WYKŁAD DOKTORA HONORIS CAUSA

Nasze miejsce we Wszechświecie∗

John D. Barrow

Centre for Mathematical Sciences, Cambridge University, Wlk. Brytania

Our place in the Universe

Wszechświat coraz większy

Najbardziej dramatyczną konsekwencją ogólnej teo-rii względności Einsteina było przewidywanie, że całyWszechświat powinien się rozszerzać. Chodzi tu o to,że gdybyśmy jutro mogli zmierzyć odległość dwóch da-lekich gromad galaktyk na niebie, to byłaby ona większaod odległości zmierzonej dzisiaj. Przy tym jednak nie sta-jemy się więksi ani my sami, ani Ziemia, ani nawet naszaGalaktyka. Struktury te nie powiększają swoich rozmia-rów, ponieważ są związane wewnętrznie przez mocniej-sze siły lokalne o naturze bądź chemicznej, bądź grawita-cyjnej. Oznaki rozszerzania się Wszechświata zauważymydopiero po przejściu do skal długości większych od roz-miarów gromad galaktyk.

Ekspansja oznacza, że średnio warunki fizyczne weWszechświecie ciągle się zmieniają. Temperatura i gęstośćmaterii były większe w przeszłości niż dziś. Fizycy i astro-nomowie stopniowo poukładali z kawałków zadowalającospójny obraz historii Wszechświata podczas jego ekspan-sji.

Wygląda on tak. Żyjemy ok. 13,7 miliarda lat odchwili, w której prawdopodobnie rozpoczęła się ekspan-sja Wszechświata. Rzecz zadziwiająca – umiemy przed-stawić dobrze odpowiadającą obserwacjom rekonstrukcjęhistorii wczesnego Wszechświata od chwili po ok. 1 se-kundy od jego narodzin. W tamtym czasie gęstość materiibyła już tylko trochę większa od gęstości wody, zatem wa-runki panujące wówczas we Wszechświecie były dalekieod ekstremalnych i znana nam fizyka wystarcza do opisutego, co się wówczas działo. Wszechświat w czasie od1 sekundy do 3 minut od Wielkiego Wybuchu zachowy-wał się jak ogromny reaktor termojądrowy, wytwarzającypierwiastki lekkie: deuter, hel i lit, których ilości miałypozostać do dnia dzisiejszego w ówczesnych proporcjach.Okazuje się, że zgadzają się one prawie idealnie z pro-porcjami przewidywanymi przez nasze współczesne teo-rie wczesnego Wszechświata. Obserwujemy również wo-kół nas oziębione morze mikrofal – to samo, które poja-wiło się, gdy Wszechświat był dużo gorętszy i gęstszy niżdzisiaj. Wszystkie te konkretne obserwacje astronomiczne

pozwalają potwierdzić spójność naszego modelu Wszech-świata, gdy odtwarzamy go wstecz, aż do ok. 1 sekundypo chwili jego powstania.

Rys. 1. ??????

Ten ogólny scenariusz ekspansji Wszechświata od go-rącego stanu początkowego do chłodniejszego stanu dzi-siejszego zwykle nazywany jest modelem „Wielkiego Wy-buchu” i jest akceptowany, jako wersja robocza ewolu-cji Wszechświata, przez niemal wszystkich kosmologów.Wiele aspektów ewolucji Wszechświata jest jednak wciążniepewnych, więc aktywnie bada się kilka wariantów mo-deli Wielkiego Wybuchu, tak by wybrać spośród nich jaknajlepszy opis tworzenia się galaktyk w trakcie ewolucjiWszechświata. Wszystkie warianty są jednak zgodne codo tego, iż Wszechświat dzisiaj się rozszerza tak jak przezok. 14 miliardów lat od Wielkiego Wybuchu, choć nie zga-dzają się co do szczegółów jego bardzo wczesnej historiioraz skomplikowanej kolejności zdarzeń, które doprowa-dziły do powstania planet, gwiazd i galaktyk.

Wielki i stary, ciemny i zimny

Jedną z ciekawych cech Wszechświata jest fakt, żetworzy on warunki, które są na pierwszy rzut oka tak wro-

∗Na podstawie wykładu wygłoszonego 10 września 2007 r. podczas XXXIX Zjazdu Fizyków Polskich w Szczecinie z okazjinadania godności doktora h. c. Uniwersytetu Szczecińskiego (za zgodą Autora i Biura Promocji USz).

POSTĘPY FIZYKI TOM 00 ZESZYT 0 ROK 0000 1

J.D. Barrow – Nasze miejsce we Wszechświecie

gie powstaniu życia. Jednak pozory mogą mylić. Wiemy,że Wszechświat się rozszerza, a zatem jego ogromnerozmiary są też konsekwencją jego ogromnego wieku.A każdy wszechświat zbudowany ze złożonych strukturmusi być wystarczająco stary, aby mogły się w nim wy-tworzyć gwiazdy oraz pierwiastki chemiczne, na którychopiera się jego złożoność. Wymaga ona pojawienia siępierwiastków cięższych niż wodór i hel, które mogły byćwytworzone w czasie pierwszych trzech minut po WielkimWybuchu. Cięższe, interesujące z punktu widzenia bioche-mii pierwiastki, takie jak węgiel, powstają z wodoru i heluw reakcjach jądrowych w gwiazdach. Gdy dobiega końcażycie gwiazd, te biochemiczne pierwiastki są rozpraszanew przestrzeń kosmiczną, aby następnie znaleźć się na pla-netach, a w końcu pojawić się w nas – ludziach.

Ten proces jądrowej alchemii jest długi i powolny,trwa zwykle miliardy lat. Zatem rozszerzający się Wszech-świat, który zawiera „obserwatorów”, musi liczyć mi-liardy lat i w związku z tym mieć rozmiary miliardówlat świetlnych. Są to warunki konieczne, aby we Wszech-świecie możliwe było życie. Wynikają stąd dalsze kon-sekwencje. Ogromne rozmiary zamieszkalnego Wszech-świata sprawiają, że ma on bardzo niewielką gęstość śred-nią, a gwiazdy i galaktyki są od siebie bardzo oddalone.Przyczółki życia są od siebie z dużym prawdopodobień-stwem oddalone o ogromne – astronomiczne – odległości,co powoduje, że rozwój cywilizacyjny następuje w izo-lacji od innych przyczółków co najmniej do momentu,w którym rozwój techniczny osiągnie bardzo wysoki po-ziom. Szybka ekspansja Wszechświata powoduje również,że jest on bardzo zimny. To z kolei oznacza, że obser-wowane przez nas nocne niebo jest ciemne, bo jest zbytmało energii we Wszechświecie, aby uczynić je jasnym(jest to związane z tzw. paradoksem Olbersa – w sta-tycznym nieskończonym Wszechświecie w dowolnym kie-runku na niebie zawsze leży jakaś gwiazda, a więc nieboświeci wielkim blaskiem – tłum.). Wobec tego wszech-światy, w których istnieją odpowiednie warunki do życia,są wielkie i stare oraz ciemne i zimne. Można tu uczy-nić uwagę, że te aspekty wszechświatów (które też po-winny być uniwersalne dla obserwatorów znajdujących sięw dowolnym miejscu) odgrywają znaczącą rolę w kształto-waniu się naszych religijnych i filozoficznych odczuć do-tyczących Wszechświata i naszego w nim miejsca. Przytym znowu warto podkreślić, jak złudne mogą być to ce-chy. Wielu filozofów odwoływało się do ogromu i rozpro-szoności Wszechświata jako dowodu na jego zasadniczonieteleologiczny charakter. Odkrycie ekspansji Wszech-świata pokazuje jednak, z jak subtelnym zagadnieniemmamy tutaj do czynienia. Otóż te cechy Wszechświata,które niektórym komentatorom wydawały się w oczywistysposób sprzeczne z jego interpretacją jako miejsca przy-jaznego życiu, są, jak się okazuje, konieczne do wytwo-rzenia wszelkiej złożoności występującej w tym Wszech-świecie.

Po prostu inflacja

Ekspansja Wszechświata jest delikatnie zrównowa-żona, bardzo bliska pewnej linii krytycznej oddzielającejwszechświaty, które rozszerzają się wystarczająco szybko,aby trwało to wiecznie, od wszechświatów, które w przy-szłości są w stanie skurczyć się z powrotem w kataklizmiezwanym Wielkim Krachem. Nasz dzisiejszy Wszechświatznajduje się w istocie rzeczy tak blisko tej linii krytycz-nej, że nasze obserwacje prawie nie są w stanie określić,jaka jest prognoza jego ewolucji. Jednakże to właśnie tabliskość ekspansji do linii krytycznej stanowi wielką za-gadkę – a priori wydaje się mało prawdopodobne, abyten stan rzeczy pojawił się przypadkowo. I znów nie jestto całkowitą niespodzianką: wszechświaty, które rozsze-rzają się za szybko, nie są w stanie zebrać wystarczającodużo materiału do wytworzenia galaktyk i gwiazd, a za-tem nie mogą wyprodukować składników złożonego życia.Natomiast wszechświaty, które rozszerzają się zbyt wolno,kończą swoją ewolucję, kurcząc się w czasie krótszym niżmiliardy lat potrzebne do powstania gwiazd. Tylko wszech-światy znajdujące się blisko linii krytycznej mogą żyć wy-starczająco długo i rozszerzać się wystarczająco łagodnie,aby wytworzyły się w nich gwiazdy i planety. Możemyistnieć tylko w jednym z optymalnych wszechświatów1,które nie rozszerzają ani zbyt szybko, ani zbyt wolno.

Rys. 2. ??????

Od roku 1980 istnieje interesujące wyjaśnienie bli-skości dzisiejszej ewolucji Wszechświata względem liniikrytycznej oraz jego ogromnych rozmiarów. Są to cechy,które można wyjaśnić za pomocą ciągu zdarzeń, mogą-cego z dużym prawdopodobieństwem wystąpić we wszech-świecie dowolnego typu – nie ma tu znaczenia, jak zacząłsię rozszerzać. Owa teoria kosmologicznej „inflacji” bar-dzo wczesnego wszechświata, która wprowadza niewielkąglosę do prostego obrazu rozszerzającego się wszechświata– krótki okres p r z y s p i e s z o n e j ekspansji pojawiają-cej się bardzo wcześnie w jego historii. Ten krótki infla-cyjny epizod wydaje się nieszkodliwy dla ogólnego obrazuekspansji, potrafi jednak rozwiązać wiele znanych wcze-śniej problemów kosmologii. Zamierzchły epizod przy-

1W oryginale: Goldilocks universes, w nawiązaniu do znanej XIX-wiecznej angielskiej bajki „Goldilocks and the Three Bears”(Złotowłosa i trzy misie) o dziewczynce, która lubiła wybierać rzeczy „w sam raz” (przyp. tłum.)

2 POSTĘPY FIZYKI TOM 00 ZESZYT 0 ROK 0000

J.D. Barrow – Nasze miejsce we Wszechświecie

spieszonej ekspansji pozwala nam zrozumieć, dlaczegonasz obserwowalny Wszechświat rozszerza się tak bli-sko linii krytycznej oddzielającej wszechświaty ulegającewiecznej ekspansji od wszechświatów, które kiedyś zaczy-nałyby się kurczyć. Fakt, że po ok. 14 miliardach lat eks-pansji wciąż znajdujemy się tak blisko linii krytycznej,jest bardzo zdumiewający. Wszelkie odchylenie od poło-żenia dokładnie na linii krytycznej zwiększałoby się jed-nostajnie z upływem czasu, zatem ekspansja musiała sięzacząć niezwykle blisko tej linii, skoro dziś wciąż znaj-duje się w tak niebezpiecznej jej bliskości. Jeśli jednakWszechświat doświadczył przyspieszania ekspansji („in-flacji”) przez krótki okres, to ewoluuje bardzo blisko liniikrytycznej – tak blisko, że dzisiaj wciąż musi się znajdo-wać „kusząco” blisko niej.

Rys. 3. ??????

W rzeczywistości, niewielki obszar, który urósł, roz-dymany w tym krótkim okresie inflacji, do całego naszegoobserwowalnego Wszechświata, ne mógł być na początkucałkowicie jednorodny. Było to po prostu niemożliwe. Za-wsze, w każdym miejscu przestrzeni, musiały istnieć nie-wielkie kwantowe fluktuacje statystyczne gęstości mate-rii. Zadziwiające, że te kwantowe fluktuacje zostały „roz-ciągnięte” w okresie inflacji do ogromnych, astronomicz-nych rozmiarów i dostrzeżone ostatnimi laty przez satelityCOBE oraz WMAP. Zaobserwowana dotąd struktura tychfluktuacji zgadza się prawie idealnie ze strukturą przewi-dywaną przez teorię inflacyjną. Zaczyna się zatem wyda-wać, że mamy bardzo mocny dowód obserwacyjny na to,że inflacja faktycznie zdarzyła się ok. 13,7 miliarda lattemu. W nadchodzących paru latach pojawi się więcej da-nych obserwacyjnych z trwającej misji WMAP oraz z seriiplanowanych eksperymentów uzupełniających z użyciembalonów oraz obserwacji z powierzchni Ziemi. W kolej-nych latach Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) pla-nuje umieszczenie na orbicie następnych misji satelitar-nych o wysokiej dokładności.

Wieczna i chaotyczna inflacjaPoza granicą niewielkiego płata pierwotnej prze-

strzeni, który został rozdęty do obszaru obejmującego naszcały obserwowany dzisiaj Wszechświat, leży wiele (być

może nieskończenie wiele) innych takich płatów, któremogły przejść przez fazę inflacyjną (być może o różnymnasileniu) i utworzyć rozległe rejony Wszechświata roz-ciągające się poza nasz dziś obserwowalny horyzont ko-smologiczny (czyli odległość, z której światło wysłanena początku ewolucji Wszechświata zdążyło do nas do-trzeć, biegnąc z największą możliwą prędkością c; świa-tło wysłane z obszaru poza horyzontem kosmologicznymjeszcze nie zdążyło do nas dotrzeć – tłum.). Prowadzi todo wniosku, że nasz dzisiejszy Wszechświat ma bardzoskomplikowaną strukturę przestrzenną oraz że warunki fi-zyczne obserwowane w obrębie naszego horyzontu kosmo-logicznego, którego rozmiar wynosi ok. 15 miliardów latświetlnych, z bardzo małym prawdopodobieństwem są po-dobne do warunków panujących w obszarach poza nim.Ten skomplikowany nowy obraz Wszechświata uzyskał na-zwę „chaotycznej inflacji”.

Później Alex Vilenkin i Andrei Linde zdali sobiesprawę, że sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana.Jeśli dany obszar przestrzeni ulega inflacji, to w ogólno-ści pojawiają się w nim malutkie podobszary, które takżejej ulegają. Ten proces może być kontynuowany w nie-skończoność – w rozszerzających się obszarach tworzą siędalsze podobszary, które także ulegają inflacji itd., ad in-finitum. Proces ten nie ma końca i dlatego został nazwany„wieczną” lub też „samoreprodukującą się” inflacją. Suge-ruje to, że historia i geografia naszego Wszechświata jesto wiele bardziej skomplikowana niż mogłyby to sugero-wać obserwacje niewielkiego obszaru, który zamieszku-jemy. Poza tym jeśli Wszechświat nie ma końca w przy-szłości, to dlaczego nie trwał wiecznie w przeszłości? Dotej pory nie wiadomo jednak, czy proces samoreproduk-cji Wszechświata wymaga początku oraz jakie jest praw-dopodobieństwo, że miniwszechświaty, które nieustanniepojawiają się w procesie samoreprodukcji, są w stanie do-puścić istnienie w nich życia.

Czy Wszechświat miał początek?Wielu ludzi przyzwyczaiło się do myśli, że ekspansja

Wszechświata oznacza, że miał on początek, oraz że od-twarzając proces ekspansji, moglibyśmy dokładnie ozna-czyć tę chwilę w przeszłości. W latach 1967–75 ten po-gląd dominował wśród czynnych kosmologów. Roger Pen-rose, Stephen Hawking, George Ellis i inni potrafili prze-łożyć to intuicyjne odczucie na sekwencję ścisłych twier-dzeń matematycznych, które stały się znane pod nazwą„twierdzeń o osobliwościach”. Motywowani danymi do-świadczalnymi, poczynili oni wiele założeń dotyczącychnatury Wszechświata oraz oddziaływania grawitacyjnego,a potem wywnioskowali, że jeśli ich założenia są praw-dziwe, to musiał istnieć początek czasu. Historii Wszech-świata nie można zatem odtwarzać w nieskończoność.Musi w końcu ona osiągnąć „osobliwość”, w której poję-cia czasu i przestrzeni przestają istnieć. Właśnie to mamyna myśli, gdy mówimy, że był jakiś „początek”. Należypodkreślić, że jest to twierdzenie, a nie teoria. Jeśli zatemzałożenia twierdzenia są spełnione, to wnioski wynikająjedynie z logicznego rozumowania.

POSTĘPY FIZYKI TOM 00 ZESZYT 0 ROK 0000 3

J.D. Barrow – Nasze miejsce we Wszechświecie

W końcu lat sześćdziesiątych kluczowe założenietwierdzeń o osobliwościach, że grawitacja jest zawszesiłą przyciągającą, wydawało się jednak bezspornie praw-dziwe, podobnie jak rozpowszechnione przekonanie, żerozszerzający się Wszechświat miał swój początek. Po-gląd ten jest bardzo dziwny, ale jego dziwność jest mniej-sza dla tych z nas, którzy wyrośli w kulturze Zachoduzwiązanej z judeochrześcijańską tradycją religijną głoszącąstworzenie Wszechświata z niczego. Alternatywna kosmo-logia stanu stacjonarnego2, bez początku ekspansji, prze-trwała nieco ponad jedną dekadę, nim została odrzuconapo odkryciu mikrofalowego promieniowania tła oraz lek-kich pierwiastków powstałych po Wielkim Wybuchu.

Rzecz ciekawa – ta silna wiara w „oczywistą prawdę”o przyciągającym charakterze oddziaływania grawitacyj-nego została obalona na początku lat osiemdziesiątychXX w. Otóż fizycy cząstek elementarnych odkryli, że ichnowe teorie przewidują istnienie wielu nowych rodzajówmaterii, które mogą ulegać antygrawitacji. Co więcej, całezjawisko inflacji opierało się na właśnie takiej materii. In-flacja i jej wszystkie udane wyjaśnienia struktury Wszech-świata wymagały, aby oddziaływanie grawitacyjne stało sięw pewnym momencie odpychające. Dzisiaj stwierdzenie,że grawitacja nie zawsze jest przyciągająca, kosmologo-wie uważają za całkiem rozsądne. Bez względu na to, jakkrótko trwało takie oddziaływanie odpychające, w jego wy-niku twierdzenia o osobliwościach już nie mogą nam nicpowiedzieć o przeszłości Wszechświata. Założenia pięk-nych twierdzeń Penrose’a, Hawkinga i Ellisa nie są, jak sięokazuje, spełnione w rzeczywistości. Nie oznacza to jed-nak, że nie było początku Wszechświata, a jedynie tyle, żenie ma odpowiednich twierdzeń. Mógł być jakiś początek,ale również mogło go nie być.

Scenariusz wiecznej inflacji wprowadza nową moż-liwość do rozważań o problemie początku Wszechświata.Mianowicie, może istnieć „multiświat” zawierający całemorze wszechświatów, każdy o zasadniczo różnych wła-snościach fizycznych. Teoria wiecznej inflacji prowadzinas do oczekiwania, że każdy z wszechświatów składa-jących się na multiświat charakteryzowałby się chwilą,od której rozpoczynałby swoją ekspansję jako fluktuacjakwantowa – czyli po prostu „początkiem” – ale mógłbyrównie dobrze mieć, jak nie mieć końca. Jednakże całyproces tworzenia wszechświatów w ramach multiświataniekoniecznie musiałby mieć początek i koniec. Zatemmoglibyśmy stwierdzić, że nasz obserwowalny „Wszech-świat” miał początek, natomiast cały Wszechświat go niemiał.

Dodatkowe wymiaryNa początku swojej kariery naukowej wielki nie-

miecki filozof Immanuel Kant postawił interesujące py-tanie: „dlaczego przestrzeń ma trzy wymiary?”. Kant za-uważył bardzo znamienną rzecz: newtonowskie prawo gra-

witacji mówiące o tym, że siła jest odwrotnie proporcjo-nalna do kwadratu odległości między przyciągającymi sięciałami, jest ściśle związane z faktem, że przestrzeń matrzy wymiary. Gdyby przestrzeń miała cztery wymiary,to siła byłaby odwrotnie proporcjonalna do trzeciej po-tęgi odległości ciał. W ogólności, N-wymiarowy wszech-świat wprowadzałby siły oddziaływania grawitacyjnegooraz elektromagnetycznego odwrotnie proporcjonalne doodległości w potędze N − 1. W naszym trójwymiarowymświecie siły te są więc odwrotnie proporcjonalne do kwa-dratu odległości. Zatem prawa fizyki zależą od liczby wy-miarów przestrzeni, w której obowiązują.

Własności wszechświatów o innej liczbie wymiarówzarówno przestrzennych jak i czasowych były badane przezlicznych naukowców. Możemy założyć, że prawa Przy-rody mają taką samą postać, ale dopuścić liczbę wymia-rów przestrzennych zmieniającą się w dowolnym zakresie.Gdybyśmy chcieli zachować trwałe atomy oraz stabilneorbity ciał niebieskich, np. planet krążących wokół swo-ich gwiazd, to musielibyśmy wykluczyć istnienie więcejniż trzech wymiarów przestrzennych. Nic nie jest w stanieutrzymać się razem w takich światach o więcej niż trzechwymiarach: siły oddziaływania zmniejszają się wraz z od-ległością zbyt szybko. Takie światy nie zawierają żadnychstruktur. Z kolei światy jedno- lub dwuwymiarowe nie do-puszczają pola grawitacyjnego, a ponadto są zbyt proste,aby mogło w nich rozwinąć się życie. Zatem trójwymia-rowe światy są bardzo szczególne. Nie powinniśmy być za-skoczeni tym, że żyjemy w trzech wymiarach przestrzen-nych. W przestrzeniach o większej lub mniejszej liczbiewymiarów nie mogłoby istnieć życie.

Teorie strun są obecnie jedynymi teoriami fizycz-nymi, które nie prowadzą do wewnętrznych sprzecznościlub przewidywań, że wielkości obserwowalne mają bez-sensowne, nieskończone wartości w momencie, gdy włą-czy się grawitację do schematu unifikacji pozostałych od-działywań fundamentalnych w przyrodzie. Jednak teorie tewymagają większej liczby wymiarów przestrzennych niżtylko te trzy, których doświadczamy w życiu codziennym.Ponieważ dostrzegamy jedynie trzy wymiary, to wniosekz tego jest taki, że albo teorie te są błędne, albo pojęciewymiaru jest czymś innym niż zwykle sądzimy, albo żewiele z tych wymiarów przestrzennych jest gdzieś ukry-tych. Chociaż każda z dwóch pierwszych opcji może oka-zać się prawdziwa, to jednak powszechnie się zakłada,że to trzecia stanowi rozwiązanie zagadki. Wśród wymia-rów przestrzeni nie ma demokracji: trzy z nich mają dużerozmiary, natomiast pozostałe są bardzo małe i do tegozwinięte, tak że nie możemy ich bezpośrednio zaobser-wować. Dzięki temu życie może współistnieć z więcej niżtrzema wymiarami, bo „dodatkowe” wymiary są zbyt małe,aby siły oddziaływania mogły „zauważyć” ich wpływ. Ży-cie istnieje zatem tylko w trzech dużych wymiarach. Mu-simy znaleźć proces fizyczny, który pozwolił rozciągnąć

2Kosmologia stanu stacjonarnego dominowała w latach pięćdziesiątych XX w. Zakładała ona, że wprawdzie Wszechświat sięrozszerza, ale przez cały czas zachowuje stałą gęstość, bo następuje ciągły proces kreacji materii w „rozrzedzanych” miejscachprzestrzeni (przyp. tłum.).

4 POSTĘPY FIZYKI TOM 00 ZESZYT 0 ROK 0000

J.D. Barrow – Nasze miejsce we Wszechświecie

się trzem (i tylko trzem) spośród pełnej liczby wymiarów,a pozostałe wymiary tak uwięzić w niewielkiej skali dłu-gości tak, aby ich wpływ był dla nas tak dalece niedostrze-galny. Jak to się stało, że tylko trzy z tych wymiarów tak sięzwiększyły? Dziś odpowiedź na to pytanie nie jest znana.Przyczyna może być zupełnie losowa – wybór trzech du-żych wymiarów wcale nie musiał być „zaprogramowany”w prawach fizyki. Nie jest też wykluczone, że istnieje głę-boka przyczyna, dla której trzy i tylko trzy wymiary mogłypowiększyć się do obecnych rozmiarów.

Jeśli dodatkowe wymiary istnieją i zmieniają swójrozmiar, rozszerzając się tak samo jak nasza trójwymia-rowa część Wszechświata, to można byłoby to ujawnić po-przez obserwację analogicznych zmian naszych „stałych”przyrody. Prawdziwe stałe żyją w świecie o wszystkichwymiarach. Trójwymiarowe „rzuty” tych stałych, które po-trafimy obserwować, mogą się zmieniać bez zmiany praw-dziwych, pełnowymiarowych stałych.

Zmienne „stałe”

Uświadomienie sobie, że stałe przyrody obserwowanew trójwymiarowej przestrzeni mogą nie być fundamen-talne, tj. mogą nie być naprawdę stałe, spowodowało rene-sans zainteresowania sprawdzeniem takiej możliwości po-przez bardzo precyzyjne obserwacje astronomiczne. Ostat-nimi laty John Webb, Michael Murphy, Victor Flambaum,Vladimir Dzuba, Chris Churchill, Jason Prochaska, ArtWolfe oraz ja zastosowaliśmy nową technikę analizy świa-tła odległych kwazarów. Obserwowaliśmy odstępy międzyliniami widmowymi związanymi z absorpcją światła kwa-zarów przez różne pierwiastki chemiczne w obłokach pyłuznajdujących się między kwazarami a Ziemią. Odstępy tesą bardzo czułe na zmianę wartości jednej ze stałych przy-rody, tzw. stałej struktury subtelnej, w obłokach znajdu-jących się w odległości mierzonej określonym przesunię-ciem ku czerwieni. Porównując te odstępy dla światła kwa-zarów oraz dla światła tego samego typu obserwowanegow laboratorium na Ziemi, otrzymujemy informację, czystała ta mogła zmienić wartość w ciągu 12 miliardów lat.Ta metoda została już zastosowana do 147 kwazarów. Wy-niki zebrane oraz przeanalizowane przez dwa lata okazałysię nieoczekiwane i potencjalnie doniosłe. Znaleźliśmystałą i znaczącą różnicę odstępów linii widmowych po-chodzących z przeszłości i linii mierzonych dziś w labora-torium. Skomplikowany „odcisk palców” przesunięć zga-dza się z oczekiwanym, jeśli przyjmiemy, że wartość stałejstruktury subtelnej była mniejsza o ok. 6 części na milionw chwili, gdy zostało wysłane światło kwazarów. Astro-nomowie przygotowują obecnie wiele innych eksperymen-tów, by sprawdzić, czy ta – wyglądająca kusząco – zmianajednej z podstawowych „stałych” przyrody jest efektemrzeczywistym, czy też wynikiem jakiegoś niedostrzeżo-nego błędu w procesie zbierania danych obserwacyjnych.

Uciekający Wszechświat

Ostatnią i najbardziej zaskakującą tajemnicą Wszech-świata, ujawnioną dzięki nowym teleskopom, jest fakt, że

Rys. 4. ??????

jego ekspansja nabrała kilka miliardów lat temu przyspie-szenia, które utrzymuje się do dziś, tak jakby znów zacho-dziła inflacja. Wszechświat najwyraźniej zawiera ok. 70procent energii w formie ciemnej, wywołującej efekt gra-witacyjnego odpychania. (Nazwa „ciemna energia” bierzesię stąd, że ta forma materii nie świeci, a jej natura niejest w pełni znana. Istnieje też określenie „ciemna mate-ria” (nie jest to ciemna energia) – jest to materia, któranie świeci, ale jej natura jest znana. Formalnie w teo-rii Einsteina efekt grawitacyjnego odpychania odpowiadawystąpieniu ujemnego ciśnienia – tłum.). Efekt odpycha-nia dominuje we Wszechświecie nad efektem przyciąganiagrawitacyjnego. Sądzimy nawet, że w jakimś stopniu rozu-miemy, czym jest ta „ciemna energia”. Jest to tzw. energiapróżni kwantowej we Wszechświecie – jego niereduko-walna do zera energia minimalna. Nic we Wszechświecienie może spowodować, aby jego energia zmniejszyła siędo niższego poziomu. Nikt nie oczekuje, abyśmy moglitę energię zaobserwować. Dlaczego miałaby ona stać siędostrzegalna właśnie w tym niszowym okresie historii ko-smosu, gdy możliwe jest życie? Dlaczego jest jej właśnietyle? Nikt tego nie wie. Wszystkie obliczenia wskazują, żejej ilość powinna być oszałamiająco – 10120 razy – więk-sza od obserwowanej. A przecież gdyby ilość tej energiibyła zaledwie 10 razy mniejsza od tej ogromnej liczby, toani galaktyki, ani gwiazdy, ani życie nie mogłyby istnieć.Nasz Wszechświat kroczy doprawdy niesłychanie wąskąścieżką!

Tłumaczył Mariusz Dąbrowski

Instytut FizykiUniwersytet Szczeciński

POSTĘPY FIZYKI TOM 00 ZESZYT 0 ROK 0000 5