Największe zagadki fizyki [cz. 1]

Fizyka (zarówno ta zwykła, jak i kwantowa) jest jak opisywana przez nią nieskończoność. Gdy docieramy do granicy świata poznanego, to z niepokojem patrzymy na horyzont i zastanawiamy się, co dalej. Bo choć fizyka całkiem sprawnie opisuje wszechświat, to w wielu momentach jesteśmy zmuszeni rozłożyć ręce i zacytować Sokratesa: "Wiem, że nic nie wiem".

Kosmologiczna inflacja i problem początku

A było już tak pięknie. Gdy w 1981 r. Alan Gutha zaproponował atrakcyjną i jasną teorię drugiej fazy początku wszechświata, zapanowała euforia. Według niej u zarania dziejów rzeczywistość rozszerzała się niezwykle szybko, a odpowiada za to ujemna próżnia. Otóż nasz świat był kiedyś bardzo małym punktem znajdującym się w fałszywej próżni (w polu Higgsa). Wyobraźcie sobie przez chwilę zwykłą próżnię. Nie ma w niej ani jednej cząstki. Obszar ten staje się niestabilny i zaczyna tunelować do jeszcze niższego stanu energetycznego, do innej rzeczywistości lub innego wszechświata, jak zakłada teoria strun. Tak właśnie powstaje fałszywa próżnia. Tworzy się ujemne ciśnienie, które działa jak potężna siła rozprężająca.

Fałszywa próżnia przechodzi ze stanu fałszywego do prawdziwego, wywołując tym samym kolosalną ekspansję i nadanie cząstkom elementarnym masy (masa ta pochodzi z energii unicestwionego pola Higgsa). Etap inflacji mija, a świat rozszerza się znacznie wolniej (faza trzecia i czwarta widoczne na ilustracji).

Teoria Alana stara się wytłumaczyć, jak z mikroskopijnego punktu nagle zrobiło się coś niesamowicie wielkiego. Według teorii Wielkiego Wybuchu istniał 10-wymiarowy, hiperprzestrzenny twór. Byt ten był jednak niestabilny i rozpadł się na dwa światy: 6-wymiarowy zapadł się w sobie, a nasz 4-wymiarowy zaczął się rozszerzać. Owo rozszerzanie to kosmologiczna inflacja. Ale jakie były warunki początkowe?

Twór o nieskończonej masie i energii musiał znaleźć się w jakiejś rzeczywistości, by rozszczepić się na dwa światy. Ale skoro nie było żadnej rzeczywistości przed nastaniem wszechświata, to nie może być mowy o warunkach początkowych. Roger Penrose stwierdził, że kosmologiczna inflacja jest tak skomplikowana, że wymaga konkretnych warunków początkowych i że ich usunięcie na rzecz świata ex-nihilo jest uproszczeniem i niczego nie wyjaśnia.

Drugi problem z teorią Alana możemy zaobserwować, wpatrując się w nocne niebo oraz ilustrację poniżej. Gdyby Gutha miał rację, to niebo byłoby całkowicie jednorodne, a model wszechświata gładki. Tymczasem są galaktyki, gromady galaktyk i inne twory, które możemy opisać jako zaburzenia gęstości. W modelu Alana nie ma na nie miejsca. Gęstość rozprzestrzeniająca się z jednego punktu w nicości musi tworzyć byt absolutnie jednorodny.

Astrofizycy nienawidzą pojęcia "warunków początkowych", bo wpędza ich ono do piekła nieskończoności. I choć posługują się tym terminem, opisując Wielki Wybuch (ze wspomnianego wcześniej bytu o nieskończonej masie i energii), to muszą natrafić na mur warunków początkowych rzeczywistości. Inflacja kosmologiczna była próbą ominięcia tego problemu, ale spełzła moim zdaniem na niczym. Mizernym wyjaśnieniem miało być pole inflatonowe, czyli rzeczywistość, w której mogła zajść kosmologiczna inflacja, ale pole to też wymaga warunków początkowych i jakiejś przestrzeni istnienia. Na jego temat nie wiemy właściwie nic poza przypisywaniu mu cech niemalże Boga.

Teoria Wielkiego Wybuchu i kosmologiczna inflacja wciąż obowiązują jako bazowe teorie dla dalszych dociekań. Szkoda tylko, że kompletnie nie mają sensu. O problemie nicości i nieskończoności będę pisał w dalszych odcinkach cyklu.