy" i inne elementy naszego Ęwiata. Na pytanie: Co Bóg robi" przed stworzeniem Ęwiata? Augustyn odpowiada": Skoro sam czas jest cz´Ä˜ciÄ… Stworzenia, po prostu nie by"o Å»adnego «przed! Wspó"czesnych kosmologów do mniej wi´cej takiego samego wniosku doprowadzi"a ogólna teo- ria wzgl´dnoĘci Einsteina. Zgodnie z niÄ… przestrzeÅ‚ i czas nie sÄ… czymĘ sztywnym i niezmiennym. W najwi´kszych skalach przestrzeÅ‚ odznacza si´ naturalnÄ… dynamikÄ… rozszerza si´ lub kurczy z up"ywem czasu, unoszÄ…c ze sobÄ… materi´, tak jak przyp"yw unosi kawa"ki drewna. W latach dwu- dziestych XX wieku astronomowie stwierdzili, Å»e odleg"e galaktyki rozbiegajÄ… si´, a nasz Wszech- Ęwiat znajduje si´ obecnie w stadium ekspansji. Zgodnie z teoriÄ… wzgl´dnoĘci w takim Wszech- Ęwiecie czas nie moÅ»e rozciÄ…gaç si´ w przesz"oĘç bez koÅ‚ca (jeszcze w latach szeĘçdziesiÄ…tych dowiedli tego angielscy fizycy Stephen Hawking i Roger Penrose). W miar´ jak w´drujemy wstecz przez dzieje kosmosu, wszystkie galaktyki zbiegajÄ… si´ do jednego punktu o nieskoÅ‚czenie ma"ych wymiarach, zwanego osobliwoĘciÄ… poczÄ…tkowÄ… zupe"nie jakby wpada"y do czarnej dziury. KaÅ»da z galaktyk lub obiektów pregalaktycznych zostaje ĘciĘni´ta do zerowych rozmiarów, przy czym wartoĘci parametrów, takich jak g´stoĘç, temperatura czy krzywizna przestrzeni, rosnÄ… do nie- skoÅ‚czonoĘci. OsobliwoĘç poczÄ…tkowa to nieodwo"alny kataklizm k"adÄ…cy kres poszukiwaniu na- szych kosmicznych korzeni, który przysparza kosmologom powaÅ»nych k"opotów. W szczególnoĘci trudno jÄ… pogodziç z obserwowanÄ… w duÅ»ej skali niemal doskona"Ä… jednorodnoĘciÄ… i izotropiÄ… WszechĘwiata: roz"Ä…czne obszary o rozmiarach kilkuset milionów lat Ęwietlnych sÄ… statystycznie nie- odróŻnialne. Aby ujednoliciç swe w"aĘciwoĘci, odleg"e od siebie regiony kosmosu musia"y si´ ze CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI 49 sobÄ… w jakiĘ sposób komunikowaç. Idea Jest oczywiĘcie moÅ»liwe, Å»e wszyst- miast jÄ… hamowaç jak w przypadku zwy- takiej komunikacji stoi jednak w sprzecz- kie te obszary mia"y takie same w"aĘci- k"ej materii. Przedstawiony w 1981 ro- noĘci z majÄ…cym d"ugÄ… tradycj´ para- woĘci od samego poczÄ…tku innymi s"o- ku model inflacyjny przekonujÄ…co obja- dygmatem kosmologicznym. Aby przy- wy, Å»e ich jednorodnoĘç ma charakter Ęnia" podstawowe cechy WszechĘwiata bliÅ»yç ten problem, przypomnijmy, co czysto przypadkowy. Fizycy widzÄ… jed- [patrz: Alan H. Guth i Paul J. Steinhardt wydarzy"o si´ w ciÄ…gu 13.3 mld lat, któ- nak dwie inne, bardziej naturalne moÅ»- The Inflationary Universe ; Scientific re up"yn´"y od wyemitowania mikrofa- liwoĘci wyjĘcia z tego impasu: wczesny American, maj 1984; oraz RAPORT SPE- lowego promieniowania t"a. WszechĘwiat móg" byç znacznie mniej- CJALNY Cztery klucze do kosmosu ; szy lub znacznie starszy, niÅ» przewidu- Âwiat Nauki, marzec 2004]. Wiele pro- Dziwny zbieg okolicznoĘci je standardowy model kosmologiczny. blemów pozostawa"o jednak bez wyja- W WYNIKU EKSPANSJI WszechĘwiata odle- W kaÅ»dym z tych przypadków (a niewy- Ęnienia, poczynajÄ…c od samej natury po- g"oĘci mi´dzy galaktykami zwi´kszy"y si´ kluczone, Å»e oba zachodzÄ… jednoczeĘnie) la inflacyjnego oraz kwestii, w jaki mniej wi´cej 1000 razy. JednoczeĘnie, ze odleg"e od siebie obszary WszechĘwiata sposób osiÄ…gn´"o ono tak olbrzymiÄ… wzgl´du na to, Å»e pr´dkoĘç Ęwiat"a znacz- mia"y wystarczajÄ…co duÅ»o czasu, by si´ energi´ potencjalnÄ…. nie przewyÅ»sza szybkoĘç ekspansji, pro- ze sobÄ… skomunikowaç. Drugi, znacznie mniej popularny spo- mieÅ‚ obserwowalnej cz´Ä˜ci Wszech- Wi´kszoĘç badaczy podÄ…Å»a tropem sób rozwiÄ…zania zagadki jednorodnoĘci Ęwiata wzrós" o znacznie wi´kszy czynnik wskazanym przez pierwszy cz"on tej al- WszechĘwiata polega na wyeliminowaniu rz´du stu tysi´cy. Widzimy dziĘ dalekie ternatywy, postulujÄ…c, Å»e na wczesnym osobliwoĘci poczÄ…tkowej. JeĘli Wszech- obszary WszechĘwiata, których nie etapie dziejów WszechĘwiata zaistnia" Ęwiat nie zaczÄ…" si´ w momencie Wiel- potrafilibyĘmy dostrzec 13.3 mld lat te- krótki okres gwa"townej ekspansji, zwa- kiego Wybuchu, lecz istnia" na d"ugo mu. W najdalszych z nich znajdujÄ… si´ nej inflacjÄ…. Przed inflacjÄ… galaktyki, przed poczÄ…tkiem obserwowanej obec- galaktyki, których Ęwiat"o dopiero teraz, bÄ…dÄ™ teÅ» obiekty pregalaktyczne, by"y nie ekspansji, to materia mia"a aÅ» nadto po raz pierwszy w dziejach WszechĘwia- tak g´sto upakowane, Å»e z "atwoĘciÄ… mo- czasu, aby ujednoliciç swój rozk"ad. IdÄ…c ta, dotar"o do naszej Galaktyki. g"o dojĘç do ujednolicenia ich w"aĘci- tym tropem, badacze zacz´li dok"adnie Pomimo to w"asnoĘci naszej Galakty- woĘci. Podczas inflacji ich kontakt uleg" przyglÄ…daç si´ rozwaÅ»aniom teoretycz- ki nie odbiegajÄ… zbytnio od w"asnoĘci da- zerwaniu, poniewaÅ» Ęwiat"o nie nadÄ…- nym, na których opiera"a si´ teza o wyst´- lekich galaktyk. To tak, jakbyĘmy przy- Å»a"o za ekspandujÄ…cÄ… w iĘcie szaleÅ‚czym powaniu osobliwoĘci poczÄ…tkowej. szed"szy na przyj´cie, stwierdzili, Å»e tempie przestrzeniÄ…. Gdy inflacja usta- Jedno z za"oÅ»eÅ‚ przyj´tych w tych roz- jesteĘmy ubrani dok"adnie tak samo jak "a, WszechĘwiat rozszerza" si´ coraz waÅ»aniach Å»e teoria wzgl´dnoĘci obo- kilkunastu naszych przyjació". Gdyby tyl- wolniej i galaktyki stopniowo znów za- wiÄ…zuje zawsze i we wszystkich warun- ko dwóch goĘci by"o ubranych tak samo, cz´"y si´ wzajemnie widzieç . kach jest doĘç wÄ…tpliwe. W pobliÅ»u moÅ»na by to uznaç za przypadek, jednak Za przyczyn´ impulsu inflacyjnego fi- domniemanej osobliwoĘci istotnÄ…, jeĘli jeĘli takich osób jest kilkanaĘcie, nasuwa zycy uwaÅ»ajÄ… energi´ potencjalnÄ…, któ- nie wr´cz dominujÄ…cÄ… rol´, muszÄ… od- si´ wniosek, Å»e w jakiĘ sposób musia"y ra mniej wi´cej 10 35 s po Wielkim Wy- grywaç efekty kwantowe, których teoria si´ wczeĘniej umówiç. W kosmologii licz- buchu by"a zmagazynowana w nowym wzgl´dnoĘci w ogóle nie uwzgl´dnia; ba ta wynosi nie kilkanaĘcie, lecz kilka- rodzaju pola polu inflatonowym. Jej wnioskowanie na jej podstawie o nie- dziesiÄ…t tysi´cy tyle niezaleÅ»nych, a mi- oddzia"ywanie grawitacyjne, w przeci- uchronnoĘci wystÄ…pienia osobliwoĘci jest mo to statystycznie nieodróŻnialnych wieÅ‚stwie do oddzia"ywania masy spo- zatem mocno naciÄ…gane. Aby si´ dowie- obszarów moÅ»na wyodr´bniç na mapie czynkowej i energii kinetycznej, mia"o dzieç, co si´ wtedy naprawd´ zdarzy"o, nieba, która obrazuje rozk"ad mikrofa- charakter odpychania; a zatem pole in- fizycy musieliby zastÄ…piç teori´ wzgl´d- lowego promieniowania t"a. flatonowe przyĘpiesza"o ekspansj´ za- noĘci kwantowÄ… teoriÄ… grawitacji. Pró- bowa"o to zrobiç wielu teoretyków, po- czynajÄ…c od Einsteina, jednakÅ»e aÅ» do PrzeglÄ…d / Kosmologia strunowa po"owy lat osiemdziesiÄ…tych ich wysi"ki n Filozofowie, teolodzy i przyrodnicy od dawna zastanawiajÄ… si´, czy czas jest skoÅ‚czony by"y praktycznie bezowocne. czy wieczny tzn. czy WszechĘwiat istnia" zawsze, czy teÅ» mia" okreĘlony poczÄ…tek. Z ogólnej teorii wzgl´dnoĘci Einsteina wynika, Å»e czas istnienia WszechĘwiata Na drodze do rewolucji jest skoÅ‚czony: rozszerzajÄ…cy si´ WszechĘwiat musia" mieç poczÄ…tek w pierwotnej NAJWIóKSZE NADZIEJE na stworzenie osobliwoĘci, która da"a poczÄ…tek ca"ej czasoprzestrzeni. kwantowej teorii grawitacji wiÄ…Å»e si´ n Jednak tuÅ» przed osiÄ…gni´ciem osobliwoĘci dochodzÄ… do g"osu efekty kwantowe obecnie z dwoma kierunkami badaÅ‚. i nieuwzgl´dniajÄ…ca ich teoria wzgl´dnoĘci przestaje obowiÄ…zywaç. Najwi´ksze nadzieje Pierwszy z nich, który doprowadzi" do na stworzenie kompletnej kwantowej teorii grawitacji zwiÄ…zane sÄ… z rozwijanÄ… obecnie opracowania p´tlowej grawitacji kwan- teoriÄ… strun. Pojawia si´ w niej nowa fundamentalna sta"a przyrody minimalna d"ugoĘç. PoniewaÅ» ma ona skoÅ‚czonÄ… wartoĘç, pierwotna osobliwoĘç zostaje wyeliminowana. towej, pozostawia teori´ Einsteina w za- n W modelach kosmologicznych opartych na teorii strun WszechĘwiat moÅ»e istnieç przed sadzie bez zmian; zmienia natomiast Wielkim Wybuchem, do którego dochodzi, mimo Å»e g´stoĘç nie staje si´ nieskoÅ‚czona. procedur´ uwzgl´dniania efektów rela- Symetrie teorii strun sugerujÄ…, Å»e czas nie mia" poczÄ…tku i nie b´dzie mia" koÅ‚ca. tywistycznych w mechanice kwantowej WszechĘwiat najprawdopodobniej by" poczÄ…tkowo niemal pusty i stopniowo zwi´ksza" [patrz: Lee Smolin Atomy czasu i prze- swÄ… g´stoĘç aÅ» do momentu Wielkiego Wybuchu. MoÅ»liwe, Å»e cykl Ęmierci strzeni ; Âwiat Nauki, luty 2004]. W ciÄ…- i ponownych narodzin WszechĘwiata powtarza" si´ wielokrotnie. Epoka gu ostatnich kilku lat zwolennicy p´tlo- przed Wielkim Wybuchem mia"a decydujÄ…cy wp"yw na obecne w"asnoĘci WszechĘwiata. wej grawitacji kwantowej odnotowali 50 ÂWIAT NAUKI CZERWIEC 2004 ALFRED T. KAMAJIAN ( poprzednie strony ) Dwie wizje poczÄ…tku W naszym ekspandujÄ…cym WszechĘwiecie galaktyki uciekajÄ… od siebie niczym rozpierzchajÄ…cy si´ t"um z szybkoĘciÄ… proporcjonalnÄ… do dzie- lÄ…cej je odleg"oĘci (galaktyki, które sÄ… od siebie odleg"e o 500 mln lat Ęwietlnych, oddalajÄ… si´ od siebie dwa razy szybciej niÅ» te, które sÄ… odleg"e o 250 mln lat Ęwietlnych). ProporcjonalnoĘç pr´dkoĘci do odleg"oĘci oznacza, Å»e wszystkie galaktyki (lub obiekty pregalaktyczne) znaj- dowa"y si´ kiedyĘ w tej samej chwili w jednym punkcie: by" to Wielki Wybuch. Wniosek ten jest prawomocny nawet wtedy, gdyby kosmos mia" w przesz"oĘci okresy przyĘpieszania i hamowania ekspansji. Na diagramach czasoprzestrzennych (poniÅ»ej) galaktyki poruszajÄ… si´ po sinusoidalnych trajektoriach, pojawiajÄ…c si´ w dost´pnej do obserwacji cz´Ä˜ci WszechĘwiata (Żó"ty klin) i z niej znikajÄ…c. Nie moÅ»na jednak powiedzieç niczego pewnego o chwili, w której galaktyki (lub obiekty pregalaktyczne) zacz´"y si´ rozbiegaç. Dzisiaj Granica obserwowalnego WszechĘwiata Trajektoria galaktyki PrzestrzeÅ‚ Wielki Wybuch W standardowym modelu Wielkiego Wybuchu, który opiera si´ na W modelach, które uwzgl´dniajÄ… efekty kwantowe, kaÅ»da para galak- ogólnej teorii wzgl´dnoĘci Einsteina, odleg"oĘç pomi´dzy dowolny- tyk (lub obiektów pregalaktycznych) zaczyna si´ rozbiegaç, gdy jej roz- mi dwiema galaktykami by"a kiedyĘ równa zeru. Przed tym momen- pi´toĘç jest równa pewnej odleg"oĘci minimalnej. W takich mode- tem poj´cie czasu traci sens. lach WszechĘwiat moÅ»e istnieç na d"ugo przed Wielkim Wybuchem. istotne sukcesy, znacznie jÄ… udoskona- Ęnie na niej, chociaÅ» zwolennicy p´tlo- zione wewnÄ…trz protonu lub neutronu lajÄ…c. Niemniej ich podejĘcie moÅ»e oka- wej grawitacji kwantowej utrzymujÄ…, Å»e zupe"nie jakby by"y powiÄ…zane elastycz- zaç si´ za ma"o radykalne, by pokonaç w wielu przypadkach ich prace prowa- nymi strunami. W retrospekcji moÅ»na zasadnicze przeszkody na drodze do dzÄ… do tych samych wniosków. stwierdziç, Å»e teoria strun poprawnie uj- kwantowania grawitacji. Przed podob- Punktem wyjĘciowym teorii strun by" mowa"a ów strunowy aspekt Ęwiata nym problemem stan´li teoretycy zaj- opracowany przeze mnie w 1968 roku subatomowego. Jednak powrócono do mujÄ…cy si´ fizykÄ… czÄ…stek elementar- model teoretyczny, który mia" opisywaç niej dopiero znacznie póęniej gdy oka- nych, gdy Enrico Fermi przedstawi" w czÄ…stki jÄ…dra atomowego (protony i neu- za"o si´, Å»e rokuje nadzieje na po"Ä…cze- 1934 roku teori´ s"abych oddzia"ywaÅ‚ trony) i ich oddzia"ywania. PoczÄ…tkowo nie ogólnej teorii wzgl´dnoĘci z teoriÄ… jÄ…drowych, którÄ… zbudowa" na wzór teo- wzbudza" on wiele entuzjazmu; wkrótce kwantów. rii oddzia"ywaÅ‚ elektromagnetycznych. okaza"o si´ jednak, Å»e nie spe"nia pok"a- Zgodnie z zasadniczym za"oÅ»eniem Okaza"o si´, Å»e nie t"umaczy ona wszyst- danych w nim nadziei. Kilka lat póęniej teorii strun, podstawowym elementem kich obserwowanych w"asnoĘci rozpadu zosta" zarzucony na rzecz chromodyna- rzeczywistoĘci nie sÄ… twory punktowe, ² i Å»e pe"ny kwantowy opis oddzia"ywaÅ‚ miki kwantowej, która opisuje czÄ…stki jÄ…- lecz nieskoÅ‚czenie cienkie obiekty jed- s"abych musi opieraç si´ na ca"kowicie drowe za pomocÄ… ich elementarnych nowymiarowe struny . RóŻne drgania nowej koncepcji. TakÄ… koncepcjÄ… by"a sk"adowych kwarków. Kwarki sÄ… uwi´- strun odpowiadajÄ… róŻnym rodzajom teoria oddzia"ywaÅ‚ elektros"abych, któ- rÄ… pod koniec lat szeĘçdziesiÄ…tych za- GABRIELE VENEZIANO, fizyk teoretyk z CERN, jest ojcem teorii strun, która powsta"a pod proponowali Sheldon L. Glashow, Ste- koniec lat szeĘçdziesiÄ…tych. Za dokonania w tej dziedzinie otrzyma" tegorocznÄ… Nagrod´ ven Weinberg i Abdus Salam. Heinemana przyznawanÄ… przez American Physical Society i American Institute of Physics. Drugim kierunkiem poszukiwaÅ‚, we- PoczÄ…tkowo wydawa"o si´, Å»e teoria strun ponios"a poraÅ»k´, poniewaÅ» nie uda"o si´ za jej po- d"ug mnie bardziej obiecujÄ…cym, jest mocÄ… opisaç jÄ…dra atomu. Veneziano przeniós" swoje zainteresowania na chromodynamik´ teoria strun naprawd´ rewolucyjna kwantowÄ…, w której tworzeniu takÅ»e mia" znaczny udzia". Gdy pod koniec lat osiemdziesiÄ…- modyfikacja teorii wzgl´dnoĘci Ein- tych teoria strun powróci"a do "ask jako zaczÄ…tek kwantowej teorii grawitacji, Veneziano ja- steina. W tym artykule skupi´ si´ w"a- ko jeden z pierwszych fizyków zastosowa" jÄ… w badaniach czarnych dziur i kosmologii. CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI 51 Czas O AUTORZE SAMUEL VELASCO Teoria strun czÄ…stek nies"usznie nazywanych dotÄ…d elementarnymi, tak jak róŻne drgania struny skrzypcowej odpowiadajÄ… róŻ- nym dÄ™wi´kom. Istna menaÅ»eria czÄ…- Teoria strun jest g"ównÄ… (choç nie stek elementarnych bierze si´ stÄ…d, Å»e jedynÄ…) teoriÄ…, która struny drgajÄ… na wiele sposobów. CóŻ próbuje opisaç, jednak sprawia, Å»e teoria opierajÄ…ca si´ co dzieje si´ w momencie na tak prostym pomyĘle nadaje si´ do Wielkiego Wybuchu. opisu skomplikowanego Ęwiata czÄ…stek Postuluje istnienie strun i ich oddzia"ywaÅ‚? OdpowiedÄ™ tkwi w obiektów materialnych, tym, co moÅ»na nazwaç magiÄ… strun które pod wieloma wzgl´dami kwantowych. DrgajÄ…ca struna jest jak przypominajÄ… struny gdyby miniaturowÄ… strunÄ… skrzypcowÄ…, skrzypiec. PrzesuwajÄ…c z tÄ… róŻnicÄ…, Å»e drgania rozchodzÄ… si´ palce wzd"uÅ» szyjki instrumentu, skrzypek wzd"uÅ» niej z pr´dkoĘciÄ… Ęwiat"a. Gdy skraca strun´ i zwi´ksza taki obiekt opiszemy w kategoriach me- cz´stoĘç (a tym samym chaniki kwantowej, ukazujÄ… si´ nam je- energi´) jej drgaÅ‚. Gdyby go nowe w"aĘciwoĘci, majÄ…ce olbrzymie skróciç strun´ do d"ugoĘci znaczenie dla fizyki czÄ…stek elementar- znacznie mniejszej nych i kosmologii. od rozmiarów jÄ…dra Po pierwsze, wszystkie struny kwanto- atomowego, pojawi"yby si´ we majÄ… skoÅ‚czonÄ…, niezerowÄ… d"ugoĘç. efekty kwantowe, które nie Strun´, która nie podlega prawom me- pozwoli"yby na jej dalsze chaniki kwantowej, moÅ»na przeciÄ…ç na skracanie. pó", potem znowu na pó" itd. aÅ» do otrzy- mania punktowych czÄ…stek o zerowej ma- sie. Gdy to samo spróbujemy zrobiç ze strunÄ… kwantowÄ…, w pewnym momencie Struna moÅ»e poruszaç si´ jako ca"oĘç, drgaç lub zwijaç si´ niczym spr´Å»yna. WyobraÄ™my wkroczy zasada nieoznaczonoĘci Heisen- sobie przestrzeÅ‚ w kszta"cie cylindra. JeĘli obwód cylindra jest wi´kszy od minimalnej berga, która uniemoÅ»liwi nam otrzyma- dopuszczalnej d"ugoĘci struny, kaÅ»de zwi´kszenie jej pr´dkoĘci wymaga niewielkiego nie kawa"ków o d"ugoĘci mniejszej niÅ» przyrostu energii, podczas gdy dodanie kolejnego zwoju przyrostu o wiele wi´kszego. 10 34 m. W teorii strun ten nieredukowal- Natomiast gdy obwód cylindra jest mniejszy niÅ» minimalna dopuszczalna d"ugoĘç struny, ny kwant d"ugoĘci, oznaczany jako l , jest s dodatkowe owini´cie si´ wymaga mniejszego przyrostu energii niÅ» przyrost pr´dkoĘci sta"Ä… przyrody, równie uniwersalnÄ… jak poruszania si´. W rezultacie struna zwija si´, nie ulegajÄ…c dalszemu skracaniu, pr´dkoĘç Ęwiat"a c i sta"a Plancka h. Sta- co zapobiega osiÄ…gni´ciu przez materi´ nieskoÅ‚czonej g´stoĘci. ¸Ä…czna energia "a ta odgrywa fundamentalnÄ… rol´ w nie- a tylko ona ma znaczenie fizyczne jest taka sama zarówno dla ma"ego, jak i duÅ»ego obwodu cylindra. mal wszystkich aspektach teorii, zapew- niajÄ…c skoÅ‚czonoĘç parametrów, które w GRUBY CYLINDER innym przypadku mia"yby wartoĘç zero- wÄ… lub nieskoÅ‚czonÄ…. Zwi´kszenie pr´dkoĘci wymaga niewielkiej iloĘci energii Po drugie, struny kwantowe mogÄ… mieç moment p´du, nawet nie majÄ…c Struna poruszajÄ…ca si´ jako ca"oĘç po spirali masy. W fizyce klasycznej moment p´- du jest parametrem charakteryzujÄ…cym cia"o, które wykonuje ruch obrotowy wo- kó" jakiejĘ osi. Jego wartoĘç jest iloczy- Dodatkowe owini´cie si´ wokó" cylindra wymaga duÅ»ej iloĘci energii nem pr´dkoĘci, masy i odleg"oĘci od osi obrotu, a zatem cia"o o zerowej masie nie moÅ»e mieç skoÅ‚czonego (niezerowe- Struna owijajÄ…ca si´ wokó" cylindra go) momentu p´du. Gdy uwzgl´dniamy fluktuacje kwantowe, sytuacja zmienia CIENKI CYLINDER si´ diametralnie. Miniaturowa struna moÅ»e uzyskaç jednÄ… lub dwie jednostki Zwi´kszenie pr´dkoĘci wymaga duÅ»ej iloĘci energii h momentu p´du nawet wtedy, gdy nie ma Å»adnej masy. Dzi´ki temu moÅ»na od- tworzyç w"aĘciwoĘci czÄ…stek przenoszÄ…- cych oddzia"ywania fundamentalne, jak Dodatkowe owini´cie si´ wokó" fotony (w przypadku oddzia"ywania elek- cylindra wymaga niewielkiej energii tromagnetycznego) czy grawitony (w przypadku grawitacji). JeĘli spojrzeç hi- 52 ÂWIAT NAUKI CZERWIEC 2004 SAMUEL VELASCO R ozmiar y subatomowe P róby skracania struny D"ugoĘç minimalna MODEL WSZECHÂWIATA PREISTNIEJŃCEGO storycznie, to w"aĘnie moment p´du PionierskÄ… próbÄ… zastosowania teorii strun w wskaza" fizykom moÅ»liwoĘç wykorzy- kosmologii by" tzw. model WszechĘwiata pre- stania teorii strun do celów kwantowa- Ekspansja istniejÄ…cego, w którym Wielki Wybuch nie jest nia grawitacji. zwalnia definitywnym poczÄ…tkiem WszechĘwiata, lecz je- Ekspansja Po trzecie, struny kwantowe wyma- dynie punktem przejĘciowym pomi´dzy dwiema przyĘpiesza gajÄ… wprowadzenia przestrzeni o licz- fazami jego ewolucji. We wczeĘniejszej z nich bie wymiarów wi´kszej niÅ» trzy. Podczas ekspansja ulega"a przyĘpieszeniu; w póęniejszej gdy klasyczna struna skrzypcowa drga pr´dkoĘç ekspansji (przynajmniej poczÄ…tkowo) niezaleÅ»nie od w"aĘciwoĘci czasu i prze- mala"a. Trajektoria czasoprzestrzenna galaktyki strzeni, struna kwantowa okazuje si´ (z prawej) ma kszta"t kieliszka do wina. bardziej wybredna . Aby równania opisujÄ…ce jej drgania nie by"y wewn´trz- nie sprzeczne, czasoprzestrzeÅ‚ musi mieç silnÄ… krzywizn´ (czemu przeczÄ… obserwacje) lub szeĘç dodatkowych wy- miarów przestrzennych. Po czwarte, wyst´pujÄ…ce w równaniach sta"e fizyczne, jak sta"a Newtona czy Coulomba, które okreĘlajÄ… w"asnoĘci na- szego Ęwiata, nie przybierajÄ… arbitral- nych, ustalonych raz na zawsze warto- WszechĘwiat istnia" zawsze. W odleg"ej prze- Oddzia"ywania stajÄ… si´ coraz silniejsze, dzi´ki Ęci. W teorii strun sÄ… one polami, które sz"oĘci by" niemal zupe"nie pusty, a wszyst- czemu materia zaczyna si´ skupiaç. W niektó- kie oddzia"ywania, "Ä…cznie z grawitacjÄ…, by"y rych obszarach jej g´stoĘç wzrasta tak bardzo, tak jak pole elektromagnetyczne majÄ… skrajnie s"abe. Å»e dochodzi do powstania czarnej dziury. charakter dynamiczny: mogÄ… przybieraç róŻne wartoĘci w róŻnych epokach kos- mologicznych lub róŻnych obszarach przestrzeni, i nawet obecnie mogÄ… pod- legaç nieznacznym wahaniom. Wykrycie jakiejkolwiek zmiennoĘci tych sta"ych by"oby niezwykle silnym argumentem na rzecz teorii strun. (Zagadnienie to b´dzie tematem oddzielnego artyku"u w jednym z najbliÅ»szych numerów przyp. red.). Jedno z takich pól, zwane polem dy- latonowym, okreĘla si"´ kaÅ»dego oddzia- Materia znajdujÄ…ca si´ wewnÄ…trz dziury zo- Materia spada ku Ęrodkowi dziury, zwi´ksza- staje odci´ta od reszty WszechĘwiata. Prze- jÄ…c swÄ… g´stoĘç aÅ» do osiÄ…gni´cia granicy wy- "ywania; moÅ»na je wi´c uznaç za klucz strzeÅ‚ ekspanduje w coraz szybszym tempie. znaczonej przez teori´ strun. do teorii strun. Dla jej zwolenników jest ono szczególnie waÅ»ne i ciekawe, gdyÅ» jego wartoĘç moÅ»na zinterpretowaç jako charakterystycznÄ… skal´ d"ugoĘci w jesz- cze jednym wymiarze przestrzennym, otrzymujÄ…c tym samym czasoprzestrzeÅ‚ o 11 wymiarach. ZwiÄ…zaç koniec z koÅ‚cem STRUNY KWANTOWE wskaza"y fizykom moÅ»liwoĘç istnienia nieznanych dotÄ…d symetrii przyrody, zwanych dualno- Gdy materia osiÄ…gnie najwi´kszÄ… dopuszczalnÄ… g´stoĘç, efekty kwantowe doprowadzajÄ… do gwa"townego odbicia si´ Wielkiego Wybuchu. Na zewnÄ…trz powstajÄ… inne czarne dziu- Ęciami, które ca"kowicie zaprzeczajÄ… ry kaÅ»da z nich jest w istocie odr´bnym WszechĘwiatem. naszym intuicyjnym wyobraÅ»eniom o tym, co dzieje si´, gdy cia"a uzysku- jÄ… skrajnie ma"e rozmiary. Na przyk"ad ma charakter bardziej skomplikowany niego jedno- lub wielokrotnie niczym gdy skracamy strun´, jej masa si´ aniÅ»eli ruch czÄ…stek punktowych. Wy- gumka wokó" zwini´tego w rulon pla- zmniejsza; gdybyĘmy jednak spróbowa- obraÄ™my sobie zamkni´tÄ… strun´ (czyli katu [ilustracja na stronie 52]. li jÄ… skróciç do rozmiarów mniejszych p´tl´) znajdujÄ…cÄ… si´ na powierzchni cy- Energia zwiÄ…zana z owijaniem si´ jest niÅ» l , jej masa zaczyna znów rosnÄ…ç. lindra, którego obwód reprezentuje je- wprost proporcjonalna do promienia cy- s InnÄ… nowÄ… symetriÄ… jest T-dualnoĘç, den skoÅ‚czony wymiar dodatkowy. lindra (im wi´kszy promieÅ‚, tym bardziej dzi´ki której ma"e i wielkie wartoĘci do- Oprócz wykonywania ruchu drgajÄ…ce- struna musi si´ rozciÄ…gnÄ…ç; a zatem w datkowych wymiarów sÄ… sobie równo- go struna moÅ»e poruszaç si´ jako ca"oĘç przypadku grubego cylindra ma wi´kszÄ… waÅ»ne. Wynika to stÄ…d, Å»e ruch strun wokó" cylindra albo owijaç si´ wokó" energi´ niÅ» w przypadku cienkiego). Na- CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI 53 SAMUEL VELASCO MODEL EKPYROTYCZNY JeĘli nasz WszechĘwiat jest wielowymia- rowÄ… branÄ… (membranÄ…) unoszÄ…cÄ… si´ w Brana równoleg"a przestrzeni o jeszcze wi´kszej liczbie wy- do naszej miarów, to Wielki Wybuch móg" byç jej zderzeniem z branÄ… do niej równoleg"Ä…. Takie zderzenia mog"y si´ powtarzaç. KaÅ»- da galaktyka zakreĘla trajektori´ czaso- przestrzennÄ… w kszta"cie klepsydry. PrzestrzeÅ‚ rozszerza si´ PrzestrzeÅ‚ kurczy si´ Nasza brana Dwie niemal puste brany przyciÄ…gajÄ… si´ wza- Brany zderzajÄ… si´, przekszta"cajÄ…c swojÄ… jemnie. KaÅ»da z nich kurczy si´ w kierunku pro- energi´ kinetycznÄ… w materi´ i promieniowa- stopad"ym do kierunku, w którym si´ porusza. nie. To zderzenie jest Wielkim Wybuchem. Brany odbijajÄ… si´ od siebie i zaczynajÄ… eks- PoniewaÅ» brany przyciÄ…gajÄ… si´, maleje pr´d- Brany przestajÄ… si´ oddalaç i zaczynajÄ… si´ pandowaç w malejÄ…cym tempie. Materia sku- koĘç, z jakÄ… si´ od siebie oddalajÄ…. Zmniejsza si´ do siebie zbliÅ»aç. Podczas zawracania kaÅ»da pia si´ w galaktyki i gromady galaktyk. teÅ» g´stoĘç materii. z bran ekspanduje w coraz szybszym tempie. tomiast energia zwiÄ…zana z ruchem wo- energii, nie moÅ»e natomiast ustaliç jej po- Å»e si´ wydawaç pewnym naduÅ»yciem, kó" cylindra jest odwrotnie proporcjonal- chodzenia; tak wi´c cylindry o duÅ»ym i jako Å»e jej wielkoĘç nie ulega zmianie na do promienia: grubszy cylinder do- ma"ym promieniu b´dÄ… dla niego fizycz- jest i pozostanie nieskoÅ‚czona. Pomimo puszcza fale o wi´kszej d"ugoĘci (mniejszej nie równowaÅ»ne. to taka przestrzeÅ‚ moÅ»e ekspandowaç cz´stotliwoĘci), które odpowiadajÄ… niÅ»- T-dualnoĘç jest zwykle opisywana dla w tym sensie, Å»e znajdujÄ…ce si´ w niej szym energiom niÅ» fale krótsze. Gdy gru- przypadku przestrzeni cylindrycznych, cia"a, na przyk"ad galaktyki, oddalajÄ… by cylinder zastÄ…pimy cienkim, oba ro- w których jeden wymiar (obwód cylin- si´ od siebie nawzajem. W takim przy- dzaje ruchu mogÄ… si´ zamieniç rolami: dra) jest skoÅ‚czony, ale jeden z warian- padku wyznacznikiem ekspansji nie sÄ… energia zwiÄ…zana z okrÄ…Å»aniem cylindra tów tej symetrii dotyczy równieÅ» naszej ca"kowite rozmiary przestrzeni, lecz b´dzie teraz przybiera"a takie wartoĘci, zwyk"ej trójwymiarowej przestrzeni, któ- czynnik, o jaki z up"ywem czasu zwi´k- jakie poprzednio mia"a energia zwiÄ…za- ra, jak wszystko na to wskazuje, rozciÄ…- szajÄ… si´ odleg"oĘci mi´dzy galaktykami na z owijaniem si´ i na odwrót. Zewn´trz- ga si´ w nieskoÅ‚czonoĘç. Mówienie o (nosi on nazw´ czynnika skali, a jego ny obserwator mierzy jedynie wartoĘci ekspansji nieskoÅ‚czonej przestrzeni mo- wartoĘç jest ĘciĘle zwiÄ…zana z przesu- 54 ÂWIAT NAUKI CZERWIEC 2004 SAMUEL VELASCO Struny nie znoszÄ… nieskoÅ‚czonoĘci. Nie mogÄ… skurczyç si´ do bezwymiarowego punktu, co pozwala uniknÄ…ç paradoksów zwiÄ…zanych z kolapsem. ni´ciem ku czerwieni, jakie astronomo- nowe symetrie, nak"adajÄ… górne ogra- ki przeszed" w zamierzch"ej przesz"oĘci. wie obserwujÄ… w widmach galaktyk). niczenia na wartoĘci tych wielkoĘci W klasycznej wersji inflacji do przyĘpie- Zgodnie z T-dualnoĘciÄ… wszechĘwiaty o fizycznych, które w konwencjonalnych szonej ekspansji dochodzi po Wielkim ma"ym i duÅ»ym czynniku skali sÄ… sobie teoriach mog"y rosnÄ…ç nieograniczenie, Wybuchu pod wp"ywem wprowadzone- równowaÅ»ne. Tego rodzaju symetrii nie oraz dolne ograniczenia na wielkoĘci, go ad hoc pola inflatonowego, podczas przewidywa"y równania Einsteina jest które mog"y maleç do zera. Teoria strun gdy w naszym modelu przyĘpieszanie na- ona wynikiem dokonanej w teorii strun przewiduje, Å»e cofajÄ…c si´ w czasie, za- st´puje przed Wielkim Wybuchem i jest unifikacji oddzia"ywaÅ‚, w której waÅ»nÄ… obserwowalibyĘmy zwi´kszanie si´ naturalnÄ… konsekwencjÄ… nowych syme- rol´ odgrywajÄ… dylatony. kosmicznej krzywizny. Jednak zamiast trii wprowadzonych przez teori´ strun. Przez wiele lat fizycy zajmujÄ…cy si´ teo- zwi´kszaç si´ do nieskoÅ‚czonoĘci (jak W takim scenariuszu WszechĘwiat przed riÄ… strun sÄ…dzili, Å»e T-dualnoĘç jest ogra- w klasycznym modelu Wielkiego Wybu- Wielkim Wybuchem jest niemal wiernym niczona do strun zamkni´tych i nie do- chu), osiÄ…gn´"aby ona maksimum, po lustrzanym odbiciem WszechĘwiata po tyczy strun otwartych o swobodnych czym zacz´"a si´ zmniejszaç. Przed teo- Wielkim Wybuchu [ilustracja na stronie koÅ‚cach, które nie mogÄ… si´ owijaç. W riÄ… strun fizycy nie potrafili wymyĘliç 53]. JeĘli w przysz"oĘci WszechĘwiat b´- 1995 roku Joseph Polchinski z Universi- mechanizmu, który tak g"adko elimino- dzie si´ rozszerza" bez koÅ‚ca, a g´stoĘç ty of California w Santa Barbara odkry", wa"by osobliwoĘç poczÄ…tkowÄ…. zawartej w nim materii b´dzie dÄ…Å»y"a do Å»e T-dualnoĘç stosuje si´ równieÅ» do strun zera, oznacza to, Å»e trwa" on równieÅ» otwartych, pod warunkiem Å»e zamianie Poskromiç nieskoÅ‚czonoĘç wiecznie w przesz"oĘci. duÅ»ych promieni na ma"e towarzyszy W CZASOPRZESTRZENNYM OTOCZENIU oso- NieskoÅ‚czenie dawno temu Wszech- zmiana warunków na obu koÅ‚cach stru- bliwoĘci panowa"y warunki tak ekstre- Ęwiat by" niemal zupe"nie pusty wy- ny. Uprzednio fizycy postulowali warun- malne, Å»e nikt jeszcze nie zdo"a" dla nich pe"nia"a go skrajnie rozrzedzona mie- ki brzegowe, zgodnie z którymi koÅ‚ce rozwiÄ…zaç równaÅ‚ teorii. Niemniej na- szanina materii i promieniowania. Si"y strun mog"y swobodnie poruszaç si´ w ukowcy zaryzykowali pewne domys"y natury, których wielkoĘç jest ustalana przestrzeni, poniewaÅ» nie dzia"a"a na nie na temat historii WszechĘwiata przed przez pole dylatonowe, by"y tak s"abe, Å»adna si"a. Gdy obowiÄ…zuje T-dualnoĘç, Wielkim Wybuchem. Obecnie dyskuto- Å»e czÄ…stki tworzÄ…ce owÄ… mieszanin´ warunki te przechodzÄ… w tzw. warunki wane sÄ… dwa jej modele. praktycznie nie oddzia"ywa"y ze sobÄ…. brzegowe Dirichleta, przy których koÅ‚- Pierwszy, znany jako scenariusz W miar´ up"ywu czasu oddzia"ywania ce strun sÄ… sztywno zamocowane. WszechĘwiata preistniejÄ…cego, opraco- fizyczne stawa"y si´ coraz silniejsze i po- Oba rodzaje warunków brzegowych wa"em wraz z moim zespo"em w 1991 wodowa"y wzajemne przyciÄ…ganie si´ mogÄ… wyst´powaç jednoczeĘnie. Na roku. ¸Ä…czy on T-dualnoĘç z mniej egzo- materii, która zacz´"a si´ skupiaç w lo- przyk"ad elektrony to przypuszczalnie tycznÄ… symetriÄ… odwrócenia w czasie, któ- sowo rozrzuconych obszarach. W obr´- struny, których koÅ‚ce poruszajÄ… si´ swo- ra przewiduje, Å»e prawa fizyki pozostajÄ… bie skupisk jej g´stoĘç wzros"a w koÅ‚- bodnie w trzech z dziesi´ciu wymiarów w mocy niezaleÅ»nie od tego, czy czas bie- cu tak bardzo, Å»e zacz´"y powstawaç przestrzennych, lecz sÄ… umiejscowione gnie do przodu czy do ty"u. Po"Ä…czenie czarne dziury. Nap"ywajÄ…ca do nich ma- w pozosta"ych siedmiu. Te trzy wymia- tych symetrii otwiera moÅ»liwoĘç budo- teria traci"a "Ä…cznoĘç z otoczeniem, co ry tworzÄ… podprzestrzeÅ‚ zwanÄ… mem- wania nowych modeli kosmologicznych, oznacza"o, Å»e WszechĘwiat zosta" po- branÄ… Dirichleta, czyli D-branÄ…. W 1996 na przyk"ad takich, w których Wszech- dzielony na wiele roz"Ä…cznych cz´Ä˜ci. roku Petr Horava z University of Cali- Ęwiat na pi´ç sekund przed Wielkim WewnÄ…trz czarnej dziury przestrzeÅ‚ fornia w Berkeley i Edward Witten z In- Wybuchem ekspanduje w tym samym i czas zamieniajÄ… si´ rolami Ęrodek stitute of Advanced Study w Princeton tempie co w pi´ç sekund po Wielkim Wy- czarnej dziury nie jest punktem w prze- wysun´li tez´, Å»e nasz WszechĘwiat znaj- buchu, lecz szybkoĘç zmiany tempa eks- strzeni, lecz momentem w czasie. Gdy duje si´ w"aĘnie na takiej branie. Owa pansji ma znak przeciwny (tzn. jeĘli po materia zbliÅ»a si´ do Ęrodka dziury, jej cz´Ä˜ciowa tylko mobilnoĘç elektronów i wybuchu maleje, to przed wybuchem g´stoĘç nieustannie wzrasta, jednak gdy innych czÄ…stek wyjaĘnia, dlaczego nie wzrasta"a). Krótko mówiÄ…c, Wielki Wy- g´stoĘç, temperatura i krzywizna prze- postrzegamy przestrzeni w jej pe"nym, buch nie jest poczÄ…tkiem WszechĘwiata, strzeni osiÄ…gnÄ… maksymalne wartoĘci 10-wymiarowym bogactwie. lecz jedynie gwa"townym przejĘciem od dopuszczalne przez teori´ strun, nast´- Wszystkie te niezwyk"e w"aĘciwoĘci przyĘpieszania do spowalniania. puje odbicie i parametry te zaczynajÄ… strun kwantowych sprowadzajÄ… si´ do Pi´knym aspektem takiego obrazu jest maleç. Moment odbicia jest tym, co na- jednego struny nie znoszÄ… nieskoÅ‚czo- to, Å»e automatycznie uwzgl´dnia on pod- zywamy Wielkim Wybuchem, a wn´trze noĘci. Dzi´ki temu, Å»e nie mogÄ… skur- stawowÄ… ide´ modelu inflacyjnego, zgod- jednej z owych czarnych dziur to nasz czyç si´ do punktu, unikamy paradok- nie z którÄ… WszechĘwiat zawdzi´cza swÄ… WszechĘwiat. sów zwiÄ…zanych z kolapsem. Niezerowe obecnÄ… jednorodnoĘç i izotropowoĘç okre- Ten niekonwencjonalny scenariusz rozmiary strun, a takÅ»e zwiÄ…zane z nimi sowi przyĘpieszonej ekspansji, przez ja- wzbudzi" oczywiĘcie wiele kontrower- CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI 55 OBSERWACJE leÅ»y za"oÅ»enie, Å»e nasz WszechĘwiat jest Obserwowanie WszechĘwiata sprzed Wielkiego Wybuchu wydaje si´ zadaniem bezna- jednÄ… z wielu D-bran unoszÄ…cych si´ w dziejnym. Istnieje jednak promieniowanie, które moÅ»e przetrwaç nawet Wielki Wybuch: przestrzeni o wi´kszej liczbie wymiarów. fale grawitacyjne. ZwiÄ…zane z nimi periodyczne zmiany pola grawitacyjnego moÅ»na wykryç Brany te przyciÄ…gajÄ… si´ grawitacyjnie i poĘrednio, obserwujÄ…c polaryzacj´ mikrofalowego promienio- od czasu do czasu dochodzi do ich zde- wania t"a (symulacja poniÅ»ej), lub bezpoĘrednio, rzenia. Wielki Wybuch by"by w"aĘnie ta- za pomocÄ… obserwatoriów naziemnych. Mo- kim zderzeniem naszej brany z jakąĘ del WszechĘwiata preistniejÄ…cego i ek- innÄ… [ilustracja na stronie 54]. pyrotyczny przewidujÄ… wi´cej fal o du- W jednym z wariantów modelu ekpy- Å»ej cz´stotliwoĘci i mniej fal o niskiej cz´stotliwoĘci niÅ» konwencjonalny mo- rotycznego takie zderzenia zachodzÄ… cy- del inflacyjny (na dole). Aktualne dane klicznie: dwie brany zderzajÄ… si´, odbi- nie pozwalajÄ… jeszcze na wybranie w"a- jajÄ… od siebie, oddalajÄ…, przyciÄ…gajÄ… si´, Ęciwego modelu. MogÄ… to umoÅ»liwiç przy- ponownie si´ zderzajÄ… itd. Pomi´dzy sz"e obserwacje prowadzone za pomocÄ… sa- zderzeniami zachowujÄ… si´ jak silly put- telity Planck oraz obserwatoriów LIGO i VIRGO. ty*: rozszerzajÄ… si´, oddalajÄ…c si´ od sie- bie, i nieco si´ kurczÄ… podczas zbliÅ»ania. 1 Zanim dojdzie do zawrócenia, tempo Zasi´g LIGO i VIRGO ich ekspansji gwa"townie wzrasta. Ob- 10 5 serwowane obecnie przyĘpieszanie eks- pansji WszechĘwiata moÅ»e byç zapowie- Model dziÄ… kolejnej kolizji. 10 10 WszechĘwiata Model WszechĘwiata preistniejÄ…cego preistniejÄ…cego i model ekpyrotyczny majÄ… wiele ele- Konwencjonalna inflacja mentów wspólnych. Oba zaczynajÄ… si´ 10 15 od wielkiego, zimnego, niemal pustego Model Zasi´g WszechĘwiata i w obu wyst´puje pro- ekpyrotyczny 10 20 satelity Planck blem opisu przejĘcia mi´dzy fazami przed Wielkim Wybuchem i po nim. Ma- tematycznie róŻniÄ… si´ przede wszyst- kim ewolucjÄ… pola dylatonowego. W 10 15 10 10 10 5 1 105 1010 pierwszym z nich poczÄ…tkowo ma ono Cz´stoĘç fali grawitacyjnej (Hz) bardzo ma"Ä… wartoĘç (si"y natury sÄ… po- czÄ…tkowo bardzo s"abe), lecz z czasem sji. Andriej Linde ze Stanford Universi- dziur strun tak ma"ych i tak masyw- jego nat´Å»enie stopniowo wzrasta. W ty wskaza", Å»e chcÄ…c uzyskaç jego zgod- nych, Å»e znajdujÄ… si´ o krok od przekszta"- modelu ekpyrotycznym jest odwrotnie noĘç z obserwacjami, trzeba za"oÅ»yç, iÅ» cenia si´ w czarne dziury. Ich w"asnoĘci do kolizji b´dÄ…cej odpowiednikiem czarna dziura, która sta"a si´ naszym eliminowa"yby problem zasygnalizowany Wielkiego Wybuchu dochodzi wtedy, gdy WszechĘwiatem, by"a nadzwyczaj duÅ»a przez Damoura i Henneaux. W podob- nat´Å»enie oddzia"ywaÅ‚ jest najs"absze. (jej promieÅ‚ musia" byç znacznie wi´k- nym kierunku sz"a propozycja Thomasa Twórcy modelu ekpyrotycznego mie- szy od minimalnej d"ugoĘci wyst´pujÄ…- Banksa z Rutgers University i Willy ego li poczÄ…tkowo nadziej´, Å»e s"aboĘç od- cej w teorii strun). Na zarzut ten moÅ»na Fischlera z University of Texas w Austin. dzia"ywaÅ‚ pozwoli im "atwiej ustaliç, co odpowiedzieç, Å»e równania przewidujÄ… Nasz scenariusz krytykujÄ… równieÅ» inni dzieje si´ w tym kluczowym momencie. powstawanie czarnych dziur róŻnej badacze, ale dotÄ…d nie uda"o im si´ wska- Stan´li jednak przed trudnoĘciami zwiÄ…- wielkoĘci i Å»e nasz WszechĘwiat utwo- zaç jakiegoĘ zasadniczego b"´du w wy- zanymi z bardzo silnÄ… krzywiznÄ… prze- rzy" si´ wewnÄ…trz dziury, która mia"a suni´tej przez nas koncepcji. strzeni, toteÅ» kwestia, czy naprawd´ dostatecznie duÅ»e rozmiary. uda"o im si´ wyeliminowaç osobliwoĘç, Znacznie powaÅ»niejszy problem zosta" Gdy brana grzmotnie w bran´ wciÄ…Å» pozostaje nierozstrzygni´ta. Po- wskazany przez Thibaulta Damoura z In- KONKURENCYJNY SCENARIUSZ dziejów nadto aby uniknÄ…ç znanych paradok- stitut des Hautes Études Scientifiques w WszechĘwiata przed Wielkim Wybuchem sów kosmologicznych, w scenariuszu Bures-sur-Yvette we Francji oraz Marca jest znany jako model ekpyrotyczny (z ekpyrotycznym trzeba przyjÄ…ç bardzo Henneaux z Vrije Universiteit w Bruk- greckiego ekpyrosis wielka poÅ»oga). Zo- specyficzne za"oÅ»enia na przyk"ad w seli. UwaÅ»ajÄ… oni, Å»e materia i czaso- sta" on opracowany przed trzema laty momencie zderzenia brany muszÄ… byç przestrzeÅ‚ w pobliÅ»u momentu Wiel- przez zespó", w którego sk"ad weszli niemal dok"adnie równoleg"e do siebie, kiego Wybuchu powinna zachowywaç kosmolodzy i fizycy zajmujÄ…cy si´ teoriÄ… gdyÅ» w innym przypadku Wielki Wybuch si´ w sposób chaotyczny, co stoi w strun Justin Khoury z Columbia Uni- nie by"by wystarczajÄ…co jednorodny. Wy- sprzecznoĘci z obserwowanÄ… regularno- versity, Paul J. Steinhardt z Princeton daje si´, Å»e problem ten moÅ»na rozwiÄ…- ĘciÄ… wczesnego WszechĘwiata. Zapropo- University, Burt A. Ovrut z University of zaç w modelu cyklicznym , w którym nowa"em niedawno, Å»e ów chaotyczny Pennsylvania, Nathan Seiberg z Institu- powtarzajÄ…ce si´ zderzenia doprowa- stan móg"by doprowadziç do powstania te for Advanced Study oraz Neil Turok z dzi"yby w koÅ‚cu do w"aĘciwego usta- g´stego gazu miniaturowych struno- University of Cambridge. U jego podstaw wienia bran. 56 ÂWIAT NAUKI CZERWIEC 2004 G´stoĘç energii fali grawitacyjnej NASA ( na górze ); GABRIELE VENEZIANO CERN ( na dole ) Pozosta"oĘci epoki przed Wielkim Wybuchem powinny uwidoczniç si´ w rozk"adzie galaktycznych i mi´dzygalaktycznych pól magnetycznych. Oprócz problemów zwiÄ…zanych z ma- wzmacniajÄ… fluktuacje wielkoskalowe i dzwonowÄ…, nazywanÄ… przez fizyków tematycznym opisem obydwu modeli po- ostatecznie wszystkie fluktuacje osiÄ…ga- krzywÄ… Gaussa. To samo dotyczy mode- jawia si´ zasadnicze pytanie o moÅ»liwoĘç jÄ… t´ samÄ… wielkoĘç. W modelu ekpyro- lu ekpyrotycznego, podczas gdy model ich obserwacyjnego zweryfikowania. Na tycznym procesy te wiąŻą si´ z dodat- WszechĘwiata preistniejÄ…cego dopusz- pierwszy rzut oka oba scenariusze wy- kowym wymiarem przestrzeni (tym, cza znaczne odchylenia od krzywej dajÄ… si´ mieç wi´cej wspólnego nie tyle z który rozdziela zderzajÄ…ce si´ brany), Gaussa. fizykÄ…, ile z metafizykÄ… jako koncepcje natomiast w modelu WszechĘwiata pre- MoÅ»liwoĘci weryfikacji modeli teore- interesujÄ…ce same w sobie, których ob- istniejÄ…cego z jednym z pól kwanto- tycznych nie ograniczajÄ… si´ do badaÅ‚ serwatorzy nigdy nie b´dÄ… w stanie ani wych (jest to zwiÄ…zane z polem dylato- promieniowania mikrofalowego. W mo- dowieĘç, ani obaliç. Jest to jednak po- nowym pole aksjonowe). ReasumujÄ…c, delu WszechĘwiata preistniejÄ…cego po- glÄ…d nazbyt pesymistyczny. Podobnie jak wszystkie trzy modele zgodne sÄ… z da- wstaje chaotyczne t"o fal grawitacyjnych, szczegó"owe aspekty fazy inflacyjnej nymi obserwacyjnymi. które wprawdzie nie pozostawiajÄ… Ęla- ewentualna epoka poprzedzajÄ…ca Wiel- Po trzecie, drobne fluktuacje tempe- dów w tle mikrofalowym, ale w stosun- ki Wybuch pozostawia obserwowalne sy- ratury promieniowania t"a mogÄ… byç kowo niedalekiej przysz"oĘci powinny gnatury; przede wszystkim w drobnych wynikiem zarówno fluktuacji g´stoĘci byç moÅ»liwe do wykrycia drogÄ… bez- fluktuacjach temperatury mikrofalowe- materii we wczesnym WszechĘwiecie, poĘrednich obserwacji. Ponadto zmien- go promieniowania t"a. jak i zaburzeÅ‚ czasoprzestrzeni wy- ne pole dylatonowe, które wyst´puje w Po pierwsze, obserwacje pokazujÄ…, Å»e wo"anych przez fale grawitacyjne. W modelu ekpyrotycznym i WszechĘwia- fluktuacje te kszta"towa"y si´ pod wp"y- scenariuszu inflacyjnym dzia"ajÄ… oba te ta preistniejÄ…cego, jest sprz´Å»one z po- wem fal akustycznych przez kilkaset ty- procesy, w modelach WszechĘwiata pre- lem elektromagnetycznym, dzi´ki cze- si´cy lat, a ich regularnoĘç Ęwiadczy o istniejÄ…cego i ekpyrotycznym zaĘ zde- mu generuje fluktuacje wielkoskalowego tym, Å»e fale te by"y zsynchronizowane. cydowanie dominujÄ… fluktuacje g´sto- pola magnetycznego. Ich pozosta"oĘci Kosmolodzy odrzucili wiele modeli Ęci. Fale grawitacyjne z odpowiedniego powinny daç si´ zaobserwowaç w roz- WszechĘwiata tylko dlatego, Å»e nie obja- zakresu d"ugoĘci pozostawiajÄ… po sobie k"adzie galaktycznych i mi´dzygalak- Ęnia"y owej synchronizacji. Model infla- charakterystyczny Ęlad, który moÅ»na tycznych pól magnetycznych. cyjny, WszechĘwiata preistniejÄ…cego oraz wykryç, obserwujÄ…c polaryzacj´ mikro- A zatem czy czas w ogóle mia" poczÄ…- ekpyrotyczny przesz"y ten zasadniczy falowego promieniowania t"a [patrz: tek? Nauka nie udziela jeszcze osta- test pomyĘlnie. W kaÅ»dym z nich fale Robert R. Caldwell i Marc Kamionkow- tecznej odpowiedzi na to pytanie, ale generowane przez procesy kwantowe ski Echa Wielkiego Wybuchu , Âwiat dysponujemy juÅ» co najmniej dwoma ulegajÄ… wzmocnieniu w okresie przy- Nauki, marzec 2001]. JeĘli ów Ęlad modelami teoretycznymi, które moÅ»na Ępieszonej ekspansji WszechĘwiata, a rzeczywiĘcie istnieje, przysz"e obser- testowaç obserwacyjnie i które przewi- ich fazy sÄ… zgodne. wacje prowadzone na przyk"ad za po- dujÄ…, Å»e WszechĘwiat a tym samym Po drugie, kaÅ»dy model przewiduje mocÄ… budowanego przez EuropejskÄ… i czas istnia" na d"ugo przed Wielkim pewnÄ… zaleÅ»noĘç amplitudy fluktuacji Agencj´ KosmicznÄ… satelity Planck po- Wybuchem. JeĘli jeden z nich jest praw- temperatury od jej wielkoĘci kÄ…towej. winny go odnaleÄ™ç, przesÄ…dzajÄ…c tym dziwy, kosmos istnieje od zawsze i na- Obserwatorzy stwierdzili, Å»e fluktuacje samym, miejmy nadziej´, ostatecznie o wet gdyby kiedyĘ dosz"o do ponownego n wszystkich rozmiarów majÄ… mniej wi´- poprawnoĘci bÄ…dÄ™ nie poszczególnych kolapsu, b´dzie istnia" wiecznie. cej takÄ… samÄ… amplitud´ (wyraÄ™ne od- modeli. * Magiczna guma popularna w USA jako za- chylenia wyst´pujÄ… dopiero w bardzo Czwarty test jest zwiÄ…zany z analizÄ… bawka, z niezwykle elastycznej, "atwej do modelo- ma"ych skalach, w których obraz pier- statystycznÄ… fluktuacji. W modelu infla- wania substancji powstajÄ…cej przez zmieszanie ole- wotnych fluktuacji zosta" zmieniony cyjnym rozk"ad fluktuacji jest krzywÄ… ju silikonowego z kwasem bornym (przyp. t"um.) przez procesy zachodzÄ…ce na póęniej- szych etapach ewolucji WszechĘwiata). JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WIóCEJ Model inflacyjny doskonale odtwarza ten rozk"ad. Podczas inflacji krzywizna The Elegant Universe. Brian Greene; W. W. Norton, 1999. Superstring Cosmology. James E. Lidsey, David Wands i Edmund J. Copeland; Physics Reports, przestrzeni zmienia si´ stosunkowo po- tom 337, nr 4-5, s. 343-492; X/2000. Artyku" dost´pny pod adresem: woli, a zatem fluktuacje o róŻnych roz- http://arxiv.org/pdf/hep-th/9909061 From Big Crunch to Big Bang. Justin Khoury, Burt A. Ovrut, Nathan Seiberg, Paul J. Steinhardt miarach generowane sÄ… w mniej wi´cej i Neil Turok; Physical Review D, tom 65, nr 8, artyku" nr 086007; 15 IV 2002. Artyku" dost´p- tych samych warunkach. W obydwu mo- ny pod adresem: http://arxiv.org/pdf/hep-th/0108187 delach strunowych nast´puje szybka A Cyclic Model of the Universe. Paul J. Steinhardt i Neil Turok; Science, tom 296, nr 5572, s. 1436-1439; 24 V 2002. Artyku" dost´pny pod adresem: http://arxiv.org/pdf/hep-th/0111030 zmiana krzywizny, co prowadzi do The Pre-Big Bang Scenario in String Cosmology. Maurizio Gasperini i Gabriele Veneziano; Physics zwi´kszenia amplitudy fluktuacji w ma- Reports, tom 373, nr 1-2, s. 1-212; I/2003. Artyku" dost´pny pod adresem: "ej skali, lecz z kolei inne procesy http://arxiv.org/pdf/hep-th/0207130 CZERWIEC 2004 ÂWIAT NAUKI 57