Ukryte Wymiary

[Gość Koko_]

Jeszcze kilkanaście lat temu kosmolodzy sądzili, że o ewolucji Wszechświata - wiedzą właściwie wszystko. Nie mieli racji

Nadal tajemnicą pozostaje dla nas sam początek - Wielki Wybuch i co było przedtem - ale co do dalszych wydarzeń wśród naukowców panowała zgodność. Supergorąca zupa z materii i promieniowania stygła, materia pod wpływem swojej siły grawitacji zbierała się w zgęstki, które stanowiły zarodki przyszłych galaktyk. Jednocześnie dzięki impetowi otrzymanemu w Wielkim Wybuchu Wszechświat miał cały czas się rozszerzać, choć w wyniku przyciągania grawitacyjnego wypełniającej go materii - coraz wolniej.

Pewną zagadkę stanowiła odległa przyszłość. Rysowały się dwie drogi: albo Wszechświat będzie rozrzedzał się w nieskończoność, coraz wolniej i wolniej, albo też - jeśli tylko materii jest w nim dostatecznie dużo - w pewnym momencie przestanie się rozszerzać i... zacznie się kurczyć, aż zapadnie się w sobie w Wielkim Krachu. Tak czy inaczej, było pewne, że prędkość kosmicznego rozszerzania Wszechświata musi maleć.

 

Jedną z najnowszych teorii tłumaczącą coraz większe tempo rozszerzania się Wszechświata jest istnienie tzw. ciemnej energii

 

Szok wywołały ogłoszone kilka lat temu rezultaty serii obserwacji supernowych, wynikało z nich bowiem jednoznacznie, że Wszechświat... przyspiesza! Co więcej, wygląda na to, że dzieje się tak już od ładnych kilku miliardów lat.

 

Nieznana energia

Od dawna już wiadomo, że światło pędzi przez przestrzeń kosmiczną z gigantyczną, lecz jednak skończoną prędkością, sprawiając, że odległe galaktyki widzimy takimi, jakie były tysiące milionów lat temu. Astronomowie żartują nawet, że ich obserwatoria to wehikuły czasu dla ubogich (gdyby jeszcze nie były tak kosztowne!). Niestety, światło niezwykle odległych gwiazd jest słabiutkie, więc z daleka widzimy tylko najjaśniejsze obiekty, na przykład wybuchające masywne gwiazdy - supernowe. Badając światło odległych supernowych, astronomowie potrafią wyliczyć prędkość, z jaką oddalają się od siebie ich macierzyste galaktyki, i w ten sposób określić tempo rozszerzania się Wszechświata. Porównując te dane z analogicznymi wynikami uzyskanymi z obserwacji bliższych (a więc młodszych) gwiazd, można ocenić, jak tempo rozdmuchiwania przestrzeni międzygalaktycznej zmieniało się w czasie.

Co jest przyczyną kosmicznego przyspieszania? Odpowiedzi próżno szukać w materii, którą znamy z codziennego doświadczenia. Wszystkie cząstki, które się na nią składają - protony, elektrony, neutrony i cała menażeria innych cząstek elementarnych, a także wszystkie znane rodzaje energii we Wszechświecie - łączy jedno: przyciągają się do siebie nawzajem za pośrednictwem siły grawitacji, dlatego ich obecność może jedynie hamować rozszerzanie Wszechświata.

Aby wybrnąć z sytuacji, badacze uznali, że musi istnieć jeszcze jeden, dodatkowy składnik świata, dla którego ukuto nieco złowieszczo brzmiącą nazwę "ciemna energia". Pozwala ona wyjaśnić coraz szybsze rozszerzanie się Wszechświata, gdyż jest obdarzona niezwykłą własnością - gigantycznym ujemnym ciśnieniem.

 

Odpychanie grawitacyjne

Ciśnienie zwyczajnego gazu jest zawsze dodatnie - jeśli będziemy dmuchać coraz mocniej i mocniej w balonik, w końcu rozerwie go na strzępy. Taki sam balonik wypełniony substancją o ujemnym ciśnieniu zapadłby się w sobie. Według ogólnej teorii względności Einsteina, nie tylko masa i energia, ale i ciśnienie materii ma znaczenie dla siły grawitacji. Dlatego obdarzona ujemnym ciśnieniem ciemna energia ma szanse powodować we Wszechświecie efekt nie przyciągania, lecz odpychania grawitacyjnego - i w rezultacie przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata.

Trudno jednak uważać to wyjaśnienie za zadowalające, dopóki nie będziemy wiedzieć konkretnie, czym ciemna energia jest i dopóki nie poznamy innych procesów, w których bierze udział. Naukowcy czują się niewygodnie, podpierając teorie tworami wziętymi z wyobraźni, których istnienie trudno zweryfikować doświadczalnie. Gdzie szukać substancji o tak dziwnych właściwościach? Jednym z miejsc, które kosmolodzy podejrzewają o rolę źródła ciemnej energii, jest... zwyczajna próżnia. Może nie do końca zwyczajna, bo próżnia fizyki współczesnej to wcale nie pusta przestrzeń, wręcz przeciwnie - to twór żywy i dynamiczny, który dosłownie kipi od cząstek pojawiających się na niewyobrażalnie krótkie chwile i rozmywających z powrotem w niebycie.

Niestety, kiedy próbowano oszacować energię próżni i jej ciśnienie, okazało się, że wielkości te są dużo większe od potrzebnych do wytłumaczenia zagadki przyspieszającego Wszechświata. Przy czym określenie "dużo większe" jest tu właściwie nie na miejscu: chodzi o przeogromnie wielki czynnik 10120 razy (jedynka ze stu dwudziestoma zerami, podczas gdy na przykład stosunek promienia widocznego Wszechświata do promienia elektronu to jedynka z "zaledwie" czterdziestoma zerami!). Gdyby próżnia rzeczywiście miała tak wielką energię, Wszechświat już dawno zostałby rozerwany na strzępy.

Jasne jest, że czegoś tu nie rozumiemy. Zajmujący się tym problemem naukowcy przypuszczają, że jakieś proste prawo przyrody (jeszcze nieodkryte) sprawia, że cała ta ogromna energia próżni znosi się do zera. Dużo trudniej im uwierzyć, że mogłaby się ona prawie, ale nie dokładnie zerować, tylko po to, by usatysfakcjonować łowców ciemnej energii.

 

Piąty element

Jest jeszcze jeden kandydat do roli ciemnej energii. To hipotetyczna substancja nazwana poetycznie kwintesencją. Według Arystotelesa, kwintesencja miała byc piątym elementem (obok ziemi, wody, powietrza i ognia), najdoskonalszym z żywiołów w strukturze świata, budulcem ciał niebieskich. Według współczesnych naukowców, kwintesencja może oddziaływać z materią i promieniowaniem wypełniającym Wszechświat i w ten sposób zmieniać swoje własności z upływem czasu. To odróżnia ją od energii próżni, której gęstość jest stała w czasie i to również sprawia, że piąty element jest tak obecnie popularny wśród kosmologów. Męczy ich bowiem pytanie: czy to przypadek, że żyjemy akurat w okresie, kiedy Wszechświat przyspiesza swoje rozszerzanie?

Noblista Steven Weinberg uważa, że odpowiedź jest ściśle związana z osobą pytającego. "We Wszechświecie z inną ilością ciemnej energii życie nie mogłoby powstać. Gdyby było jej więcej niż w naszym Wszechświecie, materia rozleciałaby się na boki, zanim mogłyby powstać galaktyki i gwiazdy, i nie byłoby nikogo, kto mógłby badać ten problem" - mówi.

Inni naukowcy woleliby jednak nie uzależniać kosmicznych losów od naszej obecności we Wszechświecie. Okazuje się, że koncepcja piątego elementu może im w tym pomóc - jeśli bowiem kwintesencja oddziałuje z materią, to można pokusić się o obliczenie, jak duża powinna być jej energia na różnych etapach kosmicznej ewolucji. Dzięki temu nie tylko zrozumiemy, dlaczego Wszechświat zaczął się rozpędzać właśnie teraz, ale i będziemy w stanie określić, jaki los czeka go w przyszłości. Jeśli kwintesencja utrzyma lub zwiększy swoją gęstość energii, wtedy sprawa jest przesądzona - odległości między galaktykami będą rosły coraz szybciej i za jakieś 150 miliardów lat ledwie kilkaset galaktyk byłoby można zobaczyć z Ziemi (tyle że Ziemia istnieć już wtedy nie będzie), nawet przy użyciu najpotężniejszych teleskopów, bo cała reszta po prostu znajdzie się za daleko. Jeśli jednak gęstość kwintesencji się zmniejszy, w co duża część naukowców zdaje się wierzyć, wtedy za kilkanaście miliardów lat Wszechświat znów może zacząć hamować.

Dobrze, powie ktoś, ale czym właściwie jest ta kwintesencja? Odpowiedź jest równie krótka, co niesatysfakcjonująca: nie wiadomo! Wprawdzie fizycy mają wiele pomysłów (corocznie ukazują się setki prac analizujących własności przeróżnych modeli kwintesencji), ale poza elegancją matematyczną nie ma żadnego kryterium, które pozwalałoby wybrać ten właściwy.

 

Teoria wszystkiego

Jedna z koncepcji natury kwintesencji ma źródło w modnej ostatnio teorii M, stworzonej przez amerykańskiego fizyka Edwarda Wittena i jego współpracowników. Nikt nie wie na pewno, co oznacza "M" w nazwie - czy chodzi o teorię Magiczną, Mistyczną, teorię Membran, Matkę wszystkich teorii fizycznych czy też po prostu odwrócone "W" z nazwiska jej twórcy. Tak czy inaczej, teoria M pretenduje do miana Teorii Wszystkiego, czyli takiej, w ramach której można opisać wszystkie znane siły i rodzaje materii we Wszechświecie. Wprawdzie do zakończenia konstrukcji tej teorii jeszcze bardzo daleko, ale wizja świata, jaka się z niej wyłania już dziś, inspiruje jednych i zniechęca innych.

Według teorii M, przestrzeń nie jest wcale trójwymiarowa, ale ma aż dziesięć wymiarów (jeśli do wymiarów przestrzennych dodać czas, daje to w sumie 11-wymiarową czasoprzestrzeń). Wydaje się to co najmniej dziwne, bo w końcu codzienne doświadczenie mówi nam, że przestrzeń jest trójwymiarowa. Przy kupowaniu szafy oprócz ceny interesują nas trzy liczby: szerokość, wysokość i głębokość, a nie dziesięć różnych wymiarów! Ten zarzut M-fizycy odpierają twierdząc, że niektóre wymiary są bardzo mocno ściśnięte, tak że widać je tylko na niezwykle małych skalach odległości, niedostępnych w codziennym doświadczeniu, takim jak kupowanie szafy.

Dobrym przykładem jest strona wyrwana z książki lub - jeszcze lepiej - płachta gazety. Jeśli patrzeć na nią z dużej odległości, wyda nam się dwuwymiarowa, posiadająca jedynie długość i szerokość. Przypatrując się jej z bliska, zobaczymy jednak, że oprócz tych wymiarów kartka czy gazeta mają małą wprawdzie, lecz określoną grubość.

 

Być może tuż obok nas, oddalone dosłownie o milimetry, istnieją inne wszechświaty, tyle że...w innym wymiarze

Fizycy dopuszczają też możliwość, że jeden z dodatkowych wymiarów przestrzeni nie jest wcale tak mocno zwinięty jak pozostałe. Nie możemy go jednak zaobserwować, bo jesteśmy niejako przykuci do naszej płachty i nie możemy wysunąć z niej głowy, by zobaczyć, że w gazecie istnieją też inne strony - wszechświaty, od których może dzielić nas mniej niż milimetr, tyle tylko że... w jedenastym wymiarze.

 

Kolizja płacht

Mimo że jesteśmy przykuci do naszej płachty, czy - jak mówią fizycy - brany (to dziwne słowo znaczy tyle co membrana pozbawiona początku "mem-", żeby całość brzmiała bardziej profesjonalnie), możemy pośrednio poczuć obecność drugiej płachty właśnie jako pojawienie się ciemnej energii w naszym Wszechświecie. Są i bardziej radykalne wizje, na przykład teoria mówiąca, że Wielki Wybuch, od którego rozpoczęło się rozszerzanie naszego Wszechświata, został wywołany przez kolizję naszej brany z inną, która najechała na nią w jedenastym wymiarze.

Źródłem odpychającej siły odpowiedzialnej za przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata byłoby wtedy oddziaływanie między naszą braną a sąsiednią. Prawdopodobny jest też Wielki Krach, który da początek nowemu Wszechświatowi, gdy w dalekiej, dalekiej przyszłości obie brany znów o siebie uderzą.

Na razie mimo mnogości uwodzicielskich teorii jest jednak trochę za wcześnie na snucie przypuszczeń o losie Wszechświata, ponieważ dla zrozumienia przyszłości musimy najpierw dokładniej poznać przeszłość. Za pomocą potężniejszych teleskopów przeanalizować światło jeszcze większej liczby supernowych i innych dalekich obiektów, by ustalić, jak zmieniało się w ciągu miliardów lat tempo rozszerzania Wszechświata i czy ciemnej energii niegdyś było więcej, mniej czy tyle samo co teraz.

Nowe teorie, by nauka miała z nich pożytek, powinny nie tylko wyjaśniać to, czego dotychczasowe nie umiały. Muszą przy tym stanowić spójną całość i wytrzymywać porównanie z doświadczeniem.

Efektowne słowa, jak "kwintesencja" czy "brana", brzmią fascynująco, tajemniczo i pobudzają wyobraźnię, ale do zgłębienia sekretów Wszechświata wiedzie jeszcze daleka i zapewne kręta droga.

 

Źródło: Focus

[lama1]

.warto też poczytać ..np Wszechświaty równlolegle" Michio Kaku..przystepnie i po naszemu wydanie dostepne..i teorie Szypowa

Edytowane 28 Grudnia 2007 przez lama1