Po powrocie z urlopu, nie najlepszego ,bo powiązanego wirtualnie z zakładem, rzuciłem okiem na stos nowości książkowych, i z ostatniej paczki wyciągnąłem natychmiast do lektury najnowszą pozycję R.Penrose’a [1].
To zdumiewające, i zarazem wspaniałe, że ten prawie 80-letni ,światowej sławy matematyk i fizyk jest nadal twórczy i pełen oryginalnych idei o strukturze i działaniu przyrody.
W najnowszej książce podejmuje temat najbardziej fundamentalny dla fizyki, i najbardziej doniosły dla filozofii człowieka, nawet odległego od nauki.
Jak rozumieć Big-Bang?
Czy to początek wszystkiego ?
Nie tylko materii, ale także czasu i przestrzeni?
Coś z niczego?
Ścisła kreacja wszystkiego, co istnieje?
R.Penrose odrzuca takie rozumienie Big-Bangu, chociaż sam akt “Wielkiego Wybuchu” akceptuje, ale tylko;
jako wydarzenie w czasie i przestrzeni ,cyklicznie powtarzające się.
Big- Bang jest końcem jednego eonu i początkiem drugiego eonu.
Penrose buduje przed czytelnikiem nową wersję kosmologii ,którą można nazwać “konforemną cykliczną kosmologią”[conformal cyclic cosmology,CCC].
Można to interpretować, jako nawiązanie do słynnej koncepcji kosmologicznej Richarda Tolmana z roku 1934 ,który analizując rozwiązania równania Friedmana [2],w którym występuje stała k, odkrył ,że dla k >0 ekspansja wszechświata spowalnia i wręcz ustaje ,a następnie wszechświat zaczyna się kurczyć, zapadać do punktu [kolapsuje],i w tym momencie – wybucha, jako gwałtownie rozdymająca się kula rozżarzonego ognia. Inaczej pisząc: faza kolapsu jest odwróconą w czasie, fazą ekspansji ponownej.
Rys.1 Trzy hipotetyczne historie wszechświata
Wszechświat cykliczny Tolmana ,był raczej wizją, a nie teorią astrofizyczna osadzoną na przekonującym schemacie analizy fizycznej i matematycznej, w przeciwieństwie do CCC Rogera Penrose’a.
Penrose swój tekst opiera na trzech modelach :
- termodynamice wszechświata z uwzględnieniem entropii , i jej zmienności podczas ewolucji wszechświata
- teorii strun, a specjalnie jej największego uogólnienia, to znaczy M-teorii
oraz
* teorii czarnych dziur i ich wpływu na ewolucję wszechświata.
Penrose, już w swym znakomitym dziele “Droga do rzeczywistości”, zaprezentował ciekawe matematyczno-filozoficzne rozważania [3] na temat wartości entropii wszechświata jako całości[s.670-672]. W zgodzie z ogólną teorią względności[OTW] wykazał, że entropia wszechświata jest wielkością mierzalną ,oraz że w “Wielkim wybuchu” jej wartość była najmniejsza z możliwych[s.696-701],natomiast w okolicach “kresu” istnienia wszechświata będziemy mieli do czynienia z chaosem zamarzających czarnych dziur ,czyli nieskończenie wielką entropią.
W “Cykles of Time” prezentuje dalsze rozwinięcie termodynamiki wszechświata ewoluującego przy parametrze k > 0 i elegancko dowodzi formalnie[w ramach geometrii konforemnej],że czas trwania cyklu ,jest proporcjonalny do wartości entropii, czyli: wcześniejsze cykle są coraz krótsze. A więc wszechświat musiał mieć początek !
Swoisty to początek ,bo bez początku !
Coś tak jak nieskończony zbiór liczb rzeczywistych z przedziału otwartego (0,1), ma kres dolny zmniejszających się ułamków <1 i jest nim 0 , ale ta liczba nie należy do zbioru.
Wcześniejsze cykle [eony] są coraz to krótsze i zdążają do zera ,lecz nigdy tej wielkości nie osiągają.
Jednak ów nieskończony ciągu eonów o “początku bez początku” zawiera eony, z których prawie każdy ma rzeczywisty początek w postaci “Big Bangu”, lecz dowolny Big Bang według Rogera Penrose nie jest jednocześnie początkiem pojawienia się czasu i przestrzeni [ tak jak to przyjmuje kwantowa, pętlowa teoria grawitacji].
Big Bang pojawia się w istniejących już wcześniej czasie i przestrzeni.
Tym samym R.Penrose wprowadza historię wszechświata przed Wielkim Wybuchem [ pre-big bang] i udziela odpowiedzi na ulubione pytania filozofii:
* a co było przed początkiem ?
- czy wszechświat był przed Wielkim Wybuchem?
- Jeśli było tylko absolutne “Nic”, to jak “Nic” wyprodukowało, wytworzyło, lub stworzyło - “Coś” ?
Odpowiedzi Penrose’a są dla mnie zaskoczeniem, gdyż przy ich sformułowaniu wykorzystuje fizykę strun, co do której miał poważne zastrzeżenia [jego główny wówczas argument to :nikły, lub prawie zerowy, potencjał przewidywalności nowych zjawisk fizycznych] w swej monografii “Droga do rzeczywistości [loc.cit.s.889-892],za co go bardzo poważałem.
W tej teorii- przypomnę - przyjmuje się ,iż modelem matematycznym każdej cząstki elementarnej są struny, różnego typy i o różnych fizycznych własnościach [zob. pozycję [4] i trzy rodzaje źródeł bibliograficznych].
Własności fizyczne cząstek elementarnych, oraz natura i prawa rozmaitych oddziaływań między cząstkami ,modeluje się w teorii strun wprowadzając przestrzenie wielowymiarowe.
Model strunowy rozciągnięto wręcz na świat makroskopowy, i operuje się strunami jednowymiarowymi o długościach nawet kosmicznych.
Oprócz strun jednowymiarowych wprowadza się struny dwuwymiarowe zwane branami [pochodny wyraz od “membrany”],które ogólnie mogą być p-wymiarowe[np. trójwymiarowe: 3-brany].
Trójbrany ,są obiektami 4-wymiarowymi zanurzonymi w dosyć dużym 5-tym wymiarze ,chociaż ściśle pisząc - trójbrany wymagają 11-wymiarowej przestrzeni ,lecz 6-wymiarow jest zwiniętych w tzw. przestrzeń Colabiego-Yau.
Ideę trójbrany[ lub ogólnie p-bran], szczególnie forsowaną przez najwyższy poziom uogólnienia różnych wersji teorii strun, jakim to poziomem jest M-teoria, zastosowali w kosmologii P.Steinhardt, N.Turok ,w klasycznej już dziś pracy [5].
I to od ich wystąpienia ,mówi się dzisiaj o wszechświecie jako trójbranie, i to oni dali początek kosmologii branowej.
R.Penrose, w “Cycles of Time” przedstawia matematyczną teorię oscylacyjnych zderzeń dwóch trójbran[ w tym jedna – to nasz wszechświat] i bada termodynamiczne warunki aktów zderzenia, odkrywając decydującą rolę w tych zjawiskach - grawitacji oraz czarnych dziur. Z tych formalnych rachunków otrzymał wynik: produktem aktu zderzenia dwóch trójbran kosmicznych jest nasz wszechświat- trójbrana.
Odrębny od naszego, wszechświat-trójbrana jest odległy od nas o mikromilimetry, a niewidzialny dlatego ,że fotony [czyli kwanty pola ExB] są strunami jednowymiarowymi o końcach umocowanych w naszym wszechświecie [3-branie].
Światło nie może opuścić trójbranę, w której żyje ludzki obserwator i ten obserwator nie może zobaczyć trójbranę – sąsiadkę naszego wszechświata.
Do zderzeń oscylacyjnych między tymi dwiema trójbranami dochodzi na skutek grawitacji o intensywności nie podlegającej prawu Newtona.
W piątym wymiarze [a dokładnie pisząc – w czwartym, przestrzennym wymiarze],gdzie dochodzi do powtarzających się w odstępie biliona lat, zderzeń i odbić rodzimej trójbrany[wszechświata naszego] z drugą trójbraną, grawitacja nie podlega znanemu od czasów Newtona prawu odwrotności kwadratów odległości między trój-branami, lecz odwrotności sześcianów ich wzajemnej odległości [w mianowniku r3 ].
W fazie spowolnienia ekspansji wewnętrznej naszej trójbrany [wszechświata naszego], a następnie kurczenia się do kresu [kolapsu] i kolejnego odbicia się od trójbrany-sąsiadki podstawową rolę odgrywają czarne dziury i emitowane przez nie niesłychanie intensywne fale grawitacyjne typu uderzeniowego. Fale grawitacyjne powstające w akcie odbicia -czyli startu ponownego eonu wszechświata - powinny zostawić specyficzny ”ślad” , podobny do wykrytego “śladu” w strukturze promieniowania reliktowego z okresu wczesnego wszechświata. W najbliższych latach zostaną przeprowadzone obserwacje, których wynik może rozstrzygnąć o wartości hipotezy pre-big bangu.
Obraz “pre-big bangu”, autorstwa Penrose jest bardzo sugestywny ,skreślony przez wnikliwego badacza przyrody i podbudowany precyzyjnymi ,formalnymi dowodami ,ale także noszący cechy wybitnej umiejętności odkrywania przed czytelnikiem koneksji fizyki z filozofią.
Sądzę ,że czytelnik po lekturze “Cycles of Time” zgodzi się na centralną hipotezę autora:
"Our universe is what I call an aeon in an endless sequence of aeons."
O ile Pruszyński i S-ka wypuści polskie tłumaczenie książki, które – w przeciwieństwie do oryginału- będzie dostępne dla kieszeni studenckiej, lub nauczycielskiej.
Literatura
[1]R.Penrose,Cycles of Time :An Extraordinary New View of the Universe,Bodley Haed,London,2010
[2] T.Tolman,Relativity, Thermodynamics, and Cosmology,N.Y.1987,[ed.reissued]
[3] R.Penrose,Droga do rzeczywistości,Prószyński i S-ka,Warszawa,2007,s.657-705
[4] J.Polchinski, String Theory,Cambridge Univ.Press ,1998
W sieci świetny tekst:
I bardziej popularny wykład Teorii strun:
L. Smolin, "Kłopoty z fizyką: Powstanie i rozkwit teorii strun, upadek nauki i co dalej", Prószyński i S-ka, 2008,_
[5] P.Steinhardt,N.Turok,
A Cyclic Model of the Universe,
Science 296, 1436, 2002
[6] R.Penrose,
Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and Its Implications for Particle Physics, Proceedings of EPAC , Edinburgh Scotland,2006
[7] L.Baum,P.Frampton,
Turnaround in Cyclic Cosmology, Phys. Rev. Lett., 98,071301, 2007
