W XX wieku miały miejsce dwie rewolucje kosmologiczne. Pierwsza zapoczątkowana została przez teorie Einsteina i porodziła Wielki Wybuch – początek Wszechświata w osobliwości bez czasu* i przestrzeni*, w której była skupiona cała jego masa. Druga rewolucja kosmologiczna zdarzyła się na początku lat 80-tych ubiegłego wieku. Wtedy to kilku wybitnych fizyków teoretyków zaproponowało teorię inflacji – bardzo szybkie rozszerzanie się super maleńkiego bąbla 13,8 miliarda lat temu.
Co było wewnątrz tego bąbla i z czego on składał się?
Według popularnych ujęć ten bąbel stanowiło „nic”. Skądś tam pojawiła się energia, która rozdęła owe nic prawdopodobnie w przybliżeniu o promieniu 10^(-50) metra w momencie czasu 10^(-35) sekundy do obszaru o promieniu około 1 metra w momencie czasu 10^ (-34) sekundy po Big Bangu. Potem ta energia zaczęła rodzić cząstki, cząstki składały się w atomy, powstały gwiazdy, galaktyki i planety.
Teoria inflacji staje się coraz bardziej popularna w świecie fizyków i jej przewidywania są potwierdzane m.in. badaniami reliktowego promieniowania, które pozostało jako echo Big Bangu i przenika cały kosmos.
W inflacyjnym modelu Wszechświata dochodzi do przejścia fazowego kwantowej próżni i z nowej fazy ma się tworzyć ten mikroskopijnej wielkości bąbel, który zapoczątkował nasz Wszechświat.
Powiększ!
Teoria inflacji odpowiada najbardziej naturalnemu modelowi Wszechświata i stanowi aktualnie najlepszą odpowiedź na pytanie “Skąd wziął sie Wszechświat?”. Objaśnia też skąd wzięły się jego niejednorodności, ewoluujące do aktualnie obserwowalnej struktury. Dlatego powstanie teorii inflacji w ubiegłym wieku uznawane jest za II rewolucję kosmologiczną.
Problem jest tylko, że inflacja mówi, że raz zastartowawszy, być może nigdy się nie zatrzyma i być może będzie płodzić ciągle nowe i nowe wszechświaty. Być może bąbel naszego Wszechświata jest tylko jednym z mnóstwa.
Ockhamowi ten aspekt teorii inflacji nie spodobałby się. Uważałby, że teoria inflacji zawiera jakiś nieznany, popełniony przez nas błąd – przecież nie wiemy jaka jest fizyczna natura hipotetycznego inflatonu stanowiącego „silnik inflacji” - i uważałby, że nasz Wszechświat stanowi jedyną istniejącą przestrzeń.
Nie podoba się też “bandzie trojga” cała teoria inflacji.
Szef „bandy trojga” - aktualnie z Princeton University - uczestniczył w opracowywaniu teorii inflacji w początkowym stadium i nawet otrzymał razem z dwoma głównymi twórcami teorii inflacji prestiżowy medal Diraka „za rozwój koncepcji inflacji w kosmologii". I to właśnie on pierwszy zauważył, że z powodu kwantowych fluktuacji inflacja może prowadzić do wiecznej inflacji i multiświatów. Potem stał się zaciekłym jej przeciwnikiem i opracował alternatywny scenariusz pod nazwą „Ekpyrotyczny Wszechświat”. Lecz jeden ze współtwórców teorii inflacji rozbił jego scenariusz na proch i pył w 2001 r. w artykule „Pyrotechnic Universe”.
Lecz szef „bandy” nie poddał się. Przedstawił w oparciu o rozwiniętą teorię strun, a raczej M-bran, nowy ekpyrotyczny scenariusz, w którym czas i przestrzeń są wieczne, a Wszechświat rozwija się cyklicznie od zawsze bez początku i końca. Nasz Wszechświat mają stanowić dwie 11-wymiarowe brany oddzielone od siebie jeszcze trzecia braną tzw. objętościową. My istniejemy na tzw. widzialnej branie łącznie z obserwowaną materią. Cząstki na drugiej branie mają dla nas stanowić ciemną formę materii, której nie możemy wykryć i mogą oddziaływać grawitacyjnie z widzialna braną. Brany mogą się poruszać jak pompa, cyklicznie się oddalając i przybliżając do siebie. Rytm zderzeń ma mieć miejsce mniej więcej co bilion lat. Ostatnie zdarzenie miało miejsce 13,8 miliarda lat temu i następuje wybuch zwany wielkim. Zderzenie bran skutkuje wchłonięciem brany objętościowej, powodując wyzwolenie ogromnej energii w postaci promieniowania. Kolizja bran ma właśnie być Big Bangiem – momentem ekpyrotycznym. Następuje zapoczątkowanie fazy ekspansji, w której ciemna energia nie posiada jeszcze takiej wartości, aby ekspansja była przyspieszona. Promieniowanie ustępuje materii i formują się galaktyki, gwiazdy i planety Wskutek fluktuacji kwantowych opisywanych przy pomocy pięciu pól odniesionych do obu bran, z brany ukrytej wydziela się „brana objętościowa” przemieszczająca się wzdłuż piątego wymiaru, a pofałdowane brany wygładzają się. Stopniowe rozrzedzanie się materii doprowadza do fazy dominacji ciemnej energii, w której to fazie, zdaniem autorów modelu ekpyrotycznego, obecnie się znajdujemy. Powolne ochładzanie się Wszechświata prowadzi do tzw. stanu BPS, w którym brany są ustawione wobec siebie równolegle - stanu niskoenergetycznego, quasi-statycznego, supersymetrycznego, o niskiej energii, gdy ta równoległa konfiguracja bran może zapoczątkowuje kolejną długą fazę kontrakcji i w rezultacie kolejny cykl.
Status ontologiczny bran jest niejasny – według „bandy trojga” to nie Wszechświat miałby powstać z niczego, a brany, które miałyby być związane z instatonem S. Hawkinga i J. Hartle’a.
Jednocześnie przywódca „bandy trojga” uznał, że dane WMAP i Plancka dotyczące reliktowego promieniowania dały mu nowy argument przeciwko teorii inflacji, który został opublikowany w 2014 r. A w rzeczywistości one nie potwierdziły teorii inflacji tylko w jednym punkcie związanym z reliktowymi falami grawitacyjnymi. Przecież zarówno WMAP jak i Planck dzięki mapie reliktowego promieniowania potwierdzają istnienie niejednorodności przestrzeni powstałych we wczesnym Wszechświecie jako kwantowe fluktuacje. Tylko reliktowe fale grawitacyjne dla założonej najprostszej postaci inflatonu nie zostały wykryte. Można jednak domniemywać, że reliktowe fale grawitacyjne są nadzwyczaj słabe i będą mogły zostać wykryte kiedyś w przyszłości, kiedy będziemy dysponować odpowiednio czułymi teleskopami.
I po trzech latach od publikacji przywódca „bandy” i dwoje pozostałych członków postanawiają zwrócić się ze swoimi tezami do szerokiej publiczności w postaci artykułu w Scientific American p.t. „Cosmic Inflation Theory Faces Challenges”. Treść artykułu to krytyka teorii inflacji stanowiąca w pewnym sensie zachętę dla czytelników dla poparcia ich krytyki.
Przedstawiają siebie tam jak wyrocznię w dziedzinie inflacji – stawiają pytania i udzielają na nie odpowiedzi np. takich:
- Czy możemy przewidzieć liczbę i rozkład Galaktyk w przestrzeni?
- Nie!
- Czy możemy przewidzieć krzywiznę przestrzeni?
- Nie!
- A przewidzieć ilość materii, albo postaci energii wchodzących w skład Wszechświata?
- Nie!
A czy możemy objaśnić jak powstał ten zarodek Wszechświata, z którego rozpoczęła się inflacja?
- Nie
To typowe przykłady ich demagogicznej żonglerki.
W obronie teorii inflacji przeciwko “bandzie trojga” wystąpiło “33 herosów”. Ojcowie teorii inflacji zebrali drużynę składająca się z czterech laureatów nagrody Nobla oraz wielu światowych znakomitości w dziedzinie kosmologii ze Stephenem Hawkingiem i Edwardem Wittenem na czele i odpowiedzieli „bandzie trojga” w tym samym czasopiśmie.
„Banda trojga” dokonała coś zaskakującego – ogłosiła, że „nie ma możliwości ocenić inflacyjnej kosmologii przy pomocy naukowych metod, a niektórzy uczeni przyjmujący inflację, proponują odrzec się od określania naukowości poprzez empiryczną sprawdzalność i lansują idee tej nieempirycznej nauki”.
- My nie wiemy o czym oni mówią. W naszym liście wyrażamy kategoryczny sprzeciw przeciwko takim twierdzeniom dotyczącym sprawdzalności inflacji” – napisali herosi.
W okresie 37 lat od pojawienia się teorii inflacji, jej przewidywania sprawdzały się eksperymentalnie już wielokrotnie. Od czasu satelity COBE w 1992 r. poprzez dane WMAP i Hubble’e mnóstwo eksperymentów potwierdziło, że przewidywania teorii inflacji dokładnie opisują nasz Wszechświat.
Herosi ustosunkowując się do zarzutów „bandy trojga” do teorii inflacji podkreślili:
- Średnia gęstość masy Wszechświata została zmierzona z dokładnością około połowy procenta i zgadza się całkowicie z przewidywaniem inflacji.
- Liczba i rozmieszczenie galaktyk w przestrzeni jest możliwy do odtworzenia prawda z pierwszych zasad, chociaż taki parametr jak początkowej amplitudy zakłóceń, wyciągnął z obserwacji - darmowy parametr.
- Teoria inflacji wspaniale przewiduje krzywiznę przestrzeni – jest nieodróżnialna od zera.
- Przewidywany stosunek różnych form materii i energii leży poza zakresem teorii inflacji - to inna dziedzina nauki. Teoria nie ma obowiązku przewidywać wszystkiego na świeci wymagana, aby przewidzieć, niczego w świecie. Chociaż ilość różnych form materii i energii to przewiduje poprawnie. A teoria inflacji sumę różnych form materii i energii przewiduje prawidłowo.
- Jak został utworzony embrion Wszechświata? - To także kwestia poza zakresem teorii inflacji. Co gorzej, jest to kwestia jest poza zasięgiem współczesnej nauki. Ona powinna być oparta o grawitację kwantową - naukę, która jeszcze nie istnieje. Osiągnięciem teorii inflacji jest to, że przesunęła zakres naszego braku zrozumienia tajemnicy mistycznych warunków początkowych Big Bangu do mikroskopijnej zarodka przestrzeni.
W ciągu ponad 35 lat swojego istnienia, teoria inflacyjna stopniowo staje się dominującym paradygmatem kosmologicznym opisując wczesne stadia ewolucji wszechświata i tworzenia jej wielkoskalowej struktury. Wielu naukowców z całego świata pracowało badając modele kosmologicznej inflacji prognozy z nich wynikające z danymi obserwacji empirycznych.
Model inflacyjny przewiduje, że Wszechświat powinien mieć gęstość masy krytycznej czyli powinny być geometrycznie płaski.
Fakt, że nasza wiedza o wszechświecie jest nadal niekompletna nie daje absolutnie żadnego powodu, aby ignorować imponujące empiryczne sukcesy modelu inflacyjnego.
Prostota matematyczna z pewnością nie mogłaby służyć jako argument za wybraniem modelu ekpyrotycznego. Co więcej, właśnie z powodu nadzwyczaj rozbudowanego i w konsekwencji uginającego się pod własnym ciężarem aparatu matematycznego teorii strun, model ten co rusz przechodzi kolejne metamorfozy.
Teoria inflacji rozwija się w sposób bardzo podobny do wczesnych etapów rozwoju Modelu Standardowego fizyki cząstek, gdy badano różne modele kwantowej teorii pola w poszukiwaniu jednego, które pasują do wszystkich eksperymentów.
Wydaje się, że publiczna dyskusja będąca sporem między stronnikami teorii inflacji i przeciwnikami lansującymi swoje propozycje, niewiele wniesie do rozwoju jednej lub drugiej teorii. „Banda trojga” nie ustępuje 33 herosom ani na krok!
A Ty co sądzisz? Czy dałeś się przekonać bandzie trojga, czy tak jak ja popierasz 33 herosów?
Czy uważasz II rewolucję kosmologiczną, czyli teorię inflacji za najlepiej opisującą Wszechświat?
Appendix:
Banda trojga:
Paul J. Steinhardt - Professor of Physics, Director of the Princeton Center for Theoretical Science, Dep. of Physics Princeton University http://wwwphy.princeton.edu/~steinh/
Abraham Loeb - Professor of Science, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Harvard University, Founding Director of Harvard's Black Hole Initiative and Director of the Institute for Theory and Computation, Chair of the Advisory Committee for the Breakthrough Starshot Project, https://www.cfa.harvard.edu/~loeb/
Anna Ijjas - Physics Department, Princeton University, http://physics.princeton.edu/~aijjas/
33 herosów:
Alan H. Guth - Professor of Physics, Massachusetts Institute of Technology
http://web.mit.edu/physics/people/faculty/guth_alan.html
Andrei D. Linde - Professor of Physics, Stanford University https://physics.stanford.edu/people/faculty/andrei-linde
Stephen Hawking - Lucasian Professor of Mathematics (Emeritus), Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge http://www.damtp.cam.ac.uk/people/s.w.hawking/
Yasunori Nomura - Professor of Physics and Director, Berkeley Center for Theoretical Physics, University of California, Berkeley http://physics.berkeley.edu/people/faculty/yasunori-nomura
Charles L. Bennett - Professor and Alumni Centennial Professor of Physics and Astronomy, Johns Hopkins University, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) mission, Background Explorer (COBE) mission http://physics-astronomy.jhu.edu/directory/charles-l-bennett/
J. Richard Bond University Professor, University of Toronto and Director, Canadian Institute for Advanced Research Cosmology and Gravity Program, Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, Member of the Planck collaboration http://www.cita.utoronto.ca/~bond/
David I. Kaiser Professor of the History of Science and Professor of Physics, Massachusetts Institute of Technology http://web.mit.edu/physics/people/faculty/kaiser_david.html
Juan Maldacena - Professor of Physics, Institute for Advanced Study https://www.sns.ias.edu/malda
François Bouchet - Director of Research, Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS and Sorbonne
Université-UPMC, Deputy Principal Investigator, Planck satellite HFI (High Frequency Instrument) Consortium and Member, Planck Science Team http://savoirs.ens.fr/conferencier.php?id=145
Sean Carroll - Research Professor of Physics, California Institute of Technology http://www.astro.caltech.edu/people/faculty/Sean_Carroll.html
George Efstathiou- Professor of Astrophysics, Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge
Member, Planck Science Team http://www.ast.cam.ac.uk/~gpe/
Lisa Randall - Professor of Science, Department of Physics, Harvard University https://www.physics.harvard.edu/people/facpages/randall
Renata Kallosh Professor of Physics, Stanford University (żona Andreia Linde) https://physics.stanford.edu/people/faculty/renata-kallosh
-Eiichiro Komatsu - Director of the Department of Physical Cosmology, Max-Planck-Institute für Astrophysik, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) collaboration http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/~komatsu/
Lawrence Krauss - Foundation Professor in the School of Earth and Space Exploration and Department of Physics, and Director, The Origins Project at Arizona State University http://krauss.faculty.asu.edu
Martin Rees - Astronomer Royal of Great Britain, former President of the Royal Society of London, and Professor (Emeritus) of Cosmology and Astrophysics, University of Cambridge http://www.ast.cam.ac.uk/~mjr/
David H. Lyth - Professor of Physics (Emeritus), Lancaster University http://www.lancaster.ac.uk/physics/about-us/people/david-lyth
John C. Mather - Senior Astrophysicist and Goddard Fellow, NASA Goddard Space Flight Center and recipient of the Nobel Prize in Physics (2006), Project Scientist, Cosmic Background Explorer (COBE) mission and Senior Project Scientist, James Webb Space Telescope https://science.gsfc.nasa.gov/sed/bio/john.c.mather
Hiranya Peiris - Professor of Astrophysics, University College London and Director, Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) collaboration and Planck collaboration http://zuserver2.star.ucl.ac.uk/~hiranya/
Malcolm Perry - Professor of Theoretical Physics, University of Cambridge http://www.damtp.cam.ac.uk/people/m.j.perry/
Misao Sasaki - Professor, Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~misao.sasaki/
Leonardo Senatore - Associate Professor of Physics, Stanford University https://physics.stanford.edu/people/faculty/leonardo-senatore
Powiększ!
*) Przed Początkiem:
Niebyt nie istniał wtedy, ani byt nie istniał.
Nie było też przestrzeni, ani czasu, ani ruchu żadnego.
Była ciemność, ciemnością okryta.
Śmierć nie istniała wówczas, ani świadomość.
Przez własną moc On tylko był.
I nic innego nigdzie poza Nim nie było.
Przez Jego myśl byt z niebytu się wyłonił -
Zarodek Wszechświata się pojawił.
Ten Który Jest światłością go uczynił.
Święty Augustyn:
„"Co czynił Bóg, zanim niebo uczynił i ziemię?" Albo: "Dlaczego postanowił coś uczynić, skoro nigdy przedtem nic nie czynił?"
Spraw, Panie, aby lepiej się zastanowili nad tym, co mówią; aby pojęli, że słowo "nigdy" nie ma sensu, jeśli nie istnieje czas. Kiedy się mówi, że ktoś nigdy czegoś nie uczynił, czyż to nie znaczy, że nie uczynił tego w żadnym czasie? Niechże więc zrozumieją, że nie może istnieć czas bez stworzenia - i niech przestaną zadawać niedorzeczne pytania. I niech ku temu, co jest przed nimi, zdążają. Niech pojmą, że przed wszystkimi czasami Ty jesteś wiecznym Stwórcą wszystkich czasów. A nie są współwieczne Tobie żadne czasy ani żadne stworzenie…”
