Niedawne odkrycie fal grawitacyjnych z Wielkiego Wybuchu, które dało początek naszemu wszechświatowi, wywołało fale w kręgach astrofizyków i kosmologii. Niektórzy entuzjastycznie przyjęli nowe odkrycie, twierdząc, że ostatecznie dowiodło ono realności inflacji (tzw. Gwałtownej ekspansji wszechświata postulowanej przez teorię po Wielkim Wybuchu).
Inni wzywali do ostrożności, wskazując, że wykryte fale mogły być częściowo spowodowane czynnikami innymi niż sama inflacja. Niektórzy ogłosili, że te wyniki ostatecznie pogrzebały prawie wszystkie alternatywne teorie wysuwane w celu wyjaśnienia obserwowanych właściwości wszechświata, inni ostrzegali przed nadmiernym pośpiechem, wzywając najpierw do „rzetelnego udowodnienia” niespójności możliwych alternatyw. Na tym ogólnym wzburzonym tle szczególnie interesujące było wystąpienie jednego z czołowych współczesnych kosmologów, Andrei Linde z Uniwersytetu Stanforda.
Witając nowe odkrycie, powiedział, że nie tylko „usuwa ono z dyskusji 90 procent wszystkich innych modeli inflacji”, ale także „doskonale pasuje do teorii chaotycznej inflacji”, czyli teorii, którą sam Linde opracował około 30 lat temu. Nie przypadkiem słowa Lindego wzbudziły szczególne zainteresowanie wszystkich jego kolegów. Faktem jest, że jeśli dalsze testy rzeczywiście potwierdzą rzeczywistość chaotycznej inflacji, będzie to oznaczać, że kosmologii w końcu udało się rozwiązać bolesne i fundamentalne pytanie, na które nie była w stanie udzielić zadowalającej odpowiedzi przez wiele dziesięcioleci.
To pytanie, jak teraz zobaczysz, jest również fundamentalne dla nas, zwykłych ciekawskich ludzi, ponieważ w swojej najbardziej prymitywnej formie brzmi tak: dlaczego w ogóle istniejemy?
Pozwól mi teraz wyjaśnić. Już w połowie ubiegłego wieku zauważono, że podstawowe stałe fizyczne (na przykład ładunek elektronu, stała grawitacyjna w prawie powszechnej grawitacji i szereg innych wielkości podstawowych) są niezwykle dokładnie dostosowane, aby zapewnić życie we wszechświecie w takiej postaci, w jakiej wiemy.
Istnieje wiele innych przykładów tak precyzyjnego dostosowania praw przyrody do potrzeb anthroposa, czyli człowieka. Powiedzmy, że nasze życie opiera się na węglu, a węgiel, jak wykazały badania procesów powstawania pierwiastków chemicznych, nie mógłby pojawić się we wszechświecie, gdyby poziomy energii w atomach lżejszych od węgla, pierwiastków różniły się nawet o miliardowe części tego, co jest na naprawdę.
Inny przykład, już z geometrii przestrzeni: do powstania i rozwoju życia potrzebne są planety, które krążą wokół swoich gwiazd zgodnie z prawem grawitacji. A ogólna teoria względności pokazuje, że w przestrzeni dwóch wymiarów grawitacja byłaby zbyt słaba, aby utrzymać planety blisko gwiazd, aw przestrzeni czterech lub więcej wymiarów grawitacja nie może w ogóle istnieć.
Dla anthroposa pozostaje tylko ta trójwymiarowa przestrzeń, którą widzimy wokół siebie. A takich przykładów jest bardzo dużo. Zainteresowanych odniosę się do wspaniałej książki Barrowa i Tipplera „The Cosmological Anthropic Principle”.
Film promocyjny:
Jak wyjaśnisz tak subtelne dopasowanie? Już w 1973 roku słynny astrofizyk Brandon Carter, przemawiając na krakowskiej konferencji z okazji 500. rocznicy urodzin Kopernika, sformułował możliwą odpowiedź na to pytanie. Ta odpowiedź nazywa się „zasadą antropiczną”. Twierdzi, że w przeciwieństwie do starego (kopernikańskiego) przekonania, że położenie Ziemi w kosmosie nie różni się od wszystkich innych możliwych lokalizacji we wszechświecie, w rzeczywistości, jak mówi Carter, „jej pozycja, choć niekoniecznie centralna, jest wciąż nieco wyjątkowa.”.
Co to za funkcja? Fakt, że w całej otaczającej nas części wszechświata widzialnego dla nas, prawa i stałe przyrody są dokładnie tym, czego potrzeba do powstania życia i anthropos jako jego „korony”.
Innymi słowy, pojawiliśmy się w tak szczególnym (z naszego punktu widzenia) miejscu we wszechświecie, w którym tylko my mogliśmy się pojawić. Jeśli przyjmiemy, że we wszechświecie jest wiele innych zakątków, których nie widzimy, to jest całkiem możliwe, że prawa i stałe natury są tam inne, życie i człowiek nie mogą się tam pojawić, a zatem nikt nie może się dziwić, dlaczego prawa natury są wokół niego są takie, że wykluczają jego wystąpienie.
Tak więc odpowiedź na nasze fundamentalne pytanie sprowadza się do tego, że istniejemy, bo jakimś niesamowicie szczęśliwym zbiegiem okoliczności w naszej części wszechświata wykształciły się właśnie takie prawa i stałe natury, które okazały się idealnie dopasowane do możliwości naszego pojawienia się.
To sformułowanie zasady antropicznej zostało później nazwane słabym, ponieważ możliwe jest sformułowanie mocniejszego stwierdzenia, które nazywa się silną zasadą antropiczną. Zgodnie z tą zasadą we wszechświecie nie ma innych części ani miejsc - wszystko i natychmiast powstało tak, że jego prawa i stałe są wszędzie takie same i wszędzie są precyzyjnie dostosowane do możliwości zaistnienia życia i rozumu. Brzmi to bardziej logicznie niż stwierdzenie o „różnych miejscach” wszechświata z „różnymi prawami” (dlaczego nagle ?!). Ale w tej formie zasada antropiczna bardzo przypomina opowieści o umyślnym (boskim?) Stworzeniu całego wszechświata ze względu na człowieka, dlatego większość naukowców stanowczo odmówiła jej przyjęcia. Niemniej jednak fakt dokładnego dopasowania był ewidentny i wymagał wyjaśnienia. Linde był jednym z nielicznych, którzy próbowali na poważnie,to znaczy za pomocą rygorystycznych obliczeń teoretycznych sprawdź: czy naprawdę mogą istnieć takie scenariusze narodzin wszechświata, które wyjaśniałyby to dopasowanie?
Przypomnę, że oryginalny scenariusz Wielkiego Wybuchu narodził się niemal natychmiast po stworzeniu przez Einsteina ogólnej teorii względności, która łączyła grawitację z właściwościami przestrzeni i czasu. Einstein uważał, że wszechświat jest zawsze w stanie stacjonarnym, a grawitacja wszystkich jego ciał względem siebie jest równoważona przez rodzaj pękającego pola (dziś nazywa się to polem ciemnej energii).
Ale kilka lat później Hubble odkrył, że wszechświat faktycznie się rozszerza (wszystkie galaktyki oddalają się od siebie) z pewną małą, ale zauważalną prędkością, tak jakby wszystkie te galaktyki otrzymały kiedyś jakiś początkowy impuls i nadal poruszały się dzięki bezwładności (dziś wiadomo, że pole ciemnej energii nawet ten ruch przyspiesza). Ten początkowy impuls został nazwany Wielkim Wybuchem (astrofizyk Hoyle szyderczo ochrzcił go Wielkim Wybuchem - „Big Clapperboard”).
Teoria Wielkiego Wybuchu bardzo dobrze opisała narodziny i rozwój wszechświata. Twierdziła, że wszechświat powstał jako grudka niezwykle gorącej i gęstej plazmy, która stopniowo się rozszerzała (wraz z przestrzenią) i stopniowo ochładzała.
Początkowo jego materii nie można było podzielić na materię i energię, ale gdy ostygła, zaczęły pojawiać się pola siły (energii) (oddzielne od siebie) - jądrowe, słabe, elektromagnetyczne, a wraz z nimi zaczęły pojawiać się odpowiadające im cząstki - kwarki, elektrony, neutrina itp. I wreszcie (teoria wskazywała, że około 380 tysięcy lat po eksplozji) wszechświat ochłodził się na tyle, że kwanty energii nie rozbiły nowonarodzonych atomów, po czym substancja wypadła z ogólnej plazmy.
Pomiędzy atomami pozostała pustka (próżnia), wypełniona promieniowaniem elektromagnetycznym o ogromnej intensywności. Atomy zaczęły zlepiać się w skupiska materii (ostatecznie tworząc pierwsze gwiazdy i galaktyki), a szczątkowe promieniowanie nadal się ochładzało, to znaczy od bardzo krótkich do coraz dłuższych (zarówno z powodu utraty energii podczas zderzeń z materią, jak i w wyniku rozciągania fal z dla dalszego rozszerzania się przestrzeni), a teraz ochłodził się do 3 stopni Kelvina (jego długość fali wynosi już kilka milimetrów). Nazywało się to szczątkowym lub reliktowym promieniowaniem kosmicznym.
Ten smukły i imponujący obraz został znakomicie potwierdzony, gdy Penzias i Wilson odkryli właśnie takie promieniowanie o temperaturze 2,7 K i docierające do Ziemi ze wszystkich stron nieba, czyli wypełniające cały wszechświat. Ale wraz z potwierdzeniem pojawiło się kolejne pytanie, ponieważ okazało się, że promieniowanie to jest jednorodne, to znaczy ma taką samą temperaturę we wszystkich kierunkach, czyli w całym wszechświecie. Jak to możliwe? Teoria mówi, że Wielki Wybuch wydarzył się 13,7 miliarda lat temu. Oznacza to, że promieniowanie reliktowe powstało około 13,3 miliarda lat temu.
Najdalsze punkty, z których to światło dociera dziś na Ziemię, mogą znajdować się 13,3 lat świetlnych stąd, co oznacza, że odległość między dwoma takimi punktami po przeciwnych stronach nieba wynosi 26,6 miliarda lat świetlnych. Żadna energia nie mogłaby przemieszczać się z jednego takiego punktu do drugiego, ponieważ w tym celu musiałaby poruszać się z dwukrotnie większą prędkością światła, co jest niemożliwe. Tymczasem pomiary przeprowadzone przez Penziasa i Wilsona wykazały, że te dwa punkty emitują promieniowanie szczątkowe o tej samej temperaturze, co oznacza, że są w stanie równowagi termicznej.
Ta osobliwość została nazwana problemem horyzontu (ponieważ oba powyższe punkty znajdują się na krawędzi lub na horyzoncie dzisiejszego wszechświata). Próbując rozwiązać ten problem, Alan Guth w 1981 roku wysunął ideę inflacji (inflacja jest również tłumaczona jako „inflacja”, „puchnięcie”), zgodnie z którą początkowy skrzep plazmy powstały w wyniku Wielkiego Wybuchu był niewielki, a zatem wszystkie jego części mogły wymieniając energię, dochodzą do tej samej temperatury.
A potem, w potwornie krótkim czasie (od 10 do minus 35 potęgi sekundy) nastąpiło krótkie, ale potwornie szybkie inflacja przestrzeni Wszechświata, która wzrosła do obecnych pozornych wymiarów (10 do potęgi 23 km). Nie warto próbować wizualizować tych liczb. Tempo tej inflacji w niewyobrażalny sposób przekroczyło prędkość światła (co jednak nie naruszyło zasady ograniczenia prędkości światła, ponieważ nie było transmisji sygnału w przestrzeni, ale sama ekspansja przestrzeni).
I oczywiście w tym czasie wszystkie części Wszechświata nie mogły zmienić swojego stanu i dlatego pozostawały wszędzie w stanie równowagi termicznej między sobą.
Teoria inflacji Gutha rozwiązała nie tylko problem horyzontu. Jednocześnie wyjaśniła, dlaczego obserwowany wszechświat wydaje się nam średnio (to znaczy z bardzo dużych odległości) praktycznie jednorodny i płaski (to znaczy taki, w którym spełnione są prawa geometrii euklidesowej, a nie, powiedzmy, prawa geometrii sferycznej Riemanna czy geometrii hiperbolicznej Łobaczewskiego).
Z grubsza mówiąc, inflacja „rozwinęła” zwinięty „dywan” wszechświata, usuwając najmniejsze odchylenia od płaszczyzny i czyniąc ją euklidesową, a sam wszechświat - jednorodnym.
(Ściśle rzecz biorąc, w naszych czasach odkrycie ciemnej materii, której we wszechświecie jest kilkakrotnie więcej niż zwykle, na nowo poruszyło problem płaskości i jednorodności dla naukowców, ponieważ okazało się, że ciemna materia rozkłada się w przestrzeni inaczej niż zwykle, widzialna. dały początek nowym, bardziej złożonym teoriom inflacyjnym, ale nie mają one nic wspólnego z historią zasady antropicznej w kosmologii).
Jaka była pierwotna przyczyna Wielkiego Wybuchu i późniejszej inflacji? Według Gutha wszystko zaczęło się od kwantowych fluktuacji próżni. Z grubsza mówiąc, w fizyce kwantowej próżnia nie jest próżnią, ale szczególnym stanem pewnego pola, w którym mogą wystąpić fluktuacje energii. Jedna taka wibracja na krótki czas zwiększa energię pola, a następnie pojawia się niestabilny stan zwany fałszywą próżnią.
Taki stan rozpada się niezwykle szybko, to znaczy wraca do normy, ale w pewnych warunkach kawałek przestrzeni, w którym powstała fałszywa próżnia, a następnie rozpadła się, może wykorzystać energię, która nagle się w nim pojawiła, do szalonego ekspansji, innymi słowy, do inflacji. Według Gutha to właśnie taki proces dał początek obserwowanemu przez nas wszechświatowi i odbywał się w tak mikroskopijnym, a więc jednorodnym i zrównoważonym obszarze, że wszechświat, który z niego powstał, okazał się również, jak już powiedzieliśmy, homogeniczny i zrównoważony.
Co więcej, pierwotne miejsce było tak małe, że prawa fizyki w nim były wszędzie takie same - więc w natychmiastowo nadymanym wszechświecie pozostały wszędzie takie same. A to, że w tym samym czasie okazały się sprzyjające pojawieniu się życia i rozumu, jest już czystym zbiegiem okoliczności. Odpowiedź zasadniczo powtarza silną zasadę antropiczną, nadając jej rygorystyczne podstawy naukowe.
Ten wniosek był nie do przyjęcia dla Lindego i próbował uogólnić teorię Gutha. Odrzucił swoje założenie o mikroskopijności, a tym samym o jednorodności początkowego obszaru, w którym pojawiła się fałszywa próżnia, i zbadał (teoretycznie oczywiście), co by się stało, gdybyśmy wzięli pod uwagę wystarczająco duży obszar przestrzeni, który z pewnością nie może być ani jednorodny, ani równowagą energetyczną.
Obliczenia doprowadziły go do niezwykle interesujących wyników. Okazało się, że w tym przypadku kwantowe fluktuacje fałszywej próżni mogą występować w różnych miejscach tego obszaru w różnym czasie iz różną intensywnością. Z tego powodu niektóre miejsca będą rosły w tempie inflacyjnym, podczas gdy inne albo w ogóle nie będą się rozwijać, albo przestaną się rozwijać wcześniej. Nie powstanie ani jeden wszechświat, jak w teorii Gutha, ale cała masa wszechświatów, z których każdy jest tak duży jak jedyny Guth.
A ponieważ ta gromada wszechświatów (podobna do wszechświata, Linde nazwał ją multiwersem, czyli czymś w rodzaju „multiwersu”) zrodziła się z chaotycznego stanu próżni i chaotycznego nieporządku, sama będzie chaotyczna, to znaczy nie można wskazać żadnego pojedynczego w momencie narodzin w każdym z jego przedziałów (w każdym oddzielnym wszechświecie) z pewnością będą istniały własne prawa przestrzeni, czasu i natury, ściśle zgodne ze słabą zasadą antropiczną.
Nowa teoria nazywa się chaotyczną inflacją. Rozwijając ją, Linde w swojej pracy z 1986 roku wykazał, że w szybko rosnących przedziałach multiwersu powinny powstawać ich własne kwantowe fluktuacje próżni i innych pól, co powinno prowadzić do ciągłej i niekończącej się inflacji takich miejsc w tych przedziałach, tak aby multiwers mógł samoczynnie replikować się w nieskończoność.
Ten proces nie ma początku ani końca, dlatego Linde nazwał ten nowy wspaniały scenariusz teorią wiecznej chaotycznej inflacji. Ta nieskończona inflacja będzie również chaotyczna w tym sensie, że wszystkie nowe przedziały powstające w różnych przedziałach (są również wszechświatami) (są to nowe i nowe wszechświaty), w zasadzie powinny mieć inną geometrię (w tym inną liczbę wymiarów przestrzeni), różne właściwości czas i różne typy cząstek i pól.
Jest więc możliwe, że wiele z nich ma, powiedzmy, sześć wymiarów przestrzennych lub nie zawiera żadnych cząstek materii i tak dalej, i tak dalej. (Oczywiście jest również całkiem prawdopodobne, że wiele z nich - a ich liczba jest nieskończona - będzie całkiem odpowiednich do zaistnienia życia i rozumu, chociaż każdy w swoim czasie, niekoniecznie pokrywający się z innymi).
A teraz Linde zapewnia (a Guth już się z nim zgodził), że nowe dane dotyczące fal grawitacyjnych najlepiej pokrywają się z przewidywaniami tej jego teorii.
Jak powiedziałem, jeśli jego słowa zostaną ostatecznie potwierdzone, nauka w końcu otrzyma odpowiedź, dlaczego w ogóle istniejemy. Ponieważ w niekończącym się i wiecznym procesie chaotycznego pojawiania się coraz większej liczby nowych wszechświatów z coraz większą liczbą nowych praw i stałych, pewnego dnia (i więcej niż raz) musiał się pojawić taki, w którym pojawienie się życia i rozumu stało się możliwe. Będzie to ogromne naukowe zwycięstwo, ale oczywiście tylko w ramach fizyki i kosmologii. Pełna odpowiedź na pytanie, dlaczego w ogóle istniejemy, wymaga oczywiście biologicznego wyjaśnienia, w jaki sposób życie mogło powstać z „martwej” materii i rozwinąć się przed pojawieniem się rozumu.
Biologia nie może jeszcze jednoznacznie wyjaśnić pojawienia się życia. Natychmiast napotyka tutaj problem „kury i jajka”. Białka są potrzebne do odtworzenia pierwszego DNA, a DNA jest potrzebne do wytworzenia pierwszych białek.
Próbują obejść tę trudność, postulując, że jako pierwsze pojawiły się specjalne cząsteczki, RNA, które były w stanie katalizować własną reprodukcję. Ta kataliza doprowadziła do powstania całego świata różnych RNA, z których dobór naturalny zaczął wybierać materiał do dalszych komplikacji. Ale istnienie takiej autokatalizy nie zostało jeszcze w pełni udowodnione, a co najważniejsze, nie jest jasne, dlaczego selekcja wszystkich najlepszych RNA miała doprowadzić do pojawienia się białek (lub DNA). Współczesna biologia również przeżywa trudności w wyjaśnianiu dalszego rozwoju życia.
Tłumaczy ten proces teorią Darwina, w której ewolucja jest przedstawiana jako powolny, stopniowy i ciągły proces akumulacji i selekcji przypadkowych małych zmian (mutacji) w genach, który następnie znajduje wyraz w równie małych zmianach w organizmach jako całości. W ten sposób teoria twierdzi, że od pierwszej żywej komórki zaczęły się rozwijać różne typy komórek, wyrastające jak gałęzie drzewa, następnie podzielone na jeszcze liczniejsze typy organizmów i tak dalej, aż do osoby, która ukoronowała to „drzewo życia”.
Jednak w ostatnich dziesięcioleciach narosło wiele nowych faktów, wskazujących, że w rzeczywistości proces ten nie był ciągły. Była to raczej ewolucja przerywana, w której krótkie okresy szybkiego pojawiania się nowych organizmów w prawie gotowej formie zostały zastąpione długimi okresami ich dalszego dostrajania i drobniejszej fragmentacji na podgatunki (Eldridge i Gould nazwali ten proces ewolucją kropkowaną).
Wielu autorów próbowało już dokonać tych poprawek w teorii Darwina, ale bardzo niedawno pojawiła się pierwsza uogólniająca i bardzo radykalna hipoteza, która „koryguje” Darwina z pomocą Lindego!
Ta hipoteza należy do wybitnego współczesnego biologa Jewgienija Kunina z National Institutes of Health w Bethesda (USA). Zostało to w pełni opisane przez niego w jego niedawnej książce „The Logic of Chance”, a wcześniej - w dwóch artykułach z bardzo niezwykłymi, jak teraz zobaczycie, tytułami: „The Cosmological Model of Eternal Inflation and the Transition from Randomness to Evolution in the History of Life” oraz „The Model of the Biological Big eksplozja dla głównych przejściowych momentów ewolucji”. W pierwszym artykule Kunin mówi mniej więcej tak: „Model wiecznej inflacji, w przeciwieństwie do tradycyjnego kosmologicznego modelu pojedynczego, niepowtarzalnego wszechświata, sugeruje, że wszystkie możliwe zestawy początkowych warunków fizycznych mogą powstawać losowo i powtarzać się niezliczoną ilość razy w różnych przedziałach multiwersu.
Model ten wskazuje zatem również na możliwość losowego pojawiania się nieskończonej liczby najbardziej złożonych układów w różnych takich przedziałach, nawet jeśli prawdopodobieństwo każdego pojedynczego wystąpienia takiej złożoności w każdym oddzielnym przedziale jest niezwykle małe. Życie na Ziemi nie jest wyjątkiem od tej reguły. Istniejemy, ponieważ w naszym przedziale multiwersu przypadkowo pojawił się cały zestaw cząsteczek, który zapewniał zarówno reprodukcję DNA, jak i budowę białek za jego pomocą. Teoria wiecznej inflacji głosi, że w wiecznym i nieskończonym samoczynnie rozmnażającym się multiwersie pojawienie się takiego wypadku (jak każdego innego) było konieczne, tak że ewolucja darwinowska nie wymaga żadnego świata RNA i jest w istocie nieuniknioną konsekwencją zasady antropicznej.
We wstępie do drugiego artykułu Kunin pisze: „Na wszystkich głównych etapach ewolucji biologicznej powtarza się ten sam scenariusz nagłego pojawienia się różnych form żywych o nowym poziomie złożoności. Tak było w przypadku pojawienia się pierwszych żywych cząsteczek (RNA i białek), najważniejszych grup wirusów, dwóch klas pierwotniaków (archeonów i bakterii), założycieli nadrodziny eukarytów (komórki z jądrem) oraz wszystkich rodzin zwierząt. Można by pomyśleć, że wszystkie te punkty są miejscami przejścia od jednej, wybuchowej fazy rozwoju ewolucyjnego do drugiej, stopniowej. Pierwsza, inflacyjna, faza bardzo szybko generuje ogromną różnorodność nowych możliwości wymiany informacji genetycznej (poziomy transfer genów, rekombinacja, fuzja, podział itp.), Podczas gdy w drugiej fazie nowe formy życia, które powstały w ten sposób, zaczynają się rozwijać i rozgałęziać. Proces ten przypomina narodziny nowego wszechświata w teorii wiecznej chaotycznej inflacji, gdzie w wyniku szybkiej ekspansji (zwykle nazywanej Wielkim Wybuchem) rodzi się nowy przedział multiwersu, który dalej zaczyna się rozwijać zgodnie ze swoimi wewnętrznymi prawami. Dlatego też nazwałam przemiany fazowe opisane powyżej w historii życia „Biologicznymi Wielkimi Wybuchami”.
Oba artykuły kontynuują szczegółową analizę i dowód postawionych w nich hipotez, ale ich powtórzenie wymaga osobnej historii i możemy tylko mieć nadzieję, że los pozwoli nam do tego wrócić. Na razie powiem tylko: oszałamiające idee współczesnej nauki odsłaniają bezdenne głębiny, a natura najwyraźniej nie na próżno próbowała tak bardzo, tworząc ten instrument samowiedzy.
Raphael Nudelman