Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 17

Artykuły

Czy wszechświat jest płaski?

22nd Wrz '12

Pamiętacie bajkę o Złotowłosej i trzech niedźwiadkach? Dziewczynka pewnego dnia, nie słuchając zaleceń matki, zboczyła ze ścieżki i zgubiła się w lesie. Błąkając się kilka godzin trafiła do chatki misiów, które właśnie były na spacerze. Była głodna więc zapukała do chatki, a gdy nikt nie odpowiedział, weszła do środka. Wnet ujrzała zakryty stół i przygotowany obiad dla trzech osób. Usiadła na wielkim krześle i zjadła łyżkę owsianki z wielkiej miski. Ta owsianka okazała się za słona, a krzesło za twarde, więc zmieniła miejsce – usiadła na średnim krześle i spróbowała owsianki ze średniej miski. Tym razem danie było całkowicie pozbawione soli, a krzesło za miękkie. Dopiero po usadowieniu się na ostatnim miejscu Złotowłosa krzyknęła: Pyszne! A i krzesełko jest w sam raz dla mnie.

Choć może się to wydać dziwne, imię bajkowej Zło­to­włosej na stałe trafiło do kosmo­lo­gicz­nego żargonu. Opo­wiastka nabiera szcze­gól­nego zna­czenia w odnie­sieniu do jednego z naj­więk­szych pro­blemów doty­czą­cych losu wszech­świata. Jeżeli okaże się, że ogólny kształt naszego uni­wersum można określić jako płaski, to mamy szczę­ście żyć w wyjąt­kowym świecie Zło­to­włosej.

O wszystkim decyduje jeden parametr, ukryty przez kosmo­logów pod grecką literą Ω. Omega wskazuje na stosunek całej masy jaka istnieje, do ilości masy potrzebnej do osią­gnięcia stanu rów­no­wagi wszech­świata. Suma materii we wszyst­kich gwiaz­dach, układach pla­ne­tar­nych, pyłach, gazach, czarnych dziurach, ciemnej materii, poje­dyn­czych cząst­kach i całej reszcie  zade­cy­duje o tym co stanie się z kosmosem w dalekiej przy­szłości. Jeżeli hipo­te­tycznie omega wynio­słaby 0,5, wszech­świat zawie­rałby jedynie połowę masy jaka jest konieczna do spo­wol­nienia roz­sze­rzania się prze­strzeni. Eks­pansja przy­śpie­sza­łaby bez końca. Przy omedze równej, dajmy na to 10, wszech­świat posia­dałby dzie­się­cio­krotnie więcej masy niż potrzeba do zatrzy­mania eks­pansji. Całość po pewnym czasie zaczę­łaby się na powrót kurczyć, aż do wiel­kiego kolapsu. Jaka­kol­wiek omega różna od 1 wskazuje na nie­sta­bil­ność uni­wersum. Tylko „jedynka” zapewnia wszech­świat Zło­to­włosej, wszech­świat w sam raz: taki, w którym eks­pansja przy­ha­muje, ale nigdy nie dojdzie do skurczu.

Zagadka omegi elek­try­zuje całe zastępy naukowców od kil­ku­dzie­sięciu lat. Zazna­czyła się wśród nich para z Prin­ceton – Jim Peebles i Robert Dicke – uwa­ża­jąca, że omega nie tylko może, ale wręcz powinna wynosić dokładnie 1. Naukowcy wyszli z zało­żenia, że parametr różny od 1 spo­wo­do­wałby zagładę wszech­świata w samym zalążku, tuż po wielkim wybuchu. A skoro omega wynosiła 1 przed trzy­na­stoma miliar­dami lat, powinna wynosić tyle samo obecnie, ponieważ ilość materii wokół nas nie ulega zmianie. Niestety teoria Peeblesa i Dicke’a wymagała nie­zwykle trudnych obser­wacji, które dowio­dłyby, że wszech­świat w dalekiej przy­szłości zwolni i utrzyma rów­no­wagę.

No tak, ale w 2011 Saul Per­l­mut­term i spółka dostali Nobla za udo­wod­nienie czegoś odwrot­nego:  wszech­świat cały czas przy­śpiesza! Na szczę­ście udało się znaleźć panaceum na tę bolączkę i to całkiem ele­ganckie. Coraz szybsza eks­pansja rze­czy­wi­ście sugeruje zbyt małą ilość masy, a więc omegę znacznie niższą od 1. Ale co się stanie gdy do całej ist­nie­jącej materii dodamy energię? Dzięki Ein­ste­inowi wiemy, że to dwa objawy tego samego, masa może być trak­to­wana jako energia i odwrotnie. Para­dok­salnie energia roz­pę­dza­jąca wszech­świat, , ozna­czana w kosmo­logii jako parametr lambda, stanowi bra­ku­jącą masę wszech­świata. Obecnie szacuje się, że na masę rze­czy­wi­stości składa się w około 30% materia, a w 70% roz­py­cha­jąca ją energia. Co ważne, obli­czenia i obser­wacje odle­głych super­no­wych wskazują, że naj­praw­do­po­dob­niej omega to rze­czy­wi­ście 1! O tym jak istotna to była idea, może świad­czyć tytuł artykułu jednego z pre­kur­sorów poszu­kiwań ciemnej energii Michaela Turnera: „Czy kosmo­logia została wyja­śniona? Być może”.
Magiczna „jedynka” oznacza płaskość. Ciężką do wyobra­żenia w sensie geo­me­trycznym, ale jednak płaskość. Wszystko co nas otacza zawiera pewną masę. Nawet pusta z pozoru prze­strzeń, zgodnie z zasadami mecha­niki kwan­towej, nasą­czona jest cząst­kami wir­tu­al­nymi, których nie można igno­rować. Odwołam się kolejny raz do Alberta Ein­steina: masa zagina cza­so­prze­strzeń. Choć trudno to sobie uzmy­słowić, cały trój­wy­mia­rowy wszech­świat zależnie od wartości omegi może się odkształcać. Istnieją trzy opcje: zamknięta gdy omega > 1, otwarta przy omedze < 1 i płaska przy równej 1. Oczy­wi­ście sama krzy­wizna kosmosu nie ma dla nas więk­szego zna­czenia, bo widzimy jedynie jego skrawek. Podobnie jak w przy­padku planety – lokalnie Ziemia jest płaska, choć spo­glą­dając z dystansu wiemy, że mamy do czy­nienia z ciałem okrągłym. Jednakże, jak wspo­mniałem, kształt wszech­świata ma kluczowe zna­czenie dla jego przy­szłych losów. Oprócz tego, ewen­tu­alna płaskość daje silne podstawy pod teorię wiel­kiego wybuchu. Wydaje się, że dla wszech­świata Zło­to­włosej łączny bilans energii wynosi 0, a taki wszech­świat mógł powstać z niczego (kon­se­kwencje? Odsyłam do tego tekstu). Jako zwykłe kwantowe zabu­rzenie cza­so­prze­strzeni.

Zakończę tym samym zdaniem, którego użył w swoim artykule Michael Turner: Zbliżają się ciekawe czasy dla kosmo­logii. Trudno się z nim nie zgodzić.
Literatura uzupełniająca:
L. Krauss, A Universe From Nothing, wykład dla RDF;
M. S. Turner, Cosmology Solver? Maybe, Ned.ipac.caltech.edu;
R. Panek, Ciemna Strona Wszechświata. W poszukiwaniu brakujących składników rzeczywistości, Warszawa 2011.
podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • http://www.blogger.com/profile/10794809137083463607 Sergi

    Ciekawy artykuł, choć dobór porów­nania trochę nie­szczę­śliwy – strefa bądź pas zło­to­włosej już w astro­nomii funk­cjo­nuje jako strefa wokół gwiazdy, w której może się rozwinąć życie : )

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Owszem, ale w przy­padku problemu krzy­wizny wszech­świata również figuruje w wielu tekstach. Nawet podczas wykładu prof. Krauss użył chyba tego wyra­żenia.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    To jest na serio fascy­nu­jąca sprawa ile już możemy (jako ludzkość i zwie­rzęta mające za swój naj­większy atrybut rozum) wiedzieć i tą wiedzę udo­wodnić, a ile jeszcze przed nami czeka. Wydaje się że astro­logia i Wszech­świat mają nam tak niewiele do zaofe­ro­wania, ale to błąd. Właśnie ta dzie­dzina fizyki kryje przed nami naj­więcej tajemnic i dlatego jest tak intry­gu­jąca.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Pomyślmy… Próżnia zawiera wir­tu­alne cząstki, które należy uwzględ­niać w masie wszech­świata, która wystarcza, lub nie, do zatrzy­mania jego eks­pansji. Wszech­świat (na razie) się roz­szerza, a więc powiększa swą objętość. Objętość próżni w roz­sze­rza­jącym się wszech­świecie rośnie, więc rośnie ilość wir­tu­al­nych cząstek, więc rośnie masa wszech­świata! W pewnym momencie masa zatrzy­muje eks­pansję, wszech­świat zaczyna się kurczyć. Teraz objętość zaczyna maleć, masa maleje, ciśnienie energii znów zdobywa przewagę… czy znów zacznie się roz­sze­rzać? Wszech­świat pul­su­jący???

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Nie patrzyłem na to od tej strony, ale wydaje mi się, że w tym zdaniu musi być gdzieś błąd. Może zna­czenie będzie miała gęstość – wszech­świat jest większy, ale i masa jest roz­ło­żona na większej prze­strzeni i „płaskość” się utrzy­muje.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      Niestety nie potrafię wyliczyć całki potrójnej po obję­tości (nawet nie jestem pewien, czy dobrze „to” nazwałem) aby wyliczyć siłę gra­wi­tacji dzia­ła­jącą na „krawędź” wszech­świata w zależ­ności od jego obję­tości przy zało­żeniu stałej gęstości materii wir­tu­alnej wewnątrz.
      Może jakiś mate­matyk pomoże? 😉
      Acz­kol­wiek intu­icyjnie wydaje się, że ze wzrostem obję­tości (średnicy) mimo wszystko siła rośnie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Niestety z czystą mate­ma­tyką nie mam za wiele wspól­nego, zwłaszcza gdy w grę wchodzą nie­zwykle trudne obli­czenia. Piszę intu­icyjnie. Gdyby, dajmy na to, na każdy cm2 prze­strzeni przy­pa­dała jedna cząstka wir­tu­alna, to roz­sze­rzanie się wszech­świata nie zmieni jego krzy­wizny, bo nowe cząstki będą się poja­wiały w nowej prze­strzeni. Gęstość cząstek wir­tu­al­nych w każdym „frag­mencie” kosmosu pozo­staje podobna.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/10794809137083463607 Sergi

      No dobrze, ale wir­tu­alne czą­steczki to materia i anty­ma­teria, poja­wia­jące się spon­ta­nicznie, czyli czy nie jest tak, że ich masa się rów­no­waży i powinno się ją pomijać podczas obliczeń?
      A nawet jeśli, to też raczej skła­niałbym się ku temu, że wraz z eks­pansją wszech­świata czą­ste­czek będzie przy­bywać (bo są fluk­tu­acją prze­strzeni, a nie kor­pu­sku­łami umiej­sco­wio­nymi w danym miejscu).

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Materia i anty­ma­teria różnią się jedynie ładun­kiem elek­trycznym. Jeżeli powstaje para, to dochodzi do ani­hi­lacji, a tej towa­rzyszy energia (czyli masa).

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/10794809137083463607 Sergi

      Więc przybywa energii znikąd? Czyli w takim razie eks­pansja wszech­świata musia­łaby nastę­pować coraz szybciej, aby zachować rów­no­wagę pomiędzy obję­to­ścią a ilością zawartej w niej energii?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Czy energii przybywa znikąd? W pewnym sensie tak. Fantaści już snują pomysły na wyko­rzy­stanie tzw. energii punktu zerowego. To ona jest źródłem tzw. ciemnej energii.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Ja wyobrażam sobie sprawę tak: zarówno ciśnienie energii, jak i gra­wi­tacja oddzia­ły­wują na „krawędź” wszech­świata, ta pierwsza „roz­py­chając” ją, ta druga „ciągnąc” ją w prze­ciwnym kierunku. Nie wiem, czy taka naiwna wizja jest zgodna z rze­czy­wi­sto­ścią, ale takie było zało­żenie pierw­szego mojego komen­tarza. I przy takim zało­żeniu ma on sens, tzn. rośnie objętość, rośnie masa, rośnie gra­wi­tacja „ścią­ga­jąca” wszech­świat. Tylko czy zało­żenie ma sens? 😉

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Zapytam łagodnie autora blogu. Czy warto czytać książkę Kaku wizje? To jedyna, której jakoś nie mam ochoty przej­rzeć.. To chyba twoja tematyka/ zain­te­re­so­wania?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Michio Kaku doceniam przede wszystkim za popu­la­ry­zację nauki i umie­jęt­ność w prze­ka­zy­waniu wiedzy. Trzeba jednak pamiętać, że to głównie futu­rolog i pisze przede wszystkim o wyna­laz­kach z pogra­nicza science-fiction. Taką właśnie książką są między innymi „Wizje” – trochę o rewo­lucji kwan­towej, nowej medy­cynie, mate­ria­łach przy­szłości itd. 

      W moim oso­bi­stym rankingu praca ta znajduje się daleko za „Dalej niż Einstein” bądź „Hiper­prze­strzenią” i to te książki pole­całbym w pierw­szym rzędzie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    „Jeżeli hipo­te­tycznie omega wynio­słaby 0,5 – wszech­świat zawie­rałby jedynie połowę masy jaka jest konieczna do spo­wol­nienia roz­sze­rzania się prze­strzeni. Eks­pansja przy­śpie­sza­łaby bez końca” a także „Coraz szybsza eks­pansja rze­czy­wi­ście sugeruje zbyt małą ilość masy, a więc omegę znacznie niższą od 1” – to niestety nie jest takie proste. Omega w rozu­mieniu tego artykułu to parametr gęstości doty­czący łącznie masy-energii w każdej postaci. Gdyby była tylko materia (dowolna, ale bez ciemnej energii), Omega=0.5 ozna­cza­łaby wieczną eks­pansję, ale _spo­wal­nia­jącą_ (przy­padek „open” na zamiesz­czonym powyżej rysunku). To obecność „ciemnej energii” powoduje, że mimo iż w naszym Wszech­świecie Omega=1, to po okresie spo­wal­nia­jącej eks­pansji kilka miliardów lat temu, mamy obecnie przy­spie­szanie. Ale to samo miałoby miejsce również dla innych wartości Omega, o ile tylko ciemnej energii byłoby dosta­tecznie dużo. W szcze­gól­ności, Omega mogłaby być znacznie powyżej 1, a i tak Wszech­świat mógłby stale przy­spie­szać, jeżeli byłoby odpo­wiednio „więcej” ciemnej energii niż materii.
    I dalej, nasz Wszech­świat jest prze­strzennie płaski (Omega=1), ale jego eks­pansja przy­spiesza, i wszystko na to wskazuje że nic jej nie zatrzyma, a więc jesteśmy nawet „powyżej” czer­wonej krzywej na rysunku (nastą­piło „odgięcie” w górę, czyli przy­spie­szanie). Te pokazane tutaj krzywe dotyczą jedynie Wszech­światów z wyłącznie materią.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Niewidzialna ręka wszechświata: Ciemna energia | Kwantowo.pl()

  • Pingback: Nothingness – analytic perspective | BE()