Michał Heller-Kosmologia kwantowa

Click here to load reader

  • date post

    08-Apr-2018
  • Category

    Documents

  • view

    228
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Michał Heller-Kosmologia kwantowa

  • 8/6/2019 Micha Heller-Kosmologia kwantowa

    1/102

    KOSMOLOGIA KWANTOWA

    NA iCliKACH

    NAUKIW 2000 roku w serii ukazay si:Michio Kaku: Wizje, czyli jak nauka zmieni wiat w XXI wiekuRudolf Kippenhahn: Tajemne przekazy. Szyfry, Enigma i karty chipoweGin Koata: Klon. Doiy bya pierwszaDonald Goidsmith: W poszukiwaniu ycia na MarsieMeyer Friedman, Gerald W. Friedland: Dziesi najwikszych odkryw medycynieDeborah B l urn: Mzg i pe. O biologicznych rnicach midzykobietami a mczyznamiJared Diamond: Strzelby, zarazki, maszyny. Losy ludzkich spoeczestwZ powrotem na Ziemi. Spr o pochodzenie cywilizacji ludzkich.Pod redakcja Andrzeja K. WrblewskiegoWitold Sadowski: Femme fatale. Trzy opowieci o krlowej naukAlan H. Guth: Wszechwiat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teoriipochodzenia kosmosuW 2001 w serii ukazay si:Ed Regis: Nanotechnologia, czyli wiat czsteczka po czsteczceBrian Greene: Pikno Wszechwiata. Superstruny, ukryte wymiaryi poszukiwanie teorii ostatecznejFred Hoyle: Mj dom kdy wiej wiatry. Stronice z ycia kosmologaRichard Dawkins: Rozplatanie tczy. Nauka, zudzenia i apetyt na cudaCarI Sagan: Miliardy, miliardy. Rozwaania o yciu i mierci u schykutysicleciaAndrzej Jerzmanowski: Geny i ycie. Niepokoje wspczesnego biologaW przygotowaniu:John J. Medina: Zegar ycia. Dlaczego si starzejemy? Czy monacofn czas?E. C. Krupp: Obserwatorzy nieba, szamani i krlowie. Astronomiai archeologia mocyMICHA HELLERKOSMOLOGIAKWANTOWA"Prszy nski i S-kaWarszawa 2001

    Copyright (c) by Micha Heller 2001Projekt okadkiKatarzyna A. Jarnuszkiewicz

    Ilustracja na okadceScience Photo Library/EAST NEWSIlustracje w ksiceDorota Ostaszewskana podstawie szkicw AutoraISBN 83-7255-054-9WydawcaPrszyski i S-ka SAul. Garaowa 702-651 WarszawaDruk i oprawaOPOLGRAFSpka Akcyjna

    ul. Niedziakowskiego 8/1245-085 Opole

  • 8/6/2019 Micha Heller-Kosmologia kwantowa

    2/102

    SPIS RZECZYWStp 91 Czy wspczesna fizyka jest chora na schizofreni? 15Stulecie fizyki 15Rozdwojenie jani i strategia przyblie 17W erze Plancka 20

    2 Wzgldno i kwanty 22Teorie i eksperymenty 22Czasoprzestrze 23Geometria przestrzeni Hllberta 25Geometria czasoprzestrzeni 28Obserwable 303 Jak teoretycy traktuj Wszechwiat? 33Epoka Plancka 33Ostateczny akcelerator 35Co to jest model kosmologiczny? 36Modele Friedmana 37Co wol obserwatorzy, a co teoretycy? 404 Kwantowanie kanoniczne 44Program kanonicznego kwantowania 44Przestrze stanw i kwantowanie 45Geometrodynamika Wheelera 48Kwantowy wiat Wheelera-DeWitta 52Trudnoci i perspektywy 54

    6 KOSMOLOGIA KWANTOWA5 Ku jednociJedno w wielociUnifikacja oddziaywaSiy i symetrieSupersymetria l superuniflkacjaSupergrawitacjaSuperstruny6 Wszechwiat HawkingaParowanie czarnych dziurCzasoprzestrzenne tubyKwantowe stworzenie WszechwiataBez warunkw brzegowych i pocztkowych7 Wszechwiat i instantonyProgram badawczy HawkingaInstanton i inflacjaInflacja w otwartym wszechwiecieFluktuacje i struktura Wszechwiata8 Teoria MOcean struktur

    Struny l superstrunywiat wielkich wymiarwOdkrywanie M-asywu9 Ekpyrotyczny wszechwiatM-teorla l kosmologiaZaoenia modeluScenariusz pocztkuChwila na refleksj10 Struktura pocztku i kocaRywaleO entropii geometrycznieEntropia l WszechwiatEntropia czarnych dziur

    9191

  • 8/6/2019 Micha Heller-Kosmologia kwantowa

    3/102

    9293969898100

    104106

    SPIS RZECZY 756565760646466707071737679798182838484858789Termodynamika w pracowni Pana BogaStruktura osobliwociKwantowa teoria grawitacjiPod prd11 Nieprzemienny wszechwiatGdzie szuka?Nieprzemlenno l jej nastpstwaNieprzemienne modeleBezczasowa fizykaPrzyczynowoNieprzemienny wszechwiat12 Od superstrun do geometrii nieprzemlenneJZero-brany

    Piana czasoprzestrzeni i jeszcze dalejPrba scenariuszaParadoks horyzontu l inne trudnociZakoczenie: w erze Plancka fizykaspotyka si z filozofiBibliografiaIndeks108109111113115115

    117119

  • 8/6/2019 Micha Heller-Kosmologia kwantowa

    4/102

    121124125129129131

    134136142148150

    WSTPWyraz "wstp" jest znaczeniowo rozmyty. Moe znaczywstp-wejcie, na przykad "Wstp wzbroniony", lubwstp-wprowadzenie, chociaby wstp do ksiki. Ale obydwate znaczenia maj ze sob co wsplnego: odwouj si do ja-kiego wejcia, do drzwi, ktre dokd prowadz; zapraszajdo przejcia przez nie lub - przeciwnie - zakazuj wstpu. Ja,oczywicie, zapraszam Czytelnika, by wszed. Wejcie prowadzina taras widokowy, z ktrego mona podziwia niezwyk pa-noram. Ale nie jest to panorama w stanie gotowym - jak pa-smo grskie rozcigajce si na linii horyzontu: wystarczy tyl-ko lekko odwrci gow, by mc kontemplowa inny jego frag-ment. Raczej jest to co w rodzaju panoramicznego filmu, i toz nie do koca ustalonym scenariuszem. Akcja dopiero sitworzy. W jakim pjdzie kierunku? - w duej mierze zaley tood dotychczasowej drogi.U wejcia na taras nie ma wic tabliczki z napisem "Wstpwzbroniony". Kady jest mile widzianym gociem. Ale muszostrzec: kto boi si intelektualnego wysiku, pewnej mylowejdyscypliny, niech raczej nie wchodzi. Poszukiwanie zbyt a-twych dozna na tym terenie moe grozi logicznym chaosemi pomysami, ktre prowadz na manowce. Caa panorama,cho jeszcze w stanie dynamicznego rozwoju, opiera si na d-eniu do matematycznej precyzji. Wanie to sprawia, e pano-rama Jest wyjtkowo pikna. Z chwil gdy precyzja zostajeosignita, umys w jasnym - ale nie olepiajcym - wietle

    10 KOSMOLOGIA KWANTOWAdostrzega harmoni l konieczno. Konieczno polega na tym,e jeli postawi si jeden krok, to bardzo czsto natychmiastwiadomo, w jakim kierunku naley postawi krok nastpny.Kolejne kroki ukadaj si w logiczny cig, ktry jest w stanie

    zaprowadzi tam, gdzie zwyky wzrok nie siga, i ukaza takieperspektywy, ktrych istnienia dotychczasowy "zdrowy rozs-dek" nawet nie podejrzewa.Caa panorama jest rwnie dlatego tak wstrzsajco pik-na, e u jej podstaw kryje si poszukiwanie zrozumienia - zro-zumienia najbardziej fundamentalnego: Dlaczego Wszechwiatjest, jaki jest? Jak mymy si w nim znaleli? Jaka Jest naszaw nim rola? Na pytania te nie znamy dzi penej odpowiedzi- to prawda; ale potrafimy je, zwaszcza pierwsze z nich, prze-tumaczy na wiele bardziej szczegowych pyta i na niektrez tych pyta odpowiedzie ju cakiem sensownie. Pytania nie-zupenie jeszcze jasne take maj swoje znaczenie. Moe juwkrtce i one zaczn poddawa si naszej poznawczej pasji.

    Ch rozumienia jest w nas tak potna, e raz postawionychpyta nie da si ju wycofa.

  • 8/6/2019 Micha Heller-Kosmologia kwantowa

    5/102

    Chcc zrozumie podstawy Wszechwiata, musimy zrozu-mie podstawy fizyki. Problemem numer jeden wspczesnejfizyki jest poczenie dwch jej wielkich teorii: oglnej teoriiwzgldnoci i mechaniki kwantowej. Oglna teoria wzgldno-ci, czyli Einsteinowska teoria grawitacji, daje dobry obrazWszechwiata w jego wielkiej skali - w skali galaktyk, ich

    gromad i supergromad. Mechanika kwantowa pozwala zro-zumie Wszechwiat na poziomie atomowym i subatomo-wym, czyli na poziomie elektronw, protonw, kwarkwi gluonw. Ale obydwie te teorie dotychczas funkcjonuj nie-zalenie od siebie l posuguj si matematycznymi metoda-mi, ktre diametralnie rni si od siebie. A przecieWszechwiat wymagajcy zrozumienia jest jeden i, co wicej,obie teorie niedwuznacznie sugeruj, e na poziomie najgb-szym musz si zjednoczy: grawitacja powinna ujawniswoje kwantowe oblicze, a metody kwantowe rozcign sitake na grawitacj. Tym, czego szukamy, jest wic kwanto-wa teoria grawitacji.

    WSTP 11Metody wspczesnej mechaniki kwantowej s w znacznejmierze caociowe. W ukadzie kwantowym Jego czci s zesob "splecione" w taki sposb, e jedne wiedz o drugich, na-wet gdy s od siebie bardzo oddalone. Wyraenie "splecione"(entangled), pojawiajce si w poprzednim zdaniu, nie jest fi-gur retoryczn, lecz terminem technicznym. Splecenie uka-du kwantowego oznacza, i Jest on caoci do tego stopnia, emanipulacja jakkolwiek jego czci natychmiast odbija sina caoci. I to bez wzgldu na przestrzenne oddalenie: dwa fo-tony mog tworzy ukad spleciony nawet wtedy, gdy znajdujsi na przeciwlegych kracach supergromady galaktyk. Jeelita cecha mechaniki kwantowej (a Jest to jej cecha Istotna)przetrwa zjednoczenie z ogln teori wzgldnoci, to teoriakwantowej grawitacji musi by rwnie kwantow kosmologi.Kwantowy Wszechwiat bdzie "jeszcze bardziej jednoci" niWszechwiat obecnej kosmologii, opartej na Einsteinowsklejteorii grawitacji. Tytu ksiki, ktr obecnie przekazuj Czy-telnikowi - Kosmologia kwantowa - nie zosta wybrany przy-padkowo. Fundamentalna teoria fizyczna nie moe nie by teo-ri Wszechwiata.Metoda fizyki odznacza si swoist agresywnoci. Nigdy niezadowala si ju osignitym wynikami, lecz cigle atakujeproblemy, jakie nasuwa namys nad logik dotychczasowychwynikw. Woski filozof nauki, Evandro Agazzi, napisa kiedy:"zadaniem naukowca jest poszerzanie granic nauki, ale nigdy

    ich przekraczanie".1 Poszerzanie granic nauki dokonuje siwanie dziki tej agresywnoci. Ju rozwizane problemy, sta-wiajc coraz to nowe pytania, wywieraj swojego rodzaju ci-nienie na dotychczasowe granice fizyki i - w miar uzyskiwa-nia odpowiedzi na przynajmniej niektre z pyta - stopniowowymuszaj przesuwanie si tych granic. Teren pogranicza jestzawsze niespokojny. Tu metoda funkcjonuje na skraju swoichmoliwoci. Tu przebiega front bada naukowych, o wos gra-niczcy z polem niezbadanych moliwoci. Zagadnienia, Jakie' "Granice wiedzy naukowej a hipoteza transcendencji", w: Refleksje na rozdro-u. Pod red. S. Wszelka. OBI-Krakw, Biblos, Tarnw 2000, s. 183.

    12 KOSMOLOGIA KWANTOWAsi tu porusza, s najwikszym wyzwaniem l zwykle one nios

  • 8/6/2019 Micha Heller-Kosmologia kwantowa

    6/102

    najbardziej prowokujcy "adunek filozoficzny". Nic zresztdziwnego - linia graniczna midzy tym, co Ju wiemy, a Wiel-kim Nieznanym zawsze bya l bdzie wezwaniem do gbszejrefleksji.A zatem sytuacja w dzisiejszej fizyce teoretycznej pod tymwzgldem nie jest wcale wyjtkowa. Jeeli czym rnimy si

    od naszych poprzednikw, to jedynie... zaawansowaniemw czasie. To