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.