Czy jesteśmy wystarczająco inteligentni, aby zrozumieć wszechświat?

Czasem obserwowalny wszechświat można podać na talerzu, jak niedawno zrobił to muzyk Pablo Carlos Budassi, łącząc mapy logarytmiczne z Uniwersytetu Princeton i NASA w jeden kolorowy dysk. Jest to model geocentryczny – Ziemia znajduje się w środku płyty, a plazma Wielkiego Wybuchu znajduje się na krawędziach.

Wizualizacja jest tak samo dobra jak każda inna, a nawet lepsza niż jakakolwiek inna, ponieważ jest bliska ludzkiemu punktowi widzenia. Teorii na temat budowy, dynamiki i losów Wszechświata jest wiele, a akceptowany od kilkudziesięciu lat paradygmat kosmologiczny wydaje się ostatnio nieco kruszyć. Na przykład coraz częściej słychać głosy zaprzeczające teorii Wielkiego Wybuchu.

Wszechświat to ogród osobliwości, malowany przez lata przez „mainstreamową” fizykę i kosmologię, wypełniony dziwacznymi zjawiskami, takimi jak gigantyczne kwazary odlatuje od nas z zawrotną szybkością, Ciemna materiaktórego nikt nie odkrył i który nie wykazuje śladów akceleratorów, ale jest „niezbędny” do wyjaśnienia zbyt szybkiego obrotu galaktyki i wreszcie, Wielki Wybuchco skazuje całą fizykę na walkę z niewytłumaczalnym, przynajmniej na razie, funkcja.

nie było fajerwerków

Oryginalność Wielkiego Wybuchu wynika bezpośrednio i nieuchronnie z matematyki ogólnej teorii względności. Jednak niektórzy naukowcy postrzegają to jako problematyczne zjawisko, ponieważ matematyka może wyjaśnić tylko to, co stało się bezpośrednio po… – ale nie wie, co wydarzyło się w tym bardzo osobliwym momencie, przed wielkimi fajerwerkami (2).

Wielu naukowców boi się tej funkcji. Choćby dlatego, jak to niedawno ujął Ale Ahmeda Faraha z Uniwersytetu Ben w Egipcie „prawa fizyki przestają tam działać”. Farag z kolegą Saurya Dasem z Uniwersytetu Lethbridge w Kanadzie przedstawił w artykule z 2015 roku w Physics Letters B model, w którym Wszechświat nie ma ani początku, ani końca, a zatem nie ma osobliwości.

Obaj fizycy inspirowali się swoją pracą. Dawid Bohm od lat 50. Rozważał możliwość zastąpienia linii geodezyjnych znanych z ogólnej teorii względności (najkrótszych linii łączących dwa punkty) trajektoriami kwantowymi. W swojej pracy Farag i Das zastosowali trajektorie Bohma do równania opracowanego w 1950 r. przez fizyka Do Amali Kumary Raychaudhury z Uniwersytetu w Kalkucie. Raychaudhuri był także nauczycielem Dasa, gdy ten studiował w latach 90. Korzystając z równania Raychaudhuri, Ali i Das uzyskali poprawkę kwantową Równanie Friedmanaco z kolei opisuje ewolucję Wszechświata (w tym Wielki Wybuch) w kontekście ogólnej teorii względności. Chociaż model ten nie jest prawdziwą teorią grawitacji kwantowej, zawiera elementy zarówno teorii kwantowej, jak i ogólnej teorii względności. Farag i Das również oczekują, że ich wyniki okażą się prawdziwe nawet wtedy, gdy zostanie ostatecznie sformułowana pełna teoria grawitacji kwantowej.

Teoria Farag-Dasa nie przewiduje ani Wielkiego Wybuchu, ani wielka awaria powrót do stanu osobliwości. Trajektorie kwantowe używane przez Farag i Das nigdy się nie łączą, a zatem nigdy nie tworzą punktu osobliwego. Z kosmologicznego punktu widzenia – wyjaśniają naukowcy – poprawki kwantowe można uznać za stałą kosmologiczną i nie ma potrzeby wprowadzania ciemnej energii. Stała kosmologiczna prowadzi do tego, że rozwiązaniem równań Einsteina może być świat o skończonych rozmiarach i nieskończonym wieku.

To nie jedyna teoria, która w ostatnim czasie podważa wyobrażenia o Wielkim Wybuchu. Istnieją na przykład hipotezy, że kiedy pojawił się czas i przestrzeń, powstał i drugi wszechświatw którym czas płynie wstecz. Wizję tę prezentuje międzynarodowa grupa fizyków w składzie: Tim Kozłowski z Uniwersytetu w Nowym Brunszwiku, Targuje się z Flavio Obwód Instytutu Fizyki Teoretycznej i Juliana Barboury. Według tej teorii dwa wszechświaty utworzone podczas Wielkiego Wybuchu powinny być swoimi lustrzanymi odbiciami (3), mają więc inne prawa fizyki i inne poczucie upływu czasu. Być może przenikają się nawzajem. To, czy czas płynie w nich do przodu, czy do tyłu, określa kontrast pomiędzy wysoką i niską entropią.

Z kolei autor kolejnej nowej propozycji modelu wszystkiego, Wong Tzu Shu z National Taiwan University opisuje czas i przestrzeń nie jako odrębne rzeczy, ale jako rzeczy blisko ze sobą powiązane, które mogą się wzajemnie przekształcać. Ani prędkość światła, ani stała grawitacji nie są w tym modelu niezmienne, ale są czynnikami przekształcającymi czas i masę w rozmiar i przestrzeń w miarę rozszerzania się Wszechświata. Teorię Shue, podobnie jak wiele innych koncepcji świata akademickiego, można oczywiście postrzegać jako fantazję, ale model rozszerzającego się wszechświata zawierającego 68% ciemnej energii powodującej ekspansję również jest problematyczny. Niektórzy zauważają, że za pomocą tej teorii naukowcy „zamiecili pod dywan” fizyczne prawo zachowania energii. Tajwańska teoria nie narusza zasad zachowania energii, za to ma problem z mikrofalowym promieniowaniem tła, które uznawane jest za relikt Wielkiego Wybuchu. Coś za coś.

Nie widzisz ciemności i tyle

Kandydaci do tytułu honorowego Ciemna materia Dużo. Słabo oddziałujące cząstki masywne, silnie oddziałujące cząstki masywne, sterylne neutrina, neutrina, aksiony to tylko niektóre z zaproponowanych dotychczas przez teoretyków rozwiązań zagadki „niewidzialnej” materii we Wszechświecie.

Od kilkudziesięciu lat najpopularniejszymi kandydatami są obiekty hipotetyczne, ciężkie (dziesięciokrotnie cięższe od protonu) i słabo oddziałujące cząstki zwane WIMP. Zakładano, że były one aktywne w początkowej fazie istnienia Wszechświata, jednak w miarę ochładzania się i rozpraszania cząstek ich wzajemne oddziaływanie zanikało. Obliczenia wykazały, że całkowita masa WIMP powinna być pięciokrotnie większa od zwykłej materii, czyli dokładnie tyle, ile szacuje się na ciemną materię.

Nie znaleziono jednak żadnych śladów WIMP-ów. Dlatego teraz coraz popularniejsze jest mówienie o wyszukiwaniu sterylne neutrina, hipotetyczne cząstki ciemnej materii o zerowym ładunku elektrycznym i bardzo małej masie. Czasami neutrina sterylne uznawane są za neutrina czwartej generacji (obok neutrin elektronowych, mionowych i taonowych). Jego charakterystyczną cechą jest to, że oddziałuje z materią jedynie pod wpływem grawitacji. Oznaczone symbolem ν_s.

Oscylacje neutrin teoretycznie mogłyby sprawić, że neutrina mionowe staną się sterylne, zmniejszając ich liczbę w detektorze. Jest to szczególnie prawdopodobne po przejściu wiązki neutrin przez obszar materii o dużej gęstości, taki jak jądro Ziemi. Dlatego detektor IceCube na biegunie południowym posłużył do obserwacji neutrin pochodzących z półkuli północnej w zakresie energii od 320 GeV do 20 TeV, gdzie oczekiwano silnego sygnału w obecności neutrin sterylnych. Niestety analiza danych z zaobserwowanych zdarzeń pozwoliła wykluczyć istnienie sterylnych neutrin w dostępnym obszarze przestrzeni parametrów, tzw. Poziom pewności 99%.

W lipcu 2016 roku, po dwudziestu miesiącach eksperymentów przy detektorze Large Underground Xenon (LUX), naukowcy nie mieli nic do powiedzenia poza tym, że... nic nie znaleźli. Podobnie naukowcy z laboratorium Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i fizycy z CERN, którzy liczyli na produkcję ciemnej materii w drugiej części Wielkiego Zderzacza Hadronów, nie mówią nic o ciemnej materii.

Musimy więc szukać dalej. Naukowcy twierdzą, że być może ciemna materia to coś zupełnie innego niż WIMP, neutrina czy cokolwiek innego, i budują LUX-ZEPLIN, nowy detektor, który powinien być siedemdziesiąt razy czulszy od obecnego.

Nauka ma wątpliwości, czy istnieje coś takiego jak ciemna materia, jednak astronomowie zaobserwowali niedawno galaktykę, która pomimo swojej masy podobnej do Drogi Mlecznej składa się w 99,99% z ciemnej materii. Informację o odkryciu przekazało Obserwatorium V.M. Keka. To jest o galaktyka Dragonfly 44 (Ważka 44). Jej istnienie potwierdzono dopiero w zeszłym roku, kiedy sieć teleskopów Dragonfly Telephoto Array zaobserwowała fragment nieba w gwiazdozbiorze Kosy Berenices. Okazało się, że galaktyka zawiera znacznie więcej, niż mogłoby się wydawać. Ponieważ zawiera niewiele gwiazd, szybko by się rozpadł, gdyby jakaś tajemnicza rzecz nie pomogła utrzymać razem obiektów składowych. Ciemna materia?

Modelowanie?

Hipoteza Wszechświat jest jak hologramMimo że zajmują się nią osoby z poważnymi stopniami naukowymi, nadal jest ona traktowana jako mglisty obszar na pograniczu nauki. Być może dzieje się tak dlatego, że naukowcy są ludźmi i trudno im pogodzić się z mentalnymi implikacjami badań w tym zakresie. Juana MaldacenyZaczynając od teorii strun, przedstawił wizję wszechświata, w której struny wibrując w dziewięciowymiarowej przestrzeni tworzą naszą rzeczywistość, będącą jedynie hologramem – projekcją płaskiego świata bez grawitacji..

Wyniki badania austriackich naukowców opublikowane w 2015 roku wskazują, że Wszechświat potrzebuje mniejszej liczby wymiarów, niż oczekiwano. Trójwymiarowy wszechświat może być po prostu dwuwymiarową strukturą informacyjną na horyzoncie kosmologicznym. Naukowcy porównują to do hologramów znajdujących się na kartach kredytowych – w rzeczywistości są one dwuwymiarowe, choć my postrzegamy je jako trójwymiarowe. Według Daniela Grumillera z Politechniki Wiedeńskiej nasz Wszechświat jest dość płaski i ma dodatnią krzywiznę. Grumiller wyjaśnił w Physical Review Letters, że jeśli grawitację kwantową w płaskiej przestrzeni można opisać holograficznie za pomocą standardowej teorii kwantowej, to powinny istnieć również wielkości fizyczne, które można obliczyć w obu teoriach, a wyniki powinny być zgodne. W szczególności jedna kluczowa cecha mechaniki kwantowej – splątanie kwantowe – powinna pojawić się w teorii grawitacji.

Niektórzy idą dalej, mówiąc nie o projekcji holograficznej, ale wręcz o niej modelowanie komputerowe. Dwa lata temu słynny astrofizyk, laureat Nagrody Nobla, George'a Smoota, przedstawił argumenty, że ludzkość żyje w takiej komputerowej symulacji. Twierdzi, że jest to możliwe m.in. dzięki rozwojowi gier komputerowych, które teoretycznie stanowią rdzeń rzeczywistości wirtualnej. Czy ludzie kiedykolwiek stworzą realistyczne symulacje? Odpowiedź brzmi: tak” – powiedział w wywiadzie. „Oczywiście poczyniono znaczne postępy w tej kwestii. Wystarczy spojrzeć na pierwszego „Ponga” i dzisiejsze gry. Około roku 2045 już wkrótce będziemy mogli przenosić nasze myśli do komputerów”.

Wszechświat jako projekcja holograficzna

Biorąc pod uwagę, że dzięki zastosowaniu rezonansu magnetycznego możemy już mapować konkretne neurony w mózgu, wykorzystanie tej technologii do innych celów nie powinno stanowić problemu. Wirtualna rzeczywistość może wtedy zadziałać, umożliwiając kontakt z tysiącami ludzi i zapewniając formę stymulacji mózgu. Według Smoota mogło to mieć miejsce w przeszłości, a nasz świat to zaawansowana sieć wirtualnych symulacji. Co więcej, może się to zdarzyć nieskończoną liczbę razy! Można więc żyć w symulacji, która jest w innej symulacji, zawarta w innej symulacji, która... i tak w nieskończoność.

Świat, a zwłaszcza Wszechświat, niestety, nie jest nam dany na tacy. Raczej sami jesteśmy częścią, bardzo małą częścią dań, których – jak wynika z niektórych hipotez – nie można było dla nas przygotować.

Czy ta mała część Wszechświata, którą posiadamy – przynajmniej w sensie materialistycznym – będzie kiedykolwiek w stanie zrozumieć całą strukturę? Czy jesteśmy wystarczająco inteligentni, aby zrozumieć i pojąć tajemnicę Wszechświata? Prawdopodobnie nie. Gdybyśmy jednak kiedykolwiek zdecydowali, że ostatecznie poniesiemy porażkę, trudno byłoby nie zauważyć, że byłoby to także w pewnym sensie pewnego rodzaju ostateczny wgląd w naturę wszystkich rzeczy…