Alan Guth, kosmiczna inflacja (1979) i „najnowsze odkrycia” BICEP2 (2014)

Obserwacje wskazują, że wszechświat jest płaski: tzn. geometria przestrzeni jest euklidesowa. To ważny fakt, ponieważ einsteinowska grawitacja wiąże geometrię z materią. Materia mówi przestrzeni, jak się zakrzywiać, a przestrzeń mówi materii, jak się poruszać. Nie ma sił grawitacji jest tylko zakrzywiona czterowymiarowa czasoprzestrzeń.

2

Przykład dwuwymiarowej geometrii zakrzywionej. W każdej z takich geometrii suma kątów trójkąta jest różna od 180º, znane ze szkoły twierdzenie stosuje się jedynie w przypadku geometrii euklidesowej.

Fizyczna przestrzeń trójwymiarowa jest podzbiorem czasoprzestrzeni. Nie musiałaby być płaska (euklidesowa), ale jest. Dlaczego? Wiadomo, że krzywizna przestrzeni zależy od tego, jak duża jest średnia gęstość materii i energii we wszechświecie. Geometrii płaskiej odpowiada pewna dokładnie określona wartość krytyczna. Jeśli gęstość materii jest większa od krytycznej, wszechświat będzie przypominał sferę, a jeśli mniejsza – powierzchnię jak na rysunku wyżej (oczywiście na rysunkach możemy pokazać tylko przypadek dwuwymiarowy).

End_of_universe

 

Krzywizna przestrzeni w zależności od gęstości materii w porównaniu z gęstością krytyczną: ten stosunek to \Omega_0 na obrazku.

Zatem pytanie brzmi: dlaczego gęstość materii jest dokładnie równa gęstości krytycznej? Czy może to być przypadek? Obserwacje mają zawsze skończoną dokładność. Nasz wszechświat może być np. sferą, ale o bardzo wielkim promieniu. Gdy idziemy na spacer, Ziemia wydaje nam się płaska, wszystko jest kwestią dokładności. Wiemy na pewno, że obecnie \Omega_0\approx 1. Dzisiejszy wszechświat jest skutkiem Wielkiego Wybuchu. Może z jakichś powodów gęstość materii zbliża się z czasem do gęstości krytycznej? Niestety nie, jest dokładnie odwrotnie: żeby opisać dzisiejsze obserwacje, należy przyjąć, że tuż po Wielkim Wybuchu gęstość musiała być jeszcze bliżej gęstości krytycznej niż dziś, i to z wręcz niewiarygodną dokładnością. Jakby to ujął Albert Einstein: Bóg stworzył świat o bardzo precyzyjnie dobranej gęstości. Kosmos musiał zostać precyzyjnie dostrojony.

Guth_big

W roku 1979 Alan Guth zbliżał się już do trzydziestki i wprawdzie zdążył uczyć się i pracować na najlepszych uczelniach amerykańskich: MIT, Princeton, Columbia, Cornell, ale wciąż jeszcze nie miał stałej posady. Był specjalistą od cząstek elementarnych, gdy dowiedział się o problemie kosmologów z precyzyjnym dostrojeniem Wielkiego Wybuchu. I wpadł na pomysł, który zakreślił w swoim notatniku podwójną ramką. Była to idea inflacji.

Logbook_Dec-Jan2004-05_Header

Świetny pomysł: ten rodzaj superchłodzenia może wyjaśnić, czemu obecnie wszechświat jest tak niewiarygodnie płaski – i rozwiązać tym samym paradoks precyzyjnego dostrojenia, o którym mówił Bob Dicke w swoich wykładach z okazji Einstein Day.

Pomysł polega na tym, że postulujemy istnienie pewnego nowego pola fizycznego (a tym samym i nowej cząstki – w kwantowej teorii pola każde pole związane jest z jakimś rodzajem cząstek). Energia tego pola powinna być stała przez bardzo krótki czas po Wielkim Wybuchu. Stała energia oznacza wykładniczy wzrost rozmiarów wszechświata. Z czymś takim mamy do czynienia dzisiaj i odpowiednia energia nazywa się ciemną energią. Jednak ta ciemna energia z pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu byłaby ogromna i rozdęłaby cały wszechświat o kilkadziesiąt rzędów wielkości. Geometria zostałaby w ten sposób wyprasowana i dlatego dziś jest płaska. Następnie energia pola inflatonowego spada i wracamy do zwykłego Wielkiego Wybuchu i dzisiejszej ciemnej energii.

Big_bang_inflation_vs_standard_genericchart

Krótka faza kosmicznej inflacji powiększa wszechświat do gigantycznych rozmiarów, po czym w dalszym ciągu rozszerza się on już spokojnie.

Na pomysł inflacji wpadł też niezależnie Andrei Linde z Instytutu Lebiediewa, a obecnie z Uniwersytetu Stanforda (co też stanowi przykład inflacji, w tym przypadku rubla wobec dolara). Ideę tę rozwijało w sumie wielu ludzi, niektórzy z nich sądzą, że inflacja ma tak samo dobre potwierdzenie jak Wielki Wybuch. Nie zaobserwowano jednak inflatonu – owej hipotetycznej cząstki i różne wersje inflacji są wciąż dość swobodną spekulacją. Wszelkie potwierdzenia do tej pory miały charakter pośredni.
Po latach rozwijania różnych scenariuszy okazało się również, że z inflacją jest pewien kłopot: łatwo sobie wyobrazić jej zapoczątkowanie, trudniej ją jakoś spokojnie zakończyć. Możliwe są np. scenariusze, w których wszechświat pączkuje inflacyjnie i każda z baniek jest potem oddzielnym wszechświatem. Różne wersje multiświatów prezentowane są z wypiekami w Discovery i licznych książkach popularnych. Jest tylko jeden mały kłopot: wydaje się, że w ten sposób wyjaśnić można każdą sytuację obserwacyjną. Teoria, którą można dopasować do wszystkich obserwacji, jest – hm, łagodnie mówiąc, nieco podejrzana.
Przykładem są tegoroczne odkrycia zespołu BICEP2. Wielu ludzi przez wiele lat pracowało nad pomiarami kosmicznego promieniowania tła – fal elektromagnetycznych pochodzących z okresu 400 000 lat po Wielkim Wybuchu. Promieniowanie to od tamtej pory niewiele się zmieniło, oprócz tego że wraz z rozmiarami wszechświata wzrosła jego długość, mniej więcej 1000 razy i z obszaru widzialnego zrobił się mikrofalowy.

Odbywało się to za pomocą przyrządów umieszczonych na Antarktydzie, w pięknych okolicznościach przyrody.

1280px-South_pole_spt_dsl

Konkretne, chodziło o polaryzację, która mogłaby nieść informację nt. inflacji i fal grawitacyjnych we wczesnym kosmosie. W marcu tego roku odtrąbiono odkrycie owych fal grawitacyjnych – już to byłoby dużą rzeczą, bo nikt dotąd nie wykrył fal grawitacyjnych, choć wydaje się to kwestią najbliższych lat. A na dodatek za jednym zamachem mielibyśmy potwierdzenie inflacji. Wszystkie media doniosły o odkryciu, entuzjazm, postęp, frenety, oklaski. Parę dni temu grupa ludzi z Princeton opublikowała pracę, w której podważono wnioski BICEP2. Najpewniej nie uwzględnili oni polaryzacji promieniowania rozproszonego na pyle kosmicznym i promieniowania elektronów w polu magnetycznym Galaktyki. Czyli nie ma odkrycia? Pewnie nie ma, ale o tym już media nie napiszą, bo brak odkrycia to żaden news.

MORAŁ 1: Opłaca się robić fałszywe odkrycia, byle dobrze nagłośnione w mediach, bo sprostowań i tak nikt nie zauważy. Czasem opłaca się to najzupełniej dosłownie: por. Sprawa Ratajczaka – swoiste odwrócenie sprawy Galileusza: za fałszywe odkrycie uczony otrzymuje nagrody, pieniądze i jeszcze pochwały ze strony Kościoła.

MORAŁ 2: Zwolennicy inflacji twierdzą, że nowe, poprawione dane też potwierdzają inflację. Czyli cokolwiek uda się odkryć, będzie to potwierdzeniem teorii inflacji. Alan Guth rozpętał demony.

Advertisements

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s