Czy Wszechświat potrzebuje tła, czy wprost przeciwnie?

Czy Wszechświat potrzebuje tła, czy wprost przeciwnie?
Nieraz twierdzimy, że ten czy inny rejon Ziemi lub kosmosu jest tajemniczy. Prawdę mówiąc, Wszechświat pozostaje jednak tajemniczy w każdym miejscu, na każdym poziomie i pod każdym względem. A największą jego tajemnicą jest brak spójności i ciągłości pomiędzy tym, co największe i najmniejsze, bardzo odległe i bardzo bliskie. Przynajmniej tak nam się wydaje.

Teoria Newtona daje nam całkiem niezłe wyjaśnienie ruchów planet. Dawno już jednak zauważono, iż ruch Merkurego nie stosuje się ściśle do jej przewidywań. Naukowcy próbowali podejść do tematu, odwołując się do wyjaśnienia, które zastosowano dla wytłumaczenia anomalii w ruchu Urana, co w efekcie doprowadziło do odkrycia Neptuna. Postulowano istnienie planety jeszcze bliższej Słońcu niż Merkury (Wulkana) lub jakiegoś obłoku materii. Wszystko na nic. Dlaczego? Poprawne rozwiązanie problemu Merkurego przynosi dopiero ogólna teoria względności. Mamy więc pierwszy sygnał, że to co w jednym miejscu daje się wyjaśnić na gruncie newtonowskim, w innym każe szukać zupełnie nowej fizyki.

 

Nieznośny brak kompatybilności

Wszystkie postawione dotychczas hipotezy w ramach teorii grawitacji Einsteina zostały eksperymentalnie potwierdzone. Zarejestrowaliśmy zarówno odchylenie od prostoliniowego biegu fal elektromagnetycznych w pobliżu wielkich mas, jak też grawitacyjną dylatację czasu w pobliżu gwiazd, grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni dla światła widzialnego i mikrofalowego promieniowania tła, pomiar krzywizny przestrzeni w otoczeniu Ziemi, wleczenie przestrzeni przez ruch wirowy Ziemi, równoważność masy bezwładnej i grawitacyjnej czy soczewkowanie grawitacyjne.

Soczewkowanie einsteinowskie
Soczewkowanie einsteinowskie

Jest jednak pewien poważny kłopot - ogólna teoria względności nie wydaje się kompatybilna z mechaniką kwantową. Obydwie teorie istnieją co prawda obok siebie, ale z naszego punktu widzenia rozłącznie. Mechanika kwantowa nie uwzględnia teorii względności, a mimo to jest spójna logicznie. Teoria einsteinowska z kolei obywa się bez pojęcia kwantów, a nawet więcej - wydaje się być całkiem odporna na podejmowane jak dotąd próby kwantyzacji grawitacji.

W fizyce mikroświata, czas i przestrzeń są jedynie nieaktywnym tłem, ramami wypełnionymi dynamiką cząstek elementarnych. W fizyce makro czasoprzestrzeń jest aktywnym stelażem, wpływającym na dynamikę materii. Dla fizyków sytuacja ta jest jednoznaczna z kryzysem poznawczo-teoretycznym, który od dawna próbują przezwyciężyć. Marzą o zaprojektowaniu i przeprowadzeniu takiego eksperymentu, który pokazałby jednoznacznie, że czasoprzestrzeń ma wpływ na zachowanie cząstek elementarnych i kwantów znanych oddziaływań fizycznych.

Próba pogodzenia ze sobą dostrzeganych w fizyce sprzeczności i połączenia jej w ciągłą teorię wszystkiego, od rzeczy najmniejszych po maksymalnie ogromne, to jedno z największych współczesnych naukowych wyzwań. Żadna informacja nie może poruszać się szybciej niż światło, ale w mechanice kwantowej, opisującej zjawiska w mikroświecie i zasadniczo różniącej się od mechaniki klasycznej, tego rodzaju założenie przestaje być tak kategoryczne.

 

A jednak się łączy

Według wielu uczonych twierdzenie o niespójności mechaniki kwantowej z teorią względności nie jest jednak prawdziwe. Połączenie szczególnej teorii względności z mechaniką kwantową doprowadziło kilkadziesiąt lat temu do powstania kwantowej teorii pola, która stała się podstawą naszego opisu świata cząstek elementarnych. Dzięki niej jesteśmy w stanie przewidywać wyniki wielu eksperymentów przeprowadzanych w akceleratorach tych cząstek i nie obserwujemy odchyleń od przewidywań obecnej teorii oddziaływań silnych i elektrosłabych, choć bardzo chcielibyśmy odkryć coś nowego.

Połączenie relatywistycznej teorii grawitacji z kwantową teorią pola właściwie jest możliwe w ramach tzw. efektywnej teorii pola. Korzystając z niej, możemy np. obliczać wpływ wymiany wirtualnych grawitonów („cząstek” pola grawitacyjnego) na prawdopodobieństwa różnych procesów kwantowych. Efekty te są jednak na ogół bardzo znikome i właściwie nie mamy możliwości ich obserwacji w eksperymentach przeprowadzanych na Ziemi. Kwantowa grawitacja zaczyna być rzeczywiście istotna tylko we wnętrzu czarnych dziur albo na bardzo wczesnych etapach ewolucji Wszechświata, w tzw. erze Plancka.

Historia Wszechświata od Wielkiego Wybuchu
Historia Wszechświata od Wielkiego Wybuchu

Często spotykane w literaturze opinie o niespójności ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową dotyczą tak naprawdę faktu, że efektywne teorie pola mają ograniczony zakres stosowania. Występuje w nich parametr oznaczany w opisach naukowych jako Λ - odpowiadający energii. Jeśli energia zderzających się cząstek w układzie ich środka masy jest znacznie większa od Λ, to teoria efektywna nie umożliwia teoretycznego opisu takiego eksperymentu. W przypadku opisywanych efektywnie oddziaływań kwantowej grawitacji mamy Λ = Mpc2, gdzie c jest prędkością światła, a Mp oznacza tzw. masę Plancka, ok. dziewiętnaście rzędów wielkości większą od masy protonu. Zderzenia cząstek z takimi energiami mogłyby być istotne właśnie we wspomnianych wyżej sytuacjach, czyli we wnętrzach czarnych dziur lub na początku Wszechświata.

 

Którędy droga do unifikacji

Zatem, podsumowując, okazuje się, że teoria kwantów może być zgodna ze szczególną teorią względności, a przy umiarkowanych energiach przyjmuje postać relatywistycznej kwantowej teorii pola. Konkretnymi przykładami takich teorii są: elektrodynamika kwantowa, chromodynamika kwantowa, model standardowy cząstek elementarnych czy teorie GUT (Wielkiej Unifikacji). Teoria kwantów zgodna z wymogami nie tylko szczególnej teorii względności, lecz również ogólnej teorii względności (relatywistycznej teorii grawitacji), może, wg niektórych badaczy, przyjąć postać supersymetrycznej teorii w przestrzeni jedenastowymiarowej o nieprzemiennej geometrii (tzw. teorii M) lub jakiejś wersji teorii superstrun w przestrzeni dziesięciowymiarowej, albo też może teorii bran w przestrzeni, np. pięciowymiarowej. A być może wcale nie!

Czas we Wszechświecie
Czas we Wszechświecie

Einstein twierdził, że geometria przestrzeni jest zmienna i rozwija się dynamicznie, zmieniając się w czasie tak, jak poruszająca się materia. Drgają w niej trudne do uchwycenia, choć od niedawna możliwe, fale grawitacyjne. Grawitację należy rozumieć w tym ujęciu jako przejaw dynamicznej geometrii czasoprzestrzennej. Jeśli łączymy teorię kwantów z grawitacją w sposób zależny od tła, to mamy do czynienia ze wspomnianą wyżej teorią strun. A jeśli w sposób niezależny od tła, wówczas mówimy o pętlowej grawitacji kwantowej. I w tej teorii upatruje się największe nadzieje na powiązanie teorii względności z teorią kwantów.

Postęp w badaniach kwantowej grawitacji przyniosły odkrycia entropii czarnych dziur oraz ustalenie, że temperatura tych osobliwości jest odwrotnie proporcjonalna do ich masy. Zdaniem wielu naukowców, tu właśnie tkwi klucz do kwantowej grawitacji. Jeśli zrozumiemy, że czarna dziura jest w całości tworem kwantowym (a więc odrzucimy klasyczne, stałe tło), to entropia tego układu, jego odwrócona temperatura i promieniowanie odpowiedzą nam na wszystkie pytania, w tym także na kwestię GUT, czyli Wielkiej Unifikacji.

Wielka Unifikacja zaś to głębina głębin i tajemnica tajemnic, o której poznaniu marzy każdy, komu przeszkadza obecny brak ciągłości w teoriach fizycznych. Gdy dotrzemy do tej wielkiej tajemnicy i uniwersalnej fizyki wszystkiego, poznać mamy odpowiedzi na wszystkie pytania, które teraz zadajemy. Za chwilę zaś zadamy nowe pytania, których teraz nawet nie umiemy pomyśleć…

Mirosław Usidus

Przeczytaj także