Pa sada, nastavimo. Među glavnim zahtjevima za svemir pogodan za život je dobra opskrba kemijskim elementima koji se koriste za stvaranje i održavanje živih organizama. Znanstvenici su uspjeli upotrijebiti teoriju 'vrućeg Velikog praska' kako bi ekstrapolirali kako su te kemikalije nastale. Navodno u trenutku Velikog praska takvi elementi nisu postojali jer je u jednoj sekundi nakon Velikog praska temperatura bila oko deset milijardi stupnjeva. Atomi ne mogu preživjeti te temperature, tako da je u tom trenutku postojala samo užarena vruća plazma 'slobodno kretajućih atomskih komponenti'. Sada, Davies piše da bi se "čak i atomske jezgre razbile" na tako visokim temperaturama, ali kada piše da je plazma sastavljena od 'atomskih komponenti' on navodi protone, neutrone i elektrone i ne mogu a da ne pitam: odakle su protoni, neutroni i elektroni došli? Prema Wikipediji: "Do prve sekunde, svemir se sastoji od osnovnih čestica i energije: kvarkova, elektrona, fotona, neutrina i manje poznatih tipova. Te se čestice sudaraju i stvaraju protone i neutrone". Čini mi se da bi nam te 'fundamentalne čestice' mogle reći nešto o prirodi navodne prvobitne mase koja je 'eksplodirala' i postala svemir. Pa, u svakom slučaju, dopustite mi da ovdje citiram Daviesa:
"Većina protona koji su proizašli iz velikog praska ostali su slobodni i bili su predodređeni da formiraju atome vodika nakon što se svemir dovoljno ohladi da svaki proton uhvati elektron. (Taj posljednji korak nije se dogodio gotovo 400.000 godina.) Međutim, nisu svi protoni ostali izolirani. Neki od njih su se sudarili s neutronima i zaglavili da bi formirali deuterij, relativno rijedak izotop vodika s po jednim protonom i jednim neutronom u svakoj jezgri. Ostali protoni ugradili su se u helij, sljedeći najjednostavniji element, koji ima jezgru koja se sastoji od dva protona i dva neutrona. Ono što opisujem su nuklearne fuzije, proces koji je vrlo dobro shvaćen. Protoni i neutroni mogli bi se početi spajati u kompozitne jezgre tek nakon što bi temperatura dovoljno pala da se novonastale jezgre ne bi odmah ponovno fragmentirale zbog jake topline. Prozor mogućnosti za nuklearnu fuziju bio je ograničen, međutim, otvorio se nakon 100 sekundi ili tako nešto i ponovno zatvorio nakon samo nekoliko minuta. Jednom kada je temperatura pala ispod otprilike stotinu milijuna stupnjeva, fuzija se zaustavila jer je protonima nedostajalo energije da nadvladaju međusobno električno odbijanje".Navodno znanstvenici također mogu izračunati koliko je helija napravljeno i koliko je protona preostalo da se napravi vodik, a odgovor je tri atoma vodika na svaki atom helija i ništa drugo osim male količine deuterija i litija. Omjer je očito potvrđen astronomskim promatranjima budući da svaki kemijski element, u svjetlu koje emitira, ima spektralni 'bar kod' po kojem se identificira.
Dakle, znamo da je svemir sačinjen uglavnom od vodika i helija u omjeru 3 prema 1, a helij je relikt prvih minuta Velikog praska.
Procesi Velikog praska testirani su i potvrđeni u eksperimentima fizike elementarnih čestica u sudaračima čestica kao što su Brookhaven National Laboratories. Znanstvenici tamo mogu vidjeti što se dogodilo u trenutku kada je svemir bio "stisnut u volumen prostora ne veći od sunčevog sustava, s temperaturom gotovo milijun puta višom od središta Sunca. Ispostavilo se da pod tim ekstremnim uvjetima čak i protoni i neutroni ne mogu postojati kao diskretni entiteti, umjesto toga oni su stopljeni u amorfni koktel subnuklearnih fragmenata". Ali ipak, pitam, odakle ti subnuklearni fragmenti i što nam mogu reći? Postoji alternativna ideja koja pokušava otkriti ovaj problem:
Kvantizirane elementarne alternativeDa se vratimo na Daviesa: primijetite da je on napisao da je svemir "stisnut u volumen prostora koji nije veći od Sunčevog sustava, s temperaturom gotovo milijun puta višom od središta Sunca". Naš solarni sustav je jako velik u odnosu na naš planet i nas. Voyager 1 putuje već više od 40 godina i još uvijek nije izbjegao utjecaj našeg sunca na udaljenosti od gotovo 14 milijardi milja. Dakle, ta 'primordijalna atomska stvarčica' bila je stvarno ogromna. Je li bila ravna poput palačinke ili okrugla poput lopte? Što je to bilo? Kako je nastalo?
Kvantnu teoriju elementarne alternative formulirao je njemački fizičar i filozof Carl Friedrich von Weizsäcker u nizu radova pod naslovom Komplementarität und Logik (Komplementarnost i logika) I-III između 1955. i 1958. Weizsäcker elementarnu alternativu naziva 'das Ur' ( izgovara se više kao 'poor' nego 'pure'), nakon njemačkog prefiksa ur-, označavajući nešto poput primitivnog ili iskonskog (usporedite: Ursuppe, praiskonska juha, ili Urknall, praiskonski prasak, ili veliki prasak). Stoga je teorija elementarne alternative poznata kao ur teorija, što joj ne ide u prilog pri pretraživanju s Google-om.
Weizsäckerovo polazište stoga je osnovna logika - kako bismo trebali razmišljati o stvarima u svijetu. Komplementarnost je, dakle, središnji fenomen kvantne teorije koji podrazumijeva nužnost formuliranja opisa sustava u terminima koji su i međusobno isključivi i zajednički nužni (kao u dualnosti val/čestica; vidi prethodnu raspravu ovdje). Kao što Weizsäcker tvrdi, ovo bi trebao biti temeljni građevni blok logike koja se koristi za zaključivanje i konstruiranje znanstvenih teorija. Ali to samo po sebi ograničava teorije koje se mogu izgraditi, na iznenađujuće i prosvjetljujuće načine.
Weizsäckerovo gledište je, dakle, na prvi pogled široko Kantovsko: postoje određeni koncepti koje možemo smatrati 'urođenima', koji diktiraju oblik našeg iskustva svijeta. Kant je smatrao, npr., da prostor i vrijeme spadaju u njih; dakle, nikakvo neprostorno iskustvo nije moguće, pa čak ni zamislivo.
Ovo je raskid s atomističkom tradicijom. Umjesto da jednostavno bude primatelj nepristranih podataka koji proizlaze iz svijeta, promatrač prema ovom pogledu posreduje podatke kroz proces promatranja — dakle, vrste teorija koje se mogu izgraditi ne opisuju ogoljenu stvarnost, već iskustvo promatrača u svijetu. Ideja o svijetu bez promatrača odmah je besmislena, budući da pojam 'svijeta' sa sobom nosi i pojam 'promatrača'.
Odatle, Weizsäcker predlaže izgradnju teorije fizike, uzimajući kao ishodište ništa drugo nego ur teoriju, to jest, kvantnu teoriju elementarne alternative — qubit, u modernom jeziku. Na taj je način predložio informacijsko-teorijsko utemeljenje fizike tri desetljeća prije nego što je Wheeler skovao poznati slogan 'sve iz bita biva'.
Što god da je bilo, očito nam znanost govori da se svemir udvostručio u veličini između 1 i 2 mikrosekunde (milijunti dio sekunde), ali za jednu sekundu, stopa širenja pala je na bilijunti dio onoga što je bila u jednoj mikrosekundi. Očigledni razlog za ovo brzo usporavanje bila je gravitacija. Privlačenje između svih oblika materije izazvalo je kočenje posebno zbog izvanredno komprimiranog stanja materije u to vrijeme, tj. tog divovskog 'prvobitnog atoma' veličine Sunčevog sustava. Primijetite da govorimo o materiji prije nego što je materija trebala postojati. Bio je to "amorfni koktel subnuklearnih fragmenata" o kojem ne znamo ništa.
Davies daje grafikon brzine širenja svemira koji nalikuje zakrivljenoj liniji označenoj "otvoreno" na grafikonu ispod:
· Otvoreni svemir: onaj koji se nastavlja širiti. Gravitacija usporava brzinu širenja, ali nije dovoljno jaka da to zaustavi.Istraživanja u ovom području su u tijeku i mnogo toga nije dobro shvaćeno, pa imajte to na umu. Godine 1997. kozmolozi su utvrdili da se svemir čini otvorenijim nego što se očekivalo. Zaključili su da mora postojati neka druga dosad nepoznata sila, koja djeluje suprotno gravitaciji, a koja razmiče svemir. Ovo je označeno kao 'Tamna energija'.
· Zatvoreni svemir: Svemir koji će se na kraju urušiti sam na sebe. To bi rezultiralo velikim sažimanjem što je naličje Velikog praska.
· Ravni svemir: Sila gravitacije nastavlja usporavati širenje, ali teoretski, trebat će beskonačno mnogo vremena da se zaustavi.
U svakom slučaju, čini se da je brzina širenja u odnosu na usporavanje igrala vrlo važnu ulogu u fizičkim procesima koji su se odvijali u određenom trenutku i to je bilo iznimno važno za stvaranje atoma koji su neophodni za život. Čini se da je cijeli ovaj proces na neki način 'kontroliran' kako bi definitivno rezultirao okruženjem pogodnim za život. Kao što Davies piše:
"Naš je svemir odabrao sretan kompromis: širi se dovoljno sporo da dopusti stvaranje galaksija, zvijezda i planeta, ali ne toliko sporo da bi riskirao brzi kolaps... Eksplozije su inače prilično neuredne stvari. Ako je veliki prasak bio malo neravnomjeran, tako da je brzina širenja u jednom smjeru bila veća od one u drugom, a onda bi svemir rastao sve više i više nagnuto kako su se brže galaksije udaljavale. Očito ne vidimo da je veliki prasak imao istu snagu u svim smjerovima i u svim područjima svemira, podešen na vrlo visoku preciznost. Kako je cijeli kozmos surađivao da to postigne?"Ulazi teorijski fizičar Alan Guth. Guthova ideja bila je "inflacija" za razliku od "ekspanzije". Prema Guthu, tradicionalni Veliki prasak nije trebao biti jedinstven ili orkestriran, mogao je biti neuredan kao i bilo koja druga eksplozija. Tada je svemir gotovo odmah porastao za ogroman faktor. Analogija bi bila nešto što gotovo trenutačno skoči s veličine protona na veličinu grejpa. U toj točki, brza 'inflacija' je prestala i normalno 'širenje' je zavladalo kao prema danoj priči o ranom svemiru kako je već opisano. Ova gotovo trenutačna inflacija ima učinak izglađivanja svemira na isti način na koji se napuhavanjem balona rješavamo svih bora na njemu.
"Guthova inflacija čini se malo više od čarobnog štapića. Ne bi se čulo da Guth nije pružio vjerodostojan fizički mehanizam koji bi objasnio kako je do inflacije moglo doći... Gravitacijska sila svemira služi za progresivno smanjenje stope širenja. Inflacija čini upravo suprotno: to je kratka epizoda u kojoj se stopa širenja jako ubrzava, uzrokujući superbrzo povećanje svemira. Guth je predložio da je za to odgovorna vrsta antigravitacijske sile".Zgodno, antigravitacija je ugrađena u Einsteinovu opću teoriju relativnosti. Ali odakle dolazi? Guth je predložio skalarno polje i nazvao je ovaj hipotetski entitet 'polje inflacije'.
(Wikipedia: U afinoj geometriji, uniformno skaliranje (ili izotropno skaliranje) je linearna transformacija koja proširuje (povećava) ili skuplja (smanjuje) objekte faktorom skaliranja koji je isti u svim smjerovima. Rezultat uniformnog skaliranja je sličan (u geometrijskom smislu) u odnosu na original. Obično je dopušten faktor mjerila 1, tako da se podudarni oblici također klasificiraju kao slični. Uniformno skaliranje događa se, na primjer, kada se povećava ili smanjuje fotografija, ili kada se stvara maketa zgrade, automobila, aviona itd.)
"U Newtonovoj teoriji, gravitaciju stvara masa. U Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, masa je također izvor gravitacije, kao i energija (sjetite se da nam Einsteinova jednadžba E = mc2 govori da energija ima masu). Ali ne staje tu. Tlak je također izvor gravitacije u općoj teoriji relativnosti. ... ako tlak postane ozbiljno velik, on se može mjeriti s energijom u svojoj gravitacijskoj snazi. Ozbiljno velik ovdje znači vrsta pritiska koji se nalazi unutar kolapsirajuće zvijezde ... Drugi primjer je, međutim, skalarno polje: posjeduje tlak usporediv sa svojom energijom. ... Ali zašto skalarno polje proizvodi antigravitaciju? Presudni čimbenik je tlak: za skalarno polje on je negativan. Negativan tlak nije nešto više od onoga što obično nazivamo napetost - rastegnuta elastična traka pruža nam poznati primjer. U tri dimenzije, blok gume povučen u svim smjerovima imao bi negativan tlak. Sada negativni tlak implicira negativnu gravitaciju - odbojnu, antigravitacijsku silu. Dakle, skalarno polje stvara gravitaciju zahvaljujući svojoj energiji, ali antigravitaciju zahvaljujući svom (negativnom) tlaku. Izračun pokazuje da antigravitacija pobjeđuje gravitaciju faktorom tri, tako da je ukupni učinak skalarnog polja antigravitacijski".Tako je i bilo: Guth je teoretizirao da je tijekom prvog trenutka nakon rođenja svemira skalarno polje prožimalo prostor ispoljavajući snažan antigravitacijski učinak koji je potaknuo svemir da skoči u nenamjerno širenje. (Što je očitovalo ovo skalarno polje? Kako je nastalo?) Ovaj antigravitacijski učinak morao je biti dovoljno jak da nadjača nevjerojatnu gravitaciju 'normalne materije u svemiru', tj. prvobitnog atoma veličine Sunčevog sustava. Ubacio je neke brojke i otkrio da antigravitacija ne samo da bi lako preplavila svemir, već bi bila toliko jaka da bi se svemir udvostručio svakih 1014 sekundi.
Jedini problem je: što je zaustavilo ovu gotovo nezamislivu ekspanziju? Guth je imao odgovor na to: polje inflacije bilo je samo po sebi nestabilno i postojalo je samo kratko vrijeme. Samo je propalo i nestalo, više-manje. Puf! A kada je nestalo, onda je veliki prasak nastavio prema Standardnom modelu. Pa manje više. Prema Guthu, energija pohranjena u polju inflacije postala je toplina i upravo je ta toplina stvorila protone i elektrone i svih 1050 tona materije u svemiru. Nakon toga, s raspadom polja, CMB predstavlja ostatke polja inflacije.
U svakom slučaju, Guthova teorija imala je nedostatak: izlazak iz inflacije. Imajte na umu da je mislio da je samo 'inherentno nestabilno', ali raspadanje polja inflacije je kvantni proces i stoga je podložno uobičajenoj nepredvidivosti kvantnih fluktuacija. Davies piše:
"Kao rezultat toga, raspadalo bi se u različito vrijeme na različitim mjestima, u obliku nasumično raspoređenih mjehurića - mjehurića prostora, to jest, u kojima se polje inflacije raspalo okruženo područjima prostora gdje se to nije dogodilo. Dana energija koja je nastala raspadnutim inflacijskim poljem bi se koncentrirala u stjenkama mjehurića, ali bi proces bio krajnje kaotičan i stvorio bi onoliko nehomogenosti koliko bi inflacija trebala ukloniti... Rješenje je bilo pronaći teoretsku shemu koja bi izbjegla sudare mjehurića i omogućila da mjehurići narastu do veličine koja je mnogo veća od vidljivog svemira. Jedan od načina da se to učini zove se vječna inflacija".Ovdje treba primijetiti jednu stvar: po samoj svojoj prirodi, inflacija briše zapis onoga što je bilo prije i onemogućuje rješavanje pitanja: Što je uzrokovalo Veliki prasak i što je bilo prije njega? Inflacija može pomoći u objašnjenju temeljnih značajki svemira, opisujući ih kao čisto fizičke procese, ali čini se da sprječava prodiranje dalje od toga.
Nije me briga za otmjeno matematičko/terminološko prepucavanje koje se ovdje događa, ono što on opisuje i dalje se svodi na manifestiranje nečega ni iz čega ili nečega što se kreće između dimenzija i odjednom se pojavljuje. Primijetite također da nitko još nije promatrao skalarno polje, prema Daviesu.
Živimo u svemiru koji ne samo da dopušta život, već ga čini se i promovira. Kad bi bilo koja od velikog broja fizičkih svojstava našeg svemira bila drugačija od njih, život bi bio nemoguć. I tako, sljedeći put ću nastaviti istraživati ove probleme i pogledati rješenja i objašnjenja koja su ponuđena.
P.S. 09-06-24 18:31 (A.J.)
Peti dio serije podcasta Jaya Campbella s Laurom
P.S. 10-06-24 14:27 (A.J.)
https://x.com/JamesMelville/status/1800091285769879979
Academia.edu pokreće novi časopis "Quantum". Opseg ovog novog časopisa uključuje:
- Biološki kvantni sustavi - Inženjerstvo za kvantni hardver - Temeljna kvantna mehanika i teorija s fokusom na eksperimentalne vidljive - Materijali za kvantne tehnologije - Mjeriteljstvo i instrumentacija - Kvantni algoritmi i strojno učenje - Kvantna kemija - Kvantne komunikacije, sigurnost i kriptografija - Kvantno računalstvo i Simulacija - Kvantna gravitacija i kozmologija - Kvantna teorija i obrada informacija - Kvantna dijagnostika i fotonika - Kvantna fizika i termodinamikaPogledajte statistiku Uredništva:
P.S. 14-06-24 15:04 (A.J.)
Komentari čitatelja
na naše novosti